안녕하세요. 이호스트ICT입니다.
지난 7월, 전세계를 강타한 뉴스가 있죠. 바로 상온 초전도체입니다. 상온 초전도체가 대체 뭐길래 국내를 넘어 해외까지 떠들썩한 걸까요? 또, 국내에서 개발된 상온 초전도체라고 불리는 LK-99의 최근 근황은 어떻게 됐을까요? 초전도체의 정의부터 LK-99의 현황, 그리고 핵융합과 상온 초전도체가 기술 발전에 미칠 분야들까지 모두 살펴보겠습니다.
상온 초전도체란?
상온 초전도체를 이해하기 위해서 우선 ‘초전도체’부터 이해해야 합니다.
초전도체란 매우 낮은 온도(혹은 고압)에서 전기저항이 0에 이르러 초전도현상이 나타나는 도체를 뜻합니다. 쉽게 말해서 특정 온도 이하가 되면 전기저항이 0이 되는 물질이 초전도체입니다. 여기서 전기 저항이란, 전기 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 힘을 말합니다.
모든 물질은 전기가 흐를 때 저항이 발생하며, 그 저항만큼 열이 발생합니다.
예를들어 A지점에서 B지점까지 100의 전기를 보냈다면, 전기 회로(구리) 내 원소와 전기 원소가 서로 부딪히며 마찰이 발생하고, 여기서 저항이 발생하여 대략 30만큼의 전기가 발열로 사라지기 때문에 B에 도달한 전력은 70이 됩니다. 이렇듯 저항은 전력효율을 떨어뜨립니다.
그렇다면 초전도체란?
전기저항이 없기 때문에 발열로 인한 에너지 손실이 없는 물질입니다. 미국은 전기저항 손실피해가 연간 22조~30조원이라고 하니, 저항으로 인한 손실이 얼마나 큰지 가늠할 수 있죠.
그렇다면 전기 회로를 모두 초전도체로 바꾸면 전기손실 없이 전기를 100%전달할 수 있을 텐데 왜 바꾸지 않는 걸까요? 바로 초전도체가 영하 200도에 달하는 아주 낮은 온도에서만 초전도 현상을 띄기 때문에 상용화가 불가능한 것입니다.
초전도체가 되기 위해선 반드시 필요한 조건이 하나 더 있는데, 바로 ‘마이스너 효과’입니다. 이 마이스너 효과는 절대영도에 가까운 영하 269도에서 나타납니다.
마이스너 효과란 주위에 자석이 있을 경우, 자석에서 나오는 자기장을 100%반사하는 완전 반자성을 이야기합니다. 그러므로 자석 위에 초전도체를 올리면 공중에 떠있을 수 있는 거죠.
따라서 초전도체가 되기 위해선 ①저항이 0이어야 하고, 자기장을 100%반사하는 ②마이스너 효과가 나타나야 합니다. 만약 저항만 0이고 마이스너 효과가 없다면 이는 초전도체가 아닌 바일금속 혹은 완전 도체라고 부릅니다.
초전도체를 이용하기 위해선 초전도체의 온도를 절대영도에 가깝게 유지해주는 값비싸고 부피가 큰 냉각장치를 사용해야하기에 현재 초전도체를 사용하는 분야는 MRI, 자기부상열차 정도가 있습니다.
영하 200도에서만 운용 가능했던 초전도체가 ‘상온’에서 0의 저항과 마이스너 현상을 보인다면 모든 과학 분야의 발전을 도모할 것입니다. 하지만 100년간의 연구에도 불구하고 뚜렷한 성과는 보이지 않았습니다.
영화 ‘아바타’에는 하늘을 나는 할렐루야 섬이라는 거대한 바위가 등장합니다. 그저 판타지적 요소인 줄로만 이 공중부양 섬이 사실은 상온 초전도체로 구성되어 있다는 사실 알고 계셨나요? 영화 속에선 ‘언옵테늄(Unobtanium)’이라는 명칭으로 등장하는데요, 이 언옵테늄의 스펠링을 하나하나 뜯어보면 ‘구할 수 없는 물질’로 해석할 수 있습니다. 상온 초전도체는 그만큼 오랜 세월 동안 많은 과학자가 개발하려 애썼지만, 결국 구하지 못한 꿈의 물질이었습니다.
그런데 지난 7월, 그 꿈의 물질인 상온 초전도체를 국내 기업이 개발했다고 밝혔습니다.
LK-99의 발표 과정
2023년 7월 22일, 한국 퀀텀에너지연구소 이석배 연구팀이 한 실험 결과를 공개했습니다. 연구팀은 납, 구리 및 베릴을 사용하여 LK-99 (Pb10−xCux(PO4)6O)라는 새로운 결정 구조를 만들었으며 LK-99가 약 127도에서 초전도 특성을 나타내었기 때문에 상온에서 작동하는 ‘상온·상압 초전도체’라고 주장했습니다.
LK-99라는 이름은 이석배 박사와 김지훈 박사의 이니셜, "99"는 이들이 1999년에 연구를 시작한 연도를 나타냅니다. 두 관련 논문이 발표된 후 레딧(Reddit)에서 이러한 연구 결과에 대한 토론이 활발하게 이루어지며 이 논문은 전세계적으로 관심을 끌었습니다.
상온 및 상압에서도 초전도 현상을 보인다고 주장한 LK-99 제작 레시피가 공개되었기에 중국, 미국, 인도 등 세계 각국의 연구진들이 초전도체 검증을 시작했고, 각 나라 연구진별로 다른 결과를 내보였습니다.
