최근 국내 퀀텀에너지 연구팀은 상온·상압 초전도체 합성에 성공했다고 발표하면서 세계의 이목이 집중되고 있다. 고려대 출신 연구진이 설립한 퀀텀에너지연구소 연구진이 개발한 'LK-99'은 논문에 따르면 30°C의 상온에서도 전기저항을 0으로 유지한다고 알려져있다. 

초전도체(superconductor)란?

그렇다면 세계가 열광하는 초전도체는 어떤 물질일까. 초전도체는 저항이 0인 물질, 즉 저항이 없어 전류가 한 번 흐르기 시작하면 영원히 흐를 수 있는 물질으로, 그 활용가능성이 높아 '꿈의 물질', '물리학계 성배' 등 다양한 이름으로 불리고 있다. 저항이 0이라는 점 말고도 여러 특징들이 있는데, 대표적인 현상이 마이스너(반자성) 효과이다. 이는 물질이 초전도 상태로 전이되면서 초전도체 내부 초전류가 형성되어, 외부 자기장을 완벽히 상쇄하는 반대방향의 자기장을 만들어 물질 내부에 있던 자기장이 외부로 밀려나게 되는 현상이다. 마이스너 효과로 인해 초전도체는 공중에 뜨게 되고, 초전도체 관련 사진 중 마치 '공중부양'을 하는 듯 보이는 사진이 많은 이유이다. 

초전도체를 이용하면 원거리 송전시 전기 손실을 없앨 수 있고, 축전지없이도 전기를 대량으로 저장할 수 있으며, 강력한 자기장을 발생시키는 전자석도 만들 수 있을 정도로 발전 가능성이 무궁무진하고, 이 중 일부는 이미 실용화되고 있다. 

초전도체의 역사

초전도체의 역사는 1911년 네덜란드의 물리학자 헤이커 오너스(Heike Kámerlingh Onnes)가 수은을 절대온도 4도, 즉 영항 269.15°C까지 내려 보는 과정에서 전기 저항이 완전히 없어지는 현상을 확인한데서부터 시작되었다. 이후 연구부터는 조금씩 더 높은 온도에서 초전도 현상을 발견하였고, 2019년에는 영하 23°C까지 온도를 높였으나, 온도를 높일 수록 엄청난 압력을 가해야하기 때문에 실생활 활용은 어려웠다. 따라서 현재 활용되고 있는 초전도체들도 높은 압력을 가한 환경을 구현하기 어렵다는 이유때문에 극저온 환경에서 사용되고 있었던 것이다.

왜 연구의 진위여부를 놓고 세계 들썩하는가 / 상온·상압 초전도체 발견의 중요성

현재까지도 연구의 진위여부를 놓고 많은 의견이 오고가고 있다. 그 이유 중 하나는 연구진이 논문을 아카이브에 발표했기 때문이다. 아카이브는 이미 검증이 된 논문을 공개하는 곳이 아닌, 검증 전 단계로서 공개를 하는 장소의 개념이다. 따라서 연구 성과를 입증한다는 것 보다는 검증 요청 단계라고 생각되어진다. 

뿐만 아니라, 이전에도 비슷한 경우가 있었기 때문이다. 미국 로체스터대 랭거 디아스 교수는 국제 학술지 네이처에 영상 15°C 환경에서 초전도체 현상을 발견했다며 논물을 개재했다. 그러나 관련 결과를 재현할 수 없다고 지적받고, 결과 도출에 있어서 데이터 조작 사실이 드러나게 되어 논문을 철회한 바가 있다.

마지막으로는 초전도체에 관한 연구와 노벨상이 관련이 깊다는 이유를 들 수 있다. 1911년 물리학자 헤이커 오너스가 최초로 초전도체를 발견한 공로로 1913년 노벨상을 수상하였다. 이후 세 명의 물리학자 바딘(John Bardeen), 쿠퍼(Leon N Cooper), 슈리퍼(John Robert Schrieffer)가 초전도 현상의 요인을 설명하는 BCS이론을 발표하며 1972년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다. 1980년대에 들어서게 되며 새로운 초전도체들이 여럿 발견되었고, BCS이론은 위기를 맞았다. 이 이론에 따르면 초전도 현상을 나타내는 임계온도는 경우에 따라 다르긴 하지만 계산식에 의하면 대략 절대온도 30도를 넘기기 어렵다고 했지만, 사실이 아님이 밝혀졌다. 독일의 물리학자 요하네스 베드노르츠(Johannes Georg Bednorz)와 스위스의 카를 뮐러(Karl Alexander Müller)는 1986년 금속이 아닌 산화물 재료의 세라믹을 사용하여 훨씬 높은 35도에서 초전도 현상을 구현했다. 이를 공로로 1987년 노벨 물리학상을 공동 수상하였다. 

이러한 일들을 계기로 세계 물리학계에는 초전도체 연구 붐이 일었다. 이를 통해 훨씬 더 높은 온도에서 초전도체 발견에 성공하게 된다면, 값비싼 액체 헬륨 대신 액체 질소를, 더 고온이라면 일반 냉장고 냉매를 사용할 수 있게 되는 등 훨씬 더 저렴한 비용으로 초전도체를 구현할 수 있게 될 것이다. 직접적으로 폭넓은 실용화에 기여하여 '초전도 산업혁명'을 기대할 수 있게 될 것이다. 

초전도체 사용의 이점

일반적으로 물질에 전기가 흐르면전기저항이 생기게 되어, 에너지 손실과 저항 간 마찰로 인한 열이 발생한다. 따라서 출력이 높은 기기를 제작하는데에 있어 전기저항은 큰 장애물로 작용한다. 따라서 상온 초전도체가 실생활에 바로 사용된다면 전력을 이용하는 모든 기기의 출력을 혁신적으로 높일 수 있다. 뿐만 아니라 양자 컴퓨터 등 고발열 장치를 구현하는데에도 전기저항 마찰이 없으니 발열을 최소화할 수 있어 그 성능을 높이는 것도 가능하다. 초전도체의 반자성 효과를 활용한 자기부상 열차와, 자기장을 만들어 인체 내부를 관찰하는 자기공명장치(MRI)의 기술적 발전도 기대해볼 수 있다. 단연 핵심적인 것은 아무래도 교류 전력을 쓸 이유가 없어진다는 점이다. 교류전력은 고압 송전으로 위험하고, 전자기파에 의한 유도장해 등의 문제가 있다. 그러나 모든 전선을 초전도체로 만들 수 있다면 전기손실 없이 직류전력을 모든 가정에 공급할 수 있게 된다.

LK-99의 현상황은 어떠할까?

LK-99을 재현한 물질 분석 결과, 약 110K(-163.1°C)에서 저항이 거의 0이 되는 초전도 현상을 확인했다고 밝혀졌다. 110K만으로도 대단한 성과이기는 하나, 상온과 상압에서 초전도 현상이 관측된 것은 아니기에 아쉬운 결과이다. 그러나 약 250K(-23.15°C)에서 저항이 크게 떨어지는 반도체 현상이 있었다는 것으로 미루어 볼 때, 물질의 순도가 낮아서 발생한 문제일 수 있으므로 조금 더 정확한 조사가 필요하다고 한다. LK-99이 정말 상온·상압 환경에서 초전도 현상을 보이는 물질이 맞는지 정확한 검증을 위해서는 시간이 더 필요할 것으로 예상된다. 긍정적인 결과가 있었으면 하는 바람이다.