국내 초전도체 개발 관련 뉴스
한국 연구진이 상온 상압 초전도체를 개발했다는 논문이 알려지면서 국내뿐 아니라 해외에서도 논란이 커지고 있다.
과학계 난제 중 하나로 발표와 검증 실패를 반복해 오던 상온 초전도체를 한국에서 개발했다는 소식에 이례적으로 외신도 주목하는 분위기지만, 외국 학계는 비판적이고 국내 학계도 아직 검증이 필요하다며 신중한 분위기다.
지난 7월 28일 과학계에 따르면 지난 22일 논문 사전공개 사이트 '아카이브'에 상온과 대기압 조건에서 초전도 현상을 보이는 초전도체에 관해 쓴 두 개의 논문이 올라왔다.
저자로는 이석배 퀀텀에너지연구소 대표와 회사 연구자, 권영완 고려대 연구교수, 오근호 한양대 명예교수, 지난해까지 한국전자통신연구원(ETRI)에 근무했던 김현탁 박사 등이 포함됐다.
아카이브는 동료 평가를 거치지 않은 논문을 빠르게 공개하기 위한 사이트로, 누구나 쉽게 게재할 수 있는 구조다. 이곳에 나온 논문은 아직 학계의 검증을 받지 않은 것이다.
상온 초전도체는 과학계의 오랜 꿈 중 하나다. 초전도 현상은 금속 등에서 전기저항이 어느 온도 아래에서 0이 되는 현상을 말한다.
전기 저항을 없애면 저항이 소모하는 에너지를 줄일 수 있어 자기부상열차나 전력망 등에 사용처가 무궁무진하지만, 현재는 극저온이나 초고압에서만 초전도 현상을 구현할 수 있어 활용도가 낮다.
연구진은 논문에서 납과 인회석 결정 구조인 'LK-99'라는 새로운 물질을 개발했다며 초전도 현상이 일어나는 임계 온도가 섭씨 127도(400K)라고 주장했다.
이는 온도가 127도 이하일 때는 초전도 현상이 일어난다는 뜻이다.
이들은 1990년대 고려대 화학과 최동식 명예교수가 주장한 이론을 바탕으로 20여 년에 걸쳐 연구를 진행했다고 주장했다. 퀀텀에너지연구소는 2008년 고려대 연구자들이 창업한 기업이다.
초전도체(superconductor) 란?
초전도체는 임계 온도 이하로 냉각될 때 전기 저항이 0이 되는 물질입니다.
즉, 저항으로 인한 에너지 손실 없이 전류의 흐름을 허용합니다. 이 현상은 1911년 네덜란드 물리학자 Heike Kamerlingh Onnes가 절대 영도(-273.15°C 또는 0 Kelvin)에 가까운 극도로 낮은 온도에서 수은의 전기 저항이 사라지는 것을 관찰했을 때 발견되었습니다.
- 초전도 현상은 저온물리학의 선구자인 온네스(Heike Kámerlingh Onnes; 1853-1926)에 의해 1911년에 우연히 발견되었다. 그는 액체헬륨을 사용하여 수은의 온도를 절대온도 4도, 즉 섭씨 영하 269.15도까지 내려 보는 과정에서, 전기의 저항이 완전히 없어지는 현상을 확인하였고 1913년도 노벨 물리학상을 수상하였다.
초전도체는 몇 가지 놀라운 특성을 가지고 있으며, 가장 주목할 만한 것은 다음과 같습니다.
1. 제로 저항 (Zero resistance)
- 앞서 언급한 바와 같이 초전도체는 저항으로 인한 에너지 손실 없이 전기가 흐를 수 있도록 합니다. 이것은 그것들을 매우 효율적인 지휘자로 만듭니다.
2. 완전 반자성(Perfect diamagnetism)
- 초전도체는 내부에서 자기장을 방출하여 마이스너 효과라는 현상을 일으킵니다. 자기장에 놓이면 반대 자기장을 생성하여 자기 표면 위로 떠오릅니다(소위 "양자 부상").
3. 임계 온도(Critical temperature)
- 초전도는 각 초전도 물질에 고유한 특정 임계 온도 이하에서만 발생합니다. 전통적인 초전도체의 경우 이 임계 온도는 일반적으로 매우 낮습니다(절대 영도 근처). 그러나 -135°C(138Kelvin)의 높은 온도에서 초전도성을 나타내는 고온 초전도체로 알려진 새로운 물질이 발견되었습니다.
