‘노벨상을 받을 만한 획기적인 성과인가, 제2의 황우석 사태인가.’
지난 7월 말 국내 연구자들로 이뤄진 퀀텀에너지연구소 측이 세계 최초로 상온·상압 초전도체인 LK-99를 개발했다고 주장한 후 붙은 논쟁이다.
1913년 네덜란드 레이던대의 물리학자였던 카메를링 오너스에 의해 처음 발견된 초전도체는 특정 온도에서 전기저항이 없어 전류가 장애 없이 흐르는 장점으로 산업 활용도가 이론적으로는 무궁무진한 획기적인 신물질로 각광을 받았다. 하지만 특정온도(임계온도)에서만 나타나는 현상으로 범용성을 가지진 못했다. 그래서 지금까지는 극저온과 수만 배의 압력이란 특정 환경에서 초전도체를 활용할 수 있었는데, LK-99는 우리가 일상생활을 하는 온도 수준에서도 초전도 현상이 일어나는 물질을 구현해냈다고 해 관심을 끌어모았다. 오너스가 초전도 현상을 발견한 온도는 영하 269도였고, 지금까지 초전도 현상이 나타난 최고 높은 온도는 영하 135도(고온 초전도체)다. 때문에 영상의 온도에서 작동하는 LK-99가 ‘실제’라면 이는 가히 혁명적인 사건이 되는 것이다. 오랜 학계의 난제를 해결하는 것일 뿐만 아니라 4차 산업혁명을 뛰어넘는 변화를 일으킬 수 있는 신물질의 출현이 눈앞에 다가온 것이기 때문이다. <걸리버 여행기>에 나오는 ‘공중의 섬’ 라퓨타처럼 한강의 세빛섬을 둥둥 띄울 수 있다는 우스갯소리가 현실이 될 수도 있는 것이다. 이에 LK-99는 등장 이후 세계적인 관심을 불러모았고, 실제 초전도체 신물질이 맞는지를 두고 검증이 국내외에서 속속 이뤄졌다. 하지만 기대와는 달리 LK-99에 대한 검증이 이뤄질수록 결과는 “초전도체 물질이 아니다”라는 쪽으로 기울고 있다.
국가기관인 한국표준과학연구원을 포함해, 경희대 에너지소재양자물성연구실, 부산대 양자물질연구실, 서울대 복합물질상태연구단, 한양대 고압연구소, 포스텍 물리학과 연구팀 등이 LK-99 재현 실험에 나섰고 어떤 기관도 초전도성을 확인하지는 못했다. LK-99에서 초전도의 특성은 나타나지 않았고, 부도체 같은 성질을 띠는 경우가 많았다.
앞서 해외에서는 LK-99의 초전도 현상과 관련해 불순물인 황화구리로 인한 것이라는 분석이 나오기도 했다. 황화구리의 상전이 온도가 섭씨 104도인데, LK-99의 저항이 떨어지는 임계온도와 일치한다는 것이다. 독일 막스플랑크 고체연구소가 불순물을 분리해내 검증을 했지만 역시 “초전도체가 아니다”라고 부정했다.
그런데 여기서 한 가지 애매한(?) 포인트가 있다. LK-99에 대한 계속된 검증이 실패로 돌아가고 있지만, 모두가 ‘완전히 아니다’라는 단정을 섣불리 내지 않고 있다는 점이다. 여기에는 무엇보다 물질 합성이 제대로 이뤄졌느냐에 대한 확신을 쉽게 하기 힘든 상황이 고려되고 있는 것으로 보인다. 검증에 나선 기관들은 LK-99를 만든 퀀텀에너지연구소가 아카이브에 공개한 논문의 레시피대로 물질 제작을 하고 있다. 크게 복잡할 것도 없다. 공개한 화학식에 따라 재료를 넣고 가열하면 끝이다. 합성에 사용되는 물질들도 납과 구리, 인 등 구하기 쉬운 것들이다. 하지만 물질 제작에는 굽는 시간, 가열 온도 등 수많은 변수가 작용한다. 한국표준과학연구원은 검증 결과와 관련해 LK-99 물질 외에 특정해야 할 물질들이 너무 많아 만드는 조건을 재탐색하는 과정이 필요하다고 봤다. 이런 상황에서 검증에 나선 기관들이 단시간에 과연 퀀텀엔너지연구소가 오래도록 실험해 만든 것과 같은 물질을 재현해냈느냐에 대한 의문이 존재한다.
