[18. 왜 초전도체는 꿈의 물질이라 하나?
-초전도체 'LK99' 핵심 정리
초전도체는 ‘꿈의 물질’이라 부른다. 여태까지 초전도체는 영하 270도 100만 기압에서 만들었다. 하지만 국내 연구진이 상온(섭씨 30도)·상압(1 기압) 초전도체 'LK-99'를 세계 최초로 개발하여 온세계의 관심이 집중되고 있다. 초전도체는 전기 저항이 없기 때문에 전력 효율을 극대화할 수 있다. 초전도체는 핵융합발전, 양자컴퓨터, 자기부상열차 등에 이용할 수 있어 에너지문제, 기후 위기를 극복할 것이라 기대하고 있다.
1. 도체 부도체 반도체 초전도체의 차이
(1) 도체(conductor): 전기 혹은 열이 잘 흐르는 물질. 금, 구리, 알루미늄, 철 등
(2) 부도체(Insulator): 전기 혹은 열이 잘 흐르지 않는 물질로 절연체라고 하기도 함. 유리, 도자기, 플라스틱, 마른나무
(3) 반도체(Semiconductor): 선택적으로 전기를 흐르게 하거나 흐르지 않게 하는 물질.
순수 반도체는 부도체와 같이 전기가 거의 통하지 않지만, 빛 혹은 열을 가하거나 특정 불순물을 주입하면 도체처럼 전기가 흐르게 된다.
(4) 초전도체(Superconductor): 초저온(영하 200도 이하), 초고압(100 만기압 이상)에서 전기 저항이 갑자기 "0"이 되는 물질. 알루미늄(Aluminum), 수은(Mercury), 카드뮴(Cadmium), 납(Lead) 등 세상에 존재하는 대부분의 물질은 전기저항을 갖는다. 전기 저항 단위를 옴(Ω)이라 한다. 도체는 0.0001~0.000001옴의 저항을 갖는다. 초전도체는 전기저항이 0이다.
2. 초전도체 'LK-99'
(1) 초전도체 'LK-99'란?
대한민국 과학자인 이석배와 김지훈 등이 발명한 세계 최초의 상온(일상적 온도 18도) 및 상압(1 기압) 조건에서도 초전도체라고 주장된 물질. 'LK-99'라는 명칭은 제1발명자 이(Lee) 석배와 제2발명자 김(Kim) 지훈의 성에서, '99'는 이들이 연구를 시작한 '1999년'에서 각각 따온 것이라고 한다. 1999년, 고려대학교 최동식 교수 연구실에서 비전임교수 이석배와 대학원생 김지훈이 신물질 LK-99를 만들었다.
구리와 납을 공들여 3일 동안 구웠더니 초전도체가 나왔다는 것이다.
(2) 만드는 과정
LK99라는 물질을 발견하는 과정은 과학에서 잘 사용하지 않는 ‘굽기’라는 방식을 사용했다. 현대과학에서는 적층, 입자보강, 섬유보강, 화학기상침착, 용융 침투, 경화 등이 있는데, 여태까지는 섬유보강, 화학기상침착, 경화 및 중화를 사용했다고 한다. 굽는 방식은 다양한 변수가 많아 의도한 결과를 얻기가 어려운데 'LK-99'란 3단계 과정을 거쳐서 만들 수 있다고 했다.
1단계 :산화납과 황산납 분말을 50대 50 비율로 잘 섞어 가마에서 공기와 함께 725도로 24시간 가열하면 라나카이트가 나온다.
2단계: 구리와 인 분말을 일정한 비율로 혼합한 후 진공상태로 크리스털 관에 넣어 밀봉하고, 그 관을 가마에서 550도로 48시간 가열하면 인화구리가 나온다.
3단계 라나카이트와 인화구리를 잘게 부수어 그릇에서 혼합한 다음 진공상태에서 925도로 5시간~20시간 가열하면 LK99 초전도체가 된다.
(3) LK99에 대한 반응
미국 에너지부 소속 국립 로렌스 버클리 연구소의 그리핀 교수가 아카이브(arXiv) 사이트에 LK99에 관한 새로운 논문을 올렸다. 납과 구리를 정확하게 끼워 넣으면 해당물질이 초전도성을 갖는다고 하여 놀라고 있다.
3. 왜 LK99 초전도체는 중요하며 우리 삶과 어떤 관련이 있는가?
(1) 카르다쇼프 척도 1단계로 올릴 수 있는 획기적 물질이다.
LK99 초전도체가 상용화되면 우리 삶을 획기적으로 바꿀 수 있다. 기후위기, 빈부격차, 정치적 갈등 등 에너지로 비롯된 자본주의 문제를 해소하는데 기여할 것이다. 초전도체 상용은 카르다쇼프 척도를 0.73단계에서 1단계로 올릴 수 있다고 한다. 고도로 발전한 문명의 수준을 총 에너지 사용량에 따라 구분한 우주문명의 척도다. 카르다쇼프 척도란, 1964년에 소련의 천문학자인 니콜라이 카르다쇼프가 고도로 발전한 문명들의 수준을 총 에너지 사용량에 따라 구분한 우주 문명의 척도로, 외계에서 날아온 전파 신호를 분석하면서 처음으로 제안한 것이다. 이 척도에 따르면 인류 문명은 2021년 기준 0.73단계에 속한다. 카르다쇼프 척도는 1단계가 지날 때마다 사용하는 에너지 총량이 100억 배씩 늘어난다고 한다. 카르다쇼프 척도 1단계에 도달했다는 것은 인류가 생산/소비하는 에너지의 양이 지구가 1년간 생산하는 에너지의 총량과 같다는 의미다.
