초전도체의 진위 여부를 검증하기 위해 최근 한국의 퀀텀에너지연구소가 발표한 LK-99에 대한 전 세계의 관심이 뜨겁습니다. 초전도체, 특히 상온·상압 초전도체가 왜 중요한지, 그리고 어떤 특징과 원리를 가지고 있고, 만약 상용화 된다면 인류의 실생활에 어떻게 활용될지의 전망에 대하여 알기 쉽게 소개해 드리겠습니다.
목차
1. 초전도체란?
2. 초전도체의 특징
3. 상온 상압 초전도체란?
4. 상용화 시 활용 분야
1. 초전도체란?
초전도체(Superconductor)는 전기가 흐를 수 있는 전기 전도체이면서 온도가 일정 수준(임계 온도) 이하로 내려가면 전기 저항이 0에 가까워져서 아무런 방해 없이 전류가 흐르는 물질을 의미합니다.
초전도체를 최초로 발견한 사람은 네덜란드 물리학자 헤이커 카메를링 오너스이며, 1911년 고체 수은의 전기 저항을 초저온에서 측정하는 과정에서 섭씨 -269℃ 이하에서 전기 저항이 사라지는 현상을 발견하였고 이를 초전도현상(superconductivity)이라 하였습니다.
이후 여러 가지 합금을 이용하여 더 안정적이고 높은 온도에서 동작할 수 있는 초전도체에 대한 연구가 끊임없이 이어졌고, 초전도현상에 대한 연구에서만 5번의 노벨 물리학상이 수여되었습니다.
2. 초전도체의 특징
초전도체임을 검증하는 특징은 여러 가지가 있으나 가장 큰 특징은 0에 가까운 전기적 저항과 마이스너 효과입니다. 초전도체에 대한 명확한 원리는 아직도 연구 중인 측면이지만 전통적으로 BCS 이론이 지지받고 있으며, BCS 이론에서 설명하는 쿠퍼쌍도 초전도체를 증명하는 특징 중 하나입니다.
2-1. 전기적 저항
앞서 설명드린 바와 같이 초전도체를 설명하는 가장 큰 특징인 0의 저항은 일정 온도 이하로 내려갔을 때 나타나는 현상입니다. 처음 초전도체가 발견된 기온은 -269℃였으며, 이후 이 온도를 상온에 가깝게 올릴 수는 없을가에 대한 수많은 노력이 있었고, 압력을 높이면 기존의 임계 온도보다 높은 기온에서도 초전도 현상을 발견하게 되었습니다.
2020년에는 미국 로체스터 대학교의 디아스 교수 연구팀에서 섭씨 15도에서 초전도 현상을 발견하였으나, 265만 기압(39 Mpsi;268 GPa)에서 발견된 현상이었으며, 온도와 압력 2가지 측면에서 아직 상용화와는 거리가 먼 영역으로 받아들여지고 있었습니다.
그 밖에도 많은 연구가 있었으나 개발과 논문 게재, 검증과 게재 취소가 반복되는 영역이기도 했습니다.
2-2. 마이스너 효과
마이스너 효과는 임계 온도이하에서 초전도체가 물질 내부의 자기장이 외부로 밀려나는 현상으로써 1933년 발터 마이스너에 의해 발견되었습니다. 우리가 흔히 초전도체의 이미지를 생각하면 떠오르는 현상으로써 초전도 물질이 마치 공중 부양을 하듯 공중에 떠 있는 현상입니다.
2-3. BCS이론과 쿠퍼쌍
BCS이론은 초전도 현상을 양자역학의 관점에서 설명하고자 하는 이론이며, 1957년 미국의 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼에 의해 제안되었고, 세 사람의 이름의 앞 글자를 따서 BCS 이론이라 명명되었습니다.
온도가 일정 수준 이하로 내려가서 초전도체가 되면 - 전하를 띠는 전자들이 쌍을 이루게 되고(쿠퍼쌍:cooper pair) 이 쿠퍼쌍이 전류를 안정적으로 흐를 수 있는 상태를 만들어 줍니다.
BCS 이론은 섭씨 -243도(절대 온도 30K) 이하에서만 발생한다고 주장하였으나 최근 초전도 물질의 다양한 재료 배합과 압력을 이용한 상대적 고온 초전도 현상이 발견되면서 이론적 한계를 보여주고 있습니다.
3. 상온 상압 초전도체란?
앞서 말씀드린 바와 같이 초전도체는 온도가 -243℃ 이하이거나 온도를 올리기 위해서는 기압을 극도로 증가시켜야 만들어집니다. 2가지 조건 모두 일상생활에서 접하기 어려운 극단적인 조건이라 볼 수 있습니다.
하지만 상온·상압 초전도체는 온도와 압력 2가지 조건을 모두 우리의 일상생활에서 접할 수 있는 수준에서 만들어지는 초전도체를 의미합니다.
