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[강연] 초전도체가 만든 세상, 펼치는 미래_by김기훈 l 31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래" | 4강

2023년 여름, 대한민국은 물론 전 세계 과학계를 뜨겁게 달군 주제는 단연 상온 초전도체 'LK-99'였습니다. 비록 검증 결과 상온 초전도체로 인정받지는 못했지만, 이 사건은 초전도 현상이 우리 사회에 얼마나 큰 파급력을 미칠 수 있는지 다시금 확인시켜 주었습니다. 초전도체는 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 마법 같은 물질로, 에너지 혁명을 이끌 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 학계에서는 여전히 상온 초전도체를 향한 도전을 멈추지 않고 있으며, 이는 인류의 미래를 바꿀 중요한 전환점이 될 것입니다. 초전도 현상의 역사는 1911년 네덜란드의 카메를링 오네스로부터 시작되었습니다. 그는 액체 헬륨을 제조하는 데 성공한 후, 수은의 저항을 측정하던 중 영하 269도에 해당하는 4.2 켈빈에서 저항이 갑자기 0이 되는 놀라운 현상을 발견했습니다. 이 발견으로 그는 노벨 물리학상을 수상하며 초전도 연구의 문을 열었습니다. 이후 과학자들은 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾기 위해 수십 년간 연구를 거듭해 왔으며, 이는 저온 초전도체에서 고온 초전도체로 이어지는 거대한 학문적 흐름을 형성하게 되었습니다. 초전도 현상을 이론적으로 규명한 것은 1957년 발표된 BCS 이론입니다. 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼 세 학자는 양자역학을 바탕으로 전자들이 격자 진동을 통해 쌍을 이루는 '쿠퍼 쌍' 현상을 설명해 냈습니다. 원래 전자들은 서로 밀어내지만, 특정 조건에서 격자와 상호작용하며 쌍을 이루면 저항 없이 이동할 수 있게 됩니다. 20세기 가장 아름다운 이론 중 하나로 꼽히는 이 이론은 초전도 현상의 근본 원리를 밝혀냈으며, 이후 조셉슨 효과나 제2종 초전도체 연구 등 수많은 노벨상 수상의 토대가 되었습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 전기 저항이 0이라는 점입니다. 우리가 흔히 사용하는 구리선은 아무리 효율이 좋아도 열 손실이 발생하지만, 초전도 선재를 이용하면 에너지 손실 없이 무한히 전류를 흐르게 할 수 있습니다. 실제로 우리나라는 세계 최초로 고온 초전도 케이블을 상용화하여 송전 효율을 극대화하는 기술력을 보유하고 있습니다. 만약 모든 송전망을 초전도체로 교체한다면 원자력 발전소 수십 기가 생산하는 에너지를 절약할 수 있으며, 이는 지구 온난화 문제를 해결할 수 있는 강력한 에너지 혁명이 될 것입니다. 저항 제로와 함께 초전도체의 또 다른 핵심 성질은 외부 자기장을 밀어내는 '마이스너 효과'입니다. 특히 제2종 초전도체에서는 자기력선이 물질을 관통하면서도 고정되는 '양자 잠금' 현상이 나타나는데, 이는 자석 위에 초전도체가 안정적으로 떠 있게 만듭니다. 이러한 원리는 시속 600km 이상의 속도를 내는 자기부상열차의 핵심 기술로 활용됩니다. 또한 병원에서 사용하는 MRI의 선명도를 획기적으로 높이거나, 미래의 도심 항공 모빌리티인 에어 택시를 구현하는 데에도 초전도 자석의 강력한 자기장이 필수적인 역할을 합니다. 최근 초전도 연구는 수소 화합물을 이용해 상온에 더 가까운 온도를 구현하는 방향으로 나아가고 있습니다. 엄청난 고압 환경이 필요하다는 제약이 있지만, 란타넘 수소화물 등에서 영하권의 높은 임계 온도가 관측되면서 상온 초전도체 발견에 대한 기대감이 높아지고 있습니다. 비록 일부 연구 결과가 재현성 문제로 철회되기도 했지만, 과학자들은 계산 과학과 정밀한 합성 기술을 동원해 한 걸음씩 상온을 향해 나아가고 있습니다. 이러한 도전은 단순히 물질의 발견을 넘어 인류의 기술적 한계를 극복하려는 숭고한 노력의 과정입니다. 초전도 기술은 이미 가속기, 핵융합로, 의료 기기 등 다양한 분야에서 우리 삶을 지탱하고 있습니다. 앞으로 상온 초전도체가 실제로 발견된다면 양자 컴퓨터의 대중화와 에너지 혁명을 통해 인류 문명은 새로운 차원으로 도약할 것입니다. 이를 위해서는 뛰어난 인재들의 열정과 지속적인 교육, 그리고 학문적 교류가 무엇보다 중요합니다. 100년이라는 짧은 과학사 속에서 이제 막 시작된 양자 문명의 시대에, 초전도체는 우리가 꿈꾸는 미래를 현실로 만들어 줄 가장 강력한 열쇠가 될 것이라 확신합니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[인터뷰] 김기훈_꿈의 물질, 초전도체 연구와 펼쳐질 미래｜제31회 서울대 자연과학 공개강연_"세상을 바꾼 과학, 과학이 여는 미래"

