상온 상압 초전도체(KF-99)의 개념과 상용화되었을 때의 영향력
상온 상압 초전도체를 국내 연구진과 기업에서 개발했다는 논문을 아카이브에 게재하면서 전 세계가 떠들썩합니다. 초전도체란 무엇이며, 상온 및 상압 기준에서의 초전도체는 어떤 의미가 있는지 그리고 상온, 상압 초전도체가 상용화되었을 때의 영향력에 대해 알아보겠습니다.
상온 상압 초전도체(KF-99) 국내 개발 소식
우리나라 연구진과 기업에서 세계 최초로 상온 상압 초전도체를 개발했다고 해서 세계적으로 논란이 되고 있습니다.
고려대학교 소속 퀀텀에너지 연구소의 연구진이 세계 최초 상온 상압 초전도 관련 논문을 7월 22일 아카이브에 게재하였습니다. 국내에서는 SNS를 통해서 퍼지고 있으며, 주목을 덜 받는 상황입니다. 정식적으로 논문이 게재된 것이 아니기 때문에 전 세계에서 검증을 진행하고 있다고 합니다. 검증이 진행되고 있는 상황도 함께 알아보겠습니다.
또한 7월 28일 퀀텀에너지 연구소는 고려대에서 초전도 에너지를 발표했습니다. 상온 상압 초전도체가 왜 중요하고, 전 세계적으로 관심을 받는 이유를 알아보도록 하겠습니다.
1. 초전도체란
2. 초전도체 현상 발견
3. LK-99
4. 상온 상압 초전도체 사용화의 영향
- 송전 효율
- MRI(자기공명 영상)
- 자기 부상 열차
- 핵융합 발전
- 전자제품
초전도체란
초전도체(Superconductor)는 초전도 현상이나 마이너스 효과가 있는 물체를 말합니다. 한마디로 쉽게 말하자면, 특정 온도에서 갑자기 전기 저항이 0으로 떨어지는 임계 온도를 가지게 되고, 자기장이 방출되면서 외부 자기장이 내부에 침투하지 못하는 마이스너 효과를 가진 완전 반자성의 물체를 의미합니다.
초전도 루프를 통과하는 전류는 심지어 전원이 없어도 무한정 지속될 수 있다고 합니다. 이론적으로는 영구적으로 전기가 통할 수 있다고 합니다.
전기 저항이 0이 된다는 것은 송전 효율 100%, 발열 증상이 없다는 것을 의미합니다. 전기가 통할 때 뜨거워지는 현상은 저항 때문에 발생하는 것인데 전기 저항이 0이기 때문에 모든 전자 제품에서 적용했을 때, 열이 발생하지 않는 물체입니다.
여기서 문제는 초전도체에는 임계 온도가 존재합니다. 일정 온도 아래로 내려가야만 전기 저항이 0이 됩니다. 실제로 MRI(자기공명 영상)에는 초전도체 기술이 가장 많이 쓰이는 제품입니다. 저항을 낮추기 위해서 MRI 기계 내에서 영하 269℃를 유지해야 하므로 촬영 비용이 비싼 원인이 됩니다. 그런데, 임계 온도가 -269℃가 아닌 상온에서 초전도체 물체를 활용한다면, MRI에 더 이상 임계 온도를 맞출 필요가 없어지게 됩니다.
일반적인 물체는 자기장이 통과해서 물체가 뜨지 못하는 원리입니다. 하지만 초전도체는 자기장이 뚫고 지나갈 수 없어서 자기장에 의해서 공중에 뜨는 현상이 나타나게 됩니다. 초전도체를 열차에 적용하면, 자기 부상 열차가 됩니다. 물체가 떠 있으면 저항이 없고 속도와 에너지 효율, 승차감 등이 뛰어나게 됩니다.
초전도체 현상 발견
1911년 네덜란드 물리학자 하이케 카메를 링 오너스 팀이 수은을 연구하다가 -269℃에서 전기 저항이 갑자기 0이 되는 현상을 발견했습니다. 실제로 온도를 내리다 보면 저항이 서서히 줄어들게 되는데 0이 되는 시점을 발견하였습니다.
실제로 최근까지 영하 250℃ 이상에서 초전도 현상을 구현하기 위한 연구를 진행했지만, 실제로 임계 온도를 높이는 것은 구현할 수 없었다고 합니다.
임계 온도는 기압을 높이면 올릴 수 있습니다. 압력을 올려주면 임계 온도가 올라가지만, 여기서 문제는 기압을 몇천 기압에서 몇만 기압으로 만들어야 하므로 영하의 온도를 유지하는 것보다 기압을 올리기가 더 어렵다는 문제점이 있습니다. 그래서 MRI 장비에도 영하의 온도를 유지하는 방식으로 적용되었습니다.
최근까지도 과학계에서는 이상 기체 방정식의 이론을 근거해서 기압과 임계 온도 사이에서 최적의 조건을 찾는 연구들이 지속되고 있었습니다.
