LK-99의 진실을 알아보자. 상온 초전도체 의미과 활용

최근 우리나라에서 LK-99라는 상온 초전도체 개발 가능성 소식에

상온 초전도체에 대한 관심이 뜨겁다.

상온 초전도체가 무엇이길래 이렇게 모두가 열광하는 것일까?

발표 자료에 석연치 않은 의문이 많아 진실 여부는 아직 확실하지 않다.

이 글에서는 초전도체 뜻, 초전도체 의미에 대한 기본 개념부터

상온 초전도체 개발이 선사할 미래, 상온 초전도체 활용에 알아보고자 한다.

1. 상온 초전도체 개발 소식, LK-99

LK-99는 상온 초전도체로 추정되는 흑회색 물질이다.

이석배 퀀텀에너지연구소 대표와 김현탁 미국 윌리엄&메리대 교수 등 국내 연구팀이

개발한 이 물질은 납 인회석 구조에 소량의 구리가 도핑된 변형된 육방정계 구조이다.

연구팀은 LK-99가 상압 400 K (127 °C) 이하의 온도 환경에서

초전도체의 성질을 보인다고 주장한다.

이 말이 사실이라면 상온 초전도체가 기술에 한걸음 다가간 것으로 볼 수 있다.

노벨 물리학 수상은 물론 세상의 미래를 바꿀 기술을 몰고 올 것이다.

상온 초전도체
퀀텀에너지 연구소 제공

2. 초전도체란 무엇인가?

초전도체

초전도 전이 온도라고 하는 특정 온도 이하에서

모든 전기 저항을 상실하는 물질을 초전도체(superconductor)라고 하며,

이 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자 오너스(H. K. Onnes)에 의해 처음으로 발견되었다.

초전도 현상이 일어나는 물질은 외부 자기장을 밀쳐내거나

전기 전류가 흐르는데 저항이 발생하지 않는 등의 성질을 보이는 것으로

대체로 그 물질의 온도가 영하의 매우 낮은 온도에서만 가능한 것으로 알려져 있다.

아래에 초전도체가 가지는 주요 특징을 설명하였다.

1) 전류에 대한 초전도

초전도는 전압 없이도 전류를 유지할 수 있는 성질로 옴의 법칙에 따라 저항이 ‘0’ 인 상태를 말한다.

* 옴의 법칙 : R(저항) = V(전압) / I(전류)

저항이 ‘0’이라는 말은 전류를 보내는데 어떠한 손실과 발열이 없는 상태로 현존하는 전기 시스템에 혁신적인 변화를 몰고 올 수 있다.

2) 마이스너 효과(Meissner effect)

1933년에 독일의 물리학자인 마이스너(Meissner)와 옥센펠드(Ochsenfeld)가 발견하였다.

‘마이스너 효과’는 일정 이하의 자기장 안에 초전도체를 놓았을 때 물질의 내부에 침투해 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상으로 물질 내부에 자기장이 침투할 수 없다.

아래 사진과 같이 초전도체는 미는 힘에 의해 자석위로 뜨는 성질을 가진다.

마이스너 효과를 가진 초전도체는 ‘Type 1’ 초전도체라 부르기도 한다.

마이스너 효과(Meissner effect)

3) 양자고정(quantum locking)

1911년 영하 243˚C의 초전도체 발견 이후 과학자들은 임계온도가 더 높은 초전도체 발견에 대한 고민이 시작되었다.

이에 수많은 금속들이 실험에 사용되었고 어떤 금속은 일정 자기장 이상을 가할 때 초전도체 중간중간에 자기장 구멍이 생기는 현상을 발견하였는데 이를 ‘양자고정’이라 한다.

다른 말로 ‘Type 2’ 초전도체라고 한다.

해당 금속은 중간 중간에서 발생하는 자기장 구멍으로 인해 자석을 당기는 현상이 생기는데 아래 그림과 같이 자석에 매달려 있는 것을 볼 수 있다.

