1. 최근 상온 초전도체 개발 이슈에 대해 알아보겠습니다.
최근 우리나라의 퀸텀에너지연구소에서 상온 상압에서 작동하는 초전도체를 개발했다는 논문이 발표되어 전세계과학자들의 관심을 끌고 있습니다. 기존의 초전도체는 영하 200도 가까운 저온에서만 작동했지만, 새로 개발된 초전도체는 일반적인 환경에서도 작동할 수 있다고 합니다.
이 새로운 발견은 에너지 손실 없이 전기를 전달하는 초고효율 기술을 가능케 하며, 또한 컴퓨터와 스마트폰 등 전자 기기의 미니어처화도 가능하게 합니다. 이러한 꿈의 물질에 대한 기대는 전세계 과학자들 사이에서 커다란 관심을 불러일으키고 있습니다.
만약 이 연구 결과가 사실이라면, 인류 역사상 가장 중요한 발견 중 하나로 평가받을 것이며, 발명자에게는 노벨상을 뛰어넘는 상을 받을 수도 있다는 주장이 있습니다. 현재 학계에서는 이 논문에 회의적인 반응이 있지만, 논문이 발표되었으므로 곧 진위 여부가 밝혀질 것으로 기대됩니다. 이 연구 결과가 진실임이 밝혀진다면, 인류 역사에 큰 변화를 가져올 수 있을 것입니다.
2. 초전도체 연구 히스토리
초전도체 연구의 시작은 100여년 전인 1911년으로 거슬러 올라갑니다. 네덜란드의 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스는 여러 금속의 저항을 측정하던 중 약 영하 269도에서 수은의 전기저항이 비정상적으로 낮아지는 현상을 발견했습니다.
초전도 현상이 처음으로 발견된 순간입니다. 이후 납과 니오븀 합금, 주석에서도 초전도 현상이 나타나며 그는 노벨 물리학상을 받습니다. 이후 많은 물리학자들이 초전도체 연구에 나섰습니다. 그 결과 초전도 현상이 일어나는 온도는 점차 높아졌습니다. 실제로 우리 생활에서 초전도체가 사용될 정도로 기술은 발전을 거듭했습니다. 그런데도 여전히 상온 초전도체는 찾지 못하고 있습니다.
일부 연구자들이 상온 초전도체를 만들었다는 연구 결과를 발표하기도 했으나 아주 높은 압력이 필요한 수준입니다. 만약 상온 초전도체 개발에 성공한다면 전기 산업에 혁명을 가져올 것이라고 합니다.
초전도체가 발견된 초기에는 ‘BCS 이론’으로 초전도 현상을 완벽히 설명할 수 있었습니다. 미국의 물리학자 존 바딘, 레온 쿠퍼, 존 슈리퍼 등 3명이 1957년 제안한 이론입니다. 세 사람은 자신의 이름에서 성을 딴 ‘BCS이론’을 발표한 공로로 1972년 노벨 물리학상을 받았습니다.
BCS 이론에 따르면 아주 낮은 온도에서 2개의 전자가 한 쌍을 이뤄 안정한 상태가 됩니다. 이를 ‘쿠퍼 쌍’이라고 부릅니다. 쿠퍼 쌍은 금속의 원자들이 일으키는 진동에 영향을 받지 않고 자유롭게 움직일 수 있습니다. 즉 저항을 받지 않는 상태가 된다는 것입니다.
물리학자들은 이 현상을 ‘전자가 춤을 춘다’고 표현합니다. 그러나 이후 발견된 고온 초전도체가 작동하는 원리는 BCS 이론으로 설명할 수 없다는 한계가 있습니다. 이후 초전도 현상을 설명하는 이론이 몇몇 제안되기는 했으나 모두 불완전하다는 평가를 받고 있습니다.
3. 초전도체의 상용화로 변화될 미래를 예측해볼 수 있을까?
아직 발견하지 못한 초전도체, 더 많을 수도 초전도 현상을 설명할 수도, 상온 초전도체를 만들 수도 없는 것이 현실이지만 초전도체는 일부 산업 분야에 활용되고 있습니다. 저항이 없어 에너지의 손실이 없다는 점과 강한 자기장을 만들 수 있다는 점이 가장 큰 장점입니다.
