마이크로디바이스 극저온에서의 물리적 현상
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마이크로디바이스
※과제: 극저온에서의 물리적 현상.
⑴ 서론
교수님께서 이번 과제를 낸 요지가 뭘까? 라는 생각을 해보았다. 이때 까지의 수업과 과제를 통해 나노 분야 즉 물질의 구성요소인 원자에 대한 생각과 물질의 구성요소의 배열을 바꿈으로서 새로운 물질을 만들 수 있고 의학에서는 생명의 근원을 연구 즉 자라나는 세포를 만들 수 있다는 내용을 접 했을때 는 신의 영역에 들어서고 있다는 느낌마저 들었다. 이렇듯 이때까지의 수업으로 물질의 고정되어있는 최소 단위부터 생각하게 되었고 이번 과제는 그 요소들이 고정되지 않고 운동 하는 것 에 대한 과제라는 생각이 들었다. 아마도 내 생각이 맞을 것이다. 즉 세상의 구성요소 원자는 원자핵을 중심으로 전자 가 계속 회전운동 하고 있다. 우리가 볼 수는 없지만 과거 과학자들에 의해 증명 되었고 나또한 당연한 사실로 알고 있다. 이 사실을 전제로 에너지와 온도에 대한 생각을 해보았다 절대 온도 0도에서는 모든 물질의 운동이 정지하는 온도다. 즉 절대 0도 에서는 모든 에너지가 0이다. 온도가 증가함에 따라 서서히 전자들의 운동도 증가 한다 쉬운 예로 풍선에 있는 공기를 가열하면 풍선이 팽창하는 것을 알 수 있다 즉 온도가 올라가면 기체의 운동속도가 증가 하여 더 많은 에너지를 가지게 되고 풍선이 늘어나는 것처럼 일을 할 수 있는 것 이다 즉 원자도 저온으로 갈수록 전자들의 속도가 감소하여 절대 0도에서는 정지한다는 것을 알수 있었다 그리고 자료를 검색 하면 전자에 레이저를 쏘아서 전자의 운동을 정지 시킴으로서 절대 0도에 아주 가깝게 낮 출수 있다는 사실도 알게 되었다 이때까지는 온도가 내려가면 운동이 감소한다. 이런 원리로만 생각했는데 이번 레포트를 통해 생각의 전환을 할수 있게 되었다. 그리고 절대 0 도에 가까워지면 운동이 거의 없는 단계에서의 저항이 0 단계에 올라 에너지 손실이 없는 초전도현상에 대해 알게 되었고 그 것에 대해 나름 되로 조사를 해보았다
⑵ 본론
그렇다면 ‘초전도 현상(superconductor)’ 이란 무엇인가?
㈎ 초전도 현상 (superconductivity)이란?
어떤 종류의 전도 물질을 상온에서부터 점차 냉각하여 절대 온도 0도(0K＝-273℃, 즉 극저온 온도)로 접근시키면, 어느 온도에서 전기 저항이 0이 되어 완전한 도전체가 되는 동시에 그 내부에 흐르고 있던 자속이 외부로 배제되어 자속 밀도가 0이 되는 마이스너 효과에 의해 전기적 손실이 전혀 없거나 외부적 자장의 침입을 배척하여 자기적으로 반발하는 자기 부상 현상이 일어 나는 완전한 반자성체가 되는 현상을 초전도라 한다. 초전도 상태가 되는 전이 온도 또는 초전도 임계 온도는 전도 물질 특유의 성질에 따라 다르며 초전도 상태에 있는 물질에 자계를 가하여 자속 밀도가 어느 값 이상으로 상승하면 초전도 성질이 상실된다. 초전도 성질이 상실되는 전이 자속 밀도는 전도 물질의 초전도 전이 온도와 특유의 성질에 따라 다르며 초전도 상태의 물질에 전류를 흘리면 그것이 만들어 내는 자속 밀도가 전이 자속 밀도보다 커져서 초전도 성질이 상실될 수 있다. 그러므로 흘릴 수 있는 전류의 크기는 그 전류가 만들어 내는 자속 밀도에 의해 제한된다. 이런 성질을 이용하여 초전도 상태에 있는 전도 물질을 정상 전도(비초전도) 상태로 할 수도 있다.
㈏ 초전도체란?
초전도 현상을나타내는 물질, 원소로는 니오브(Nb), 탄탈(Ta), 바나듐(V) 등 20여 종의 금속 원소, 합금으로는 니오브와 주석의 합금(Nb3Sn), 니오브와 게르마늄의 합금(Nb3Ge) 등이 실용화되어 있다. 그러나 이런 금속이나 합금 등이 초전도 상태가 되는 전이 온도는 최고로 절대 온도 23도(23K)이다. 최근 스칸듐(Sc), 란탄(La), 네오디뮴(Nd), 이트륨(Y) 등의 희토류 원소를 포함하는 금속 화합물이나 특수 자기 물질에서 금속이나 합금과 같은 극저온이 아닌 비교적 고온에서 초전도 현상이 일어난다는 사실이 발견되었다. 이 때문에 초전도 전이 온도를 더 한층 상승시켜서 상온에서 초전도 상태가 되는 물질을 발견하기 위한 연구가 세계 각국에서 활발하게 진행되고 있다. 현재까지 발견된 초전도 전이 온도의 최고치는 절대 온도 153도(153K)이며 앞으로 273K(＝0℃)에 가까운 240K가 달성될 것으로 전망되고 있다. 고온 초전도체의 개발이 실현되면 전기전자 분야에서 광범위하게 응용될 것으로 기대된다. 고온 초전도체의 응용을 위한 연구 개발의 예로는 초전도체의 자기 효과(마이스너 효과)를 이용하는 자기 부상 철도, 완전한 전도체로서의 성질을 이용하는 대전류 지하 송전 케이블, 자계의 변환에 따라 초전도 성질을 상실하는 성질(초전도 유무)을 이용하는 디지털 소자 등을 들 수 있다. 고온 초전도 디지털 소자는 전압을 이용하는 디지털 소자 등을 들 수 있다. 고온 초전도 디지털 소자는 전압을 이용하는 반도체 소자와는 달리 초전도의 유무 또는 변환을 스위칭에 이용해서 수백 기가헤르츠(GHz) 또는 테라헤르츠(THz)급의 정보 전달 속도를 지니는 신기능 소자로서 대용량 초고속 교환기용 스위치나 대용량 초고속 컴퓨터 중앙 처리 장치(CPU) 등의 핵심 소자로서 사용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
㈐ 초전도체의 발견
초전도체는 저온물리학자인 Onnes에 의해 처음 발견되었다. 물질의 저항은 격자의 불규칙적인 배열과 온도에 의한 원자의 진동에 의해 나타난다. 이상온도(-273`C=0K)에서는 원자의 진동이 없기때문에 저항이 0이 된다. Onnes는 이러한 온도와 저항과의 관계에 대한 연구를 진행중 0K보다 큰 온도에서 저항이 0가 되는 물질을 발견하였다. 이것이 초전도체의 첫 발견이다. 초전도체의 응용에 있어서 가장 중요한 문제는 역시 온도이다. 따라서, 많은 과학자들이 보다 높은 온도에서도 초전도체가 되는 물질들을 연구하였고, 그 노력으로 현재는 상당히 높은 온도에서도 초전도현상을 보이는 물질들이 발견되었다.
㈑ 초전도의 중요한 특징
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