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'초전도체'통합검색 결과 입니다. (3건)

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전기저항 제로 초전도 원인은 '응력'…"115년 난제 풀릴까"

노벨 물리학상 후보로 주목받고 있는 초전도 분야에서 전기저항이 제로인 상태로 전류가 계속 흐르는 영구초전류((permanent supercurrent) 현상의 원인을 설명하는 연구결과가 처음 공개됐다. 영구초전류는 응집물리학이 115년 째 풀지못한 미해결 난제다. 김현탁 미국 윌리엄 앤 메리 대학교 연구교수는 구조 대칭성 깨짐으로 자발적 초전류·초전도 다이오드(한쪽 방향으로만 전류가 흐르는) 효과와 원리를 설명하는 이론이 스프링거 네이처가 발간하는 국제학술지 '실험 및 이론 물리학 저널'(Journal of Experimental and Theoretical Physics)에 최근 게재됐다고 27일 밝혔다. 자발적 초전류는 외부 전압(기전력)을 가하지 않아도 초전도체 내부에서 전류가 스스로 흐르는 현상이다. 김 교수는 초전도에 대해 "구조적 대칭성 파괴(structural symmetry breaking)가 영구턴넬 초전류(Superconductor supercurrent)를 만든다. 초전도 원인은 바로 구조적 대칭성 파괴를 일으키는 응력(Shear stress)"이라고 설명했다. 구조적 대칭성 파괴는 대칭구조를 갖는 금속의 큐빅(정육면체·3차원) 혹은 정사각형(2차원) 구조가 저온에서 구조가 뒤틀려서(structural sistortion) 변하는 것을 말한다. 또 대칭성 파괴는 면에 평행하게 작용하는 전단 응력(Shear stress)이 구조 변형과 전자들의 집합적 거동을 바꾼다고 김 교수는 부연 설명했다. 이 같은 설명은 김 교수가 처음이다. 김 교수는 "1911년 네델란드 카메론 온네스가 수은에서 최초로 초전도 현상을 발견한 이래 지금까지 저항 제로가 되는 원리가 제대로 규명된 적이 없다. 이는 115년 이상된 응집물리학 미해결 물리문제"라며 "1957년 공개된 BCS이론이 초전도 현상을 설명하는 것 같이 보였지만, 저온 초전도 현상조차도 제대로 설명하지 못한다"고 말했다. BCS 이론(Bardeen–Cooper–Schrieffer theory)은 쿠퍼쌍에 의해 초전도 현상을 설명하는 것으로 운동량 공간에서 격자진동에너지를 매개로 페르미 에너지 밖의 두 전자가 큐퍼쌍을 형성하고, 많은 쿠퍼쌍이 질서있는 양자상태를 이루면서 전자가 산란되지 않고 움직일 수 있어 전기저항이 제로인 초전도 상태가 된다는 이론이다. 김 교수가 제시한 핵심 개념에 따르면 임계온도 위에서 금속상태로 있던 금속의 원자와 전자 구조가 임계온도 이하로 내려가면서 대칭구조가 깨져 새로운 전자구조인 전하밀도파(CDW) 구조로 바뀐다. 이 구조에서 전자들은 금속안에서 처럼 균일하게 분포하지 않고 두 개의 전자가 쌍(바이폴라론)을 이루면서 존재한다. 즉 그 전자쌍이 존재하고 존재하지 않는 주기적으로 밀도가 변하는 전하밀도파 패턴(전하밀도파 포텐셜)이 만들어진다. 이 CDW 포텐셜은 인력으로 그 전자쌍을 포함하며, 그 전자쌍 사이에 매우 큰 반발 쿨롱에너지가 가미되어 매우 얋은 포텐셜로 그 크기가 상당히 줄어든다. 