상온 초전도체 이슈에 대해서

요즘 우리나라뿐만 아니라 세계에서 핫이슈로 떠오른 '초전도체'.

도대체 이게 무엇이기에 언론과 나라를 떠들썩하게 하는 걸까?

일단 정확하게 표기하면 '상온 초전도체'라고 하는 게 맞고, 쉽게 정리하면 전류가 아무런 저항 없이 흐르는 물질을 말합니다. 

이물질이 발견되면 에너지 혁명 등 세상이 또 한 번 획기적인 변화를 겪게 될 것으로 예상되고

꿈의 물질이라고도 불리는 '상온 초전도체'에 대해서 포스팅해 봅니다.

 

 

목차

1. 초전도체란?

2. 초전도체의 기원

3. 상온 초전도체가 꿈의 물질이라는 이유

4. 새로운 물질 LK-99

5. 상온 초전도체의 활용도

 

이미지출처-아주경제

 

초전도체란?

초전도체는 쉽게 말해 도체보다 전기가 아주 잘 통하는 물질을 말합니다.

 

 

'전기가 잘 통한다.'라는 것은 어떤 의미인가?

세상에 존재하는 모든 물질은 전기 저항을 지닙니다.

전기저항이 낮을수록 전기는 더욱 잘 통하게 됩니다.

 

이 초전도체는 이 전기 저항이 제로입니다.

전기가 아무런 저항 없이 흐르는 상태를 말합니다. 

우리가 스마트폰을 오래 사용하다 보면 폰이 뜨거워지는데, 이는 전기에너지가 저항으로 인해 열 에너지로 바뀌기 때문입니다.

초전도체는 저항이 없기 때문에 이와 같은 에너지 손실 없이 전기 에너지를 사용할 수 있고 에너지 효율을 극대화할 수 있습니다.

 

초전도체의 기원

초전도체의 발견은 112년 전으로 거슬러 올라갑니다.

 

 

1911년 네덜란드의 물리학자인 헤어커카메를링 오너스가 수은이 섭씨 영하 269도 정도에서 전기 저항이 사실상 0에 가까울 정도로 극도로 낮아지는 현상을 발견합니다. 그리고 1923년 노벨 물리학상을 수상합니다.

 

초전도 현상에 대한 이론은 1950년대 완성됩니다.

미국 물리학자인 존 바딘과 레온 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 1957년 자신들의 이름을 첫 글자를 딴 이른바 BCS 이론으로 초전도 현상을 설명했는데 이 BCS이론으로 1972년 노벨상을 수상합니다.

이들의 이론에 따르면 초전도 현상이 나타날 수 있는 임계온도는 '섭씨 영하 248도'였습니다.

 

초전도체와 관련된 또 하나의 혁신은 1990년대에 이뤄집니다.

1933년 독일의 과학자 발터 마이스너가 '마이스너 효과'라는 것을 발견합니다.

초전도체가 가진 재미있는 특성 중 하나는 외부 자기장이 초전도체 내부로 침투하지 못하고 튕겨져 나간다는 점인데,

자석이 내뿜는 자기장 역시 초전도체는 그대로 밀어내고 이에 따라 자석은 공중부양하게 되는 겁니다.

 

이미지출처-클립아트코리아

 

지금까지 수많은 과학자들이 새로운 초전도체 물질을 찾아내기 위해 시도했습니다.

핵심은 초전도체가 실현 가능한 더 높은 임계 온도를 찾는 것입니다.

1986년 취리히에 있는 IBM연구소의 뮐러와 베르노츠는 섭씨 영하 238도에서 초전도현상을 보이는 금속 산화물을 발견하고 1987년 노벨 물리학상을 탔는데 이를 고온 초전도체라고 합니다.

이후 새로운 물질에 대한 연구가 계속됐고 임계 온도는 섭씨 영하 140도까지 높입니다.

 

김상욱 경희대 물리학과 교수는

"모든 금속은 저항을 갖는데 온도가 낮아지면 대개 저항도 작아지지만 온도를 아무리 낮춰도 저항이 0이 되지는 않지만,

초전도체는 특정 온도(임계온도)에서 저항이 갑자기 0으로 떨어지고 임계 온도 이하에서는 저항이 계속 0."

이라고 설명하고 

"고온 초전도현상에 대해서는 아직 제대로 된 이론이 없다"라고 하며 이 이론을 만드는 사람은 노벨상을 받을 수 있다고 했습니다.

아직은 왜 일정한 온도에서 저항이 사라지는지를 이론적으로 설명하지 못하고 있는 뜻입니다.

 

상온 초전도체가 꿈의 물질이라는 이유

지금도 초전도체는 여러 곳에서 활용되고 있습니다.

 

 

대표적인 것이 병원의 자기공명영상(MRI) 기기입니다.

초전도체가 자석과 상호 작용하는 '마이스너 효과'를 바탕으로 병원의 MRI 기기 안에 강력한 자기장을 만드는 데 초전도체가 사용됩니다.

초전도체는 섭씨 영하 200도 정도의 극저온에서만 가능하다는 것이 문제였는데, 병원 MRI 기기에 초전도체를 쓰기 위해서는 이 초전도체를 섭씨 영하 269도의 액체 헬륨으로 냉각해야 합니다. 

