[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. 2030년 행정수도 거점의 광역교통망 촘촘히 구축
  2. 천안시 인구 71만명 돌파
  3. 기나긴 공방 끝, 지천댐 건설 동력 확보… 기후부, 충청권 메가프로젝트 용수 수요에 '다목적댐' 추진
  4. 교육비 격차 벌어졌는데 장학금은 평균 웃돌아… 대전 대학 엇갈린 지표
  5. 충남대 국립공주대 통합신청서 통과…구성원 찬반투표 본격화
  1. "몸무게 23.6㎏ 저는 대전샛, 우주탐험 준비마쳤어요"
  2. 특진·포상 받은 수사, 무죄 나면?… 경찰개혁 ‘사후검증’ 과제
  3. [교단만필] 가을에 피는 꽃을 어찌 늦다 하겠는가
  4. [2027 수시로 간다-대학의 색, 미래의 선택] 목원대, 전공의 벽 허물고 AI 대학으로 혁신
  5. 농지 규제 대폭 완화… 농업 외 종합 소득금 상향

헤드라인 뉴스


특진·포상 받은 수사, 무죄 나면?… 경찰개혁 ‘사후검증’ 과제

특진·포상 받은 수사, 무죄 나면?… 경찰개혁 ‘사후검증’ 과제

경찰 송치 이후 불기소나 무죄로 뒤집힌 사건까지 추적해 기존 수사 성과를 다시 평가하는 시스템 마련이 경찰개혁의 과제로 떠오르고 있다. 경찰이 사건 무작위 배당과 수사심사 강화, 우수 수사관에 대한 포상·승진 확대 등을 추진하는 만큼 잘한 수사뿐 아니라 결과가 뒤집힌 수사도 사후 검증할 필요가 있다는 지적이다. 특히 검거나 수사 실적으로 특별승진이나 포상을 받은 뒤 해당 사건이 불기소나 무죄로 끝난 경우 이를 어떻게 평가하고 인사에 반영할 것인지도 논의가 필요하다는 뜻이다. 27일 경찰청에 따르면 경찰은 전날 오후 '경찰 범죄 수사..

담배꽁초 하나에 유성 카센터 2억 화재… 항소심도 벌금 500만원
담배꽁초 하나에 유성 카센터 2억 화재… 항소심도 벌금 500만원

담배꽁초를 제대로 끄지 않은 채 버려 2억 원이 넘는 화재 피해를 낸 남성이 항소심에서도 벌금형을 선고받았다. 28일 법조계에 따르면 대전지법 제2-2형사부는 실화 혐의로 기소된 A 씨의 항소를 기각하고 벌금 500만 원을 선고한 원심을 유지했다. A 씨는 2025년 3월 23일 낮 12시 13분께 대전 유성구의 한 카센터 앞에서 담배를 피운 뒤 담배꽁초를 바닥에 버린 혐의로 재판에 넘겨졌다. A 씨가 현장을 떠난 뒤 약 4분 만에 카센터 건물 외벽에서 불이 났고, 외벽과 천장 등이 타면서 수리비 약 2억 1125만 원 상당의 피해..

2030년 행정수도 거점의 광역교통망 촘촘히 구축
2030년 행정수도 거점의 광역교통망 촘촘히 구축

충청권이 행정수도 세종시를 중심으로 한 그물망 광역교통망으로 한층 가까워진다. 2029년 대통령 세종 집무실, 2033년 국회 세종의사당 시대를 앞두고 메가시티, 즉 광역연합의 시너지 효과도 커질 전망이다. 청주공항~KTX오송역~조치원역~대전역~세종터미널~유성터미널~KTX공주역까지 각 지역 교통 거점에다 국회 세종의사당을 잇는 별도 노선들도 속속 계획되고 있다. 행정중심복합도시건설청(이하 행복청, 청장 강주엽)은 28일 청주국제공항(한국공항공사 청주지사)에서 제34차 행복도시 광역계획권 교통협의회(이하 광역교통협의회)를 열고, 이..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 가을을 재촉하는 비 가을을 재촉하는 비

  • 대입 수시 앞 실기준비 ‘구슬땀’ 대입 수시 앞 실기준비 ‘구슬땀’

  • ‘청렴문화 함께 만들어요’ ‘청렴문화 함께 만들어요’

  • ‘온통대전 2.0’ ‘온통대전 2.0’