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현대과학의 성배, 상온 초전도체가 개발되었다는 논문이 한국인 과학자들에 의해 발표되었다.
지난 7월 22일 오후 4시 51분(07:51 UTC), arXiv (미국 코넬대학교에서 운영하는 무료 논문저장 사이트. 물리학, 수학, 컴퓨터공학, 통계학 등에 관한 통상적인 출판전 논문(preprint)또는 텍스트 등을 무료로 업로드 및 다운로드가 가능한 공간으로 명칭은 아카이브라고 부른다)에서 “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”라는 제목의 논문 원고가 올라왔다. 저자는 퀀텀에너지연구소 이석배, 김지훈, 고려대학교 권영완 연구교수다. 논문 내용은 구리와 납을 구워서 화학처리를 했더니 상온에서 초전도 현상을 나타내는 초전도체가 만들어 졌다는 것이다. 그리고 그 물질의 이름은 이석배 김지훈 박사의 이름자와 연구를 시작한 1999년을 의미하는 LK99로 명명되었다.
즉, 한국인 과학자들이 상온에서 전자기 이동에 따른 에너지 손실이 전혀 없는 이상적인 초전도체를 개발했다는 얘기다. 지금까지는 절대 온도에 가까운 마이너스 269도의 수은에서 그런 현상이 나타나는 것을 보였을 뿐이다. 그런 조건하에 나타나는 수은의 현상을 상용화할 방법은 없었다. 그런데 이번에 그런 조건 따 떼어내고 상온에서 초전도성을 띄는 물질을 만들어냈다는 것이다.
상온에서 작동하는 초전도체의 등장은 인류에 어마어마한 영향을 미치는 일로 현대 과학의 성배로 불리운다.
만약 LK-99 초전도체의 발명이 사실이고, 본격적으로 상용화가 된다면, 근대 산업 혁명의 상징인 증기기관의 발명을 뛰어넘는 ‘인류 역사 이래 최대의 발명’ 이자 게임 체인저로 평가를 받을 것이다. 현대 과학 기술과 산업의 양상과 판도를 그야말로 완전히 뒤집어 놓을 수 있기 때문이다. 이와 비견될 수 있는 발견이라면 핵융합 발전 상용화 정도를 예로 들 수 있다. 노벨물리학상 수상은 기본이고, 초전도체의 상용화로 인한 전자/전기 기술 발전의 시작으로 인류사와 과학계에 엄청난 족적을 남길 수 있다.
상온 초전도체 개발 이후의 파급효과
1기압 상온에서 사용 가능하고, 공기와 직사광선에 계속 노출되어도 괜찮고, 크게 무겁지 않고, 부피가 가늘어도 되고, 내구성도 좋고, 임계전류가 높고, 전달이 가능한 전력의 양이 무한대이고, 가격을 저렴하게 낮출 수 있는 등의 특징을 갖춘, 지금은 상상 속의 초전도체가 개발되어 일상화된다면 그후에 펼쳐질 미래상에 대한 상상 및 기대가 매우 크다.
전세계의 전기공학을 비롯한 산업계에서도 거대한 파급효과로 판도가 뒤바뀌면서 수많은 변화가 올 것으로 추정된다. 쉽게 찾을 수 있는 예를 들어보자.
자기 이용
MRI – 촬영비용이 매우 저렴해질 수 있다. 비용 중 상당수가 냉각을 위한 액체헬륨 비용이기 때문이다.
로봇과 인공근육 – 작고 강력한 전자석으로 강력한 인공근육을 만들 수 있다. 이는 단순히 로봇산업의 도약을 넘어 군사기술을 포함한 문명 수준을 크게 발전시킬 것이며, 가볍고 강력한 인공 근육은 신체 일부가 마비되거나 결손 된 장애인들의 삶을 크게 개선시킬 것이다.
자기부상열차 – 철도 건설 및 열차 부상비용이 매우 저렴해질 수 있다. 2022년 시점에 이미 자기부상열차를 통한 여객은 고속철도보다 저렴하므로, 설치와 유지보수까지 저렴하고 쉬워진다면 비행기 산업이 몰락할 수도 있다!
