재료 과학
실온 초전도체는 정말 가능한가? QMUL이 ‘가능’이라고 말한다
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초전도 제한
전기는 역사상 가장 혁신적인 기술 중 하나로, 매우 유용한 형태의 에너지를 장거리로 전달할 수 있게 해줍니다. 그러나 모든 “일반” 전기 시스템은 전기 저항에 직면하며, 전류가 흐르면 열이 발생합니다.
대안이 존재합니다: 이른바 초전도 물질입니다. 초전도 물질은 전기 저항이 0이어서, 열을 발생시키지 않고도 매우 강력한 전류를 사용할 수 있습니다.
초전도가 없었다면 입자 가속기(예: CERN), MRI, 그리고 자기 부상 열차 등 많은 현대 기술이 불가능했을 것입니다.
초전도는 ITER와 핵융합, 매스 드라이버, 양자 컴퓨터 등 가장 유망한 메가프로젝트와 기술 혁신의 핵심 요소가 될 것입니다.
무손실 전력선은 초장거리 전력망을 구축하는 데 중요한 역할을 할 수 있으며, 날씨와 시간대에 따라 변동하는 재생 에너지 생산을 완충하여 태양광 및 풍력의 일부 한계를 해결할 수 있습니다.
출처: XOT Metals
하지만 현재까지 초전도는 절대 영도에 가까운 극저온, 혹은 매우 높은 압력, 혹은 그 두 조건을 동시에 만족하는 물질에서만 구현되었습니다.
이로 인해 초전도는 자기 부상, MRI 등 가장 까다로운 응용 분야에만 적용될 정도로 복잡하고 비용이 많이 들어, 초전도 물질이나 대규모 사용으로 혜택을 받을 수 있는 많은 응용 분야에서는 경제성이 떨어집니다.
초전도로 가는 다양한 경로
이제 고압에서 제조된 물질이 압력 퀜치 프로토콜(PQP)이라는 실험적 방법을 통해 낮은 압력에서도 일부 초전도성을 유지할 수 있을 것으로 보입니다.
최근에 WSe₂(텅스텐 셀레늄)의 트위스티드 이중층이 고온 초전도체 후보 물질로 유망한 것으로 보였습니다.
또 다른 새로운 잠재 초전도체 군인 이중층 니켈레이트도 올해 목록에 추가되었을 가능성이 있습니다.
고온에서 초전도성을 보이는 새로운 물질을 찾는 문제는 그 작동 원리를 아직 제대로 이해하지 못한다는 점입니다. 이는 고온 또는 실온 초전도성에 대해 더욱 그렇습니다. 한때는 완전히 불가능하다고 여겨졌습니다.
그 후 LK-99(구리 치환 납 인산염 형태 – CSLA)라는 수수께끼 같은 사례가 등장했으며, 이는 실압·실온 초전도체의 새로운 유형일 가능성이 제기되었습니다. 이 주장은 즉시 사기 또는 측정 오류라며 논란이 일었지만, 다른 연구자들은 실제로 무언가가 일어나고 있을 수도 있다고 발견했습니다.
퀸 메리 런던 대학교(QMUL), 케임브리지 대학교, 그리고 Intellectual Ventures 연구원들이 이룬 이론 물리학의 새로운 진전이 실온 초전도체가 실제로 가능할 수 있는 방법을 밝히는 데 빛을 비출 수 있습니다.
그들은 그 결과를¹ Journal of Physics: Condensed Matter에 “기본 물리 상수로부터 최고 포논 주파수와 초전도 온도에 대한 상한”이라는 제목으로 발표했습니다.
Understanding TC Limit
모든 초전도 물질은 TC(임계 온도)라는 값으로 정의됩니다. 대부분의 초전도 물질은 TC가 절대 영도 위 몇 도에 불과합니다.
하지만 이번 새로운 연구는 TC의 이론적 한계가 무엇인지 탐구했습니다.
이러한 한계는 전자 질량, 전하, 플랑크 상수와 같은 우주의 기본 힘과 상수에 의해 결정됩니다.
이 연구는 이러한 상수들이 “응축 물질 단계에서 포논 주파수의 상한, 즉 원자가 얼마나 빠르게 진동할 수 있는지”를 설정한다는 것을 증명합니다. 이는 포논이 초전도 온도를 매개함에 따라 가능한 TC의 하한과 상한을 결정합니다.
Upper And Lower Limits For TC
TC가 가능한지 여부를 결정하는 수학 및 입자 물리학은 상당히 복잡하며 비전문가의 범위를 벗어납니다. 예를 들어 논문의 서론에서 다음과 같이 언급됩니다:
“우리의 밀도 범함수 이론(DFT) 계산에서는 이전 논문과 유사한 방법을 사용합니다. 여기에는 Perdew–Burke–Ernzerhof 교환-상관 함수, 1200 eV의 에너지 컷오프, 그리고 전자 브릴루앙 영역을 샘플링하기 위한 2π×0.025 Å⁻¹ 간격의 k-점 격자를 사용하는 것이 포함됩니다.”
