재료 과학
비틀린 이중층 WSe₂ 초전도성: 새로운 그래핀 경쟁자?
새로운 초전도성 물질
초전도성은 대규모 및 저비용으로 구현될 경우 인류 문명을 혁신할 수 있는 현상입니다. 이는 대부분의 첨단 기술 응용 분야에서 요구되는 전력이나 자기장의 수준을 초전도성 물질만이 감당할 수 있기 때문이며, 전기 저항이 존재하면 과도한 과열이 발생합니다.
오랫동안 알려진 문제는 거의 모든 기존 초전도성 물질이 극히 낮은 온도, 보통 절대 영도 위 4°K 정도에서만 존재한다는 점이었습니다.
이 때문에 초전도성을 활용하려면 액체 헬륨이라는 매우 에너지 집약적인 공정을 통해 생산되는 냉각액이 필요합니다.
오랫동안 탄소의 2차원 단층인 그래핀은 보다 실용적인 초전도성 후보로 여겨져 왔습니다.
그러나 그래핀이 가진 장점이 텅스텐과 같은 다른 물질에도 적용될 수 있음을 보여주면서 새로운 초전도성 물질에 대한 탐색이 시작되었습니다. 이 발견은 콜롬비아 대학교, 테네시 대학교, 그리고 일본 국립재료과학연구소(NIMS)의 연구진이 수행했으며, 그 결과는 권위 있는 네이처1에 “Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2”라는 제목으로 발표되었습니다.
초전도성의 약속
저비용·고온 초전도성 물질이 실현되면 기술 적용 범위가 완전히 바뀔 것입니다. 액체 질소와 같은 냉각 방법이나, mRNA 백신을 보관하는 냉동고에 쓰이는 냉각 기술만으로도 기존보다 에너지 집약적인 대안을 대체할 수 있게 됩니다.
고온 초전도체가 가능하게 만들 수 있는 것들에는 다음이 포함됩니다:
- 더 나은 MRI, 고해상도와 저비용 구축·운영이 가능해져 의료 검진이 보다 일상화됩니다.
- 전자기 추진 시스템 (일명 자기유체역학(MHD) 추진)으로 전해질인 바닷물을 전기화하여 선박을 추진합니다.
- 보다 강력하고 효율적인 전기 엔진.
- 더 높은 밀도와 안전성을 갖춘 초전도성 자기 에너지 저장(SMES) 배터리.
- 초전도성 리미터, 스위치, 퓨즈를 통해 전력망 인프라를 개선합니다.
- 무손실 장거리 전력 전송, 예를 들어 태양광 패널이 햇빛을 받는 지역에서 수천 킬로미터 떨어진 도시까지 전력을 공급할 수 있습니다.
- 저비용·유지보수가 쉬운 자기부상 열차 혹은 향후 하이퍼루프 시스템.
- 센서/자기계 (초전도 양자 간섭 장치 – SQUID)를 산업 현장에 적용.
- 초전도 양자 컴퓨팅
- (우리의 기사 “The Current State of Quantum Computing”에서 양자 컴퓨팅의 최신 진행 상황을 확인할 수 있습니다.)
- 방위·우주항공 분야, 방사선 차폐, 전자기 발사, 자기 베어링, 센서, 레일건, 코일건, 레이저 및 기타 에너지 무기 등을 포함합니다.
고온 초전도체가 구리‑대체 납 인산염(CSLA)으로도 구현될 수 있다는 가능성도 제기되었습니다(관련 기사). 그러나 이 주장은 해당 분야 전문가들 사이에서 아직도 뜨거운 논쟁 중입니다.
그래핀 초전도성
단일층 그래핀은 전기 전도성이 뛰어나지만, “비틀린 이중층” 형태가 되면 초전도체가 될 수 있습니다. 이는 두 층이 약 1.1° 정도 비틀린 상태로, 그래핀에 대한 마법 각도로 알려져 있습니다.
2024년 11월, 수학적으로 이러한 이중층이 섭씨 -213도(화씨 -351도)까지, 즉 60°K까지 초전도성을 유지할 수 있음을 증명했습니다.
2020년 이후, 또 다른 물질인 텅스텐‑셀레늄(WSe2)이 유사한 특성을 보일 가능성이 제기되었습니다.
텅스텐‑셀레늄 초전도성
지금까지 전이 금속 디칼코게나이드(TMD) 계열의 많은 물질에서 초전도와 연관된 현상이 관측되었습니다.
하지만 이번 새로운 연구는 5.0°(층 사이 각도) 비틀린 이중층 WSe2에서 확실히 초전도성을 확인했습니다.
