[Issue Pick] 초전도체는 무엇인가…인류의 미래를 바꿀 ‘마법의 돌’

초전도체superconductor는 전기 저항이 0인 물체이다. 그렇다면 이 초전도체 물질을 만들었다는 것은 과연 어떤 의미인가. 지금 누군가 초전도체 물질을 만들어낸다면 이는 인류에 있어 ‘산업혁명+반도체 발명을 합친 것과 같은 위대한 발견이라는 의미가 된다. 초전도체는 인류의 미래를 바꿀 수 있는 진정한 ‘마법의 돌이기 때문이다.
#1 지난 7월22일 국내 기업 퀀텀에너지연구소가 「아카이브」에 논문 2편을 올렸다. 내용은 상온과 상압 조건에서 초전도체 물질 ‘LK-99을 만들었다는 것. 논문 내용이 해외 매체와 SNS를 통해 알려지면서 물리학계는 물론 전 세계 언론에서 이 논문에 비상한 관심을 보였다.
#2 ‘LK-99에 관심이 집중되자 실험과 검증이 잇달아 벌어졌다. 미국 로런스버클리국립연구소는 8월1일 슈퍼컴퓨터로 LK-99의 구조를 시뮬레이션 한 결과 기존 초전도체보다 높은 온도에서 초전도 현상이 나타날 수 있다고 예측했다. 중국 화중과학기술대 연구진은 LK-99 결정 구조를 재현해 반자성 특성을 확인했다고 발표했다. 반대의 결과도 있다. 중국 베이항대 연구진, 인도 국립물리연구소 등은 LK-99를 합성해 실험했지만 초전도체가 아니라고 발표했다.
#3 「네이처」는 8월16일 LK-99 물질이 초전도체가 아니라는 이유를 찾아 실제 특성을 알아냈다고 홈페이지에 밝혔다. 네이처에 따르면 독일 막스플랑크 연구소는 LK-99를 저항 특성이 있는 절연체라고 판단했다. 나디아 노먼 미국 일리노이주립대 교수는 「사이언스」지와의 인터뷰에서 전기저항 그래프를 보면 전기저항이 0이 되는 급강하 구간이 보이지 않는다”고 지적했다.

꿈의 물질, 초전도체을 향한 인류의 도전

퀀텀에너지연구소는 2008년 고려대 이론물리화학연구실 출신들이 설립한 벤처다. 초전도체 ‘LK-99의 이름은 이석배 대표와 김지훈 연구소장의 성에서 각각 따왔으며, 99는 이 물질을 처음으로 발견한 1999년을 뜻한다. 논문은 이 대표의 스승인 고려대 화학과 고 최동식 명예교수의 이론을 바탕으로 한다.

퀀텀에너지연구소의 논문에 따르면 ‘변성 납-인회석 결정 구조인 ‘LK-99라는 물질이 임계 온도 127도에서 저항이 사라지는 초전도 현상이 일어나는 것을 확인했다고 전해진다. 즉 황산납과 산화납을 1:1로 혼합한 뒤 725도에서 24시간을 가열해 황산화납(리나카이트)을, 또 구리와 인을 섞어 550도에서 48시간 가열해 인화구리를 만들었다. 이 두 물질을 1:1로 섞어 고진공에서 925도로 5~20시간을 구워 만든 물질 즉 LK-99가 초전도 현상을 보였다는 것. 그러면서 납을 기반으로 한 아파타이트(인회석) 구조에서 납 원자 10개 중 1개가 구리로 치환되면서 부피가 줄어든 초전도 현상이 유발되었다는 것이다.
연구소 측은 비디오를 공개했는데 마이스너 효과 즉 자기부상 능력이 완전히 구현되지 않은 모습이다. 즉 자석 위에 LK-99를 올려놓았는데 한쪽만 자석 위에 떠 있고 다른 쪽은 자석에 붙어 있는 모습이다. 요리로 치면 레시피를 공개한(물론 노하우가 있다고 한다) 연구소의 LK-99에 대한 관심이 집중되면서 지금 연구와 검증이 진행되고 있다. 정확한 초전도체 여부는 시간이 더 지나야 할 것이다. 그 결과가 어떻게 판명이 되든 한국 연구소에 의해 초전도체 물질이 만들어지고, 발견되었으면 하는 바람은 분명하다.