양자고정(quantum locking)

4) 상온 초전도체

임계 온도가 섭씨 0도 이상인 초전도체를 말하는데 현재까지 발견되지 않았다.

처음 초전도체가 발견 되었을 때는 1911년으로 영하 243˚C에서만 구현 가능하였다.

하지만 초저온에서는 현실에서 사용이 불가능하므로 상용화를 위해 상온에서 초전도 현상이 유지되는 것이 필요하였고, 이를 위한 금속 연구가 활발히 진행 중이다.

현재까지 대기압 환경에서 가장 높은 온도에서 초전도성을 보이는 물질은 임계온도가 약 −135 °C 이다.

이처럼 다양한 연구 결과 영하 243˚C가 아닌 그보다 높은 온도에서도 초전도 현상이 발생하는 것이 발견되면서 상온 초전도체 가능성에 한발 다가서고 있다.

3. LK-99의 진실은?

LK-99가 상온 초전도체인가에 대한 진실 공방은 아직도 뜨겁게 인터넷을 달구고 있다.

지난 8월 8일, 일주일전 미국 대학에서 초전도체가 아니라 자석이라고 발표한데이어,

8월 14일 핀테크 보나사피엔스의 김인기 대표가 초전도체가 맞다고 주장하면서 다시 주가가 요동을 쳤다.

8월 17일자 기사에서는 네이처가 LK-99 초전도체 아니며 황화구리 불순물이 상기 현상의 범인이라고 결론지었다.

이제 국내 검증만 남은 상황이다. 어떠한 과연 결론이 나올지…

8월 11일 기사에 따르면 한국초전도저온학회 검증위원회가 이르면 2주 내로 샘플을 제작하고 이후 1주일 내로 교차 측정까지 마칠 수 있다고 밝혔다.

기사에 따르면 빠르면 9월 초에는 결과를 알 수 있을 것이다.

4. 상온 초전도체가 개발되면?, 초전도체 활용

1) 전력망 구축 시스템 최소화

초전도체는 저항이 없으므로 전기 송신을 위한 고전압 설비가 불필요하다.

저항에 의한 발열이 없으므로 냉각 시스템이 불필요하며 시스템 구축 및 유지 비용 최소화가 가능하다.

또한 전기 송신에 발생되는 손실이 없어 전력 비용도 상당히 줄어 들게 될 것이다.

2) 핵융합 발전

핵융합 발전의 핵심 기술 중 하나는 핵융합에서 발생된 고온의 플라즈마를 어떻게 가둘 수 있는가 이다.

한국형 행융합 발전은 ‘토카막’ 방식을 사용하여 1억 ℃의 불꽃을 가두고 있다.

‘토카막’은 도넛모양의 금속 용기로 전자석을 이용한다.

이 때문에 강력한 자기장 형성을 위한 전류로 고온의 열이 발생하게 되어 20~30초 정도만 가동하고 냉각을 위해 30분 가까이 쉬어야 하는데 이 과정에서 에너지 손실이 어마어마하다.

하지만 상온 초전도체가 개발된다면 고온의 플라즈마를 더 강한 전자기력으로 에너지 소모를 최소화하여 가둘수 있기 때문에 상용화를 기대할 수 있다.

3) 양자컴퓨팅 시스템 구현

양자컴퓨터의 구현을 위해 연산에 대한 부분도 중요하지만 이를 구현할 소자도 중요한 부분을 차지 한다.

양자얽힘과 양자중첩의 연산을 구현하기 위한 연구가 활발히 진행 중인데 그 중 하나가 초전도체를 활용하는 방법이다.

또한 엄청난 연산이 필요함에 따라 그에 따른 발열을 해결하기 위해 냉각 시스템이 필요하지만 저항이 없는 초전도체를 활용하면 이 또한 최소화할 수 있다.

5. 링크자료

지식 | 엑시토니 블로그 (exitorney.com)

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