안녕하세요 여러분!
최근 상온 초전도체 물질 LK-99에 전 세계의 뜨거운 반응이 일어나고 있습니다. 전 세계 수많은 사람들이 관심을 기울이고 있는 상온 초전도체 물질 LK-99에 대한 주제로 여러분과 함께 알아보는 시간을 가져볼까 합니다.
Contants
✅ 초전도체란 무엇인가?
✅ 상상초가 실현되면 좋은점?
✅ 저온공학의 시작, 초전도 발견
✅ 마이스너 효과의 발견
✅ 양자역학, BCS 이론 등장
✅ 해외 LK-99 검증과 반응 - 네이처
✅ 국내 LK-99 검증과 반응 - 한국초전도저온학회 검증위
Superconductor
초전도체란 무엇인가?
초전도체(Superconductor)란, 전도체로서, 전기 저항이 0 Ω이 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 어렵다고 합니다.
전달이 용이한 전력의 양이 무한대이면서, 생산 원가적 측면의 비용적 문제를 해결하면 상용화가 충분히 가능한 상온 초전도체가 개발하게 되면 수많은 파급효과가 만들어질 수 있습니다. 이러한 효과를 상상초라고 합니다.
최근에 퀀텀에너지연구소에서 상온 초전도체 물질을 발견했다는 논문을 아카이브에 게재하면서 전 세계를 뜨겁게 만들었습니다.
상온 초전도체의 파급효과
상상초가 실현되면 좋은점?
IBM에서 2019년에 최초의 회로 기반 양자컴퓨터를 개발했습니다. 이 컴퓨터가 바로 IBM 퀀텀 시스템 원입니다.
양자컴퓨터는 일반 컴퓨터와 다른 형태로 구성되어 난잡한 문제를 신속하게 솔루션을 만들어 낼 수 있습니다. 다만, 현재 기술로 양자를 효과적으로 통제하기 어렵다는 해결해야 할 숙제가 있다는 것입니다.
양자컴퓨터의 핵심 재료는 초전도체로 극저온과 진공상태가 충족되어만 전기 저항이 0이 만들 수 있게 되는데, 여기서의 문제는 현재의 기술로는 생산원가와 공급비용을 감안하게 되면 비용감당이 안되겠네요.
그렇지만 꿈의 물질로 불리는 상상초가 개발된다면, 양자컴퓨터의 문제점을 해결할 수 있게 되므로 양자컴퓨터 소형화와 상용화의 가능성을 높여 줄 수 있습니다.
이론상의 예측을 들어 예로 들면, MRI 촬영 비용이 아주 많이 저렴해질 것으로 예상되며, 송전 효율이 높아져 전력 문제가 해결될 것입니다. 기차를 지면 위로 뛰워 기차가 이동할 때 마찰의 발생 없이 운행하는 자기 부상열차가 개발될 수 있습니다.
현상의 발견에서 상용화까지
저온공학의 시작, 초전도 발견
이전의 과학자들은 극저온에서 전자들의 거동에 대해 의견이 분분했었다고 하네요. 여러 가지 의견으로 나뉘었는데, 다른 온도 대역처럼 어느 정도 저항이 있을 것이라는 의견, 고체를 이루는 격자진동이 완전히 사라져 전기저항이 0Ω이 될 것이라는 의견, 그리고 전자들이 얼어붙어 저항이 증가할 것이라는 의견이 있었습니다. 아예 액화가 안 되는 물질 들인 건 아닐까?라는 접근으로 영구기체라는 단어도 있었습니다.
1908년, 네덜란드의 과학자 헤이커 카메를링 오너스는 액체 헬륨(4.2K)을 만드는 데 성공했습니다. 이에 오너스는 저온에서의 전자 거동을 측정하기 시작했습니다.
