퀀텀에너지연구소에서 발표한 상온 초전도체와 관련된 논문이 엄청난 이슈를 일으키고 있다. 초전도체가 도대체 무엇이고 어디에 사용하길래 이렇게 난리일까? 초전도체가 무엇이고 이것을 어디에 활용하는지를 한번 알아보자.
먼저 초전도체가 무엇이고 어떤 특성을 가지는지를 알아보고 어떤 분야에서 활용할 수 있는지를 알아보자.
초전도체
초전도체는 특정 조건에서 전기 저항이 완전히 사라지는 현상을 나타내는 물질을 말한다. 이러한 물질을 전류를 거의 손실없이 전달할 수 있어 매우 효율적인 전기 전도체로 작용한다. 또한 초전도체는 마이스너 효과가 나타나서 자기장을 밀어내는 특성도 가지고 있다.
현재는 매우 극저온의 온도 (약 -269도) 에서만 초전도 현상이 일어날 수 있다. 극저온의 온도를 유지하는 비용이 매우 크기때문에 일반적으로 활용하기가 쉽지 않다.
하지만 상온에서 초전도 현상이 가능한 상온 초전도 물질이 있다면 극저온을 유지하는 비용이 필요없고 활용성도 더 쉬워져서 다양한 분야에 활용할 수 있는 길이 열리는 것이다. 상온 초전도체만 있다면 전기와 자기를 활용하는 모든 산업에 활용될 수 있는 것이다.
마이스너 효과(Meissner Effect)
초전도체 물질이 자기장 안으로 들어갈때 자기장을 튕겨내는 현상을 말한다. 공간 안에 자기장이 있고 초전도체가 자기장 안으로 들어가려고 하면, 마치 미끄러지는 것처럼 자기장을 밀어내려고 한다. 이런 현상이 일어나서 자기장이 초전도체 안으로 들어가지 못하게 막아버리게 되고 결과적으로 초전도체 안에서는 거의 자기장이 사라지게 된다.
이렇게 마이스너 효과는 초전도체가 자기장을 피해가려고 하는 것처럼 보이는 현상인데 이런 특성을 활용하면 강력한 자기장을 만들거나 사용할 때 효율적으로 활용할 수 있다. 예를 들어 의료 분야에서는 마이스너 효과를 이용해 MRI (자기공명영상) 기기를 만들어서 신체 내부를 촬영할수 있다.
초전도체 활용 분야
현재 초전도체를 어느 분야에서 어떻게 활용하고 있는지 알아보고, 만약 상온 초전도체가 개발된다면 어떻게 발전할 수 있는지를 알아보자.
MRI
MRI는 자기 공명 영상이라는 기술로 우리 몸안의 이미지를 촬영하는데 사용한다. 이때 초전도체가 사용되면 MRI의 성능이 향상되고, 더 정확하고 선명한 이미지를 얻을 수 있다.
MRI 기계 안에는 강력한 자기장이 필요한데, 초전도체는 이 강력한 자기장을 만드는데 사용한다. 일반적으로 전기를 흐르게 하면 열이 발생하는데, 초전도체는 전기를 거의 손실 없이 전달하기 때문에 강력한 자기장을 만들 때 열로 인한 에너지 손실이 적다. 더 중요한 것은 초전도체를 사용하면 자기장을 더 강력하게 만들 수 있다는 점이다. 이렇게 강력한 자기장을 만들면 MRI가 더 선명하고 빠르게 이미지를 찍을 수 있게 되어 의사들이 더 정확한 진단을 내릴 수 있도록 도와주는 것이다.
현재 MRI는 냉각을 위해 액체헬륨을 사용하는데 액체헬륨의 비용이 비싸서 MRI 촬영 비용이 비싼 것이다. 상온 초전도체가 개발된다면 MRI 장비의 복잡도가 감소하고 촬영비용도 줄어들 수 있다.
자기부상열차
궤도와 열차사이를 전자기력에 의한 반발력으로 띄워서 운행하는 열차이다. 띄워서 운행하므로 마찰력이 줄어 고속운행이 가능한 미래형 열차이다. 다양한 방식의 자기부상열차가 있고 세계 각지에서 연구개발 및 운행을하고 있다. 우리나라도 1989년부터 자기부상열차 연구개발에 투자하기 시작하였으며, 2016년 2월 3일 인천공항1터미널역에서 용유역 사이를 잇는 자기부상열차 노선을 개통하였으나 수익성 악화로 현재는 운행 중단 상태이다.
상온 초전도체를 활용한다면 철도 건설 및 운행 비용을 줄일 수 있어서 자기부상열차의 상용화가 더욱 가속화될 것이다.
호버보드
영화 백투더퓨터(Back to the future)를 봤다면 호버보드에 대한 강렬한 기억이 있을 것이다. 바뀌없이 공중에 떠서 움직이는 스케이트보드이다. 2015년 렉서스에서는 초전도체를 이용해 이것을 실제로 구현해내었다. 주어진 특수한 환경에서만 가능하지만 영화의 장면이 실제로 실현되었다는 모습에 굉장히 감명깊은 장면이었다.
핵융합
핵융합은 가장 이상적인 에너지 생산방식으로 많은 양의 에너지를 생산할 수 있고 오염도 없는 차세대 에너지이다.
