재료 과학
NUS, 고온 초전도성을 가진 구리 없는 물질 발견
초전도성의 잠재력
전기는 인류가 발명한 가장 중요한 기술 중 하나입니다. 일반적인 형태에서는 항상 일정 수준의 전기 저항을 가지고 있어 전류가 흐를 때 열이 발생합니다. 이는 매우 강력한 전류나 자기장을 필요로 하는 일부 응용 분야에서 심각한 제한을 초래할 수 있으며, 전기 시스템이 단순히 녹아버릴 수 있습니다.
대안은 전기 저항이 0으로 떨어지는 현상인 초전도성입니다. 그러나 오랫동안 초전도성은 절대 영도(0 K) 근처의 초저온, 즉 약 -273°C/-387°K에서만 관찰될 수 있었습니다.
이 상황은 1987년 물리학 노벨상을 수상한 발견으로 인해 바뀌었습니다: 구리 산화물로 만든 고온 초전도체.
초전도성이 없었다면 입자 가속기(예: CERN), MRI, 그리고 자기 부상 열차와 같은 많은 현대 기술이 불가능했을 것입니다.
초전도성은 ITER와 핵융합, 대량 추진기, 양자 컴퓨터 등 가장 유망한 메가프로젝트와 기술 혁신의 핵심 요소가 될 것입니다.
무손실 전력선은 날씨와 시간대에 걸친 재생 에너지 생산을 완충하는 초장거리 전력망 개발에도 중요한 역할을 할 수 있어, 태양광 및 풍력 발전의 일부 제한을 해결할 수 있습니다.
출처: XOT Metals
고온 초전도성
현재는 저온 요구조건 때문에 초전도성은 고가의 응용 분야, 예를 들어 자기 부상 열차, MRI 등에서만 경제적으로 실현 가능합니다.
과학적으로 흥미롭지만, 고압 하에서의 초전도성은 실용적인 응용 측면에서는 상대적으로 쓸모가 없습니다.
최근 초전도성 분야에서 상당한 진전이 이루어져 상황을 바꿀 수 있을 것으로 보입니다:
- 이제 고압에서 생산된 물질이 낮은 압력에서도 일부 초전도성을 유지할 수 있을 것으로 보이며, 압력 퀜치 프로토콜(PQP)이라는 실험적 방법을 통해 가능합니다.
- WSe₂(텅스텐 셀레늄)의 트위스티드 이중층도 높은 온도 초전도체의 좋은 후보 물질인 것으로 보였습니다.
- 또 다른 새로운 잠재적 초전도체 군인 이중층 니켈레이트가 올해 목록에 추가되었을 가능성이 있습니다.
- 그 후 LK-99(구리 대체 납 인산염 형태 – CSLA)라는 수수께끼 같은 사례가 등장했으며, 이는 대기압·상온 초전도체의 새로운 유형일 가능성이 있습니다.
- 이 주장은 즉시 사기 또는 측정 오류로 논란이 되었지만, 다른 연구자들이 결국 무언가가 일어나고 있을 가능성을 발견했습니다.
이러한 새로운 발견에도 불구하고, 초전도성은 아직 충분히 이해되지 않은 현상으로, 해당 특성을 가진 새로운 물질을 찾기 위한 많은 시도가 어두운 사격과 같습니다. 따라서 보다 나은 이론적 틀이 필요합니다.
퍼즐의 한 조각이 2025년 3월에 발견되었으며, 초전도성의 가능한 높은 온도(Tc)에 대한 이해가 향상되었습니다.
또 다른 진전은 싱가포르 국립대학 연구진이 새로운 이론 모델을 만들었으며, 이는 이미 구리 없는 초전도 물질의 발견으로 이어졌습니다. 이 성과는 최근 권위 있는 과학 저널 Nature1에 “대기압에서 구멍 도핑된 SmNiO2의 40 K 근접 벌크 초전도성”라는 제목으로 발표되었습니다.
새로운 초전도성 모델
초전도성 설명
연구자들은 초전도성이 어떻게 작동하는지를 설명하는 새로운 이론 모델을 개발했습니다. 이는 복잡한 주제이지만 몇 가지 핵심 개념으로 간단히 요약할 수 있습니다:
쿠퍼 쌍, 즉 양자 효과를 통해 결합된 두 전자는 물질을 초전도성으로 만드는 핵심 요소입니다.
쿠퍼 쌍의 응축이 초전도성을 생성하며, 이는 최초로 초전도성을 설명한 연구자들(바든-쿠퍼-슈리퍼 이론, BCS 이론)에 따르면 그렇고, 이 아이디어로 1972년 물리학 노벨상을 수상했습니다.
재료 격자의 양자 수준 진동인 포논이 전자들을 쿠퍼 쌍으로 결합시키는 역할을 합니다. 충분한 쿠퍼 쌍이 형성되면 전자가 충돌 없이 물질을 통과할 수 있어 전기 저항이 사라집니다.
출처: Fiveable
새로운 초전도체 예측 및 생산
쿠퍼 쌍 형성을 예측하는 새로운 모델은 연구자들이 구리 원자를 포함하지 않는 많은 잠재적 초전도체를 예측하는 데 도움을 줍니다.
그들은 예측된 물질 중 하나인 사마륨-유로퓸-칼슘-니켈 산화물 (Sm-Eu-Ca)NiO₂를 성공적으로 합성했습니다.
