초전도체 LK-99 이슈에 대하여
2023년 7월 22일 대한민국 과학자가 상온상압 초전도체 LK-99 발표로 세상을 놀라게 한 이슈로 급부상, 컴퓨터 발명을 뛰어넘는 인류 역사상 최대의 발명 중의 하나가 될 것이라는 센세이션을 일으켰으나 발표 이후 이 논문은 초전도체라고 볼 수 없다는 반응을 각 나라에서 이구동성 발표하고 있는 중입니다.
그럼 도대체 "LK-99" 명칭은 무슨 뜻?
대한민국의 과학자인 이석배와 김지훈 등이 arXiv를 통해 발표한 상온·상압 초전도체로 주장되고 있는 물질. 'LK-99'라는 명칭은 제1발명자 이(Lee) 석배와 제2발명자 김(Kim) 지훈의 성에서, '99'는 이들이 연구를 시작한 '1999년'에서 각각 따온 것이라고 합니다.
초전도체 "LK-99"가 뭐길래 세계를 놀라게 했을까?
초전도체(超傳導體, superconductor)란? 전기가 흐르는 전도체로서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상과 마이스너 효과(반자성)가 일어나는 물질을 가리킵니다. 마이스너 효과 없이 초전도 현상만 있는 것은 '완전도체' 내지 바일 금속이라고 합니다. 마이스너 효과가 없으면 자기력을 이용한 기술에는 사용이 어렵습니다.
이처럼 현재까지 알려진 초전도체는 상온과 비교했을 때 극단적으로 약 -243도 낮은 온도이거나, 상압에 비해 극단적으로 높은 기압이라는 환경 하에서만 가능했습니다. 이에 세계 모든 나라의 과학자들은 이런 특수한 환경이 아니라 일상생활에서도 써먹을 수 있을 상온/상압 초전도체를 계속 연구하고 있었습니다. 그런데 대한민국에서 기존의 초전도체가 되기 위한 극단적인 제약 조건을 아득히 뛰어넘은 상온 및 상압에서 초전도체가 가능하다는 실험 결과 초전도체 "LK-99"를 발표하게 되면서 전 세계적으로 화제가 된 것입니다.
만약에 초전도체 "LK-99" 발표가 실제로 이루어진다면 우리의 일상이 어떻게 달라질까?
만약에 초전도체 "LK-99"가 개발에 성공했다면 온 세계는 증기기관차, 컴퓨터 발명 이후 전기공학을 비롯한 산업계에 거대한 파급효과는 물론 노벨상을 따 놓은 당상일 것입니다. 그러나 현재 상온/상압 초전도체가 정식으로 인정되지 않고 상용화되지 않은 시점이지만 성공했다는 가정하에 우리의 일상이 어떻게 변화할지 상상해 보겠습니다.
1. 컴퓨터 분야
1) 프로세서의 발열이 매우 줄어들고 전성비(성능/소비전력 비)가 엄청나게 상승
- 냉각 수요가 매우 줄어들어 소음이나 고장도 거의 없어지고 전자기기의 소형화가 가능해지는 데다 관리가 편리해지고 수명까지 현재보다 더욱 길어집니다. 그리고 가용한 기술력의 최대 한계치까지 극한의 성능을 뽑아낼 수 있게 됩니다.
- 스마트폰같이 전성비가 중요한 제품의 경우에도 성능과 배터리 사용시간이 비약적으로 상승할 것입니다. 이것이 중요한 이유는 현재 반도체 공정의 미세화에 따른 트랜지스터의 크기가 물리적 한계에 도달하여 가까운 미래에 무어의 법칙이 깨지게 될 예정이기 때문입니다.
- 최근 50년간 인류는 거의 모든 분야에서 비교가 불가능할 정도로 비약적인 발전을 했는데 이는 모두 PC의 보급에 따른 반도체 시장경제의 엄청난 활성화로 인한 컴퓨팅 능력 향상에 기인한 것입니다.
- 그러나 컴퓨터 성능향상의 한계로 인류는 거의 모든 분야의 발전이 정체할 위기에 처해있으며 상온/상압 초전도체가 이 문제를 해결해 줄 가능성이 생기는 것입니다.
2) 양자컴퓨터의 소형화ㆍ상용화가 용이
- 현재 양자컴퓨터는 극저온을 구현해야만 사용 가능하기 때문에 크기가 매우 크며, 막대한 에너지가 들어갑니다.
- 상온/상압 초전도체가 적용된다면 초전도현상을 위한 냉각이 필요 없어집니다. 하지만 여전히 중첩상태를 유지하기 위해서는 저온 상태를 유지해 외부영향을 최소화할 필요가 있습니다. 그래도 기술적으로 개발이 용이 해지는 면이 있고 장비의 크기가 줄어들 수 있기에 소형화와 상용화에 큰 이점이 될 수 있습니다.
2. 자기력 이용 분야
1) MRI
- 촬영비용이 매우 저렴해질 수 있습니다. 비용 중 상당수가 냉각을 위한 액체헬륨 비용이기 때문입니다.
2) 로봇과 인공근육
- 작고 강력한 전자석으로 강력한 인공근육을 만들 수 있습니다.
- 로봇산업의 도약을 넘어 군사기술을 포함한 문명 수준을 크게 발전시킬 것입니다.
- 가볍고 강력한 인공 근육은 신체 일부가 마비되거나 결손 된 장애인들의 삶을 크게 개선시킬 것입니다.
3) 자기 부상열차
- 철도 건설 및 열차 부상비용이 매우 저렴해질 수 있습니다.
