현재 전 세계적으로 국내 연구진의 상온 초전도체(LK-99) 개발 논문 발표에 따른 진위 여부에 엄청난 관심이 쏠리고 있습니다.
그래서 이번 시간에는 초전도체에 대해서 알아보고, 현재 LK-99가 상온 초전도일 경우 우리 미래가 어떻게 변화 할 수 있는지 알아보겠습니다
초전도체란? 현재까지의 초전도체 역사
초전도체는 초전도 현상을 갖는 물질로 정의합니다.
초전도 현상은 일정한 온도 아래에서 일부 물질이 전기 저항이 없이 전류를 흐르게 하는 현상을 말합니다.
최초의 초전도체는 1911년 네덜란드 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해 발견되었습니다.
① 오너스는 액체 헬륨으로 수은을 냉각할 때 절대 온도 4.2K, 영하 268.8도에서 수은의 저항이 사라지는 현상을 확인하였고, 이 현상을 초전도 현상이라고 정의 하였습니다.
이후 1986년 독일의 물리학자 ② 요하네스 게오르크 베드노르츠와 스위스 물리학자 카를 알렉산더 뮐러는 영하 238도에서 란타넘-바륨-구리 산화물이 초전도 현상을 갖는 것을 확인하였습니다.
시간은 점차 흘러 2015년 독일 막스플랑크 화학 연구소의 물리학자 ③ 미하일 에레메츠가 대기압보다 150만배 강한 압력으로 황화수소를 압축한 결과 영하 70도에서 초전도 현상이 나타나는 것을 확인을 하였습니다.
그리고, 미하일 에레메츠 연구진과 다른 물리학자들은 수소와 란타넘을 함유한 화합물인 수소화란타넘을 만들어 초전도 전환 온도를 영하 23도까지 높였습니다.
한국의 상온 초전도체 LK-99 발표와 현재 상황
2023년 07월 한국의 퀀텀에너연구소 고려대학교의 이석배, 김지훈 연구팀이 납-인회석 구조에 소량의 구리가 도핑되어 변형된 육방정계 구조의 물질이 상압에서 400K, 즉 127도 이하의 온도에서 초전도체의 성질을 보인다고 논문을 통해 주장하였습니다.
또한 이 물질을 LK-99로 명명하고, 세상의 주목을 받게 되었습니다.
현재까지도 검증을 진행하고 있으며, 2023년 10월 01일 커팅엣지 슈퍼컨덕터스의 대표 김용진 교수는 반자성을 가진 LK-99의 샘플 제작을 성공했다고 밝혔습니다.
초 전도체의 주요 특징
주요 특징은 ①저항이 전혀 없는 완전도체, ②마이스너(Meissner) 효과가 나타나는 반자성체, ③양자 고정(Quantum Locking) or 자기 선속 고정(Flux pinning) 현상 입니다.
1. 저항이 없는 완전도체
직류 전류에 대해 저항이 전혀 없는 완전도체 입니다.
아래 그림과 같은 초 전도체로 된 고리에 전류를 흘려 주면, 저항이 없기 때문에 전류가 감쇠되지 않고 영원히 흐르게 된다고 생각하시면 됩니다.
2. 마이스너(Meissner) 현상을 가진 반자성체
외부에서 자기장을 걸어 주면 내부의 자속 밀도가 0이 되는 완전 반자성체 입니다.
이러한 반자성 특성은 외부 자기장에 대해서 밖으로 밀어내는 효과로 나타나는데, 이를 발견자의 이름을 따서 마이스너(Meissner) 효과라 합니다.
3. 양자 고정(Quantum Locking) or 자기 선속 고정(Flux pinning) 현상
초 전도체는 공중에 떠 있을때 움직임이 없는 것은 자석에 의해 밀려나는 힘과 중력의 평형이 아니라 양자의 얽힘에 의해 이동하지 않고 처음 위치에 고정되는 현상이 나타납니다. 이는 초 전도체를 만들기 위해서 냉각시키는 도중에 통과하던 자기력선의 일부가 자석 안에 포획되고, 완전 냉각후 나타나는 반자성의 마이스너 효과로 인해 잡아당기는 힘과 밀어내는 힘이 균형을 이뤄 그 자리에 고정되는 현상이라고 이해하시면 됩니다.
