한국에서 상온 상압 초전도체를 발견했다는 주장이 나오면서 전세계적으로 화제가 되고 있습니다. 이는 2023년 7월 22일 발표되었고, 이후 과학계부터 경제 시장까지 다방면에 영향을 주고 있습니다. 과연 초전도체가 무엇이길래 이렇게 소란스러울까요? 최대한 간단하게 알아보도록 하겠습니다.
초전도체 개념
간단하게는 전기 저항이 0이 되는 물질을 말합니다. 즉, 전류가 영원히 흐를 수 있다고 해서 ‘꿈의 물질’로도 불리고 있습니다. 초전도체의 특징으로는 ‘전기 저항이 없다’는 것과 ‘마이너스 효과’가 일어난다는 것인데요. 그럼 초전도체의 특징에 대해 조금 더 자세하게 알아볼까요?
- 마이너스 효과 없이 초전도 현상만 있는 것은 ‘완전도체’ 또는 ‘바일 금속’이라고 합니다.
- 도체 : 전기가 흐르는 물체나 물질을 말합니다.
특징
- 저항이 없다
먼저 저항에 대해서 이야기 하자면, 우리가 쉽게 생각할 수 있는 예로는 ‘공기 저항’이 있습니다. 예를 들어 자동차도 디자인에 따라 공기 저항을 많이 받기도 하고, 적게 받기도 하는데요. 즉, 작은 디자인의 변화로 공기 저항을 줄이거나, 빠른 속도로 달릴 때 지면에 밀착되도록 디자인하여 더 빠르고 안정적인 주행이 되도록 제작하기도 합니다. 그런데 이렇게 저항을 줄이는 연구는 공기 저항 뿐만이 아니라 다양한 분야에서 진행되고 있고, 그 중 하나가 바로 초전도체의 ‘전기 저항’입니다.
기본적으로 전류는 같은 전압이 걸렸을 때 저항이 낮다면 더 큰 전류가 흐르게 되는데, 이 저항이 0이 된다면 마치 공기 저항이 없는 우주에서 계속 가는 것처럼 도체도 저항이 없다면 전기가 계속 흐르게 되는 것입니다. 이렇게 초전도체로 만든 회로 안에 전류가 흐르면, 영원히 전류가 흐르게 되는 것입니다. 지금까지 진행된 실험에 의하면 초전도체 안 전류의 수명은 적어도 10만 년이며, 이론상으로는 우주 나이보다 길다고도 해서 ‘무한대’라고 볼 수도 있습니다. 바로 이와 같이 저항이 없는 도체를 과학계에서 ‘초전도체’라고 부르고 있는 것이죠.
- 마이너스 효과
다음으로 초전도체가 공중에 떠있는 모습을 보셨을텐데요. 이게 바로 ‘마이너스 효과’ 때문입니다. 마이너스 효과는 외부 자기장이 초전도체 내부에 침투하지 못하는 현상을 말하는 것인데요. 외부 자기장이 있을 때는 초전도체 내부에 초전류가 형성되고, 이는 반대 방향의 자기장을 만들어 외부 자기장을 모두 밀어내는데 이로 인해 초전도체가 공중에 뜰 수 있는 것입니다.
쉽게 말해서 초전도체는 외부 자기장과 반대 방향의 자기장을 내부에서 만들기 때문에 공중에 뜨는 현상이 나타나는 겁니다.
- 참고로 ‘양자 고정 현상’도 있는데 이는 초전도체가 어떻게 놓아도 위치가 고정되는 현상을 말하는데요. 냉각 도중 통과하던 자기 력선의 일부가 자석 안에 포획되고, 완전히 냉각된 후에는 마이너스 효과가 함께 작용하면서 잡아당기는 힘과 밀어내는 힘이 균형을 이루어 나타나는 현상입니다.
발견
이를 처음 발견한 것은 1911년 네덜란드의 카메를링 오너스라는 과학자 입니다. 액체 헬륨을 이용한 극저온 실험을 하다 발견한 것인데요. 헬륨의 액화 온도인 4.2K 근처에서 수은의 전기 저항이 갑자기 사라진 것이죠. 즉, 영하 268.8˚의 저온에서 실현 가능하다는 것인데, 문제는 이 현상이 너무 극단적으로 낮은 온도에서만 나타난다는 것입니다. 그래서 이를 상용화 하고 싶어도, 오히려 온도를 극단적으로 낮추고 유지하는 비용이 너무 커서 할 수 없었던 거죠. 그래서 온도를 높이는 연구가 필요했고, 상온·상압에서도 사용할 수 있도록 지금까지도 연구가 지속되고 있습니다. 첫 발견 이후 지금까지 수 많은 연구속에서 수은 외에 다양한 금속에서 초전도 현상이 관찰되고 있습니다. 다만 아직까지도 낮은 온도에서만 현상이 나타나고 있습니다.
- 상온 초전도 현상을 발견했다고 발표된 것들이 있지만, 성공적인 사례는 아직 없습니다. (아쉽게도 한국의 LK-99도 초전도체가 아니라는 쪽으로 의견이 모아지고 있습니다. 정확한 결과는 조금 더 지켜봐야 하겠지만요.)
초전도체가 뛰어난 이유
과학계가 특히 상온 초전도체에 집중하는 것은 바로 무한한 에너지가 가능해 지기 때문입니다. 또한 의료, 운송, 기기 등 다양한 분야에서 응용할 수도 있는데요. 예를 들어 MRI, 자기 부상 열차, 양자 컴퓨터 등이 더욱 좋아지거나 상용화 될 수도 있겠죠. 물론 앞으로 상온 초전도체의 연구는 계속될 것이고, 발견부터 상용화까지는 많은 시간이 필요할 것입니다. 하지만 사용이 가능해 진다면 에너지 부족, 기후 위기 등 인류가 해결해야 할 많은 문제들을 효과적으로 풀 수 있기때문에, 꼭 빠르게 발견되기를 바라봅니다.