Chap. 4 Environment / Energy Tech. 초전도체, 센서 2012. 05. 31~06. 01 Advanced Materials and Future Technology
초전도체
초전도체 (superconductor)? 초전도 (superconductivity)? 어떤특정조건하에서물체의전기저항이 0(zero) 이되는현상일반적으로, 어느온도이하의조건 non-superconducting 금속물질 저항 (R Resistance e) superconductor ctor T < Tc 일때, 저항 = 0 온도 (T) 임계온도 온도가낮아짐에따라금속물질의저항은감소 온도가감소함에따라진동하는원자핵과전자와의충돌이감소 ( 즉, 저항이감소 ) 보통금속 : 온도감소에따라저항이지속적으로감소, 하지만 zero 가되지는않는다. 초전도체 : 온도감소에따라저항이지속적으로감소하다가, 임계온도에갑자기저항이 zero ( 전류흐름시, 열발생이없다 ) 가된다.
초전도체의역사 초전도현상연구 1911 년 Onnes 에의해액체헬륨 (He) 온도 (4.2 K) 에서 수은 (Hg) 으로부터초전도현상발견 1933 년 Meissner 와 Ochsenfeld 에의해초전도체의 완전반자성을발견 1957 년 Bardeen, Cooper, Schrieffer 에의해초전도체의 BCS 모델제안 초전도체의거동을설명하는이론 (BCS 이론 ) 1986 년 Bennorz, Muller 에의해산화물계초전도체발견
초전도체기본원리 (1) BCS 이론 : Zero 전기저항 (= 완전전도성 ) 에대한이론 음전하를띤전자가초전도체격자내의양이온들사이를통과 양이온들이전자가움직인궤도쪽으로쏠리는분극화현상 첫번째전자가격자내양이온을통과하기전에 두번째전자가빨려들어와두개의전자가쌍을이루며운동 이러한두개의전자의쌍을쿠퍼쌍 (Cooper Pair) 이러한쿠퍼쌍의전자들은원자핵의방해를받지않고 즉, 저항없이격자내를자유롭게이동 < 고리형초전도체 > 저항 ( 손실 ) 이없어전류가영원히흘러 ( 영구전류 ), 영구자석이가능 Cooper Pair 양이온 전자 Normal State
초전도체기본원리 (2) 완전반자성 (1) 보통금속 의경우자석을접근시키면도체내부에자기장이침투 ( 통과 ) 초전도상태에있는않은초전도체의경우에도위와마찬가지 초전도상태 에있는 초전도체 에자석을접근시키면 초전도체내에차폐전류가발생하여유도자기장이생성 외부에서가해진자기장을상쇄시키는 ( 밖으로밀어내는 ) 성질이발생하여초전도체내부의자속밀도 (B) 는 zero 로. 자석과일정간격을유지하며공중에떠있는상태 ( 자기부상효과 ) Meissner 효과 T>Tc 일반금속또는초전도체 T<Tc 초전도체
초전도체기본원리 (2) 완전반자성 (2) Meissner 효과에의한초전도체와자석간의다양한반응들 자석 초전도체 http://navercast.naver.com/science/image/290
초전도체기본원리 (3) 위상효과 ( Josephson 효과 ) 두초전도체가약하게결합되어있는경우, 쿠퍼전자쌍이두초전도체사이를 관통하여전류가흐르는현상또는 초전도체사이에수 nanometer (1-2 nm) 두께의절연물질을넣어도쿠퍼전자쌍이관통하여 전류가흐르는현상 초전도체 쿠퍼쌍전류 초전도체 초전도체 초전도체 절연체 <Josephson 접합 > 절연체
초전도체기본원리 (4) 초전도상태를결정하는인자 온도이외에초전도상태를결정하는요소 : 전류밀도 (J), 자기장 (H) 초전도체에과도한전류를흘려주거나, 과도한자기장을인가 임계온도 (Tc) 이하이지만, 초전도상태가유지되지못함 즉, 초전도상태를결정하는인자는 임계온도 (Tc) 뿐만아니라, 임계전류밀도 (Jc) 와임계자기장 (Hc) 도작용. 온도, 전류밀도, 자기장으로구성된삼차원공간에서 표면안쪽에서만초전도특성이나타나고, 그바깥쪽에서는초전도특성은사라진다.
