사이언스 투데이
science 취재파일 바이오 위클리 사이언스 HOT5 사이언스 매거진 별별 이야기 내 몸 보고서 날씨학개론 생각 연구소 과학의 달인 궁금한S

[과학의 달인] 초전도 기술로 인류의 삶을 바꾼다…원자력연 김찬중 연구원

■ 김찬중 / 한국원자력연구원 책임연구원

[앵커]
1911년 발견 이후 지금까지 5번이나 노벨상이 탄생한 기술이 있습니다. 바로 '초전도 기술'인데요. 우리나라에도 이 꿈의 기술을 30년 넘게 연구하고 있는 과학자가 있습니다. 오늘 <과학의 달인>에서 초전도 기술이란 무엇이고, 어떻게 활용될 수 있을지 알아보겠습니다. 한국원자력연구원 신소재융합기술연구부 김찬중 책임연구원과 함께합니다. 어서 오세요.

초전도 현상, 그 뜻을 살펴보니까 전기를 아주 많이 전달하는 기술이다, 이런 뜻으로 알려졌던데요. 우리가 좀 생소하니까 화면을 통해서 준비했습니다. 함께 볼까요?

아, 떠 있네요? 공중에? 물건이 자석 위에서 떠다니고 있는 모습이 보여요.빙빙 돌기도 하고요. 저렇게 연기가 나는 걸 보니까 차가운 게 아닌가 이런 생각도 들어요.

그러게요. 이건 약간 자기부상열차 같은데요? 모형인가요? 네, 계속 저렇게 물건이 떠서 돌아다니는 걸 보니까 신기하다는 생각이 듭니다.

[앵커]
네, 저희가 이렇게 초전도 현상을 준비된 영상으로 함께 살펴봤는데요. 혹시 영화 아바타에 둥둥 떠다니는 섬 기억하세요? 그런 섬을 보는 것 같기도 하고, 자기부상열차처럼 우리에게 조금 익숙한 그런 열차의 모형도 함께 봤는데, 어떻게 보면 좀 마술 같다, 이런 생각도 들어요. 초전도 현상, 이게 어떻게 가능한 건가요?

[인터뷰]
초전도 현상은 물리학에서 굉장히 흥미로운 현상인데, 크게 두 가지 특징을 가지고 있습니다. '완전반자성', 완전반자성이라는 말은 자력을 완전히 반대한다, 그래서 둥둥 떠다닐 수 있고요. '전기저항 제로'라는 특징이 있습니다.

그래서 초전도체는 내부의 자기장을 밀쳐내는 성질을 가지고 있어요. 아까 화면으로 나왔던 공중부양 영상은 자석 위에 초전도체를 올려놓은 모습인데요. 이 현상을 독일의 마이스너가 발견했다고 해서 '마이스너 효과'라고 합니다. 초전도체는 자력이 들어오는 것을 매우 싫어하는데요. 그래서 자석을 밀어냅니다. 이를 '반자성'이라고 부릅니다. 초전도체가 100% 자력을 밀어내기 때문에 자석 위에서 공중부양을 하게 되는 것이죠.

[앵커]
그러니까 자석을 밀어내는 성질인 완전 반자성을 가지고 있기 때문에 뜰 수 있다고 설명해주셨는데요. 그럼 두 번째 특징인 '전기저항 제로', 이 부분에 대해서 설명해주시죠.

[인터뷰]
전기저항 제로라는 것은 모든 물질은 다 저항을 가지고 있습니다. 그래서 전기가 흐를 때, 전기가 흐른다는 것은 전자가 이동한다는 건데, 그럴 때 저항이 생기는데, 보통 금속으로 만들죠. 금속으로 만든 전선을 통해 전기를 보내는데, 구리 같은 일반 전선에 전기를 흘리면 열이 생깁니다. 컴퓨터를 장시간 사용하면 뜨거워지는 것과 같은 원리라고 생각하시면 됩니다.

이는 전기를 흘릴 때 생기는 저항 때문인데요. 전기 저항은 전기의 흐름을 방해하는 역할을 합니다. 이 때문에 전기의 손실이 생기는데, 초전도는 저항이 없습니다. '제로 저항'이라고 하는데요. 저항이 없어서 초전도는 놀라울 만큼 전기가 많이 흐르고 전기가 흐를 때 열이 발생하지 않습니다.

[앵커]
네, 초전도 현상, 이동 중에 전기 손실이 없고, 또 자기장을 밀어내기 때문에 공중부양하는 이런 두 가지 특징에 대해서 설명을 해주셨는데요. 그럼 우리가 이런 초전도 현상을 일상 속에서 어떻게 응용해서 사용하고 있나요?

