상온 초전도체 상용화될까 초전도체 뜻 원리 활용분야(마이스너효과, 고려대학교 초전도체 논문발표)

초전도체 뜻과 원리

목차

초전도체란?

초전도체는 특정온도 이하에서 전기적인 저항이 0이 되는 물질을 의미합니다. 초전도체는 네덜란드의 물리학자인 오너스에 의해 1911년에 처음 발견되었습니다. 일반적인 전기 저항은 온도가 내려가면 점차 감소하지만 초전도체는 기준온도인 초전도 전이온도 이하로 떨어지면 저항이 0이 되어 전류가 흐르는데 방해가 없는 완전 도체가 됩니다.

 

금속은 원자들이 다양한 형태의 결정구조를 이루고 있습니다. 전자는 구조의 빈 공간 사이를 이동하고 이를 전류라 부릅니다. 전류가 흐름에 따라 발생하는 에너지를 전기라고 합니다. 원자 배열 구조에 따라 전자의 이동이 방해받기도 하며, 온도가 상승한다면 원자들이 활발하게 진동 또는 이동하여 전자의 이동을 방해하고 저항이 증가하게 됩니다.

 

온도에 따른 저항 공식

위 공식을 살펴보면 R은 금속의 저항, R0는 기준온도 20도에서의 저항값을 의미합니다. 이때 저항값인 R은 단위면적 당 저항인 비저항으로 치환하여 동일한 수식 적용이 가능하며 주변에서 사용하는 물질에 따라 각기 다른 저항값을 갖고 있기 때문에 전기가 흐르는 가전제품, 반도체 등을 만드는데 지표로 삼기도 합니다.

 

초전도체는 저항이 특정온도 이하에서 0이 되는 현상이 특징이지만 이러한 도체의 전도성뿐만 아니라 외부에서 가해지는 자기장을 밀어내는 마이스너 현상도 중요한 특징입니다. 초전도체는 우리나라에서 1000만 관객을 동원한 아바타라는 영화에서도 등장하며 인간들이 나비족의 행성을 찾아가 싸우는 이유도 초전도체인 언옵테늄 채굴을 위해서입니다.

영화 아바타

마이스너 효과란?

초전도체의 전도성뿐만 아니라 가장 중요한 특징은 마이스너 효과입니다. 마이스너 효과는 자기장을 밀어내는 현상을 의미하며 초전도체를 임계온도 이하로 냉각해 자석을 초전도체 위에 놓으면 초전도체와 자석이 서로 반발하여 공중에 떠오르게 됩니다. 이러한 현상은 초전도체 표면에 발생한 초전류로 인해 자기장이 발생하고 자석에서 발생하는 자기장을 상쇄하여 서로 반발하기 때문입니다.

출처: 위키디피아

고려대학교 초전도체 논문발표

기존에 알려진 초전도체 기술은 다양한 물질에서 발견할 수 있었지만 현재의 기술력으로는 영하 200도 이하 또는 초고압에서만 유도할 수 있었습니다. 이로인해 상용화가 매우 어려운 상황이었지만 최근 고려대학교에서 발표한 상온 초전도체에 대한 논문은 상온과 상압에서도 초전도체를 구현할 수 있는 가능성을 제시하여 큰 화제가 되었습니다.

고려대학교 초전도체 관련 논문

논문에 기재된 실험 내용은 납과 인회석의 결정구조인 LK-99에 대한 내용으로 납과 인산염의 절연구조에 들어있는 납 이온을 구리로 치환한 뒤, 압력을 가하면 초전도체 현상이 나타난다는 내용입니다.

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발표된 논문은 사실일까?

발표된 논문이 큰 화제가 되면서 학계에서는 다양한 의견이 나왔습니다. 전 세계의 연구실에서는 논문을 바탕으로 실험결과를 재현하려고 시도하고 있는 한편, LK-99에 사용된 납과 구리는 비슷한 구조로 압력을 가하더라도 전기적인 특성에 영향을 주지 않는다는 부정적인 의견도 존재합니다.

 

이미 초전도체에 대한 논문은 몇차례 게재된 적이 있고 관련된 논문을 바탕으로 노벨상을 수상하는 등 상용화를 위한 다양한 시도가 이루어졌습니다. 만약 고려대학교에서 발표한 논문이 사실이라면 인류의 기술은 극도로 발전할 수 있기 때문에 논문의 사실여부가 매우 중요한 상황입니다.

출처: 게티이미지

 

결론부터 말씀드리면 현재 아카이브에 사전게재된 논문은 100% 완성형이 아니며 연구진 중 한 명이 완성되지 않은 논문을 임의로 게재했다고 밝혀졌습니다. 논문 발표로 인해 급하게 진행된 발표회에서 진행된 검증에서는 마이스너 현상이 제대로 나타나지 않았으며 아직 변인에 대한 통제가 완벽히 이루어지지 않은 모습을 보였습니다.

 

하지만 논문 자체가 거짓인 것은 아니며 초전도체의 특성은 어느정도 보이기 때문에 밝혀진 실험방법을 가지고 전 세계의 연구실에서는 실험이 진행 중이라고 합니다.

초전도체 활용분야

전 세계가 초전도체에 주목하는 이유는 인류가 사용하는 거의 대부분의 기술을 진보시킬 수 있는 가장 중요한 소재이기 때문입니다. 실생활과 가장 밀접한 전기는 발전소에서 만들어진 전기를 송전탑을 거쳐 전선을 통해 수용가로 보내게 됩니다. 하지만 장거리 전력송전의 경우 저항으로 인해 전력손실이 발생하기 때문에 실제로 필요한 양보다 더 많은 전기를 보내야만 합니다.

 

하지만 초전도체를 통해 전기를 송전한다면 전력손실이 없어지기 때문에 필요한 만큼만 전력을 보낼 수 있고 송, 변, 수전에 관련된 설비들도 소형화되거나 필요가 없어질 수 있어 전기요금이 절감되는 등 다양한 경제적 효과를 유발할 수 있습니다.

 

뿐만 아니라 저항이 없다는 건 열이 발생하지 않는다는 이야기로 핸드폰, 컴퓨터 등에 들어가는 반도체 등이 소형화될 수 있다는 것을 의미하며 성능 또한 압도적으로 진보할 수 있습니다.