<뉴스브릿지>'LK-99'를 둘러싼 논란…초전도체란 무엇인가?

[EBS 뉴스]

서현아 앵커 

최근 한 기업에서 상온에서 작동하는 초전도체를 개발했다는 주장이 나와서 세계적인 관심을 끌었는데요. 

하지만 이 물질이 초전도체가 아니라는 연구 결과도 잇따르면서 논란이 거셉니다. 

과학계의 오랜 꿈인 상온 초전도체가 무엇인지 이효종 과학 커뮤니케이터와 알아보겠습니다. 

선생님 어서 오세요.

유리와 같은 물질은 보통 전기가 통하지 않지만 구리와 금과 같은 금속은 전도성이 뛰어나다고 알려져 있습니다. 

그런데 아무리 이렇게 전도성이 좋은 물질이라도 전류가 흐르는 동안은 저항이 생기게 되고 이 과정에서 에너지가 손실되는 사례가 잇따르고 있는 거죠.

이효종 과학커뮤니케이터 

네 그렇습니다. 

전기를 전달하는 물질들은 대부분 전기의 흐름을 방해하는 저항이라고 하는 것이 존재하는데요. 

도선의 저항은 전기에너지의 흐름 즉 전달을 방해해서 이것을 말씀해 주셨던 것처럼 열에너지로 손실시켜버립니다. 

그런데 인류는 저항이 전혀 없는 물질 즉 저항이 완벽하게 '0'인 물질을 지금으로부터 약 100년 전에 발견해냈습니다. 

우리는 이와 같은 물질을 초전도체라고 부릅니다.

서현아 앵커 

그러니까 이 초전도체는 전기의 흐름이 방해를 받지 않거나 손실되지 않는 그런 물질을 나타내는 건데 그런데 최근 이 초전도체 때문에 전 세계 과학계가 아주 뜨거웠죠.

이효종 과학커뮤니케이터 

맞습니다. 

돌풍의 중심에 있는 물질이 LK-99라는 이름의 새로운 재료인데요. 

논란이 되고 있는 이유는 LK-99가 일상 조건 즉 상온 상압에서 초전도 현상을 보인다는 사실 때문입니다. 

그러나 아쉽게도 유명 과학 학술지인 네이처(Nature)에서는 LK-99가 초전도체가 아닌 것으로 보인다고 하는 의견을 내놓았는데요. 

오늘은 이와 같은 이슈 속 중심에 있는 물질인 초전도체라고 하는 것이 무엇인지에 관한 이야기를 간단하게 준비해 보았습니다.

서현아 앵커 

요즘 과학계 아주 뜨거운 감자입니다. 

이 응집 물질 물리학자들이 여기에 대한 견해를 발표하고 있기도 한데요. 

이게 어떤 분야입니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

응집 물질 물리 또는 영어로는 Condensed Matter Physics라고 부르는 이 학문은, 단어의 뜻 그대로 응집, 즉 뭉쳐 있는 벌크 상태를 연구하는 학문을 말합니다. 

현대물리학의 주요 성과들 중 하나인 양자역학은, 물질 세계를 구성하는 가장 기본이 되는 입자들의 특성을 알면, 거대한 물질 세계의 특성을 우리가 보다 더 잘 이해할 수 있을 것이라는 기대를 연구 철학으로 삼고 있는 학문입니다.

그러나 우리의 물질 세계에서는 종종 입자 개별의 특성을 잘 이해했음에도 불구하고, 입자들이 다 같이 모여 있는 상태에서 상호작용을 통해서 나타나는, 또는 입자와 환경의 특성에 의해서 나타나는 현상을 설명하지 못하는 사례들이 종종 나타나곤 합니다. 

게슈탈트 심리학자들의 유명한 말인, 전체는 부분의 합보다 크다라고 하는 말이 있습니다. 

이 말이 가장 잘 어울리는 학문이 바로 응집 물질 물리학인 것이죠.

원자 하나하나가 모여서 만든 그 커다란 벌크는, 그 원자들 각각의 특성을 합친 것보다 훨씬 더 뛰어난 특성을 나타내고, 이와 같은 특성을 지니는 벌크 자체를 우리가 연구의 출발점으로 삼는 것이 응집 물질 물리학의 접근 방법입니다. 

그리고 오늘의 주인공인 초전도체가 바로 이런 응집 물질 물리학 중에 연구한 대상 중에 하나인 것이죠.

서현아 앵커 

초전도체에 대한 연구는 100년 전으로까지 거슬러 올라간다고 하는데, 자세한 설명 부탁드리겠습니다.

이효종 과학커뮤니케이터 

초전도체는 전기저항이 '0'인 물질을 말하는데요. 

전기저항이 0이라는 말은, 초전도체로 만든 회로는 전기를 흘려도 전혀 저항이 없기 때문에, 열이 발생하지도 않고, 에너지 손실이 없다는 것을 의미합니다. 