초전도재료 초전도재료의발달 (1) 개발방향 : - 초전도재료의실제적인응용측면에있어서, 매우낮은온도로재료를냉각하는과정 고비용, 비경제성 - 보다높은임계온도를갖는초전도체 응용성향상 - 액체헬륨 (He) 온도 =4.2 K 고비용 액체질소 (N 2 ) 온도 =77 K 저비용 (He 의 1/500 가격 ) 보다높은온도에서초전도현상을보이는재료 ( 즉, 높은임계온도를갖는초전도체 ) 의개발
초전도재료 초전도재료의발달 (2) Nb 3 Ge 합금 : Tc=20 K LaBaCuO ( 최초의구리산화물초전도체 ): Tc=35 K YBaCuO: Tc=90 K ( 액체질소사용이가능 ) TiBaCaCuO: C Tc=125 K HgBaCaCuO: Tc=133 K 고온초전도체 궁극적목표 : 상온에서초전도성을나타내는물질개발
초전도체응용 수송분야 : 자기부상열차의학분야 : 자기공명장치 (MRI: magnetic resonance imaging) 액체질소주입 송전분야 : 초전도전선케이블 ( 저항 zero ) 컴퓨터 통신분야 : 금속배선저항에기인한열발생또는손실이없는고속의컴퓨터와통신분야 ( 마이크로파소자들 ) 그밖의응용 : : 에너지저장장치 -커다란고리모양의초전도체에전기를저장후, 필요할때사용 : 미세자기장측정을위한고감도센서 -SQUID (superconducting Quantum Interference Device) : 어떤물체의자기장이변화 초전도체내의전류변화 (Meissner effect) 이러한전류변화측정을통해미세자기장을측정할수있는센서
자기부상열차 부상방법 (1) 공기부상 : 소음이크고, 불안정 (2) 자기부상 : 소음이작고, 안정 지름 4cm 인코일에 15 테슬라 (tesla) 자기장형성 약 5 천 kw 전력요구 초전도체전자석사용 4.2kW 전력요구 열차바닥 : 초전도체전자석 ( 코일 ) 철로 : 전자석 ( 코일 ) 설치, N극 S극전환 ( 추진력 ) N 극 S 극
초전도체합성방법
센서
센서 (sensor) 센서? 인간의오감을대신하여, 주변환경의변화를받아들이고, 이를인간이나장치가알수 있도록어떤신호로변환하여주는장치 외부의물리적, 화학적변화를감지해서빛과전기등의측정가능한전기신호로 변환시켜주는장치 입력에너지 변환 출력에너지 광기계열자기화학 물리적수단 센서 생물학적수단 화학적수단 정보는전기신호로출력 센서의종류 물리센서 : 빛, 소리, 온도, 습도, 압력등을감지 화학센서 : 가스, 이온등과같은화학물질의 종류와양을감지
적외선센서 (infra-red sensor) 광센서 여러종류의빛 ( 광 )- 가시광선, 적외선, 자외선, 방사선등- 을감지하는센서 반도체와같은재료가빛에너지를흡수 전도대로전자가이동 전류 ( 전기 ) 발생 광전효과의일종 각각의파장 ( 즉, 에너지 ) 을가지고있는빛에알맞은센서재료를사용 적외선센서? 적외선 ( 또는열선 ) 구분 -근적외선: 780nm~1.5μm - 중적외선 :1.5 μm~5 5 μm -원적외선: 5 μm~100 μm 동작원리에따른적외선센서의종류 (i) 광전효과형 -밴드갭이아주작은반도체 ( 예 ;Ge, InSb, HgCdTe) 에서충만대의전자가전도대로이동 전류성분형성 -액체질소 (77 K) 이하의온도에서사용 비교적고비용 (ii) 가열형 - 적외선이가지고있는열을그대로이용 -상온에서작동 자동개폐문, 도난경보기, 적외선야시경에응용 < 사람으로부터방출되는 7-14 μm 의적외선을감지하는적외선야시경 >
초음파? 초음파센서 (ultra-sonic sensor) (1) 사람의귀로들을수없는높은진동음역에속하는소리로진동수가 20 khz 이상영역 가청음역의진동수 : 20 Hz ~ 20 khz 초음파센서? 초음파가물체에반사되어돌아오는시간을이용해거리를측정하고 물체를감지할수있는기능의소자 수심측정및어군탐지기에사용 -초음파: 물속에서적은감쇄효과 초음파센서응용 수심측정, 어군 / 해저물체탐지기, 의료검진용 SONAR (Sound Navigation and Ranging)
