LK99 논문에 대한 단상: 저항률을 중심으로

글쓴이
묵공
등록일
2023-08-09 11:06
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<LK99 논문에 대한 단상: 저항률을 중심으로>

1. 현재까지 상태: 상온 초전도체는 재현되고 있지 않음

네이처지가 평가했듯이 아직까지 LK99(웹 가독성을 위해 LK-99 대신 이렇게 표기함)는 세계적으로 재현에 성공하고 있지 못하다. 나는 네이처지가 부정적으로 평가했다기보다는 현재 학계의 재현 상황을 객관적으로 보여준 것이라고 본다. 즉, 있는 그대로 사실(fact)을 전한 것이다. 상온 초전도의 진실(truth)은 아직 모른다. 실패로 단정할 수도 없고 아직 성공하지도 않은 것이다. 공정의 특성상 아직 충분히 재현 실험이 이뤄지지 못했을 가능성이 있다. 몇 주 더 학계 검증을 기다려보면 될 것이다.

유튜브를 중심으로 자기부상효과를 보여주는 실험결과가 많은데, 이는 흑연 등 반자성체에서도 나타나는 현상이라서 초전도체의 특징인 마이스너효과를 입증하는 것은 아니다. 보다 직접적인 것은 전류-전압 정밀측정에 의해 저항이 제로임을 입증하는 것이다. 초전도 저항을 중심으로 저자들이 쓴 논문을 살펴본다.

2. 연구 진실성과 논문의 질: 본질은 아니지만 미흡함

먼저 연구의 진실성에 대해 살펴보면, 이 논문에서 제시된 데이터나 제조방법 등이 허위일 가능성은 낮다고 본다. 황우석사태도 있고, 허위로 할 경우에 대한 국제사회의 패널티가 너무 크기 때문에 일부러 그렇게 할 이유는 없어 보인다. 어차피 재현 실험에 성공해야 검증이 되는 것이기 때문에 연구 진실성을 따지는게 큰 의미도 없다. 그런데, 검증과정에서 시편을 제공하지 않는 것은 문제라고 본다. 적어도 국내 검증팀에게 제시해서 객관성을 입증받는 게 좋다고 본다. 시편이 하나밖에 없어서 그런 것 같은데, 그렇다면 자체 재현도 잘 안 되는 것 아닌가 싶다.

저자들의 논문 세 편을 읽어보니 과학논문으로 그리 잘 쓰여진 것 같지는 않다. 마치 서둘러서 정리한 실험보고서 같다. 엄밀한 실험조건, 측정결과의 한계 등도 정확히 서술되지 않은 부분이 있다. 일부러 그렇게 썼는지는 모르겠으나, 권리는 특허로 보호받고 논문은 자세히 쓰는 것이 맞다고 본다.

3. 초전도 저항 여부: 제시된 측정결과가 초전도성을 보이긴 함

1) 먼저, 저자들이 국내 결정성장학회에 게재한 논문이 있다. 국제적 권위는 낮지만 현재까지 피어리뷰를 거친 저널이라 먼저 거론한다. 3차원-->2차원-->1차원으로 결정 속 전자의 활동이 제약받으면 고온에서도 초전도성을 보일 수 있다는 이론이 소개돼 있다. 현재까지 이르게 된 24년의 연구과정도 소개돼 있다. 국문으로도 돼 있으니 일반인도 한번 읽어볼 만하다.

[1] Sukbae Lee, Jihoon Kim, Sungyeon Im, SooMin An, Young-Wan Kwon, and Keun Ho Auh, “Consideration for the development of room-temperature ambient-pressure superconductor (LK-99)”, Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology Vol. 33, No. 2 (2023) 61-70 https://doi.org/10.6111/JKCGCT.2023.33.2.061

이 논문에서 측정 사진과 함께 다음과 같이 초전도성을 얻었다고 서술했다.

“(2) 저항 0 특성: 재료를 열증착하여 순도 높은 박막으로 제조 시, 좁은 영역의 전류-전압 특성에서 국제 표준 (International Electrotechnical Commission standards)인 10^-6 V/cm 이하인 10^-8 ~10^-9 V/cm 영역의 자료를 확보 하였다(Fig. 5)”

측정할 때의 온도가 중요한데, 이 중요한 실험 정보를 나는 찾지 못하였다.

