초전도체 및 자성 재료

초전도체가 임계 온도 이하로 냉각되면 전기 저항이 완전히 사라질 뿐만 아니라, 내부에서 자기장을 완전히 배제하는 현상을 마이스너 효과라고 부른다. 이는 단순히 완전 도체의 성질을 넘어서는 것으로, 초전도체의 결정적인 특징 중 하나이다. 완전 도체는 단지 변화하는 자기장을 차단할 뿐 이미 존재하는 자기장은 그대로 유지하지만, 초전도체는 초전도 상태로 전이되는 과정에서 내부의 자기장을 완전히 밀어내는 능력을 가진다[3].

마이스너 효과는 초전도체의 표면에 흐르는 차폐 전류에 의해 발생한다. 이 전류는 외부 자기장과 정확히 상쇄되는 자기장을 생성하여 재료 내부로의 자기력선 침투를 막는다. 결과적으로 초전도체는 완벽한 반자성을 나타내며, 이는 외부 자기장이 약할 경우 자석 위에 공중부양하는 현상으로 시각적으로 확인할 수 있다.

초전도 현상이 발생하기 위해서는 세 가지 임계값 조건을 동시에 만족해야 한다. 가장 잘 알려진 조건은 임계 온도(Tc)이다. 이 온도를 초과하면 물질은 정상 상태로 돌아가 초전도성을 잃는다. 두 번째 조건은 임계 자기장(Hc)이다. 일정 강도 이상의 외부 자기장이 가해지면 초전도 상태가 파괴된다. 세 번째는 임계 전류 밀도(Jc)로, 초전도체를 흐르는 전류 밀도가 너무 높아지면 발생하는 열 등에 의해 초전도성이 소멸된다.

이 세 임계값은 서로 긴밀하게 연관되어 있다. 일반적으로 작동 온도가 임계 온도에 가까울수록 견딜 수 있는 임계 자기장과 임계 전류 밀도의 값은 낮아진다. 초전도체의 실용적 응용을 위해서는 가능한 한 높은 세 가지 임계값을 갖는 재료를 개발하는 것이 핵심 과제이다.

BCS 이론은 1957년 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 제안한 미시적 이론으로, 저온에서 일부 물질이 초전도 현상을 보이는 원리를 설명한다. 이 이론의 핵심은 전도 전자들이 쿠퍼 쌍이라는 결합 상태를 형성하여 에너지 갭을 가지게 되고, 이로 인해 저항 없이 흐를 수 있다는 것이다. BCS 이론은 전통적인 저온 초전도체의 동작 원리를 성공적으로 설명하여 세 사람은 1972년 노벨 물리학상을 수상했다[4].

쿠퍼 쌍의 형성 메커니즘은 다음과 같다. 고체 내에서 자유롭게 움직이는 전자는 양이온 격자와 상호작용한다. 한 전자가 양이온을 끌어당기면 그 주변에 국부적인 양전하 밀도가 증가하는데, 이 왜곡된 영역은 다른 전자를 끌어당기는 역할을 한다. 이 간접적인 인력을 매개로 두 전자가 결합하게 되며, 이렇게 형성된 전자 쌍을 쿠퍼 쌍이라고 부른다. 쿠퍼 쌍을 이루는 두 전자의 스핀과 운동량은 서로 반대 방향을 가진다.

BCS 이론에 따르면, 모든 쿠퍼 쌍은 동일한 양자 상태를 차지하는 보스-아인슈타인 응축과 유사한 거시적 양자 상태를 이룬다. 이 응집된 상태는 작은 에너지 교란(예: 격자 결함에 의한 산란)으로는 깨지지 않아 전류 흐름에 저항이 나타나지 않는다. 그러나 특정 임계 온도 이상으로 온도가 상승하면 열적 에너지가 쿠퍼 쌍을 결합시키는 인력을 넘어서게 되어 쌍이 해체되고 초전도 상태는 사라진다.