대표적으로 중국 란저우대학 쿤타오 연구원이 LK-99가 초전도성을 일으킬 가능성이 있다고 보았고, 반대로 독일 막스 플랑크 협회의 파스칼 푸팔 연구원이 낸 논문에 따르면 황화구리에 섞인 불순물로 인해 자석 성질을 띄게 된 것이 초전도 현상과 비슷하게 보였을 뿐 단순 부도체라는 평가도 있었습니다.
그렇다면 LK-99는 진정한 상온 초전도체일까요? 해당 논문이 막 공개되었을 당시 각국 연구진들이 LK-99가 상온 초전도체임을 검증하기 위해 활발히 연구를 진행 했었는데요, 검증 연구는 아직 현재진행형이므로 LK-99가 상온 초전도체임이 확증되려면 아직 몇 개월은 더 걸릴 것으로 예상됩니다.
상온 초전도체와 핵융합 발전
상온 초전도체가 개발되어 상용화가 이루어진다면, 저항 때문에 손실되는 에너지 없이 모두 이동할 수 있다는 건 알겠는데, 고작 그것 때문이라고 하기엔 세상이 너무 떠들썩한 것 같지 않으신가요?
그 이유는 상온 초전도체를 활용할 수 있는 분야가 중 하나가 바로 ‘핵융합 발전’이기 때문입니다.
우리가 쓰는 전기의 50%는 여전히 석유와 화석 연료를 태워 나오는 에너지를 원료로 합니다. 석유고갈, 탄소배출, 환경오염 등 여전히 문제점 많은 원료이죠. 태양열, 풍력, 수력과 같은 친환경 에너지를 이용하는 시도도 많았지만, 풍력 에너지는 바람이 불 때만, 태양열 에너지를 얻을 수 있는 시간은 여전히 낮시간에 한정되어 있으며 우리가 앞에서 배운 저항으로 인한 발열로 에너지 손실이 일어나 전력효율이 좋지 않죠.
그렇다면 인류가 작은 인공태양을 만들어 24시간 내내 이 인공태양으로부터 태양열 에너지를 얻을 수 있다면 어떨까요? 그리고 만들어진 에너지를 상온 초전도체를 이용해 100% 공급할 수 있다면 전세계의 에너지난은 사라질지도 모릅니다. 사실 이 인공태양은 이미 현재 기술력으로 충분히 제작할 수 있습니만, 문제는 이 인공태양이 1억도 이상의 온도에서만 에너지를 방출할 수 있는데, 현재 지구상엔 이 인공태양을 담을 물질이 존재하지 않죠.
바로 이 때문에 상온 초전도체가 필요한겁니다.
플라즈마(이온화된 원자)를 1억도 이상으로 가열하게되면, +전하를 띄던 원자핵들이 충돌하며 핵융합 반응이 일어나게 됩니다. 플라즈마는 전기적 특성을 갖고 있기 때문에 강력한 자석인 초전도 자석을 이용해 이 인공 태양을 공중에 띄운다면 값비싸고 부피가 큰 냉각장치가 필요 없고, 핵분열 대비 약 7배 더 많은 에너지를 생성할 수 있습니다.
상온 초전도체의 개발은 인류의 에너지난을 해결할 실마리가 될지도 모릅니다.
상온 초전도체가 상용화된다면 성장할 분야
상온 초전도체가 개발되어 상용화된다면, 에너지 분야의 발전은 물론 다른 분야의 성장도 예상됩니다. 상온 초전도체 기반의 배터리는 고속충전 및 방전이 가능하여 발열도 없으므로 배터리 수명도 줄어들 것이고, 전기배터리를 이용하는 전기자동차 사업도 급부상할 것입니다. 발열을 잡아줄 값비싼 냉각장치가 필요없기 때문에 각종 전자기기, 반도체의 도약도 기대할 수 있습니다.
자기부상 열차의 상용화도 진행되어 서울에서 부산까지의 이동시간은 약40분이 걸릴 것으로 예상됩니다. 자기부상 열차는 열차와 초전도체를 이용하여 열차를 공중에 띄워 마찰력을 0으로 만드므로 전력손실도 없는 미래 이동수단입니다.
특히 상온 초전도체는 높은 처리량과 성능을 지원하는 컴퓨터나 서버 산업, 데이터센터에 특히 중요한 자원이 될 것입니다. 데이터센터에 필수인 무정전 전원 공급장치(UPS)또한 발전하여 정전 상황 시 더욱 신속하고 안전하게 전원을 공급할 수 있을 것으로 예상됩니다.
지금까지 상온 초전도체에 관해 알아보았습니다. 상온 초전도체가 개발된다면 인류의 기술이 비약적으로 발전하게 될 것은 기정사실입니다. 부디 상온 초전도체가 상용화되어 눈부신 기술발전을 이루길 바라며 오늘은 여기서 마치도록 하겠습니다.
감사합니다.
자료 출처
https://encykorea.aks.ac.kr/Article/E0069000
https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2002/08/26/2002082670263.html
'[IT 알아보기] > IT 기본학습' 카테고리의 다른 글
| [IT 기본학습] ‘화면 없는 노트북’의 등장, 증강현실 AR 노트북 스페이스톱(Spacetop) (0) | 2023.10.23 |
|---|---|
| [IT 기본학습] 대형언어모델(LLM)과 대형멀티모달모델(LMM)의 정의, 그리고 GPT-4V (0) | 2023.10.23 |
| [IT 기본학습] AI가 내 머릿속을 해킹한다고?! 생각 읽는 인공지능 “시맨틱 디코더” (0) | 2023.08.28 |
| [IT 기본학습] 와이파이 공유기만 있으면 옆방을 염탐할 수 있다?! AI를 활용한 덴스포즈 투시 카메라 기술 (0) | 2023.08.24 |
| [IT 기본학습] 채식 생활을 넘어 확대되는 비거니즘(Viganism), 그 중심에는 ‘비건테크’가 있다! (0) | 2023.07.26 |