요즘 전 세계를 흔드는 화제의 키워드가 있는데요, 바로 ‘꿈의 물질’로 불리는 ‘상온 상압 초전도체’ 입니다. 최근 국내의 민간 연구소가 과학계 난제 중 하나인 ‘상온 초전도체, LK-99’를 합성했다고 주장하면서 전 세계 외신이 주목하고 주식시장에서는 초전도체 관련 주식들이 초급등했었습니다만, 지금까지도 여러가지 진위 논란은 계속되고 있습니다.
그런데 최근 양자 컴퓨팅 서비스 기업인 테라 퀀텀의 연구진이 양자 과학 저널 ‘어드밴스트 퀀텀 테크놀로지(Advanced Quantum Technologies)’에 흑연의 상온 초전도성 연구 논문을 게재하고 상온 초전도체를 흑연에서 발견했다고 발표해서 이슈가 되고 있습니다.
흑연의 실온 초전도성 발견
현지 시간으로 2024년 1월 25일 퀀텀 인사이더(Quantum Insider)와 영국의 과학전문매체 IFL사이언스(IFLScience) 등에 따르면, 테라 퀀텀 연구진이 이탈리아 페루자 대학 및 스위스 과학기술연구원과 함께 주도한 연구를 통해 ‘고배향성 열분해 흑연’의 실온 초전도성을 발견했다고 공식 발표했습니다.
양자 컴퓨팅 서비스 기업인 테라 퀀텀(Terra Quantum)의 연구진은 양자 과학 저널 ‘어드밴스트 퀀텀 테크놀로지(Advanced Quantum Technologies)’에 흑연의 상온 초전도성 연구 논문 ‘Global Room-Temperature Superconductivity in Graphite’을 게재하고 이 흑연은 ‘고배향성 열분해 흑연(Highly Oriented Pyoytic Graphite)’으로 알려진 특수한 형태의 흑연으로, 그 안에 있는 결정이 특별한 방식으로 정렬돼 있어 초전도체 특성을 갖게 된다고 말했습니다.
연구팀은 흑연 샘플을 얇게 쪼개어 주름을 발생시키고, 이 주름의 기하학적인 구조로 인해 전기가 특별한 방식으로 흐를 수 있게 되었고 주름에서는 쿠퍼쌍이 형성되어 초전도 현상이 일어나며, 이는 상온에서도 300K(27°C 또는 80°F)에서 발생한다고 주장합니다.
발레리 비노쿠르(Valerii Vinokur) 테라 퀀텀 최고 기술 책임자는 “동화로만 보던 희망이 현실이 됐다”며 이 연구는 “인류가 수은에서 초전도성을 처음으로 관찰한 이후 약 100년 동안 기다려온 실험적 발견”이라고 말했습니다.
마르쿠스 프플리치(Markus Pflitsch) 테라 퀀텀 CEO는 “이번 발견은 초전도 기술의 눈부신 발전을 향한 문을 열어준다”며 “상온 초전도성은 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 발전을 위한 관문이 될 것”이라고 말했습니다.
특히, 양자 컴퓨팅 분야에서는 상온에서 동작하는 큐비트(QUBIT)의 등장으로 양자 컴퓨터의 성능 향상, 초고속 슈퍼컴퓨터와 자기공명영상장치(MRI) 등 의료기기 제조 비용이 크게 낮아지게 될 것이라고 합니다.
초전도 현상이란?
초전도 현상(Superconductivity)이란 어떤 물질이 적절한 조건 하에서 물질의 전기저항(Electric Resistance)이 0으로 완전히 사라지는 현상과 자기장을 밀어내는 완전 반자성(Perfect Diamagnetism) 특성을 갖게 되는 현상을 말합니다.
전기 저항이 0인 것 뿐만 아니라 주변 자기장을 완전히 상쇄하는 완전 반자성(마이스너 효과)이 존재해야 초전도체라고 할 수 있습니다. 이는 어떤 물질이 저항을 갖지 않고 전기 전류를 거의 손실 없이 흘릴 수 있는 상태로 변하는 것을 말합니다.
