무기화학실험 | A High-Temperature Superconductor YBa2Cu3O7-x

 

 

 

TIP

 

 

1. YBa₂Cu₃O_7-δ를 제조해 초전도체의 제작방법을 알고 원리와 활용방법을 파악한다.
2. 액체 질소안에서의 특성을 관찰한다.
3. 절대온도는 -273℃이고 액체질소는 -196℃여서 금속을 반중력 상태로 만든다.
4. 초전도체의 성질에 관련하여 응용 할 수 있는 분야가 무한하다.
5. 자원의 낭비가 줄어들 수 있고 적은 양의 에너지로도 큰 효과를 볼 수 있다

 

 

 

초전도현상과 초전도체

초전도현상(Superconductivity)이란 어떤 물질이 적절한 조건 하에서 물질의 전기저항(Electric Resistance)이 완전히 사라지는 특성과 자기장을 배척하는 완전반자성(Perfect Diamagnetism) 특성을 갖게 되는 현상을 말한다. 초전도란 지칭은 전기저항이 제로이기 때문에, 우리가 알고 있는 어떠한 물질보다도 전기전도성이 비교할 수 없을 정도로 뛰어나 '최고(Super)의' 전도체(Conductor)라는 의미로 붙여진 이름이다.

 

초전도체가 되기 위한 적절한 조건에는 온도(Temperature), 자기장(Magnetic field) 및 전류(Current) 등이 있다. 상온에서 초전도성을 나타내지 않는 물질이 적절한 조건 하에서 초전도체로 변하는 것을 정상상태(Normal State)에서 초전도상태(Superconducting State)로의 전이(Transition)라 하는데, 특히 열역학적인 초전도상태에서 초전도체가 외부자기장과 통전전류가 없는 상황에서 초전도성을 나타내는 최고의 온도를 임계전이온도(Critical Transition Temperature)라고 한다.

 

초전도물질은 종류에 따라 고유의 임계전이온도를 가지며, 보통의 저온초전도체들은 ～20K(-253℃, 여기서 K는 Kelvin의 약어이며 절대온도를 의미함) 이하이다. 일반적으로 초전도 현상이 일어날 수 있는 상황은 3가지 기본조건인 온도, 자기장의 세기 및 전류밀도에 따라 달라진다.

 

 

 

초전도

흔히 물질을 전기적 저항에 따라 분류하여 도체(Conductor)와 부도체(Insulator)로 나눌 수 있다. 도체란 열(Heat) 또는 전기(Electric)의 전도율(Conductivity)이 비교적 큰 물질들인 구리, 철 등의 금속같은 물질을 말하고, 부도체란 열(Heat) 또는 전기(Electric)의 전도율이 비교적 작은 물질들인 나무, 돌과 같은 세라믹 산화물들을 말한다. 초전도체는 이러한 여러 가지 도체 중에서 통전전류에 대한 전기저항이 전혀 없는 '완전도체'라 할 수 있다

 

그래서 초전도체(超傳導體, superconductor)는 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 가까워지는 초전도현상이 나타나는 도체이다. 내부에는 자기장이 들어갈 수 없고 내부에 있던 자기장도 밖으로 밀어내는 성질이 있어 자석 위에 떠오르는 자기부상현상을 나타낸다. 도체의 경우 온도가 증가하면 전기저항 역시 증가하여 전기가 잘 흐르지 않고, 온도를 감소시키면 저항이 작아져 전도가 잘 일어난다. 특히 온도를 극저온으로 감소시킬 때 전기저항이 0에 가까워지는 현상을 초전도현상이라 한다.

 

 

초전도성의 발견

1911년 네델란드 Leiden 대학의 한 연구실의 카멜링 온네스(Heike Kamerlingh Onnes) 교수는 3년 전 헬륨가스를 절대온도 4.2K(영하268.8℃)에서 액화하는 데 성공하여, 저온에서 금속의 저항을 실험하는 중이었다. 온네스교수는 이 액체헬륨을 이용하여 고체수은을 냉각하면서 전기저항을 측정하던 중, 액체헬륨의 기화온도인 4.2K 근처에서 수은의 저항이 갑자기 0으로 떨어지는 것을 확인했다.

 

 

서서히 떨어지던 전기저항이 어느 특정한 임계온도를 넘어서 갑자기 사라져버린 것이다. 바로 이 순간이 초전도 역사의 출발점이다. 온네스교수는 액체헬륨을 액화하여 극저온 연구를 가능하게 한 공적으로 2년 뒤인 1913년에는 노벨 물리학상을 수상하게 되었고, 이렇게 저항이 사라지는 물질을 사람들은 초전도체(Superconductor)라 부르게 되었다.

 

초전도의 역사에 있어서 또 다른 역사적 발견은 1933년 독일사람 마이스너(Meissner)와 오센펠트(Oschenfeld)가 이루어냈다. 이 두 사람은 초전도체가 단순히 저항이 없어지는 것뿐 아니라 내부의 자기장을 밖으로 내보내는 현상(자기 반발 효과)이 있음을 발견하였다. 이러한 초전도체의 완전반자성으로 나타난 효과를 마이스너 효과(Meissner effect)라 부르며 마이스너 효과는 전기저항이 없어지는 특성과 함께 초전도의 가장 기본적 특성으로 손꼽힌다. 우리가 흔히 알고있는 초고속 자기부상열차의 원리는 초전도체의 마이스너효과를 이용한 것이다.

 

한편으로는 초전도현상을 이론적으로 설명해내려는 이론물리학의 노력도 뒤따랐다. 1957년 바딘(John Bardeen), 쿠퍼(Leon Cooper), 슈리퍼(Robert J. Schrieffer) 세 사람은 초전도이론(BCS 이론)을 완성하여 초전도 현상의 원리를 설명하였고, 이 공적으로 세 사람은 1972년에 노벨물리학상을 수상하였다.

 

 

또 1962년 캠브리지 대학의 대학원생이었던 조셉슨(Brian D. Josephson)은 두 초전도체가 얇은 절연체 막을 사이에 두고 결합되었을 때(이 상태는 이후 조셉슨 접합이라고 이름지어짐), 초전도체만이 갖는 조셉슨 효과(Josephson Junction effect)를 예측하였고, 다음해인 1963년 기에브(Ivar Giaever)는 초전도 접합의 터널 현상을 발견하였는데, 이 두 사람은 각각의 공적으로 1973년 공동으로 노벨 물리학상을 수상하였다. 조셉슨 접합은 초고속 저손실 컴퓨터소자 등으로 활용되거나 사람의 뇌에서 발생하는 미약한 자기장을 측정할 수 있는 초전도양자간섭장치(SQUID) 등에 활용될 수 있다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.6g Yttrium Oxide 비커에 담는다 

2) BaO₂,CuO를 화학양론적으로 같게 한 후 같은 비커에 넣는다

3) hood안에서 막자사발로 잘 갈아 섞는다 (10분 이상)

4) 약수저를 이용해 깨끗이 긁어 낸다

5) 덩어리 진게 없고 검거나 흰점이 없어야 한다

6) 긁어낸 가루를 이용해 pellet을 만든다

7) pellet을 도가니에 담고 가열

8) 8~12시간 동안 930℃로 가열

9) 12~16시간동안 930℃를 유지

10) 5시간동안 500℃로 내린다

11) 12~16시간동안 500℃유지

12) 천천히 실온으로 내린다

13) 결과물의 색깔이 어두운 회색이나 검은색이어야 된다

 

[Chemistry/무기화학] - 무기화학실험 | 고온초전도체(YBa2Cu3O7-δ 제조법)

 

 

 

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