많은 전자쌍이 동시에 이웃한 전자쌍의 위치로 에너지 감쇠없이 터널링 방식으로 이동하면서 초전류가 자발적으로 발생한다는 설명이다. 초전도 상태에서 구조적 대칭성이 깨지는 것이 자발적 초전류의 원인이 될 수 있다는 것이 김 교수의 부연 설명이다. 김 교수는 "초전도체는 일반적으로 전기저항이 사라진 상태에서 전류를 전달한다. 이때 전류가 어느 방향으로 흐르느냐에 따라 특성이 달라지는 비상호적 현상이 나타날 수 있다. 대표적인 것이 초전도 다이오드 효과"라고 말했다. 초전도 다이오드 효과에서는 같은 초전도체라도 정방향과 역방향의 임계전류가 서로 다르게 나타난다. 임계전류는 초전도 상태를 유지할 수 있는 최대 전류를 의미한다. 초전도에서는 한 방향에서는 보다 큰 전류가 흐르지만 반대 방향에서는 상대적으로 보다 작은 전류를 갖는 다이오드와 같은 특성이 나타날 수 있다. 이 현상은 최근 초전도 연구에서 다루는 핵심 주제다. 특히 외부 자기장을 이용하지 않고 초전도체 자체의 대칭성 깨짐만으로 다이오드 효과를 구현할 수 있는지 여부에 과학기술계 관심이 크다. 기존 연구에서는 반전 대칭이나 시간반전 대칭이 깨지는 조건이 비상호적 초전도 수송과 관련되는 것 정도로 설명해왔다. 김 교수는 이번 연구에서 '구조적 대칭성 깨짐'에 주목했다. 구조적인 비대칭성이 초전도 상태에서 손실없이 턴넬하는 자발적인 초전류를 만들어내고, 나아가 전류의 방향에 따른 비대칭적인 수송 특성인 초전도 다이오드 효과로 이어질 수 있다는 것. 김 교수는 "초전도 다이오드 효과와 자발적 초전류의 관계는 초전도 상태가 단순히 저항이 0인 상태를 넘어 전자계의 대칭성과 방향성을 반영하는 양자 상태라는 점에서도 의미가 있다"고 말했다. 실제 외부 자기장이 없는 상태에서 초전도 다이오드 효과가 나타나는 예시도 이번 논문에서 제시했다. 예를 들어 작은 비틀림각을 가진 삼층 그래핀에서는 자기장을 0으로 설정한 상태에서도 서로 반대 방향의 임계전류가 크게 달라지는 현상을 관측했다. 응력에 대해서도 김 교수는 설명했다. 금속은 정육면체 혹은 정사각형 구조의 격자점에 금속원자가 놓여있는 구조를 가지며 그 격자점들 사이의 모든 힘의 합력이 0이다. 그런데 저온 초전도 상태는 찌그러든 구조를 가지며 힘의 합력이 0이 아닌 어떤 값을 갖는다. 이 힘이 응력이고, 초전도 현상의 근본 원인이라는 설명이다. 김 교수는 "초전도 다이오드 효과는 차세대 저전력 전자소자와 양자소자 분야에서도 관심이다. 초전도 상태에서 전류의 방향성을 제어할 수 있다면 기존 반도체 다이오드와 다른 방식의 정류 소자나 초전도 회로 구현에 활용할 가능성이 있기 때문"이라고 덧붙였다. 최근에도 조셉슨 접합과 비대칭 다층 구조 등을 이용해 초전도 다이오드 효과의 발생 원인을 규명하려는 연구가 이어지고 있다. 김현탁 교수는 그동안 고온·상온 초전도와 전자 상관관계 등을 중심으로 연구해 왔다. 이번 연구에서는 초전도 현상을 물질의 구조적 대칭성이라는 관점에서 자발적 초전류와 비상호적 수송 현상을 설명하려는 접근이다. 한국전자통신연구원(ETRI) 출신인 김 교수는 "1982년부터 양자역학 쿠퍼쌍에서 이해되지 않던 부분을 끊임없이 탐구해왔고, ETRI 재직시절 노벨상 과제라고 불리는 창의연구과제 등으로 성과를 내며,오늘에 이른 것"이라고 덧붙였다.

