상온초전도체 LK-99개발 성공으로 인류의 미래는 희망적인가?

초전도현상

최근 고려대 이석배, 김지훈 연구자가 발표한 초전도체 물질 LK-99는 199년부터 연구를 시작해서 2023년 7월에 논문을 발표한 것으로 검증이 돼서 인정을 받게 된다면 노벨물리학 상은 따놓은 것이나 다름없다고 한다. 

 

초전도현상을 유지하기 위한 기술개발 관련논문들이 있었지만 이번 LK-99는 기압을 조절하기 위한 별도의 장치도 필요없고 지구에 가장 흔하게 구할 수 있는 재료인 납(Pb), 구리(Cu), 황(S), 인(P)으로 만들어졌다. 

 

만드는 방법은 1단계에서 3단계까지 77~92시간이 소요되지만 흔한 원소로 쉽게 만들 수 있기 때문에 모든 검증과정을 마치고 LK-99가 진짜 초전도체라면 인류문명에 거대한 영향을 미치게 될 것이라고 한다. 

 

초전도 현상이란?

초전도 현상은 일정한 온도 이하에서 특정 물질이 전기 저항이 완전히 없어지는 현상을 말한다. 즉, 초전도체는 특정 온도 이하에서는 전기 전류를 흘려도 전기 저항이 거의 없거나 없는 상태로 동작한다.

 

초전도 현상은 1911년에 영국의 물리학자 헤일스톤에 의해 처음으로 관찰되었다. 초전도 현상은 물질 내에서 전자의 상호작용이 어떻게 일어나는지에 기인한 것으로, 일반적으로 극저온에서 나타나는 경향이 있다.

 

초전도체가 특정 온도 이하, 즉 임계 온도 이하로 냉각되면, 전자들이 쿠퍼 쌍(Cooper pairs)이라고 불리는 특별한 상태로 결합한다. (헬륨을 액화시키는데 필요한 온도가 영하270도)

 

이 쿠퍼 쌍은 보증된 전자 상태로서 상호작용 때문에 상대적으로 저에너지 상태를 가지게 되며, 이로써 전자들이 임의의 방향으로 흐르지 않고 저항 없이 전류를 나타내게 됩니다.

 

극저온에서만 초전도현상이 나타나는 이유는?

초전도체현상이 극저온 상태에서만 일어나는 이유는 다음 4가지 이론으로 설명을 하고 있다. 

 

퀀텀 메카닉스 이론: 초전도 현상은 퀀텀 메카닉스의 영역에 속하는 현상으로, 전자들의 양자적 특성이 중요한 역할을 한다. 극저온에서는 물질의 원자나 분자들이 더 가까워지고, 이로 인해 전자들의 상호작용이 더 강해지기 때문에 전자들은 보다 더 긴 시간 동안 같은 상태에 머무르게 되고, 이는 전기 전달과 관련된 현상을 크게 바꿀 수 있습니다.

 

에너지 갭: 초전도체는 일반적으로 에너지 갭(energy gap)이라고 불리는 빈 밴드 구조를 가지고 있다. 이 에너지 갭은 전자들이 특정 에너지 레벨에서만 존재하거나 전이할 수 있도록 하는데, 극저온에서 에너지 갭이 더욱 안정화되고 커지는 경향이 있어서 전자들이 하나의 에너지 상태에서 다른 상태로 전이하는 것을 어렵게 만들며, 전기 전달에 방해가 되는 장애를 줄여주는 효과를 가져온다.

 

파동 함수 겹침 감소: 초전도체 내의 전자들은 보통 파동 함수의 겹침이 상호작용을 유발하는데, 극저온에서는 파동 함수의 겹침이 줄어들어 전자들 사이의 상호작용을 감소시킨다. 이는 전자들이 서로 충돌하는 가능성을 줄여주어 전기 전달의 장애를 줄이게 된다.

 

상호작용 강화: 극저온에서는 물질 내의 원자나 분자들의 진동이 줄어들어 전자와의 상호작용을 더 강화시키며 이는 전자들이 결합된 쿠퍼 쌍을 더욱 안정적으로 유지하게 하고, 전기 전달에 장애가 되는 다른 입자들과의 상호작용을 줄여준다.

 

상온에서 초전도 기술을 구현하면 인류에게 어떤 영향이 있을까?

첫째, 전력 효율이 대폭 향상돼서 전기료가 사실상 거의 제로에 가까워질 것이다. 복잡하게 뒤엉킨 전선들이 사라지고 석탄이나 석유와 같은 화석 연료를 사용하지 않게 될 것이다. 

 

둘째, 핵융합 기술 발전에 커다란 영향을 줄 것이다. 무한 에너지 시대의 시작을 의미하기도 한다. 요즘같이 무더운 여름에 전기료 걱정 없이 마음껏 에어컨을 켜고 시원하게 지내게 될 것이다. 

 

셋째, 슈퍼 컴퓨터의 크기가 현재의 건물 크기에서 손바닥 크기로 줄어들 수 있을 것이다. 이를 통해 인공지능관련된 기술이 폭발적으로 성장해서 지식과 정보의 무한 공유시대가 열린다. 

 

넷째, 환경개선과 에너지저장기술의 발전으로 새로운 산업혁신이 이루어질 것으로 예상된다. 이미 한국은 에너지저장기술분야에서 선두주자로 활약하고 있다.

 

다섯째, 전기로 추진하는 로켓의 개발로 우주여행의 장벽이 낮아지고 우주개발의 새로운 시대가 시작될 것이다. 

 

여섯째, 화석연료를 기반으로 하는 자원강국들이 몰락하게 돼서 세계질서가 개편이 될 것이다. 러시아와 중동 같은 지역에서는 불안과 혼란이 생길 수도 있다.

 

일곱째, 의료기술의 발전 즉 MRI 같은 고비용 진단기의 일반화가 이루어져서 질병의 치료와 인간 수명의 연장을 기대할 수 있다. 

 

LK-99가 초전도체로 검증이 되면 대한민국은 미래의 패권국으로 간다!!!!

상온 초전도체의 개발이 인류에게 미치는 막대한 영향은 위에 나열한 것들 말고도 엄청나게 많이 있다. 그야말로 진짜 4차 산업혁명의 출발이 이루어지게 되는 것이다. 

 

개발자님들의 노고에 감사들 드리고 부디 세계적으로 검증이 잘 돼서 노벨상도 수상하시고 국가발전에 기여하셔서 미래 대한민국이 세계를 호령하는 패권국이 되기를 간절히 소망하고 응원합니다.