(2) 핵융합 발전소 상용화로 에너지문제와 기후위기를 극복할 수 있다.
카르다쇼프 척도 1단계에 도달하기 위해서는 핵융합 발전이 필수적인데, 초전도체는 핵융합발전을 상용화할 수 있게 한다. 핵융합 발전에 비약적 발전을 이룰 수 있다. 현재 핵융합 발전 방식은 플라스마 융합 반응으로 에너지를 발생하게 하는 것이다. 플라스마 융합반응은 큰 양의 높은 에너지를 가진 중성자를 생산한다. 중성자들이 반응로 벽을 녹인다. 그래서 토카막의 내부 벽을 차갑게 해야 하는데 저온 계(system)는 초전도 자석으로부터 열 손실을 막기 위해서 사용한다. 또한 핵융합로에서 1억 도 이상의 플라스마를 가둬두는 것이 중요하다. 이를 위해 토카막이라는 것을 이용하고 있다. 이 과열된 플라스마를 가두기 위해서는 초전도체가 필요하다. 상온 초전도체가 있다면 플라스마를 가두기 쉬어 핵융합발전을 획기적으로 할 수 있다.
(3) 양자컴퓨터 활용이 쉬워진다.
양자컴퓨터는 초전도 큐비트를 사용하는데 극저온을 유지해야 큐비트를 사용할 수 있다. 양자컴퓨터는 ‘큐비트(Quantum + Bit=Qubit)’단위로 활용한다. 디지털비트 컴퓨터는 전기가 통하면 1, 안 통하면 0인 디지털 비트를 사용한다. 비트가 3개 있다고 가정했을 때 경우의 수는 (0, 0, 0)에서 (1, 1, 1)까지 모두 8개인데, 디지털 비트는 이 중 한 개만 골라 사용할 수 있지만 큐비트는 8개를 모두 동시에 표현할 수 있다. 이를 20 큐비트로 늘리면 무려 104만 8576개의 정보를 한꺼번에 표시할 수 있다. 기존 디지털컴퓨터는 직렬 방식이지만 양자컴퓨터는 병렬 방식이다. 갈 수 있는 모든 경로를 한꺼번에 분석하여 계산할 수 있다. 이는 상 기존 슈퍼컴퓨터보다 30조 배 이상, 일반 컴퓨터보다는 1 경배 이상 빠른 연산이 가능하다고 한다. 양자컴퓨터의 핵심인 큐비트를 구현하기 위해서 초전도 큐비트가 필요하다. IBM과 구글은 영하 273.15도까지 냉각시킨 상태에서 실리콘 웨이퍼 위에 조셉슨 접합·커패시터·인덕터와 같은 소자를 쌓아 큐비트를 구현하기 때문에 실용화하는데 한계가 있다. 만약 상온상압 초전체로 큐비트를 이용하면 양자컴퓨터를 쉽게 상용화할 수 있고, 이는 일반컴퓨터나 스마트폰처럼 양자컴퓨터를 사용할 수 있다는 것이다. 이러한 양자컴퓨터는 인류가 쉽게 풀지 못하는 문제를 해결하여 우리 삶에 많은 도움을 줄 수 있을 것이다.
(4) 그 밖에 변화할 상황
반도체 성능을 획기적으로 개선할 수 있다. 반도체는 전기저항으로 이한 발열을 문제인데 초전도체는 발열자체가 발생하지 않기 때문에 수율(생산 제품 중 불량이 없는 양품비율)을 높일 수 있다.
배터리를 사용하지 않아도 된다. 배터리는 전력을 저장하기 위해 많은 화학적 변화를 거쳐야 한다. 이러한 과정에서 수많은 자원과 에너지 손실, 환경오염을 유발한다. 초전도 링(Persistent Current Ring)이라는 곳에 전기를 주입하면 전자가 스스로 무한회전하며 전력 손실 없이 저장된다. 따라서 2차 전지 배터리를 사용하지 않아도 될 것이라는 전망을 하기도 한다. 챗GPT AI덕분에 시가총액 1.000조 원을 돌파한 엔비디아의 가치는 초전도체 개발로 인하여 어떻게 될지 양극단의 분석을 하고 있다. 우리나라가 발열 없이 인공지능 설계 반도체를 만든다면 이는 인공지능 시장을 이끌어 갈 것이라고 한다.
(5) 과학기술은 빛과 그림자가 있다.
과학은 가치중립이 아니라 그 사회의 가치를 반영한다. 초전도체 LK99 개발을 하여 한국 사람이 노벨상을 탄다면 축하할 일이다. 또한 초전도체 반도체를 상용화하여 기후위기 문제, 에너지 문제 등을 극복한다면 정말 좋은 일이다. 그러나 모든 과학기술은 빛과 그림자가 있다. 인공지능은 챗GPT나 바드로 발전하여 우리 삶을 편리하게 할 수도 있지만 거대 인공지능 모델 구축을 구축하는 데는 많은 에너지를 사용하여 탄소 배출한다. 또한 인공지능의 편견과 사실 왜곡으로 어떤 문제를 잘못 판단하거나 결정의 오류가 일어날 수도 있다. 거대 자본이 투입되는 거대과학기술은 자본을 투입하는 자의 판단에 따라 인류공동체의 이익보다 거대 기업의 이익을 추구하는 경향이 강했다. 초전도체 LK99가 인류공동체를 위해 선용되고 공공선을 추구하는 방향으로 쓰이길 바라는 것인 순진한 것인가? 꿈은 꿈으로 끌날 것이 아니라 인류 모두의 소망으로 이루어지길 바란다.
