포스팅 목차
"꿈의 기술"이라 불리는 초전도체는 전기저항이 0인 물질입니다. 이러한 초전도체는 많은 곳에서 혁명을 가져옵니다. 초전도체가 무엇인지, 현재의 상황은 어떠한지, 적용되는 분야는 무엇인지 알아보고, 현재 이슈가 되고 있는 LK-99에 대해 알아보겠습니다.
포스팅 목차
1. 초전도체와 상온초전도체
1) 초전도체 정의
초전도체란 특정 온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하여 저항이 0인 상태를 유지하는 도체를 말합니다. 이때 특정 온도를 "임계온도"라고 합니다.
우리는 전기가 없으면 안 되는 시대에 살고 있습니다. 전기는 전선으로 이동을 합니다. 그런데 현재 사용하는 모든 전선은 "저항"을 가지고 있습니다. 그래서 항상 "전력손실"이 발생하는데요. 저항이 0이 된다면 이 전력 손실이 0이 되는 것이기 때문에 "꿈의 기술"이라고 불립니다.
그런데 현재까지 사용되고 있는 초전도체 물질은 나이오붐(Nb)으로 초전도 임계온도 9.2K(-263.95℃)로 매우 낮아 항상 "열관리"가 필요합니다.
상온에서도 초전도 현상이 발현되는 것을 "상온 초전도체"라고 합니다. 이것이야 말로 진정한 "꿈의 기술"이라고 할 수 있습니다. 상온 초전도체가 상용화가 된다면 그야말로 에너지 혁명이 될 것임이 자명하기 때문에 현재도 활발한 연구개발이 이뤄지고 있습니다.
2) 초전도체 마이스너 효과(Meissner effect)
초전도체는 자기장이 투과할 수 없습니다. 따라서 자기장이 형성되는 자석 근처에서는 아래의 사진처럼 공중에 뜨게 됩니다. 초전도체가 자기장을 밀어내는 효과 때문인데요. "자기부상열차"가 바로 이러한 성질을 이용한 것입니다. 이를 "마이스너효과(Meissner Effect)"라고 부릅니다.
3) 초전도체 역사와 현재
초전도체의 첫 번째 발견은 1911년 네덜란드에서 시작되었습니다. 라이덴 대학의 카멜린 온네스가 수은의 전기저항을 측정하는 실험 도중 우연히 절대온도 4.2K(영하 268.8도)에서 수은의 전기저항이 0으로 떨어지는 것을 발견했고 이를 초전도현상(Superconductivity)이라고 명명하게 되었습니다.
이후 꿈의 기술을 위해 많은 연구가 이뤄지고, 업적이 생길 때마다 노벨상이 수여되었습니다. 그만큼 중요하고 혁신적인 기술이었습니다.
많은 연구개발로 인하여, 초전도현상이 이뤄지는 임계온도가 서서히 높아졌습니다만, 상온에서 초전도현상이 이뤄지는 물질은 찾지 못했습니다.
2020년에 미국 물리학자 랭거 디아스교수는 상온에 근접한 15도 이하에서 초전도현상을 나타내는 물질을 발견했다는 논문을 발표했으나, 곧 논문에서 일부 수치를 수정한 것이 발견되어 철회되었습니다.
랭거 디아스 교수는 2023년에 또다시 상온 초전도체 논문을 발표했지만 이 역시 데이터 세부사항이 부족하다는 지적 등과 필요한 압력이 비상식적으로 크다는 이유로 초전도성이 발현되기 어렵다는 지적이 나오고 있습니다. 이로 인해 대부분의 물리학자들은 초전도체 논문에 대해 회의적인 시선과 비판적인 시각으로 바라보고 있습니다.
이 와중에 최근 우리나라 연구팀이 상온/상압에서 초전도현상을 발현하는 LK-99 물질에 대한 논문을 발표하여 화제를 모으고 있습니다.
2. 초전도체가 사용되고 있는 분야
그럼 초전도 현상이 사용되고 있는 분야는 어떤 것들이 있을까요?
현재 사용되고 있는 초전도체들은 낮은 온도에서 초전도현상을 발현하기 때문에 항상 임계온도보다 낮은 온도를 유지시키기 위해서 액체헬륨, 액체질소와 같은 냉각액을 필요로 합니다.
이 냉각 설비로 인해 규모와 비용이 커지는 단점들이 있습니다. 상온 초전도체가 "꿈의 기술"이라고 불리는 이유는 이러한 냉각장비가 필요 없이 지기 때문입니다.
1) MRI(자기 공명진단장치)
병원 검사에 사용되는 대표적인 고가의 장비로 높은 자기장을 형성하여 몸속의 수소이온의 분포를 촬영하는 장비입니다.
다들 MRI를 한번쯤 보셨을 텐데 장비가 엄청 거대합니다. 물론 강력한 자기장을 형성하기 위한 자석 때문에 크기가 큰 것도 있지만 임계온도 이하를 유지시키기 위한 냉각장치가 들어가기 때문에 크기가 크고, 가격이 비쌉니다.
만약 상온 초전도체가 발견된다면 MRI의 가격은 현재보다 많이 싸질 것이고, 크기 또한 작아지지 않을까요?
2) 자기부상열차
자기 부상열차는 열차와 선로의 반발하는 자기력을 열차를 공중에 띄워 앞으로 가게 합니다. 공중에 띄어 가기 때문에 어마어마한 속도를 가질 수 있습니다.
열차와 모든 선로에 자석을 까는 것은 경제적으로 어렵기 때문에 열차 바닥에만 자석을 설치하고 선로에는 도체를 설치합니다. 이 도체에서 발생하는 자기장이 열차 바닥의 자석을 밀어내는데요. 보통은 전력손실 때문에 큰 자기장을 만들기 어렵습니다. 그런데 초전도체를 이용한 전자석을 이용한다면 가능하게 되는 것이죠.