더 문제는 [그림6]에서 다음과 같이 임계온도를 측정했다고 하는 부분이다.

“(3) 전류-임계온도 특성: 4-probe method를 이용하여, 안정적인 측정이 가능한 ± 30 mA를 기반으로 저항 (Resistivity)을 Ingot 샘플의 측정 시 임계온도(Tc)가 104도 씨(약 377 K)[42], ± 60 mA를 기반으로 저항(Resistivity)을 측정하였을 때 임계온도(Tc)가 97도씨(약 370 K)임을 확인하였다(Fig. 6a, Fig. 6b).”

저항이 갑자기 증가하는 임계온도 특성을 보이고는 있지만 임계온도 이하에서 과연 초전도성을 보이는가가 중요하다. 특히 [그림6b]에서 보면 저항률이 0이 아니고 최대 4x10^-6 Ohm∙cm 정도 된다. 그래프상 온도가 315도K 근처에서는 저항률이 0에 근접해 보이나, 370도K까지는 서서히 증가하는 것으로 표시된다. 이 그래프만 보고 해석하자면, 온도에 따라 초전도성을 갑자기 상실하는 것이 아니라 상온 근처에서는 초전도성을 보이다가 315도K 이상이 되면 초전도성을 잃긴 하지만 어느 정도는 유지하며, 370도K가 되면 초전도성을 완전히 상실한다. 역으로 해석하면, 깔끔하게 초전도성을 보이는 것이 아니라 통계적으로 초전도성을 갖는 결정내의 선 구조들(line structures)이 온도가 올라가면 차츰 줄어들다가 어느 온도 이상에서는 급격히 사라지는 것이 아닌가 한다.

그렇다면 [그림6c]나 [그림7]에서 일정 전류나 일정 자장 이상일 때 갑자기 초전도성을 잃는 임계특성이 기존의 초전도체처럼 ‘완전 초전도체 --> 일반 도체’가 되지는 않는 것으로 보인다. 즉, ‘불완전 초전도체 --> 일반 도체’인데, 급격히 물성이 변하니까 기존 초전도체처럼 보이는 것이다. 이는 저자들이 설명하듯이 1차원 구조를 가지는 초전도 선 구조가 통계적으로 얽혀서 초전도성이 나타나기 때문일 수도 있다.

그래도 중요한 것은 저항률이 기존의 상용도체(은, 구리, 알미늄 등)보다 충분히 낮은가이다. 예컨대, 은의 저항률은 1.6x10^-6 Ohm∙cm이고 구리의 저항률은 1.7x10^-6 Ohm∙cm다. 저자들이 보여준 시편의 저항률이 이들 상용도체보다 작은 영역도 있긴 하나 330도K부터는 이들보다 크다. 이렇듯 완전한 초전도성을 보이는 것이 아니라 해도 실용적으로는 의미가 있다. 다만, 기존 초전도체에 비하면 열악한 특성으로 인해 초전도체냐의 여부를 놓고 논란은 불가피해 보인다.

2) 다음, 코넬대학 아카이브에 올린 두 편의 논문중 하나를 살펴본다.
 
[2] Sukbae Lee, Ji-Hoon Kim, Young-Wan Kwon, “The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor”, https://doi.org/10.48550/arXiv.2307.12008

이 논문에도 앞의 [1] 논문의 실험데이터와 같은 그림이 있다. 여기서 저항에 대해 언급한 것만 보면,
“In various bulk samples, specific resistance was measured in the range of 10^-6 to 10^-9 Ω·cm”이 있다. 이는 상용도체와 유사하거나 1천분의 1로서 초전도체이거나 적어도 실용성은 있다는 주장으로 해석된다. 

또한, 같은 논문에서 이보다 더 낮은 저항값이 측정되었다고 한다.
“According to the International Electrotechnical Commission standards(16), there are two equivalent criteria(17) for superconductivity: the electric field criterion with 1 µV/cm or 0.1 µV/cm and resistivity criterion with 10^-11 Ω·cm. As shown in Figure 1(b), the measured voltage was obtained in the range of 0.1 µV/cm during the applied current increasing and decreasing. Also, the resistivity was calculated in the order of 10^-10 ~ 10^-11 Ω·cm.”

