재료 과학
이중층 니켈레이트: 새로운 고온 초전도체 클래스
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초전도성 제한
전기는 역사상 가장 큰 변화를 가져온 기술 가운데 하나로, 활용도가 높은 에너지를 먼 거리까지 전달할 수 있게 했습니다. 그러나 모든 일반적인 전기 시스템에는 전기 저항이 존재하며, 전류가 흐르면 열이 발생합니다.
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
이제 고압에서 만든 물질이 더 낮은 압력에서도 일부 초전도성을 유지할 수 있다는 가능성이 제기되고 있습니다. 이를 위한 방법 가운데 하나가 압력 급랭 프로토콜(PQP)이라는 실험 기법입니다.
최근 WSe₂(이셀레늄화 텅스텐)의 비틀린 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
연구진은 결과를 권위 있는 과학 저널 Nature에 발표했으며, 논문 제목은 “Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films”입니다.
그리 차갑지 않은 초전도체
고온 초전도는 언젠가 실용화될 수 있습니다. 대표적인 논쟁적 사례는 구리가 치환된 납 인회석(CSLA)인 LK-99로, 상압·상온 초전도체 후보로 보고됐습니다.
이 주장은 곧바로 반박됐고 사기 또는 측정 오류라는 비판을 받았습니다. 그러나 후속 연구에서는 완전히 무시할 수 없는 현상이 있을 가능성도 제기됐습니다.
하지만 이것이 더 따뜻한 온도에서 작동할 수 있는 유일한 초전도체 계열은 아닙니다.
최근에는 구리 기반 쿠프레이트와 철 기반 프닉타이드라는 두 종류의 세라믹이 최대 약 150 K(–123 °C / –189 °F)의 임계 온도를 보이는 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
홍콩시립대학교의 물리학자 Danfeng Li와 동료는 2019년 니켈레이트가 초전도 특성을 가질 가능성을 발견했습니다. 2023년에는 다른 연구팀이 고압 조건에서 니켈레이트가 더 높은 온도에서 초전도성을 보인다는 사실을 입증했습니다.
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 거대 산화 원자층별 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
니켈레이트 특성을 개선하기 위한 예비 시험 방법은 더 정교하게 발전시킬 수 있습니다. 이를 바탕으로 초전도 임계 온도를 높이기 위한 여러 실험이 이어질 전망입니다.
“궁극적으로 임계 온도를 높여 이러한 물질을 실제 응용에 더 유용하게 만들 수 있으리라는 기대가 매우 큽니다.”
Danfeng Li — 홍콩시립대학교 물리학자
분석 결과, 니켈레이트에 초전도성을 부여하는 과정은 구리 기반의 쿠프레이트에서 작용하는 과정과 유사한 것으로 나타났습니다.
“이를 높이는 것이 우선 과제입니다. 연구팀은 물질의 성장 방식과 정확한 조성을 조정하기 위해 다양한 방법을 시험하고 있습니다.”
Zhuoyu Chen — 남방과학기술대학교(SUSTech) 물리학자
이론보다 실험이 앞서다
최근의 고온 초전도체, 나아가 상온 초전도체 후보에 관한 실험 결과가 이 분야의 이론물리학보다 앞서가고 있다는 점도 주목해야 합니다.
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
고온 초전도체를 충분히 이해해 대규모로 제조할 수 있다면 곧바로 획기적인 소재가 될 것입니다.
가장 먼저 MRI, 자기부상열차, 첨단 터빈과 발전기, 입자가속기, 실험용 핵융합로 등 이미 초전도성을 활용하는 장비의 비용을 낮출 수 있습니다.
또한 저온 초전도체의 기술적 제약 때문에 지금까지 불가능했거나 비용이 지나치게 높았던 기술을 실현할 수 있습니다.
여기에는 하이퍼루프 열차, 궤도 진입용 매스 드라이버, 상업용 핵융합, 대륙 간 전력망 연결 등이 포함됩니다. 각각은 인류 문명의 진로를 근본적으로 바꿀 수 있는 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 AMSC는 초전도 시스템뿐만 아니라 풍력 터빈용 기어 구동계 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.
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.
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 AMSC는 “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) Ambient-pressure superconductivity onset above 40 K in (La,Pr)3Ni2O7 films. Nature. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08755-z
