재료 과학
대기압 고온 초전도체를 향한 작은 발걸음
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초전도성 한계
전기는 유용한 형태의 에너지를 먼 거리까지 전달할 수 있게 해 준, 역사상 가장 혁신적인 기술 가운데 하나입니다. 그러나 모든 일반적인 전기 시스템에는 전기 저항이 존재하며, 전류가 흐르면 열이 발생합니다.
대안은 초전도 물질입니다. 초전도 물질은 전기 저항이 0이므로 열을 발생시키지 않으면서 매우 강한 전류를 흘려보낼 수 있습니다.
초전도성이 없다면 입자 가속기(예: CERN), MRI, 자기부상 열차 등 많은 현대 기술이 존재할 수 없습니다.
초전도성은 ITER와 핵융합, 매스 드라이버, 양자 컴퓨터처럼 가장 유망한 대형 프로젝트와 기술 혁신의 핵심 요소가 될 것입니다.
손실 없는 송전선은 날씨와 시간대에 따라 달라지는 재생에너지 생산량을 조절하는 초장거리 전력망 연결에도 중요할 수 있으며, 태양광과 풍력 발전의 일부 한계를 해결할 수 있습니다.
지금까지의 문제는 이 모든 응용 분야가 저온 초전도성에 기반한다는 점입니다. 이 물질들은 보통 액체 헬륨을 사용해 20K(-253°C)와 같은 낮은 온도로 냉각해야만 초전도성을 나타냅니다.
따라서 자기부상 열차나 MRI처럼 요구 조건이 매우 높은 용도를 제외하면 기술이 지나치게 복잡하고 비용도 매우 높습니다. 이 때문에 초전도 물질의 혜택을 누릴 수 있는 많은 응용 분야와 대규모 사용은 경제성이 떨어집니다.
초전도성에 이르는 다양한 경로
극저온 물질이 아닌 다른 형태의 초전도체는 초전도 상태를 유지하기 위해 지속적으로 매우 높은 압력을 필요로 합니다. 실험적으로는 흥미롭지만 산업용이나 에너지·교통 인프라에는 극저온 방식보다도 실용성이 낮습니다.
고온 초전도성이 대안이 될 수 있습니다. 대표적인 수수께끼는 구리 치환 납 인회석(CSLA)의 한 형태인 LK-99입니다. 이는 대기압·상온 초전도체의 새로운 유형으로 주장됐습니다. 해당 주장은 즉시 이의를 받으며 사기나 측정 오류라는 비판을 받았지만, 다른 연구자들은 실제 현상이 일부 존재할 가능성을 발견했습니다.
어쨌든 LK-99 사례는 초전도성을 가능하게 하는 요인에 관해 아직 모르는 것이 많다는 사실을 보여 줍니다.
최근에는 텅스텐 셀레나이드인 비틀린 이중층 WSe₂도 유망한 물질 후보로 떠올랐습니다.
휴스턴 대학교, 버펄로 대학교, 일리노이 대학교, 대만 국립 중산대학교, 인텔렉추얼 벤처스의 연구진은 물질 제조 과정 외에는 고압이 필요하지 않도록 해 초전도 물질의 가능성을 더욱 넓히고 있습니다.
연구진은 그 결과를1 미국 국립과학원회보(PNAS)에 “Bi0.5Sb1.5Te3에서 압력 유도 초전도성을 생성하고 안정화하여 대기압에서 조사하기”라는 제목으로 발표했습니다.
초전도성과 압력
고압과 초전도성의 관계는 1993년 처음 발견된 이후 30년 넘게 연구돼 왔습니다. 압력이 물질의 원자 거동을 바꾸고, 이는 다시 전기적 특성에 영향을 줍니다.
“2001년에 과학자들은 고압을 BST에 적용하면 페르미 표면 토폴로지가 변해 열전 성능이 향상된다고 의심했습니다.
압력, 토폴로지, 그리고 초전도성 사이의 이러한 연결이 우리의 관심을 끌었습니다.”
량쯔 덩 교수 – 휴스턴 대학교 연구원
덩 교수(왼쪽)와 추 교수(오른쪽) – 출처: University of Houston
물질이 산업 응용에 유용하려면 일반적으로 준안정 상태에서 흥미로운 특성을 보여야 하며, 그래야 일반적인 조건에서도 그 특성을 유지할 수 있습니다.
지금까지 초고압 조건은 해당 환경에서 초전도성을 보이는 물질의 연구를 방해했을 뿐 아니라 미래의 실용화도 거의 불가능하게 했습니다. 케이블, 자석 또는 철도 부품을 이처럼 극단적인 압력에 계속 두는 것은 현재 초전도체에 필요한 극저온을 유지하는 것보다도 비현실적입니다.
고압 퀜칭
연구진은 이번에 정상 압력에서 초전도 특성을 유지하는 데 성공했습니다.
이를 위해 BST(비스무트-안티모니-텔루륨, Bi0.5Sb1.5Te3)라는 특수 반도체 물질을 사용했습니다. 대기압(1bar)의 약 50만 배인 최대 약 50GPa(기가파스칼)의 압력에서 BST는 세 가지 초전도상(BST-I, -II, -III)을 나타내며, 첫 번째 상은 4GPa에서 나타납니다.
연구진은 압력으로 유도된 상이 상압에서도 지속되게 하는 압력 퀜치 프로토콜(PQP)을 개발했습니다.
