포항공대 이성익 교수(세계 최고에 도전한다:8)
◎134K의 수은계 초전도체 세계 첫 개발/현재의 초전도체중 가장앞선 신물질/미래 에너지원자기부상열차 개발 열쇠/“국내외 한인과학자 정보공유” 네트워크 ‘슈퍼콘’ 운영
【포항=이동구 기자】 병원의 X선 장비가 자기공명장치(MRI)로 대체되고핵융합 반응을 이용한 미래 에너지원이 개발돼 환경오염과 에너지 확보의 어려움이 해소되고,자기부상열차가 서울부산간 40분만에 주파한다.
다가올 21세기에 이같은 꿈같은 현실을 구현하기 위해 세계 과학자들이 앞다투어 연구를 거듭하고 있다.
과학자들은 이를 실현시킬 수 있는 가장 중요한 열쇠로 초전도체를 꼽는다.
그러나 초전도체는 아직 제조과정이 어렵고 제작비용이 엄청날 뿐 아니라 상온에서 초전도현상을 이끌어 내지 못해 실용화하지 않고 있다.
이 난제들을 풀기 위한 세계 과학자들의 연구는 지난 86년부터 본격화하면서 많은 성과들을 올리고 있다.
이 가운데 가장 고온에서의 초전도체 현상,즉 상온에 가장 가깝게 초전도현상을 이끌어낸 과학자는 포항공대의 이성익 교수(46·물리학)다.
○87년엔 ‘90K’제조 성공
이교수는 미국 오하이오주립대학에 박사후 연구원으로 재직중이던 지난 87년 이미 90K(0K는 섭씨 영하273도임) 초전도체의 제조에 성공했다.
이 연구결과를 미국물리학회에서 발표돼 학계의 주목을 받기 시작했다.
그뒤 그는 포항공대 물리학부에 부임,초전도 연구에 몰입해 지난 93년에는 세계 최초로 130K 이상에서 초전도 현상을 보이는 ‘수은계 초전도체 1223단일상’을 개발하는 성과를 올렸다.
이교수는 포항공대에서 초전도체 합성에서 부터 기초 응용연구까지 고루 수행해 왔다.
88년 이래 이트륨계,비스무스계,고온초전도체의 단결정, 다결정박막등의 합성기술을 개발하였고 이를 이용한 초전도체의 전류전송특성과 자기적 성질에 관한 연구를 통한 초전도 메카니즘을 파악하는 노력을 계속하였다.
응용연구적 측면에서 4격 나이오비움 초전도 양자간섭소자의 개발에 성공하여 국내 초전도 연구에 촉진제 역할을 하였다.
특히 130K 이상에서 초전도현상을 보이는 수은계 초전도체 1223 단일상을 세계에서 처음으로 제조하였기에 이물질 연구에 관하여서는 한국을 전세계에서 가장 앞서가는 나라로만든 장본인이 됐다.
이 수은계 초전도체는 지금까지 개발된 고온 초전도체중에서 임계온도(임계온도)가 가장 높으나 그 제조과정이 어렵고 복잡하여 국내에서는 이교수만이 할 수 있다.
이교수가 포항공대에 정착한 초기에는 초전도에 관한 한 국내는 불모지였다.
따라서 시료의 제작,물성측정,응용연구뿐 아니라 이론연구에 이르기까지 모든 분야를 섭렵하여야만 했다.
그러나 이제 국내의 초전도 연구는 세계를 선도할 만큼 성장해 있다.
전세계적으로 유수한 연구기관에서 활동하던 여러학자들이 대거 귀국한 것이다.
이교수는 이러한 두뇌들의 결속이 필요함을 느꼈다.신물질 개발경쟁이 치열한 고온 초전도체 분야의 연구에 활력을 불어넣고 급변하는 연구조류에 적절히 대응하려면 독자적 연구보다 우수한 연구인력을 유동성있게 최대한 활용하는 것이 중요했던 것이다.
전국 규모의 초전도 연구모임을 구성하고 매년 두차례에 걸쳐 포항공대에서 모임을 갖고 동시에 초전도학교를 운영하였다.
이모임은 지난 93년 6월에 처음 시작되었다.
초전도 모임은 기존 학회의 운영과 체제가 매우 다르며 획기적인 방법으로 진행되고 있다.
○93년 ‘초전도학교’ 운영
초전도학교의 강의는 매회 5명의 국내외 최정상급 학자들이 한 연구주제로 각자 7시간씩 강의함으로써 초전도 관련분야를 총괄적으로 논의하고 있다.