*기사 내용과 직접적인 관련이 없는 자료 사진입니다.(사진 픽사베이)

인류 과학 기술의 혁명적 진보의 열쇠

‘초전도체superconductor? 초전도는 특정 온도에서 저항이 급격하게 낮아지는 현상을 말한다. 이렇게 저항이 0에 이른 물체를 초전도체라 부른다. 그렇다면 이 초전도체 물질을 만드는 것은 과연 어떤 의미인가. 누군가 초전도체 물질을 만들어낸다면 이는 인류에 있어 ‘산업혁명+ 반도체 발명과 맞먹는 발견이다. 초전도체는 향후 과학, 산업, 의료, 군사, 우주, 전자, 전기, 항공 등은 물론 인류의 미래까지 바꿀 수 있기 때문이다.
세계는 초전도체를 만들어내기 위해 지난 100여 년간 노력해왔다. 하지만 지금까지 영하 200도 이하의 극저온과 초고압 상태에서만 초전도 현상을 겨우(?) 구현했다. 전기의 저항이 없다는 것, 이는 단순한 것이 아니다. 발전소에서 생산해낸 전기는 송전탑을 거쳐 공장, 가정에 보내진다. 이 과정에서 전기의 전자는 이동의 방해를 받는다. 즉 저항이다. 이 저항으로 전기는 평균 3.5%~4%정도 손실된다. ‘별것 아니네라고 여길 수치가 아니다. 한국전력 송배전 손실률은 약 3.5%, 연간 1조5,000억 원이다. 미국은 이 전기저항 손실피해가 연간 약 22조~30조 원, 막대한 돈이 전기줄에서 사라지는 것이다.
마이스너 효과, 이는 1933년 독일 물리학자 프리츠 발터 마이스너, 로버트 오쉔펠트가 주석과 납 시료에서 초전도체로 자기장이 침투하지 못하는 현상을 발견하면서 알려졌다. 마이너스 효과로 자기부상 열차의 등장이 가능해졌다. 초전도 현상이 구현되면 어떤 신세계가 펼쳐질까.
초전도체의 특성은 세 가지다. △저항이 0이 되는 것, △마이스너 효과로 공중부양이 가능해진다는것, △초전도체로 공중에 떠 있어도 일정 거리 이상 자석에서 멀어지지 않게 하는 효과이다. 이 3가지 특성은 그동안 인간이 이 지구상에 만들어 낸 모든 것에 적용될 수 있다.

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전기 저항이 0이라는 것은 전기를 생산, 사용처로 손실 없이 보낼 수 있어 연간 수조 원을 절약할 수 있다. 또 저항이 없기에 전기줄의 외형도 변화가 온다. 동아줄보다 더 두꺼운 전기 줄이 더 이상 필요 없고, 송전탑 또한 지금처럼 많이 설치될 필요도 없어 송전탑 설치로 인한 민원도 사라질 것이다. 전기 저항에서 위험한 요소는 열이다. 전기가 사용되는 모든 기기는 필연적으로 발생되는 열 때문에 냉각장치를 설치한다. 저항이 사라져 열 발생이 현저히 줄어들거나 0이 된다는 것은 모든 기기의 소형화, 간편성이 증대되며 다른 기능이 쿨러를 대신하면서 성능은 배가 될 것이다.
초전도체가 나오면 현재 시속 300km, 시험운전 약 600km 초고속열차는 이제 시속 1,000km 이상이 가능해진다. 서울에서 부산까지 30분에 도착할 수 있다. 이러한 자기부상열차는 물론 하이퍼루프 등에도 사용될 수 있다. 또한 컴퓨터의 소형화가 가능해진다. 양자컴퓨터는 초전도 현상을 구현하기 위해 크고 또 막대한 에너지가 쓰인다. 하지만 초전도체가 사용된다면 미래에는 양자컴퓨터를 스마트폰처럼 들고 다닐 수 있다. 스마트폰 역시 발열 기능이 사라져 배터리 사용 시간이 증가할 것이다. 의학적으로는 고가의 비용이 드는 MRI를 X선처럼 쉽게 사용할 수 있다.
핵융합에서도 초전도체는 중요하다. 핵융합에서 가장 위험한 요소는 역시 열이다. 이 열을 식히기 위해 냉각 기술이 필요하다. 핵발전소마다 거대한 냉각탑을 세우고 많은 물을 사용한다. 혹시라도 이 냉각수의 오염에 대한 염려 또한 할 필요가 없다. 이는 우주 기술에도 적용되어 지금보다 소형화된 우주발사체를 충분히 만들어낼 수 있다.