이 방법은 BST-I 초전도상뿐 아니라 BST-II와 BST-III 상도 보존했습니다.
필요한 극한 압력을 만들기 위해 다이아몬드 앤빌을 사용했습니다.
전기적·자기적 특성은 자화 특성 측정 시스템(MPMS)이라는 고감도 장비를 사용해 분석했습니다.
작동 온도 개선
시험 결과, 이 초전도상들은 처음부터 상압에서 안정적이었을 뿐 아니라 시간이 지나고 더 높은 온도에 노출된 뒤에도 상태를 유지했습니다.
하지만 이것이 상온 초전도체라는 뜻은 아닙니다. 해당 상은 상압에서 안정적이며, 냉각됐을 때 실제 초전도성을 나타냅니다.
BST는 10.2K(-262.9°C)에서 초전도성을 나타내는 것으로 알려져 있습니다. 연구진은 감압과 압력 퀜치 프로토콜 모두 BST의 전이 온도를 높인다는 사실을 발견했으며, 이 방법은 기존 초전도 물질을 개선하는 데 유용할 수 있습니다.
“이 실험은 대칭 변화 없이 미세한 전자 전이를 통해 고압 유도상을 대기압에서 안정화할 수 있음을 분명히 보여 줍니다. 이는 보통 압력 아래에서만 존재하는 관심 물질상과 특성을 유지할 새로운 길을 제시합니다.
폴 추 교수 – 휴스턴 대학교 연구원
미래 응용
당장 새로운 초전도 물질을 만들어 내는 것은 아니지만, 이 연구는 초전도 물질을 발견하고 설계하는 새로운 방법을 열어 줍니다.
지금까지 고압 초전도성은 실용적 응용이 거의 없었으며, 상온 초전도체가 되려면 압력의 영향과 무관하게 해당 특성을 나타내야 했습니다.
압력 퀜치 프로토콜을 일반화할 수 있다면, 유망하지만 지금까지 고압에서만 작동했던 초전도 물질을 일반 조건에서 안정화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
“흥미롭게도 이번 실험은 원래 대기압이나 심지어 고압 조건에서도 존재하지 않는 새로운 물질 상태를 발견하는 새로운 접근법을 제시했습니다.
이는 PQP가 물질 상도에서 아직 탐색되지 않은 영역을 조사하고 만들어 내는 강력한 도구임을 보여 줍니다.”
량쯔 덩 교수 – 휴스턴 대학교 연구원
이 방법은 알려진 초전도체의 전이 온도를 높이는 데도 활용될 수 있습니다.
이는 연속적인 발전의 길을 열어, 78K(-195°C), 즉 액체 질소의 끓는점에서 작동하는 초전도체를 만들 수 있게 할지도 모릅니다. 액체 질소는 현재 ITER의 초전도 자석 등에 쓰이는 액체 헬륨보다 다루기 훨씬 쉽습니다.
초전도성 기업
AMSC 가격 차트
AMSC는 전력망, 선박, 풍력 에너지 분야에 에너지 솔루션을 제공하는 회사입니다. 일반적으로 시스템의 전력 소모가 크거나 규모가 클수록 과열을 막기 위해 초전도 기술이 더 많이 필요합니다.
이름과 달리 AMSC는 초전도 시스템뿐 아니라 풍력 터빈용 기어 구동계 등도 공급합니다.
회사는 전기화와 디지털화(AI 데이터센터 포함), 미국 제조 역량의 국내 복귀, 지정학적 위험 증가에 대응해 영미권 해군이 현대화해야 하는 필요성 등 여러 성장 동력의 수혜를 받고 있습니다.
전력 공급 부문에서 AMSC의 주문은 꾸준히 증가했습니다. 반도체 공장이 전력망 변동으로부터 보호받으려는 수요, 재생에너지의 간헐성을 관리하려는 전력망 수요, 산업 현장의 전력 공급 및 제어 시스템이 성장을 이끌었습니다.
풍력 터빈 부문에서 AMSC는 주로 전기 제어 시스템(ECS)에 집중합니다. 과거 2MW 풍력 터빈용 ECS는 회사의 강력한 사업 부문이었지만 점차 감소했습니다. AMSC는 인도 시장에 특히 초점을 맞춘 새로운 3MW 터빈 설계를 통해 반등을 노리고 있습니다.
출처: American Superconductor Corporation
군함용으로 AMSC는 선박의 자기 신호를 바꿔 기뢰로부터 보호하는 ‘고온 초전도 자기 기뢰 대응 시스템’을 공급합니다. 이 시스템은 미국, 캐나다, 영국 해군에 판매됐으며 현재까지 주문액은 7,500만 달러입니다.
전반적으로 AMSC는 현재 실용화할 수 있는 틈새 분야에 초전도 기술을 적용해 좋은 성과를 내고 있으며, 향후 기술 발전도 도입할 준비가 돼 있을 가능성이 큽니다. 다만 투자자는 이 주식이 과거 극심한 변동성을 보였다는 점을 고려해 위험을 적절히 산정해야 합니다.
연구 참고:
1.Deng, B. et al, (2025) 대기압에서 압력 유도 초전도성을 가진 Bi0.5Sb1.5Te3의 생성, 안정화 및 조사. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (6) e2423102122, https://doi.org/10.1073/pnas.2423102122