상온 초 전도체의 미래 사회
2009년에 제임스 카메론 감독에 의해 제작된 아바타(AVATAR)에서 나오는 언옵테늄(Unobtanium)은 행성 판도라(Pandora)에 존재하는 가상의 귀중한 광물로 표현되고 있습니다. 왜 그럴까요? 바로 언옵테늄이 상온 상압 초 전도체 이기 때문입니다.
출처: 영화 AVATAR
만약에 LK-99가 상온에서 초전도체로 판명된다면, 미래에 우리는 어떤 방식으로 해택을 누릴 수 있는지 설명해 드리겠습니다.
1. 핵융합 발전에 의한 전력 생산
핵융합 발전은 간단히 말해 지구상에 인공 태양을 만들어 친환경적이고, 저렴한 전기를 생산 한다고 생각하시면 됩니다.
지구에서는 중수소와 삼중수소를 1억도로 가열하면 원자핵과 전자가 분리된 기체 상태 즉 플라스마가 되며, 이때 부터 두 원자핵이 융합되며 에너지가 나오기 시작합니다.
문제는 1억도 이상의 가열된 플라스마를 가둬 놓고 견딜 수 있는 물질이 지구상에는 없었기에 도넛 형상의 자기 코일 속에 플라스마를 강력한 코일의 자기장으로 공중에 가두는 장치(토카막 방식)를 만들었습니다. (1952년 소련의 이로르탐과 안드레이 사하로프)
여기서 강력한 자기장을 만들고 유지를 하려면 초전도체가 필요하며, 현재 극저온의 초전도체는 냉각기술(시설 크기)과 강력한 자기장을 유지하는 과정에서 전기 저항이 생기게 되어 핵융합 발전을 어렵게 하였습니다.
상온 상압 초 전도체는 이 문제가 해결되어 현재 보다 소형의 핵융합 발전을 손쉽게 만들어 낼 수 있는 것입니다.
플라스마는 일정 조건이 만족 되면, 그때부터는 외부에서 열을 가하지 않아도 태양처럼 스스로 핵융합을 유지 합니다.
이 말의 의미는 더 이상 전기 발전 비용이 필요하지 않는 것입니다.
2. 무손실 전력 송전
현재 발전소에서 가정집으로 전력이 도달할 때까지 전선의 저항에 따른 5%의 전기가 사라지고 있으며, 미국은 송전 과정에서 발생하는 전력 손실이 22조 원/년 입니다. 세계 최고 수준의 한국도 1조 5000억 원/년 이상의 돈이 사라지고 있습니다.
하지만 상온 상압 초 전도체로 만든 전선을 사용 한다면, 저항이 없기 때문에 무손실 전력 송전이 가능합니다.
당장 전력 손실 분만큼 돈을 아낄 수 있는 데다 나아가 여러 부수적인 효과도 누릴 수 있습니다.
먼저, 현재 송전 때 사용하는 구리 전선과 케이블 굵기가 수십 배 이상 가늘어지고, 땅속이나 심해에 파묻는 케이블 다발 부피가 줄어 들기 때문에 공간 활용이 가능해 집니다.
송전 효율이 좋아지면 도심 계획이나 국토 개발 전략도 획기적인 변화를 맞이합니다.
전기 저항이 없는 송전이 가능해지면, 이론상 아무리 멀리 떨어진 곳에서 보내는 전기도 손실 없이 받을 수 있습니다.
즉, 발전 시설을 도심에서 멀리 떨어진 무인도 한곳에 몰아넣어도 아무 문제가 없다는 의미입니다.
지금은 활용이 어려워 버려져 있는 뜨거운 사막 지역에 태양광 패널을 대거 설치, 세계 각지에 전력 공급이 가능합니다.
