■ KIST 슈퍼컴퓨터, LK-99 상온 초전도체 검증 완료 성공!

[녹차]

■ KIST 슈퍼컴퓨터, LK-99 상온 초전도체 검증 완료 성공!

★ 한국과학기술연구원(KIST)은 슈퍼컴퓨터 5호기를 이용해서 LK-99 상온 초전도체 검증 성공을 끝냈다. 하지만, LK-99 국제 학술지 정식 논문 심사가 현재 진행되고 있는 상황이고, 논문 심사 완료 때까지 언론 엠바고(Embargo 보도 제한)가 걸려 있기 때문에, 검증 성공 내용을 언론에 전혀 발표하지 못하고 있는 상황이다. ★ "인류의 위대한 3대 발견은 불. 전기. 초전도체 3가지이다!" 라고 일부 과학자는 말하고 있는 상황이다 . ★ LK99 1차원 상온 초전도체 결정 구조물을 선별해서 박막으로 만들면, 상온 초전도체가 상용화 되는데, 퀀텀연구소 비공개 특허 내용에는 박막을 만드는 제조 기법이 담겨져 있다. 기상 증착 (VD. vapor deposition) 방식을 통해서 박막 형태로써 초전도체 물질 함량을 증가시키는 방법을 이미 개발했고, 그것을 비공개 특허 등록했다. 퀀텀연구소는 비공개 특허 1개, 공개 특허 3개를 이미 보유하고 있다 .

★ 영국 임페리얼 칼리지(Imperial College)는 상온 초전도체 LK-99 연구 결과를 발표했는데, “LK-99의 저항이 구리 저항 보다 1/100,000 낮은 것을 확인했다!” 라고 발표했다. ★ 네이처(Nature) 학술지 "초전도체 아니다" 사이비(似而非) 기사는 초전도성을 재현 하지 못한 연구자들의 경험을 적어서 모은 것이다. 그런 기사 내용은 귀담아 둘 필요가 없다. ★ 미국 윌리엄앤드메리 (William & mary) 대학 김현탁 교수 역시 과거에 박사 과정일 때, 현재의 저널 논문에 발표된 제조법에 따라 두 사람이 매일 샘플 만들었고, LK99 결정을 제대로 다시 만드는 것에 성공하는 데에 1년 6개월 걸렸다. 그러니까, 아직 초전도 특성을 보지 못한 과학자들은 더 노력해야 한다. 향후, LK-99 순도를 높이는 기술 개발 및 대량 생산하는 제조 공정을 더 개발할 필요가 있다.

★ 한국 에너지 공대 (전남 나주) 연구진은 국내에서 개발된 신물질 LK-99 샘플 결정 구조가 논문에 제시된 결정 구조와 같다는 사실을 확인했다. 에너지 공대는 퀀텀 에너지 연구소가 만든 LK-99 샘플을 받아 연구 중인 유일한 외부 기관이다. LK-99 샘플에 대한 X선 회절 구조 분석 결과, 논문에 제시된 것과 샘플의 미세 결정 구조가 같다는 사실을 확인했다. 미세 결정구조를 보면, 물질의 물성을 확인하지 못해도 가능성을 추정할 수 있다. LK-99 분석을 위해 X레이로 미세 결정 구조를 확인한 결과, 퀀텀 에너지 연구소 측이 논문에서 밝힌 결정 구조와 샘플에서 확인되는 결정 구조가 같았다

★ 미국 앤드류 맥칼립(Andrew McCalip) 연구소는 상온 초전도체 LK-99 재현에 성공했다. 그리고, 마이스너 효과를 통해서 초전도체 물질 재현에 성공했다. ★ 퀀텀 에너지 연구소는 오래 전에 LK-99 물질을 개발했다. 하지만, 처음에는 LK-99 물질에 부산물이 많아서 순도가 떨어지고 재현성이 낮았다. 그 후, 기술 개발을 통해서, 6년간 순도 수준을 최대한 끌어올리는 기술을 개발했다. 해외 연구진이 LK-99 샘플 제작에 성공하기도 하고 실패하기도 했다. LK-99 제조 특성이나 내부 구조 차이는 천차만별인데, 그것은 세라믹 화합물의 특성 때문이다. 세라믹 화합물은 만드는 과정이 도자기 굽는 과정과 비슷하다 보니, 같은 재료를 사용해도 만드는 사람에 따라 결과물에 차이가 있다는 것이다. LK-99 논문에 담기지 않은 퀀텀 에너지 연구소 회사만의 노하우가 따로 있다고 한다.