핵융합 – 핵융합 발전의 경제성이 크게 올라 상용화될 수 있다. 또한 전자기 응축이나 아크 가열식 핵융합 폭탄의 생산이 쉬워져, 군사적 사용을 넘어 우주선 추진체로도 쓸 수 있다. 초전도체로 인해 핵융합모듈의 소형화가 가능해지면 거의 모든 교통수단에 적용할 수 있을 것이다.
플라즈마 – 관련 응용이 쉬워지고, 각종 산업용 기구의 덩치가 줄고 기능이 개선될 수 있다. 고에너지 물리학 연구에 드는 비용도 훨씬 줄어들 것이다.
에너지 무기나 레일건 등 전자기력으로 구동하는 무기류의 크기, 무게, 유지비용을 크게 줄일 수 있다.
전기 이용
전선 – 송전 효율이 거의 100%가 된다. 따라서 송배전 전압을 지금처럼 매우 높게 유지하지 않아도 되며, 대용량 직류 송전기술이 비약적이고 진보한 방향으로 성장할 것이다. 세계를 연결하는 대용량 전력 망 구축이 일어날 것이다. 세계의 전력사용량은 일정하므로 국가별 전력 피크, 부족, 심야전기 낭비 문제가 거의 해결되고, 신재생에너지가 풍부한 국가로부터 주요 에너지 소비 국가들이 에너지를 받게 될 것이다.
변압기 및 인덕터 – 이론상으로 코일의 변전효율이 10가 될 수 있다.
전봇대, 변전소 시설 부지, 인도를 점유하는 변압기 등의 부피가 크게 줄어들어서 도시미관이 향상될 수 있다. 각종 SMPS도 변압기와 인덕터의 손실이 줄어들면서 변환 효율성도 크게 올라간다.
축전기 – 전극판과 연결 도선의 등가 직렬 저항(ESR)이 없어지게 되어 노이즈를 더 효과적으로 제거하거나, 순간적으로 매우 강한 전류를 출력할 수가 있게 된다.
에너지 저장 체계 – 닫힌 초전도 코일 내에서 전류가 무한히 맴도는 성질을 이용하여 배터리 대신 전력을 저장하는 장치를 만들 수도 있다.
전기철도 – 복잡한 변전 시설과 설비를 단순화할 수 있게 되며, 직류 급전방식을 고속철도에도 활용 가능하게 된다. 절연구간 또한 대부분 불필요해질 것이다.
회로설계가 비교적 간편 해진다 – 도선의 저항을 나타나던 많은 비선형 미분방정식이 선형화 되어 쉽게 해결할 수 있어진다.
고 방전 배터리나 슈퍼 콘덴서에 초전도 코일을 직접 연결하는 방식으로 현재보다 훨씬 간단하고 강력한 전자기 추진장치를 제작할 수 있다. 작게는 인명 살상이 가능한 코일건부터 크게는 빅 바빌론 같은 스페이스 건을 만들어 쓸 수도 있다.
과전류로 인한 전기화재 사고가 줄어들고, 전자기기의 가동 과정에서 발생하는 저항(=발열)이 줄어들어면서 적절한 차폐만 되어있다 면 전자기기의 수명도 대폭 길어지게 된다.
또한, 미래에는 가정용이나 산업용 전력시설에서 전기를 공급하는 배선과 설비를 개선하여 저항으로 낭비되지 않고 효율적인 전기를 사용할 수 있는 방향으로 빠르게 변화할 것으로 예상된다. 일단, 초전도체를 사용하여 전력의 효율성이 극대화가 되는 설비로 바꾸면서 산업계의 전기세가 비약적으로 줄어들 가능성이 있다.
하지만 이렇게 위에 나열한 개선점들은 그저 장난 수준에 불과하다. 인공태양을 만들어 무한대의 에너지원을 인류는 갖게 된다. 석유나 기타 대기 오염의 주범들이 사라진다. 동시에 열을 받지 않은 반도체를 만들어 엄청난 과학발전을 이룰 수 있다는 것은 삼척동자도 알만한 일이다. 그래서 상온에서의 초전도체 발명은 인간의 불 사용과 같은 획기적 변화를 안겨줄 만한 일이라고 한다.
