No11 전기저항이 0인 '플레이 슬롯체' 물질의 창조
No11 전기저항이 0인 물질
“플레이 슬롯체” 생성
융합기초과학연구소
고온플레이 슬롯재료 연구분야
쿠도 카즈키 부교수
에너지 소비 증가로 인한 환경 영향과 자원 고갈이 사회적 문제로 대두되고 있습니다 저온 조건에서 전기 저항이 0이 되는 물질인 플레이 슬롯체는 전력 수송에 혁명을 일으킬 가능성은 물론, 의학, 교통 등 다양한 분야에 응용이 기대되는 꿈의 소재입니다 저비용, 고성능 플레이 슬롯체를 찾기 위한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다 학제간 기초과학 연구소의 구도 카즈키 부교수는 화학과 물리학의 지식을 활용한 독특한 접근 방식으로 획기적인 플레이 슬롯체를 잇달아 발굴하고 있습니다
―플레이 슬롯란 어떤 현상인가요?
이는 어떤 물질을 낮은 온도까지 냉각시키면 전기저항이 0이 되는 등 특별한 성질을 갖게 되는 현상으로, 이러한 물질을 플레이 슬롯체라 한다
전류는 전자의 흐름에 의해 생성됩니다 정렬된 원자로 형성된 "결정 격자"를 통해 전자가 흐를 때 격자는 전자의 운동 에너지 중 일부를 흡수하여 전자의 속도를 늦출 수 있습니다 간단히 설명하자면, 결정 격자가 정글짐이고 거기에 전자라는 공을 여러 개 던진다고 상상해 보세요 공이 프레임에 맞고 프레임을 제대로 통과하지 못하는 경우가 많이 일어날 것 같아요 상당히 단순화되었지만 이러한 메커니즘은 전기 저항의 원인 중 하나입니다
그러나 플레이 슬롯 상태에서는 이야기가 다르다 이때 전자는 쌍으로 움직이며, 두 번째 전자는 첫 번째 전자로부터 빼앗은 운동에너지를 그대로 받습니다 따라서 전체적으로 에너지가 손실되지 않습니다 이 상태는 온도가 임계 온도라고 불리는 온도 아래로 떨어질 때 발생합니다 임계온도는 물질에 따라 달라지며, 최대한 임계온도가 높은 플레이 슬롯체를 만드는 것을 목표로 연구를 진행하고 있다
--현재까지 플레이 슬롯 연구의 흐름을 알려주세요
플레이 슬롯성에 관한 연구는 1911년 네덜란드 연구자들이 수은에서 플레이 슬롯 현상을 발견하면서 시작되었고, 1957년 미국 연구자들은 '전자가 쌍으로 움직이는' 메커니즘을 입증한 BCS 이론을 발표했다
연구가 진행됨에 따라 임계온도는 계속해서 상승했지만 플레이 슬롯는 여전히 매우 낮은 온도에서만 발생했습니다 그러나 제가 초등학생이던 1986년, 스위스 연구진이 구리산염 플레이 슬롯체를 발견하면서 임계온도가 급격하게 상승하면서 플레이 슬롯 연구에 일대 파장이 촉발되었습니다 내가 대학에 입학하기 전인 1993년에 수은을 함유한 산화구리의 임계온도가 영하 140도 정도라는 보고가 있었습니다 이 임계 온도는 저렴한 액체질소로 냉각할 수 있는 약 영하 196도보다 훨씬 높았고, 플레이 슬롯체 연구가 급속히 추진되고 있었다 그러나 이 소재는 가공이 어려운 세라믹이고 독성 수은을 함유하고 있어 실용화가 어려웠다
그러다가 2000년대에 이르러 상대적으로 가공이 용이한 금속화합물에서 임계온도가 높은 플레이 슬롯체가 발견되면서 차세대 대파동이 일어났다 2001년 아오야마가쿠인대학 아키미츠 교수(현 오카야마대학 교수) 등이 이붕화마그네슘의 플레이 슬롯성을 발견했고, 2008년 도쿄공업대학 호소노 교수 등이 철 기반 플레이 슬롯체를 발견했다 지금까지 철 기반 플레이 슬롯체의 임계 온도는 약 -218℃인 것으로 보고됐다 그러나 이들 플레이 슬롯체에는 고가의 희토류 원소가 포함돼 있어 대량생산이 어렵다
우리의 목표는 이러한 문제를 해결하고 제3의 물결을 만들어내는 새로운 플레이 슬롯체를 만드는 것입니다 보다 최근인 2015년에 독일 연구자들은 황화수소가 약 150만 기압의 초고압 하에서 약 -70℃의 임계 온도에서 플레이 슬롯성을 나타낸다고 보고했습니다 이 결과는 초고압 상태이기 때문에 당장 실용화할 수는 없지만 상온에 가까운 임계온도를 갖는 플레이 슬롯체가 존재한다는 것을 보여주는 중요한 결과이다
--플레이 슬롯체를 어떻게 만드나요?
