초전도체의 두 가지 유형: 제1종과 제2종 초전도체의 특성 및 차이점

초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 물질로, 자기장을 밀어내는 마이스너 효과(Meissner Effect)와 같은 독특한 성질을 가진다. 하지만 초전도체의 종류는 모두 동일하지 않으며, 자기장에 대한 반응 방식에 따라 제1종(Type-I) 초전도체와 제2종(Type-II) 초전도체로 구분된다. 본 글에서는 제1종과 제2종 초전도체의 차이점과 원리를 설명하고, 이들이 실제로 어떻게 활용되는지를 살펴보고자 한다.

1. 제1종과 제2종 초전도체

긴즈부르크-란다우 이론과 임계 자기장에 따라 제1종 초전도체와 제2종 초전도체로 나뉜다. 

1.1 제1종 초전도체

제1종 초전도체는 **마이스너 효과(Meissner Effect)**를 강하게 나타내며, 특정한 임계 자기장을 초과하면 초전도성이 완전히 사라진다. 이는 자기장이 초전도체 내부로 침투하지 못하고 완전히 배제되기 때문이다.

특징:

• 완벽한 마이스너 효과로 자기장을 완전히 밀어냄.
• 자기장이 특정 임계 값을 넘으면 초전도성이 급격히 붕괴.
• 주로 순수한 금속 원소에서 발견됨 (예: 납, 알루미늄, 수은).
• 비교적 낮은 임계 자기장(약 0.2T 이하).

제1종 초전도체의 예: 순수한 납(Pb, Lead), 알루미늄(Al, Aluminum), 수은(Hg, Mercury) (1911년 최초로 초전도성이 발견), 주석(Sn, Tin), 탈륨(Tl, Thallium) 등의 금속으로 이루어진 초전도체.

 

이러한 금속들은 모두 상대적으로 낮은 임계 자기장을 가지며, 연구 목적이나 특정한 저온 환경에서 활용된다.

1.2 제2종 초전도체

제2종 초전도체는 자기장에 대한 반응이 제1종과 다르다. 특정한 자기장 이하에서는 마이스너 효과가 유지되지만, 첫 번째 임계 자기장값을 초과하면 자기장이 부분적으로 초전도체 내부로 침투하여 **혼합 상태(Mixed State)**를 형성한다. 자기장이 더욱 강해져서 두 번째 임계 자기장을 초과하면 초전도성이 완전히 사라진다.

특징:

• 두 개의 임계 자기장이 존재.
• 혼합 상태에서 자기장이 초전도체 내부로 부분적으로 침투.
• 플럭스 튜브(Flux Tube)가 형성되며, 플럭스 핀닝(Flux Pinning)이 발생함.
• 강한 자기장을 견딜 수 있어 산업 및 연구용 초전도체로 널리 사용됨 (예: YBCO, Nb₃Sn, MgB₂).

제2종 초전도체의 예:  나이오븀-티타늄(Nb-Ti, Niobium-Titanium), 나이오븀-주석(Nb₃Sn, Niobium-Tin), 이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO, YBa₂Cu₃O₇-x), 비스무스 스트론튬 칼슘 구리 산화물(BSCCO, Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀+x), 철 기반 초전도체(Fe-based Superconductors, FBS)(다양한 화합물 존재 (LaFeAsO, SmFeAsO, FeSe 등)

 

이러한 초전도체들은 높은 임계 자기장을 가지며, MRI, 자기부상열차, 핵융합 장치, 초전도 전력 케이블 등 다양한 분야에서 활용된다.

1.3 두 번째 임계 자기장의 의미

제2종 초전도체에서는 자기장이 증가함에 따라 플럭스 튜브(Flux Tube, 자속선)가 형성되면서, 초전도체 내부에서 초전도 영역과 비초전도 영역이 공존하는 **혼합 상태(Mixed State)**를 만든다.

• 첫 번째 임계 자기장( B_c1 ): 자기장이 B_c1​ 이상이 되면 자기력이 초전도체 내부로 침투하기 시작. 그러나 초전도체 내부에는 초전도 상태가 유지됨.
• 두 번쨰 임계 자기장(B_c2): 자기장이 B_c2​ 이상이 되면 초전도체 내부에서 모든 초전도성이 사라지고 정상 전도체(Normal State)로 전환됨. 이때 초전도체는 자기장을 완전히 받아들이는 금속처럼 행동하게 됨.

즉, B_c1과 B_c2 사이에서는 자기장이 초전도체 내부로 침투하면서도 초전도 특성이 일부 유지되는 혼합 상태가 존재한다.

2. 제1종과 제2종 초전도체의 차이점 비교

구분	제 1종 초전도체	제 2종 초전도체
자기장 반응	마이스너 효과와 완전한 자기장 배제	자기장 일부 침투 (혼합 상태)
임계 자기장 (Bc)	낮음 (~0.2T)	높음 (수십 테슬라 이상)
플럭스 핀닝	없음	있음 (자기력선이 특정 위치에서 고정됨)
대표 물질	납, 알루미늄, 수은 등	구리산화물, 나이오븀-주석, 나이오븀-티타늄
활용 분야	저온 연구, 기초 과학	MRI, 자기부상열차, 핵융합 장치

 

3. 결론

제1종과 제2종 초전도체는 자기장 반응 방식과 임계 자기장의 차이로 인해 서로 다른 응용 분야에서 사용된다. 제1종 초전도체는 순수한 금속에서 발견되며 낮은 자기장에서만 초전도성을 유지하는 반면, 제2종 초전도체는 강한 자기장에서도 초전도 특성을 유지하며 산업 및 연구용으로 널리 활용된다.

특히, 제2종 초전도체는 MRI, 자기부상열차, 핵융합 장치와 같은 첨단 기술에 필수적인 요소로 자리 잡고 있으며, 초전도 전력 전송과 같은 차세대 기술에도 활용 가능성이 크다. 앞으로의 연구를 통해 더 높은 온도와 강한 자기장에서 작동할 수 있는 새로운 초전도체가 개발될 것으로 기대된다.