4. 유형 I 및 유형 II 초전도체: 초전도체는 외부 자기장에 대한 반응에 따라 두 가지 범주로 분류됩니다.
- 유형 I 초전도체는 모든 자기장을 방출
- 유형 II 초전도체는 특정 조건에서 자기장이 부분적으로 침투할 수 있습니다.
초전도체는 전력 전송, 자기 공명 영상(MRI) 기계, 고속 열차(Maglev) 및 입자 가속기와 같은 다양한 응용 분야에서 상당한 잠재력을 가지고 있습니다.
그러나 초전도 특성을 유지하기 위해서는 극도로 낮은 온도로 냉각되어야 하므로 널리 실용화하기에는 기술적, 경제적 문제가 있습니다.
그럼에도 불구하고 지속적인 연구 개발은 새로운 재료를 발견하고 더 높은 온도에서 초전도체를 작동시키는 방법을 찾는 것을 목표로 합니다.
초전도체(superconductor) 기술적 특성
초전도체의 분자 구조는 구성 원자 또는 분자의 배열과 결합에 의해 결정됩니다. 초전도체는 분자 구조에 따라 크게 기존의 저온 초전도체와 고온 초전도체(HTS)로 분류할 수 있습니다. 다음은 이 두 가지 유형의 분자 구조에 대한 간략한 개요입니다.
기존의 저온 초전도체:
기존의 저온 초전도체는 일반적으로 금속 원소 또는 잘 정의된 결정 구조를 가진 단순한 화합물입니다.
일반적으로 원자 사이에 금속 결합이 있는 주기적 격자로 배열된 원자로 구성됩니다.
기존 저온 초전도체의 예로는 납, 니오븀, 주석과 같은 원소 금속과 Nb3Sn 및 NbTi와 같은 단순 화합물이 있습니다.
이들 물질의 초전도 메커니즘은 BCS 이론(Bardeen-Cooper-Schrieffer 이론)으로 설명되는데, 전자-포논 상호작용으로 인해 전자쌍(Cooper pairs)이 형성됩니다.
고온 초전도체(HTS):
HTS 재료는 분자 구조가 더 복잡하고 전통적인 BCS 이론을 따르지 않습니다.
이들은 일반적으로 산화물(산소를 포함하는 화합물)이며 더 복잡한 결정 구조를 가지며 종종 원자의 층 또는 평면을 포함합니다. HTS 재료는 일반적으로 서로 다른 원소로 구성되어 있으며, 초전도 특성은 이러한 원소의 배열과 상호 작용에 크게 영향을 받습니다. HTS 재료의 초전도성을 담당하는 정확한 메커니즘은 여전히 진행 중인 연구 및 토론 주제이며 완전히 이해되지 않았습니다. HTS 재료의 예로는 YBa2Cu3O7(YBCO)와 같은 구리산염과 FeSe 및 Ba(FeAs)2와 같은 철 기반 초전도체가 있습니다.
초전도체(superconductor) 응용분야
의료 및 의료 영상:
1. 초전도 자석은 자기공명영상(MRI) 기기에 사용되어 더 높은 이미지 해상도와 더 나은 진단 기능을 제공합니다.
의료 영상 산업은 중요한 시장이며 MRI 장비는 전 세계적으로 병원과 진료소에서 널리 사용되고 있습니다. 글로벌 의료 영상 시장은 2020년에 400억 달러 이상의 가치를 지녔으며 꾸준한 속도로 성장할 것으로 예상됩니다.
에너지 및 전력:
2. 초전도 전력 케이블 및 고장 전류 제한기는 송전 및 배전 과정에서 에너지 손실을 크게 줄여 보다 효율적인 전력망을 구축할 수 있습니다.
경제적 규모: 2020년 전 세계 전력 케이블 시장은 약 1,000억 달러로 평가되었습니다. 초전도 전력 케이블은 아직 연구 개발 단계에 있으며 기술 발전과 비용 효율성에 따라 널리 채택될 것입니다.
교통:
3. 초전도 자석은 자기부상(Maglev)열차에 사용되며 마찰을 최소화하면서 고속을 낼 수 있다.