초전도체는 전기저항이 없기 때문에 일반 자석보다 수천 배 강력한 자기력을 갖습니다. 이러한 초전도체 성질을 이용한 자기부상열차는 지상에서 약 5cm 정도 뜬 채 시속 1000km 시속까지 가능하다고 합니다.
3) 핵융합 발전
"인공태양"이라고 불리는 핵융합 발전은 수소 원자핵이 융합해 헬륨 원자핵으로 바뀌는 과정에서 엄청난 양의 에너지를 방출하는 것을 이용하는 에너지 생성기술입니다.
이러한 인공태양을 인공적으로 만들려면 1억℃ 이상의 초고온 플라즈마를 안정적으로 가두는 장치를 "토카막(tokamak)"이라고 하는데요. 이때 강한 자기장이 필요합니다.
이때 발생하는 전기저항으로 엄청난 열이 발생하기 때문에 운전이 쉽지 않은데요. 초전도체를 사용한다면 저항이 없기 때문에 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.
3. 상온 초전도체가 개발된다면?
상온·상압에서 초전도현상을 발현하는 초전도체 물질이 발견된다면, 앞서 말씀드렸던 분야에서 비약적인 성장이 이뤄질 것입니다. 게다가 우리의 일상생활에 밀접한 것들에도 많은 변화가 일어날 것입니다.
1) 에너지 저장장치
초전도 에너지 저장장치는 지금도 연구가 활발히 되고 있는 분야입니다. 초전도 코일을 이용하여 전류를 저장하는 장치인데요. 기존에는 상온 초전도체가 아니었기에 냉동기와 액화 헬륨이 필요했습니다. 이로 인한 단가 상승은 필연적이죠.
하지만 상온 초전도체가 개발된다면 단가에 있어 비약적인 발전이 있을 테고, 저장장치 분야에 흐름을 바꿀 수 있을 것입니다. 리튬이온배터리 시장이 위협을 받지 않을까 생각됩니다.
2) PC, 스마트폰, 가전제품
컴퓨터, 노트북, 스마트폰을 사용할 때 더 이상 발열에 대한 걱정을 안 해도 될 것입니다. 발열이 없기에 쿨러도 필요 없을 테고 단가도 내려가겠죠?
휴대용 스마트폰과 노트북을 설계할 때 성능을 무작정 올릴 수 없는 이유 중 대표적인 것이 바로 "발열"입니다. 그런데 발열이 없어진다면 어떻게 될까요? 비약적인 성능 향상과 수명 향상이 이뤄질 것입니다.
3) 송전선, 변압기 전력손실
송전선과 변압기에 전력 손실이 0이 되면서, 전기사용료의 단가가 낮아질 것입니다. 전기를 송전선을 통해 보낼 때 송전선의 저항 때문에 적지 않은 전력손실이 발생합니다. 2021년 기준 우리나라 송배전 전력손실은 3.59%라고 하고, 손실액은 연평균 1조 6천억 원에 가깝다고 합니다.
초전도체를 사용한다면 손실액이 0원에 가까워질 테고, 전력의 낭비를 막는 만큼 전기사용료 단가도 낮아지겠죠?
4. 세계최초 상온/상압 초전도체 LK-99
2023년 7월 2일 논문 사전공개 사이트 "아카이브"에 한국 연구진이 상온과 대기압 조건에서 초전도 현상을 발현하는 초전도체를 개발했다는 논문이 등재되면서 엄청난 화제를 모으고 있습니다.
원문 전체를 보고싶으신 분들은 아래 링크를 참고하세요.
이석배 퀀텀에너지연구소 대표와 회사 연구자 및 고려대 교수, 한양대 교수등이 저자로 포함되었는데요. 이를 본 많은 인터넷 커뮤니티에서는 "애국가에 넣어야 하는 것 아니냐, AI는 잊어라, 지구온난화는 우리가 해결" 등의 엄청난 밈들이 쏟아지고 있습니다.
그리고 초전도체 관련주가 연이은 상한가를 찍고 있어 변동성완화장치가 발생하기도 했습니다. "서남"의 경우는 5일 만에 3배에 달하는 상승을 했을 정도입니다.
그런데 주의할 것은 이 논문은 정식 논문이 아닙니다. 논문이 발표된 "아카이브"는 누가나 쉽게 기재할 수 있는 사전 공유 사이트입니다. 해당 논문은 동료평가 없이, 별도의 검증 없이 기재된 것이죠.
과학계에서도 회의적인 반응을 보이고 있습니다. 세세한 데이터가 부족하고 물질 특성상 초전도성이 발현되기 어렵다는 지적이 많이 나오고 있습니다.
현재 한국 초전도저온학회가 전문가들로 구성된 검증위원회를 발족하였습니다. 해당 논문과 LK-99에 대한 검증을 진행하기로 한 것이죠. 이럴 때일수록 보다 차가운 마음으로 바라봐야 하지 않을까 싶습니다.
해외에서도 주목하고 있는 만큼 곧 결과가 나올 것 같은데요. 추후 상황에 따라 포스팅을 업데이트하도록 하겠습니다.
오늘은 이렇게 초전도체에 대한 이야기를 알아보았습니다. 자본주의 사회에서 과학 기술의 발전은 곧 부를 불러일으키는데요. 우리나라에서 첫 상온 초전도체가 개발되어 과학 기술 강국이 되었으면 좋겠습니다.
부족한 글 읽어주셔서 감사드리며, 오늘도 행복한 하루 되시기 바랍니다.
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