“우리가 예측하고 설계한 바와 같이, 이 비구리 기반 초전도 산화물은 대기압 해수면에서 추가 압축 없이도 고온 초전도성을 보여줍니다—구리 산화물과 마찬가지로.
이 발견은 비전통적인 고온 초전도성이 구리에만 국한되지 않으며, 주기율표의 여러 원소들 사이에서 더 널리 퍼진 특성일 수 있음을 시사합니다.
그들은 또한 이 화합물에서 30 K 이상에서 전기 저항이 0(초전도성)임을 확인했습니다. 이는 실험할 새로운 물질일 뿐만 아니라, 사용한 모델이 예측 가치를 가지고 있음을 증명하는 것으로, 다른 예측된 초전도 물질도 작동할 가능성이 있음을 의미합니다. 이는 1990년대 이후 처음으로 이러한 고온 초전도체가 발견된 사례입니다.
싱가포르 국립대학 박사과정 학생인 Zhaoyang Luo는 전자 현미경을 이용해 합성된 물질의 높은 결정성 및 순수 상을 입증했습니다. 이는 새로운 물질을 매우 안정하게 만들어 향후 산업 응용 가능성에 좋은 후보가 됩니다.
“노벨상 수상 이후 처음으로 구리 없는 고온 초전도 산화물이 대기압에서 작동하는 것이 발견되었습니다.
또한, 이 새로운 물질은 대기 조건에서 매우 안정적이며, 접근성을 크게 향상시킵니다.
새 물질의 생산 방법도 비교적 견고하며, 생산 과정에서 구조적 결함이 나타나지 않아 실용적 응용 가능성을 더욱 높입니다.
응용 및 미래 개발
이제 보다 견고한 이론적 틀을 갖추었으므로, 연구자들은 초전도 물질의 특정 매개변수를 미세 조정할 수 있습니다. 특히 전자 점유 변동 및 정수압과 같은 원자·분자 특성을 언급합니다.
이는 완전히 새로운 유형의 초전도체 혹은 더 높은 작동 온도를 가진 새로운 초전도체 군을 열 수 있습니다.
대규모 생산이 가능한 더 높은 온도의 초전도체는 두 가지 주요 영향을 미칠 수 있습니다:
- 현재 초전도체를 사용하는 기술의 비용을 급격히 낮추어, 특히 자기 부상 열차와 MRI의 활용을 대중화할 수 있습니다.
- 특히 Tc 온도가 액체 질소(-196°C / -320°F)와 맞먹을 정도로 높아지면, 현재 사용되는 냉각제보다 훨씬 저렴하고 생산이 쉬운 냉각제로 새로운 활용 분야를 열 수 있습니다.
- 이러한 새로운 응용 분야에는 전력 전송, 에너지 저장, 레이저, 선박, 우주 추진 및 궤도 접근(대량 추진기) 등이 포함될 수 있습니다.
이 관찰은 현대 전자공학에서 실용적인 응용을 갖는 보다 넓은 범위의 초전도 물질에 대한 이론적 이해와 실험적 구현 모두에 깊은 함의를 가지고 있습니다,
초전도 솔루션 선도 기업
American Superconductor Corporation
(AMSC )
AMSC는 전력망, 선박 및 풍력 에너지에 대한 에너지 솔루션을 제공하는 기업입니다. 일반적으로 시스템이 전력을 많이 소비하거나 규모가 클수록 과열을 방지하기 위해 초전도 기술이 더 많이 필요합니다.
이름과 달리 ASMC는 초전도 시스템뿐만 아니라 예를 들어 풍력 터빈용 기어 구동계도 제공합니다.
이 회사는 전기화와 디지털화(AI 데이터 센터 포함) 추세, 미국 제조 역량의 재배치, 그리고 지정학적 위험 증가에 대응해 앵글로스피어 해군의 현대화 필요성 등 다양한 성장 동력을 타고 있습니다.
출처: American Superconductor Corporation
전원 공급 부문에서 AMSC는 주문이 꾸준히 증가하고 있습니다. 이는 반도체 팹이 전력망 변동으로부터 보호받고자 하는 수요, 재생 에너지의 간헐성을 처리하기 위한 전력망 지원, 그리고 산업 현장의 전원 및 제어 수요에 의해 촉진되었습니다.
풍력 터빈 부문에서는 AMSC가 주로 전기 제어 시스템(ECS)으로 활동합니다. 과거 ESC는 2MW 풍력 터빈으로 회사의 강력한 부문이었으나 점차 감소했습니다. AMSC는 새로운 3MW 터빈 설계와 인도 시장에 특별히 집중함으로써 반등을 목표로 하고 있습니다.
군함용으로 ASMC는 “AMSC의 고온 초전도체 자기 지뢰 방지 시스템”을 제공하며, 이는 선박의 자기 서명을 변경해 해저 지뢰로부터 보호합니다. 현재까지 미국, 캐나다, 영국 해군에 7,500만 달러 규모의 주문이 이루어졌습니다.
전반적으로 ASMC는 오늘날 실현 가능한 틈새 응용 분야에서 초전도 기술을 활용하는 데 가장 성공적이며, 향후 추가적인 진보를 배포할 준비가 되어 있습니다. 투자자들은 과거 주가 변동성이 극심했음을 유념하고, 그에 따른 위험을 계산해야 합니다.
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참조 연구:
1. Chow, S.L.E., Luo, Z. & Ariando, (2025) A. 대기압에서 구멍 도핑된 SmNiO의 40 K 근접 벌크 초전도성2대기압에서. Nature. 2025년 3월 20일. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08893-4