두 가지 주요 접근 방식이 있습니다 하나는 처음부터 새로운 재료를 디자인하는 것이고, 다른 하나는 기존 재료의 구성을 재결합하는 것입니다
전자가 쌍을 형성하고 플레이 슬롯성이 일어나기 위해서는 전자와 전자쌍의 형성을 매개하는 물질 사이에 에너지가 전달되어야 하며, 이것이 일어나기 위해서는 매개체가 안정된 질서보다는 '변동'을 가져야 한다 정글짐의 예에서 결정 격자에는 전자쌍의 형성을 중재하는 변동이 있습니다 또한 자기 모멘트(재료 속의 작은 자석)의 방향과 전자의 배열에 따라 요동이 생길 수 있고, 안정된 구조의 질서를 어지럽혀 전자쌍의 형성을 매개하는 것이 가능하다 이러한 변동에 의해 생성된 플레이 슬롯의 임계 온도는 격자 변동을 사용할 때보다 더 높을 것으로 예상됩니다 동일한 3차원 구조를 갖는 소재는 안정성이 뛰어나고 요동칠 가능성이 적기 때문에 밀푀유와 같이 얇은 층의 구조가 많이 쌓여 있는 소재를 주로 디자인합니다
신소재에 대한 우리의 접근 방식 중 하나는 화학적 지식을 바탕으로 레고 블록과 같은 다양한 구조를 정신적으로 조립하는 것입니다 예를 들어, 철은 정사면체, 백금은 정사각형과 같이 고정된 기본 구조를 가지고 있습니다 우리는 이들을 결합하여 원하는 구조를 만드는 방법과 이러한 구조가 적절하게 연결되어 결정을 형성하는지 여부를 신중하게 검토합니다 이때 각 원소의 기본 성질이 중요하므로 원소주기율표를 보면서 생각해 보세요 그 후, 물리학 지식을 바탕으로 결정 내에서 전자가 어디로 흐르는지, 플레이 슬롯가 일어날 수 있는지 등을 조사한 후 실제로 물질을 합성합니다
최근 기존 물질을 활용한 새로운 플레이 슬롯체 개발에서 우리가 흥미롭게 발견한 것은 천연 광물의 조성을 부분적으로 재배열하는 접근 방식이다 자연계에 존재하는 물질은 기본적으로 안정된 구조를 갖고 있기 때문에 일부 결합이 깨지거나 일부 구조가 다른 분자로 대체되면 위에서 언급한 변동이 일어나 플레이 슬롯성이 발생할 가능성이 높습니다 우리는 흔히 “자연을 교란시키겠다”고 말합니다 예를 들어 칼라베라사이트(calaverasite)라는 천연광물이 있습니다 물리학에 대한 우리의 지식을 통해 우리는 구조 내에 포함된 텔루르 분자가 전자의 흐름을 방해한다고 추론했습니다 그래서 분자 결합이 끊어지면서 새로운 플레이 슬롯체가 만들어졌습니다 천연 광물은 대량 생산이 용이하고, 과학자들이 한 번도 생각하지 못한 플레이 슬롯체에 대한 힌트를 제공할 수 있다는 점에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다
-지금까지 어떤 종류의 플레이 슬롯체를 발견했습니까?
지난 몇 년간 우리는 주로 철, 니켈, 팔라듐, 이리듐, 백금, 금 등의 전이금속을 기반으로 한 새로운 플레이 슬롯체를 발굴하고 보고해 왔습니다 일례로 2011년에는 철과 백금을 기반으로 한 새로운 형태의 철 기반 플레이 슬롯체를 발견했고, 당시 철 기반 플레이 슬롯체 중 세계 3번째로 높은 임계 온도를 기록했습니다 이 성과로 그는 2014년 일본물리학회 젊은 장려상을 수상했다
플레이 슬롯체가 발견되면 우리는 그것으로부터 많은 힌트를 얻을 수 있습니다 예를 들어, 앞서 언급한 플레이 슬롯체에서 우리는 분자를 사용하여 무기 화합물의 플레이 슬롯체를 설계하는 방법을 배웠습니다 이후 값비싼 백금을 값싼 비소 분자로 대체한 구조의 새로운 플레이 슬롯체를 발견했는데, 이 물질은 철 기반 플레이 슬롯체 중 세계에서 두 번째로 높은 임계온도를 기록했다 분자를 활용한다는 발상은 물리학자들 사이에서 드물기 때문에 화학의 아이디어를 접목한 독특한 접근 방식이라고 할 수 있다 앞서 언급한 깔라베라스 광석의 플레이 슬롯성은 이러한 접근법의 산물이다
--당신은 화학과 물리학에 대한 지식을 최대한 활용합니다 그 아이디어 뒤에 숨은 비밀은 무엇입니까?