국내에서 게재한 논문은 상온의 온도 그리고 상압에서 초전도체 물체를 발견했다는 것이기 때문에 세계적으로 주목받게 된 것입니다.
초전도체에 대해 좀 더 이해하기 쉽도록 정리해서 설명해 드리겠습니다. 초전도체는 전기 저항이 0인 물질을 의미합니다. 전기 저항이 0이라는 것은 에너지 소모가 없다는 뜻입니다. 초전도체 물질과 기술은 1911년 처음으로 발견이 되었는데, 당시에는 영하 269도에서 구현이 되었기 때문에 실생활에서 활용하는 것은 사실상 불가능했습니다. 그래서 100년 동안 과학계에서는 상온, 상압에서 초전도 현상을 구현하기 위한 연구를 진행해 왔습니다. 이런 배경에서 LK-99가 상온과 상압 조건에서의 초전도체 물질이 맞는다면 노벨상 수상이 가능하고, 상용화까지 된다면 인류 역사가 뒤바뀔 것입니다.
LK-99
LK-99는 세계 최초로 상온 및 상압 조건에서도 초전도체라고 주장된 물질입니다. 아직은 논문의 내용이 사실인지에 대한 논쟁이 이어지고 있습니다.
인도 국립 물리 연구소, 중국 둥난 대학교, 중국 베이징 항공 항천 대학교 등에서 연구를 진행했는데, 초전도체가 아니라는 실험 결과로 초전도체 발견에 실패했다는 주장이 전해졌습니다.
하지만, 이상한 점은 세계 각지에 위치한 연구소에서 실험을 진행하고 있는데 그 결과가 모두 다르게 나오고 있습니다. 그런데 이런 상황을 완전히 뒤엎는 연구 결과가 발표되었습니다. 미국 로렌스 버클리 국립 연구소에서 LK-99의 플랫 밴드를 확인했고, 또한 LK-99의 결정 구조도 파악했으며, 상온 초전도가 가능한 방법이자 구조라는 것을 입증하게 됩니다.
세계 연구진의 결과가 다르게 나타나고 있는 이유는 만드는 과정에서 불순물이 섞일 가능성이 높아서 다르게 나온 것이라고 합니다. 로렌스 버클리 국립 연구소의 연구 덕분에 결정 구조의 모형이 제시되고 어느 부위에 구리가 결합해야 하는지도 파악해서 재료 과학과 공학들의 노하우가 총동원될 것으로 전망하고 있습니다.
중국 선양 국립 재료 과학 연구소에서도 LK-99 결정 구조를 파악하고 전자 구조도 분석하는 데 성공했다고 합니다. 그리고 중국 화중 과기대학교에서는 한국의 논문보다도 더 큰 부양 효과를 보이기도 했습니다.
상온 상압 초전도체 상용화의 영향
LK-99가 정말 상온과 상압의 조건에서 초전도가 가능한 물체가 맞고 상용화까지 된다면 어떤 일이 일어나는지 알아보도록 하겠습니다.
LK-99의 상용화는 과장되게 표현한다면 산업혁명 이후 최대의 기술 혁명이 발생하게 될 것입니다. 그 여파를 생각하면 그 이상이 될 수도 있습니다.
송전 효율
오늘날의 전기를 발전소에서 집까지 보내는 과정에서는 매우 큰 손실이 발생합니다. 송전 변전의 전력 손실량을 돈으로 환산하면 우리나라 기준으로 연간 6,732억 원 정도가 발생합니다. 물론 우리나라는 세계 최저 수준의 송배전 손실률을 유지하고 있지만, 초전도체가 상용화된다면 당장 손실량부터 없앨 수 있습니다.
초전도체는 저항이 0이기 때문에 송전 효율이 100%에 근접하게 됩니다. 그렇다 보니 송배전 전압이 높은 이유는 전력 손실량을 줄이기 위한 것인데 지금처럼 매우 높게 유지할 필요가 없어지게 됩니다. 대용량 직류 송전 기술이 더 상장하여 사실상 전 세계를 연결하는 전력망이 구축될 것입니다. 세계의 전력 사용량은 거의 일정하기 때문에 전기가 낭비되는 문제도 거의 해결이 될 수 있습니다. 또한 지금보다 전기 요금도 저렴해질 수 있습니다.
그리고 변전소와 송전탑의 개수가 크게 줄어서 이로 인한 주민들의 반발과 시위도 진정시킬 수 있습니다.
전기 요금 인하로 가솔린, 디젤 차량보다도 전기차를 타고 다니는 것이 더 저렴해지게 됩니다. 그렇기에 많은 사람들은 전기차를 선호하게 될 것이고 기후 온난화 문제와 환경 문제도 개선되는 데 영향을 미치게 됩니다.
MRI(자기공명 영상)
또한 초전도체를 활용하는 것 중에 우리가 가장 흔하게 볼 수 있는 것은 바로 MRI입니다. MRI 촬영을 해보신 분들은 아시겠지만, MRI는 촬영 비용이 비싼 편에 속합니다. 이것은 상당수가 냉각을 위해 사용되는 액체 헬륨 때문에 비싼 것입니다. 만약 상온, 상압 초전도체가 MRI에도 사용된다면 액체 헬륨을 사용해서 냉각할 필요가 없기 때문에 MRI 비용이 아주 저렴해질 수 있습니다.
자기 부상 열차
자기 부상 열차는 궤도와 열차 사이를 전자기력에 의한 반발력으로 띄우고 추진력을 이용하는 방식의 차량을 뜻합니다. 초전도식 자기 부상 열차를 건설하는 비용도 매우 저렴해지고, 훌륭한 대중교통 역할을 해낼 수 있습니다.
초전도식 자기 부상 열차는 고속 제어에 유리한데, 오늘날에도 JR 도카이의 츄오 신칸센이나 한국의 하이퍼 튜브 등의 초고속 열차 기술은 이미 있습니다. 그런데 긴 선로를 극저온으로 유지하기가 너무 어려워서 제작 비용이나 유지 비용이 많이 들었습니다.
하지만 상온, 상압 초전도체가 나오게 되고, 이것을 자기부상열차에 상용화할 수 있다면, 매우 저렴한 제작비와 유지비를 통해서 초고속 열차를 운행할 수 있게 됩니다.
속력이 1,200km/h 정도여서 순식간에 서울과 부산 거리를 400km라고 가정하면, 약 20분 만에 도착할 수 있는 속도입니다. 게다가 매우 저렴한 비용으로 이용할 수 있습니다.
핵융합 발전
핵융합 발전을 통해서 사실상 무한에 가까운 에너지를 얻을 수 있습니다. 핵융합 발전을 쉽게 말하면, 일종의 인공 태양을 만드는 개념입니다. 태양에서 일어나는 핵융합 반응을 지상에서 일으켜서 전기에너지를 얻는 기술입니다.
300만 톤의 석탄을 이용해서 만드는 에너지를 100kg의 중수소와 3톤의 리튬만으로 생산이 가능합니다. 핵융합 연료 1g으로 석유 8톤에 해당하는 에너지를 생산할 수 있습니다.
이처럼 엄청나게 에너지 효율이 높습니다. 그런데 상온 초전도체가 상용화되면, 핵융합 발전에도 큰 도움이 됩니다. 오늘날 KSTAR에서 연구를 진행하고 있는 핵융합 발전 방식이 초전도 토카막입니다. 구멍이 뚫린 도넛 형태 진공 용기에 고온 플라스마를 일으키고 이를 용기 중간에 자기장으로 가둬서 핵융합 반응을 일으키는 것입니다. 그런데 극저온 초전도체를 활용하는 방식이기 때문에 운용도 어렵고 유지 비용도 엄청납니다.
상온, 상압 초전도체를 사용하면, 훨씬 저렴하게 핵융합 기술 개발이 가능해지게 됩니다. 그래서 핵융합 발전이 가지고 있던 경제성 문제나 운용의 어려움이 해결됩니다. 그리고 이렇게 핵융합 발전이 상용화된다면, 기상 이변 문제를 해결할 수 있습니다. 태양광처럼 연료 고갈의 걱정이 없고, 원자력 발전보다 성능은 좋은데, 방사능도 나오지 않는 안전한 발전이 주를 이루게 되기 때문입니다.
전자제품
초전도체는 전기 저항이 0이기 때문에 발열이 없어집니다. 대부분의 전자제품을 오랫동안 사용했을 때, 뜨거워지는 현상은 전기 저항 때문입니다.
대부분의 전기, 전자 제품에는 발열을 해결하기 위해 냉각 역할을 할 수 있는 기능을 탑재하는데, 더 이상 필요치 않습니다. 이런 영향으로 전자제품의 수명도 증가하게 됩니다. 모든 설비가 전력의 효율성이 극대화되는 방향으로 발전되기 때문에 모든 분야에서 비용이 절감되는 효과가 발생합니다.
또한 컴퓨터의 CPU, GPU의 효율과 성능이 극대화될 수 있습니다. 발열 걱정이 없기 때문에 가용한 기술력의 최대 한계치까지 극한의 성능을 낼 수 있게 됩니다. 또 과전류가 생기지 않다 보니 전기 화재 사고도 줄어들게 됩니다.
물론 상온 및 상압 초전도체가 개발되었다고 해서 상용화가 바로 된다는 것을 의미하지는 않습니다. 상용화까지는 상당한 시간이 걸리기는 하겠지만, 상온 및 상압 초전도체로 인해서 우리의 문명 자체가 한 단계 업그레이드된다는 것은 분명한 사실입니다. 우리 생활에 많은 변화를 가져다줄 수 있습니다.