이 이론은 납이나 니오븀과 같은 금속 초전도체의 특성을 잘 설명하지만, 이후 발견된 구리 기반의 고온 초전도체에서는 그 작동 메커니즘이 완전히 설명되지 않아 여전히 활발한 연구 주제로 남아 있다.

초전도체는 임계 자기장에서의 거동에 따라 제1종 초전도체와 제2종 초전도체로 크게 분류된다. 이 구분은 초전도 상태가 외부 자기장에 의해 어떻게 파괴되는지를 설명하는 핵심 개념이다.

제1종 초전도체는 대부분의 순수 금속 원소 초전도체에서 관찰된다. 이 유형은 임계 온도와 임계 자기장 아래에서 완벽한 마이스너 효과를 보인다. 즉, 외부 자기장이 임계값 미만일 때는 내부로 자기장이 완전히 배제된 상태를 유지한다. 그러나 외부 자기장이 임계 자기장을 초과하는 순간, 초전도 상태가 갑자기 소멸하고 일반적인 정상 상태로 돌아간다. 이 전이는 일차 상전이의 특성을 지닌다. 대표적인 예로는 납(Pb)과 알루미늄(Al)이 있다.

반면, 제2종 초전도체는 대부분의 합금 초전도체와 고온 초전도체에서 나타난다. 이들은 두 개의 임계 자기장, 즉 하부 임계 자기장과 상부 임계 자기장을 가진다. 외부 자기장이 하부 임계 자기장보다 낮을 때는 제1종과 마찬가지로 완전한 마이스너 상태이다. 그러나 자기장이 하부 임계값을 넘어서면, 초전도체 내부로 자기장의 양자화된 선속인 양자 자속 소용돌이가 부분적으로 침투하기 시작한다. 이 상태를 혼합 상태 또는 소용돌이 상태라고 부르며, 초전도 상태와 정상 상태가 공존한다. 이때 소용돌이는 격자 구조에 고정되어 전류 흐름에 대한 저항이 없어 초전도성은 유지된다. 외부 자기장이 상부 임계 자기장에 도달하면 비로소 초전도성이 완전히 소멸한다. 이 특성 덕분에 제2종 초전도체는 훨씬 더 강한 자기장에서도 초전도 상태를 유지할 수 있어 실용적인 자석 재료로 널리 사용된다. 대표적인 예로는 니오븀-주석(Nb₃Sn) 합금과 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) 같은 고온 초전도체가 있다.

고온 초전도체는 비교적 높은 온도에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 지칭하는 용어이다. 일반적으로 액체 질소의 끓는점(77 K, -196 °C) 이상의 임계 온도(Tc)를 가지는 초전도체를 의미한다. 이는 기존의 제1종 초전도체나 제2종 초전도체 대부분이 극저온(보통 30 K 미만)에서만 초전도성을 보이는 것과 대비된다. 1986년 베드노르츠와 뮐러가 란탄-바륨-구리 산화물(La-Ba-Cu-O)에서 35 K의 상대적으로 높은 Tc를 발견한 것이 그 시작이었다[6].

고온 초전도체는 주로 구리 산화물(쿠프레이트)을 기반으로 하며, 그 결정 구조는 페로브스카이트 구조와 밀접한 관련이 있다. 대표적인 물질군과 그 최고 임계 온도는 다음과 같다.

이러한 물질들은 제2종 초전도체에 속하며, 강한 제2종 특성을 보인다. 즉, 높은 임계 자기장과 임계 전류 밀도를 가져 실용적인 응용에 유리하다. 그러나 그 초전도성의 미시적 원리는 기존의 BCS 이론으로 완전히 설명되지 않으며, 여전히 활발한 연구 주제이다. 쿠퍼 쌍 형성 메커니즘에 있어 전자-포논 상호작용 외에 다른 상호작용(예: 스핀 변동)이 중요한 역할을 하는 것으로 추정된다.