★ 스타트업 보나 사피엔스 (Bona Sapiens) 김인기 대표는 “LK-99는 상온 초전도체 맞다. 그리고, 새로운 강자성체 맞다. 구리가 결정의 어느 납의 위치에 들어갔느냐로 결정의 종류가 달라진다. 누구나 이 물질을 잘 구웠으면, 바늘 같은 미세 결정립이 나와야 하고, 이들이 섞여 있는 상태가 실제 얻게 되는 샘플이다. 납 인회석에서 납의 위치에 구리가 어떻게 치환되느냐에 따라 상온 초전도체, 강자성체, 부도체가 된다.” 라고 말했다.

★ 미국 윌리엄앤드메리 (William & mary) 대학 김현탁 교수는 “LK-99에는 초전도상(Diamagnetism 반자성)과 초전도가 아닌 다른 상이 서로 섞여 있다. 앞으로 기술 개발을 통해 다른 상을 얼마나 제거하느냐가 관건이다. 초전도상이 있는 것은 확실하다. 메커니즘을 보면, 금속에서 초전도로 전이될 때 불연속 점프가 관측된다. 전기 저항 0은 초전도가 아닌 다른 상이 있으면 보기 어렵다. 0과 어떤 값을 평균하면, 0이 되지 않는 것과 같은 것이다. LK-99에 섞여 있는 다른 상을 없애면, 전기 저항 0이 가능하다. 매우 좋은 샘플에서 저항 0까지 측정됐다. LK-99에서 원하는 초전도체만 얻고, 상용화 단계로 나아가려면, 대규모 자본과 제조 능력이 필요할 것이다.” 라고 밝혔다.

★ 한양대 오근호 명예교수는 “구리가 매우 신비한 물질이다. 요동치는 성질이 매우 강하다. LK-99 합성 과정에서 구리가 제자리에 딱 들어가야 한다. LK-99 화학식은 같더라도 열 처리가 중요하다. 우리가 하는 방식대로 꼭 그렇게 해야 한다. 외부 연구진이 그 방법을 터득하려면, 1년은 걸릴 것이다. 그러나, 그 과정에서 우리가 만든 공정보다 더 나은 공정이 나올 가능성도 있을 것이다. 탄소가 큐브 (입방정계) 결정 구조일 때 다이아몬드가 되고, 육방정계 결정 구조일 때 흑연이 된다. 그와 같이 LK-99도 원료인 납, 구리, 인이 산소와 결합해 아파타이트(Apatite. 육각 기둥 모양으로 원자 배열이 반복된 형태) 구조를 가진다. 이때 구리는 첨가제로 미량 들어간다. 납 아파타이트의 납 위치에 구리를 미량 첨가하면, LK-99가 만들어지는데, 구리는 납 보다 이온 크기가 작아서 치환될 때, 아파타이트 결정 구조가 찌그러진다. 구리가 너무 많으면 아파타이트 구조가 깨져 다른 물질이 되고, 구리가 납의 다른 위치에 들어가도 찌그러지는 현상은 일어나되 초전도성은 없다. 구리가 정확한 위치에 치환되는 것이 중요하다. 아파타이트 결정 구조가 찌그러질 때 전자가 튕겨 나와 초전도 전자가 형성돼야 초전도체가 된다" 라고 말했다.

★ 퀀텀 에너지 연구소 연구진은 LK-99 물질이 상온 초전도체 특성을 갖는 요인을 두가지로 분석했다.