전력 수요가 커질 때마다 증설해야 했던 송전탑 같은 시설도 더 지을 필요도 없구요.
가깝게는 도심 미관도 개선됩니다. 곳곳에 설치된 전봇대, 변전소, 변압기 등이 자취를 감추게 될 것입니다.
3. 컴퓨터 성능의 비약적 향상
우선 컴퓨터 시스템 핵심 장치인 CPU나 GPU 성능이 비약적으로 향상될 수 있습니다.
이론상으로는 현재도 CPU와 GPU 성능을 올리는 것은 더 많은 전력을 투입하면 투입할수록 성능이 좋아지는 구조기 때문입니다. 문제는 역시 과도한 전력을 쏟아부을 때 저항에 의해 나타나는 발열입니다.
발열로 소자가 뜨거워지면서 녹아버릴 수 있습니다. 아무리 성능 좋은 CPU라도 사용 시간이 몇 분 되지 않는다면 무용지물입니다. PC 같은 전자 제품에서 냉각 장치가 중요한 이유도 그 때문입니다.
하지만 초 전도체 소자가 사용되면 발열 걱정 없이 전력을 있는 대로 쏟아부어도 됩니다.
두번째로 양자컴퓨터가 대중화될 수 있습니다.
양자컴퓨터는 현존 최고 수준의 슈퍼컴퓨터보다 연산 속도가 수천만 배 이상 빠른 컴퓨터입니다.
하지만 양자컴퓨터는 거대한 극저온 냉각기가 필요하기 때문에 범용화는 현재 무리 입니다.
상온 상압 초 전도체를 활용하면 누구나 들고 다닐 수 있는 휴대용 양자컴퓨터도 가능할 거라 예상됩니다.
현재 기술로 양자컴퓨터 구현이 어려운 이유는 아주 작은 신호를 ‘추출’하는 과정에서 이를 방해하는 열잡음입니다.
열잡음의 가장 큰 이유가 전기 저항인 만큼, 상용화 시 양자컴퓨터도 쉽게 만들 수 있을 것입니다.
4. 배터리 기술과 전기차 시장의 발전
전기자동차 시장도 급성장할 가능성이 높습니다. 전기차 대중화 때 가장 큰 문제 였던 느린 충전 속도와 짧은 주행 가능 거리가 비약적으로 개선됩니다.
아무리 높은 전압을 사용해도 전기차나 전선에 부담이 없기 때문에 고압 고속 충전이 가능하기 때문입니다.
배터리 효율도 크게 늘어납니다. 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용해 현재 리튬이온 배터리 같은 화학식 배터리를 대체할 수 있습니다. 발열 걱정이 없으니 화재 위험도 당연히 사라지겠죠.
전기차뿐 아니라 배터리가 필요한 다른 모든 전자 제품에도 해당됩니다. 아마도 스마트폰이나 PC 같은 전자 제품은 몇 분만 충전하면 수만 시간 동안 쓸 수 있을거라 예상됩니다.
5. 자기 부상 열차 대중화
현재 자기 부상 열차는 초전도체의 마이스너 효과를 이용해야 하는데, 극 저온에서만 가능하기 때문에 상용화는 매우 어려웠습니다. 상온 초 전도체를 이용한다면 자석으로 만든 레일 위에 떠 있는 구조로 쉽게 구현이 가능하기 때문에 대중화 역시 가능합니다. 또한 최초 추진력으로 저항 없이 빠른 속도로 이동이 가능하기 때문에 운영비도 매우 저렴할 것으로 예상됩니다.
참고로 현재 자기 부상 열차는 10㎝가량 부양해 시속 500㎞ 속도를 낼 수 있다고 알려져 있습니다.
6. 의료 기기 자기 공명 촬영 장비(MRI)의 개선
현재 병원에서는 초전도체를 활용하여 강력한 자기장을 생성하고 유지하는 전자석으로 MRI 의료 기기를 만들어 사용하고 있습니다. MRI는 강한 자기장을 쏘아내 신체 구조와 혈액 흐름 등을 검사하는 의료기기입니다. 현재 여기에 사용되는 초전도체는 영하 270도에 가까운 온도를 유지해야 하기 때문에 액화 헬륨이 필요합니다. 액화 헬륨은 고가에 차지하는 부피도 크기 때문에 현재 MRI 검사가 비싸고 기계도 큰 이유입니다. 상온 초전도체가 상용화되면 모든 문제가 해결됩니다.