경제적 규모: 자기 부상 기술은 일본과 중국과 같은 일부 국가에서 자기 부상 열차가 운행되는 등 여전히 상대적으로 틈새시장입니다. 경제적 규모는 성장하고 있지만 광범위한 채택에는 상당한 인프라 투자가 필요합니다.
연구 및 과학 도구:
3. 입자가속기, 핵자기공명(NMR) 분광계 등 대규모 과학 실험에 사용된다.
경제적 규모: 과학 기기 시장은 학술 기관, 연구 실험실 및 산업에서 오는 수요로 인해 상당합니다. 이 분야의 초전도 자석 시장은 중요하지만 상대적으로 전문화되어 있습니다.
항공우주 및 방위:
4. 가볍고 효율적인 추진 시스템 및 센서 개발에 잠재적인 용도가 있습니다.
경제적 규모: 초전도체의 항공우주 및 방위산업 활용은 아직 연구개발 단계로 현시점에서 경제적 규모를 가늠하기 어렵다.
전반적으로 초전도체 응용의 경제적 규모는 산업과 상용화 수준에 따라 다릅니다. MRI 기계 및 과학 기기와 같은 일부 응용 분야는 상당한 시장 점유율을 달성했지만 초전도 전력 케이블 및 항공 우주 응용 분야와 같은 다른 응용 프로그램은 아직 개발 초기 단계에 있습니다.
- 지금은 세계적으로 가정용과 산업용 등의 전기 공급에 교류송전 방식이 널리 사용된다. 교류는 변압기를 통하여 전압을 자유자재로 바꿀 수 있으므로, 전선의 저항에 의한 손실을 줄이기 위하여 중간 송전에는 고압 전류를 쓰고, 일반 가정에서는 낮은 전압의 전기를 이용할 수 있기 때문이다. 발명왕 에디슨(Thomas A. Edison; 1847-1931)은 이러한 교류송전 방식에 반대하여 끝까지 직류송전 방식을 고집한 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나 에디슨의 직류송전은 낮은 전압에 의한 중간손실이 너무 커서, 불과 몇 킬로미터 떨어진 곳도 송전이 거의 불가능하였다.
다소 생뚱맞은 생각일수도 있겠지만, 만약 전선을 모두 초전도체로 만들 수 있다고 가정한다면 사정이 완전히 달라진다. 고압송전으로 위험한 데다 전자기파에 의한 유도장해 등의 문제도 있는 교류전력을 쓸 이유가 전혀 없어지고, 발전소에서부터 가정까지 중간손실이 전혀 없이 낮은 전압의 직류전력을 안전하게 공급할 수 있다.
진행 중인 초전도체 이슈
뭔가 아름다운 결론이 이어지길 바라는 마음이다.
결과를 떠나서 작고하신 지도교수님의 유언을 이어 30년 넘게 반복적인 실험 과정을 진행시킨 아름답고 열성적인 제자들의 성공적인 이야기로 마무리되길 바란다. 더불어 연구진들 간의 시기질투와 노벨상을 향한 암투.. 언젠가 영화로도 만들어질 만한 스토리들이다.
또한, 기억에도 남지 않겠지만,
30년간 저 랩을 거쳐가며 수많은 시행착오를 거친 물리학도들에게 찬사를 보낸다. 성공여부를 떠나서...
이과 일등이 서울대 물리학과를 선택하던
그 시절의 낭만이 다시오길 기대해 본다.
그나저나, 레시피 다 공개 되었는데 이제 조만간 검증의 화살들이... 결과가 기대된다.
- 고려대와 퀀텀에너지연구소는 아카이브를 통해 (피어리뷰 없이) 게재된 지난 7월의 두 논문과 영상에서 세계 최초로 상온과 상압, 즉 우리 일상의 온도와 대기압 속에서도 저항이 0이 되는 초전도체 물질을 만들어냈다고 주장하였습니다. 전 세계 물리학계를 비롯하여 국가와 기업 모두가 이 연구 결과물의 진의성에 대해 어마무시한 관심과 함께 현재 검증까지도 진행 중인데요. 영화 아바타에서 등장한 언옵테늄 또한 초전도체로서, 저항 없이 전기를 보내는, 그야말로 인류의 신의 물질에 가까운 것이 영하 수백도, 대기압의 수만배도 아닌, 상온 상압에서 발견되었다는 정말 믿기 어려운 소식입니다. LK99이라 불리는 이 초전도체가 제2의 줄기세포가 아니길 바라며
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