상온 초전도체 개발의 연구 현황과 미래 전망

상온 초전도체란 무엇인가?

상온 초전도체는 0 °C 이상의 일상적인 온도에서 초전도 현상을 보이는 물질을 의미한다. 초전도 현상은 어떠한 임계 온도 이하에서 전기 저항이 없어져 전류가 아무런 손실 없이 흐르고 외부 자기장과 반대방향의 자기장을 형성하는 반자성(Diamagnetism)의 특성이 나타나는 것을 발한다. 현재까지 발견된 초전도체들은 대부분 극저온(-196°C 등)에서만 작동하기 때문에 실용화에 어려움이 있었지만, 상온 초전도체가 개발된다면 에너지, 컴퓨터, 의료 등 다양한 분야에서 엄청난 변화를 가져올 것으로 기대된다.

 

한국 연구팀이 개발했다고 주장하는 상온 초전도체 LK-99 (출처: 연합뉴스)

 

상온 초전도체의 중요성

상온 초전도체가 개발된다면 그 파급성은 어마어마할 것이다. 우선 우리가 사용하는 전력 전송에서 손실이 사라지게 되어 에너지 효율이 극대화될 것이다. 따라서, 에너지 생산, 전송, 소비에서 전력에 대한 손실이 줄어든다는 것을 의미한다. 

 

빠른 전기 회로 구현을 통해 컴퓨터의 속도도 극적으로 향상할 수 있다. 컴퓨터뿐만 아니라 상상으로만 존재하던 혁신적인 전자 기기의 개발도 가능할 것이다. 극저온 환경에서 구현해야 하기 때문에 상용화가 어려웠던 자기 부상 열차, 초전도 MRI, 핵융합 기기 등에 바로 적용이 가능할 것이다. 

 

핵융합 발전에 적용되는 초전도 자석의 예, 한국의 인공태양 KSTAR (출처; 한국핵융합에너지연구원)

 

상온 초전도체 연구의 현황

상온 초전도체는 1911년 초전도 현상 발견 이후, 오랫동안 과학자와 공학자들의 목표이자 꿈으로 남아있다. 아래는 상온 초전도체 개발과 관련된 연도별 연구 현황 및 진행사항이다. 

 

연도	주요 연구 결과	추가 정도
2000	산소 도핑된 IIa형 다이아몬드의 표면에서 상온 초전도 현상 관측	명확한 마이스너 효과 및 저항 소실 증명 부족
2007	수소화 팔라듐(PdHx: x>1)에서 260 K (−13 °C; 8 °F)에서 초전도 현상 관측	타 연구진에 의해 확증되지 않음
2012	흑연 분말을 정제수 처리하여 300 K (27 °C; 80 °F) 이상에서 초전도 현상 관측	명확한 마이스너 효과 및 저항 소실 증명 부족
2014	특정 물질(이트륨 바륨 구리 산화물(YBCO))에 적외선 레이저를 이용하여 상온에서 초전도 현상 유도	재현성 검증 필요
2015	다이아몬드 모루 셀 기술을 이용하여 H3S에서 203 K (−70 °C)에서 초전도 현상 관측	-
2018	금-은 나노구조물질에서 상압 상온 초전도 현상 관측	결과 의심, 타 연구진에 의해 검증되지 않음
2018	란타늄화 십수소(H10La)에서 260 K (−13 °C)에서 초전도 현상 관측	2019년 공식 인정, 최고 전이온도 250 K (−23 °C)
2020	황화수소화 탄소에서 288 K (15 °C; 59 °F)에서 초전도 현상 관측	2022년 게재 철회, 통계적 방법 문제점 지적
2021	이트륨-팔라듐-히드론 층상물질에서 262 K (−11 °C; 12 °F)에서 초전도 현상 관측	-
2023	질소 도핑된 수소화 루테늄에서 294 K (21 °C; 70 °F)에서 초전도 현상 관측	2022년 네이처 지 철회된 연구와 동일 연구자, 연구 진위 의심
2023	LK-99 개발 및 상압 상온 초전도성 주장 LK-99는 구리(Cu)가 첨가된 납(Pb) 아파타이트(Apatite)이며, 370K (97°C)까지 초전도 특성을 보인다는 보고	과학 전문가들의 회의적인 반응, 데이터 문제점 및 이론 모델 논란
2024	김현탁 박사가 미국 물리학회(APS)에서 LK-99 후속인 PCPOSOS를 발표하며, 상온 상압 초전도성 주장.	-

 

완전 공주 부양한 PCPOSOS (1600배 확대) (출처 : SCT Lab 영상 캡쳐)

 

상온 초전도체 개발 과제

상온 초전도체 개발은 여전히 많은 과제를 안고 있다. 현재까지 발표된 상온 초전도체는 대부분 극한의 압력 또는 낮은 온도에서만 작동한다. 실용화를 위해서는 상온 상압에서 작동하는 물질을 개발이 필요하며, 이는 매우 높은 기술적 난제이다.

 

또 다른 과제는 재현성 확보이다. 일부 연구 결과는 다른 연구팀에서 재현되지 못했다. 연구 결과의 재현성은 과학적 신뢰도를 확보하기 위한 필수적인 요소이다. 다양한 연구팀에서 동일한 결과를 얻을 수 있을 때, 그 연구 결과의 신뢰도를 높일 수 있을 것이다.

 

인류는 아직까지 상온 초전도체의 작동 메커니즘을 완전히 이해하지 못하고 있으며, 대량 생산기술도 개발되지 않았다. 이는 상온 초전도체 개발의 가장 큰 과제이다. 작동 메커니즘에 대한 명확한 이해는 새로운 초전도체 물질 개발, 기존 물질의 성능 개선에 도움이 될 수 있을 것이다. 아래와 같이 격자 구조와 결합 구조에 따라 초전도 현상이 나타나므로 이러한 원인과 이론적 배경에 대한 연구가 필수적이다. 

 

(왼쪽)황화수소의 결정 격자 구조, (오른쪽) 약 영하 13 °C에서 초전도 현상을 보인 란타넘 수소화물의 결정 격자 구조) (출처 : 사이언스)

 

상온 초전도체 개발 방안 및 미래 전망

상온 초전도체를 개발을 위해서는 새로운 초전도체 물질의 개발하거나 기존 물질의 성능을 개선하는 연구가 필요하다. 기존의 상온 초전도체 물질의 경우, 압력이 높거나 온도가 낮기 때문에 초전도 현상이 일어나는 압력을 낮추거나 온도를 높이는 연구가 필요할 것이다.

 

이러한 현상에 근원을 이해하기 위한 메커니즘에 대한 연구도 병행되어야 한다. 초전도 현상에 대한 정확한 이해를 바탕으로 물질 개발을 진행하고 이를 바탕으로 실용화를 위해 상온 초전도체 물질의 대량 생산을 가능하게 하는 기술 개발이 필요할 것이다. 

 

공중에 떠다니는 한강 세빛섬(합성사진 밈(Meme))(출처 : 그래픽 비즈니스포스트)

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상온 초전도체 개발은 쉽지 않지만, 과학적 탐구와 기술 발전의 지속적인 노력을 통해 극복하다. 모두가 관심을 가지고 정부, 기업, 연구기관의 협력을 통해 상온 초전도체 개발을 가속화하고, 꿈의 물질을 현실로 만들 수 있을 것이다.

 

초전도 현상에 대해 관심 있는 사람은 아래의 글을 참고하길 바란다. 

 

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