상온 상압 초전도체 LK 99 개발 발표, 초전도체 뜻과 활용분야

얼마 전 국내 연구진이 상온 상압에서 작동하는 초전도성 물질 LK-99를 개발했다고 발표했다. 초전도체의 뜻과 전반적인 개요, 상온 상압에서 초전도성을 띄는 물질이 갖는 의미를 알아본다.

이번 발표가 검증되고 상용화된다면 과학계와 산업계에 획기적인 일이 될 것이지만, 세계 각국의 연구진이 의문점을 제기하는 상황이며 이런저런 잡음도 들리고 있어 검증이 될 때까지 좀 더 지켜볼 사안인듯하다.

초전도체의 마이스너 현상

Peter nussbaumer,CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

상온 상압 초전도체 LK 99 개발 발표, 초전도체 뜻과 응용분야

 

초전도체의 뜻, 개요

초전도체(superconductor)는 특정온도 이하에서 저항 없이 전류를 전도할 수 있는 물질(도체)을 말한다. 구리 또는 알루미늄과 같은 기존 도체에서는 전기가 흐를 때 저항으로 인해 일부 에너지가 열로 손실되지만, 초전도체에서는 이 저항은 0에 가깝게으로 떨어지며 에너지를 잃지 않고 전류가 무한히 흐를 수 있게 한다.

초전도체는 완벽한 반자성(자기장을 밀어내는 능력, 마이스너 효과), 높은 전기 전도도 및 제로 전기 저항과 같은 다양한 주목할 만한 특성을 보인다. 이러한 특성은 다양한 용도, 특히 낮은 전력 소비와 강한 자기장이 필수적인 영역에서 매우 유용하게 쓰인다.

초전도체 물질로는 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 수은 납 등 화학, 금속 원소와 니오븀-티타늄(Nb-Ti), 니오븀-게르마늄(Nb3Ge), 세라믹 등이 있다.

상온 상압 초전도체의 중요성

초전도체의 임계 온도는 중요한 요소이다. 이 온도 이상에서는 재료가 저항을 가진 일반 도체처럼 작동하지만, 임계 온도 아래에서 초전도 상태가 나타나고, 온도가 충분히 낮게 유지되는 한 이 상태를 유지할 수 있다.

초전도체는 일반적으로 저온 초전도체와 고온 초전도체로 분류하는데, 임계 온도가 30K(-243.15°C) 미만인 저온 초전도체는 주로 액체 헬륨(Tc > 4.2K)에 의해 냉각된다. 고온 초전도체는 액체 질소의 끓는점인 77K(-196.15°C) 이상에서 초전도체 역할을 하는 물질로 정의된다.

고온 초전도체에서 고온은 저온 초전도체에 비해 온도가 높다는 것이지 실제 상온에 비하면 엄청 낮은 온도이다. 이렇게 초전도체의 특성을 유지하려면 액체 헬륨 같은 비싼 극저온 장치가 필요하고, 좀 더 가격이 싼 액체 질소를 이용하는 고온 초전도체 또한 녹는점이 높고 부서지기 쉬워 응용분야에 한계가 있다.

지금까지 가장 높은 온도에서 초전도체 특성을 나타내는 세라믹도 임계온도가 138K(-135.15°C)이기 때문에 상온 상압에서 초전도체 특성을 나타내는 물질의 개발은 획기적인 일이 된다.

* 절대온도 T(단위 켈빈, K)와 섭씨온도 C의 관계 T= C+273.15는 로 주어진다. 즉, 절대영도는 -273.15 °C.
* 절대영도는 자연에서 존재할 수 있는 가장 낮은 온도이다

초전도체의 자기장과 마이스너 효과

Piotr Jaworski, PioM EN DE PL; POLAND/Poznań, Public domain, via Wikimedia Commons

초전도체의 응용분야

- MRI 기계 및 입자 가속기용 초전도 자석
- 자기 부상 열차(Maglev)
- 초전도 전원 케이블.
- 에너지 효율적인 발전 및 스토리지 시스템
- 고속 디지털 회로 및 양자 컴퓨팅 기술
- 전기차(효율성 높은 모터와 전기 배터리의 소형화)

국내 연구진 상온 상압 초전도성 물질  LK-99 개발 발표

퀀텀에너지연구소와 한양대 연구진의 발표

퀀텀에너지연구소(대표 이석배)와 한양대 연구진(오근호 명예교수)은 상온 상압에서 초전도성을 갖는 납 기반 물질(LK-99)을 세계 최초로 만들었다고, 7월 22일 논문 사전공개 사이트인 ‘아카이브(arXiv)’에 발표.

연구진은 납을 이용해 납-아파타이트(apatite) 구조를 만들었는데, 일부 원자가 구리로 바뀌며 부피가 0.48% 줄며 수축이 생기고 초전도 현상이 나타났다고 설명. LK-99는 400K(126.85°C)까지 초전도 현상을 유지했다고 밝힘. 또한 연구소는 지난 4월 ‘LK-99’에 대한 상표권도 출원한 것으로 알려졌다.

긍정적인 시뮬레이션, 검증의 필요성

미국 로렌스버클리국립연구소(LBNL) 연구원이 'LK-99'의 구조를 시뮬레이션한 결과 기존 초전도체들보다 높은 온도에서 초전도성이 나타날 것으로 보인다는 의견을  7월 31일 논문 사전공개 사이트 ‘아카이브’에 발표.

연구원은 발표에서 "물질 합성 문제가 여전히 숙제로 남아있지만, 새 물질이 높은 초전도성을 보일 가능성이 있는 이론적 징후를 보여줬다”며 추가 연구를 기대한다고 말했다.

반면 아직까지 세계 곳곳의 연구진들은 논문의 이론적 배경의 문제점, 실험 절차의 오류 등을 지적하며 의문을 표하고 있는 상황이다. 중요한 것은 시뮬레이션이 아니라 실제 실험의 검증과 결과가 필요하다는 지적이 대다수다. 2020년 <네이처>지에 상온 초전도체에 대한 논문이 자료조작으로 철회된적이 있어 검증에 더 민감하기도 한 상황이다. 

가장 확실한 검증 방법인 샘플이 아직 공개되지 않고 있고, 또한 연구진 사이에서도 논문 게재 등의 문제로 잡음이 있는 것도 사실이다. 좀 더 상황을 지켜봐야 할 듯하다.

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초전도체 물질 검증과 상용화의  기대

상온 상압에서 작동하는 초전도체의 개발은 획기적인 일이고 상온 상압 초전도 물질 자체로도 수요가 있겠지만, 가장 중요한 건 상용화의 문제다. 기존의 초전도체들도 발견에서 상용화까지 오랜 시간이 걸렸고 상용화된 것도 그중 일부이다.

LK-99가 검증을 통해 상온 상압에서 작동하는 초전도체가 확실하고, 기존의 초전도체들을 대체할 뛰어난 성질과 내구성, 상용화의 경제적 효율성을 갖춘다면 과학계는 물론 산업계에도 엄청난 영향을 끼칠 획기적인 개발임에는 틀림없다.

상온 초전도체의 개발과 상용화는 그 영향력이 어마어마한 만큼, 논란을 불식시킬 확실한 검증이 필요하고 눈여겨 지켜볼 일이다.