세계 최초로 ‘상온 초전도체’ 개발

상온인 15°C에서 전기저항 없는 초전도현상 실현

초전도(superconductivity)란 금속, 합금, 화합물 등의 전기저항이 어느 온도 이하에서 급격히 0이 되는 현상을 말한다.

전기저항이 제로가 되면 전력 손실이 전혀 없어 전압이 없는 상황에서 전기가 영구적으로 흐르게 된다. 전기를 통조림처럼 저장할 수도 있다. 그런 만큼 초고속 컴퓨터를 제작하는 데 있어 초전도체는 필수적인 소재다.

문제는 초전도현상이 극히 낮은 온도가 아니면 불가능하다는 것이다. 때문에 과학자들은 더 높은 온도에서 초전도가 되는 물질을 찾아내기 위한 경쟁을 벌이고 있었다. 그리고 최근 마침내 상온(15°C)에서 초전도가 되는 물질을 발견했다.

1911년 최초로 초전도현상이 발견된 이후 100여 년 만에 과학자들이 상온(15°C)에서 초전도가 되는 상온 초전도체를 발견하는데 성공했다. 사진은 초전도현상에 의해 물체가 허공에 떠 있는 장면. ⓒWikipedia

상온 초전도체라는 벽 마침내 무너져

15일 ‘사이언스 뉴스’는 과학자들이 마침내 상온에서 초전도현상이 가능한 최초의 상온 초전도체(room-temperature superconductor)를 찾아냈다고 보도했다.

지난 1911년 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스(Heike Kamerlingh-Onnes) 교수가 초전도현상을 발견한 후 109년 만의 일이다. 상온 초전도체를 발견한 곳은 미국 뉴욕에 소재한 로체스터 대학이다.

연구를 이끈 물리학자인 랭거 디아스(Ranga Dias) 교수는 ‘새로 발견한 초전도체가 15°C 이하에서 초전도현상이 가능하다고 말했다.

디아스 교수는 두 개의 다이아몬드 사이에 탄소와 수소, 유황을 삽입한 후 레이저로 지구 기압보다 약 260만 배 강한 압력을 가해 15°C에서 초전도현상을 유도하는데 성공할 수 있었다고 설명했다.

처음에는 스스로도 이 사실이 믿어지지 않았다고 말했다. 그러나 100여 년 동안 고대해온 상온 초전도체가 마침내 그 모습을 드러냈다며, 후속 연구를 통해 또 다른 초전도체와 함께 그에 따른 자기적 특성을 연구할 계획이라고 밝혔다.

상온 초전도체 개발은 산업적으로도 큰 의미를 지니고 있다. 향후 전기저항이 없는 전선을 개발할 경우 그동안 전기저항으로 소실됐던 막대한 양의 전기에너지를 보존할 수 있다.

그런 만큼 세계적으로 전기에너지 생산량을 대폭 줄여나갈 수 있다. MRI(자기공명영상장치)서부터 입자가속기, 양자컴퓨터 등에 이르기까지 다른 첨단 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.

논문은 14일 세계적인 국제 학술지 ‘네이처’에 게재됐다. 제목은 ‘Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride’이다.

막대한 양의 전기 손실 줄일 수 있어

초전도현상이 발견된 때는 1911년이다.

당시 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스 교수는 수은의 전기저항 실험을 하다가 절대온도(영하 273.15°C)에 가까운 영하 268.8℃에서 저항이 사라지는 것을 발견했다.

이후 실험 물리학자들은 더 높은 온도에서 초전도현상이 일어나는 물질을 찾아내기 위해 많은 노력을 기울여왔다. 그리고 100여 년이 지난 최근 수 년 간 상온 초전도체에 접근한 획기적인 연구 결과들이 발표되고 있었다.

상온 초전도체를 목표로 한 최근 연구 결과들을 보면 강한 압력이 가해진 수소화합물에 초점을 맞추고 있다.

지난 2015년 12월 독일 막스플랑크 화학연구소의 물리학자 미하일 에레메츠(Mikhail Eremets) 연구팀은 황이 결합된 수소화합물에 강한 압력을 가해 영하 70°C에서 초전도현상을 유발하는 초전도체를 만들어냈다.

그리고 4년이 지난 2019년 5월 독일 막스플랑크 화학연구소의 미하일 에레메츠 연구팀을 포함한 두 그룹은 란타넘(lanthanum)이 결합된 수소화합물에 강한 압력을 가해 각각 영하 23°C와 영하 13°C에서 초전도현상을 유발하는데 성공했다.

기존에 가장 높은 온도에서 초전도 현상을 보인 고온 초전도체가 영하 135°C에서 가능했던 점을 감안하면 상온 초전도에 근접한 획기적인 연구 결과였다. 그리고 1년여 만에 디아스 교수 연구팀이 상온(15°C) 초전도체를 찾아냈다.

뉴욕 소재 버펄로 대학의 이론화학자 에바 주렉(Eva Zurek) 교수는 “최근 수 년 간 연구 성과에 비추어 상온 초전도체 개발은 예고된 것이었다.”고 말했다.

아울러 주렉 교수는 “고대해왔던 상온 초전도체를 찾아낼 수 있을지에 대해서는 확신을 갖지 못하고 있었으나 디아스 교수 연구팀을 통해 그 꿈이 실현됐다.”며, “마침내 상온 초전도체라는 벽이 깨어졌다.”고 기뻐했다.

앞으로 상온 초전도체가 상용화를 위해 넘어야 할 과제들이 산적해 있다.

아르곤 국립연구소의 마무리 소마야줄루(Maddury Somayazulu) 박사는 “상온에 도달했지만 앞으로 압력을 줄여나가는 일이 필요하다.”며, 상온 초전도체를 향한 과학자들의 후속 연구에 기대감을 표명했다.

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