이에 의하면, 초전도성을 입증하는 기준 중의 하나인 전압 요건은 충족했다. 그래도 [1] 논문의 0.01~0.001 uV/cm보다는 10~100배가 큰데, 왜 차이가 나는지 설명이 필요하다. 한편, 저항률 요건은 기준치의 1배~10배로서 초과한 부분이 있다. 엄밀성을 요구하는 국제기준에서는 초전도체로서 완전히 입증되지 않았다고 볼 여지가 있다.

다만, 실용적 관점에서는 저항률이 기존 도체의 1만~10만분의 1밖에 안 되기 때문에 ‘사실상 초전도체’로서 큰 의미가 있다. 어차피 초전도체도 실제 사용하려고 하면 완전한 직류(DC)가 아닌 한 손실이 발생(AC loss)하기 때문에 완전한 초전도체냐의 여부보다는 상용도체보다 얼마나 저항이 적은가가 중요하다.

이 논문에서, 표현하는 용어가 각각 ‘specific resistance’, ‘resistivity’로 다르긴 하지만 같은 단위를 사용했는데, 그 값이 왜 크게 다른지 궁금하다. 즉, 상용도체의 '1~1천분의 1', '1만~10만분의 1'  두 가지다. 내가 리뷰어였다면 이를 반드시 짚어볼 것이다.

3) 코넬대학 아카이브에 올린 다른 한 편의 논문도 살펴본다.

[3] Sukbae Lee, Jihoon Kim, 1 Hyun-Tak Kim, Sungyeon Im, SooMin An, and Keun Ho Auh, “Superconductor Pb10-xCux(PO4)6O showing levitation at room temperature and atmospheric pressure and mechanism”, https://arxiv.org/abs/2307.12037

이 논문은 제조과정을 상세히 다루고 있는데, 여기서는 [그림5]에서 저항 측정결과를 다루고 있다. 세 논문 중에서 가장 상세한 그래프로 보이는데, 여기에 보면 저항률이 0에 근접한 곳도 있으나, 온도에 따라 4x10^-3 Ohm·cm인 것도 보인다.  이는 상용도체의 2,400배 정도로서 앞의 두 논문과는 다르게 아주 큰 값이다. 마치 다른 시편을 사용한 것 같은 실험결과다.

사실 중요한 것은 저항률이 완전히 0이 되는 온도와 실험조건인데, 이에 집중해서 서술하지 않고 전반적인 온도변화에 대한 저항률의 변화만 보여줬다. 정작 중요한 초전도 저항률은 자세히 알기 어렵다. 이건 다른 논문의 값을 봐야 할 것 같다.

4. 소결론: 초전도성을 보이는 데이터가 있으나 확인이 필요함

위 세 논문의 저항률이 일치하지 않은 것에 대해서는 저자들이 설명을 해야 하지 않나 생각된다. 앞의 두 논문은 초전도성을 인정해줄 수도 있는데, 세 번째 논문은 이 정도로는 부족하다.   

결론적으로, 상온 초전도체의 특성을 보이는 저항률 실험결과를 제시하긴 했으나 엄밀성이 부족하지 않나 한다. 상호 일치하지 않는 실험결과는 잘 설명해서 서로 모순되지 않는다는 것을 보이거나, 데이터가 잘못되었다면 바로 잡는게 필요해 보인다. 재현만 된다면 세계적으로 다른 팀들이 측정해서 보여주면 가장 좋겠다. 끝날 때까지 끝난 게 아니다!

  • 시나브로 ()

    황우석의 처녀생식 배아줄기세포 NT-1과 비슷한 경우군요.
    어쩌다 하나 불완전 하지만 상온 초전도현상 비슷한 시료를 얻긴 했는데 재현이 안되는 상황같습니다.
    그나마도 본인들이 발표한 3편의 논문 내용이 서로 일치를 안해서 신뢰하기 어려운 것 같고요.
     
    본문에서는 소중한 샘플이라 함부로 내보이지 못했을 것이라고 넓게 이해를 해주셨지만 영상을 찍어두었기 때문에 검증 현장에서 성능을 보여주는 것이 깨끗했다는 생각입니다.
    지금도 그럴 기회는 남아 있으니 다시 한번 검증자리를 마련했으면 합니다.

    발표된 논문처럼 실제로 저항값이 기존의 구리보다 획기적으로 낮다면, 앞으로 관련 연구자들의 노력으로 재현될 가능성이 남아 있으니 희망을 아주 접지는 않겠습니다.

  • 묵공 ()

    과학에서는 모든 과정을 의심하고 추론하고 검증해야죠. 논문을 읽으면서 든 생각은 LK99가 초전도체와 유사한 특성을 보이기는 한데, 과연 엄밀하게 측정된 것인가에 대한 의문이었습니다. 그래서 저항 데이터에 집중해서 본 것인데, 논문간, 심지어는 한 논문 내에서도 오더가 크게 다른 점이 확인되었습니다. 이건 논문 작성자가 부주의했거나 아니면 전혀 다른 시편으로 실험을 해서 그런 결과가 나온 것이 아닌가 합니다. 이게 부주의한 게 아니라면, 연구 진실성은 오히려 약간 올라가는 측면이 있습니다. 측정한 대로 서술한 것이라서 서로 잘 안 맞았을 수도 있으니까요. 아무튼 제대로 쓴 논문이라면 있을 수 없는 일입니다. 적어도 논문을 허술하게 쓴 것이 아닌가 추측합니다. 다른 연구자에 의해 객관적으로 재현되거나 측정되지 않는 한 논문만으로 인정받기는 힘들 것 같습니다.

  • 돌아온백수 ()

    재미있는 물리현상이 발견된듯 합니다.

    한국의 위상이 올라가서 인지… 대단한 반응입니다. 초전도 현상에 관한 논란은 늘 있는 소재인데, 이런 폭발적인 반응은 아마 저자들도 놀랐을겁니다. 한글 논문이 있으니 관심 있으면 읽어보세요.

  • 댓글의 댓글 묵공 ()

    지금까지 사이언스, 네이쳐, 사이언티픽 어메리컨 등 레거시 전문지들은 부정적인 뉴스를 전하고 있습니다. 중국에서 일부 재현에 성공하긴 했지만 상온 초전도체를 입증한 것은 아니고, 그 외 수십 군데서 재현에 나섰지만 부정적인 결과를 얻었기 때문입니다. 하지만, 아직은 차분히 더 기다릴 때라고 봅니다. 재현에 조급할 필요도 없지만 조기에 포기할 필요도 없다고 봅니다.

    뭔가 새로운 물질을 만들고 발견한 것같긴 한데, 이게 기존의 초전도체처럼 깔끔하게 입증되는 성질의 것이 아닌 것 같아 보이기도 합니다. LK99 만든 팀이 재정적으로 오랜기간 어려움을 겪으면서 이 연구를 하다보니 실험도 엉성하게 하고 측정도 제대로 못한 것이 아닌가 싶기도 합니다. 차차 밝혀지겠죠. 저는 재료공학, 재료과학자가 아니고 이런 결과가 나오면 갖다 쓰는 입장이다보니 그저 차분히 기다리는 것밖에 할 일이 없습니다.

  • 댓글의 댓글 돌아온백수 ()

    네에... 일종의 상전이 현상으로 보이기도 하는데요... 금속산화물 사이를 다른 금속 원자가 이동하는 현상을 예전에 발견하고 공부하던 기억이 나네요. 그때도, 잡히지 않는 구름 같은 것을 잡으려고 하는 듯한 느낌으로 허우적 거리던...

  • 묵공 ()

    https://www.nature.com/articles/d41586-023-02585-7?fbclid=IwAR3Mq3TibG3OPicGQK8bgUzff7pVR6N80gSaqzLN9YRdGtI7Hsol6gYfIb4

    황화구리가 LK99의 초전도와 유사한 성질을 설명한다는 네이처 기사입니다. 초전도체는 아니라고 단정적으로 보도했습니다. 검증 과정 중 일부라고 봅니다. 계속 지켜 보겠습니다.

  • 돌아온백수 ()

    아마도, 비전공자들은 무슨 소리인가? 하시겠죠?...

    새로운 현상이 없었다는 것이 아니고, 그 새로운 현상을 만들어낸 원인을 LK-99 속의 불순물인 황화구리와 관련있는 것이라는 주장입니다.

    상전이를 보이는 금속산화물은 아주 많은 종류가 있고요. 그 과정에서 불순물의 움직임이 보여주는 다양한 물리현상이 있습니다.

    이런 잡음처럼 보이는 현상들을 제어하고, 재연할 수 있다면, 그것이 새로운 디바이스가 되겠죠.

    오늘도 수많은 과학자들이 이런 잡음들 속에서 보석같은 발견과 발명을 찾으려고 땀을 흘리고 있습니다.

    그럼에도 불구하고, 이번 소동이 시작되고 전파되고, 과학적인 결론으로 마무리 되는 과정은 참 놀라울 따름입니다. 이제 K-과학의 시대가 오는 건가요?

  • 시나브로 ()

    The result was a transparent purple crystal — pure LK-99, or Pb8.8Cu1.2P6O25. Separated from impurities, LK-99 is not a superconductor, but an insulator with a resistance in the millions of ohms — too high to run a standard conductivity test.

    순수한 황화구리를 제거한 결정은 저항값이 대단히 높은 절연체군요.
    황화구리의 특성이 아니라면 합성과정에서 생성된 다른 불순물이 저항값을 크게 낮춘 것으로 추측할 수 있겠습니다.
    그 불순물을 찾는 기나긴 여정이 시작되겠군요.

  • 묵공 ()

    막스플랑크연구소에 의하면 황화구리가 초전도와 유사한 상전이 특성을 보인 물질이라고 특정했습니다. 그러니까 이 연구소의 주장이 맞다면 다른 물질을 더 찾을 필요는 없는 것 같은데요?
    이것으로 LK99의 실체가 상당히 밝혀진 것 같이 보이긴 합니다만, LK99팀이 보유하고 있다는 시편의 전압-전류 특성을 측정한 결과를 알고 싶습니다. 아무튼 논문에서는 이게 기존의 어떤 금속보다 훨씬 낮은 저항률을 도달했다고 주장했으니, 이게 거짓이거나 아니면 이 현상이 존재하든가 둘 중 하나겠죠. 다른 연구결과들은 똑같이 재현한 것은 아니니, 방증은 되지만 직접 부정한 증거는 될 수 없죠.

  • 댓글의 댓글 돌아온백수 ()

    아... MoS2, Cu2S 가 얼마나 핫!한 물질인지 먼저 설명이 필요한데.... 댓글이니까 생략.

    -- 당연히 Cu2S를 잘 아는 분들이 이 결론에 참여했겠죠.

    상전이를 일으키는 산화금속이 얼마나 많은지.... 댓글이니까 생략!
    그리고, 단결정으로 만든 공로는 인정하고 싶구요. 하지만, 목적이 단결정 만드는 논문이 아닙니다.

    원저자들도 이런 가능성을 놓치지 않았구요. 재연가능하다고 주장하려다가.. 샘플요구에 지금 발을 빼는 모양입니다.
     
    초전도 가능성은 매년 발표되는... 특별하지 않은 이벤트입니다.

    Cu2S 를 LK-99 속에 제어가능한 방법으로 균일하게 심을 수 있으면, 모든 논란은 찬양으로 바뀌겠죠. 물론, 아직은 상상속의 그대 입니다만....

  • 무불통지 ()

    초전도체는 잘 몰라서.. 그런데 궁금한 것이 있어서 문의 드립니다.
    LK99가 초전체이니 아니니 말들이 많다가 좀 잠잠하긴 하는데,
    기사에서 초전체는 아니고 전기저항이 낮은 물질이다라는 것을 얼핏 봤습니다.
    그럼 초전도체는 아니더라도 전기저항이 낮은 것만으로도 산업적으로 큰 잇점이 있지 않나요?
    전자기기의 발열을 없앨수 있고, 송전 선로의 손실을 줄일수 있을듯 한데...

  • 댓글의 댓글 묵공 ()

    네, 전기저항이 완전히 0이 아니더라도 기존의 도체인 은, 구리, 알루미늄 등보다 낮으면 실용성이 있지요. 다만, 이렇게 저항률이 낮은 것은 초전도체가 아니면 존재하기가 어렵지 않나 생각합니다. .

  • 댓글의 댓글 최인화 ()

    친절한 답변 감사합니다. LK99에 많은 희망을 걸었는데, 최근 발표들이 비관적이라서 기분이 찹찹하네요..
    이것이 기반이 되어서 좋은 결과가 있기를 바랄뿐입니다.

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