액체 질소 냉각이 가능하다는 점은 냉매 비용과 시스템 복잡성을 크게 줄여주어, MRI 장비의 자석, 전력 케이블, 자기부상열차 등 다양한 분야의 실용화 가능성을 열었다. 그러나 대부분 세라믹 형태로 깨지기 쉽고, 임계 전류 밀도가 상대적으로 낮으며, 고가의 원소를 사용하는 한계도 존재한다. 2008년에는 철기반 초전도체(철비소계 또는 철셀레나이드계)라는 새로운 계열의 고온 초전도체가 발견되어 연구 영역을 더욱 확장시켰다.

자화는 외부 자기장이 가해졌을 때 재료 내부에 자기장이 유도되는 현상이다. 이는 재료를 구성하는 원자 또는 이온의 고유한 자기적 성질인 자기 모멘트가 정렬함으로써 발생한다. 자기 모멘트는 전자의 궤도 운동과 스핀 운동에 기인한다. 전자가 원자핵 주위를 회전하는 궤도 운동은 하나의 작은 전류 고리와 같아 궤도 자기 모멘트를 생성한다. 또한, 전자 자체의 고유한 각운동량인 스핀은 스핀 자기 모멘트를 만들어낸다. 원자 전체의 총 자기 모멘트는 이 두 가지의 합으로 결정된다.

자화의 정도는 단위 부피당 총 자기 모멘트의 벡터 합으로 정의되며, 기호 M으로 표시한다. 외부 자기장 H와의 관계는 자화율 χ를 통해 M = χH로 표현된다. 자화율의 값과 부호는 재료의 자성 유형을 구분하는 핵심 지표가 된다. 예를 들어, 상자성 물질은 양의 작은 자화율을, 반자성 물질은 음의 매우 작은 자화율을 가진다.

재료의 자성은 온도에 크게 의존한다. 원자나 이온의 열 운동은 자기 모멘트의 정렬을 방해하는 요인으로 작용한다. 따라서 대부분의 경우, 온도가 상승하면 자화 강도는 감소한다. 강자성 물질은 특정 온도(퀴리 온도) 이상에서 이 성질을 잃고 상자성으로 변한다. 각 원자의 자기 모멘트 크기, 이들 사이의 상호작용, 그리고 결정 구조는 재료의 전체적인 자화 거동을 결정짓는 주요 요소이다.

자성 재료는 외부 자기장에 대한 반응 방식에 따라 강자성, 상자성, 반자성으로 분류된다. 이 분류는 재료 내 원자 또는 이온의 자기 모멘트가 어떻게 배열되고 상호작용하는지에 기초한다.

강자성 재료는 외부 자기장이 없어도 자발적으로 자화되는 성질을 보인다. 이는 인접한 원자의 자기 모멘트가 평행하게 정렬되어 강한 상호작용을 하기 때문이다. 철, 코발트, 니켈 및 그 합금이 대표적이다. 강자성체는 일정 온도(퀴리 온도) 이상에서는 상자성으로 변하며, 자기 이력 곡선을 통해 영구 자석으로 사용 가능한 특성을 보인다. 상자성 재료는 외부 자기장이 인가될 때만 약하게 자화되며, 그 방향은 외부장과 같다. 각 원자의 자기 모멘트는 열 운동에 의해 무질서하게 배열되어 있지만, 외부장이 가해지면 부분적으로 정렬한다. 알루미늄, 백금, 산소 기체 등이 여기에 속한다. 상자성은 일반적으로 온도가 낮을수록, 외부장이 강할수록 더 두드러진다.

반자성 재료는 외부 자기장을 약하게 배척하는 방향으로 자화된다. 이는 외부장에 의해 원자 내 전자 궤도의 운동이 유도되어 생기는 매우 약한 효과이다. 반자성은 모든 물질에 내재되어 있으나, 강자성이나 상자성이 없는 물질에서만 관찰된다. 구리, 비스무트, 물, 대부분의 유기 화합물이 반자성을 나타낸다. 반자성의 크기는 온도나 외부장의 세기에 거의 의존하지 않는다. 세 가지 자성의 특성을 비교하면 다음과 같다.