1) 첫째 : 납, 구리, 인이 산소와 결합한 아파타이트 (Apatite. 육각 기둥 모양으로 원자 배열이 반복된 형태) 구조의 납 자리에 구리가 치환되어 들어가서 절연체 금속 전이 (insulator metal transition)가 일어나면서 부피가 수축된다는 것이다. 원자 치환으로 인해 납 아파타이트(Apatite) 결정 부피가 응축하면서 원자 간의 거리가 축소 변형된다. 그 결과, 구리 원자 사이에 터널 전류가 발생하면서 초전도 현상이 일어난다.

2) 두 번째 : 상온 온도 범위에서 초전도 응축이 발생해서 구리·산소·구리를 연결하는 1차원 사슬 구조에 변형이 발생하면서 반발성 쿨롱 (Coulomb) 상호 작용이 강화된다. 쿨롱 상호 작용은 전기적 성질을 띠는 두 물질 사이에서 작용하는 힘의 일종이다. 1차원 사슬 구조 변형 때문에 상온 초전도 현상이 발생하는 것이다.

■ 상온(常溫) 초전도체, 1999년 세계 최초 개발 스토리!

● 한국 과학자, 25℃ 이상 상온 초전도체 세계 최초로 만들었다.

2023년 07월 22일, 한국 과학자들이 전기 저항이 사라지는 초전도(超傳導) 현상을 섭씨 25℃ 이상의 상온(常溫)에서 구현했다고 발표했다. 초전도체 “LK-99” 물질을 만드는 방법도 논문 사전 공개 사이트인 ‘아카이브(arXiv)’에 자세히 공개했다. 퀀텀에너지연구소 (고려대 창업 기업) 이석배 대표 및 김지훈 연구소장, 그리고, 한양대 오근호 명예교수, 고려대 권영완 교수 연구진은 25℃ 이상 상온(常溫) 상압에서 초전도성을 갖는 납. 구리. 인회석 (인산염 광물) 기반 물질을 세계 최초로 만들었다고 발표했다. 이번 연구에는 한국전자통신연구원(ETRI) 책임연구원 출신인 김현탁 미국 버지니아주 윌리엄 앤메리 대학 교수도 참여했다. 초전도체는 전기 저항이 0인 물질이며, 전기 저항이 0이라는 것은 전기가 흐를 때에 에너지 낭비가 없다는 이야기이다. 특히, 상온 상압 초전도체는 현대 재료 과학과 응용 물리학의 '성배'(聖杯)로 꼽힌다. 전자기(電磁氣)로 움직이는 인류 문명의 폭발적 진화를 가져올 것으로 기대를 모으는 기술이다. 양자 컴퓨터, 핵융합 발전, 초고속 자기 부 상열차, 전자 센서 등등에 활용 범위가 무궁무진하다.

★ 한국 연구진은 자신들의 초전도체 “LK-99” 물질이 자석 위에서 공중 부양되는 “마이스너 효과”(Meissner effect)를 동영상으로 공개했다. 마이스너 효과(Meissner effect)는 초전도체가 자기장이 완전히 사라진 상태이기 때문에, 초전도체를 일반 자석 위에 두면, 공중에 떠오른다. 초전도체가 되면, 초전도체 물질 내부에 침투했던 자석의 자기장이 밖으로 밀려나기 때문이다. 초전도체 내부에는 자기장이 생길 수 없다. 당연히 자석의 자기장에 저항력을 발휘하고, 자석 위로 밀려나서 공중에 뜨게 된다.

★ 초전도체 LK-99 연구에 참여한 미국 윌리엄앤드메리대 김현탁 교수는 2023년 08월 03일 언론 인터뷰에서 “LK-99의 반자성 데이터가 흑연 그래파이트(graphite) 보다 훨씬 크게 나온다. 초전도 현상으로 밖에 설명이 되지 않는다” 라고 주장했다. 퀀텀에너지연구소 관계자의 말에 따르면, “상온 초전도체 100% 확실하다. 1,000번 실험 반복해서 결과를 얻었다! 고(故) 최동식 고려대 명예교수의 1994년 상온 초전도체 이론 정립 이후, 20-30년간 초도전체를 연구해왔다” 라고 말했다.