마지막으로 상온 초전도체가 대중화되면 국가 산업이나 글로벌 경제도 큰 변화를 맞이할것으로 예상됩니다.
가장 큰 영향이 예상되는 분야는 에너지 산업입니다
위에서 말씀린 송전과 전력 저장 기술이 효율화되고 핵융합 등 발전 기술이 등장하면서 에너지 산업에 일대 혁신이 나타날 수 있습니다.
석유·석탄 등 기존 화력 발전 산업과 신재생에너지 등 친환경 정책 기조로 보조금을 받던 산업군은 더이상 존재하지 않을 것입니다.
건설·인프라 산업도 변화를 맞이합니다.
기존 전력 케이블보다 적은 자원과 공간을 사용할 수 있게 되면서 더 효율적인 건설이 가능합니다.
영화 아바타에서 나오는 공중 섬을 만드는 것도 아예 불가능한 얘기만은 아닐겁니다.
그렇게 된다면 토지 활용성이 극대화 될 수 있다고 생각됩니다.
상온 초전도체는 에너지 발전과 송전 효율이 올라가면서 지구 환경 문제가 해결되고, 새로운 초고속 이동 수단 등장으로 주거가 분산되면서 지방 분권 가능성도 현재보다 훨씬 커질 것입니다.
아직 LK-99 진위 여부도 가려지지 않은 만큼, 초전도체 상용화가 가져올 구체적인 경제 효과를 계산하는 것은 어렵습니다.
이런 와중에 캐나다 출신 핵융합 연구자이자 과학 인플루언서인 앤드루 코트가 최근 내놓은 글은 세계적인 화제가 되었습니다.
아래는 국내 기업이 합성한 ‘LK-99’가 세계 경제에 미칠 영향을 분석한 결과입니다.
그는 LK-99 검증 결과에 따라 크게 3개 시나리오로 나눠 경제 효과를 설명하였습니다.
얼마나 많은 자기장을 물질이 견딜 수 있는지, 또 얼마나 많은 전류를 흘릴 수 있는지에 따라 글로벌 경제에 미칠 파급력이 다르다고 주장하였습니다.
먼저 해당 물질이 낮은 전자기장을 견디고 낮은 전류만을 흘릴 때, 즉 초전도성과 반자성 모두 완벽하지 않을 땐 LK-99 효과는 주로 컴퓨터 하드웨어, 휴대폰, 전자 센서 같은 전자 제품 제조 분야에 국한된다고 봤습니다.
그럴 경우 글로벌 산업 규모를 고려할 때 예상되는 경제 가치는 약 1조5000억달러(약 1943조원) 수준이라고 하였습다.
둘째, 반자성은 부족하지만 높은 전도성을 보인다고 판명될 경우 전력 공급 인프라 효율성이 개선되면서 경제 효과가 최대 2조달러(약 2591조원)까지 늘어난다고 추산하였습니다.
마지막으로 높은 자기장·높은 전류가 증명되면, 전기로 작동하는 모든 산업을 송두리째 변화할 잠재력이 있다고 판단하였습니다. 이때는 최대 4조5000억달러(약 5830조원)의 경제 효과를 창출할 것이고 말하였습니다. 말그대로 엄청나죠.
이번 시간엔 ①초전도체가 무엇이고, ②초전도체의 발전 과정 및황, ③국내 상온 상압 초전도체 LK-99 현황, ④상온 초전도체가 우리에게 미칠 미래사회에 대해서 알아보았습니다.
과연 LK-99가 상온 초전도체가 될수 있을지 미래가 저는 너무 궁금하네요.
업데이트 되는데로 여러분들께 소식을 전할수 있도록 하겠습니다.
감사합니다.