영구 자석 재료는 외부 자기장이 제거된 후에도 상당한 잔류 자화를 유지하는 강자성 또는 페리자성 물질이다. 이 재료들은 주로 희토류 원소와 전이 금속을 기반으로 제조되며, 높은 보자력과 높은 잔류 자화를 동시에 갖는 것이 특징이다. 이러한 특성은 재료의 자기 이력 곡선에서 큰 면적을 형성하여 높은 자기 에너지 적재량을 가능하게 한다.

주요 영구 자석 재료는 다음과 같이 발전해 왔다.

현대에 가장 널리 사용되는 것은 네오디뮴 자석(NdFeB)이다. 이는 1980년대에 개발되어 소형 고성능 모터, 하드 디스크 드라이브의 헤드 구동 장치, 헤드폰, 풍력 발전기의 영구 자석 발전기 등에 광범위하게 적용된다. 응용 분야에 따라 재료의 내열성과 내식성을 개선하기 위해 디스프로슘(Dy)이나 테르븀(Tb) 같은 원소를 첨가하기도 한다.

영구 자석 재료의 성능은 최대 에너지 적재량 *(BH)max* 값으로 평가된다. 이 값이 클수록 동일한 자기 성능을 더 작은 부피로 구현할 수 있어, 전기 자동차와 신재생 에너지 장비의 고효율화 및 소형화에 결정적인 역할을 한다. 지속적인 연구는 희토류 원소의 사용량을 줄이거나 대체할 수 있는 신소재 개발에 집중되고 있다.

자기 기록 재료는 디지털 정보를 자기장의 형태로 저장하고 읽어내는 데 사용되는 자성 재료이다. 이 재료들은 주로 강자성 또는 강강자성 물질로 구성되며, 외부 자기장에 의해 자화 방향을 바꿀 수 있고, 그 상태를 안정적으로 유지하는 특성을 가진다. 정보 저장의 기본 단위는 재료 내 미세한 영역인 자기 도메인이며, 각 도메인의 자화 방향이 0 또는 1의 디지털 비트에 대응된다.

초기 자기 기록 매체인 자기 테이프나 플로피 디스크는 입자형 재료를 사용했다. 여기서는 산화철(γ-Fe₂O₃)이나 크롬 이산화물(CrO₂)과 같은 강자성 산화물 미세 입자를 바인더와 혼합해 플라스틱 필름 기판에 도포하는 방식이 일반적이었다. 이후 하드 디스크 드라이브(HDD)의 등장으로 박막형 재료가 주류를 이루게 되었다. HDD의 기록층은 코발트 기반의 합금(예: CoCrPt)을 매우 얇게 스퍼터링하여 증착한 다결정 박막으로 구성된다.

기록 밀도를 극대화하기 위한 재료 연구는 지속적으로 진행되어 왔다. 수직 자기 기록(PMR) 기술은 자화 방향을 매체 표면에 수직으로 배치해 고밀도 기록을 가능하게 했다. 최근에는 히터 보조 자기 기록(HAMR)과 마이크로파 보조 자기 기록(MAMR) 기술이 주목받고 있으며, 이들은 기록 시 재료에 열이나 마이크로파를 가해 임시적으로 자화 반전을 쉽게 만든다. 이러한 기술의 구현을 위해 철-백금(FePt) 합금과 같은 높은 자기 이방성을 가진 신재료가 활발히 연구되고 있다.

자기 기록 재료의 성능은 잔류 자화, 보자력, 자기 이방성 등 여러 자기적 특성에 의해 결정된다. 정보 저장 산업의 발전은 본질적으로 더 작은 크기에 더 많은 데이터를 안정적으로 저장할 수 있는 새로운 자성 재료의 발견과 공정 기술의 발전에 크게 의존해 왔다.

