상온 초전도체: 혁신적 기술의 이용사례들

상온 초전도체는 과학과 기술의 큰 진전입니다. 이 기술이 상용화되면, 전기 손실 없는 고효율 전력망, 소형화된 양자 컴퓨터 등을 실현하는 데 큰 도움이 될 것입니다. 그러나 이 연구의 신빙성은 아직 검증 단계에 있지만 성공하면 어떻게 이용할 수 있는지 확인해 보겠습니다.

 

상온 초전도체란

초전도체란, 전기 저항 없이 직류를 전달하는 물질을 의미합니다. 저항은 전류의 흐름을 방해하는 물질의 속성이기 때문에, 초전도체는 전류 전송의 효율성을 극대화합니다. 보통 초전도체는 절대 영도에 가까운 매우 낮은 온도에서만 작동합니다.

그러나, 최근 수십 년 동안 연구자들은 화씨 영하 10도(섭씨 영하 23도)에서 작동하는 고온 초전도체를 개발하였습니다. 이러한 고온 초전도체는 기존의 초전도체에 비해 다루기 더 수월하며, 그러나 여전히 특수한 냉각 장비가 필요합니다. 또한, 이러한 재료들은 대기압보다 약 167만 배 높은 극도의 압력이 필요합니다.

반면에, 상온 초전도체는 이름에서 알 수 있듯이 별도의 냉각 장비를 필요로 하지 않습니다.

 

상온 초전도체의 활용

상온 초전도체는 뛰어난 에너지 효율성과 고성능으로, 고급 반도체 기기 및 회로의 한계를 뛰어넘는 능력을 지닙니다. 전류가 대량으로 통과해도 전기 저항이 없기 때문에, 에너지 손실이 없습니다. 이로 인해 전력 전송에 굉장한 효율을 보여줍니다.

 

초전도체의 전력 전송 활용 예시

예를 들어, 유틸리티 회사 Commonwealth Edison은 고온 초전도 전력선을 설치하여 시카고 북부에 전기를 공급하는 프로젝트를 시연했습니다. 이 초전도 전력선은 일반 구리선에 비해 200배의 전류를 수용할 수 있습니다. 그러나, 현재 초전도체를 유지하기 위한 높은 압력과 낮은 온도가 필요한 조건 때문에, 이런 형태의 에너지 전송이 불가능한 경우도 많습니다.

 

초전도체와 자석 생성

초전도체는 전류를 끊임없이 유지시키는 특별한 성질을 가지고 있어, 이를 이용해 큰 규모의 영원한 자석을 만드는 데 활용됩니다. 실제로, 현대의 MRI 기계는 이런 초전도체 자석을 사용해, 섬세한 이미지 촬영에 필요한 강력한 자기장을 생성합니다. 이런 강력한 자기장은 몇 테슬라에 달하는데, 이를 위해 초전도체 자석이 활용되고 있습니다.

1. 초전도체와 MRI

이런 초전도체 자석은 환자의 신체에 있는 수소 원자핵을 정렬하는 자기장을 만드는 데 사용됩니다. 이러한 방식으로 MRI 스캔에 필요한 조직 이미지가 생성됩니다. MRI의 신호 강도는 이 자석의 강도에 직접적으로 영향을 받습니다.

2. 초전도체와 자기 부상열차

초전도체는 자기장을 내부에서 방출하여 강력한 전자석을 만들 수도 있습니다. 이렇게 만들어진 초전도 전자석은, 기차를 공중에 띄울 수 있는 만큼의 힘을 가지고 있습니다. 일본의 야마나시 자기 부상열차는 초전도 전자석을 이용하여 가이드웨이 위에서 10cm를 부상하며, 시속 500km로 운행합니다.

3. 초전도체와 양자 컴퓨팅

또한, 초전도 회로는 큐비트로 사용될 수 있어, 양자 컴퓨팅에 있어 매우 중요한 역할을 담당하고 있습니다. 큐비트는 양자 프로세서의 핵심 요소로, 고전적인 컴퓨터의 트랜지스터보다 훨씬 능력이 뛰어나다는 장점이 있습니다. D-Wave Systems, Google, IBM 등의 기업들은 초전도 큐비트를 활용하여 양자 컴퓨터를 개발하였습니다.

※ 큐비트란?
양자 컴퓨팅의 핵심 요소인 큐비트는 전통적인 컴퓨터의 비트와는 많이 다릅니다. 일반 컴퓨터의 비트는 0 또는 1의 값을 가질 수 있는데, 이는 스위치가 켜져 있거나 꺼져있는 상태를 상징합니다.