2026.09.27 10:00박희범 기자

과기정통부, 2035년까지 핵융합 초전도체 기술 자립화 가속

과학기술정보통신부가 오는 2035년까지 핵융합에너지 상용화 핵심인 고온초전도체 기술 확보를 위해 글로벌 협력을 포함한 다각적인 전략 마련에 나섰다. 초전도체 기술은 핵융합로에서 초고자기장을 만들어내는 데 필수적인 핵심 기술로 기술 난이도가 높은 분야다. 과기정통부 측은 "최근 글로벌 민간기업과 선도 연구기관을 중심으로 핵융합 초전도 기술개발 경쟁이 가속화되는 가운데, 우리나라도 핵융합 상용화 시점을 대비해 선제적인 기술 자립 기반을 마련할 필요성이 커지고 있다"며 사업 추진 배경을 밝혔다. 과기정통부는 이에 따라 ▲연구개발 강화 ▲산학연 협력 체계 구축 ▲지역 연계 연구 인프라 확충 ▲기술 선도 글로벌 연구기관과의 전략적 협력 등을 종합적으로 추진하기로 했다. 우선, 세계 최고 수준의 초전도 도체 시험·검증 인프라를 구축한다. 오는 6월까지 한국에너지공과대학교 내에 실험동부터 건립한다. 16테슬라(T)급 초전도 도체 시험시설 등 장비 구입에는 올해 120억원을 투입한다. 구축 완료 시점은 2028년까지다. 이를 통해 고성능 초전도 도체 성능과 신뢰성 시험·검증에 나설 계획이다. 또 글로벌 선도 연구기관과 전략적 협력도 강화한다. 한국핵융합에너지연구원은 오는 3월 세계적 연구기관인 유럽입자물리연구소(CERN)와 '초전도 선재 제작 공동연구 양해각서(MOU) 체결을 시작으로 공동연구에 착수한다. 현재 과기정통부는 EU와 공동으로 핵융합 블랭킷(전력 생산 및 삼중수소 생산 핵심부품) 기술을 개발 중이다. 핵융합로 소형화를 위한 고온초전도체 기술개발도 본격 추진한다. 고온초전도체는 기존 기술보다 더 강한 자기장을 구현할 수 있어 차세대 핵융합로의 핵심으로 평가받고 있다. 과기정통부는 자석 제작에 필요한 핵심 소재·공정·성능 검증 기술 확보를 위해 중장기 연구개발을 추진할 방침이다. 과기정통부는 올해 21억 5,000만원을 들여 핵융합로용 고온 초전도 마그넷 제작 기술개발에 나설 계획이다. 이외에 과기정통부는 오는 상반기 내에 산학연이 참여하는 '원팀(One-Team)' 협력 체계를 구축한다. 연구기관, 대학, 산업체가 역할을 분담해 기술 개발과 실증, 산업 연계를 함께 추진함으로써 초전도체 기술의 완성도를 높이고, 연구 성과가 산업화로 이어질 수 있는 기반을 마련할 계획이다. 과기정통부는 이같은 종합 추진 전략을 통해 2035년까지 핵융합 초전도체 핵심 기술을 자립화하고, 핵융합에너지 상용화와 차세대 대형 연구시설 분야에서 기술 경쟁력을 강화한다는 복안이다. 오대현 미래전략기술정책관은 “초전도체 기술은 핵융합 상용화의 성패를 좌우하는 핵심 난제 중 하나”라며, “연구개발과 산학연 협력, 연구인프라 확충, 국제협력을 유기적으로 연계해 우리나라가 초전도체 기술을 선도적으로 확보할 수 있도록 적극 추진할 것"이라고 밝혔다. 오영국 한국핵융합에너지연구원장은 “KSTAR 운영과 국제 공동연구를 통해 축적한 기술과 경험을 바탕으로, 고온초전도체를 포함한 차세대 초전도 핵심 기술 확보에 기여할 것"이라며 "산업계와의 협력을 통해 연구 성과가 실제 기술 자립과 산업 경쟁력 강화로 이어질 수 있도록 할 것"이라고 말했다.

2026.02.19 13:17박희범 기자

[기고]"소형화되는 핵융합 장치, 상용화 문 두드리다"

