한국 세계최초 초전도체 발견

한국이 세계 최초로 상온 초전도체를 만드는데 성공

사전 논문 출판 사이트 '아카이브'에는 한국 연구진이 약 30도의 상온에서 전기 저항이 사라지는 초전도성 물질을 찾았다는 연구 결과에 대해 쓴 두 개의 논문이 발표됐습니다. 저자는 연구소 대표 오근호 한양대 명예교수가 이끄는 연구진과 한국전자통신연구원에 근무했던 김현탁 미국 버지니아 윌리엄 앤 메리대 교수도 포함되 있습니다.

한국 연구진들이 공개한 논문은 이 초전도 현상을 상온과 상압에서 구현할 수 있다는 것을 증명하고 있습니다. 연구진이 개발한 상온 초전도 물질은 납과 인회석 결정 구조인 'LK-99'입니다. 구리와 납, 인회석을 사용해 개발한 화학식도 공개됐습니다. 공개된 논문에 따르면 초전도 현상이 일어나는 임계 온도는 섭씨 126.85도로 사이언스캐스트에 초전도성을 띠고 있는 LK-99 영상도 함께 공개됐습니다.

 

한국 연구진에 의해 초전도체가 구현된다면 세상이 뒤바뀌는 결과를 예측할 수 있습니다. 에디슨이 전기를 통해 세상을 바꿨듯이 비슷한 혁명이 일어나게 될 것입니다. 전기가 있는 모든 곳에 적용되기 때문에 전력손실이 극도로 적어지니 속도도 빨라집니다. 상온에서 구현되는 초전도체가 상용화되면 교통과 의료, 산업 등이 획기적으로 변화합니다. 케이블의 저항 때문에 발생하던 전력손실이 사라져 에너지 비용이 확연히 절감될 수 있습니다.

 

상온 초전도현상은 과학계의 오래된 꿈

 

초전도 현상은 1911년에 영국의 물리학자인 헤르만 올리버스가 절대온도 0도에 가까운 영하 270도의 저온 환경에서 처음 발견하였습니다. 초전도 현상은 그동안 극저온이나 고압의 극한 환경에서만 발견됐기 때문에 전 세계 수많은 연구진이 상온 상태에서 초전도 현상을 발견하기 위해 연구를 했지만 번번이 실패해 왔습니다. 초전도체 현상이 발생하려면 최소 영하 100도 이하로 온도를 낮추기 위해 많은 비용이 들어가는 상황입니다. 

전 세계 수많은 연구자들이 개발을 위해 천문학적인 돈과 수십 년의 시간을 투자했지만 단 한 번도 상온 초전도체를 제대로 구현한 사레는 없었습니다. 불가능에 가까운 연구로 세계 학술계에서는 오랜 난제로만 여겨졌습니다.

 

초전도체가 있다면 별도의 장비나 자원, 비용이 들어가지 않고도 상온에서 초전도 현상을 유지할 수 있게 됩니다. 상온 초전도체는 상용화만 된다면 전기 손실이 없는 초고효율 전력망과 손바닥만 한 양자 컴퓨터가 실현되며 에너지 혁명을 일으킬 수 있는 '꿈의 물질'입니다. 양자컴퓨터, 핵융합발전 등을 위한 핵심적인 물질로 손꼽히기도 합니다.

 

초전도(超導, Superconductivity): 일정한 온도 이하에서 특정 물질이나 합금이 전기 전도 저항이 사실상 없는 상태로 전기를 전달하는 현상을 말합니다. 이러한 물질을 초전도체라고 합니다. 초전도는 20세기 초반에 처음 발견되었으며, 매우 특이한 물성을 가지고 있어 과학계와 기술 분야에서 큰 관심을 받고 있습니다.

초전도의 주요 특성

1. 전기 저항이 없음: 초전도체는 특정 온도인 임계 온도 이하에서는 전기 전도 저항이 없습니다. 이는 전류가 장애물 없이 흐르게 되어 전기 에너지의 손실이 없게 됩니다.

2. 완전반사: 초전도체에 흐르는 전류는 완전히 반사되어 다시 되돌아오지 않고, 손실 없이 전류가 흐르게 됩니다.

3. 메이슨-창 불확실성 관계 운동: 초전도체에서는 불확실성 원리가 적용되어 위치와 운동량의 정밀한 측정이 동시에 불가능한 현상이 발생합니다.

4. 메자트로닉스 응용: 초전도체는 강력한 자기장을 생성할 수 있으며, 이를 이용하여 자기 장치, 전자 장치, 자기 공명 이미징 (MRI), 가속기, 초전도 전력 변환기 등에 응용됩니다.

5. 심박수의 양자화: 초전도체의 특성을 이용하여 매우 정밀한 시계, 즉 원자시계를 만들 수 있습니다.

6. 주변 손실 없음: 초전도체를 이용한 전기 전송 시스템은 저 온도에서 전기가 손실 없이 전송되기 때문에 높은 효율성을 가지고 있습니다.

초전도체의 일상생활 응용

1. 자기 공명 이미징 (MRI): 의료 분야에서는 MRI 스캐너가 초전도체를 활용하여 높은 화질의 이미지를 제공합니다. 이를 통해 정확한 진단이 가능하며, 질병의 조기 발견과 치료에 도움이 됩니다. 온도를 낮추는데 많은 비용이 들던 MRI 등 초전도 활용 의료기기 사용 비용도 줄어듭니다.

2. 자동차 신기술: 초전도체를 이용한 자기 부력열차(Maglev train) 기술은 고속 철도의 도입으로 더 빠르고 안전한 교통수단을 제공합니다. 서울에서 부산까지의 거리를 40분으로 단축시킬 수 있는 자기 부상열차도 현실화됩니다.

3. 정밀 계측 기기: 초전도체는 극저온에서 작동하기 때문에 높은 정밀도와 안정성을 제공합니다. 이러한 특성은 원자시계나 양자 계측 기기 등의 정밀 계측 기기에 활용됩니다.

4 전력 전송 및 저장: 초전도체는 저전압에서 전력을 손실 없이 전송할 수 있어 전력 전송 효율을 높이고 전력 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 또한, 초전도체를 활용한 초고속 충전 가능한 배터리의 개발도 기대됩니다.

5. 풍력터빈 제어: 초전도체를 이용한 풍력터빈의 제어 기술은 풍력발전의 효율을 높이고 안정성을 향상합니다. 이는 에너지 생산의 안정성과 지속 가능성에 기여합니다.

6. 무궁무진한 산업발전: 초소형 양자컴퓨터와 처저전력 반도체 등을 통한 무궁무진한 산업의 발전도 이룰 수 있데 됩니다. 전기저항이 없기 때문에 전력 손실이 발생하지 않아 향후 초고속 컴퓨터나 무손실 송전에도 무한하게 활용될 것으로 기대할 수 있습니다.

해외 매체반응

<놀라움과 회의적인 반응이 갈리는 상황>

 

"한국 과학자들의 상온 초전도체 발표는 인류의 새 시대를 여는 완전히 새로운 역사적 사건"

 

"이들의 주장이 과학적 검증을 거쳐 사실로 밝혀진다면 정말 대단한 연구 성과이기 때문에 이들의 입증 책임이 그만큼 막중하다. 초전도의 돌파구를 찾는 이전의 논문들이 나중에 철회되기도 하고 다른 팀이 결과를 재현하는데 실패한 사례들이 있다는 걸 기억해야 한다" - 뉴사이언티스트

 

"초전도성을 입증하기 위해서는 여러 측정값을 통해 확인해야 하는데 이번 연구에서는 설득력이 다소 떨어진다" "특히 자기장과 열용량 수치는 아직 입증되지 않았다"- 영국 옥스퍼드대 교수

 

1911년 네덜란드 물리학자 헤이커카메를 링 온네스가 초전도체를 처음 발견했을 때 그는 어느 날 갑자기 절대온도 4K 근처에서 수은의 전기저항이 갑자기 0으로 떨어지는 현상을 우연히 목격하게 된 것이었습니다. 수은이 초전도체가 되는 순간이었지만 당시에는 양자역학 이론이 정립되기 전이었고 전기 저항이 0이 되는 것 역시 당시엔 이해가 불가능했습니다.

상온 초전도체를 세계 최초로 발견했다는 논문을 발표하자 국내외 전문가들은 의심 어린 반응을 내놓을 수밖에 없었습니다.

모두가 의심과 회의적인 반응을 보일 때 놀라운 사실이 밝혀졌습니다.

뜻밖의 반전

사실 이 연구 결과는 2020년에 1차 발표가 되었습니다.

당시에 네이처에 제출했지만 논문 게재를 부담스러워했고 다른 전문 학술지에 먼저 게재할 것을 요구하면서 국내 학술지에 먼저 올려서 국내 전문가의 검증을 받고 사전공개 사이트인 아카이브에 올라간 것입니다.

글로벌 과학커뮤니티에서 이미 1999년과 2018년에 게시됐던 논문을 찾아 번역하면서 상황이 반전된 것입니다.

 

이 논문을 보면 한국 연구진들은 실험대상을 조합하고 섞고 가열하면서 만약 초전도체의 특성이 안 보이면 멈추고 특성이 보이면 실험을 계속했습니다. 그 반복된 실험은 1999년부터 20여 년 동안 이어졌으며 1천 번이 넘는 실험결과가 첨부되어 있었습니다.

한국 연구진들은  "최동식 교수의 별세 이후 교수님의 유훈에 따라 세계 모든 과학자들이 그랬던 것처럼 원리도 모르고 제작 공정도 설명할 수 없지만 1999년에 우연히 발견한 물질로 24년간 1000번의 실험을 거듭해 봤고 이번 논문이 그 결과다"라고 말했습니다.

인정할 수밖에 없는 과학자들

현재 세계 과학자들은 해당 논문 속 내용대로 구리와 납을 이용해 실험을 재연해 보는 중인데 그 수치가 매우 정확해서 경악이 이어지고 있습니다.

이에  미국 일리노이대 물리학 교수는 "한국 연구진은 적절한 데이터를 취하고 명확한 제조 기술을 제시했다"라고 인정했습니다.

러시아 출신 과학자 아이작 아시모프는 미국에서 화학 박사이자 생화학 교수로 활동하며 SF작가로 과학소설과 교양과학 분야에서 눈부신 성공을 거두어 세계적 명성을 얻었습니다. 그는 해부학, 천문학, 생물학, 화학, 수학, 물리학 등 다양한 분야에서 500권이 넘는 저서를 남겼습니다. 그는 "과학에서 새로운 발견의 순간 듣게 되는 가장 흥분되는 구절은 '유레카!'가 아니라 '거 참 희한하군'"이라고 말했습니다.

아바타 판도라 행성

초전도체를 주제로 했던 영화로는 '아바타'가 있습니다.

영화 '아바타'에서 인간이 초전도성 물질인 '언옵테늄'을 얻기 위해 나비족의 판도라 행성을 침략합니다.

영화 속에서 언옵테늄을 다량 함유한 판도라 행성 할렐루야 섬은 자기장이 강한 지역에서 산이 공중에 떠 있는 장면이 있습니다.

머지않아 그런 미래도시에 살아갈 날이 대한민국의 연구진을 통해 실현될 수 있었으면 좋겠습니다.