이에 일각에서는 LK-99가 세상을 놀라게 할 초전도 신물질이라면 논문을 공개하더라도 제작 비법은 숨겨놓았을 것이라는 관측도 있다. LK-99에 호의적인 이들의 음모론적(?) 시각이긴 하지만, 초전도체의 역사를 보면 그냥 넘기기에는 간단치 않다. 1970년대까지 초전도 현상이 나타나는 임계온도는 30K(영하 243도)였다. 이 이상의 온도에서 초전도 현상이 나타나는 물질은 없다는 것이 당시 학계의 주류 이론이었다. 1972년 초전도 현상을 완벽하게 설명하며 노벨물리학상을 수상한 BCS 이론에 따른 것이었다. 하지만 1986년 스위스 IBM취리히연구소의 베드노르츠와 뮐러 박사가 BCS 이론의 임계온도를 뛰어넘는 고온 초전도체를 만들어내면서 학계에 파장이 일었다. 더 높은 온도에서 작동하는 초전도 물질의 발견에 학계는 흥분의 도가니였고, 이로 인해 이들은 노벨물리학상을 수상했다.
여기서 한 가지 재밌는 것은 베드노르츠와 뮐러가 고온 초전도체 물질 합성 결과를 발표한 곳이 자국인 독일 물리학회지인 <자이츠피지크(Z.Phys)>였다는 점이다. <네이처> 같은 명성 있는 학술지에 기고를 하지 않은 것은 ‘보안’ 때문이었던 것으로 전해진다. 기준이 까다로운 세계적 학회지에 등재되기 위해서는 ‘검증’이란 관문을 통과해야 하는데, 이 과정에서 연구 결과를 뺏길 우려가 있었기 때문이다. 베드노르츠와 뮐러의 연구 결과는 다소 부실했지만 고온 초전도 현상을 발견한 공로로 노벨상을 수상했다. 이후 초전도 학계에서는 고온 초전도체 연구가 활발히 이뤄졌고 초전도 현상을 구현해내는 온도가 계속 높아졌는데, 이 과정에서 성과를 두고 연구자들 간의 송사(訟事)가 일어나기도 했다. 물론 LK-99에 대해 이 같은 초전도체의 역사를 적용하기는 힘들다. LK-99는 현재 아예 초전도성 자체를 인정받지 못하고 있기 때문이다.
다만 만일 퀀텀에너지연구소가 그들만의 노하우를 가지고 있다면, “그들의 선의를 의심하지 않는다”는 전제하에 아직 들여다볼 부분이 있는 것은 분명해 보인다.
이에 대해 국내 손꼽히는 한 초전도체 전문가는 “퀀텀에너지연구소 측이 아카이브에 논문을 올리기 전 행보를 보면 나쁜 의도를 가진 것 같지는 않다”면서 “그들이 확보한 데이터에 진정성을 가지고 확인하려 했던 것 같다”고 했다. LK-99 관련 논문이 처음 공개됐을 때, 이론적 가능성이 있을 수 있다는 해외 연구 결과가 나온 적도 있다.
이 전문가는 “다만 그들이 처음부터 데이터 자체를 잘못 체크했을 가능성도 배제할 수 없다”면서 “결국 열쇠는 퀀텀 측이 가지고 있고, 그들이 만든 샘플을 가지고 검증하는 것이 제일 정확하다”고 강조했다.
<초전도 저항제로의 세상을 열다>의 저자 김찬중 한국원자력연구원 책임연구원은 “새로운 물질의 합성은 쉽지 않다. 그것은 바닷가 백사장에서 모래알을 찾는 것과 같은 작업이다”라고 책에 썼다.