전기 저항을 제로(O)로 만드는 초전도 현상은 1911년 네델란드의 과학자 H. 카메를링 오네스에 의해 처음 발견되었습니다. 그는 수은의 전기 저항을 측정하는 실험을 하다가 절대 온도 4.2K(영하 268.8℃)에서 전기 저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견했습니다.
액체 헬륨으로 냉각함으로써 수은의 전기 저항이 사라지는 현상을 발견했고 이후에도 다양한 물질들에서 이러한 현상이 관찰되어 이러한 물질들을 ‘초전도체’라고 부르게 되었습니다.
그러나 현재 기술 수준으로는 최소 섭씨 영하 200도 이하의 초저온과(보통 액체 헬륨 냉각기를 사용하여 -200도 아래까지), 일상적인 대기압의 수십만~수백만 배 초고압이라는 특별한 조건에서만 구현이 가능하다고 알려져 왔습니다. 매우 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 실제 응용에는 제한적이고 온도를 매우 낮추는 것은 비용과 기술적인 어려움이 있기 때문에 과학자들은 높은 온도에서도 초전도가 나타날 수 있는 신규 물질을 찾거나, 초전도 상태를 높은 온도에서도 유지할 수 있는 방법을 연구해 왔습니다.
초전도체의 작동원리
초전도체는 특정 온도에서 전기 저항이 사라지고, 전기 전류가 손실 없이 흐를 수 있는 상태가 되는데요, 이는 아래의 두 가지 주요 원리에 의해 설명됩니다.
- 쿠퍼 페어링(Cooper Pairing): 양자역학의 개념 중 하나인 “쿠퍼 페어링”은 초전도체의 핵심적인 작동 원리입니다. 일반적인 전자의 행동과는 달리, 저온에서 특정 물질 내의 전자들은 짝을 이루어 쿠퍼 페어라는 새로운 상태로 결합합니다. 이 쿠퍼 페어는 서로 반대 방향으로 움직이는 두 전자가 양자역학적으로 결합한 것입니다. 쿠퍼 페어는 이동하면서 다른 원자와 상호 작용하지 않고도 움직일 수 있는 상태를 갖게 됩니다. 이것이 전기 저항이 없는 초전도의 주요 원리 중 하나입니다.
- 마이스너 효과(Meissner Effect): 초전도체는 자기장 내에서도 특이한 성질을 보입니다. 초전도체가 자기장에 노출되면, 자기장은 초전도체 내부로 들어가려고 합니다. 그러나 초전도체 내부에서는 쿠퍼 페어링과 관련된 양자역학적 효과로 인해 자기장이 배제됩니다. 이로 인해 초전도체 내부는 자기장이 없는 영역이 되는데, 이것을 “물질 내의 자기장 배제” 또는 “마이스너 효과(Meissner Effect)“라고 부릅니다.
이 두 가지 주요 작동 원리로 전기 전류와 자기장을 손실 없이 흘릴 수 있는 상태가 됩니다.
그러나 초전도체를 동작시키기 위해서는 극저온 상태를 유지해야 하므로 현재까지는 온도 제어 및 냉각 시스템에 대한 기술적 한계를 가지고 있습니다.
초전도체의 활용
초전도 현상은 다양한 과학적 연구와 응용 분야에서 중요한 역할을 하는데요, 전기 손실이 거의 없이 전류를 전달할 수 있는 특성 때문에 고효율 전력 전송, 자기공명영상(MRI), 초전도 자석, 현재보다 2배 빠른 초고속 자기부상 열차 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
아래는 초전도체의 활용 예시를 알아보겠습니다.