그러나 큐비트는 양자역학의 특성 때문에 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있습니다. 이를 '양자 중첩'이라고 하며, 그 덕분에 양자 컴퓨터는 여러 계산을 동시에 수행할 수 있게 됩니다. 이는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 특정 문제를 해결할 수 있게 해 줍니다.

그러나 큐비트를 제어하고 관찰하는 것은 매우 어렵습니다. 왜냐하면 큐비트의 상태를 측정하면, 그 큐비트는 측정에 따라 결정된 단일 상태(0 또는 1)로 '붕괴'하게 되기 때문입니다.

 

상온 초전도체의 전망

현재 초전도체 기반의 회로나 시스템은 운영 비용이 높은 편입니다. 하지만 상온 초전도체는 이런 문제를 해결할 수 있으며, 간편하게 사용할 수 있습니다. 상온 초전도체는 차세대 컴퓨터, 빠른 대역폭의 무선 통신, 생체 의학 및 보안 응용, 재료 및 구조 분석, 심우주 전파 천체물리학에 이용될 고해상도 이미징 기술과 새로운 센서 개발에 활용될 것으로 예상됩니다.

상온 초전도체를 활용한 MRI는 비용이 크게 줄어들 것이며, 전력 그리드의 효율성이 증가하여 수십억 달러를 절약할 수 있을 것으로 예상됩니다. 자기 부상 열차는 더 낮은 비용으로 더 먼 거리를 운행할 수 있을 것이며, 컴퓨터는 더 적은 전력을 사용하여 더 빠르게 작동할 것입니다. 마지막으로, 양자 컴퓨터는 더 많은 큐비트를 가짐으로써, 현재의 슈퍼 컴퓨터가 해결하지 못하는 문제들도 해결할 수 있을 것입니다.

※ 전력 그리드란?
'전력 그리드'라는 용어는 전기를 생성하는 발전소에서부터 가정이나 사업장 등 최종 사용자까지 전기를 전달하는 전체 네트워크 시스템을 의미합니다. 이 시스템은 크게 발전소, 변압기, 전력선, 그리고 최종적으로 전기를 사용하는 곳으로 이루어져 있습니다.

간단히 말해서, 전력 그리드는 우리가 전등을 켜거나 컴퓨터를 사용할 때 필요한 전기를 우리 집이나 사무실까지 전달하는 역할을 하는 시스템입니다.

"전력 그리드의 효율성이 증가한다"라는 말은 이런 시스템이 전기를 더 효과적으로, 즉 손실을 최소화하면서 전달한다는 뜻입니다. 이렇게 되면 발전소에서 생산된 전력 대부분이 실제로 사용자에게 도달하게 되어, 에너지 소비를 줄이고 환경 친화적인 세상을 만드는 데 기여하게 됩니다.

 

상온 초전도체의 실현 가능성 논문 2편

한국의 연구팀이 상온과 대기압에서 작동하는 '초전도체'를 개발했다는 두 편의 논문이 사전 공개 사이트 '아카이브'에 등록되었다는 소식이 전해졌다. 이 연구팀에는 이석배 퀀텀에너지연구소 대표, 권영완 고려대 연구교수, 오근호 한양대 명예교수, 그리고 김현탁 박사 등이 포함되어 있다. 

 

이들은 'LK-99'이라 불리는 초전도 물질을 세계에서 가장 먼저 개발하였으며, 이 물질이 섭씨 126.85도에서 초전도 현상을 보여주었다고 주장하였다. 이 연구 결과가 사실이라면, 전기 손실 없는 초고효율 전력망 구축과 손바닥 크기의 양자 컴퓨터 등이 가능해질 수 있다. 

 

그러나 과학계에서는 여전히 회의적인 시각을 유지하고 있으며, 상온 초전도체 개발에 대한 이전 발표들이 논문 철회와 같은 논란에 휩싸인 바 있기 때문이다. 따라서 한국 연구팀의 논문도 세부 데이터 부족과 초전도성 발현에 대한 문제로 인해 의문을 제기받고 있다. 

 

논문이 아직 검증되지 않았고, '아카이브'라는 사이트가 논문을 빠르게 공개하되 동료 평가 없이 게재가 가능한 구조이기 때문에, 이 논문의 진실성은 아직 밝혀지지 않았다. 이에 대해 논문의 저자들은 논문이 완성본이 아니며, 논문 공개는 의도한 바가 아니라고 주장하고 있다.

 

 

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