● 퀀텀에너지연구소는 2008년 고려대 이론물리화학연구실 출신들이 설립한 고려대 벤처 창업 회사이다. 초전도체 ‘LK-99′의 이름은 이석배 대표와 김지훈 연구소장의 성(性)에서 각각 따왔으며, 99는 이 물질을 처음으로 발견한 1999년을 뜻한다. 또 다른 저자 중 한 명인 한양대 오근호 명예교수는 회사 기술 고문이다. 논문은 이석배 대표의 스승인 고려대 화학과 고(故) 최동식 명예교수의 이론을 바탕으로 한다. 고(故) 최동식 교수는 LK-99와 같은 물질의 초전도 가능성을 주장했지만 실제로 제조한 적은 없고, 학계 인정도 받지 못했다. ★ 1994년, 고(故) 최동식 교수는 상온 초전도체 이론을 완성했다. ★ 1999년, 고려대학교 최동식 교수 연구실에서 비전임 교수 이석배와 대학원생 김지훈이 신물질 LK-99를 만들었다. “1999년, 상온 초전도체 LK99 물질을 우연히 만들었다. 그런데, 그것을 다시 재현해서 합성하는데, 꼬박 3년이 걸렸다!” 라고 한다. ★ 2017년, 고(故) 최동식 교수는 제자들에게 “상온 초전도체의 완벽한 제조 기술이 만들어지기 전에는 세상에 공개하지 마라!” 라는 유언을 남기고, 세상을 떠났다. ★ 2020년 물질 특허를 등록했고, 2023년 04월 상표 등록을 마쳤다. 그리고, 2023년 07월 22일 논문을 통해서 세상에 공개했다. 회사 홈페이지에는 “세계 최초로 상온·상압 초전도체를 개발했다” 라며, 특허 기술과 원료. 소재를 통해 수익을 벌어들이겠다는 비즈니스 모델을 소개하고 있다. 회사는 상온 초전도와 관련한 특허도 여러 개 출원한 상태이다. LK-99 개발에 참여한 김현탁 미국 버지니아주 윌리엄 앤메리대 교수는 “기본적인 제조 방법은 세상에 공개했지만, 또 다른 특허 노하우가 있다” 라고 말했다.

● LK-99는 어떤 물질인가? 연구진은 세 단계를 거친 후, LK-99를 만들었다고 논문에 썼다. 새로운 물질을 발견하는 방법 중에는 입자 보강, 섬유 보강, 화학 기상 침착, 용융 침투, 경화, 적층, 굽기 등이 있는데, 기존 과힉계에서 잘 사용하지 않는 '굽기' 방식을 채택했다. '굽기' 방식은 다양한 변수가 많아서 과학자가 의도하는 결과를 얻기가 어렵다. LK-99 상온 초전도체 제작 과장은 3단계 굽는 과정이 필요했다.

1) 첫 번째, 산화납과 황산납 분말을 섞은 뒤, 725℃에서 24시간 가열해서 황산화납을 만들었다.

2) 두 번째, 구리와 인 분말을 혼합해서 550℃로 48시간 가열해서 인화구리를 제조했다.

3) 세 번째, 황산화납과 인화구리를 1대1로 섞은 뒤, 고진공 상태의 챔버(chamber)에서 925℃ 5-20시간 (평균 10시간) 구워서 만들었다.

그 결과, 납을 기반으로 하는 아파타이트(apatite)라는 구조가 만들어졌는데, 비대칭적인 구조 형태를 보였다. 아파타이트(apatite) 구조는 육각 기둥의 모양으로 원자가 배열이 반복된 형태이다. 원래, 아파타이트(apatite) 구조가 납 원자 10개로만 만들어지면 대칭 구조를 갖는다. 하지만, 납 일부 원자가 구리로 바뀌면서 형태가 일그러진 것이다. 그 결과, 부피가 0.48%가 줄며 수축이 일어났고, 그 결과로 초전도 현상이 나타났다. 납 일부를 구리로 대체하는 도핑 (doping, 불순물을 추가해 전기적 특성을 조절) 과정 때문에, 물질 내에서 자연적으로 발생하는 납 원자의 긴 사슬을 왜곡했다. 초전도 현상은 이러한 1차원 채널을 따라서 발생한다는 것이다. 연구진은 이렇게 만들어진 초전도성 물질에 ‘LK-99′이라는 이름을 붙였다. 연구진은 LK-99를 시험한 결과, 전기 저항이 없고, 반자성을 띠는 등 초전도체로 확인됐으며, 이런 초전도체 특성은 섭씨 126.85℃까지 유지됐다고 밝혔다.

