재료 과학

이중층 니켈레이트: 새로운 고온 초전도체 클래스

게시일 2025년 2월 25일

업데이트일 2026년 5월 30일

작성자

Jonathan Schramm

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초전도성 제한

Electricity has been one of the most transformative technologies in history, allowing for the transmission of a very useful form of energy over long distances. But every “normal” electric system faces electric resistance, which results in the generation of heat when an electric current is applied.

대안이 존재합니다: 이른바 초전도성 물질입니다. 초전도성 물질은 전기 저항이 0이어서, 열을 발생시키지 않고도 매우 강력한 전류를 사용할 수 있습니다.

초전도성이 없었다면, 입자 가속기(예: CERN), MRI, 그리고 자기 부상 열차 등 많은 현대 기술이 불가능했을 것입니다.

초전도성은 ITER, 핵융합, 대량 추진기, 양자 컴퓨터 등 가장 유망한 메가프로젝트와 기술 혁신의 핵심 요소가 될 것입니다.

무손실 전력선은 또한 초장거리 그리드 연결을 개발하는 데 중요한 역할을 할 수 있어, 날씨와 시간대에 따른 재생 에너지 생산을 완충하고, 태양광 및 풍력 발전의 일부 제한을 해결할 수 있습니다.

출처: XOT Metals

그러나 지금까지 초전도성은 절대 영도에 가까운 초저온이나 매우 높은 압력에서만 관찰되는 물질에 한해 마스터되었습니다.

이는 초전도성을 활용하려는 가장 까다로운 응용 분야(자기 부상, MRI 등)뿐만 아니라 비용이 크게 증가해, 초전도성 물질이나 대규모 사용이 가능한 많은 응용 분야에 비경제적이게 만들고 있습니다.

초전도성에 이르는 다양한 경로

It now seems that the material produced in high pressure might be able to retain some of its superconductivity at lower pressure, through an experimental method called pressure-quench protocol (PQP).

최근 WSe₂(텅스텐 셀레늄)의 트위스티드 이중층이 고온 초전도체 후보 물질로 유망하다는 것이 밝혀졌습니다.

수년간의 느린 진전 뒤에, 물리학자들이 완전히 새로운 초전도 물질을 만드는 방법을 열기 시작한 것으로 보입니다. 그리고 이제 니켈을 포함한 새로운 초전도체 계열이 목록에 추가되었습니다.

중국 심천의 남부과학기술대학과 청화대학 연구팀은 이중층 니켈레이트 초전도체가 절대 영도보다 훨씬 높은 온도와 대기압에서 전기 저항 없이 전기를 전도한다는 것을 발견했습니다.¹

They published their results in the prestigious scientific journal Nature, under the title “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”.

그리 차갑지 않은 초전도체

High-temperature superconductivity might one day become an option, notably with the puzzling case of LK-99 (a form of copper-substituted lead apatite – CSLA), a new type of ambient-pressure, room-temperature superconductor.

The claim was immediately contested and criticized as a hoax or a measurement error, but then other researchers discovered there might be something happening after all.

하지만 이것이 더 따뜻한 온도에서 작동할 수 있는 유일한 초전도체 계열은 아닙니다.

최근 두 종류의 세라믹(구리 기반 쿠프레이트와 철 기반 피니크타이드)이 실온 및 대기압에서 작동하며 온도는 최대 150 K(–123 °C / -189 °F)까지 올라갈 수 있는 비전통적 초전도체로 밝혀졌습니다.

출처: Materials Today

이제 니켈레이트가 이러한 세라믹에 합류해 더 높은 온도에서 초전도성을 발휘하는 물질을 만들고 있는 것으로 보입니다.

비록 그 정도는 따뜻하지 않지만, 현재 초전도체에 비해 온도에 도달하기가 훨씬 쉽습니다. 예를 들어 ITER의 초전도 마그넷은 액체 헬륨으로 절대 영도에 가깝게 냉각해야 하는데, 이는 매우 에너지 집약적이고 비용이 많이 드는 과정입니다.

전반적으로 이는 초전도체가 중기적으로 훨씬 더 보편화될 가능성을 시사합니다. 다양한 형태의 초전도체가 계속 발견되고 실험되고 있기 때문입니다.

초전도성 니켈레이트

Nickelate was discovered to have potential superconductivity properties in 2019 by Danfeng Li, a physicist at the City University of Hong Kong, and his colleague. In 2023, another team demonstrated nickelates’ superconductivity at higher temperatures, but under high pressure.

출처: Nature

하지만 2024년 12월에야 니켈레이트가 임계 온도에서 저항을 잃고 강한 자기장을 배제한다는 것이 처음으로 관측되었으며, 이는 초전도성의 강력한 징후입니다.

이 결과를 얻기 위해 La2.85Pr0.15Ni2O7(란탄-프라세오디뮴-니켈) 단결정 필름을 거대산화 원자층-층 에피택시(GOALL-Epitaxy)라는 기술로 성장시켰습니다. 이 기술은 같은 연구팀이 개발했으며, 원자 수준에서 물질 층을 생산할 때 수십 배 더 강한 산화와 정밀도를 제공합니다.