1911년, 오너스는 여러 금속의 저항을 측정하던 중 4.19K 에서 수은의 전기저항이 극도로 낮아지는 현상을 발견했습니다. 굉장히 낮은 저항이어서 일반적인 4단자 측정법으로는 측정이 어려웠기에, 폐회로를 만들어 기전력이 없어도 전류가 계속 존재하게 하며 자기장의 변화를 측정했습니다.
측정결과 저항을 0Ω으로 여겨도 될 정도'임이 밝혀졌습니다. 이후 수은 외에도 많은 종류의 물질이 초전도성을 가질 수 있음이 밝혀지기도 했습니다.
현상의 발견에서 상용화까지
마이스너 효과의 발견
초전도의 완전 반자성 현상은 오네스가 저항제로를 발견한 20년 후인 1933년에 독일의 물리학자 마이스너(F. W. Meissner, 1882-1974)와 그의 제자인 옥센펠트(R.Ochsenfeld)에 의해 처음 발견되었고, 그의 이름을 따라 “마이스너 효과”라 부릅니다.
마이스너는 베를린에서 출생으로 그는 베를린 기술대학(TechnicalUniversity of Berlin)에서 기계공학과 물리학을 공부했습니다. 그의 지도교수는 막스 프랑크(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858–1947, 독일의 이론물리학자, 양자역학의 주창자, 1918년 노벨 물리학상 수상)입니다. 마이스너는 1922년부터 1925년까지 3년 동안 세계에서 세 번째로 큰 헬륨액화기를 제작하는 일에 참여했습니다.
1933년, 독일의 물리학자 프리츠 발터 마이스너(Fritz Walther Meißner, 1882 ~ 1974), 로버트 오쉔펠트가 주석과 납 시료에서 초전도체 내부로 자기장이 침투하지 못하는 현상을 실험적으로 발견했습니다.
현상의 발견에서 상용화까지
양자역학, BCS 이론 등장
1957년, 미국의 물리학자 존 바딘(John Bardeen, 1908 ~ 1991), 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼(John Robert Schrieffer, 1931 ~ 2019)가 초전도 현상에 대한 이론적 설명을 최초로 성공하여, 이들 연구자 이름의 앞글자를 따서 'BCS 이론'으로 이름이 지어졌다. 쿠퍼쌍의 매개를 포논(phonon)으로 보았습니다. 1972년, 이들이 이 공로로 노벨물리학상을 수상했습니다.
BCS 이론을 통해 우리는 더 나은 인지 능력을 가진 개인이 되고 더 발전된 인지 기술을 개발할 수 있는 가능성을 열어갈 수 있습니다 BCS 이론은 초전도체의 동작 원리를 설명하기 위해 양자역학의 기본 원리를 활용합니다.
이 이론은 전자들이 양자적인 상태로 결합하여 Cooper pair라고 불리는 새로운 형태의 입자를 형성한다고 가정합니다 Cooper pair는 서로 반대 방향으로 움직이는 두 개의 전자로 구성되어 있으며 이들은 양자적인 상호작용을 통해 전자들이 서로를 끌어당기는 힘을 가지게 됩니다.
BCS 이론은 초전도체의 전기 저항이 완전히 사라지는 현상인 초전도성을 설명하는데 중요한 역할을 하며, 일반적으로 전기 저항은 전자들이 움직이는 동안 발생하는 충돌과 저항으로 인해 발생합니다. 그러나 BCS 이론에 따르면 Cooper pair는 전자들이 서로를 끌어당기는 힘을 가지기 때문에 충돌이 발생하지 않고 전자들이 자유롭게 흐를 수 있게 됩니다.
이로 인해 초전도체는 전기 저항이 사라지고 전류가 손실 없이 흐를 수 있는 특성을 가지게 되며, BCS 이론은 초전도체의 동작 원리를 설명하는데만 국한되지 않고 다양한 분야에서 응용되고 있습니다. 예를 들어 초전도체는 자기장을 생성하는 데 사용되는 자기공명 이미징(MRI) 장비에서 중요한 역할을 합니다.
