LK-99 특허 1편 — 퀀텀에너지연구소의 저저항 세라믹

1. 어떤 특허인가 — 전기가 잘 흐르는 세라믹을 얻으려는 기술

발명의 명칭	초전도체를 포함하는 저저항 세라믹화합물의 제조방법 및 그 화합물
출원인·등록공보상 특허권자	주식회사 퀀텀에너지연구소
발명자	이석배·김지훈
대한민국 출원번호	10-2020-0092373
출원일	2020년 7월 24일
등록번호	10-2404607, KR102404607B1
등록일	2022년 5월 27일
등록공고일	2022년 6월 2일

세라믹이라고 하면 도자기나 타일이 먼저 떠오르지만, 전자재료에서는 전기가 흐르는 성질을 가진 세라믹도 다룹니다. 

같은 세라믹이라는 이름 아래에서도 성분과 원자의 배열, 제조 과정에 따라 쓰임새가 달라집니다.

이 특허를 쉽게 풀면 원료를 반응시킨 뒤, 그 안에서 원하는 성질을 가진 부분을 골라내 전기저항이 낮은 재료를 얻으려는 기술입니다.[1] 

완성된 전선이나 배터리의 설계도보다는, 그런 제품에 사용할 수 있을지 검토할 소재와 제조 공정에 가깝습니다.

저항이 중요한 이유는 전류가 흐를 때 발생하는 열과 관계가 있기 때문입니다. 같은 전류가 흐른다면 저항이 작을수록 저항 때문에 발생하는 열도 줄어듭니다.

 다만 제품 전체의 효율은 접촉 부위나 다른 부품에서도 영향을 받으므로, 소재 하나의 수치만으로 제품 성능까지 계산할 수는 없습니다.

여기서 저저항과 초전도는 구분해야 합니다. 저항이 작아도 0이 아니라면 그 측정값 자체는 무저항을 보여준 것이 아닙니다. 

초전도 상태를 이해할 때는 전기저항과 함께 자기적 특성, 작동 온도와 전류 조건을 살펴야 합니다.[2][3]

2. 특허의 세부 내용 — 합성보다 눈여겨볼 부분은 분리 공정

원문에 제시된 조성은 여러 원소 조합을 포괄합니다. 

실시예에서는 납·구리·황·인을 다룹니다. 원료를 진공 밀봉해 550~1100℃에서 10~100시간 반응시킨 뒤, 합성물을 분쇄하고 네오디뮴 자석으로 분리합니다. 

다시 분쇄·분리하는 과정도 제시합니다.[1]

이 과정을 이해하는 데 필요한 말이 ‘전구체’입니다. 

여기서는 다음 분리 공정에 들어가기 전의 합성물을 뜻한다고 생각하면 됩니다. 

가열을 마쳤다고 해서 그 덩어리 전체가 곧바로 원하는 최종 재료가 되는 것은 아니라는 이야기죠.

또 하나는 결정질과 비정질의 차이입니다. 결정질은 원자들이 비교적 규칙적으로 반복 배열된 부분이고, 비정질은 그와 같은 장거리 규칙성이 부족한 부분입니다.

 비정질이라고 해서 원자 배열에 아무런 질서도 없다는 뜻은 아닙니다.

명세서는 강자성을 이용해 비정질이 많은 부분을 모으는 방식으로 설명합니다. 

청구항 1은 합성 후 결정질을 제거하는 공정, 8·9항은 자력 분리와 반복 분쇄·분리, 12항은 해당 제조방법으로 얻은 화합물을 다룹니다.[1]

즉, 이 특허에서 자석은 재료를 고르는 도구입니다. 자석에 붙는다는 관찰과 초전도체가 자기장에 보이는 반응은 구분해서 읽어야 합니다.

 자석으로 분말을 모았다는 사실만으로 초전도성이 입증되는 것은 아닙니다.[3]

제가 이 공정에서 주목하는 부분도 여기에 있습니다. 

같은 원료를 넣어도 합성물 전체의 평균 성질과 분리한 부분의 성질은 다를 수 있습니다. 그렇다면 재현 실험에서도 원료의 비율뿐 아니라 어떤 부분을 골라 측정했는지가 중요해집니다. 

합성 직후의 덩어리와 분리한 분말을 같은 시료처럼 비교해서는 판단이 흐려질 수 있겠죠.

원문에 보고된 전기적 수치는 상온 저항 0.0302 Ω, 비저항 약 0.0015 Ω·cm입니다. 발명자들은 자화율과 마이크로파 흡수 측정도 초전도상이 존재한다는 근거로 해석합니다. 

구리와 유사하다는 비교는 구리 분말을 압축한 시료를 대상으로 한 설명입니다.[1]

저항과 비저항은 읽는 방법이 조금 다릅니다. 저항은 측정한 시료의 길이와 굵기에 영향을 받습니다. 비저항은 이런 치수를 반영해 재료의 전기적 특성을 비교하려는 값입니다. 

그래서 ‘저항이 몇 Ω인가’만 보는 것보다 비저항과 시료 상태를 함께 확인하는 편이 도움이 됩니다.

비교 기준도 중요합니다. 미국 표준국 자료에서 20℃ 표준 연동의 비저항은 0.0000017241 Ω·cm입니다.[4] 특허의 보고값을 이 기준으로 단순히 나누면 약 870배입니다. 