출처: Research Gate

고급 분석 방법을 사용해 니켈 기반 화합물을 연구했으며, 여기에는 스캔 전송 전자 현미경(STEM) 이미지와 X선 역공간 매핑(RSM) 등이 포함되었습니다.

그 결과 니켈 산화물 층에서 사방정계 상이 나타났으며, 이는 적절한 조건에서 전자의 자유 흐름을 담당할 가능성이 있습니다.

초전도성 물질 개선

The method used as a preliminary test to improve the nickelate properties can be further improved. This should lead to multiple tests to further raise the temperature of these superconductors.

“There’s a huge hope that we could eventually raise the critical temperature and make such materials more useful for applications.”

Danfeng Li – Physicist at the City University of Hong Kong.

The analysis indicates that the process that gives nickelates superconductivity is similar to the one affecting the cuprates (made from copper).

”Increasing this is a priority. The team is trying various tricks to tweak how the material is grown and its precise composition.”

Zhuoyu Chen – Physicist at SUSTech

이론보다 실험이 앞서다

It should be remarked that the recent results regarding higher-temperature superconductors, or even potential room-temperature superconductors, are running ahead of theoretical physics in the field.

따라서 왜 작동하는지는 아직도 큰 미스터리입니다. 이러한 물질이 왜 초전도성을 보이는지에 대한 완전한 설명은 없으며, 어떤 물질이 이러한 특성을 가질지 예측하는 방법도 거의 없습니다.

지금까지는 고압 또는 초저온 조건이 필요했기 때문에, 다이아몬드 앤빌이나 액체 헬륨 안에서만 초전도 현상이 일어나 실험이 크게 제한되었습니다.

조건을 더 쉽게 유지할 수 있다면 과학자들이 이 물질들을 연구하고 수정할 수 있는 여지가 크게 늘어날 것입니다.

따라서 개선 여지는 충분하며, AI의 도움을 포함한 더 나은 이해가 앞으로의 진전을 이끌 것입니다.

이는 또한 더 많은 연구자들이 이 분야에 참여하고, 기업들이 R&D 예산을 투입하게 만들어 진척 속도를 가속화할 것입니다.

미래 응용

High-temperature superconductors would be an immediate wonder-material if understood well enough for manufacturing them at scale.

The first immediate effect would be to decrease the cost of equipment already leveraging superconductivity, like MRI, maglev trains, advanced turbines and generators, particle accelerators, experimental fusion reactors, etc.

It would also make possible technology that until now could never either be done at all or was prohibitively expensive due to the technical constraints of low-temperature superconductors.

This includes hyperloop trains, mass drivers to reach orbit, commercial nuclear fusion, intercontinental grid connections, etc. Each of these is a technology that would forever alter the path of human civilization.

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 구동계와 같은 제품도 제공합니다.

이 회사는 전기화 추세, 디지털화(AI 데이터센터 포함)와 같은 여러 성장 동인을 타고 있으며, 미국 제조 역량의 재배치와 안골로스피어 해군의 현대화 필요성 등 지정학적 위험 증가에 대응하기 위한 수요도 받고 있습니다.

출처: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]

전원 공급 부문에서 AMSC는 주문량이 꾸준히 증가하고 있습니다. 이는 반도체 팹이 전력망 변동으로부터 보호받고, 재생 에너지의 간헐성을 완화하며, 산업 현장의 전원 공급 및 제어 시스템을 강화하려는 수요에 의해 촉진되었습니다.

출처: American Superconductor Corporation

풍력 터빈 부문에서는 AMSC가 주로 전기 제어 시스템(ECS)으로 활동하고 있습니다. 과거 2MW 풍력 터빈에서 강력한 부문이었지만 점차 감소해 왔습니다. AMSC는 인도 시장에 특화된 새로운 3MW 터빈 설계 덕분에 반등을 목표로 하고 있습니다.

출처: American Superconductor Corporation

군함용으로 ASMC는 “AMSC의 고온 초전도 마그넷 지뢰 대응 시스템”을 제공하며, 이는 선박의 자기 서명을 변경해 해상 지뢰로부터 보호합니다. 현재 미국, 캐나다, 영국 해군에 판매되고 있으며, 지금까지 7,500만 달러 규모의 주문이 들어왔습니다.

전반적으로 ASMC는 오늘날 실현 가능한 틈새 응용 분야에서 초전도 기술을 가장 잘 활용하고 있으며, 향후 추가적인 기술 진보를 배치할 준비가 되어 있습니다. 투자자들은 과거 주가 변동성이 극심했으며, 이에 따라 위험을 계산해야 함을 유념해야 합니다.

American Superconductor Corporation 최신 소식

연구 참고문헌:

¹^.^{Zhou, G., Lv, W., Wang, H.}^{et al.}⁽²⁰²⁵⁾^{대기압 초전도성 발현, (La,Pr)3Ni2O7에서 40K 이상}³^Ni²^O⁷^Nature^.^{https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z}