알루미늄으로 구리의 전도성 대체 가능성 고조

알루미늄은 구리의 가격과 중량의 3분의 1에 불과하지만 전도성 대비 구리의 60% 정도에 불과하다. 알루미늄의 상대적으로 낮은 전도도는 일부 실제 응용 분야에서 한계가 될 수 있다는 연구보고서가 최근 발표되었다.

전기의 세계에서 구리는 왕이다. 이는 알루미늄의 전도성을 높여 구리와 경제적으로 경쟁할 수 있도록 하는 방법을 제공하는 퍼시픽 노스웨스트 내셔널 래보러토리(Pacific Northwest National Laboratory. PNNL)의 새로운 연구 결과에 따라 달라질 수 있다.
이 연구는 완전히 실현될 경우 구리를 대체하는 초전도성 알루미늄이 송전선 너머 시장에서 유용하게 사용될 수 있으며, 차량, 전자, 전력망에 혁명을 일으킬 수 있다고 한다.

PNNL의 재료 과학자이자 이 연구의 공동 저자인 키에르티 카파간툴라(Keerti Kappagantula)는 "알루미늄이 구리보다 전도도가 80% 또는 90%까지 향상할 수 있다면 어떤 일이 발생 하는가를 연구했다"면서 "더 많은 전도성 알루미늄이 더 가볍고, 더 싸고, 더 풍부하기 때문에 구리를 대체할 수 있으며, 엄청난 차이를 만들 수 있을 것으로 본다. 이것이 바로 우리가 해결하고자 하는 큰 그림이다"고 말했다.


구리 수요는 현재의 가용성을 빠르게 앞질러 비용을 끌어올리고 있다. 구리는 훌륭한 전기 전도체이다. 구리는 핸드헬드 전자제품에서부터 인터넷에 전원을 공급하는 수중 전송 케이블에 이르기까지 모든 분야에 사용되고 있다. 이러한 도전은 기존 차량보다 2배 많은 구리를 필요로 하는 전기 자동차(EV)의 수가 증가함에 따라 더욱 심각해질 것으로 예상된다. 게다가 구리는 무거워서 EV 효율성을 떨어뜨린다.

알루미늄은 구리의 가격과 중량의 3분의 1에 불과하지만 전도성 대비 60% 정도에 그친다. 알루미늄의 상대적으로 낮은 전도는 일부 실제 응용 분야에서 한계가 될 수 있다.

카파간툴라는 "동일한 전도를 가진 경량 와이어가 경량 모터와 기타 전기 부품을 설계하는 데 사용될 수 있기 때문에 전도성이 핵심이어서 자동차의 전자 제품에서 에너지 생성에 이르기까지, 전기로 작동하는 모든 것은 더욱 효율적일 수 있다"고 말했다.

그는 이어 "몇 년 동안, 우리는 금속이 더 전도성 있게 만들어질 수 없다고 생각했다. 하지만 그렇지 않다. 만약 금속의 구조를 바꾸고 적절한 첨가제를 도입한다면, 금속의 특성에 영향을 미칠 수 있다"고 강조한다.

알루미늄 전도도를 얼마나 높일 수 있는지 알아보기 위해 카파간툴라와 PNNL의 박사급 학자 애디야 니탈라는 오하이오 대학 교수 데이비드 드라볼드와 대학원생이 협력하여 알루미늄 전도도에 대한 온도와 구조적 결함의 영향을 확인하고 원자를 개발했다. 그것은 전도성을 높이기 위한 단계별 레시피이다.


이런 종류의 분자 시뮬레이션은 이전에는 금속에 대해 한 번도 행해지지 않았기 때문에, 연구원들은 창의력을 발휘해야 했다. 그들은 이전의 연구가 실리콘 기반 물질과 일부 금속 산화물의 전도성을 성공적으로 시뮬레이션했기 때문에 영감을 얻기 위해 반도체에 기대를 걸었다.

연구팀은 이 개념을 알루미늄으로 작업하도록 수정하고, 구조의 개별 원자가 제거되거나 재배열될 경우 금속의 전도도에 어떤 일이 일어날지를 시뮬레이션했다. 이 작은 변화들은 전체 전도도에 큰 증가를 가져왔다.

실제 상황을 시뮬레이션하는 모델의 능력은 팀조차도 놀라게 했다. "우리는 이러한 결과가 현실에 이렇게 가까울 것이라고 생각하지 못했다, 원자 구조와 다른 상태를 기반으로 한 이 모형 시뮬레이션은 매우 정밀하고 정확하며, 매우 흥미진진하다"고 카파간툴라가 말했다.

금속 전도성을 바꿀 수 있는 이론적인 레시피가 이제 명확해 졌기 때문에, 연구원들은 이론과 실험 결과를 일치시키기 위해 실험실에서 알루미늄의 전도성을 얼마나 증가시킬 수 있는지 볼 계획이다. 그들은 동일한 시뮬레이션을 사용하여 다른 금속의 전도도를 증가시킬 수 있는 가능성을 연구하고 있다.


김진영 글로벌이코노믹 기자