사상 최초의 초전도체가 1911년에 네덜란드의 과학자인 헤이커 오너스에 의해서 알려지게 되었습니다. 

다양한 조건에 따른 여러 금속 물질의 저항을 측정하던 실험을 그가 하던 도중에, 영하 약 269℃에서 수은의 전기 저항이 극도로 낮아지는 것을 오너스가 확인했고, 이런 현상을 초전도 현상이라고 명명을 하게 됨으로써 밝혀지게 되었습니다. 

1913년에는 영하 약 266℃에서 납이 초전도체 성질을 나타내는 것을 257℃에서 질화나이오븀(NbN)의 초전도성을 1941년에 또 발견함으로써 여러 가지 초전도체들이 나타나기 시작했습니다.

서현아 앵커 

과학자 오너스는 초전도 현상을 발견한 공로를 인정받아 노벨상까지 받았는데요. 

이후에는 어떤 연구들을 했습니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

최초의 초전도 현상이 발견된 이래로 약 45년 동안 뚜렷한 이론이 등장하지 않다가, 비교적 이 현상을 잘 설명한 모델이 1957년에 존 바딘 그리고 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼에 의해서 등장을 했습니다. 

간단하게 원리를 설명해보자면, 도체 내에서 전기에너지를 전달하는 매개체는 저희가 전자라고 알고 있는데요.

고전 전자계약에 따르면 전자는 둘 다 마이너스극을 띠기 때문에 서로를 밀어냅니다. 

일반적인 도체에서의 움직이는 전자들은 서로가 당연히 서로를 밀어내겠죠. 

또 도체를 이루는 원자액과 원자액은 플러스이기 때문에 무질서적으로 서로 당기는 상호작용을 하고 있습니다. 

바로 이런 현상 때문에 저항이 나타나는 것이고, 이 때문에 회로에서 열이 발생하는 것인데요. 

놀랍게도 초전도체 내부의 원자액은 어떤 명확한 이유를 알 수 없는 그 특징 때문에, 매우 규칙적이면서도 고유한 떨림을 만든다는 것이 알려졌습니다.

이 떨림 사이를 지나치는 전자가 주변에 있는 핵들을 잠깐 끌어들이고, 그러면서 핵이 순간적으로 모여들면서 플러스 전하의 밀도를 잠깐 증가를 시킵니다. 

이렇게 되면 밀도가 증가한 원자에게 플러스 전하에 의해서 마이너스의 성질을 가지고 있는 전자가 인력에 의해서 이제 딸려 들어가게 되는데요. 

이것을 이제 밖에서 볼 때는 앞의 전자가 뒤에 전자를 끌어당기는 것과 같은 모습으로 보이게 되는 것입니다.

그래서 이렇게 만들어진 전자의 쌍을 저희가 '쿠퍼 쌍'이라고 부릅니다. 

바로 이 쿠퍼쌍에 의해서 초전도 현상이 일어난다고 설명하는 이론이 바로 이니셜 발견자들의 이름을 따서 BCS 이론이라고 부르고 있습니다.

서현아 앵커 

그런데 이 BCS 이론에 한계가 있다는 말도 있던데 어떻습니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

사실 이것은 지금까지 제시된 이론 중에 가장 초전도체 현상을 설명할 수 있는 설득력이 높은 이론이지 정말 초전도 현상이 그렇다면 BCS 이론에 의해서만 나타나는 것인지에 대해서는 여전히 과학자들 사이에서 논의가 이뤄지고 있는 부분이고요. 

이 때문에 응집 물질 물리학을 연구하는 학자들은 여전히 초전도 현상이 정말 이것이 왜 일어나는 것인지에 대해서 끊임없이 지금도 연구를 하고 있습니다.

서현아 앵커 

그러니까 정리하면 여전히 초전도 현상이 왜 일어나는지는 입증이 되지 않았다 이렇게 볼 수 있겠네요.

이효종 과학커뮤니케이터 

네 그렇습니다. 

일반 전기 전도체와는 차별적인 초전도체가 가진 특성들이 있는데요. 

첫 번째는 어느 특정 임계 온도에서 전자가 말씀드렸던 '쿠퍼 쌍'을 형성할 조건이 되어서 저항이 0이 되어버리는 이것을 초전도 현상이라고 하고요. 

다음으로는 초전도체 아래에 자석과 같은 자기장을 띤 물체가 놓여져 있을 때, 자기장이 바깥으로 뻗어나가는데 그 영향이 초전도체 내부로 진입하지 못하는 현상이 나타납니다. 

이것을 우리가 마이스너 효과라고 하고요. 

중력을 거스르는 듯한 부여하는 효과 또는 자기장 근처에 매달리는 효과가 나타나게 됩니다. 

또는 절연체를 두어서 '쿠퍼 쌍'이 양자 터워링할 때 나타나는 효과가 또 있거든요. 