상온 상압 초전도체가 개발되어 초전도 현상의 원리를 명확히 설명할 수 있고, 초전도체가 양산 및 상용화될 수 있다면 인류의 삶과 우리의 미래는 매우 많은 변화를 겪게 될 것입니다. 이것이 퀀텀에너지연구소에서 개발을 주장하는 LK-99가 세계적으로 관심을 받고 있는 이유입니다.
4. 상용화 시 활용 분야
우리는 전기 없이는 살아갈 수 없는 세상에서 살고 있습니다. 전기를 생산하는 방식도 계속 발전하고 있지만 기술적인 제약으로 그 효율이 낮아 아직 상용화되지 못하는 부분들이 많습니다. 만약 상온 상압 초전도체가 상용화된다면 우리의 실생활은 어떤 변화를 접하게 될지 알아보겠습니다.
4-1. 송전 전력망 기술 향상
미국에서 한 해 동안 전력 손실로 발생하게 되는 비용이 22조 원에 달한다고 합니다. 전기적 저항이 0에 가까운 초전도체의 상용화는 송전이나 전기를 생산 및 저장하는 데에 있어서 발생하는 손실을 저감 시켜 수력, 풍력 등 다양한 전기 생산기술의 효율을 극대화하여 전 세계적으로 천문학적인 비용을 감소시켜 줄 수 있습니다.
석유·석탄·천연가스 등의 화석 연료에 대한 대체를 가속화할 수 있는 환경친화적인 측면에서 환경오염을 예방하는 긍정적인 역할도 기대할 수 있습니다.
4-2. 전기 전자기기의 성능 극대화
전기 전자 제품의 가장 큰 문제점 중 하나는 발열입니다. 이는 저항에서 비롯된 것이며, 커피포트나 전기장판 등과 같이 저항을 이용하여 열을 발생시키는 제품이 아니라면 발열은 전기 전자 제품의 성능을 향상하는 데에 있어서 가장 큰 걸림돌입니다.
하지만 저항이 0인 초전도체가 상용화된다면 우리가 항상 사용하는 스마트폰이나 컴퓨터에서도 열이 발생하지 않게 될 것이고, 이는 구조적인 경량화를 가능하게 하여 더 많은 가능성을 제시해 줄 수 있습니다. 또한 CPU나 GPU의 경이로운 성능 향상을 기대할 수도 있습니다. 아마도 우리가 손에 들고 다니는 핸드폰이 지금의 데스크톱의 성능을 보여줄 날도 기대해 볼 수 있습니다.
멀티탭에도 아무런 걱정 없이 수많은 플러그를 꽂을 수 있을 것이고, 전기차의 급속 충전도 가능하게 하여 내연 기관의 대체를 가속화시킬 수도 있습니다.
이런 측면에서 지구 온난화를 해결할 수 있는 해법이 될 수도 있겠습니다.
뿐만 아니라 양자를 초전도 상태에 유지시켜야 하는 양자컴퓨터의 실용화에도 큰 도움이 될 것입니다.
4-3. 핵융합 기술과 플라스마
인공 태양이라 불리는 핵융합 기술은 태양 내부와 동일한 압력을 재현하는 게 불가능하므로 원자를 태양보다 더 뜨거운 온도로 가열하여 좁은 공간에 가두는 토카막 방식을 사용하여 연구 중입니다. 이때 발생하는 고열이 플라스마가 주변의 모든 것을 녹이게 되므로 초전도체의 마이스너 효과를 이용하여 토카막 내부에 가두고 핵융합이 이루어지도록 하는 기술입니다.
아직 기술적인 제약이 많고, 현재로서는 원자력을 이용한 방식에 비해 경제성도 떨어진다는 지적이 많지만, 상온 상압 초전도체가 상용화된다면 경제성뿐만 아니라 기술적인 부분에서도 비약적인 발전을 가져와 여러 가지 해로운 부산물이 동반되는 원자력 발전을 대체할 가능성도 기대해 볼 수 있습니다.
4-4. 자기 부상 기술의 활용
초전도체의 마이스너 효과를 이용하는 방법으로 우리가 가장 쉽게 알고 있는 자기 부상 열차의 기술 향상으로 교통 체계의 많은 변혁이 이루어질 것으로 기대해 볼 수 있습니다. 또한 우리가 공상 과학 영화에서만 봤던 레일건과 같은 무기나 이를 활용한 다양한 기술들이 우리의 삶을 변화시켜 줄 수 있습니다.
이 외에도 의료적인 부분, 환경적인 부분을 비롯해서 초전도체를 활용하여 지금의 우리가 상상하지 못할 수많은 기술들이 개발되어 인류의 삶을 더 윤택하게 만들어 줄 것입니다.
아직 나아갈 길이 많이 남았지만 멀지 않은 미래에 반드시 실현될 것이라 기대하면서 함께 관심을 갖고 지켜보도록 하면 좋을 것 같습니다.
댓글