- LK-99 정말 상온·상압 초전도체일까? 초전도체란 무엇인가
- 초전도체의 개요
- 초전도체의 역사
- 초전도체의 조건(마이스너 효과)
- LK-99의 발견(상온·상압 초전도체?)
- LK-99가 가져온 의문점
- LK-99로 인하여 생각해 볼 점
1. 초전도체의 개요
요근래 사회에서 뜨거운 감자가 되고 있는 LK-99 상온·상압 초전도체가 과연 무엇이길래 우리나라를 넘어 전세계적으로 큰 관심을 받고 있을까요? 상온·상압 초전도체를 이야기하기에 앞서 우리는 초전도체가 무엇인지를 먼저 살펴봐야 할 것입니다.
1900년대 여러 실험에서 과학자들은 특정 임계온도 이하로 내려가야 초전도체가 되는 물질들을 발견하게 되는데요. 일반적인 어떤 물질이 특정 임계온도 이하에서 저항이 0이 되면서 외부와 내부의 모든 자기장을 밖으로 내쫓는 성질(마이스너 효과)을 갖게 된다는 것이 일반적인 초전도체에 대한 설명이라고 할 수 있습니다. 즉, 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상과 자기장을 밀어내는 마이스너 효과를 모두 가지고 있는 물질을 초전도체라고 할 수 있습니다.
2. 초전도체의 역사
1908년, 네덜란드의 과학자 헤어커 카메를링 오너스가 엑체 헬륨을 만드는 것을 성공하며 극저온에서의 실험 시대를 열게됩니다. 오너스는 1911년 수은이 극저온 특정온도에서 전기저항이 0이 되는 현상을 발견합니다. 그로부터 20년 뒤인, 1933년 독일의 물리학자인 프리츠 발터 마이스너는 로버트 오쉔펠트와 실험 도중에 초전도체 내부에서 자기장을 밀어내는 현상인 ‘마이스너 효과’를 발견하게 됩니다.
그 후 1957년, 미국의 물리학자인 존 바딘, 리언 쿠퍼, 존 로버트 슈리퍼는 이러한 초전도 현상에 대해 원자핵을 이루는 양이온가 전자의 상호작용에 의해 발생한다는 것을 이론적 설명을 최초로 성공하게 됩니다. (BCS 이론) 하지만 이러한 BCS 이론은 약 -243°C 이하에서 발생하는 초전도 현상에 대해서만 설명이 가능한 이론입니다.
이러한 BCS 이론 이후에 과학자들은 구리, 철을 기반으로 한 고온 초전도체를 발견하게 됩니다. 고온 초전도체는 BCS 이론으로 설명이 가능한 기준이 되는 온도인 약 -243°C 보다 높은 온도를 의미하는 것으로, 실온과 비교했을 때는 극단적으로 낮은 온도입니다.
또한 여러 과학자들은 이러한 고온 초전도체의 극도로 낮은 온도의 환경에서 벗어나기 위하여 극도로 강한 압력을 가하는 방식의 실험을 하기 시작하는데요, 이것을 고압 초전도체라고 합니다. 엄청난 압력을 가하면 기존의 고온 초전도체보다 훨씬 높은 온도에서 초전도체가 되는 것을 발견합니다.
3. 초전도체의 조건(마이스너 효과)
초전도체가 되려면 어떤 조건을 가져야 초전도체라고 부를 수 있을까요? 위에서 말했던 것과 같이, 초전도체가 되기 위해서는 (1) 전기저항이 0이 되는 초전도 현상과 (2) 마이스너 효과를 모두 가진 물질이어야 합니다.
그렇다면 이러한 마이스너 효과란 정확히 무엇일까요? 특정 임계온도에서 물질이 초전도 상태(전기 저항이 0이 됨)로 전이되면서 물질의 내부에 있던 자기장이 외부로 밀려나는 현상을 말합니다. 그러니까 초전도 현상이 일어나고 있는 물질에 외부에서 자기장을 가하게 되면 그 물질 안에서 자기장을 밀어내는 ‘마이스너 효과’라는 현상이 일어나게 된다는 것입니다. 이러한 마이스너 효과의 가장 큰 대표적인 예로 자기부상열차가 있습니다.
