[상온 초전도체 개발 진짜일까?] 상온 구현은 112년째 못풀어낸 숙제

입력: 2023-08-03 15:49 안경애 기자

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1911년 초전도 현상 첫발견
극저온서 전기 저항 낮아져
성공하면 인류 한단계 발전

초전도체는 100여년간 10명 넘는 노벨물리학상 수상자가 배출된 분야다. 앞으로도 노벨상 수상이 예약돼 있기도 하다. 1911년 처음 현상을 발견한 연구자부터 조금씩 진보된 기술을 개발한 연구자가 나올 때마다 노벨상 수상으로 이어졌다. 이번 고려대 연구진의 발표도 검증만 되면 노벨상 보증수표로 여겨진다.초전도란 금속, 합금, 화합물 등의 전기저항이 0이 되는 현상이다. 원자 안의 전자를 가로막는 저항이 없어지는 만큼 일반적인 물질에선 볼 수 없는 현상이 벌어진다. 전기 저항은 온도가 낮아질수록 떨어지다가 특정 온도가 되면 아예 사라진다. 전기저항이 사라지면 전력 손실이 전혀 없어지는 만큼 전압이 없는 상황에서 전기가 영구적으로 흐를 수 있다. 에너지 이용에서 혁명적인 변화가 일어날 수 있는 것이다. 초전도체엔 이와 함께 자성체를 밀어내는 반자성 특성이 있는데, 이는 자석을 공중에 뜨게 할 수 있다. 고온의 플라즈마를 표면에 닿지 않게 가둬 둬야 하는 핵융합로나 자기부상열차, MRI(자기공명영상), 양자컴퓨터 등에 초전도체가 쓰인다.

특히 상온상압 초전도체는 현대 재료과학과 응용물리학의 '성배'로 꼽힌다. 극저온이나 초고압 상태를 만들지 않고도 초전도체를 만들 수 있어 '가성비'가 급격히 높아지기 때문이다. 그 결과 전자기로 움직이는 인류 문명의 폭발적 진화를 가져올 것으로 기대를 모은다.

초전도 현상이 발견된 것은 112년 전인 1911년이다. 당시 네덜란드 라이덴 대학의 카멜린 온네스 교수는 수은의 전기저항 실험을 하다가 절대온도(영하 273.15°C)에 가까운 영하 268.8℃에서 저항이 사라진다는 사실을 발견했다.

그는 이 공로로 1913년 노벨 물리학상을 받았다. 이후 과학자들은 더 쉬운 조건에서 초전도 현상이 일어나는 물질을 찾기 위해 100년 넘게 매달려 왔다. 그러나 온도가 높아지려면 극도로 높은 압력을 가해야 하는 문제가 있었다.

1957년엔 미국 과학자들이 초전도 현상을 설명한 최초의 미시 이론을 내놨다. 이른바 BCS이론이다.

미국의 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼가 주인공으로, BCS는 이들의 이름 앞글자를 따서 지어졌다. 이 이론은 저온 초전도체를 타입1와 타입2로 구분해 성질을 설명했지만, 고온 초전도체는 설명하지 못한다. 이들은 1920년 노벨물리학상을 받았다.

1986년엔 스위스 과학자들이 영하 238도(절대온도 35도)에서 초전도 현상이 일어나는 고온 초전도체를 최초로 발견했다. 절대온도 30도(영하 243도) 이상의 온도에서 초전도 현상이 나타나는 물질을 고온 초전도체로 분류한다. 이 성과는 1987년 노벨물리학상으로 이어졌다.

지금까지 초전도 현상을 구현한 최고 온도는 영하 23도인데, 극도의 압력을 가하 결과다. 대기압의 170만배에 달하는 기압이었다. 아직 인류는 고온 초전도체가 어떤 메커니즘으로 일어나는지 밝혀내지 못했다. 이를 밝히는 과학자는 노벨상 수상 0순위로 꼽힌다. 국내 연구자들이 도전한 상온상압 초전도체 구현에 성공하면 노벨상은 물론 전세계 기술패권 경쟁의 승자가 될 만한 파괴력을 가졌다는 분석이 나온다.

지난 30여년간 세계 다수의 연구자들이 이를 해냈다고 발표했지만 번번히 사실이 아닌 것으로 판명났다. 가장 최근 사례는 지난 2020년 미국 로체스터대학의 랑가 디아스 기계공학과 교수팀이 대기압 100만배 압력에서 약 15도의 상온 초전도 현상이 일어나는 물질을 발견했다고 국제학술지 네이처에 발표했다.

그러나 이후 데이터 신뢰성이 문제가 돼 논란 끝에 2022년 논문 철회가 결정됐다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr