여러 기술 분야에 혁신을 가져 올 ‘액체금속 전자구조’

< 출처 : 액체금속 - “노벨상 수상자 예측 ‘액체 금속 전자 구조’ 한국 물리학자들이 찾았다”, <동아사이언스>, 2021.08.05. >

 

액체금속(liquid metal)이란?

 

녹는점이 낮은 금속 및 합금이 녹는점보다 높은 온도에서 ‘융해 상태’가 된 것이 '액체금속'이다. 액체금속에는 수은, 나트륨, 리튬 등이 있다. 액체금속은 웨어러블 디바이스 및 우주동력, 원자력 등 분야에서 이용된다.

 

액체금속은 냉각재로서 열전달 계수나 열전도율이 높고, 고온까지 액체상태이며, 경수 등에 비해 끓는점이 높아 가열할 필요가 없다. 또한, 원자로에서 고체금속에 비해 방사선 손상을 잘 받지 않는다는 이점을 가지고 있다.

 

< 출처 : 이론적으로 예측된 액체 금속의 전자 구조와 실험 결과 - “한국 과학자, 세계 최초로 액체 금속 로봇의 ‘전자 구조’ 측정 성공”, <한국일보>, 2021.08.05. >

 

‘액체금속의 전자구조’ 발견!

 

액체금속은 상온에서 액체 상태로 존재하는 수은처럼 금속의 형태가 자유자재로 바뀌어 전자구조를 설명하기에 매우 까다롭다. 노벨 물리학상 수상자인 필립 앤더슨과 네빌 모트 등이 1960년대 이론 모델을 고안했지만, 지난 반세기 동안 이 이론 모델이 실험적으로 확인된 적은 없었다.

여기서 전자구조란, 물질 속 전자 파동 에너지와 운동량의 상관관계를 의미한다. 전자구조를 통해 물질의 전기적, 광학적 특성 설명이 가능하다.
이렇듯 이론 모델로만 설명되던 액체 금속의 전자구조를 한국 실험 물리학자들이 실험을 통해 처음으로 확인하는 데 성공하였다고 한다. 이는 지난 8월 5일, 국제 학술지 네이처에 발표되었다.

 

이 연구 결과는 고온 초전도 현상을 이해하는데 중요한 실마리가 될 것으로 예상된다. 초전도 현상이란, 절대온도 0도(영하 약 273도)에 가까운 극저온 상태에서 전기저항이 사라지는 물리적 현상을 말한다. 최근에는 극저온보다 높은 온도의 환경에서 초전도 현상을 구현하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 고온 초전도 현상의 메커니즘을 찾아내기만 한다면, 에너지 손실 없이 전력 구동이 가능하기 때문이다.

연구팀은 알카리 금속을 결정 고체 위에 분사하는 방법으로 액체 금속을 직접 측정하지 않고도 액체 금속의 전자구조를 확인할 수 있었다. 이러한 방법으로 확인 결과, 1960년대 앤더슨과 모트가 예측했던 이론 모델의 구조(뒤로 휘는 독특한 형태의 전자 구조)와 ‘유사갭’을 발견했다. 유사갭이란, 원자들이 불규칙하게 배열된 경우의 전자가 불완전한 에너지 간극을 갖는 것을 말한다.

풀리지 않은 난제 중 하나인 고온 초전도 현상은 주로 결정 고체 내 불규칙한 이종 원자 도핑 시 나타나는데, 그 전자구조에 원인을 알 수 없던 ‘유사갭’이 발견된 것이다. 이 때문에 해당 유사갭 원리를 이해한다면 고온초전도의 비밀을 풀 수 있을 것이라고 한다.

 

< 출처 : 초전도현상 - adobe stock, https://stock.adobe.com/kr >

 

‘액체금속 전자구조’ 연구를 통한 이점과 영향

이번 연구 성과는 비록 실용화되기까지 오래 걸리겠으나, 고온 초전도 현상 이해와 관련 메커니즘을 찾는 데에 중요한 단서가 된다. 또한, 파급 효과 및 적용 범위가 매우 넓어 신기술 분야에도 영향을 미친다.

 

고온초전도 현상의 해당 메커니즘을 규명해 상온초전도 개발에 성공하게 된다면 에너지 손실이 없는 전력 수송이 가능해지기 때문에 전력수급난을 해결할 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 전기로 발생된 자기력을 이용하여 레일에서 낮은 높이로 부상해 바퀴를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시켜 달리는 자기 부상 열차에도 적용 가능하기 때문에 운송 기술 분야에도 영향을 미칠 것으로 예상되며, MRI(자기공명영상)에도 활용 가능해 의료용 진단기기 기술 분야에도 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

 

[출처]

- 네이처, https://www.natureasia.com/ko-kr/nature/highlights/108746 
- 사이언스올, https://www.scienceall.com/%EC%95%A1%EC%B2%B4%EA%B8%88%EC%86%8Dliquid-metal/ 
- 과학기술정보통신부, https://www.msit.go.kr/user/research/view.do;jsessionid=iF3GSwZiQCh6KJc-Isg3_TTsCyl0ZqfB75h1x0WV.AP_msit_2?sCode=user&mPid=119&mId=192&bbsSeqNo=89&nttSeqNo=3140954 

 

- “노벨상 수상자 예측 ‘액체 금속 전자 구조’ 한국 물리학자들이 찾았다”, <동아사이언스>, 2021.08.05
- “한국 과학자, 세계 최초로 액체 금속 로봇의 ‘전자 구조’ 측정 성공”, <한국일보>, 2021.08.05