처음 10명 정도로 시작했으나 현재 매회 70명의 외부 참석자와 40여명의 포항공대 참석자로 구성되어 진행되고 있다.
또 이교수는 전국의 초전도 학자들의 정보를 공유하기 위해 슈퍼콘이라는 새로운 네트워크 시스템을 운영하고 있다.
이 네트워크 시스템은 현재 가입자가 200명이 넘고 전세계 모든 한국인 초전도 연구자가 이용하고 있다.
이교수는 이런 연구업적들로 지난 93년 신금속 국제학회에서 30분간 한국대표로 초청강연을 하였을 뿐 아니라 95년 모스크바에서도 초청강연을 하는 등 초전도 분야의 세계 권위자로 자리잡아 가고 있다.
◎초전도 상태란/금속 유기물질 세라믹 냉각시킬때 일정온도서 전기저항 사라지는 현상
인류 최초로 초전도체를 발견한 사람은 네덜란드의 물리학자 오네스(Onnes)였다.
그는 1911년 수은을 저온으로 냉각시키면서 전기저항을 측정하던 중 액체헬륨의 기화온도인 4.2K(K=절대온도,절대온도 0도는 섭씨 영하 273도) 근처에서 수은의 저항이 급격히 사라지는 것을 발견했다.
이렇게 저항이 사라지는 물질을 사람들은 초전도체라 부르게 되었다.
초전도 현상의 또 다른 역사적 발견은 1933년 독일의 마이스너와 오셴펠트에 의해 이루어졌다.그들은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것뿐만 아니라 초전도체 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상이 있음을 알아냈다.
이러한 효과는 마이스너 효과라 불리우며 저항이 없어지는 특성과 더불어 초전도의 가장 근본적인 특성으로 인식되고 있다.
초전도체 위에 자석을 두면자석에서 발생되는 자기장이 초전도체에 도달하게 되어 초전도체 내부에 자기장이 침투하게 된다.
그러나 초전도체는 보통물질과 달리 자기장을 배척하는 성질이 있으므로 자석은 초전도체 위에 떠 있을 수 밖에 없다.
하지만 이때 주위의 온도가 올라가면 시료는 초전도의 성질을 잃어버리게 되고 따라서 자석은 떠 있지 못하게 된다.
이와 같이 어떤 특정한 온도(이를 임계온도라고 부른다)이하에서 저항이 완전히 사라지고 내부에 자기장이 존재하지 못하는 상태를 초전도 상태라 한다.
이러한 성질을 가진 초전도 물질은 금속,유기물질,세라믹 등 1000종 이상 발견 되었으나 현재 56종만이 실용되고 있다.
그 이유는 초전도 현상이 매우 낮은 온도에서만 일어나 값비싼 액체헬륨을 사용해 냉각시켜야 하기 때문이며 그 냉각비용이 엄청나서 고도의 정밀기계 이외에는 이용되지 못하고 있다.
따라서 초전도를 이용한 새로운 기술의 실용화는 액체헬륨 온도인 4K보다 훨씬 높은 온도에서만 가능하다.
즉,고온 초전도체의 개발이 필요한 것이다.
초전도 현상이 처음 발견된 뒤 거의 모든 사람들이 비교적 값싼 냉매인 액체질소로 냉각 가능한 온도,즉 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질은 우주에 존재하지 않으리라 믿고 있었다.
그러나 1986년 IBM의 베드노르츠와 뮐러가개발한 란타늄계열의 초전도체를 필두로 87년 대만계 미국 물리학자 폴 추 박사가 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질을 개발했다.
현재 고온 초전도체로 주목받고 있는 것으로는 포항공대 이성익 교수가 제조한 임계온도 134K의 수은계 초전도체,임계온도 90K의 이트륨계 초전도체 등이다.
□이성익 교수 약력
△7281년 서강대 학사
△8184년 오하이오 주립대 석사
△8485년 오하이오 주립대 박사
△8587년 오하이오 주립대 박사후 연구원
△87년현재 포항공대 물리학과 교수
△87년 1월9 0K 초전도체 제조 성공
△93년 수은계 초전도체 1223단일상 세계 최초로 제조
△94년 국제신금속학회 초청강연
△95년 모스크바 초전도 국제학회 초청강연
△97년 중국 초전도 국제학회,M2S초전도 국제학회 초청강연