전자 부품 기술 탐구: 초전도체 LK99에 대한 논란 2 (feat. by 이온결합, 세라믹)

7. 초전도체가 상용화 되기 위한 물질적 특성

 

초전도체가 사용화되기 위해서는 결국 전선으로 만들어져야 한다. 초전도체의 이름에서 알 수 있듯이, 초전도체의 쓰임새 중 가장 중요하고 큰 곳은 전기를 전달하는 역할이다. 이러한 역할을 하는 제품은 다른 여러 기기 및 설비도 있지만 가장 중요한 것이 전선이다.

 

 

전선은 우리가 알고 있듯이 대부분 구리나 구리를 주 재료로 한 합금으로 만들어진다. 즉, 금속으로 만들어진다. 하지만, 최근 논란이 된 LK99를 비롯하여, 지금까지 초전도체의 성질을 띄고 있다고 알려진 물질들은 금속이 아닌 세라믹이다.

 

금속은 철, 구리, 알루미늄 등의 물질로 화학주기율표상의 왼쪽 하단부에 있는 원소로 구성된 물질이다. 이 세상에 존재하는 원소는 크게 금속, 비금속으로 구분되며, 그 중간에 애매한 성질을 갖는 준금속이 존재한다. 우리가 도체와 부도체의 중간 성질을 갖는 반도체라고 부르는 Silicon도 사실 이러한 준금속에 속하는 물질이다. 

 

금속은 원자의 특성상 전자가 존재하는 '오비탈' 중 맨 바깥에 존재하는 최외곽 오비탈의 전자를 잘 잃어버리는 특징을 갖고 있다. 이렇게 잃어버린 전자들은 인접한 다른 금속 원자들에서 잃어버려진 전자들과 함께 원자들 사이를 자유롭게 움직여 다닌다.

 

 

이러한 전자들을 '자유 전자'라고 하며, 이러한 자유전자들은 금속이 갖는 우수한 전기전도성과 열전도성의 원천이 된다. 그리고 이러한 자유전자들이 존재할 수 있는 바탕이 되는 것이 금속 원자들이 결합하여 만드는 금속결합이라는 결정구조이다.

 

  

 

세라믹은 이러한 금속원자들과 비금속 원자가 결합하여 만들어진 산화물 혹은 염화물이다.

 

 

 

일상생활에서 흔히 사용하는 금속인 철의 경우, 자연상태로 존재하는 철광석은 금속 원소 철과 비금속 원소 산소가 결합하여 만들어진 세라믹 물질이다. 이러한 세라믹 상태의 철광석을 제련이라는 과정을 거쳐 환원시켜서 금속인 철로 만들어서 사용하는 것이다.

 

  

금속과 세라믹의 원자들이 모여있는 집합적인 결정 구조는 언뜻 보면 비슷하지만, 개별 원자들이 결합한 결합 구조는 상당한 차이가 있다. 이러한 차이가 앞서 언급한 전기전도도의 차이를 비롯하여 물질의 특성을 달라지게 만든다.

 

아래 그림에서 보면, 세라믹은 좌측과 같은 이온결합구조를 가지며, 금속은 우측과 같은 금속결합 구조를 가진다. 언뜻 보면, 비슷하게 조밀한 구조로 되어 있는 것처럼 보이지만, 원자간 결합을 이루는 원천이 이온결합의 경우는 양이온과 음이온이 갖는 전기적 인력이며, 금속결합인 경우는 인접한 원자들간의 전자오비탈간 중접이 발생하고, 이렇게 중첩된 오비탈(음전하)과 원자핵(양전하)이 갖게 되는 전기적 인력이다.

 

 

 

세라믹의 이온결합과 금속의 금속결합은 외력(외부힘)을 받았을 때 극명한 차이가 존재한다.

 

아래의 그림은 금속결합의 경우이다. 외력이 작용되어서 원자들의 결합이 파괴되고 원자들의 위치가 변경되었을 때에도 중첩된 오비탈과 금속간의 결합구조가 크게 변형되지 않는다. 

 

이러한 이유로 큰 파괴(Fracture)가 일어나지 않고 변형만 일어나게 된다. 그래서 금속은 세라믹 대비 상대적으로 변형과 가공이 용이한 연성과 전성을 갖게 된다. 이러한 특성을 Ductile하다고 표현한다.

 

반면, 세라믹은 이온결합으로 되어있기 때문에 외력을 받았을 때 원자간 위치가 변경되면, 원자간 결합을 이루었던 전기적 인력이 전기적 반발력으로 바뀌게 되고, 결합이 약해지거나 파괴된다. 이러한 이유로 세라믹으로 된 물질은 부서지거나 깨지는 특성을 갖게 되며, 이러한 성질을 Brittle하다고 한다.

 

 

결국 초전도체가 사용화되기 위해서는 구리로 만든 전선처럼 금속이 갖는 Ductile한 특성을 지닌 재료가 되거나, 금속의 Ductile한 특성을 활용할 수 있는 구조와 형태로 전선으로 만들수 있어야 한다.

 

현재 논란이 되고 있는 lk99는 세라믹 기반 물질이기 때문에, 설사 초전도성을 갖는다 하더라도 그대로 전선으로 만들 수는 없고, 전기를 전달할 수 있는 전선 형태의 제품으로 만들 수 있어야 상용화할 수 있는 것이다.

 

따라서, 전선으로 만들 수 있는지에 대한 가능성을 면밀히 검토해야 한다.

 

 

출처: 금성출판사, 가온전선 등

 

뜨리스땅

 

 

https://tristanchoi.tistory.com/464

전자 부품 기술 탐구: 초전도체 LK99에 대한 논란 1