[인터뷰]
초전도는 전자의 움직임이니까 전기나 전자를 이용한 모든 산업에 활용될 수 있는데, 자기부상열차가 대표적인 사례입니다. 열차에 초전도 자석을 탑재하고 금속 코일 위를 움직이는 방식입니다. 자석과 초전도체가 서로 밀어내 열차를 뜨게 만드는 것이죠.
열차가 철로에서 몇 cm 정도 뜨게 되면 아주 높은 속력을 낼 수 있고 KTX처럼 바퀴가 구르는 타입이 아니기 때문에 빠르고 먼 거리를 이동하는 데에 효과적으로 사용할 수 있습니다.

[앵커]
보통 레일에서 몇 cm 정도 띄워져 있나요?

[인터뷰]
자력 세기와 관계가 있는데, 3~4cm만 떠도 잘 갈 수 있습니다.

[앵커]
또 어떤 사례가 있죠?

[인터뷰]
또 병원에 가면 있는 의료진단 장비인 MRI에서도 초전도체가 이용됩니다. 몸이 MRI에 들어가면 자력으로 스캔합니다. 그래서 잘못된 부분들을 잡아낼 수 있는데, 자기장이 아주 크면 선명한 화질로 우리 인체 내부의 신경세포까지 볼 수 있기 때문에 편리하고 진단 효율이 아주 높은 장비라고 할 수 있고, 우리 몸에 손을 대지 않고 진단을 할 수 있어서 부작용이 없는 그런 장비라고 할 수 있겠습니다.

[앵커]
그렇군요. 그리고 또 전기 저항이 없으니까 전기를 옮길 때 효율이 높다고 말씀해주셨잖아요. 케이블도 만들고 있죠?

[인터뷰]
케이블이라는 건 우리가 발전소에서 전기를 만들 때 전기를 운송해야 하잖아요? 그런데 구리를 사용하면 발전소에서 가정이나 회사 등의 건물로 전기가 오는 동안 5% 정도의 전기가 없어진다고 합니다.
그런데 구리 대신에 초전도체를 이용하면 5%의 손실을 막을 수 있고요. 그리고 구리 선보다 전기가 많이 흐르기 때문에 초전도체의 굵기가 구리 케이블의 3분의 1 정도밖에 되지 않기 때문에 땅속 공간을 더욱 많이 활용할 수 있죠.

[앵커]
이런 장점이 많아서 유용하게 활용할 수 있는 기술이 초전도 기술이라고 정리할 수 있겠는데, 그런데 이 초전도 현상을 발견한 게 100년도 더 된 일이라고 들었거든요. 지금까지도 발견하고도 쓰지 못한 이유가 뭘까요?

[인터뷰]
네, 맞습니다. 저도 30년 넘게 초전도를 연구하고 있는데요. 1911년 네덜란드 물리학 교수 '카메를링 오너스'가 액체헬륨을 이용해 수은을 냉각시켜 전기저항을 측정하던 중 수은의 전기저항이 갑자기 없어지는 현상을 발견했습니다. 이때는 이게 있을 수도 없는 현상이었거든요. 그 당시 초전도 현상이 일어나는 온도가 영하 270도였는데요. 원리를 알지도 못했고, 낮은 온도 때문에 현실에서 사용하기가 어려웠습니다. 영하 270도까지 온도를 내려주려면 특별한 장치가 필요하고 냉각물질도 비싼 것을 사용해야 했습니다. 액체헬륨을 써야 했는데요. 이 액체헬륨은 지구에 별로 없는 희귀물질이어서 장치를 만들어도 굉장히 고가의 장치가 되어버려서 실현하는데 시간이 오래 걸렸죠.

[앵커]
네, 액체헬륨이 좀 비싼 데다가 영하 270도라는 아주 낮은 온도에서만 가능했던 건데, 이런 한계를 어떻게 극복했는지 궁금해요.

[인터뷰]
제가 초전도 연구를 시작한 것이 1980년 중반인데요. 그때 독일 과학자가 액체헬륨보다 온도가 더 높은 액체질소 온도에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 발견했습니다. 초전도 이론에서는 초전도 현상이 영하 240도 이상에서는 나타날 수 없다고 했는데, 그때 독일의 과학자가 이론은 넘어서는 온도에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 발견한 것이죠. 그 후에 초전도 온도가 영하 120도까지 치솟았습니다. 우리가 생활하는 상온에서 초전도 기술이 실현될 수 있다는 기대가 부풀었고, 그 당시엔 온도가 이렇게 올랐으니 상온에서도 초전도 기술이 가능하지 않을까 하는 생각을 했고, 발견한 과학자는 불과 일 년 후에 노벨물리학상을 받았습니다. 산업계는 초전도 산업혁명이 일어났다고 기사를 보도하기도 했죠.
저도 그때부터 초전도 현상을 연구해서 지금까지 30년 넘게 연구를 해오고 있습니다. 영하 120 정도 온도라면 처음 초전도 현상이 발견된 영하 270도보다 매우 높은 온도였습니다. 그래서 높은 온도라는 의미에서 이 초전도체를 "고온 초전도체"라고 부릅니다.