지난 6월 말, 구글은 핵융합 발전 기업 커먼웰스 퓨전 시스템즈(CFS)와 전력 구매 계약을 체결했다. 공급 규모는 200㎿로, 핵융합에너지 분야에서 지금까지 공개된 계약 가운데 최대 수준이다. 핵융합 발전이 아직 상용화되지 않은 단계임을 감안하면, 구글의 이 같은 결정은 매우 이례적으로 보일 수 있다. 그러나 급증하는 에너지 수요와 AI 등 첨단 기술의 본격 확산을 고려할 때, 안정적인 청정에너지 확보는 기업의 생존 전략과 직결된 사안이다. 구글만이 아니다. 핵융합에너지의 가능성과 잠재력에 배팅하는 빅테크 기업이 늘고 있다. CFS는 2022년 자체 개발한 소형 핵융합로 스팍(SPARC)을 통해 핵융합 상용화 선두 주자로 언급되고 있다. 구글과의 계약에 앞서 MS 창업자 빌 게이츠, 아마존 창업자 제프 베이조스 등으로부터 약 20억 달러(약 2조 7,500억 원)의 자본을 조달했다. 또 다른 핵융합 스타트업인 헬리온에너지 역시 챗GPT의 아버지 샘 알트먼 등으로부터 약 10억 달러(1조 4,000억 원) 이상의 투자를 유치했다. 빅테크 기업들의 핵융합 투자가 늘고 있는 이유는 두 가지다. 첫째는 앞서 언급했듯 AI 확산 등으로 엄청난 전력이 필요해지면서 안정적인 에너지 확보가 시급하기 때문이다. 둘째는 소형 핵융합로 등 혁신 기술의 발전으로 상용화가 현실적인 목표로 다가왔기 때문이다. CFS와 헬리온에너지 역시 차세대 소형 핵융합로 개발에 집중하고 있다. 이 같은 민간 주도 기술 개발이 활발해지는 가운데, 최근에는 정부 주도 대형 핵융합 프로그램들 역시 소형 장치 실증에 초점을 맞추는 방향으로 전략을 전환하고 있다. 영국은 2040년까지 핵융합 전력생산 실증을 목표로 'STEP(Spherical Tokamak for Energy Production)' 장치를 개발하고 있다. 중국은 연소 플라즈마 실현을 목표로 차세대 장치 'BEST(Burning Plasma Experiment Superconducting Tokamak)'를 개발 중이다. 유럽연합도 디버터 성능 검증을 주목적으로 하는 'DTT(Divertor Tokamak Test facility)'를 건설 중이다. 이들 장치는 공통적으로 장치의 소형화와 실증 중심 설계를 통해 상용화 가능성을 높이려는 전략적 시도를 보여주고 있다. 이처럼 소형 핵융합로 개발이 활발해지는 가운데, 고온 초전도체는 핵융합로 소형화를 위한 핵심 기술 중 하나로 주목받고 있다. 기존 극저온 초전도체에 비해 더 높은 자기장을 생성할 수 있으며, 다양한 냉각 시스템을 활용해 장치 소형화와 고효율화를 가능하게 한다. 다만, 냉각 안정성, 재료 특성, 자기장 균일성 확보 등에서 여전히 기술적 도전이 존재하며, 이를 극복하기 위한 지속적인 연구개발과 국제 공동 대응이 요구된다. 더불어, 장치가 작아질수록 동일한 수준의 핵융합 출력을 위해서는 더 높은 성능의 플라즈마 운전이 요구된다. ITER 대비 최대 세 배 이상의 고성능 시나리오가 필요하며, 이를 위한 정밀한 제어 기술 개발이 중요하다. KSTAR와 같은 실험 장치를 활용한 시나리오 실증과 함께 AI 기술을 접목한 디지털 트윈 기반 운전 시뮬레이션 등도 중요한 역할을 할 수 있다. 또한 핵융합 플라즈마와 직접 접촉하는 디버터, 중성자에 장기간 견딜 수 있는 저방사화 구조재, 삼중수소 연료 재생산을 위한 블랑켓 재료 등 극한 환경용 핵심 재료에 대한 자립 기술 확보도 병행되어야 한다. 이러한 재료 기술은 핵융합 상용화의 전제 조건이자, 산업적 파급 효과가 큰 분야로 꼽힌다. 이러한 핵심 기술의 개발과 실증을 위해서는 앞으로 공공과 민간의 긴밀한 협력이 필수다. 정부출연연구기관은 기초 원천기술 개발과 대형 인프라 구축을 주도하며 장기적 기술 기반을 마련해야 하며, 민간은 빠른 의사결정과 상용화 중심의 기술 개발을 통해 혁신의 가속화를 견인할 수 있어야 한다. 특히 소형 장치 실증과 같은 상용화 전환 단계에서는 양자의 역할이 유기적으로 맞물릴 때, 비로소 실현 가능성이 높아진다. 공공과 민간이 각자의 강점을 살려 전략적으로 협력할 때, 핵융합 상용화는 더욱 현실적인 목표가 될 수 있다. 소형 핵융합로 건설을 중심으로 핵융합 상용화를 위한 실증 단계가 세계적으로 본격화되고 있는 지금, 우리나라도 전력 생산을 실증할 장치 구축이 현실적인 과제가 되고 있다. 우리나라는 2000년대 초 KSTAR를 통해 세계 최초의 초전도 핵융합실험장치를 개발하며, 상전도 자석 중심이던 당시의 장치 개발 패러다임을 초전도 자석 시대로 전환시키는 흐름을 선도했다. ITER 사업 등을 통해 극저온 초전도체 분야에서도 세계적인 기술력을 축적해왔으며, 이러한 경험과 기술은 고온 초전도체, 고성능 운전기술, 극한 재료 기술 등 핵융합 상용화의 핵심 요소 기술 개발에 효과적으로 접목될 수 있는 기반이 된다. KSTAR로 핵융합 장치의 새로운 기준을 제시한 한국의 도전이, 상용화 실증 단계에서도 다시 한 번 세계 흐름을 이끄는 혁신으로 이어지기를 기대한다.

2025.07.27 12:00오영국 컬럼니스트

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