도체란
도체(conductor)란 전기, 열 또는 소리를 전달하는 재료를 통칭하여 말합니다. 전기전도체는 전기를 잘 전달하는 물질을 말하며, 전기를 전달하는 물질의 능력을 전도율이라고 합니다.
그래서, 전도율이 높은 철, 구리와 같은 금속물질로 전선을 만드는 데 쓰인다.
초전도체(superconductor)
초전도체는 초전도 전이 온도(superconducting transition temperature, Tc)라고 하는 특정온도 이하에서 모든 전기 저항을 상실하는 물질을 초전도체(superconductor)라고 하며,1911년도에 네델란드 물리학자 오너스(H.K Onnes)에 의해 처음으로 발견되었다.
구리, 은 같은 전도율이 높은 금속성 물질은 전기저항은 온도가 낮을 때 저항이 감소된다. 그러나, 초전도체는 경우 Tc이하 냉각되면 저항이 제로인 완전도체가 되고, 한번 발생한 전류는 에너지 손실이 없이 무한히 쓸 수 있는 물질로 변모된다.
상온 초전도체 (LK-99)
최근 국내연구진이 개발했다는 상온 초전도체(LK-99)에 대해 구체적으로 알아보겠습니다.
LK-99는 상온 초전도체로 추정되는 물질로 납-인회 구조에 소량의 구리가 포함된 육방정계 구조를 가지고 있다. 이 물질은 고려대 연구팀이 발견했는데, 127℃ 이하의 온도에서 초전도체 성질을 보인다고 주장한다.
다만, 검증단계에서 LK-99는 아직까지 초전도체 성질을 구현하지 못했고, 타 연구팀을 통해 재연하는 동료평가도 아직 재현을 하지못한 단계여서 회의론이 부각되고 있다.
LK-99가 상온 초전도체라는 주장은 널리 알려져 공유되고 있으나, 주류 과학계에서는 획기적인 발견에 비해 발표 논문이허술하고, 논문에 기술된 수치의 오류가 많아 회의적인 시각이 짙어지고 있다.
대만연구팀의 실패 사례
가장 최근 실패 사례로 대만 연구팀을 말할 수 있는데, 왕리민 대만국립(NTU) 물리학과 교수가 LK-99의 시험체를 제작하여 공개적인 재현실험을 하였지만 실패했다고 전했다. "실험실에서 만들어낸 물질은 약간의 반자성을 띄었지만, 전기 저항이 제로가 되는 현상은 없었다"고 말했다. 그러나, 왕교수팀은 가능성을 완전히 배제하지 않고, 추가 실험을 진행할 예정이다.
계속된 추가검증 사례
앞서 7월중 국내벤처업체인 "퀀텀에너지연구" 관계자들은 사전 논문 게재 사이트 아카이브에 동료검증 없이 발표한 두편의 연구논문을 통해 전 세계적으로 검증 열풍이 불고있다. 그러나, 잇딴 재현 실패로 전 세계 과학자들이 회의적인 시각이 강해지고 있다.
국제 학술지 네이처도 한국 연구팀이 발표한 LK-99의 초전도성 여부를 이론적, 실험적으로 검증하려는 노력들이 실패하고 있다고 부정적인 시각을 보이고 있다.
아직은 결론에 도달하지 않았다
LK-99을 얼마나 정확하게 재현하여 실험을 했는지가 관건이다.
중국의 베이징대, 인도 국립물리연구소의 연구팀들은 LK-99와 매우 유사한 물질을 만들어 검증했다는 입장이다. 인도 국립물리연구소 측은 네이처에 "약간의 다른점은 있지만, 한국팀이 제공한 물질과 유사한 실험"을 한 것으로 설명했다.
반론도 존재한다. 미국 MIT 물리학 교수인 에반 잘리스는 중국 연구팀이 제작한 LK-99는 "영하 163도에서 전기 저항 제로 특성은 구리 같은 저저항 금속과 별 차이가 없다"고 주장했다.
회의적인 시각은 국내에서도 있다. 한국초전도저온학회는 현재까지 연구소 측이 제공한 논문과 영상을 보면 초전도체로 보기 어렵다"고 주장했다. 학회는 검증위원회를 소집해 고려대, 서울대, 성균관대 등에서 재현시도를 준비하고 있는 것으로 파악되고 있다.
상온 초전도체의 특징
초전도체의 발견이 산업계에 미치는 영향을 고려해 활용도가 높은 두가지를 설명드립니다.
1. 전기저항이 없다
전기저항이 없다는 의미는 전류를 흘렸을 때 에너지 손실이 전혀 없다는 의미입니다. 보통 전선의 에너지 손실율이 20% 이상으로 보는데, 에너지 손실율이 제로이면 한번 발생한 전류가 무한정 흐를 수 있기 때문에 엄청난 이득이 생길 수 있습니다.
2. 마이너스 효과
일반적인 도체는 외부 자기장에 반응하는 특성을 보이며, 도체 내부에 자기선류가 생기고 외부 자기장과 상호 작용을 합니다. 하지만, 초전도체는 자기장 속에서 다른 모습을 보입니다. 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 내부에서 자체적 자기선을 만들어 외부 자기장을 밀어내는 모습을 보입니다. 마이너스 효과는 초전도체가 공중에 뜨는 현상을 보입니다.
상온 초전도체의 응용
우리생활에서 초전도체가 어떻게 활용되는지 대표적인 사례를 알아 보겠습니다.
1. 자기공명 영상장치(MRI)
일반적인 MRI는 기계안에서 굉음 견뎌야 하는 불편함이 있습니다. CT보다 입체적이고, 정확성을 요구하는 병원에서 강한자기장을 통한 전류 때문에 굉음과 열이 발생됩니다.
대부분 병원에서 사용나는 MRI는 초전도체를 활용합니다. 강한 전류에서 발생되는 열을 기계안에서 초전도현상을 이용 영하 269도의 액체헬륨으로 냉각 작업이 이뤄집니다. 만일, 상온 초전도체 MRI 기기가 활용된다면, 기기 운영비용과 진료비가 저렴해 지지않을까 합니다.
2. 자기부상열차
고속열차(KTX)가 출현하면서 물류에 혁신이 이룬 것 처럼 자기부상열차가 상용화 된다면 제 2의 운송혁신이 생기지 않을까 생각됩니다. 자기부상 열차는 극과 극끼리 밀어내는 자석의 성질로 움직입니다. 초전도체의 특이한 성질인 마이너스 효과로 완벽하게 차량을 공중에 띄워 속도와 안락함을 동시에 누릴 수 있을 것으로 보입니다.
3. 양자컴퓨터
양자컴퓨터는 매우 낮은온도에서 동작하기 때문에, 상온 초전도체의 활용은 양자컴퓨터의 혁신을 보장합니다.
온도와 열로 부터의 제약이 줄어 들기 때문에 기계의 고장율 및 더욱 정교한 계산이 가능한 양자컴퓨터의 대중화에 도움이될 것으로 보여집니다.
맺음말
상온 초전도체의 활용은 다양한 분야에 혁신을 가져올 수 있을 것으로 보입니다. 아직 많은 과제가 산넘어 산이지만 현대사회의 고질적인 문제의 키라고 볼 수 있습니다. 좀 더 괸심을 갖고 지켜보는 것이 더욱 발전할 수 있는 토대가 될 것으로 생각됩니다.