[앵커]
네, 이 고온 초전도체를 발견한 이후에도 상온에서 초전도 현상이 나타나는 물질을 찾기 위해서 많은 과학자의 노력이 있었을 것 같은데, 최근 어떤 성과가 있었다고요?

[인터뷰]
맞습니다. 2020년에 아주 대단한 효과가 있었습니다. 상온 초전도체라고 하는데, 상온이라는 건 우리의 일상온도인 상온 15도가 되었으니 이 초전도체는 더는 냉각할 필요가 없습니다. 그런데 미국 로체스터대학에서 온도를 내릴 필요가 없는 온도인 영상 15도에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 발견했습니다.
수소를 기반으로 만든 물질이 비교적 높은 온도에서 초전도성을 나타낸 것인데요. 이를 '상온 초전도체'라고 부릅니다.

[앵커]
그런데 상온에서 실현되는 게 왜 중요한 건가요?

[인터뷰]
그렇게 되면 우리가 값비싼 냉각장치도 필요하지 않고, 냉매도 필요 없어서 보통 일상에서 사용할 수 있으니까 일단 가격이 낮아지고, 보편적으로 모두가 다 사용할 수 있기 때문에 이 초전도의 혜택이 전 인류에 돌아갈 수 있어서 좋은 거죠.

[앵커]
그렇군요. 또 상온에서 실현하면 전기를 모두 사용할 수 있다는 장점도 있다고요?

[인터뷰]
네, 그렇죠

[앵커]
네, 이렇게 박사님께서도 30년 넘게 초전도 과학에 대해 연구에 매진하고 계시는데, 최근에 이 초전도체의 효율을 높이기 위한 연구에도 박차를 가하고 계시다고 들었어요. 어떤 연구인가요?

[인터뷰]
저희가 실험실에서 효율을 향상하는 연구를 하고 있는데, 어떤 소재든 순수한 상태로 사용되는 것은 별로 없습니다. 예를 들자면, 우리 생활에서 가장 많이 사용되는 철(쇠)도 순수한 것은 무쇠라고 하는데, 단단하지 않아서 사용하기 어렵습니다. 강하게 해 주려면 철에 탄소를 집어넣어서 사용합니다. 우리 연구팀은 세륨 옥사이드라는 물질을 넣어서 초전도체의 성질을 몇 배 향상되게 해 주었습니다. 이 물질을 1% 정도만 넣어도 공중부양하는 능력이 아주 뛰어나고, 전기도 많이 흘러서 기존의 물질보다 몇 배에 성능을 갖는 물질을 개발하고, 지금 전 세계적으로 이 물질을 첨가제로 사용하고 있습니다

[앵커]
네, 초전도 기술, 정말 마법과도 같은 기술이라는 생각이 드는데, 저희가 시간이 좀 부족해서요. 마지막으로 박사님의 앞으로의 계획 말씀해주시겠어요?

[인터뷰]
대학에서 공부한 기간을 포함해서 과학기술 분야에서 일한 지가 43년이 되었습니다. 우리나라는 아직 과학계에서 노벨 물리학상을 받지 못하고 있지 않습니까? 그래서 우리 후학들에게 그동안 배우고 경험한 과학 지식을 나눠줘야겠다는 생각이 들어서 책으로 발간하는 작업을 하고 있습니다. 또 사진, 동영상 편집 등을 배우고 있습니다. 미래의 과학지도자인 학생들에게 과학지식을 사진과 동영상 등으로 제작해 인터넷으로 지식 나눔을 할 생각입니다. 그렇게 남은 과학 인생을 완성해 나가려 하고 있습니다.

[앵커]
그렇군요, 박사님의 학문에 대한 열정은 물론이고요, 후학 양성까지 진정한 지성인의 모습을 느낄 수 있었습니다. 오늘 나와주셔서 고맙습니다. 지금까지 한국원자력연구원 김찬중 박사와 함께했습니다. 고맙습니다.


  1.  21:00뷰티풀 코리아 충청도 (4)
  2.  22:00관찰카메라 24시간 겨울철 별...
  3.  23:00특별기획 북극 북극 1부 (2)
  1.  YTN사이언스 구매 프로그램 공모
  2. [종료] 2022년 YTN사이언스 상반기 외...