[사이언스칼럼] 극저온 냉각기술과 초전도 현상의 발견

  • 오피니언
  • 사이언스칼럼

[사이언스칼럼] 극저온 냉각기술과 초전도 현상의 발견

손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

  • 승인 2024-08-15 15:49
  • 신문게재 2024-08-16 18면
  • 임효인 기자임효인 기자
clip20240815094951
손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원
연일 30도를 넘는 무더위가 기승을 부리고 있다. 햇빛을 피해도 주변의 끓는 더위로 찜통에 들어온 느낌이 들고, 열대야로 잠 못 드는 밤을 경험하고 있다. 이럴 때 우리는 뜨거운 실내 온도를 낮춰주기 위해 에어컨을 작동시킨다. 무더운 날씨에도 실내를 쾌적하게 만들어 주기 때문에 에어컨은 없어서는 안 될 존재가 됐다. 에어컨은 냉매가 압축돼 액화하는 응축과 팽창돼 기화하는 증발의 과정을 반복하는데, 바로 팽창과 증발 단계에서 온도가 낮아진다. 단열 상태에서 기체의 부피가 갑자기 증가하면 온도가 내려가는 단열팽창 원리를 이용한 것이다.

단열팽창을 통한 냉각기술은 1800년대 후반 프랑스 물리학자 카유테(Louis Paul Cailletet)의 우연한 발견을 통해 발전했다. 카유테는 아세틸렌 기체를 액화하기 위해 기계장치의 압력을 높이고 있었는데, 압력을 못 견디고 장치에 작은 구멍이 발생했다. 이 구멍으로 아세틸렌 기체가 빠른 속도로 빠져나가면서 구멍이 아주 차갑게 냉각된 것을 발견한 것이다. 이 발견으로 고압의 기체를 단숨에 팽창시켜 온도를 낮추는 기술을 개발해 산소 액화에 성공했다. 산소의 끓는점이 섭씨 -183도임을 생각하면 실로 엄청난 성과였다.

그 후 냉각기술은 더욱 발전했으며, 1898년 스코틀랜드 물리학자 듀어(James Dewar)는 섭씨 -253도에서 수소 액화에 성공했다. 듀어는 일반 용기를 활용한 단열의 한계를 극복하기 위해 두 겹의 유리 용기를 만들고, 유리 사이를 진공상태로 만들어 전도에 의한 열전달을 최소화했다. 또한 빛을 반사하는 물질을 표면에 발라 복사에 의한 열전달도 차단했다. 어쩌면 우리에게 친숙한 텀블러의 최초 버전이라고 할 수 있다. 이를 통해 듀어는 수소 액화에 성공했으며 수소가 액화된 후에는 헬륨만이 기체로 남아있었다.

극저온 냉각기술이 발전을 거듭하면서 과학계에는 새로운 궁금증이 시작됐다. 온도에 따른 전도체의 저항이 어떻게 변하는가? 당시에는 전도체의 저항은 온도가 낮아질수록 낮아진다는 데는 이견이 없었으나 절대온도 0K(섭씨 -273도) 근처에서의 저항에 대해서는 의견이 분분했다. 당시 극저온에서의 전기저항에 대한 가설은 세 가지였다. 첫째, 전자도 모두 얼기 때문에 전기저항이 무한히 커질 것이다. 둘째, 열에너지에 의한 방해가 없으므로 전기저항이 0으로 내려갈 것이다. 셋째, 열에너지의 방해는 없지만 전자도 얼기 때문에 전기저항이 어떤 유한한 값으로 수렴할 것이다. 하지만 이런 가설들을 검증하기 위해선 절대온도 0K까지 냉각하는 기술이 먼저 필요했다.

1908년, 드디어 헬륨 기체가 네덜란드 물리학자 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)에 의해 섭씨 -269도, 절대온도 약 4.2K에서 액화됐다. 오네스는 고압의 헬륨을 액체 공기를 이용해 섭씨 -183도까지 냉각한 후, 액체 수소를 이용해 섭씨 -253도까지 냉각했다. 이후 고압 헬륨 기체를 얇은 관에서 뿜어져 나오게 해 온도를 낮춰 헬륨 액화에 성공한 것이다. 오네스의 헬륨 액화는 냉각기술의 발전을 넘어선 발견으로 이어졌다. 오네스는 극저온에서 전기저항에 대한 가설을 검증하기 위해 금속의 저항을 측정했다. 여러 종류의 금속을 실험한 결과, 수은의 전기저항이 절대온도 4.2K에서 0이 되는 것을 발견했다. 바로 초전도 현상에 대한 최초의 발견이다.

