초전도체가 대체 뭐야? 전 세계서 난리 난 '꿈의 물질'

 

한동안 '초전도체'에 대한 관심이 뜨거웠습니다.

국내 연구진이 상온과 상압 환경에서 저항이 사라지는 초전도 물질, 즉 초전도체를 개발했다고 발표하면서 세계 과학계가 뜨거운 관심을 보냈었는데요.

초전도체의 정의와, 그 의미는 무엇인지 간단히 살펴보도록 하겠습니다.

시사 경제 용어 '초천도체'

1. 초전도체 정의

초전도란 특정한 온도에서 저항이 급격히 낮아지는 현상으로 이 때 전류를 무한대로 흘려보낼 수 있게 되는데 이런 현상을 나타내는 물질을 초전도체라고 부릅니다. 초전도체를 사용하면 전자기기를 작동할 때 생기는 발열이 사라져 전력효율을 극대화할 수 있어요. 특히 상온에서 초전도체를 구현하면 거리와 상관없이 무손실 송전이 가능하고 전기·전자부품 발열문제를 해결할 수 있어 주목받고 있습니다.

2. 초전도체 연구

초전도체 연구는 100여년 전인 1911년 네덜란드 물리학자 헤이커 카메를링 오너스에 의해 발견되었습니다. 여러 금속의 저항을 측정하던 중 약 영하 269도에서 수은의 전기저항이 비정상적으로 낮아지는 현상을 발견한 거예요. 최초로 초전도 현상이 발견된 순간인데요. 이후 납과 니오븀 합금, 주석에서도 초전도 현상이 나타나면서 그는 노벨 물리학상을 받게됩니다.

초전도 현상은 특정물질을 임계온도 이하로 냉각했을 때 전기저항이 0이 되고 내부 자기장으로 공중에 뜨는 현상을 말합니다. 전기저항이 0이면 전자기기를 작동할 때 생기는 발열이 사라져요. 따라서 초전도체를 구현할 수 있는 재료들로 전기·전자부품을 바꾸면 낭비없이 에너지 효율을 극대화할 수 있습니다.

이후 많은 물리학자들이 초전도체 연구에 나섰고 그 결과 초전도 현상이 나타나는 온도가 점차 높아져 실제 우리 생활에서 초전도체가 사용될 정도로 기술이 발전되기에 이르렀어요.

하지만 아직까지 상온 초전도체는 찾지 못하고 있습니다. 만약 상온 초전도체 개발이 성공한다면 전기산업에 혁명을 가져올 것이라는 전망이에요. 

3. 초전도체의 의미와 장점

아직까지 왜 초전도 현상이 일어나는지 이유를 설명할 수 있는 완벽한 이론은 없습니다. 

초전도체는 초전도성이 나타나는 온도를 기준으로 크게 저온·고온·상온 초전도체로 구분할 수 있는데요.

- 저온 초전도체 : 영하 269도 가량에서 초전도성을 나타내는 물질 (액체 헬륨을 이용)
- 고온 초전도체 : 영하 230~250도 (액체 수소나 액체 질소를 이용)
- 상온 초전도체 : 약 25도 온도에서 초전도성이 나타남

초전도체의 임계 온도가 중요한 이유는 저온을 유지하는 데 막대한 비용과 거대한 설비가 필요하기 때문이에요. 초전도체의 활용도는 무궁무진하며 임계 온도가 높아질수록 더 적은 비용과 설비가 들게 되면서 경제적으로 큰 의미가 있어요.

초전도체를 사용해 쓸만한 장치를 만들려면 얼마나 쉽게 모양을 바꿀 수 있는지가 중요한데요. 일반적으로 저온 초전도체는 순수한 물질이고, 고온 초전도체는 고온으로 구워낸 세라믹 형태라 고온 초전도체는 저온 초전도체보다 더 저렴하게 사용할 수 있지만 실제 산업에 활용할 수 있을 정도로 가공하기가 어렵습니다.

초전도 현상을 설명할 이론도, 상온 초전도체를 만들 수도 없는 현실이지만 초전도체는 일부 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 무엇보다 저항이 없어 에너지 손실이 없다는 점과 강한 자기장을 만들 수 있다는 점이 가장 큰 장점으로 꼽혀요.

4. 초전도체 활용

초전도체는 다양한 산업에서 활용될 수 있습니다. 배터리와 모터의 무게 및 효율이 획기적으로 개선될 수 있고, 환경오염 문제 뿐 아니라 방사능 걱정 없는 에너지라 칭해지는 '인공 태양' 개발도 가능해져요.

