초전도체의 새로운 미래, 상온 초전도체

[객원 에디터 3기 / 최상준 기자] 금속, 합금, 화합물 등이 특정한 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 현상을 초전도 현상이라 하는데, 이러한 성질이 있는 물질을 초전도체라고 한다. 최초의 초전도체는 1911년 헤이커 카메를링 오너스가 저온에서 금속의 저항을 연구하던 중, 고체 수은에서 초전도 현상을 발견했고, 이후 납이나 주석과 같은 금속에서도 초전도 현상이 발견되었다.

초전도체는 자기장을 차단하는 기존의 소재에서는 볼 수 없는 새로운 성질을 나타낸다. 그리고, 자석이 만든 자기장을 바깥으로 밀어내는 성질이 있기 때문에 자석 위에 가까이 가져가면 자석 위에 떠 있을 수 있게 되는데, 이것을 마이스너 효과라고 한다. 또한, 초전도체는 전기 저항이 없어 전류가 흐를 때에 전력 손실이 전혀 없기 때문에, 초전도체를 이용하면 많은 전류를 흐르게 할 수 있다. 그렇기에, 아주 강한 전자석을 만들 수 있는데 이를 이용한 사례로는 많은 전류가 발생하고 운송하는 에너지 저장장치, 모터, 발전기 등이 있고, 의료 장비인 자기 공명 영상 장치(MRI), 인공 핵융합 장치 등에 사용되고 있다.

초전도체를 이용하면 막대한 양의 전력 손실을 줄일 수 있다. 그러나 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스 교수의 수은의 전기 저항 실험에서 영하 268.8℃ 에서 저항이 사라지는 초전도 현상을 관찰할 수 있었다. 실생활에서 초전도체를 사용하려면, 그만큼 극저온 상태를 유지시켜야 하는데 냉각 비용이 만만치 않다. 지속적으로 냉각을 시켜주지 않으면 초전도 현상을 잃어 본래의 성질을 띄게 될 것이다. 그렇기에, 과학자들은 더 높은 온도에서 초전도 현상이 일어나는 물질들을 찾아내기 위해 많은 노력을 기울여왔다. 임계 온도가 15℃ ~ 25℃ 인 물질을 상온 초전도체로 분류된다. 상온 초전도체의 실험 대상으로는 주로 강한 압력이 가해진 수소 화합물이었다. 이후, 2015년 12월 독일의 물리학자 미하일 에레메츠가 황이 첨가된 수소 화합물에 강한 압력을 가해주면 영하 70℃ 에서 초전도 현상을 띈다는 연구 결과가 나왔다. 그리고, 4년 후 란타넘이 결합된 수소 화합물이 영하 13℃ 에서 초전도 현상을 유발하는 초전도체라는 것을 발견했다.

최근, 상온 초전도체에 대한 연구 결과가 계속해서 나오고 있지만 아직까지도 상온 초전도체를 상용화시키기에는 어렵다. 공통적으로, 상온에서 초전도 현상을 유지시키려면 높은 압력이 있어야 하는데 이를 해결하기 위한 대책이 필요하다. 초전도체의 활용 분야는 매우 다양하다. 상온 초전도체가 완벽히 구현될 수 있을 정도로 개발이 된다면, 양자컴퓨터, 진공튜브열차 등의 대부분의 산업 전반에 있어 적극적으로 활용될 것이고, 국가의 경제성이 크게 성장할 것으로 예상한다.