초전도체 합성 기술은 목표 물질의 종류와 원하는 형태(벌크, 박막, 선재 등)에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 고온 초전도체와 저온 초전도체의 제조 방법은 상이한 접근법을 요구한다.

저온 초전도체인 니오븀-티타늄(NbTi) 합금이나 니오븀-주석(Nb₃Sn) 금속간화합물은 주로 야금 공정을 통해 제조된다. NbTi 합금은 진공 용해로에서 원소들을 녹여 합금한 후, 열처리와 가공(압연, 인발)을 반복하여 초전도 특성을 갖는 선재 형태로 가공한다. Nb₃Sn의 경우, 브론즈법이 널리 사용되는데, 니오븀 봉을 구리-주석 합금(브론즈) 매트릭스에 삽입한 후 가열하여 확산 반응을 통해 Nb₃Sn 층을 형성시킨다. 이 방법은 복잡한 형태의 도체 제작에 적합하다.

고온 초전도체인 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO) 또는 비스무트 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO) 계열의 합성은 주로 세라믹 공정을 따른다. 고순도의 금속 산화물 분말을 정확한 화학량론적 비율로 혼합한 후, 고온에서 소결하여 다결정 벌크 재료를 만든다. 박막 형태의 고품질 초전도체를 제작하기 위해서는 펄스 레이저 증착(PLD)이나 스퍼터링과 같은 물리적 기상 증착(PVD) 기술이 필수적이다. 특히 PLD는 복잡한 화학 조성을 가진 산화물 박막의 조성을 타겟과 거의 동일하게 전사할 수 있어 고온 초전도체 박막 제조의 핵심 기술로 자리 잡았다.

BSCCO 재료를 유연한 선재나 테이프 형태로 제조하기 위해 파우더 인 튜브(PIT)법이 널리 활용된다. 미세한 초전도체 분말을 은(Ag)이나 은 합금 튜브에 채운 후, 압연 및 인발 공정으로 가늘게 뽑고 최종 열처리를 통해 결정 구조를 정렬시킨다. 한편, 보다 높은 전류 밀도를 요구하는 YBCO 코팅 도체는 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)이나 화학 용액 증착(CSD)과 같은 기술로 불연성 금속 기판 위에 얇은 박막을 형성하여 제조된다.

자성 재료의 제조 공정은 원하는 자기적 특성을 구현하기 위해 재료의 화학 조성, 결정 구조, 미세 구조를 정밀하게 제어하는 과정을 포함한다. 주요 공정은 크게 합금의 용융 및 응고, 분말 야금법, 박막 증착 기술로 나뉜다.

합금 기반의 자성 재료, 예를 들어 네오디뮴 자석이나 알니코 자석은 주로 진공 용해법을 통해 제조된다. 고순도 원소들을 진공 또는 불활성 분위기에서 용융하여 합금을 만들고, 주조 또는 급속 응고법으로 잉곳을 만든다. 이후 열처리(소둔)를 통해 최적의 미세 구조와 자기적 특성을 발현시킨다. 분말 야금법은 합금 분말을 압축 성형한 후 소결하는 공정으로, 복잡한 형상의 자석 제작이나 페라이트 같은 세라믹 자성체 제조에 널리 사용된다.

박막 형태의 자성 재료는 스퍼터링이나 증발 증착 같은 물리적 기상 증착(PVD) 기술로 제조된다. 이 방법들은 자기 헤드나 자기 센서에 사용되는 나노 두께의 다층막 구조를 정밀하게 제어할 수 있다. 화학적 기상 증착(CVD)이나 전기도금법도 특정 응용 분야에 사용된다. 모든 공정 후에는 열처리와 자기 열처리가 필수적으로 이루어지며, 이는 재료의 자구 구조를 정렬시켜 최종적인 잔류 자화와 보자력을 결정짓는 핵심 단계이다.