아카이브에 논문을 공개해 세상에 LK-99의 존재를 처음 알린 주인공이자, 퀀텀에너지연구소 측과 특허 논란을 벌이고 있는 것으로 알려진 권영완 고려대 교수가 자신의 수업시간에 “LK-99 관련 제작은 이석배 대표만 할 수 있다”고 한 발언이 온라인상에서 돌며 화제가 되기도 했다.
LK-99가 초전도체로 인정받기 위해서는 저항곡선, 자화율, 마이스너 효과 등이 확실하게 확인돼야 한다. 각종 검증 데이터를 보면 LK-99의 저항곡선은 저항제로 현상이 부족하고, 자화율에서는 상전도와 상전이 현상이 아직 뚜렷하지 않다. 특히 초전도를 상징하는 공중에 떠 있는 물질의 모습, 마이스너 현상도 완벽하게 재현되지 않고 있다. 지금까지 공개된 바에 따르면 LK-99는 자석 위에서 반만 떠 있는 형태다. 초전도체물질이 맞다면 한 쪽이 자석에 붙어 있으면 안 된다. 김찬중 박사는 이와 관련해 “LK-99가 초전도체라면 샘플을 액체질소에 넣어 냉각한 후 자석 위에 올려놓으면 샘플 전체가 자석 위에 높이 뜰 수 있다”고 페이스북에 썼다. “이렇게 해도 LK-99가 상온·상압 초전도체라는 사실은 변하지 않고, 다른 초전도체 현상 실험에서도 온도를 낮춰서 마이스너 효과를 확인하곤 한다”는 것이 초전도체 전문가의 설명이다. 상온·상압 초전도체가 현실화된다면 우리 삶은 획기적으로 바뀔 수 있다. 손실 없는 전력 송배전시스템으로 에너지 관련 비용이 획기적으로 줄어든다. 초전도를 활용한 에너지 산업은 공해를 일으키지 않는다. 기후변화의 주범으로 지목되는 탄소 배출도 크게 줄일 수 있다. 자기공명영상장치(MRI) 비용도 크게 줄어들고, MRI의 정밀도도 높아진다. 양자컴퓨터의 상용화도 앞당길 수 있다. 무접점 베어링이 가능해 기계 장치의 효율성을 크게 높일 수도 있다. 특히 군수 산업에 혁명적 결과를 불러일으킬 수 있다. 초전도체를 엔진으로 잠수함을 만들면 완전 침묵 항해가 가능한 건조가 현실화된다.
지난 8월 초전도체 광풍이 거셀 때, 또 다른 신소재가 한국 사회를 달궜다. 주인공은 다소 생소한 맥신. 2011년 개발된 비교적 새로운 물질이지만 그래핀의 대안으로 거론될 만큼 관심을 받고 있는 신소재다.
소식은 인도로부터 들렸는데, 한국과학기술연구원(KIST) 한·인도협력센터 연구진이 맥신의 대량생산 길을 열었다는 뉴스에 학계는 물론 주식시장까지 달궈졌다. 연구과정이 짧아 갈 길이 멀기만 한 듯했지만 대량생산의 가능성이 보였다는 것은 연구 성과에 상당한 진척을 보인 것이기 때문이다. 신소재로 각광받는 것 중 상당수가 오랜 세월 동안 상업화의 길에 들어서지 못한 것들이 많다. 이에 맥신의 대량생산 소식은 초전도체 못지않은 투자 열풍을 일으켰다. 정작 맥신 연구 결과를 이끈 연구진은 이 같은 분위기에 당혹스러웠지만, 4차 산업혁명이 가속화될수록 우리 사회가 맥신 등 신소재에 대해 보이는 기대감이 그만큼 큰 것으로 이해할 수 있다.