초전도체는 1911년 수은에서 처음 발견된 이후 지난 120년 동안 현대 물리학의 핵심 연구 분야로 자리 잡았습니다. 이는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 양자역학적 현상으로, 극저온이나 고압 등 극한의 환경에서 물질이 보여주는 신비로운 변화를 탐구하는 학문입니다. 수많은 과학자가 새로운 초전도 물질과 임계 온도를 찾아내며 노벨상을 거머쥐었을 만큼, 이 분야는 인류의 기술적 한계를 극복하고 에너지 효율을 극대화할 수 있는 꿈의 미래 기술로 손꼽히고 있습니다. 초전도체의 가장 큰 특징은 에너지 손실 없이 무한에 가까운 전류를 흘릴 수 있다는 점입니다. 이를 코일 형태로 제작하면 기존의 구리 선으로는 불가능했던 초고자기장을 형성할 수 있습니다. 이러한 특성은 이미 의료 현장에서 MRI의 선명도를 획기적으로 높이는 데 기여하고 있으며, 전력 손실 없는 송전선 개발에도 활용되고 있습니다. 부피는 작으면서도 훨씬 강력한 힘을 발휘할 수 있다는 점이 초전도체가 가진 독보적인 경쟁력이며, 이는 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 이끌어내고 있습니다. 미래 사회에서 초전도 기술은 모빌리티 혁신을 이끌 핵심 동력이 될 전망입니다. 강력한 자기장을 이용한 초전도 모터는 도심 항공 모빌리티(UAM)의 실현을 앞당길 것이며, 진공 튜브 속을 초고속으로 달리는 하이퍼루프의 필수 기술로도 주목받고 있습니다. 또한 차세대 에너지원으로 꼽히는 핵융합 발전에서 고온의 플라스마를 가두기 위한 강력한 자기장 제어에도 초전도 선재가 결정적인 역할을 수행하게 될 것입니다. 이러한 기술들은 인류의 이동 수단과 에너지 소비 방식을 근본적으로 바꿀 것입니다. 현재 초전도 기술의 가장 큰 과제는 액체 헬륨이나 액체 질소 같은 극저온 냉매 없이도 작동하는 상온 초전도체를 발견하는 것입니다. 많은 연구자가 상온에서 초전도 현상을 구현하기 위해 신물질 합성에 매진하고 있으며, 이는 인류의 에너지 패러다임을 바꿀 거대한 도전입니다. 초전도체 외에도 투명 반도체와 같은 신소재 연구는 태양 전지나 투명 전극 등 다양한 산업 분야에 응용되며 우리 삶을 더욱 편리하게 변화시키고 있습니다. 새로운 물질의 발견은 곧 새로운 물리적 세계관의 확장으로 이어집니다. 과학자를 꿈꾸는 이들에게 가장 필요한 덕목은 단순한 지식을 넘어선 호기심과 열정, 그리고 이를 뒷받침할 체력입니다. 지식을 습득하는 '지(智)', 타인과의 소통과 토론을 통해 배우는 '덕(德)', 그리고 연구를 지속할 수 있는 에너지를 제공하는 '체(體)'가 조화를 이루어야 합니다. 끊임없는 질문을 던지고 실패를 두려워하지 않는 태도로 자신만의 연구 분야를 개척해 나간다면, 언젠가 세상을 바꾸는 위대한 발견의 주인공이 될 수 있을 것입니다. 과학은 결국 인류의 지혜를 모아 더 나은 미래를 설계하는 숭고한 여정입니다.

