[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. 청주시 외평~북이 등 2개 도로 노선, 제6차 국도·국지도 예타 대상 선정
  2. 아산시 주요 도로 확충사업, 기재부 예비타당성조사 최종 통과
  3. 아산시도고면행복키움, 취약계층에 후원 물품 전달
  4. 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 5~6학년부 예선
  5. 천안시, '2026 유니브시티 페스티벌' 최종보고회…안전 대책 점검
  1. 천안교육지원청, 초·중등 신규교사 임명장 전달식 개최
  2. 천안시 서북구, '법정계량기 정기검사' 추진
  3. 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 여자부 8강
  4. 아산시, 학대 아동위한 든든한 울타리 강화
  5. 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 3~4학년부 4강전

헤드라인 뉴스


충청 명운 가른다…정기국회 현안입법 예산 초당적 협력 시급

충청 명운 가른다…정기국회 현안입법 예산 초당적 협력 시급

충청권 명운을 좌우할 정기국회가 다음달 1일 100일 간 대장정에 돌입하는 가운데 산적한 지역 현안 관철을 위해 초당적 협력이 시급하다. 행정수도특별법, 국군사 대전설치특별법 처리는 물론 정기국회 기간 로드맵이 공개될 것으로 보이는 공공기관 제2차 이전 등과 관련해 충청 여야의 총력전이 요구된다. 이와 함께 충청 100년을 좌지우지할 충청권 광역철도, 대전의료원, 청주공항 민간활주로 확충 등 예산 반영 및 증액에도 나서야 한다는 목소리가 높다. 국회는 다음달 1일 오후 2시 본회의장에서 정기국회 개회식을 연다. 7∼8일 교섭단체 대..

위기시 레버리지 등 투자상품 조정... 금융당국, 긴급조치권 확대 추진
위기시 레버리지 등 투자상품 조정... 금융당국, 긴급조치권 확대 추진

단일종목 레버리지 사태로 보완책을 고심 중인 정부가 시장위기 상황일 때 금융투자상품의 내용을 조정하는 방안을 들여다보고 있다. 증시 변수를 예측하기 어려운 만큼 이번 일을 계기로 증시 긴급조치권의 적용 대상을 금융투자상품으로 넓혀 필요시 적기 대응하도록 조정 권한을 미리 확보한다는 취지다. 30일 금융당국에 따르면 금융위원회는 시장 안정화와 투자자 보호가 필요한 상황에서 단일종목 레버리지를 포함한 금융투자상품 내용을 변경할 수 있도록 자본시장법 개정을 검토 중이다. 정부는 7월 30일 단일종목 레버리지의 추가 대책 하나로 해당 상품..

대전 미분양 1년 새 23% 증가… 중구 미분양 대폭 증가
대전 미분양 1년 새 23% 증가… 중구 미분양 대폭 증가

대전지역 미분양 주택이 1년 새 20% 넘게 증가한 것으로 나타났다. 특히 올해 들어 미분양 물량이 2000가구를 넘어선 가운데 전체 물량의 60% 이상이 중구에 집중되면서 원도심 주택시장에 부담이 커지고 있다. 대전시에 따르면 올해 6월 말 기준 지역 내 미분양 주택은 2044가구다. 지난해 6월 말 1663가구와 비교하면 381가구 늘어나 1년 사이 22.9% 증가했다. 올해 미분양은 연초부터 증가와 감소를 반복하면서도 전체적으로는 지난해보다 높은 수준을 유지했다. 1월 1549가구에서 2월 1752가구로 증가한 뒤 3월 160..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 여자부 8강 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 여자부 8강

  • 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 3~4학년부 4강전 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 3~4학년부 4강전

  • 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 5~6학년부 예선 제17회 대전시 동구청장배 전국풋살대회 초등 5~6학년부 예선

  • 가을을 재촉하는 비 가을을 재촉하는 비