초전도체 못지않게 최근 화제가 된 맥신은 2011년 유리고고치 미국 드렉셀대 재료공학부 교수가 발견했다. 기존에 존재했지만 연구자들의 관심 밖에 있던 세라믹 돌덩이인 맥스(MAX)란 물질을 녹여본 것이 맥신의 시작이다. 맥스는 금속을 의미하는 M, 알루미늄 A, 탄소 X를의미한다. MXene(맥신)은 이 맥스로부터 만들어지는데, 맥스를 강한 산이 포함된 수용액에 담그면 알루미늄이 사라지고 맥신이 나타난다. 맥신은 전이금속에 탄소 또는 질소가 결합된 2차원 나노 물질이다.
맥신은 여러 전이금속과 탄소 또는 질소와의 다양한 조합이 가능해 수백 가지 종류의 맥신을 만들어낼 수 있다. 맥신의 주요 특성으로는 금속성, 반도체성, 자성 등이 있다. 또 높은 친수성을 보이는 특징이 있는데, 이는 구조 말단에 수산화기나 산소가 자리잡고 있기 때문이다. 친수성으로 인해 물 분자와 쉽게 결합돼 맥신의 용액으로도 만들 수 있다.
이번에 대량생산 소식이 들린 것은 반도체성 맥신이다. 맥신은 높은 전기전도성을 갖추고 있어 반도체, 전자기기, 센서 등에서 활용도가 높다. 특히 전기 차폐 분야에서는 상업화를 타진하는 단계에까지 들어선 것으로 알려졌다. 보통 차폐에 쓰이는 소재는 구리인데, 맥신의 무게는 구리의 5분의 1 수준이다. 전기차에 사용하면 연비 향상 및 경량화에도 도움을 줄 수 있다.
그동안 맥신 개발에 진도가 나아가지 못했던 것은 균일한 품질을 만들어내는 데 어려움을 겪었기 때문이다. 이는 맥신을 만드는 과정에서 불순물 격인 요소들이 포함될 수 밖에 없는 상황을 해결해내지 못했기 때문이다. 수용액으로 사용하는 산의 농도와 온도에 따라 제조할 수 있는 맥신의 종류와 품질 등이 달라지는데, 이때 수용액에 존재하는 수산화물·산소·불소와 같은 분자는 구조상 필수적으로 맥신의 표면에 존재할 수밖에 없다. 이들이 맥신 표면을 덮게 되면 맥신의 특성이 달라진다. 또한 동일한 맥신을 제조하더라도 표면 분자의 분포에 따라 전혀 다른 특성을 가진 맥신을 얻게 되는 문제점도 있다. 연구자들이 특정 용도의 맥신을 만들어낼 수는 있지만 원하는 성능의 맥신을 제대로 생산해내기란 간단치 않은 문제라는 뜻이다. 예를 들어 맥신 표면에 덮인 분자가 불소일 경우 맥신의 전기전도성이 낮아져 차폐 등으로 활용할 때 효율이 떨어진다. 이런 상황에서 인도에서 들린 소식은 만들어진 맥신의 분자 분포를 식별해 품질 관리를 가능케 했다는 점이다. 맥신 자체의 순수성을 담보하지는 못하지만 만들어낸 맥신 중에서 쓸 만한 품질을 가진 것들을 빠르게 선별해내는 것으로 대량생산의 길을 열었다. 이번에 한·인도협력센터 이승철 박사 연구팀이 개발한 것은 맥신의 자기수송 특성을 이용한 표면 분자 분포 예측법이다.
연구팀은 표면에 붙은 분자에 따라 전기전도도 또는 자기적 특성이 달라질 것이라는 점에 착안해 2차원 소재의 물성 예측 프로그램을 개발했고, 그 결과 맥신의 자기수송 특성을 계산해 다른 추가 장치 없이도 대기압과 상온에서 맥신 표면에 흡착된 분자의 종류와 양을 분석하는 데 성공했다. 이렇게 되면 불량 맥신을 골라낼 수 있고, 생산된 맥신의 고른 품질을 보장할 수 있게 된다.맥신 자체의 결함을 고려해 생산과정을 체계적으로 관리할 수 있다. 이승철 KIST 한·인도협력센터장은 “순수한 맥신의 제조 및 특성에 집중된 기존 연구와 달리 제조된 맥신을 쉽게 분류할 수 있도록 표면 분자 분석에 새로운 방법을 개발한 것에 의의가 있다”며, “이번 성과를 바탕으로 균일한 품질을 가진 맥신의 대량생산이 가능해질 것으로 기대한다”고 밝혔다.