대표적으로 초전도체를 이용하는 장치는 양자컴퓨터와 MRI인데 현재까지는 극저온을 유지해야 해서 비용이 무척 비싼 상태에요.

한국전력은 작년 파주시 문산변전소와 선유변전소 사이에 초전도 케이블을 설치하는 공사를 시작했습니다. 총 2km 구간에 초전도체 전선을 연결하고 손실 없이 전력 송신을 할 수 있는지를 확인하려는 건데요. 구리 전선을 사용하면 발전소에서 만들어진 전기의 4%가 저항으로 인해 사라집니다. 이로 인한 손실액은 국내 기준 약 1조 5000억 원 규모로 알려졌어요. 

자기공명영상(MRI) 장치에도 초전도체가 들어갑니다. 초전도체에 전류를 흘려 만들어진 아주 강한 자기장을 이용해 신체 영상을 촬영하는 방식이에요. 이외에도 양자컴퓨터 같은 미래 기술에도 초전도체가 사용되고 있습니다.

5. 상온 초전도체의 미래

지금은 낮은 임계 온도와 불편한 가공 방식으로 활용 범위가 제한돼있지만 쉽게 가공이 가능한 상온 초전도체가 개발된다면 다른 어떤 기술보다도 파급력이 클 것으로 예상됩니다.

전력 효율이 높은 배터리를 만들거나, 우주 탐사를 위한 강력한 전기 모터를 만들 수도 있어요. 

따라서 물리학자들은 110년이 넘는 시간 동안 '꿈의 물질'인 상온 초전도체를 찾아 연구 중입니다. 

6. 국내 연구진의 상온·상압 초전도체 개발

국내 민간연구회사인 퀀텀에너지연구소(고려대 창업기업) 이석배 대표와 한양대 오근호 명예교수는 지난달 22일 논문 사전공개 사이트인 '아카이브(arXiv)'에 올린 논문을 통해 상온과 상압 환경에서 저항이 사라지는 초전도 물질인 초전도체를 세계 최초로 개발했다고 발표했습니다. 이를 두고 해외 주요 외신은 물론 일반인들도 이번 연구의 실체에 초미의 관심을 기울이고 있는데요.

연구진은 납과 구리, 인회석(인산염 광물 일종)을 사용해 새로운 결정 구조인 'LK-99'를 발견했다고 알렸어요. LK-99의 구조를 시뮬레이션으로 분석한 결과 높은 온도에서 초전도성을 가질 수 있다는 결과가 주요 내용입니다. 

하지만 이번 결과는 시뮬레이션 결과로 실제 물질을 만들어 실험 결과를 얻은 것은 아니라는 점에서 여전히 검증해야할 부분들이 남아 있습니다. 또한 다른 과학자들의 심사를 거쳐 정식으로 출판된 것이 아니라 연구자가 쓴 논문 내용을 그대로 인터넷에 올린 것으로 국내는 물론 해외 과학계로부터 철저한 검증의 필요성이 제기되고 있어요.

다만 미국 국립연구소(LBNL)와 버클리대 로렌스 연구소에서 LK-99가 이론적으로 초전도 성질을 보일 수 있다는 시뮬레이션 결과를 내놓았다는 점은 긍정적인 신호로 보입니다.

➕ 2024. 03. 04

김현탁 미국 윌리엄앤메리대 교수가 4일 미국물리학회(APS)에서 상온상압 초전도 주장 물질 'PCPOSOS'의 실험 결과를 공개하면서 PCPOSOS가 초전도체라는 주장을 했습니다. PCPOSOS가 초전도체의 특징인 제로저항과 마이스너(Meissner, 반자성) 효과를 나타냈고 완전 부양 및 부분 부양에 성공했다는 설명이었는데요.

PCPOSOS는 기존 LK-99에 '황(S)'을 추가한 물질로 LK-99를 제작한 연구팀이 '새로운 초전도체'라고 주장하며 그 실험 결과를 APS에서 공개하기로 해 화제가 됐습니다. 

앞서 공개한 초록에서 김교수를 비롯한 퀀텀에너지연구소 연구팀은 PCPOSOS가 임계 온도 아래에서 전기저항이 '0'이 되는 '제로저항' 상태를 보였다고 밝힌 바 있어요. 물질이 초전도성을 띠면서 자기장을 외부로 밀어내는 마이스너 효과를 확인했다고도 말했는데요. 마이스너 효과가 나타난다면 자석 위에 올린 물체는 공중으로 부양하게 됩니다.

김교수가 공개한 실험 결과에 따르면 자석 중심에 물질을 놨을 때 일부 부양하다가 가장자리로 갈수록 자기장이 강해져 다시 떨어지는 모습을 보였습니다.