이는 두 수치의 산술적 비교이며, 서로 다른 형태의 시료를 동일한 실험 조건에서 측정한 결과는 아닙니다.

따라서 특허의 ‘구리와 비슷하다’는 표현을 일반 구리 전선과 전도성이 같다는 뜻으로 옮기면 곤란합니다. 

분말을 압축한 시료에서는 입자 사이의 접촉도 측정에 영향을 줄 수 있으므로, 비교하는 재료의 형태와 제조 조건을 맞춰야 합니다.

초전도성 해석 역시 별도로 살펴야 합니다. 보고된 저항값은 0이 아닙니다. 

이 점만으로 시료 내부에 초전도 성분이 전혀 없다고 단정할 수도 없지만, 이 수치가 시료 전체의 무저항을 입증한다고 말할 수도 없습니다. 

실제 전류가 흐르는 경로와 자기적 측정 결과를 함께 설명하고, 다른 연구진의 재현으로 확인하는 과정이 필요합니다.

 

3. 무엇을 만들 수 있을까 — 소재 후보에서 제품으로 가는 과정

여기서부터는 특허의 보고 내용을 바탕으로 생각해 볼 활용 방향입니다. 아래 제품들이 이 소재로 구현됐다는 뜻은 아닙니다.

먼저 검토할 수 있는 것은 전자부품의 전극이나 전도층에 쓸 소재 후보입니다. 

전극은 전류가 들어오고 나가는 부분이고, 전도층은 전류가 흐르도록 만든 층입니다. 이런 용도라면 분말 자체의 저항뿐 아니라 얇은 막이나 부품 형태로 만들었을 때의 성능을 확인해야 합니다.

예를 들어 분말을 다른 재료와 섞어 도포한다면, 혼합 후에도 전류가 흐를 경로가 유지되는지 시험해야겠죠. 

다른 부품과 맞닿는 지점의 저항, 표면에 붙는 정도, 온도가 오르내릴 때 갈라지는지도 살펴야 합니다. 실험실에서 좋은 수치를 얻는 것과 완성 부품에서 그 성능을 유지하는 것 사이에는 이런 단계가 있습니다.

태양전지의 전류 수집 부위도 응용 가능성을 검토해 볼 방향입니다. 

다만 빛이 들어오는 면에 사용한다면 빛을 얼마나 통과시키거나 가리는지까지 평가해야 합니다. 전기가 잘 통하더라도 필요한 빛을 막는다면 전지 전체에는 불리할 수 있으니까요. 이 소재가 실제로 그런 조건을 만족하는지는 별도의 광학·전기·내구성 시험으로 확인해야 합니다.

반면 지금 자료만으로 송전선이나 MRI용 초전도 자석까지 바로 연결하기는 어렵습니다. 

초전도 응용에서는 작동 가능한 온도뿐 아니라 흘릴 수 있는 전류와 견딜 수 있는 자기장이 중요합니다. 임계 조건을 넘으면 초전도 상태를 유지할 수 없기 때문입니다.[2][3] 작은 시료의 특성이 긴 선재나 대형 코일에서도 유지되는지는 또 다른 문제입니다.

사업화 관점에서 제가 먼저 확인하고 싶은 것은 분리 수율과 반복 생산성입니다. 

원료를 일정량 넣었을 때 실제 사용할 재료가 얼마나 나오는지, 생산할 때마다 성능이 얼마나 달라지는지 알아야 제조비를 계산할 수 있습니다. 분리 과정이 정교해질수록 품질은 좋아질 수 있어도 시간과 비용이 늘어날 수 있으므로, 함께 비교해야 합니다.

장기 안정성도 빠질 수 없습니다. 

처음 측정했을 때의 성능이 몇 달 뒤에도 유지되는지, 공기와 습기, 반복적인 가열과 냉각에 어떤 영향을 받는지 확인해야 합니다. 

제조 공정을 기술이전하려면 다른 시설에서도 비슷한 품질로 생산할 수 있는지도 시험해야겠죠.

이런 점에서 저는 이 특허를 원하는 성질을 가진 재료를 합성하고, 분리해 얻는 공정에 초점을 맞춰 읽고 있습니다.

그 공정이 기존 소재보다 어떤 이점을 주는지, 어떤 부품에서 그 장점이 살아나는지를 확인할 때 산업적 가치도 구체적으로 평가할 수 있을 것입니다.

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출처

[1] 대한민국 등록특허공보 KR102404607B1. 표지, 청구항 1~12, 실시예 및 실험예. 등록일은 공보 표지의 2022년 5월 27일을 기준으로 기재했습니다. https://patentimages.storage.googleapis.com/60/a9/f2/287f5c279604ff/KR102404607B1.pdf

[2] 미국 에너지부, DOE Explains…Superconductivity. https://www.energy.gov/science/doe-explainssuperconductivity

[3] 미국 국립표준기술연구소(NIST), The Magnetic Allure of Superconductivity. https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/magnetic-allure-superconductivity

[4] 미국 표준국(NBS), Precision Resistors and Their Measurement, Circular 470. 표준 연동의 20℃ 비저항. https://www.nist.gov/system/files/documents/calibrations/circ470.pdf