에어로겔은 갈수록 활발해지는 우주 탐사로 인해 주목받는 소재다. 1931년 새뮤얼 키스틀러 미국 스탠퍼드대 교수에 의해 발명된 에어로겔은 신소재라고 말하기에는 다소 연식이 오래됐다. 그만큼 더딘 연구 진척도를 보이는 물질인데, 본격화되는 우주시대와 맞물려 최근 연구 탄력에 가속도가 붙고 있다. 에어로겔의 가장 큰 특징은 가벼움이다. 2002년 기네스북에 공식 등재될 정도로 세계에서 가장 가벼운 고체다. 머리카락 1만분의 1 굵기인 SiO2 나노구조체가 얽힌 구조로 공기 분자들이 전체 부피의 99% 이상을 차지한다. 나머지 1% 이하가 고체로 이뤄져 있다. 이에 에어로겔을 사용하면 자동차나 비행기의 무게를 100분의 1로 줄이는 초경량화가 가능해 연비를 크게 줄일 수 있고 배기가스 배출도 감소시킬 수 있다.
에어로겔소재연구센터에 따르면 자동차의 경우 사용되는 플라스틱 부품의 74%를 에어로겔로 대체하면 약 200㎏ 경량화가 가능하다. 초단열도 에어로겔의 특징 중 하나다. 에어로겔은 섭씨 1000도까지 견딜 수 있다. 이로 인해 에어로겔은 초단열재 등급을 받았다.
이 같은 특징에도 불구하고 90여 년 동안 상용화가 되지 못한 것은 에어로겔 최대의 약점인 부서지기 쉽다는 단점 때문이다. 고체 성분이 너무 적기 때문에 버티는 힘이 약한 것이다. 또 가격이 비싸다는 점도 상업화에 걸림돌로 작용됐다. 하지만 2000년대 들어서 분위기가 바뀌고 있다.
우주 산업이 글로벌 트렌드로 자리잡으면서다. 미항공우주국(NASA)은 1997년 역사상 최초로 화성 표면을 탐사한 로봇 소저너의 단열재로 실리카 에어로겔을 사용한 후 계속 우주 탐사에 에어로겔을 활용하고 있다. 우주 공간 속의 낮은 기온에 각종 전자 장치들이 얼지 않도록 하는 데 에어로겔을 사용하는 것이 한 예다.
나사는 최근 우주 탐사의 화두가 되고 있는 화성 탐사와 관련해서도 에어로겔의 쓰임새에 계속 주목하고 있다. 열의 이동을 막는 데 탁월한 에어로겔의 특성이 화성 탐사에 필수적인 방열제를 만들 때 도움을 줄 수 있다는 것이다. 또 화성을 인류의 제2로 근거지로 만드는 데 반드시 필요한 기지를 제작할 때에도 에어로겔의 쓰임새가 있을 것으로 보고 연구 중이다.
화성 탐사에 진심인 일론 머스크 덕분에 이 에어로겔 소재가 최근 더 관심을 받는 분위기도 있다.
에어로겔의 최근 연구 동향은 물질의 물성을 강화하는 데 있다. 부서지기 쉬운 약점을 극복하지 못하면 많은 장점에도 불구하고 상용화가 되기 힘들기 때문이다.
에어로겔 개발 초기에는 단일 차원 소재를 활용한 에어로겔 제조가 주를 이뤘다면 지금은 다조성 복합 가능성을 염두에 둔 연구가 주를 이루고 있다.
에어로겔은 유기, 무기, 탄소, 금속 등 다양한 기능성 소재와의 결합이 용이한데, 이를 이용해 다조성 다차원의 고강도 에어로겔을 만들어내겠다는 것이다. 에너지 저장, 반도체 등에도 활용 가능하다.
[문수인 기자]