■ 퀀텀에너지연구소가 논문 사전 공개 사이트인 아카이브(arXiv)에 상온 초전도체 LK-99 논문 전체를 공개해버린 것은 '지식 재산권' 보호를 위한 차선책이며, 실제로는 매우 중요한 2가지가 이유가 있기 때문이다.

★ 1) 첫 번째, 반자성 효과를 측정해 보니까, 좋은 샘플의 경우에는 흑연(graphite) 보다 5,450배, 좀 나쁜 샘플의 경우는 22.7배, 약 23배 정도 크게 나타났다. 그것의 순도가 불안정하기 때문에 마이스너 현상(Meissner effect) 실험에서 완전히 부상한 것이 아니라 아직 비스듬하게 부상한다. 완전히 부상하려면, 순도를 높이는 후속 연구가 더 필요하다. 그래서, 한국 에너지 공과대학 (전남 나주)과 공동 연구를 진행 중이다. 한국 에너지 공과대학 (전남 나주)은 LK-99의 샘플을 확보해서 분석을 계속 진행하고 있다. 한국 에너지 공과대학은 LK-99를 공개한 퀀텀에너지연구소와 2023년 05월 24일 초전도체 연구 개발 관련 협약을 체결했다. 2017년부터 퀀텀에너지연구소의 연구 과정을 계속 지켜봤고, 2023년 05월 협업 연구 가치가 있다고 판단해서 협약을 맺은 것이다. 한국 에너지 공과대학의 LK-99 전체 분석 결과는 2023년 12월 나올 예정이다.

★ 2) 두 번째, 상온 초전도체 LK-99 제작 아이디어와 원리 개념에 대한 권리를 퀀텀에너지연구소가 갖고 있다는 ‘지적 재산권’ 깃발을 미리 꽂았다는 것이다. 상온 초전도체 정식 논문 게재를 위해 동료 평가(peer review) 등을 거치면, 적어도 1-6개월 이상 걸릴 수도 있다. 요즘, 기술 발전 속도가 굉장히 빨라졌는데, 이같은 절차를 밟다가 다른 논문이 재빨리 나와 버리는 경우가 적지 않기 때문이다. 설령, LK-99가 상온상압 초전도체가 아니라 할지라도, 기존 소재들이 갖는 특성들을 능가한다면, 새로운 발견된 ‘신물질’ 활용도가 있을 수 있다.