해외 LK-99 검증과 반응 - 네이처
LK-99 초전도체 아니다
네이처는 16일(현지시간) 파스칼 푸팔 박사가 이끄는 독일 연구팀이 LK-99의 순수한 단결정 합성에 성공했으며, LK-99 단결정은 초전도체가 아니라 오히려 절연체임을 밝혀냈다고 전했습니다.
연구팀은 한국 연구팀과 검증에 나선 외국 연구팀들이 LK-99를 도가니에서 가열해 제조한 것과 달리 '부유 영역 결정 성장' (floating zone crystal growth) 기법으로 황 (S)의 침투를 방지, 황화구리 불순물이 없는 순수한 LK-99 단결정을 만드는 데 성공했다고 설명했습니다.
연구팀이 만든 LK-99 단결정은 투명한 보라색으로, 실험 결과 초전도체가 아니라 저항이 수백만 옴 (Ω)에 달하는 절연체로 밝혀졌으며 약간의 강자성과 반자성을 나타내지만, 자석 위에서 뜰 정도는 아닌 것으로 드러났습니다.
네이처는 LK-99에서 발견된 초전도 유사 현상은 순수한 단결정에는 없는 황화구리 불순물에서 기인한 것으로 보인다며, 이 실험 결과는 (고체 특성을 규명하는데) 단결정이 필요한 이유를 정확히 보여준다고 말했습니다. 네이처는 독일 연구팀의 결론은 구리와 납, 인, 산소로 이루어진 LK-99가 사상 최초의 상온·상압 초전도체를 발견한 것이기를 바라는 사람들을 실망시키는 것이라고 전했습니다.
네이처에 따르면 이번 논란의 교훈은 다음과 같습니다.
- 첫째, 초전도 현상과 관련한 밀도함수이론 (DFT)에 대해 주의해야 한다는 것입니다. DFT는 고체의 전자 구조를 계산하는 방법론으로, 한국 연구팀은 DFT를 통해 LK-99가 상온상압 초전도체임을 예측하고 실험하였습니다. 그러나 DFT는 복잡한 상호작용을 고려하지 못하거나 오류를 포함할 수 있으므로, 신뢰할 수 있는 증거로 삼기 어렵다고 지적됩니다.
둘째, 재현 가능성 (reproducibility)을 확보해야 한다는 것입니다. 한국 연구팀은 LK-99의 초전도 유사 현상을 재현하기 어렵다고 인정하였으며, 이는 물질의 순도와 제조 과정에 따라 결과가 달라질 수 있음을 의미합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 단결정이나 표준화된 샘플을 사용하는 것이 필요하다고 강조됩니다.
네이처의 보도에 따르면, LK-99를 규명하려는 노력은 쉽게 이루어졌고 이런 일은 비교적 드물다고 말합니다. 1986년 산화구리 초전도체가 발견됐을 때 많은 연구자가 그 특성 조사에 뛰어들었지만 거의 40년이 지난 지금도 논쟁은 계속되고 있다고 비교합니다.
LK-99의 경우, 한국 연구팀이 논문을 사전공개한 지난달부터 미국, 중국, 유럽 등 여러 나라의 연구팀들이 검증 작업에 참여하였으며, 독일 연구팀이 결정적인 증거를 제시하였습니다. 이는 과학계의 협력과 소통이 잘 이루어졌음을 보여주는 사례라고 할 수 있습니다.
LK-99에 대한 논란은 아직 완전히 종결된 것은 아닙니다. 한국 연구팀은 자신들의 주장을 유지하고 있으며, 한국초전도저온학회 검증위원회와 한국표준과학연구원 등 국내 기관들이 LK-99에 대한 재현 실험을 진행하고 있습니다. LK-99가 초전도체인지 아닌지에 대한 최종 판단은 아직 내려지지 않았으므로, 과학적인 근거와 증명을 바탕으로 정확한 사실을 밝혀내야 할 것입니다.
