1. 초전도체란?
초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지고, 자기장을 내부로 침투시키지 않는(마이스너 효과) 물질을 뜻합니다. 이 특성 덕분에 초전도체는 에너지 손실 없이 전기를 전달할 수 있어, 발전, 의료, 교통 등 다양한 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다.
2. 현재 초전도체 기술의 발전 현황
(1) 고온 초전도체의 등장
과거 초전도체는 극저온(액체 헬륨 온도, 약 4K)에서만 작동했기에 현실적 활용에 한계가 있었습니다. 하지만 1986년, 고온 초전도체(HTS)가 발견되면서 액체 질소 온도(약 77K)에서도 초전도 현상을 보이는 물질이 개발됐죠. 이 덕분에 냉각 비용이 크게 줄어들었습니다.
(2) 최근 연구 동향: 상온 초전도체
2020년대에 들어서는 상온 초전도체에 대한 연구가 폭발적으로 증가했습니다.
2020년 구리-황-수소계 화합물이 15도(섭씨) 가까이에서 초전도 현상을 보였다는 보고가 있었고, 이어 2023년에는 수백 기압 이상의 조건에서 상온 초전도체를 구현했다는 연구 결과들이 발표되었어요. 하지만 높은 압력 조건 때문에 아직 실용화는 먼 이야기입니다.
(3) 응용 기술 및 상용화 시도
MRI, 자기부상열차: 고온 초전도체가 이미 의료용 MRI 장비와 일본, 한국, 중국의 자기부상열차에 적용되고 있습니다.
전력 케이블 및 변압기: 에너지 손실을 줄이기 위한 초전도 전력 인프라가 일부 도시에서 시범 운영되고 있어요.
양자 컴퓨팅: 초전도 회로를 이용한 양자 비트(Qubit) 기술 개발도 활발합니다.
3. 어느 나라가 초전도체 기술을 선도하고 있나?
(1) 미국 : 초전도체 연구와 양자 컴퓨팅의 선두주자
미국은 초전도체 연구와 상용화에서 선도적인 위치를 차지하고 있습니다. 스탠포드 대학의 Harold Hwang 교수는 상온에서 작동하는 차세대 초전도체 개발을 목표로 한 국제 프로젝트에 참여하고 있으며, 이 프로젝트는 최근 수백만 달러의 지원을 받았습니다. 또한, 예일 대학의 연구진은 인공지능(AI)을 활용하여 복잡한 양자 물질의 특성을 분석하고, 새로운 초전도체 후보 물질을 예측하는 연구를 진행 중입니다.
기업 측면에서는 아마존이 새로운 양자 칩 'Ocelot'을 발표하며, 양자 컴퓨팅 분야에서의 초전도체 활용 가능성을 보여주고 있습니다. 이 칩은 오류 수정과 확장성 문제를 해결하는 데 중점을 두고 있으며, 'cat qubits' 기술을 활용하여 오류를 본질적으로 억제하는 구조를 가지고 있습니다.
- 연구 인프라와 자본이 풍부해 초전도체 기본 연구와 응용 기술 개발 양쪽에서 강세
- IBM, 구글 등 IT 기업들이 초전도 기반 양자컴퓨터 개발에 집중
(2) 일본 : RIKEN의 원자층 비틀기 기술로 초전도성 제어
일본은 RIKEN 연구소를 중심으로 초전도체의 특성을 제어하는 연구를 진행 중입니다. 특히, 원자층을 비틀어 초전도 특성을 조절하는 연구는 에너지 효율적인 기술 개발에 기여하고 있습니다. RIKEN의 연구진은 원자층을 비틀어 '초전도 갭'을 정밀하게 조절하는 방법을 발견하였으며, 이는 양자 컴퓨팅과 에너지 효율적인 기술 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.
- 고온 초전도체 응용 분야에서 세계 최고 수준
- 초전도 자기부상열차(마그레브) 및 초전도 전력기기 상용화 주도
(3) 중국 : '인공 태양' EAST로 핵융합 에너지 연구 선도
중국은 '인공 태양'으로 불리는 초전도 토카막인 EAST(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)를 운영하며, 핵융합 에너지 연구에 박차를 가하고 있습니다. 2025년 1월 20일에는 1066초 동안 플라즈마를 유지하는 데 성공하며 주목받았습니다. EAST는 초전도 토로이드 및 폴로이드 자석을 활용한 세계 최초의 토카막으로, ITER 프로그램의 테스트베드 역할을 수행하고 있습니다.
- 정부 주도의 대규모 연구 투자와 인프라 구축
- 초전도 전력 케이블, MRI 등 의료장비 분야에서 빠른 상용화 추구
(4) 한국 : KSTAR와 양자 기술로 미래 에너지 주도
한국은 KSTAR(Korea Superconducting Tokamak Advanced Research) 프로젝트를 통해 초전도체 기반 핵융합 연구를 진행 중입니다. 2024년에는 플라즈마를 100만 도로 가열하여 48초간 유지하는 데 성공하며, 이전 기록을 경신하였습니다. 또한, 경상국립대학교와 노르마(Norma)는 항공우주 분야에서 양자 알고리즘을 개발하는 프로젝트를 시작하여, 양자 기술을 다양한 산업 분야에 적용하려는 노력을 계속하고 있습니다.
- 고온 초전도체 소재 연구와 응용 기술 개발에 집중
- 자기부상열차와 초전도 전력기술 실증사업 진행 중
4. 결론 : 글로벌 초전도체 기술 경쟁
초전도체 기술은 아직도 여러 난제를 안고 있지만, 고온 초전도체의 상용화로 인해 이미 여러 산업 분야에서 혁신을 일으키고 있습니다. 상온 초전도체의 상용화가 현실이 된다면 에너지, 교통, 의료 등 우리 삶 전반에 엄청난 변화를 가져올 것입니다.
초전도체 기술은 에너지 효율성 향상, 의료 기술 발전, 차세대 컴퓨팅 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 하고 있습니다. 미국은 대학과 기업의 협력을 통해 양자 컴퓨팅과 초전도체 연구를 선도하고 있으며, 중국은 EAST를 통해 핵융합 에너지 연구에서 두각을 나타내고 있습니다. 일본은 원자층 비틀기 기술로 초전도성을 정밀하게 제어하는 연구를 진행 중이며, 한국은 KSTAR와 양자 기술을 통해 미래 에너지와 기술 개발에 주력하고 있습니다. 이러한 글로벌 경쟁 속에서 각국의 지속적인 연구와 협력이 초전도체 기술의 발전을 이끌어갈 것으로 기대됩니다.
