초전도체가 무엇이고 인류에게 어떤 변화와 기술적 발전을 가져다 줄 것인가?

오늘 각종 뉴스와 증권가에서 가장 핫한 이슈로 떠오른 초전도체에 대해 최대한 과학적 접근으로 알아보고자 한다. 그리고 이렇게 이슈의 중심에는 퀀텀에너지연구소 대표와 오근호 한양대 명예교수가 이끄는 연구진이 지난달 22일 논문 사전 공개 사이트 아카이브를 통해 상온 초전도체 LK-99를 만드는 데 성공했다고 밝혔기 때문이다.

초전도체는 임계 온도 이하로 냉각될 때 저항이 0이 되도록 전기를 전도할 수 있는 물질이다.

 

그렇다면 초전도체(superconductor)란 무엇인가?

 

초전도체는 임계 온도 이하로 냉각될 때 저항이 0이 되도록 전기를 전도할 수 있는 물질이다. 즉, 전기 저항으로 인한 에너지 손실 없이 전류가 흐르게 하고 이 특성은 약간의 저항을 나타내고 전류가 통과할 때 열의 형태로 에너지 손실을 일으키는 일반 도체와 초전도체를 구분한다.

전이 온도라고도하는 임계 온도는 각 초전도 물질의 특성이며 이 온도 이하에서 재료는 상전이를 겪고 초전도 상태로 들어가 전기 저항이 0이고 자기장을 배제하는 고유한 특성을 나타낸다. 이를 마이스너 효과라고 부르기도 한다. 임계 온도는 초전도 물질의 종류에 따라 다르며 일부 물질은 절대 영도에 가까운 극저온(섭씨 -273.15도 또는 화씨 -459.67도)에서도 초전도가 될 수 있다.

초전도 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 하이케 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 매우 낮은 온도로 냉각될 때 수은의 전기 저항이 갑자기 떨어지는 것을 관찰하면서 처음 발견되었다. 그 이후로 각각 고유한 임계 온도와 고유한 특성을 가진 수많은 초전도 물질이 발견되고 개발되고 있다.

 

아직 완벽한 초전도 물질을 개발하지 못했는데 이 엄청난 일들을 대한민국의 권텀에너지 연구소에서 개발했다고 하니 뉴스와 주식시장 및 전 세계 과학자들이 놀랄만하기도 할 것이다.

 

그렇다면 초전도체는 우리에게 어떤 변화와 기술적 발전을 가져다줄 것인가?

에너지 전송 및 저장으로서 초전도체는 큰 손실 없이 장거리에 걸쳐 매우 효율적인 에너지 전송에 사용할 수 있다. 초전도체로 만든 대용량 전력 케이블은 도시와 대륙 간 전기 전송을 가능하게 하여 전송 중 에너지 낭비를 줄일 수 있으며 초전도 에너지 저장 시스템은 나중에 사용하기 위해 전기를 저장할 수 있어 전력망을 안정화하고 에너지 관리를 용이하게 한다.

현재 가장 각광받고 있는 자기 부상 열차 시스템에 초전도 재료를 사용할 수 있어 기차가 선로 위에 떠 있게 하고 마찰을 줄이며 기존 기차보다 훨씬 더 빠른 속도를 낼 수 있다. 이 기술은 더 빠르고 조용하며 에너지 효율적인 열차 시스템을 제공함으로써 운송을 혁신할 수 있다.

초전도 자석은 자기 공명 영상(MRI) 기계의 필수 구성 요소로, 내부 신체 구조의 고해상도 및 비침습 영상을 가능하게 한다. 초전도 MRI 기계의 향상된 감도와 이미지 품질은 의료 분야에서 더 나은 진단 기능을 제공할 것이다.

 

초전도 자석은 CERN과 같은 연구 시설에서 사용되는 것과 같은 고에너지 입자 가속기에 필수적 요소이며 이 가속기는 물리학자들이 물질과 우주의 근본적인 특성을 탐구하여 과학적 이해를 발전시키는 데 도움이 될 것이다.

그리고 처전도체의 기술적 끝판왕인 초전도 큐비트는 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 가장 중요한 물질이며 중첩 및 얽힘과 같은 양자 상태를 나타내는 초전도 물질의 능력은 고전 컴퓨터로는 사실상 불가능한 복잡한 문제를 해결하는 양자 컴퓨팅의 잠재력에 매우 중요하고 없어서는 안 될 요소이다.

여기에 초전도체는 풍력 터빈 및 산업용 모터를 비롯한 다양한 응용 분야에서 보다 효율적이고 강력한 전기 기계를 가능하게 하는 발전기 및 모터에 사용될 수 있다. 마찰이 줄어드니 당연한 결과일 것이다.

운송에 있어서도 혁신적인 발전이 이루어질 것이다. 자기 부상열차 외에도 초전도체는 엔진의 마찰과 마모를 줄이기 위한 자기 베어링이나 전기 자동차의 에너지 효율적인 모터와 같은 다양한 운송 응용 분야에 사용될 수 있다.

 

과학적 연구에 있어서 초전도체는 특히 응집 물질 물리학 및 재료 과학과 같은 분야에서 실험을 수행하기 위해 실험실에서 널리 사용되기에 어떻게 또 다른 기술적 발전에 기여할지는 여전히 많은 가능성을 가지고 있다.

초전도체가 인류에게 미치는 영향 중 가장 중요한 것은 에너지 효율성이 극대화된다는 것이다. 이는 인류가 현재 사용하는 에너지를 매우 효율적으로 이용할 수 있는 기술을 가지게 된다는 것이다. 이는 아직 인류가 가보지 못한 매우 혁신적인 세계의 시작일 지도 모른다는 것이 기대감을 갖게 한다.

 

그러나 초전도체의 실제 응용에는 종종 매우 낮은 온도가 필요하므로 초전도체 구현에 어려움이 있기 때문에 아직까지 완전한 초전도체에 대한 보고가 없다. 냉각 시스템의 비용과 고급 재료의 필요성등 개발에 필요한 허들이 아직 많이 남아있는 실정이다. 그럼에도 불구하고 이 분야에서 진행 중인 연구 및 개발은 이러한 한계를 해결하고 다양한 응용 분야에서 초전도체의 잠재력을 최대한 활용하여 인류에게 다양한 방식으로 혜택을 주는 방법을 계속 모색하고 있다.

 

이 어려운 일을 대한민국이 해냈다고 지금 난리가 난 것인데... 필자는 과학적 지식이 높지도 그렇다고 초전도체에 대해 잘 알지도 못하기 때문에 우선은 지켜봐야겠다고 생각한다.