초음파센서 (ultra-sonic sensor) (2) 초음파센서재료: 압전세라믹스 (piezo-electric ceramics) 압전세라믹스 - 압력이가해졌을때전압이발생하고, 전기장이가해졌을때기계적인변형이일어나는 세라믹스 -기계적인진동에너지를전기에너지로, 또는전기에너지를기계적인진동에너지로의상호변환이가능한재료 -초음파세척기, 초음파가습기등에응용 - 대표적인압전재료 : PZT 세라믹스 -산화납 (PbO), 산화지르코늄 (ZrO), 이산화티탄 (TiO 2 ) 의 물질이화합물을이루고있는물질 Piezoelectricity ( 압전현상 ) ( 표면분극 )
온도센서 (1) 열전대 ( 열전쌍, thermocouple)? 2 종류의다른금속선을한부분에접합시켜접합된부분의온도측정 열에의해발생하는열기전력을이용 수은온도계 (-38~356 356 o C) 알코올온도계 (-78~78 o C) ( 온도에따른부피변화이용 ) 금속선양끝에온도차이가생기면온도가높은쪽에서온도가낮은쪽으로전자가이동 계속적인전자이동으로온도가낮은쪽끝부분에상대적으로많은수의전자가축적 더이상전자가흐르지못하도록막아주는힘, 즉기전력 ( 전압 ) 이발생 ( Seebeck 효과 ) 온도차이에따른열기전력변화정도를알고있는특정한금속으로열전대를형성 열기전력을측정 접합점의온도를측정하는원리 열기전력은접합하는금속의종류에따라 다르므로, 온도측정범위에따라적절한금속선의종류를결정 높은온도접합점 금속선 A 낮은온도 전압 ( 열기전력 ) 측정 열 금속선 B
온도센서 (2) 온도인식센서 원하는온도에서스위치를켜거나끌수있는재료 - 온도조절장치없이일정한온도에이르면전기를통하거나차단하는재료를사용 PTCR (positive temperature t coefficient i resistance) - 온도가올라갈수록세라믹스의저항이증가 - 특정온도이상이되면저항이급격하게증가하여더이상전류가 흐르지않는절연체로변화 -바륨티탄계 (BaTiO 3) 에여러가지원소를미량첨가한재료 -가정용모기향, 헤어드라이어에응용 NTCR (negative temperature coefficient resistance) - 온도가올라갈수록세라믹스의저항이감소 - 상온에서는절연체의상태이지만, 특정온도이상이되면저항이급격하게감소하여전류를통하는재료 - 페라이트계 (Fe 2 O 3 ) 에여러가지원소를미량첨가한재료 - 화재경보기에응용
습도센서 습도센서 주위의습도변화에따라전기저항이바뀌는특성을이용 의류건조기, 자동차의서리방지에응용 전자식습도센서 -산화아연-산화크롬계가대표적 -2~3 μm 크기의 ZnCr 2 O 4 결정립에감습성이높은 Li 이온을함유한 LiZnVO 4 등의조성을갖는금속산화물을코팅한구조. -감습성 LiZnVO 4 표면상태는안정된 OH기를가진구조 OH 기위에물분자가흡착됨에따라다층의물분자흡착층이형성되어습도에대해서전도성을나타냄. 기계식습도센서 -전기가통하는흑연가루를특수한플라스틱 ( 고분자 ) 에분산시켜제조 - 전도성이없고수분을흡수하면팽창하는성질의플라스틱사용 -주위수분을흡수 플라스틱의팽창에따른전도성을가진흑연가루들사이거리가증가 센서의저항이증가 전류의감소
압력센서 압력센서 주위에서가해진압력을감지하여측정하는센서 스트레인게이지 (Strain Gauge) 타입 : 금속을이용 - 물체에대한전기적인저항의변화를측정함으로써물리적인변형의정도를알아내는장치 - 전기저항과물체의변형과의관계 : R ( 저항 ) = ρ L/S, (ρ= 물질의고유의비저항치, L= 길이, S= 면적 ) 물체의저항은길이에비례 ( 즉, 길이증가 저항증가 ) 압전 (piezo-electricity) 타입 : 압전세라믹스이용 - 전기에너지와기계에너지간의상호변환이가능한압전세라믹스이용 - 레저용스키플레이트에응용 압력센서가스키판이진동하는것을감지 그와반대되는진동을발생시켜진동을완화시킴 같은원리로냉장고, 세탁기등의가전제품에압력센서를부착하여 철판의울림을감지해그와반대되는진동을일으켜소음을상쇄 금속선
센서관련레포트 열전대작동원리인 Seebeck 효과이외에, Peltier 효과와 Thomson 효과가무엇인지 조사하고, Peltier 효과와 Thomson 효과를활용한응용사례와 응용원리에대해서기술하시오. - 제출기한 : 6 월 8 일 ( 금 ) 오후 6 시까지 - 제출장소 : 신소재공학과사무실 (K412) -작성요령 : Word 프로그램사용하지말것 ( 수기작성 )