지난 2009년 미국 영화 아바타(영화)의 이야기도 언옵테늄이라는 상온 초전도체를 지닌 물질을 획득하기 위해 인간이 상온 초전도체 물질로 구성된 판도라에 진출하는 이야기를 소재로 한 것이다. 작중 ISV 벤처 스타 같은 성간 우주선들도 언옵테늄을 이용한 대소멸 엔진으로 광속에 가까운 속도로 별들을 오간다. 아바타 영화에서 공중에 떠다니는 섬 ‘할렐루야 아일랜드‘도 중력은 약하고 자기장에 의해서 떠다닐 수 있는 초전도체 물질로 되어있다.
LK99 초전도체 개발의 반응
실로 인류의 삶을 바꿀 수 있는 충격적 연구인 상온에서의 초전도체 개발은 이번이 처음이 아니다. 이미 절대 온도에서의 초전도 현상은 몇차례 발견되었고 그것으로 인해 노벨상이 3개나 수여되었다. 그리고 2020년 미국 로체스터대 연구팀이 섭씨 15도 이하에서 초전도 현상을 보이는 물체를 찾아냈다고 밝혀 물리학계가 발칵 뒤집혔다. 당시 연구팀은 두 개의 다이아몬드 사이에 탄소, 수소, 유황을 끼워 넣은 후 레이저로 엄청난 압력(상압의 260만배)을 가해 이 같은 실험에 성공했다고 발표했다. 하지만 1년여 후인 지난해 11월 데이터 조작 등의 의혹 때문에 게재 철회 조치를 당하면서 실험 결과를 둘러싼 논란이 일고 있는 상태다
그와 같은 선례로 인해, 이번에 한국인 과학자들에 의해 발표된 논문은 레이처와 같은 유명 학술지가 아니라 아카이브라는 무료 논문 사이트에 올라온 것도 아직 권위있는 학술지의 지지를 받지 못한 탓이다.
현재 많은 연구기관에서 이 논문에 의한 레시피대로 LK99를 만들어 실험하고 있으나 아직 부정적인 반응이 많은 상황이다. 물론 긍정적인 반응과 중립적인 반응으로 이 물질의 개발이 가능하다고 보는 연구기관도 있다.
너무 이른 발표, 위험을 초래하는가?
그러나 발표된 지 일주일만에(8월 3일 현재) 세계 각국의 연구기관에서는 초기의 회의적인 반응을 접어두고 실제 논문에 게재된 레시피에 의한 시뮬레이션을 시작했고 놀라운 결과를 보이면 급작스럽게 긍정적인 반응으로 돌변하고 있다. 이들은 실제로 LK99가 초전도체 성질을 보인다면서 초전도체인지 아니면 그런 성향을 가진 신물질인지 모르겠다며 흥분된 결과를 발표하고 있다. 실제로 미국의 국립 로렌스 버클리 연구소에서는 이 물질의 생성이 가능하다는 시뮬레이션 결과를 발표했다. 중국의 연구 기관조차 LK99가 초전도체 반응을 나타내는 신물질이라고 결과를 통고한다.
문제는 이런 신물질의 제조 레시피가 너무나 간단하다는 것이다. 물질을 만들어 내는 레시피를 공개했지만 왜 이렇게 되는지 과학적 이론적 근거는 마련하지 못한 채 논문이 발표되었다.
실제로 퀀텀에너지연구소의 이 연구는 1993년부터 고려 대학교 최동식 교수에 의해 시작되었다. 2017년 연구를 마치지 못하고 고인이 된 최교수는 유훈으로 이 연구의 이론이 완전히 정립되기까지 외부로 발표하지 말라고 했으나 최근 무슨 일인지 모르지만 퀀텀에너지연구소는 이를 급하게 발표했다.