핵융합을 이용한 에너지 생산은 태양과 같은 원리이다. 2개의 가벼운 원자핵이 합쳐져 무거운 원자핵을 만들 때 엄청난 에너지가 발생하는 원리이다. 이러한 핵융합 반응을 지구에서 제어하려면 엄청난 온도와 압력이 필요한데 이때 강력한 자기장을 사용한다.
초전도체는 강력한 자기장을 만들기 위해 중요한 재료이다. 핵융합 장치에서는 초전도체로 만든 코일을 사용하여 강력한 자기장을 생성한다. 이러한 자기장은 핵융합 반응을 통제하고 플라즈마라 불리는 높은 에너지 상태의 가스를 안정적으로 유지시키는데 사용된다.
초전도체로 만든 코일은 전기를 흐르게 함으로써 강력한 자기장을 생성하는데, 초전도체는 전기를 거의 손실 없이 전달할 수 있기 때문에 이 자기장을 유지하는데 효율적이다. 현재 초전도체는 낮은 온도에서 동작해야 하기 때문에 핵융합 장치는 매우 저온 환경을 만들어야 한다.
간단히 정리하면 초전도체는 핵융합 장치에서 강력한 자기장을 만들고 유지하는데 사용되며, 이는 핵융합 반응을 제어하고 관리하는 데 필수적인 역할을 한다.
따라서 상온초전도체가 가능해진다면 핵융합모듈의 소형화가 가능해지고 경제성이 올라가서 이는 곧 에너지 산업 전체의 변화와 발전을 가져올 수 있는 것이다. 영화 아이언맨에서 가슴에 알고있는 아크원자로가 바로 핵융합 발전을 이용한다는 설정이다.
전선
초전도체는 저항이 거의 0이므로 전선에 이용하면 전류를 이동시키는데 손실이 사라져 발전소에서 가정으로 에너지를 송전하는데 효율이 거의 100%에 가까워지게 된다. 우리나라에서는 높은 수준의 초전도 케이블 기술을 가지고 있으며 2019년 초전도 케이블을 이용한 송전을 세계최초로 상용화하는데 성공하기도 하였다.
상온 초전도체가 개발된다면 초전도 케이블 송전에 비용이 감소하고 송전 효율이 극대화되어 에너지 효율성을 최대로 높일 수 있게 된다.
초전도 에너지 저장 체계
SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) 라고 하며 전기저항이 0인 초전도체에 전류를 흘려 자기에너지 형태로 에너지를 저장하는 방식을 말한다. 에너지를 초전도 자석에 저장하기 때문에 효율이 높고 충전/방전을 빠르게 할 수 있으며 반영구적 수명과 친환경적 특성으로 인해 차세대 최첨단 에너지 저장기술로 불리운다. 우리나라에서도 한국전기연구원에서 1995년부터 SMES 개발을 위한 기반 기술을 확보하여 연구 개발을 시작하였다.
상온 초전도체가 개발된다면 상온에서도 쉽고 효율적으로 에너지를 저장할 수 있는 배터리가 가능해져서 관련된 수많은 산업이 발전할 수 있는 기반 기술이 될 수 있다.
집적회로
컴퓨터나 전자기기에는 모두 회로가 사용된다. 당장 우리가 매일 사용하는 스마트폰만 하더라도 수많은 회로가 들어있고 핵심 회로인 CPU의 성능이 스마트폰의 성능을 좌우한다. 그런데 이 회로들은 모두 저항으로 인해 열이 발생하고 그로인해 성능의 제약이 생긴다. 전기저항이 0인 초전도체를 이용한다면 열이 발생하지 않으므로 회로의 성능을 올릴 수가 있게 된다.
양자컴퓨터
특히 양자컴퓨터에서는 초전도체가 중요한 역할을 한다. 양자컴퓨터에서 정보의 최소단위는 양자 비트 또는 큐비트로 저장되는데, 초전도체가 양자 비트를 만들고 생성하고 제어하며 양자 연결과 상호작용을 도와주는 역할을 한다. 이를 통해 양자컴퓨터는 복잡하고 강력한 계산을 수행한다.
현재는 극저동 환경에서 초전도체가 동작하므로 양자컴퓨터를 극저온으로 유지하기 위한 부수적인 장치와 비용이 필요하다. 상온 초전도체가 개발되면 양자컴퓨터 발전에도 가속이 붙어서 지금까지와는 차원이 다른 컴퓨터들이 개발될 것이고 컴퓨팅의 새로운 시대를 열게 될 것이다.
마무리하며
이렇게 초전도체는 이미 다양한 분야에서 연구하고 활용하고 있다. 하지만 아직은 극저온이라는 환경이 필요해서 쉽게 이용하기가 어려운 상황이다. 그래서 상온에서 동작하는 초전도체를 개발하기 위해 전세계에서 활발한 연구를 진행하고 있는 것이다.
만약 상온 초전도체가 개발된다면 정말 인류 역사를 한단계 진보시킬 수 있는 전환점을 찍을 수 있는 것이다. 에너지와 컴퓨터 산업을 비롯하여 기반 산업의 발전이 이루어지고 기반 산업의 발전이 곧 산업 전반으로 확대되어 우리의 삶을 더 발전시키고 편리하게 바꿀 수 있다.
국내 연구진 개발 초전도체 LK-99 관련주
국내 연구진에 의해 LK-99라는 상온 초전도 현상이 일어나는 새로운 물질을 개발했다는 논문이 아카이브에 발표되어 전세계가 관심을 가지고 있다. 아직은 검증이 필요한 단계이지만 만약 성공
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