상온 초전도체 란? : 한국에서 최초 개발, 전세계가 초집중 중
최근 꿈의 물질이라고 불리는 "초전도체 LK-99"를 대한민국에서 개발했다는 논문이 발표되어 뜨거운 논쟁 중입니다. 연구결과가 사실이라면 노벨물리학상은 따놓은 당상이지만 아직 검증이 완료되지 않아 믿기 어렵다는 해외 반응도 적지는 않습니다. 상온 초전도체가 무엇인지, 활용도는 어떠한지, 현재 어떠한 진위 논쟁이 있는지 아래에서 살펴보겠습니다.
상온 초전도체란?
1. 초전도체 뜻
초전도체란 전기 저항이 "0"이 되면서 전류가 장애 없이 흐르며 반대 방향의 자기장을 형성하여 반발력을 지니는 반자성 효과를 나타내는 물질을 말합니다. 이는 과거 1911년 네덜란드 물리학자 카멜린 온네스가 수은의 전기저항을 측정하는 실험 중 절대 온도 4.2K(섭씨 영하 268.8도)에서 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견하고 이를 초전도현상이라고 명명했습니다.
2. 마이스너 효과
마이스너 효과는 물질이 초전도 상태로 전이되면서 물질의 내부에 침투해 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상을 말합니다. 초전도체를 자석 위에 놓으면 공중 부양하는 이유가 바로 이 마이스너 효과 때문입니다. 초전도 상태에서는 물질 내부에 자기장이 침투할 수 없습니다. 이것은 초전도체가 갖는 완전 반자성과 관련이 있으며 초전도체를 구분 짓는 특징 중 하나입니다. 이 마이스너 효과는 1933년 독일의 물리학자 발터 마이스너, 로버트 오센펠트가 주석과 납 시료에서 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 못하는 현장을 실험으로 발견하였습니다.
3. LK-99 란?
최근 한국에서 개발했다고 하여 이슈가 되고 있는 상온 초전도체가 바로 LK-99입니다. 이는 납을 이용해 상온에서도 초전도성을 가지는 물질을 만들었다고 주장하고 있습니다. 인산구리를 925도의 고온에서 10시간 동안 굽고, 얻은 물질을 산화납, 황산화납과 섞고, 다시 725도에서 24시간 반응시킵니다. 그 결과 납을 기반으로 하는 육각기둥의 모양으로 원자가 배열이 반복된 형태 "아파타이트"라는 구조가 만들어졌습니다. 납아파타이트 구조는 비대칭적인 형태를 보였습니다. 아파타이트 구조는 납 원자 10개로만 만들어지면 대칭 구조를 갖게 되는데, 일부 원자가 구리로 바뀌면서 형태가 일그러진 것입니다. 그로 인해 부피가 0.48%가 줄며 수축이 일어났고, 그 결과로 초전도 현상이 나타났다고 연구진은 주장하고 있습니다.
더 나아가서 30도의 상온에서도 납아파타이트 구조의 초전도성이 나타났다고 주장하고 있는데, 자기장과 열용량을 바탕으로 초전도성이 유지되는 임계 온도를 측정한 결과 127도에 이른다고 분석했습니다. 연구진은 “미세하게 왜곡된 구조가 상온, 상압에서 초전도성을 유지하는 가장 중요한 요소”라고 말했습니다. 연구진은 이렇게 만들어진 초전도성 물질에 ‘LK-99′이라는 이름을 붙였습니다.
초전도체 발견의 의미 및 활용
초전도 물질은 전기저항이 "0"이며 내부 자기장으로 공중에 뜰 수 있습니다. 이를 이용하여 자기 부상열차를 도입하여 철도의 걸설 및 열차 부상비용이 매우 저렴해질 수 있기 때문에 이용요금이 매우 저렴해질 것입니다.
또한, 전기저항이 "0"인 물질로 전기선을 만들면 전력 손실이 제로에 가깝게 됩니다. 이를 이용하여 먼 곳까지 무손실 전송이 가능해집니다. 또한 저항이 없기 때문에 이 물질로 PC를 만들면 프로세서의 발열이 혁신적으로 줄어들고 전성비가 엄청나게 상승하게 됩니다. 냉각팬이 필요 없게 될 것이고, 냉각 수요가 줄어든 만큼 소음이나 고장도 거의 없어지고 소형화가 가능해질 것으로 보입니다. 현재 양자컴퓨터의 크기 또한 획기적으로 작아질 수 있습니다.
이 밖에도 비싼 액체헬륨을 이용하는 MRI 촬영이 매우 저렴해질 것이고, 전동기와 발전기의 경우에는 코일에서 발열이 없어지게 되어 효율이 극대화되고 기존보다 매우 강력한 모터와 발전기를 제작할 수 있게 됩니다. 그로 인해 철도, 자동차, 비행기, 우주선 등 산업 전체에 혁신적인 효율을 가져올 것입니다. 전반적으로 전기를 사용하면서 발생되는 "발열"이라는 조건을 "제로" 수준으로 떨어트려 주기 때문에 초전도체의 사용 및 응용 가능성은 정말 무궁무진하다고 할 수 있습니다.
상온 초전도체 검증 진위 논란
하지만 현재 해외 연구진은 "LK-99가 초전도체가 아닐 가능성이 크다"라는 주장과 검증 결과를 잇달아 내놓고 있습니다. 각국의 과학자들은 여러 연구와 실험을 통해 검증한 결과 초전도체의 두 가지 특징인 전기 저항 제로 및 물체가 자기장을 외부로 밀어내는 마이스너 효과 두 가지 모두 불충분하다는 결론을 도출하고 있습니다. 또한, 연구 성과가 가진 파급력이 상당한 수준인데 비해 논문이 부실하다는 지적이 나오고 있습니다. 논문에서 "세계 최초"라는 자극적인 문구를 사용하고 있지만 정작 데이터는 부실하다는 평이 많이 있습니다. 하지만 이에 상온 초전도체 연구진들은 앞으로 충분한 데이터를 통해 검증을 받겠다고 밝혔습니다. 상온 초전도체의 검증에 대해 진위 논란이 뜨겁지만 현재 세계 각국에서 한국이 이로 인해 초집중을 받고 있는 것은 사실이고 상당 수준의 기술을 가지고 있음은 확실한 상황입니다.
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