초전도 현상은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 비록 매우 극저온에서만 초전도 현상이 나타나기에 쉽게 접할 수 없지만, 강한 자기장을 만드는 기술에 사용된다. 가장 친숙한 예로 자기공명영상장치(MRI)에 초전도 현상을 활용되며 핵자기공명장치(NMR), 입자가속기에도 활용되고 있다. 또한 양자컴퓨터의 큐비트를 만들 때도 초전도 현상이 활용되고 있어, 미래 기술 혁명의 중요한 역할을 담당할 것으로 기대된다. 이렇듯 냉각기술의 발전 과정은 단순해 보이는 기술이 예상치 못한 과학적 발견과 혁신을 만들어 낼 수 있음을 알려준다. 어쩌면 지금은 보잘것없어 보이지만 멀리 보면 엄청난 파급력을 갖춘 기술이 더 있지 않을까? 손원혁 한국원자력연구원 첨단양자소재연구실 선임연구원

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 세종시 청렴도 하락세, "공정한 인사와 상호 존중이 해법"
  2. 여름 반기는 주황빛 능소화
  3. 충남교육청 7월 1일자 인사 단행… 부이사관 승진 2명 등 총 652명 규모
  4. 개원 준비로 분주한 대전시의회
  5. 충남대·충북대 연구단 BK21 신규 시범사업 선정
  1. 충남교육청 학교지원센터 기능 강화… 교사 업무 줄지만, 센터 과부화 우려
  2. 어업인 생계도, 밥상 물가도 지킨다
  3. [문화人칼럼] 0시 축제는 대전의 대표축제인가: 대전의 대전환을 위한 도시브랜딩과 도시마케팅 ③
  4. 대전 여야, 트램·예산 놓고 '신경전' 가속
  5. '농업·농촌 2045 전략' 20년 뒤 미래 청사진 그린다

헤드라인 뉴스


지역화폐 소비진작 효과 있지만… 경제 체질개선 여부 의문

지역화폐 소비진작 효과 있지만… 경제 체질개선 여부 의문

벼랑 끝에 몰린 골목경제를 구하기 위한 특효약인가. 아니면 현금성 지원에 의존한 포퓰리즘(populism)인가. 허태정 대전시장 당선인 1호 공약 온통대전 2.0을 두고서 나오는 말이다. 민선 7기를 이끌었던 그는 당시 트레이드마크인 온통대전을 4년 만에 다시 꺼내들었다. 코로나19 시기 지역 소비를 견인했던 지역화폐로 대전 경제를 회생시키겠다는 것이다. 민선 9기 출범을 앞두고 이에 대한 평가는 엇갈린다. 먼저 온통대전이 지역 내 소비 확대와 소상공인 매출 증대로 지역 경제 선순환을 견인할 것이라는 기대가 나온다. 수백억 원 혈세..

[대전MZ로그]"평범은 싫어~" 각양각색 소품 개성있게 꾸미는 소비 트렌드
[대전MZ로그]"평범은 싫어~" 각양각색 소품 개성있게 꾸미는 소비 트렌드

'평범한 볼펜과 모자, 신발 등을 세상에 하나뿐인 나만의 커스텀으로 변신~!'최근 SNS를 중심으로 자신만의 취향을 담아 물건을 꾸미는 이른바 '꾸미기 문화'가 2030세대의 소비 트렌드로 떠오르고 있다. 기자가 직접 가 본 대전 서구의 한 소품가게는 수많은 종류의 파츠와 와펜이 알록달록한 컬러를 빛내며 매장 한가득 진열돼 있어 소비자의 구매욕과 골라보는 재미를 자극하고 있었다. 게다가 키링과 신발, 가방, 볼펜 등도 함께 판매하고 있어 현장에서 바로 소품을 꾸밀 수도 있었다. 매장을 운영하는 임한나 씨는 "SNS와 팝업스토어를 꾸..

KAIST "세계 최초 양방향 `브레인 로봇` 기술 개발 나서"
KAIST "세계 최초 양방향 '브레인 로봇' 기술 개발 나서"

한국과학기술원(KAIST) 연구진이 사람의 뇌 신호로 외골격 로봇을 실시간 제어하고, 로봇이 감지한 촉각·힘 정보를 다시 뇌에 전달하는 차세대 뇌-로봇 인터페이스 플랫폼 개발을 시작했다. 기계공학과 공경철·김정 교수 연구팀은 ㈜엔젤로보틱스와 함께 범부처 첨단 의료기기 연구개발사업 플래그십 과제로 세계 최초 양방향 'Brain-to-Robot' 시스템 개발에 착수했다고 25일 밝혔다. 이 과제는 4월부터 2032년 12월까지다. 뇌 신호로 커서를 움직이거나 스마트폰을 제어하는 뇌 인터페이스 기술은 이미 인체 임상 단계에 진입해 있다...

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 갈고닦은 기술의 향연 갈고닦은 기술의 향연

  • 대한민국 패배에 실망하는 축구팬…32강 진출 불투명 대한민국 패배에 실망하는 축구팬…32강 진출 불투명

  • 개원 준비로 분주한 대전시의회 개원 준비로 분주한 대전시의회

  • 여름 반기는 주황빛 능소화 여름 반기는 주황빛 능소화