■ 1993년 09월, 고려대학교 최동식 교수는 ISB (Inter Atomic Superconducting Band) 이론을 제시했다. 마이스너 현상(Meissner effect)이 일어나지 않더라도 '초전도'만 일어나면, 초전도체 물질로 봐야 한다. 용도에 맞게 물질을 따로 개발해서 사용하면 된다는 것이다. 하지만, 당시에는 마이스너 효과(Meissner effect)가 꼭 있어야 한다는 고정 관념이 있었기 때문에 묵살되었다. 1994년 05월 17일, 고려대 최동식 교수는 고려대학교 출판부를 통해 "초전도 혁명의 이론적 체계" 라는 책을 출판했다. ★ 1994년 09월 08일, 기초과학지원센터 서울분소에서 개최된 "초전도 이론 검증 실험 결과 발표회"에서 최동식 교수는 "상온 이상에서도 초전도체를 만들 수 있는 이론적 틀을 수립했다" 라고 주장했다. ★ 1999년, 고려대학교 최동식 교수 연구실에서 비전임 교수 이석배와 대학원생 김지훈이 신물질 LK-99를 만들었다. 다만 제조 공정이나 원리가 정립되지는 않았다. 설령, LK-99가 상온상압 초전도체가 아니라 할지라도, 기존 소재들이 갖는 특성들을 능가한다면, 새로운 발견된 ‘신물질’ 활용도가 있을 수 있다. ★ 이석배는 고려대 정식 교수에 임용되지 못했고, 동국대학교 겸임교수로 전산학을 가르쳤다. ★ 김지훈도 고려대 박사를 졸업한 뒤, 배터리 연구에 투신하여, 아이셀텍(iseltek)이 세계 보청기용 배터리 산업의 강자로 자리잡는 데에 큰 역할을 했다. ★ 2004년, 김현탁 교수는 금속 절연체 전이 (MIT, Metal Insulator Transition)에 대한 새 이론을 제시했다. 56년간 현대 물리학의 미해결 과제로 남아 있던 '절연체가 금속이 되는 현상'에 대한 설명이었다. 당시에는 인정을 못 받았고, 2005년 한국물리학회 응집물질 물리분과 위원회 박사들은 '사기'라고 폄하하기도 했다. 하지만, 김현탁 교수는 구체적 실험으로 증명하여 2007년 사이언스에 게재하며 인정받게 되었다. 이후, 그는 2022년까지 한국전자통신연구원에서 "MIT창의연구센터" 센터장을 맡았다. ★ 2008년 07월 01일, 이석배가 고려대학교 산하 창업 기업인 “퀀텀에너지연구소”를 설립했다. ★ 2017년 05월 06일, ‘상온 초전도체’ 이론의 바탕인 최동식 교수가 별세했다. 최동식 교수는 “ISB (Inter Atomic Superconducting Band) 이론과 LK-99에 대한 연구를 계속 이어가되, 완벽한 이론이 만들어지기 전까지는 세상에 티내지 말라!” 라는 유훈을 남겼다. ★ LK-99의 순도를 높이기 위해서 디스플레이 반도체 제조 공정이 필요했고, 박막 적층 연구를 하는 오근호 한양대학교 화학과 교수와 협력하게 되었다. ★ 권영완 고려대학교 교수의 LG 디스플레이 연구와 유사성이 있어 공동 연구를 시작했다. ★ 2020년 07월 22일, 특허 "초전도체를 포함하는 저저항 세라믹 화합물 (Ceramic composite with low resistance including superconductors)"을 출원했다. ★ 2021년 09월 01일, 김현탁 교수는 "초전도 현상의 임계 온도를 저온에서 상온까지 모두 설명할 수 있는 이론", “초전도체 통합 이론”을 만들기 시작했다. 김현탁 교수는 자신의 “초전도체 통합 이론” 증명에 전념하고자 2022년 한국전자통신연구원을 그만두고, 영국 윌리엄 & 메리 대학교 교수 자리로 이동했다. ★ 2023년 05월 초, 김현탁 교수는 LK-99 상온 초전도체가 자신의 “초전도체 통합 이론”의 입증체 그 자체라고 보고, “퀀텀에너지연구소” 연구팀에 합류했다.

★ 2023년 07월 31일, 미국 국립 로렌스버클리연구소 시네아드 그리핀 연구원은 논문에 나타난 정보를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 실시했다. 한국 연구진이 만든 LK-99 물질 구조에서 구리 원자가 납 결정 구조로 침투해서 납 원자를 대체함으로써 납 결정이 변형되고 0.5% 수축하는 현상을 시뮬레이션했다. 그 결과, 물질의 전자 구조에 변화가 일어나서 초전도 현상이 일어날 수 있는 전자의 조건과 위치가 형성될 수 있음을 확인했다.

★ 2023년 08월 01일, 중국 화중과학기술대학교 연구팀은 한국 연구진이 만든 LK-99 물질 합성을 시도했고, 이 물질의 “마이스너 효과”(Meissner effect)를 검증했다는 내용의 영상을 중국 동영상 사이트 빌리빌리에 공개했다. 다만, 물체가 반자성을 띠며 공중에 뜨는 마이스너 효과는 검증했으나, 전기 저항이 없는 상태까지는 아직 구현하지 못한 것으로 알려졌다.