그 후 논문에 대한 긍정적인 반응이 쏟아지자, 이제는 너무 성급한 발표였다는 우려가 나오고 있다. 즉 LK99가 초전도체이든 그런 성향을 보이는 신 물질이든 간에 모든 레시피를 공개해 버렸다면 이를 악용하는 사례가 나타날 것이라는 것이다. 즉 인류의 발전에 도움이 되지 않는 자들의 기술 탈취를 염려하는 것이다. 미국의 한 과학자는 이제는 이 물질을 제조하는 일이 남아있는데 왜 삼성과 같은 한국기업과 협력하여 완전한 제조법을 만들고 난 후 공개하지 않았는가 하며 이른 공개에 대한 의문과 우려를 나타내고 있다. 자칫하다가 이를 악용하려는 나라에 기술을 탈취당해 세계가 위험에 빠질 수 있다는 것이다.
지금도 이 논문을 발표한 한국의 과학자들은 세계 각국의 연구기관에서 실험하고자 하는 LK99 제작 시뮬레이션에 적극적으로 협조하고 있다. 물론 자신이 없다면 할 수 없는 행동이지만 그 들만의 비밀 제조법은 남겨 두고 있어야 한다는 것이다.
이런 이야기들을 종합해보면 LK99는 초전도체 물질은 아니라 해도 그와 유사한 신물질임은 맞는 듯하다는 것이 일부 과학계의 반응이다. 사실 그것 만으로도 어마어마한 발명이다. 이제는 공들여 만들어 낸 이 신 물질, 이것이 초전도체이든 아니든 간에 세상에 공개하고 드러내는데 중점을 두지 말고 관리 발전하는데 힘을 모아야 할 때라는 생각이 든다. “이제 인류의 미래는 한국이라는 작은 나라의 손에 달려있다” LK99 연구를 본 어느 미국인 과학자의 발언이다.
퀀텀에너지연구소팀은 이미 이 물질에 대한 7종의 특허를 출원한 상황이긴 하다.
앞으로의 전망.
지금 세계의 과학계는 LK99에 대한 문제로 집중되어 있다. 관련주가 하루만에 수십 프로씩 급등하기도 하고 하루만에 급락하기도 한다. 전세계의 연구소, 그리고 일반인조차 이미 레시피가 공개된 LK99제조를 위해 모두 혈안이 되고 있다. 어느 한 쪽에서 부정적 반응이 나오면 어느 한 쪽에서는 반박 설명과 함께 긍정적 사인이 튀어나온다. 아직 LK99의 초전도체 여부를 결론이 나지 않고 있다. 그러나 이번에 발표된 LK99는 초전도체 물질 여부를 떠나 세계 과학계에 신선한 과제를 하나 던졌다는 데에도 큰 의의가 있다.
아무튼 지금의 관건은 상온 초전도 현상의 원리를 규명하는 일이다. 아직까지도 과학자들은 단지 입자들을 격자 구조로 배치하면 초전도 현상을 유도할 수 있다는 사실만 알고 있을 뿐 정확한 원인을 규명해내지 못한 상태다. 양자역학의 대부분이 “왜? 어떻게?” 라는 의문에 답하지 못한 채 현상만을 파악하고 있는 것과 마찬가지다. 그러나 원인 규명과 물질 개발은 별개의 사안이다. 원인을 몰라도 일단 그런 상온에서 초전도 현상을 보이는 물질을 만들어만 낸다면 원인은 몰라도 인류의 역사는 바뀌어 간다. 인간이 어떻게 만들어 지게 되었는지 모르지만 우리는 잘 만 살아가고 있는 것과 같다. 문제는 상용화가 될 만한 가 하는 것이다. LK99가 상용화여부를 떠나 초전도체라는 사실만 확인된다면 세계의 미래는 바뀐다. 인류가 발명한 모든 발명품이 처음부터 경제성을 갖고 나온 것은 없다. 지금 누구나 갖고 있는 핸드폰과 같은 성능의 컴퓨터가 30년 전에는 웬만한 빌딩 가격만큼이나 비쌀 정도로 경제성이 없었다. 현재는 값싼 금속의 하나인 알루미늄도 처음에는 은만큼이나 비쌌다. 대량 생산법이 만들어지자 일상의 금속으로 전락했다.
누가 아는가, “한국이 개발한 상온 초전도체 LK99, 인류의 미래를 바꾸다” 이런 문구가 일반적 진리로 대두될지 말이다.