이것이 병원의 MRI 기기가 매우 크고 비싼 이유입니다.

 

이번 한국 연구팀이 발표한 '상온 초전도체'가 큰 관심을 모으고 있는 것은 '상온(섭씨 영상 20도)'이라는 점뿐만 아니라 

'상압(지구 표면의 대기압=1 기압)'에서 초전도 현상을 보이는 가능성 때문입니다.

상온 초전도체를 연구하던 과학자들은 2015년부터 온도 외에 '초고압 조건'에서 호전도체를 만들어 보려는 시도를 지속해 왔습니다. 

독일의 막스 플랑크 연구소에서 H10La(란탄 하이드라이드)라는 물질을 167만 기압의 고압 조건에 놓으면 섭씨 영하 23도에서 초전도체 성질을 보인다는 것을 확인했습니다. 지금 우리가 숨 쉬는 공기가 1 기압 정도라는 것을 감안하면 초전도체를 활용하기 위해 100만 혹은 200만 기압과 같은 특수한 조건을 만드는 데 매우 큰 비용이 들어갈 수밖에 없는데

일상생활에서 초전도체를 상용화하는 데 '상온'이라는 조건만큼 '상압'이라는 조건 또한 중요합니다.

 

새로운 물질 LK-99

세간을 떠들썩하게 만든 한국 연구진이 발표한 논문의 새로운 물질이 LK-99, 세계 최초의 상온 초전도체라고 말하고 있다.

 

 

2008년 고려대 이론물리화학연구실 출신들이 설립한 벤처기업인 퀀텀에너지연구소에서 개발했습니다.

논문에 따르면 LK-99은 세 단계에 걸쳐 만들어집니다.

먼저 산화납과 황산납을 섞은 뒤 섭씨 영상 725도에서 24시간 가열해 황산화납을 제조합니다.

이어서 구리와 인을 혼합해 섭씨 영상 550도로 48시간 가열해 인화구리를 만듭니다. 

이렇게 얻은 황산화납과 인화구리를 일대일로 섞어 고진공 상태의 챔버에서 섭씨 영상 925도로 굽는데 총 제작 시간만 53~68시간이 소요된다.

 

연구진은 지난 20년간 약 1000번의 실험을 반복해 이 같은 결과를 얻었고

물질을 만들어 실험한 뒤 가능성이 있으면 계속 연구하고 아니면 다시 처음부터 다른 물질을 만드는 일을 반복한 끝에 얻은 결과물입니다.

 

 

상온 초전도체의 활용도

상온 초전도체의 활용도는 무궁무진합니다.

 

 

1. 병원 MRI 기기

병원의 MRI 기기를 액체 헬륨으로 냉각시킬 필요가 없어집니다.

크기도 작아지고 비용 또한 매우 저렴해질 수 있습니다.

MRI가 내는 아주 강력한 자기장을 실생활에 사용하는 것도 가능해집니다.

 

2. 자기 부상열차

마이스너 효과를 활용해 레일 위에 떠서 달릴 수 있습니다.

현재 이론상 서울에서 부산을 40분에 주파하는 자기 부상 열차도 가능합니다.

레일과 마찰이 없기 때문에 연료 소비 효율도 극대화할 수 있습니다.

 

3. 로봇

작고 강력한 전자석을 활용해 강력한 인공 근육을 만들 수 있습니다. 

강력한 힘을 필요로 하는 군사 무기, 방위 산업에도 활용도가 많을 겁니다. 

로봇산업의 발전은 인류 문명의 새로운 패러다임을 가져올 수도 있습니다.

 

4. 에너지

에너지에서도 혁명이 일어날 수 있습니다.

송전선, 변압기 등을 초전도체로 교체하면 이론상으로는 송전 효율을 100% 가까이 낼 수 있습니다.

전력시스템에 일대 혁신이 일어날 것입니다.

전력수송이나 전기 회로에서 저항이 0인 조건을 구현할 수 있다면 송전 전력 손실을 줄이는 것은 물론 회로에서 발생하는 열을 줄일 수 있어 반도체 소자나 전자공학에서도 획기적 전기가 마련될 수 있습니다.

핵융합 발전의 경제성 또한 크게 오를 수 있습니다. 전자기 응축이나 아크 가열식 핵융합 물질의 생산이 쉬워져서 우주선 추진체로 쓰는 것도 가능해집니다.

 

5. 디지털 전자기기

PC 스마트폰 등 디지털 전자 기기의 효율도 획기적으로 높아질 것입니다.

열 손실 없이 전류가 흐르는 초전도체를 활용하면 스마트폰 등을 사용할 때 발열 문제가 사라집니다.

배터리가 필요 없는 초전도 사회를 보게 될 수도 있는 겁니다.

더 나아가 초고속 컴퓨터인 양자컴퓨터를 만드는데도 필수입니다.

 

 

 

지난 한 주 우리나라와 세계를 뒤흔든 화제는 단연 '상온 초전도체'였습니다.

시작은 한국 연구진의 논문 한편, 세계 최초 '상온 초전도체'를 개발했다는 내용입니다.

과학계에서 검증을 했고 노벨상감이라고도 했었지만

글 쓰는 지금은 거의 사기로 드러난 것 같은데 추후 흘러가는 정황을 더 살펴봐야 할 필요가 있습니다.