한국전력은 지난해 파주시 문산변전소와 선유변전소 사이에 초전도 케이블을 설치하는 공사를 시작했습니다. 총 2㎞ 구간에 초전도체로 만들 전선을 연결하고 손실 없이 전력 송신을 할 수 있는지 확인하기 위한 사업입니다. 구리 전선을 사용하면 발전소에서 만들어진 전기의 4%가 저항 때문에 사라집니다. 이로 인한 손실액은 국내 기준으로 약 1조5000억원 규모인 것으로 알려졌습니다. 시장조사업체 마켓리서치에 따르면 2018년 150억원 규모였던 초전도 케이블 시장은 2026년까지 7000억원으로 성장할 것으로 예상됩니다.
병원에서 건강 상태를 확인할 때 쓰는 자기공명영상(MRI) 장치에도 초전도체가 들어 있습니다. 초전도체에 전류를 흘려 만들어진 아주 강한 자기장을 이용해 신체 영상을 촬영하는 방식입니다. 한국핵융합에너지연구원이 운영하는 한국형초전도핵융합연구장치(KSTAR)에도 초전도 자석이 들어 있어 1억도에 달하는 뜨거운 플라즈마가 내벽을 손상시키지 않도록 강한 자기장을 내뿜고 있습니다.
이외에도 양자컴퓨터 같은 미래 기술에도 초전도체가 쓰이고 있습니다. 지금은 낮은 임계 온도와 불편한 가공 방식 때문에 활용 범위가 제한된 초전도체지만, 쉽게 가공할 수 있는 상온 초전도체가 개발된다면 다른 어떤 기술보다 파급력이 클 것입니다. 전력 효율이 높은 배터리를 만들 수도, 우주 탐사를 위한 강력한 전기 모터를 만들 수도 있습니다. 그래서 물리학자들은 여전히 ‘꿈의 물질’인 상온 초전도체를 찾아 나서고 있습니다
4. 상온 초전도체가 상용화 된다는 가정하게 우리의 삶은 어떻게 변화 될지? 주요 영역별로 한번 상상해보겠습니다.
1) 에너지 저장과 전송: 초전도체를 사용해 전력 손실이 발생하지 않는 에너지 저장 시스템 및 전력 케이블을 개발할 수 있습니다. 이를 통해 전력 효율과 안정성이 향상되고, 에너지 소비와 환경 문제가 감소될 것입니다.
2) 자기부상 열차: 초전도 자석을 사용한 자기부상 열차는 접촉이 발생하지 않기 때문에 높은 속도와 저소음으로 운행할 수 있으며, 유지 보수 비용도 절감할 수 있습니다.
3) 의료 기술: 초전도체를 활용한 자기 공명 영상(MRI)이나 기타 다양한 의료 진단 장비는 더욱 정확하고 빠른 진단을 가능하게 할 것입니다.
4) 양자 컴퓨터: 초전도 물질은 양자 컴퓨터의 중요 구성 요소 중 하나입니다. 양자 컴퓨터는 막대한 양의 데이터를 처리하고 복잡한 문제를 빠르게 해결할 수 있는 높은 연산 능력을 가지고 있어, 인공지능, 암호학, 재료 과학 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다.
5) 초전도 전자 소자: 초전도체를 사용한 전자 소자들은 저항이 없기 때문에 에너지 효율이 매우 높습니다. 이러한 특성을 활용하여 고성능의 전력장치나 센서 등 다양한 분야에서 사용될 것입니다.
물론 이 외에도 초전도체는 여러 가지 산업 및 기술 분야에서 널리 활용될 것으로 예상되며, 그 영향력은 아직까지 상상하기 어려운 수준일 수 있습니다.
[자막뉴스] "한국, 상온 초전도체 개발" 전세계 '들썩'...가능성 어느 정도? / YTN
https://www.youtube.com/watch?v=POhE0IQSiz4