- 초전도 자석: 초전도체의 주요 응용 중 하나는 강력한 자기장을 생성하는 초전도 자석입니다. 초전도체로 만들어진 자석은 전기 저항이 없기 때문에 매우 강력한 자기장을 생성할 수 있습니다. 이러한 초전도 자석은 핵자기 공명영상 (MRI), 입자 가속기, 핵융합 장치 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
- 전력 전송 및 분배: 초전도체를 사용하여 전력을 전송하거나 분배하는 시스템을 개발할 수 있습니다. 우리가 이용하는 전기는 송전 중에 4~5% 정도가 사라진다고 합니다. 이런 문제를 해결할 수 있는 방법은 없는데요, 초전도 기술을 더한 케이블이 사용된다면 전기 전류를 거의 손실 없이 집안에서 받아 쓸 수 있게 됩니다.
- 자기부상 열차 (Maglev Train): 초전도체의 마이스너 효과를 이용하여 자기부상 원리를 활용한 열차 시스템인 자기부상 열차가 개발될 수 있습니다. 초전도체는 내부의 자기장을 밀어내는 성질을 가지고 있어 자석 위에 떠오르는 자기부상 현상을 나타내므로 이 시스템은 레일과 초전도체 간의 자기 상호작용을 이용하여 접촉 없이 떠다니는 열차를 구현할 수 있습니다.
- 과학 연구 및 실험: 초전도체는 고에너지 물리학 연구, 고체물리학 실험, 양자역학 연구 등 다양한 과학 분야에서 사용됩니다. 초전도체의 독특한 특성은 다양한 물리 현상과 연구 주제를 탐구하는 데 활용됩니다.
- 의료 분야 (MRI): 자기공명영상 (MRI)은 의료 진단에 활용되는 중요한 기술로, 초전도자석을 사용하여 강력한 자기장을 생성하여 더욱 선명한 화질로 인체의 내부를 볼 수 있게 해줍니다. 이전 촬영기기보다 부작용이 없다는 장점을 가지고 있습니다. 처음 초전도체가 발견된 후 MRI가 상용화되기까지는 약 100년의 시간이 걸렸습니다.
- 에너지 저장: 초전도체는 에너지 저장 분야에서도 관심을 받고 있습니다. 초전도자들은 전기 에너지를 저장하고 전기 그릇으로 사용할 수 있습니다.
- 양자 컴퓨팅: 양자컴퓨팅은 초전도체를 사용하여 양자 비트를 구현하는 데에 활용될 수 있습니다. 초전도체의 양자적 특성을 활용하여 미래의 계산 및 문제 해결에 활용할 수 있는 기술 분야입니다.
흑연관련 주식종목
국내 주식시장에 초전도체 관련하여 그래핀, 흑연 관련 종목들이 다시 한번 영향을 받을 것 같은데요, 아래 종목들은 투자에 참고하시기 바랍니다.
- 상보 : 흑연을 가공해서 만드는 그래핀 제조업
- 크리스탈신소재 : 흑연광석 신소재 개발, 중국 허난성 시촨현을 방문해 흑연광산 인수합병 진행
- STX : 아프리카 모잠비크에 위치한 카울라 광산과 흑연 생산권 및 판매권을 확보
- 태경비케이 : 국내에서 인조 흑연 2차전지 음극재 핵심소재 공급중
- 아이텍 : 가평 흑연 광산 인수 추진중
- 그 밖에 아이엠티, 엑사이엔씨, 엘엠에스, 이엔플러스, 경동인베스트, 웹스, 대창 등이 있습니다.
마치며
정말 상온에서 초전도체 특성을 갖는 흑연이 발견되었다고 하면 전기를 사용하는 모든 기술에 획기적인 변화를 가져올 것이라고 생각되는데요,
지금까지 그 누구도 제대로 정복하지 못한 ‘꿈의 물질’인 상온 상압 초전도체 연구 논문이 과연 사실일지 그 검증 결과가 무척 기다려집니다!
기술이 상용화되어 에너지 손실 없는 고효율 송전, 의료 분야에서 전례 없는 진단 정확도를 제공할 MRI, 초고속 자기부상열차, 그리고 전자 제품의 소형화등, 초전도체가 열어 줄 수 있는 새로운 혁명의 시대가 오길 기대해봅니다!