이걸 우리가 '조셉슨 효과'라고 부르는데요. 

이런 효과들을 이용해서 우리가 초전도를 사용하고 있습니다.

초전도체 효과는 앞서 소개한 BCS 이론에 의해서 마이스노효과는 저항이 '0'이 된 초전도 물질 주변에 자기장선의 변화가 생길 때, 초전도체 내부에 유도전류가 손실 없이 형성되고 이로 인해서 발생한 자기장이 외부 자기장을 초전도체 내부로 침투하지 못하도록 만든다는 설명으로 독일의 물리학자 마이스너와 로버트 오션펠트에 의해서 설명되었으며, '조셉슨 효과'는 초전도를 일으키는 투퍼상의 터널링 효과를 이론적으로 예측한 영국의 물리학자인 브라이언 조셉슨에 의해서 예측되고 발견되었습니다.

서현아 앵커 

이 상온 초전도체 관련된 연구에 이렇게 많은 과학자들이 매달고, 또 주식시장까지 들썩이고 하는 데는 분명히 이유가 있을 것 같은데요. 

개발에 성공한다면 전기산업의 혁명을 가져올 것이다라고 하던데 어떻습니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

그럴 수밖에 없는 것이 일단 저항이 '0'인 도체가 바로 초전도체지 않습니까? 

그래서 대부분의 전력수송망에 만약에 상온상압 초전도체가 나오게 된다면 사용할 수 있을 것 같아 보입니다. 

그러나 현재 상용화되고 있는 이런 저온 초전도체들은 대부분 저온인 상태 그러니까 끊임없이 영하 약 260℃ 근처 이 정도의 조건을 유지해줘야만 초전도 현상이 나타나는 납-나이오븀 합금 이런 소재들이 대부분이기 때문에, 냉각 설비를 설치하지 못하는 곳 또는 유지하기가 어려운 곳에서는 초전도체의 특성을 사용할 수가 없는 것이 지금의 한계입니다. 

전력수송망이 초전도체를 지금 사용하지 못한 이유가 바로 이런 초저온을 유지해야 하는 문제가 발생하기 때문입니다.

서현아 앵커 

그러니까 결국 초전도체의 상용화를 위해서는 임계온도를 높이는 것이 중요한 과제이겠습니다. 

그렇다면 현재 초전도체는 어떻게 쓰이고 있습니까?

이효종 과학커뮤니케이터 

오늘날의 초전도체가 응용되는 기술은 사실 아주 강한 자석을 만들기 위한 소재로서 주로 한정적으로 사용되고 있습니다. 

초전도체의 강력한 자석을 이용해야지만 할 수 있는 연구 그리고 실생활에 사용할 수 있는 기술이 존재하고 있기 때문인데요. 

대표적으로 우리나라의 한국핵융합에너지연구원의 KSTAR의 TOKAMAK을 초전도 사용 예시로 저희가 꼽아볼 수 있을 것 같습니다.

핵융합을 일으키기 위해서는 엄청나게 빠르게 움직이는 플라즈마를 진공 챔버 안에 안정적으로 가두는 기술이 필요한데요. 

이를 위해서는 막대한 자기력을 가지고 있는 자석을 만들어야 되기 때문에 이것을 초전도체로 만들어서 사용하고 있습니다. 

거대과학연구소에서도 초전도체가 물론 사용됩니다. 

예를 들면 세르의 초대형 입자 가속기 LHC, Large Hadron Collider라고 하죠.

그래서 여기에서도 입자를 거의 빛의 속도 가깝게 가속을 시켜야 되기 때문에 막대한 양의 전자기장을 만들어줘야 되고 그렇기 때문에 초전도체가 반드시 사용이 돼야 합니다. 

마찬가지로 원리를 가지고 있는 의료기관의 영상 장치인 MRI 같은 경우에도 굉장히 큰 자석을 만들어야 합니다. 

우리 몸 안에 물 분자를 흔들 수 있을 만큼 막대한 양의 자기장을 만들어야 되기 때문에 역시 여기에서도 초전도체가 사용이 돼야 합니다.

매우 강력한 자석을 위해서 초전도체를 사용하지만 물론 다른 응용도 있습니다. 

양자 컴퓨터들 중에서 초전도체를 이용해서 양자 컴퓨팅 기술을 하는 초전도 큐빗으로 초전도 컴퓨터를 하는 양자 컴퓨터가 있거든요. 

이때 사용되는 소자가 바로 '조셉슨 소자'인데요. 

초전도체의 특성인 '조셉슨 효과'를 위해서 만들어졌기 때문에 여기서도 초전도체가 사용이 됩니다.

서현아 앵커 

말 그대로 아직은 꿈의 물질이지만 많은 연구진들이 최선을 다해서 노력하는 한 언젠가는 이 꿈에 다가설 수 있으리라고 기대를 해봅니다. 

오늘 말씀 잘 들었습니다.