- 2022년 시점에 이미 자기 부상열차를 통한 여객은 고속철도보다 저렴하므로, 설치와 유지보수까지 저렴하고 쉬워진다면 육로로의 이동 산업이 더 발전될 수 있습니다.
4) 핵융합 경제성 상승 및 상용화
- 핵융합 발전의 비효율성 중의 하나는 발열로 인한 냉각입니다. 발열이 사라진다면 손쉽게 전자기 응축이나 아크 가열식 핵융합 폭탄의 생산이 쉬워져 군사적 사용을 넘어 우주선 추진체로도 쓸 수 있습니다.
- 초전도체로 인해 핵융합모듈의 소형화가 가능해지면 거의 모든 교통수단에 적용할 수 있을 것입니다.
5) 플라즈마
- 관련 응용이 쉬워지고 각종 산업용 기구의 덩치가 줄고 기능이 개선될 수 있습니다.
- 고에너지 물리학 연구에 드는 비용도 훨씬 줄어들 것입니다.
6) 에너지 무기나 레일건 등
- 전자기력으로 구동하는 무기류의 크기, 무게, 유지비용을 크게 줄일 수 있습니다.
3. 전기 이용 분야
1) 전선
- 송전 효율이 거의 100%가 될 것입니다.
- 따라서 송배전 전압을 지금처럼 매우 높게 유지하지 않아도 되며 대용량 직류 송전기술이 비약적이고 진보한 방향으로 성장할 것입니다.
- 비가 오지 않는 사막과 같은 곳에 태양광 발전소를 대량 설치하여 다른 대륙으로 손실 없이 보낼 수 있게 되어 에너지 혁명이 일어납니다.
- 세계의 전력사용량은 일정하므로 국가별 전력피크, 부족, 심야전기 낭비 문제가 거의 해결되고 신재생에너지가 풍부한 국가로부터 주요 에너지 소비 국가들이 에너지를 받게 될 것입니다.
- 변전소와 송전탑 개수가 줄어들어 님비현상으로 인한 반대 시위를 잠재울 수 있습니다.
2) 변압기 및 인덕터
- 이론상으로 코일의 변전효율이 100%가 될 수 있습니다.
- 전봇대, 변전소 시설 부지, 인도를 점유하는 변압기 등의 부피가 크게 줄어들어서 도시 미관이 향상될 수 있습니다.
- 각종 SMPS도 변압기와 인덕터의 손실이 줄어들면서 변환 효율성도 크게 올라갑니다.
3) 축전기
- 전극판과 연결 도선의 등가 직렬 저항(ESR)이 없어지게 되어 노이즈를 더 효과적으로 제거하거나 순간적으로 매우 강한 전류를 출력할 수가 있게 됩니다.
4) 에너지 저장 체계
- 닫힌 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용하여 배터리 대신 전력을 저장하는 장치 SMES (superconducting magnetic energy storage)를 개량하여 기존 화학식 배터리를 어느 정도 대체할 수 있습니다.
- 무거운 냉각장비가 필요 없어지면 빠른 충방전 속도라는 장점을 활용할 여지가 많아집니다.
5) 전기철도
- 복잡한 변전 시설과 설비를 단순화할 수 있게 되며 직류 급전방식을 고속철도에도 활용 가능하게 됩니다.
- 절연구간 또한 대부분 불필요해질 것이며 귀전선인 레일에도 초전도체를 사용하면 레일에서 대지로 누출되는 전류로 인한 부식현상을 막을 수 있습니다.
6) 전기자동차
- 모터 코일과 각종 배선의 저항이 없어져 전비가 향상되며 내연기관차와 비교 시 단점으로 지적되던 충전 속도도 비약적으로 끌어올릴 수 있게 될 것입니다.
7) 기타
- 회로설계가 비교적 간편해지며 도선의 저항을 나타나던 많은 비선형 미분방정식이 선형화되어 쉽게 해결할 수 있습니다.
- 고방전 배터리나 슈퍼 콘덴서에 초전도 코일을 직접 연결하는 방식으로 현재보다 훨씬 간단하고 강력한 전자기 추진장치를 제작할 수 있습니다.
- 과전류로 인한 전기화재 사고가 줄어들고 전자기기의 가동 과정에서 발생하는 저항(=발열)이 줄어들어면서 적절한 차폐만 되어있다면 전자기기의 수명도 대폭 길어지게 됩니다.
- 미래에는 가정용이나 산업용 전력시설에서 전기를 공급하는 배선과 설비를 개선하여 저항으로 낭비되지 않고 효율적인 전기를 사용할 수 있는 방향으로 빠르게 변화할 것으로 예상됩니다.
- 일단 초전도체를 사용하여 전력의 효율성이 극대화가 되는 설비로 바꾸면서 산업계의 전기세가 비약적으로 줄어들 가능성이 있습니다.
<참조> 초전도체 관련주 12 업체:
덕성, 서원, 대창, 엘에스(LS)전선아시아, 서남, 모비스, 국일신동, 파워로직스, 신성델타테크, 인지컨트롤스, 한양이엔지, 아모텍
초전도체 관련주들이 상향곡선을 향해 올라갔다가 미국 메릴랜드대학교 응집물리이론센터의 LK-99는 초전도체가 아니다는 뉴스 발표를 시발점으로 여러 나라에서도 비슷한 반응들이 나오면서 관련주 하락과 더불어 초전도체 LK-99 발표가 하나의 해프닝으로 끝나버릴 수 있다는 안타까움이 있습니다. 그럼에도 불구하고 해프닝이 아닌 진정한 연구결과가 발표되기를 기대하면서 좋은 소식을 기다려 봅니다.