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110년 초전도체로의 도전, 노벨 물리학상의 역사

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초전도체는 인류의 가장 큰 숙제이다. 초전도체의 발견은 1911년이다. 네덜란드 물리학자 카메를링 오네스가 수은을 액체 헬륨으로 영하 269도까지 냉각하자 저항이 사라지는 것을 발견한 것이 초전도체 역사의 시작이다. 이 발견으로 카메를링 오네스는 1913년 노벨 물리학상을 수상했다. 이후 전 세계 물리학자와 연구진은 상온 즉 영상 25도 내외에서 초전도체 발견을 위해 도전했다. 그 결과 카메를링 오네스보다 진일보된, 즉 좀 더 높은 고온에서 초전도 현상을 일으키는 물질을 발견해냈다.
1957년 미국 물리학자 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 쉐리퍼가 초전도 현상에 대한 이론적 설명, 이른바 BCS 이론으로 1972년 노벨 물리학상을 받았다. 1986년에는 스위스 과학자 베드노르츠와 뮐러는 영화 238도의 임계 온도를 갖는 세라믹 계열 고온 초전도체를 발견해 1987년 노벨 물리학상을 수상했다. 1986년에는 구리 산화물 세라믹 물질이 영하 183도에서, 2015년에는 독일 막스플랑크연구소 과학자들이 황화수소를 고압으로 압축해 영하 70도에서 초전도 현상을 구현했다. 지금까지 초전도 현상을 구현해낸 최고 온도는 영하 23도로 아직까지는 상온, 상압에서 초전도 현상을 만들어내지는 못했다.
이처럼 완전한 상온, 상압에서의 이 초전도 현상 구현이 어려운 이유는 초전도체는 물질에 따라 냉각 임계점이 달라지기 때문이다. 영하 23도에서의 초전도 현상 구현도 여전히 극저온이고 더구나 기압은 대기압의 만 배 이상의 상태이다. 그러니 이번 LK-99의 상온과 대기압 즉 약 20도의 온도와 1기압의 조건에서 최전도 현상을 보였다는 발표가 얼마나 충격적인 것인지 알 수 있다. 만약에 그것이 사실이라면 인류 과학기술에 획기적 변화를 가져올 ‘꿈의 물질을 우리는 보게 된 것이다.
초전도체 물질의 응용은 무한대이다. 그중 인류에게 복음처럼 다가올 부문은 무엇보다 에너지의 혁명이다. 저항, 열 발생 없이 전기를 송전할 수 있다는 것은 어떤 의미에서는 지구상에 ‘공평한 에너지 분배의 시대가 될 수 있기 때문이다. 초전도체 물질의 발견, 이는 인류의 기술적 진보를 몇 단계 앞당기고 인류의 현안을 해결할 수 있는 만능 키트인 셈이다.
[글 권이현(칼럼니스트) 사진 픽사베이]
[본 기사는 매일경제 Citylife 제896호(23.9.12) 기사입니다]