이러한 마이스너 효과는 전기저항이 0인 초전도체와 완전도체를 구분하는 역할을 하게 됩니다. 초전도체와 완전도체는 모두 전기저항이 0이라 할 수 있습니다. 하지만 초전도체는 전기저항이 0이면서 마이스너 효과도 가지고 있는 물질을 의미하죠. 그렇기 때문에 우리가 초전도체임을 입증할 때에는 마이스너 효과가 나타나는지를 알아보는 것이 중요하다고 할 수 있습니다.
4. LK-99의 발견(상온·상압 초전도체?)
1900년대부터 현재까지 이어진 과학자들의 연구에서 발견된 초전도체는 극단적으로 낮은 온도인 극저온의 상태이거나 극단적으로 높은 압력을 가하는 극고압이라는 환경 하에서만 탄생했습니다. 하지만 이렇게 발견된 초전도체를 일상생활에 적용하여 사용하기에는 극저온과 극고압이라는 제약이 있습니다. 그래서 현재까지도 실생활에서 쓸 수 있는 상온·상압의 초전도체를 발견하기 위해 과학자들도 계속 연구해오고 있습니다.
그러던 중, 2023년 7월 우리나라의 과학자인 이석배, 김지훈 등이 아카이브를 통해 상온·상압에서도 초전도체가 가능하다는 실험의 논문을 발표하여 전세계적으로 화제가 되고 있습니다. 우리가 위에서 알아보았던 초전도체의 조건과 극저온과 극고압이라는 특수한 환경을 생각한다면, 상온·상압 초전도체의 발견은 실온에서도 사용할 수 있는 정말 대단한 발견임에는 틀림이 없을 것입니다.
5. LK-99가 가져온 의문점
LK-99가 사실이라면 정말 놀라운 발견임에는 틀림이 없지만, 전세계적으로 관심을 받고 있는 지금 여러가지 논란이 있는 것은 부정할 수 없는 사실입니다. 일단은 LK-99가 상온·상압 초전도체임을 알려주는 실험 영상들과 공개된 논문에서 상온·상압 초전도체라는 사실을 검증하기에는 다소 부족하지 않는가라는 여러 의견이 있습니다. 여러 의문점 중 몇 가지는 다음과 같습니다.
- 2월 27일에 공개한 구리와 네오디뮴 간의 전자기 유도 현상을 시연한 것은 LK-99의 자기 특성을 설명하기에는 정확한 실험이라고 이야기 할 수 없다.
- 7월 22일 논문에서 설명한 전류-전압 그래프에서 저항이 감소하기 했지만, 초전도 현상처럼 저항이 0이 되지는 않았다.
- 7월 26일 영상에서는 물질이 완전한 마이스너 효과를 나타냈다고는 설명하기 힘든 영상이다. 물체가 완전히 뜨지 않고 한쪽 면이 붙어있는 상태를 보여줬기 때문이다.
다른 부분을 제외하고도 단순히 공개된 영상이나 논문만을 봐도 상온·상압 초전도체 실험에 대해 추가적으로 보완하거나 검증이 필요한 것은 사실입니다. LK-99가 정말로 상온·상압 초전도체라면, 이러한 부분에 대해 전세계적으로 신뢰를 얻기 위해서 다른 연구기관에 샘플을 제공한다거나 공개된 실험에 대해 면밀히 보완하여 정확한 실험 영상을 다시 공개하거나, 관련분야의 석학들을 초대하여 실험을 시연하는 등의 노력이 필요할 것 같습니다.
6. LK-99로 인하여 생각해 볼 점
이러한 여러가지 의문점에도 불구하고, 이번에 화제가 된 LK-99 상온·상압 초전도체가 가능하다는 연구는 우리나라 과학기술 연구에 큰 자극이 되었으며 일반인들에게도 과학에 대한 연구의 필요성과 중요성을 상기시킨 연구라고 할 수 있습니다. 또한 전세계적으로도 상온·상압 초전도체라는 주제로 여러가지를 생각해 볼 수 있도록 화두를 던졌다는 점에서 큰 의미가 있습니다. 앞으로도 이러한 세계에서 발견하지 못한 현재에도 활발한 연구들을 우리나라에서도 지속적으로 연구할 수 있는 좋은 환경이 조성된다면, 미래에는 놀라운 발견으로 노벨상을 수상하는 우리나라 과학자들이 많아질 수 있을 것입니다.