국내 LK-99 검증과 반응 - LK 99 검증위
"초전도성 측정 결과 없다"
한국초전도저온학회 LK-99 검증위원회(이하 검증위)가 국내 연구팀이 상온·상압 초전도체라고 주장한 물질 'LK-99' 샘플을 일부 제조한 결과 현재까지 초전도성을 나타내는 측정 결과가 없다고 밝혔습니다. 전날 국제학술지 네이처지에 이어 국내에서도 LK-99가 초전도체가 아니라는 주장을 내놨습니다.
한국초전도저온학회 LK-99 검증위원회(이하 검증위)가 국내 연구팀이 상온·상압 초전도체라고 주장한 물질 'LK-99' 샘플을 일부 제조한 결과 현재까지 초전도성을 나타내는 측정 결과가 없다고 밝혔습니다. 전날 국제학술지 네이처지에 이어 국내에서도 LK-99가 초전도체가 아니라는 주장을 내놨습니다.
검증위는 18일 서면브리핑에서 "LK-99 제조공정에 따라 만들어진 불순물이 포함된 시료(샘플) 및 불순물이 최소화된 단결정 시료를 일부 제조했다"며 "확보한 시료 특성을 측정하고 있으며 현재까지 초전도성을 나타내는 측정 결과는 없다"고 밝혔습니다.
검증위는 검증에 참여한 서울대, 성균관대 양자물질 초전도 연구단, 고려대 외 부산대, 한양대, 성균관대 전자활성에너지소재연구실, 경희대가 추가로 참여해 총 일곱 군데가 샘플 재현실험을 진행 중이라고 밝힌 바 있습니다.
이중 한양대 고압연구소가 지난 11일 LK-99의 재료 중 하나로 수급에 어려움을 겪던 황산납을 외국에서 확보해 다른 연구실에 제공했고, 이후 샘플을 일부 제조한 상태라고 설명했습니다.
한편 검증위는 최근 전 세계 연구진이 LK-99 복제를 시도했지만 성공하지 못했다는 일부 보도와 관련해 "이미 많은 외국 기관이 재현실험을 수행했다"며 "이런 경우에도 'LK-99를 상온 초전도체라 보기 어렵다'는 검증위 입장은 그대로 유지된다"라고 밝혔습니다.
한편 국제학술지 네이처지도 전날 파스칼 푸팔 박사가 이끄는 막스플랑크 고체연구소 연구팀이 LK-99의 순수한 단결정 합성에 성공했으며 LK-99 단결정은 초전도체가 아니라 오히려 절연체임을 밝혀냈다고 전했습니다.
연구팀은 지난 14일 공개한 이 연구에서 한국 연구팀이 제시한 초전도 유사 현상은 LK-99 제조 과정에서 생긴 불순물인 황화구리(C₂S)로 인한 것이라며 "우리는 초전도 존재를 배제한다"라고 결론 내렸습니다.
현재 공개된 방법에 따라 전 세계의 과학자들과 연구소에서 샘플과 중간 실험 결과가 나오고 있습니다. 재현에 일부 성공한 것도 있으나, 아직 샘플을 계속해서 만드는 곳도 있다고 합니다.
상온상압 초전도체가 우리 기술로 성공하게 된다면 과학분야뿐만 아닌 전 세계 인류의 상상을 초월한 발전으로 새로운 세상이 열릴 거라 예상하고 있습니다. 영화 아바타의 한 장면인 하늘에 떠있는 바위섬처럼 실제로 볼 수 있는 날이 어느덧 다가오지 않을까 싶습니다.
잔잔한 호수에 조약돌을 담가 잔잔한 물결이 일어나기 시작했으니 이번 초전도체 물질 LK-99는 한 세기에 한 번 나올 법한 과학적 돌파구가 될지, 큰 실망으로 그칠지도 모르는 일이지만 과학은 그 자체로 결과만큼이나 큰 가치로 생각되어집니다.
흥미진진하고 가슴 들뜨게 만든 상온 초전도체 LK-99에 대한 최종 검증 결과를 기다려봅니다. 감사합니다.
by. sosic4u
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