김기훈

카오스재단서울대자연과학공개강연

물리학

[연구뭐하지] 김기훈 교수_서울대학교 '첨단복합물질상태 연구실' | 극한 물리 조건 속 물질의 현상을 이해하다!

극한 조건 물리 연구는 일상에서 접하기 힘든 물리적 환경에서 물질이 어떻게 거동하는지를 탐구하는 학문입니다. 원자가 규칙적으로 배열된 고체를 대상으로 초고자기장이나 초고압, 그리고 절대영도에 가까운 극저온 상태를 인위적으로 조성하여 그 속에서 나타나는 새로운 물성을 근본적으로 이해하고자 노력합니다. 이러한 연구는 물질의 본질적인 특성을 파악하고 인류가 아직 도달하지 못한 물리적 영역을 개척하는 데 중요한 의미를 지닙니다. 특히 복합적인 원소들로 이루어진 신물질을 직접 합성하고 그 변화를 관찰하는 과정은 현대 물리학의 지평을 넓히는 핵심적인 작업이라 할 수 있습니다. 연구의 시작은 세상에 없던 신물질을 합성하는 것에서부터 출발합니다. 최소 3개에서 5개에 이르는 다양한 원소들을 조합하여 신물질을 만들어내고, 이를 단결정이나 다결정, 혹은 얇은 박막 형태로 성장시킵니다. 이렇게 탄생한 시료들에 극저온과 초고압, 초고자기장이라는 극한의 조건을 가했을 때 일어나는 현상을 종합적으로 측정합니다. 이는 단순히 이론적인 예측을 넘어 실제 물질이 보여주는 경이로운 변화를 직접 확인하고 데이터로 증명해내는 도전적인 과정입니다. 연구자들은 이러한 과정을 통해 물질의 숨겨진 원리를 하나씩 밝혀나갑니다. 초전도체나 자성 연구를 수행하기 위해서는 온도를 2~4 켈빈 수준의 극저온으로 낮추는 기술이 필수적입니다. 이를 위해 액체 헬륨이 사용되는데, 비용 문제로 인해 일반적인 연구 환경에서는 접근이 쉽지 않은 경우가 많습니다. 하지만 체계적인 인프라가 갖춰진 연구실에서는 액체 헬륨 수급에 대한 걱정 없이 실험에 몰입할 수 있는 환경을 제공합니다. 안정적인 저온실 운영은 연구자들이 물리적 한계에 도전하며 다양한 실험적 시도를 마음껏 펼칠 수 있게 하는 든든한 기반이 됩니다. 이러한 인프라는 연구의 질을 높이고 실험의 연속성을 보장하는 핵심 자산입니다. 연구의 무대는 국내에만 국한되지 않고 전 세계로 확장됩니다. 특히 초고자기장 실험의 경우 미국 탈라하시에 위치한 국립 고자기장 연구소와 같은 세계적인 기관과 협력하여 수행되기도 합니다. 학생들은 해외 출장을 통해 글로벌 연구 트렌드를 익히고 국제 학회에 참여하며 시야를 넓힐 기회를 얻습니다. 또한 장기적인 연구를 위해 체력 관리와 어학 공부를 지원하는 등 연구자의 성장을 돕는 복지 체계는 학생들이 연구에 전념하면서도 균형 잡힌 생활을 유지할 수 있도록 돕는 중요한 요소입니다. 이는 학계에서 글로벌한 역량을 발휘할 수 있는 밑거름이 됩니다. 극한 조건 물리 연구실을 상징하는 키워드는 '수제 맥주와 운동화'입니다. 이는 직접 무언가를 만들어내는 즐거움과 미지의 영역을 향해 끊임없이 발을 내딛는 탐험 정신을 의미합니다. 우주 전체를 놓고 보았을 때 지구 밖의 수많은 물질은 이미 극한의 조건 속에 놓여 있으며, 이를 연구하는 것은 인류가 아직 가보지 못한 영역에 발자국을 남기는 일과 같습니다. 창의적인 노력과 진취적인 자세를 가진 연구자들에게 이 분야는 무궁무진한 가능성이 열려 있는 도전의 장이 될 것입니다. 새로운 발견을 향한 열정은 곧 인류 지식의 경계를 확장하는 원동력이 됩니다.

김기훈

카오스재단연구뭐하지

물리학