간단히 말하면, 연구자들이 개발한 모델은 고체나 액체에서 원자의 진동 주파수가 얼마나 높을 수 있는지를 조사합니다.
이는 초전도 TC의 상한을 100~1,000 K, 즉 -173.15~726 °C / -279~1340 °F로 설정합니다. 이론적으로는 실온에서도 초전도가 완전히 가능함을 의미합니다.
이는 실온을 초전도가 가능한 영역에 확고히 위치시켜, 실온 초전도가 이론적으로 불가능하다는 기존 인식을 근본적으로 바꿉니다.
Deeper Understanding Of The Universe
이 결과는 별도의 연구에서 이미 독립적으로 확인되었으며, 보다 상세한 이론 분석이 물리적 현실과 일치할 가능성이 높다는 것을 입증했습니다.
이는 실온 초전도체가 가능한 이유를 더 잘 설명하는 이론적 틀을 제공함으로써 초전도 연구 분야를 크게 활성화시킬 것입니다.
“이 발견은 실온 초전도성이 기본 상수에 의해 배제되지 않음을 우리에게 알려줍니다. 이는 과학자들에게 희망을 줍니다: 꿈은 아직 살아 있습니다.”
Professor Pickard – 케임브리지 대학교 물리학 교수
이러한 더 깊은 이해는 응집 물질이 입자 수준에서 어떻게 행동하는지를 밝히며, 재료 과학, 전자공학, 플라즈마 물리학 등 다른 분야에서도 결과를 도출할 수 있습니다.
미래 적용
실온 초전도체는 충분히 이해되어 대량 생산이 가능해진다면 즉각적인 혁신 소재가 될 것입니다.
첫 번째 즉각적인 효과는 MRI, 자기 부상 열차, 고급 터빈 및 발전기, 입자 가속기, 실험용 핵융합 반응기 등 이미 초전도를 활용하고 있는 장비들의 비용을 낮추는 것입니다.
또한 지금까지 저온 초전도의 기술적 제약으로 인해 전혀 구현되지 못했거나 비용이 너무 비싸서 불가능했던 기술들을 가능하게 할 것입니다.
이에는 하이퍼루프 열차, 우주 궤도 도달용 매스 드라이버, 상업용 핵융합, 대륙 간 전력망 연결 등이 포함됩니다. 각각은 인류 문명의 흐름을 영원히 바꿀 기술입니다.
초전도 솔루션 선도 기업
AMSC 가격 차트
AMSC는 전력망, 선박, 풍력 에너지에 대한 에너지 솔루션을 제공하는 기업입니다. 일반적으로 전력 소모가 크거나 규모가 큰 시스템일수록 과열을 방지하기 위해 초전도 기술이 더 많이 필요합니다.
이름과 달리 ASMC는 초전도 시스템뿐만 아니라 예를 들어 풍력 터빈용 기어 구동계도 제공합니다.
이 회사는 전기화 추세와 디지털화(AI 데이터센터 포함) 등 여러 성장 동력을 타고 있으며, 미국 제조 역량의 재배치와 지정학적 위험 증가에 대응해 영연방 해군이 현대화해야 할 필요성도 성장 요인에 포함됩니다.
출처: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]
전원 공급 부문에서 AMSC는 주문이 꾸준히 증가하고 있습니다. 이는 전력망 변동으로부터 보호하려는 반도체 팹, 재생 에너지의 간헐성을 관리하는 전력망, 그리고 산업 현장의 전원 공급 및 제어 수요에 의해 촉진되었습니다.
풍력 터빈 부문에서 AMSC는 주로 전기 제어 시스템(ECS)을 중심으로 활동합니다. 과거에 2MW 풍력 터빈을 통해 ESC가 강력한 부문이었지만 점차 감소했습니다. AMSC는 새로운 3MW 터빈 설계와 인도 시장에 특별히 집중함으로써 회복을 목표로 하고 있습니다.
출처: American Superconductor Corporation
군함용으로 ASMC는 “AMSC 고온 초전도 마그네틱 지뢰 대책”을 제공하는데, 이는 선박의 자기 신호를 변경해 해저 지뢰로부터 보호하는 시스템입니다. 현재까지 미국, 캐나다, 영국 해군에 약 7,500만 달러 규모의 주문이 이루어졌습니다.
전반적으로 ASMC는 오늘날 실현 가능한 틈새 응용 분야에서 초전도 기술을 활용하는 데 가장 성공적이며, 향후 추가적인 진보를 적용할 준비가 되어 있습니다. 투자자들은 과거 주가 변동성이 매우 심했음을 유념하고, 이에 따라 위험을 계산해야 합니다.
American Superconductor Corporation 최신 소식
참고 연구:
1. K Trachenko, B Monserrat, M Hutcheon and Chris J Pickard.(2025) 기본 물리 상수로부터 최고 포논 주파수와 초전도 온도에 대한 상한. Journal of Physics: Condensed Matter. 37165401. 13 2025년 3월. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-648X/adbc39