★ 초전도 현상은 전류가 아무런 저항 없이 흐르는 것이다. 자기공명영상(MRI)으로 인체 내부를 촬영할 수 있는 것은 초전도선 덕분에 전자석에서 전류가 저항 없이 흘러 강력한 자기장을 만들 수 있기 때문에 MRI 촬영이 가능했다. 슈퍼컴퓨터를 압도하는 양자컴퓨터도 초전도체가 기반이 됐다. 문제점은 지금까지의 초전도선은 극적온에서만 구현할 수 있다는 것이다. 전선 피복 안으로 극저온을 유도하는 액체 질소나 헬륨이 흐른다. MRI도 양자컴퓨터도 거대한 냉동고에서만 가동할 수 있었다. 초전도 현상에 의한 초전도선은 거리에 상관없이 무손실 송전(送電)이 가능해서 에너지 혁명이 일어날 수 있다. 고성능 전자석도 만들어 자기 부상 열차와 핵융합 발전에 활용할 수 있다.

● 1911년, 초전도 현상을 세계 최초로 발견하여 노벨 물리학상 수상.

초전도 현상은 1911년 네덜란드의 물리학자인 카메를링 오네스(Heike Kamerlingh Onnes)가 수은의 전기 저항을 측정하는 실험을 하다가 영하 269℃에서 전기 저항이 갑자기 없어지는 초전도 현상(superconductivity)을 처음 발견했다. 그 후, 그는 납 니오븀 합금, 주석 등에서도 초전도 현상이 구현되는 것을 발견했고, 그 공로 때문에 1923년 노벨 물리힉상을 받았다. 미국 물리학자인 존 바딘(John Bardeen)과 레온 쿠퍼(Leon Cooper), 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer)는 1957년 자신들의 이름을 첫 글자를 딴 이른바 BCS 이론으로 초전도 현상을 설명했다. 결정 격자 구조의 진동이 전자 사이에 접착제 역할을 한다. 이렇게 만들어진 전자쌍이 저항을 받지 않고 이동하면서 전류가 흐른다고 설명한다. 전자쌍을 유도하는 결정 격자 구조의 진동은 영하 233℃ 이상에서는 나타나지 않았다. 세 과학자는 BCS 이론으로 1972년 노벨상을 받았다.

과학자들은 100년 넘도록 더 높은 온도, 상온(常溫)에서도 작동하는 초전도체를 찾기 위해 경쟁했다. 상온 초전도 연구는 최근 엄청난 발전을 이뤘다. 초고압으로 초전도 온도를 높였다. 2015년 독일 막스플랑크 연구소 과학자들은 대기압 보다 150만배 강한 압력으로 황화수소를 압축해 영하 70℃에서 초전도 현상을 구현했다, 이후 초전도 현상을 구현할 수 있는 온도가 영하 23℃, 영하 13℃에 이어 영상 7℃까지 발전했다. 미국 로체스터대의 랑가 다이어스(Ranga Dias) 교수는 새로운 초전도 시대를 열었다. 그는 2020년 섭씨 15℃에서 수소와 탄소, 황을 다이아몬드 모루 사이에 넣고 압착해서 초전도체를 만들었다고 네이처에 발표했다. 당시 성과는 2020년 사이언스지의 10대 과학 성과에도 선정됐다.

■ 섭씨 25℃ 이상 상온(常溫) 초전도체가 상용화 되면 바뀌는 미래 세상

● MRI : 촬영 비용이 매우 저렴해질 수 있다. 비용 중 상당수가 냉각을 위한 액체 헬륨 비용이기 때문이다.

● 자기 부상 열차 : 철도 건설 및 열차 부상 비용이 매우 저렴해질 수 있다. 2022년 시점에 이미 자기 부상 열차를 통한 여객은 고속 철도 보다 저렴하므로, 설치와 유지 보수까지 저렴하고 쉬워진다면, 비행기 산업이 몰락할 수도 있다.