초전도체와 자성 재료는 현대 의료 및 과학 장비의 핵심 구성 요소로, 진단의 정확성과 연구 능력을 혁신적으로 향상시켰다.

의료 분야에서 가장 잘 알려진 응용은 자기 공명 영상(MRI) 장비이다. MRI는 강력한 초전도 자석을 사용하여 인체 내부의 상세한 영상을 생성한다. 이 초전도 자석은 액체 헬륨으로 냉각되어 저항 없이 전류를 흘려 강력하고 균일한 정자기장을 유지한다. 이 자기장 내에서 인체 조직의 수소 원자핵이 공명하는 신호를 측정하여 3차원 단층 영상을 얻는다. MRI는 방사선을 사용하지 않고 연조직을 선명하게 보여주어 뇌, 척추, 관절 등의 질환 진단에 필수적이다. 또한, 상자성 물질을 기반으로 한 조영제를 사용하여 혈관이나 특정 병변의 가시성을 높이기도 한다.

과학 연구 장비에서도 이들 재료는 없어서는 안 될 존재이다. 입자 가속기와 핵융합로는 초전도 자석을 사용하여 하전 입자를 고에너지로 가속하거나 초고온 플라즈마를 자기장으로 가둔다. 예를 들어, 대형 강입자 충돌기(LHC)는 수천 개의 초전도 전자석으로 구성되어 있다. 핵자기 공명(NMR) 분광기는 MRI와 유사한 원리로 분자 구조를 분석하는 데 사용되며, 화학과 생물학 연구에서 분자의 3차원 구조를 규명하는 핵심 도구이다. 한편, 고감도 SQUID(초전도 양자 간섭 장치)는 극미약 자기 신호를 측정할 수 있어 뇌의 자기 활동을 기록하는 뇌자도(MEG)나 지구 물리학 연구에 활용된다.

초전도체와 자성 재료는 에너지 생산, 저장, 변환 및 전력 시스템의 효율성과 안정성을 높이는 데 핵심적인 역할을 한다. 특히 초전도체의 제로 저항 특성은 에너지 손실을 극적으로 줄일 수 있어, 대규모 전력 시스템의 혁신을 주도하고 있다.

전력 송전 분야에서는 초전도 케이블이 중요한 응용 사례이다. 기존의 구리나 알루미늄 케이블은 저항으로 인해 장거리 송전 시 상당한 에너지 손실이 발생한다. 반면, 초전도 케이블은 저항이 거의 없어 송전 손실을 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 동일한 크기의 케이블로 더 많은 전력을 전송할 수 있다. 이는 도심 지역의 고밀도 전력 수요를 해결하고 송전망의 효율을 높이는 데 기여한다. 또한, 초전도 한류기는 전력 시스템에서 발생할 수 있는 과전류를 신속하게 차단하여 시스템을 보호하는 장치로 사용된다.

에너지 저장 및 변환 시스템에서도 이들 재료는 널리 활용된다. 초전도 자기 에너지 저장(SMES) 시스템은 전기에너지를 자기장의 형태로 손실 없이 저장할 수 있다. 이 시스템은 매우 빠른 응답 속도를 가지고 있어, 갑작스러운 전력 수요 변동이나 순간 정전 시 신속하게 전력을 공급할 수 있어 전력망의 안정화에 기여한다. 또한, 대형 풍력 터빈이나 수력 발전기에 사용되는 초전도 발전기는 기존 발전기보다 훨씬 작고 가벼우면서도 출력 효율이 높아, 재생 에너지 시스템의 경제성과 성능을 향상시킨다.

한편, 자성 재료는 전력 변환의 핵심 부품인 변압기의 철심에 사용된다. 고성능 실리콘 강판과 같은 연자성 재료는 변압기의 철손을 줄여 전력 변환 효율을 높인다. 또한, 전동기와 발전기의 성능 향상을 위해 고성능 영구 자석 재료가 지속적으로 개발되고 있다.