초전도체로 전환이 가능한 탄화수소의 개발

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-04

일본의 연구자들이 탄소와 수소 원자들에 기반을 둔 최초의 초전도재료(superconducting material)를 개발했다. 비록 초전도 전이(superconducting transition)가 18k에서 일어나지만, 단지 5개의 벤젠 고리로 구성된 분자들의 단순성은 높은 전이 온도를 가진 다른 분자들의 가능성을 열어준 것이다. 초전도성(Superconductivity)은 어떤 물질이 전이온도(transition temperature) 이하로 떨어질 때 발생하는데, 이때 전기적 저항성은 사라지게 된다. 최초의 초전도체는 순수한 금속이었으며, 전이온도는 절대영도에 가까웠지만, 25년이 지난 후 연구자들은 큐프레이트(cuprate)와 같은 높은 온도의 전이온도를 갖는 전도체를 개발했으며 최근에는 철 비소화합물(iron arsenide)등이 발견되었다. 이상적으로는 물질들이 상온 혹은 그 이상에서 전이온도를 갖게 되면 손실없는 전력 전달이나 자기부상(magnetic levitation)등과 같은 기술들에 냉각없이 사용될 수 있다. 1990년대 초 이래로, 연구자들은 소위 불포화된 결합에서의 전자들(electrons of unsaturated bonds)이라 불리는 것에서 전도성이 일어나는 유기 초전도체들의 개발에 힘을 쏟아왔다. 그러나 이러한 분자들에서 전하를 전달하는 전자들은 탄소 원자가 아닌 황이나 셀레늄(selenium) 원자들로부터 얻은 것들이었다. 그러나 이제, 오카야마대(Okayama University)의 Yoshihiro Kubozono가 이끄는 연구팀과 다른 일본의 연구기관들의 연합팀이 단순한 방향성 분자인 picene (C22H14)에 기반한 최초의 유기 초전도체를 개발했다. 연구자들은 고체인 picene에 칼륨(potassium) 증기를 통과하게 하여 각각의 격자 안에 칼륨(potassium) 원자가 흡수되도록 조절하여 초전도체를 만들었다. 칼륨(potassium) 원자들은 picene분자들의 전기적인 상태에 전자들을 전달하여 초전도성을 위해 필요한 전하들을 전달해 준다. 칼륨(potassium)을 다양하게 조절하여 이 물질의 전이온도는 7K에서 18K에 이르기까지 다양하게 분포했다. 런던대(University College London)의 응집물질(condensed-matter) 전문가인 Neal Skipper는 이와 관련해 “분명히 그것은 엄청나게 중요한 발견이며 그에 관한 관심도 크게 증가할 것이다.”라고 말했다. 또한 “다시 연구되어야 할 많은 방향족 분자들이 존재한다. 초전도성과 관련된 메커니즘은 실제로 유사한 헤링본(herringbone) 구조를 지닌 합성소재(fullerides)와 관련이 깊다.”라고 덧붙였다. 일본의 연구진들은 현재 picene에서 서로 다른 금속 원자의 영향과 방향족 탄화수소에서 금속들의 영향에 대해 연구하고 있다. “높은 온도의 전이온도를 가진 전도체를 만들기 위한 핵심은 페르미(Fermi, 핵물리학에서의 길이 단위) 수준에서 상태밀도(density of states)의 증가이다. 다시 말하자면 5개 이상의 벤젠 고리로 구성된 방향족 탄화수소의 사용이 중요하다.”라고 Kubozono는 설명했다. 그림: picene분자의 구조 및 모습 참고: R Mitsuhashi et al, Nature, 2010, DOI: 10.1038/nature08859 qkrwldms1.jpg 출처 : http://www.rsc.org/chemistryworld/News/2010/March/03031002.asp