실험에서는 저온(426 mK)에서 특히 강한 초전도 현상이 나타났지만, 이는 그래핀 이외의 다른 층상 물질에서도 이중층 초전도성을 구현할 수 있음을 보여줍니다.
비틀린 이중층 WSe2는 저온에서 초전도와 자기 상이 사이에 뚜렷한 경계면을 나타냈으며, 이는 초전도 메커니즘을 설명하는 데 중요한 단서를 제공할 수 있습니다.
그래핀보다 나을까?
TMD 물질이 초전도성을 가질 경우, 그래핀보다 실제로 우수할 수도 있습니다.
그 이유는 TMD 물질이 그래핀에 없는 고유 밴드갭, 큰 스핀‑궤도 결합, 스핀‑밸리 고정, 그리고 자기성을 포함한 여러 유리한 특성을 동시에 가지고 있기 때문입니다.
이 점은 초전도와 자기성을 동시에 보이는 카고메(kagome) 물질과도 유사합니다. 일반적으로 두 현상은 동시에 나타나지 않기 때문입니다.
전반적으로 초전도성 분야는 매우 빠른 속도로 진전하고 있으며, 기존에 “불가능”하다고 여겨졌던 영역에 대한 인식이 크게 바뀌고 있습니다.
텅스텐 기업
텅스텐 이중층이 초전도성을 보인다면, 이미 군사, 반도체, 첨단 제조 분야에서 활용되고 있는 초경질 금속의 중요한 추가 용도가 될 것입니다.
우리는 2024년 10월 발표한 보고서 “Tungsten – The Secret High-Tech Metal”에서 텅스텐 투자 사례를 상세히 다루었습니다.
그 이후, 전 세계 텅스텐 생산량의 80%를 차지하는 중국이 텅스텐 수출을 제한한다는 발표가 있었습니다. 이는 서방 산업이 중국 공급망에 의존하지 못하게 하는 중요한 변수입니다.
Almonty Industries
(AII.TO )
Almonty는 현재 포르투갈에 위치한 광산에서 주로 텅스텐을 생산하고 있으며, 이 광산은 지난 125년간 운영되어 왔습니다.
회사는 포르투갈 광산 확장 작업을 진행 중이며, 스페인에도 미개발 매장량을 보유하고 있습니다.
출처: Almonty
회사의 가장 중요한 프로젝트는 한국 산동에 있는 새로운 광산 개발이며, 이 광산은 다른 모든 매장량을 합친 것보다 더 많은 추정 자원을 가지고 있습니다.
출처: Almonty
서방 국가에서 활동하고 생산 중인 유일한 텅스텐 채굴업체 중 하나인 Almonty는 방위 산업에 전략적 공급자를 제공하고 있어, 중국 의존도를 낮추는 데 중요한 역할을 합니다.
산동 광산은 방위 산업에 최적의 공급 위치에 있으며, 한국은 탱크, 포병, 탄약 등 “저기술” 군수품 대량 생산에 새로운 강자로 부상하고 있습니다(전투기, 항공모함 등과 비교해 텅스텐 수요가 적은 분야).
중국이 카자흐스탄에 거대한 텅스텐 광산을 열 준비를 하는 동안, Almonty는 Almonty Korea Tungsten Project의 산동 광산이 몇 달 안에 가동될 경우 “텅스텐 확보와 관련된 정치 구도를 크게 바꿀” 준비를 하고 있습니다. 가동되면 세계 최대 텅스텐 광산 중 하나가 되어 비중국 공급량의 30%를 차지하게 됩니다.
Almonty는 2025년 초~중반에 한국 광산에서 텅스텐 생산을 시작할 예정입니다.
서구에서 사실상 유일한 대형 공급업체인 만큼, Almonty는 Plansee로부터 보증 가격을 제시받았습니다. Plansee는 고성능 금속 제조업체이자 Almonty의 주요 고객이며, 회사의 15%를 보유하고 있습니다.
보증 최저 가격은 톤당 235달러(MTU)이며 상한선은 없습니다. 산동 광산은 톤당 110달러의 현금 비용을 목표로 하고 있어, 프로젝트의 높은 이익률을 실질적으로 보장합니다.
산동 광산 개설과 트럼프 미국과 중국 간의 새로운 무역 전쟁 사이의 시기가 거의 일치함에 따라, 주가는 강하게 반응하여 중국의 텅스텐 수출 제한 발표 후 단 2일 만에 40% 상승했습니다.
연구 참고:
1. Guo, Y., Pack, J., Swann, J. et al. (2025) Superconductivity in 5.0° twisted bilayer WSe2. Nature 637, 839–845. https://doi.org/10.1038/s41586-024-08381-1