언뜻 관련이 없어 보이는 것에 관심을 갖는 것이 가능합니까? 저는 응용물리학과 학생이었지만 커리큘럼에 화학 강의가 포함되어 있어서 화학에 관심을 갖게 되어 공부하게 되었습니다 연구에 관해서는 학생 때부터 플레이 슬롯체에 관심이 있었고, 학부와 대학원 시절 플레이 슬롯체를 연구하는 연구실에 입사했습니다 그런데 대학원에서는 주변 사람들이 모두 플레이 슬롯체를 연구하는 것을 보면서 자성재료를 연구하는 사람은 나 혼자뿐이었다 나 자신에 대한 애착이 있어서 '주변 사람들과 다른 걸 하고 싶다'고 생각했어요(웃음) 그리고 대학원을 졸업하고 처음 조교(현 조교수)가 되었을 때도 플레이 슬롯체 합성에서 벗어나 플레이 슬롯체의 특성을 정밀하게 규명하기 위한 실험을 주로 했습니다
얼핏 보면 플레이 슬롯체의 물질적 발전과 무관해 보이는 이런 것들이 축적되는 것은 현재 연구의 아이디어와 기술을 확장하는 데 큰 도움이 된다고 믿습니다 위의 경험에서 배운 것을 학생들에게 적용하여 '당신이 잘하는 것과 좋아하는 것은 저절로 발전하기 때문에, 당신이 약한 것, 싫어하는 것까지 하면 연구와 생활이 넓어질 것입니다''라고 전하고 있습니다
-당신의 미래 전망은 어떻습니까?
우리는 임계온도가 최대한 높은 플레이 슬롯체를 발굴하는 것을 계속해서 목표로 삼고 있습니다 이상적으로는 액체질소에서 플레이 슬롯 현상을 일으킬 수 있는 것이겠지만, 가공이 용이한 소재라면 영하 250도 정도의 온도에서도 수익을 낼 수 있다 실용화를 위해서는 독성물질과 희토류의 사용을 최대한 피하는 것이 중요하다 우리 연구에서는 비소를 이용한 플레이 슬롯체로 좋은 결과를 얻었으나 비소는 독성이 있기 때문에 이를 최대한 사용하지 않는 설계도 고려하고 있다
철이나 구리 이외의 원소를 기반으로 하는 고임계온도 플레이 슬롯체 개발도 목표로 하고 있다 예를 들어, 임계온도가 높은 망간 기반 플레이 슬롯체는 아직 만들어지지 않았습니다 망간을 사용한 재료는 매우 안정적인 자기 모멘트 방향과 규칙적인 전자 구성을 가지고 있습니다 이 때문에 일반적으로 플레이 슬롯를 일으키는 것은 어렵지만, 그 순서로부터 요동을 교묘하게 만들어 활용하는 방법을 찾아낸다면 임계온도가 높은 플레이 슬롯체를 발견하는 데 큰 돌파구가 될 수 있을 것이다
-플레이 슬롯 기술로 우리는 무엇을 할 수 있습니까?
우선, 이는 단순히 큰 에너지 절약으로 이어집니다 전선을 통해 일본 가정에 전달되는 전기의 약 5%가 전기 저항으로 인해 도중에 손실됩니다 이는 원전 6개와 맞먹는 규모라고 한다
플레이 슬롯체를 액체질소 등으로 감싼 특수 케이블을 이용하면 아주 먼 거리까지 전기를 운반하는 것이 가능해진다 예를 들어 사하라 사막 면적의 4분의 1에 태양광 패널을 설치하면 전 세계 전력 소비량을 감당할 수 있다고 한다 궁극적으로는 '지구에서 태양이 비치는 곳에서 전기를 생산해 그때그때 수요가 있는 곳으로 정확하게 전송'함으로써 지구 규모에서 에너지를 효율적으로 사용하는 것이 가능해질 수도 있다 일본에서는 이 케이블을 이용해 전기를 수송하는 실험이 요코하마에서 진행됐으니 결코 헛된 꿈은 아니다
또한 플레이 슬롯체는 전기저항이 0일 때 매우 큰 전류가 흐를 수 있기 때문에 강력한 전자석이 될 수 있다 이를 통해 열차의 몸체가 부유하게 되고 초고속 주행이 가능해 리니어 모터카가 탄생하게 된다 이는 이미 실용화되고 있습니다 또한 신체의 단면 영상을 촬영하는 MRI(자기공명영상)에는 플레이 슬롯 전자석이 사용되는데, 전자석의 세기가 강할수록 선명한 영상을 촬영할 수 있다
플레이 슬롯체에 대한 연구개발이 진행된다면 언젠가는 우리의 삶이 완전히 바뀔 수도 있습니다
전기
쿠도 카즈타카
1975년생 도호쿠대학 공학부 졸업, 도호쿠대학 대학원 박사과정 전기, 후반기 수료 박사 (공학) 그의 전문 분야는 고체물리학이다 도호쿠대학 재료연구소 조교수, 오카야마대학 자연과학기술대학원 조교수, 부교수를 거쳐 현재의 직위를 맡았다
(18.08.16)