● 핵융합 : 핵융합 발전의 경제성이 크게 올라 상용화될 수 있다. 또한, 전자기 응축이나 아크 가열식 핵융합 폭탄의 생산이 쉬워져서, 군사적 사용을 넘어 우주선 추진체로도 쓸 수 있다. 초전도체로 인해 핵융합 모듈의 소형화가 가능해지면, 거의 모든 교통,수단에 적용할 수 있을 것이다.

● 플라즈마 : 관련 응용이 쉬워지고, 각종 산업용 기구의 덩치가 줄고 기능이 개설될 수 있다. 고에너지 물리학 연구에 드는 비용도 훨씬 줄어들 것이다.

● 로봇과 인공 근육 : 작고 강력한 전자석으로 강력한 인공 근육을 만들 수 있다. 이는 단순히 로봇 산업의 도약을 넘어 군사 기술을 포함한 문명 수준을 크게 발전시킬 것이며, 가볍고 강력한 인공 근육은 신체 일부가 마비되거나 결손된 장애인들의 삶을 크게 개선시킬 것이다.

● 무기나 레일건 등 전자기력으로 구동하는 고에너지 무기류의 크기, 무게, 유지 비용을 크게 줄일 수 있다.

● 전선 : 송전 효율이 거의 100%가 된다. 따라서, 송배전 전압을 지금처럼 매우 높게 유지하지 않아도 되며, 대용량 직류 송전 기술이 비약적이고, 진보한 방향으로 성장할 것이다. 세계를 연결하는 대용량 전력망 구축이 일어날 것이다. 세계의 전력 사용량은 일정하므로 국가별 전력 피크, 부족, 심야 전기 낭비 문제가 거의 해결되고, 신재생 에너지가 풍부한 국가로부터 주요 에너지 소비 국가들이 에너지를 받게 될 것이다. 또한, 변전소와 송전탑 갯수가 줄어들어 님비 현상으로 인한 송전탑 설치 반대 시위를 잠재울 수 있다.

● 변압기 및 인덕터 : 이론상으로 코일의 변전효율이 100%가 될 수 있다. 전봇대, 변전소 시설 부지, 인도를 점유하는 변압기 등의 부피가 크게 줄어들어서 도시 미관이 향상될 수 있다. 각종 변압기와 인덕터의 손실이 줄어들면서 변환 효율성도 크게 올라간다.

● 축전기 : 전극판과 연결 도선의 등가 직렬 저항이 없어지게 되어 노이즈를 더 효과적으로 제거하거나, 순간적으로 매우 강한 전류를 출력할 수가 있게 된다.

● 에너지 저장 체계 : 닫힌 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용하여 배터리 대신 전력을 저장하는 장치를 만들 수도 있다.

● 전기 철도 : 복잡한 변전 시설과 설비를 단순화할 수 있게 되며, 직류 급전 방식을 고속 철도에도 활용 가능하게 된다. 절연 구간 또한 대부분 불필요해질 것이다.

● 반도체 회로 설계가 비교적 간편해진다. 도선의 저항을 나타나던 많은 비선형 미분 방정식이 선형화되어 쉽게 해결할 수 있어진다.

● 고방전 배터리나 슈퍼 콘덴서에 초전도 코일을 직접 연결하는 방식으로 현재 보다 훨씬 간단하고 강력한 전자기 추진 장치를 제작할 수 있다. 작게는 인명 살상이 가능한 코일건부터 크게는 빅 바빌론 같은 스페이스 건을 만들어 쓸 수도 있다.

● 과전류로 인한 전기 화재 사고가 줄어들고, 전자 기기의 가동 과정에서 발생하는 저항 발열이 줄어 들어면서 적절한 차폐만 되어있다면, 전자 기기의 수명도 대폭 길어지게 된다.

● 가정용이나 산업용 전력 시설에서 전기를 공급하는 배선과 설비를 개선하여 저항으로 낭비되지 않고, 효율적인 전기를 사용할 수 있는 방향으로 빠르게 변화할 것으로 예상된다. 일단, 초전도체를 사용하여 전력의 효율성이 극대화가 되는 설비로 바꾸면서 산업계의 전기세가 비약적으로 줄어들 가능성이 있다.

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