전도체 관련 틀 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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1. 개요
傳導體 / Conductor[1]에너지(전류, 열, 파동 등)를 전해주는 물질이며 반대말은 부도체(nonconductor/insulator)다. 현대 산업에서 매우 중요하게 다뤄지는 물질로, 말 그대로 필수요소다. 멀리 갈 것 없이 전선부터 대표적인 전도체와 부도체[2]다. 보통 도체/부도체라고 한다면 전기 전도체/부도체를 뜻하지만, 열 전도체도 있으며 파동 전도체(매질이라고도 한다)도 있다. 고체물리학에서는 페르미 면이 존재하면 도체, 존재하지 않으면 부도체로 명확하게 분류할 수 있다.
2. 종류
2.1. 전류
공통적으로 전기 저항과 띠틈(band gap)[3]에 따라 전기 전도체인지 아닌지가 결정된다.2.1.1. 전기 전도체
모든 금속이 전기 전도체이다. 대표적으로 전선으로 가장 널리 사용되는 구리. 그리고 일부 탄소 동소체(흑연, 그래핀)도 전기 전도체가 될 수 있다.전기를 통하는 매개체가 이온 결합 물질의 용액인 경우 전해질(Electrolyte)이라고 한다.
그리고 특정 조건 하에서 전기 저항이 0이 되는[4] 전도체는 바일 반금속과 초전도체가 있으며[5] 자세한 사항은 해당 문서로.
전기전도체는 등전위면으로 취급된다. 이상적인 도체에서는 같은 도체에서의 전위는 같은 것으로 취급한다.
2.1.2. 전기 부도체
절연체, 혹은 유전체[6]라고 칭하기도 한다. 대부분의 비금속(무수 상태의 이온 결합 물질, 공유결합 물질 포함[7])이 전기가 통하지 않는다. 그렇다고 정말 전기가 하나도 통하지 않는 것이 아니라 저항이 매우 높다는 뜻이며, 그 저항을 뚫을 수 있을 정도의 고전압[8]이 걸리게 되면 큰 전류가 흐르게 되며, 이를 절연파괴라 한다.[9][10] 진짜로 전기가 전혀 통하지 않는 완전 부도체는 없다.[11] 심지어 두께를 원자 수 개 정도로 줄이면 아무리 전기 저항이 높은 부도체라 하더라도 도체마냥 전기가 통해버린다![12]물리적 관점에서 반도체와 부도체의 경계는 상당히 희미하다. 부도체 중 띠틈의 크기가 적당히 작은 물질들을 (2-6 eV) 소자로 이용하려는 움직임이 80년대 후반부터 있었으며, 띠틈이 2 eV가 넘어가는 물질들을[13] 이러한 관점에서 wide band gap 반도체로 지칭하며 소자로 사용하려는 연구가 진행되기 시작했으며 2014년에 노벨 물리학상을 수상했던 주제인 청색 led도 90년대 초에 GaN을 이용하여 개발에 성공한 바 있다. 또한 최근 들어서는 다이아몬드, InGaN/GaN 접합 구조, beta-Ge2O3 등의 띠틈이 5 eV에 달하는 물질들까지 Ultrawide band gap semiconductor로 부르면서 응용 가능성이 연구되고 있다. 다만 이들은 단결정 성장이 어렵거나, 도핑이 잘 되지 않는 등의 문제가 있어 갈 길이 멀다...
유리와 같이 상온에서는 부도체지만 열을 받아 액체 상태가 되거나 용매에 녹아 용액이 되면 전도체로 변하는 물질도 있다. 대개 이온 결합 물질의 경우 고체상태일 때에는 이온들이 한 자리에 묶여 있게 되어 부도체의 성질을 가지지만 수용액[14]과 같은 용액 상태나 용융상태가 되면 이온의 이동이 자유로워지면서 전도체가 된다. 상술한 유리 역시 이산화규소와 같은 이온 결합 물질이 주성분이다. 우리에게 친숙한 소금 역시 이 부류에 속하며 이러한 용액을 전해질이라고 한다
2.1.2.1. 강유전체
스스로 극성을 띠는 특수한 부도체. 자세한 내용은 문서 참조.2.1.3. 반도체
특정 전기적 조건[15]을 만족하면 도체와 부도체를 오갈 수 있는 물질. 자세한 사항은 해당 문서로.2.1.4. 위상부도체
위상수학적인 원리로 전기 전도성이 바뀌는 성질의 물질. 자세한 사항은 해당 문서로.2.2. 열
2.2.1. 열 전도체
말 그대로 열을 잘 전달하는 물질. 대부분 전기 전도체와 겹치나, 그렇지 않은 물질도 있으며 대표적으로 다이아몬드가 있다. 다이아몬드는 비저항이 높아 전기적으로는 부도체이지만 열 전도도는 높아 열은 잘 통하며, 이를 이용한 진품 테스트기도 있다.2.2.2. 열 부도체
단열재라고도 한다. 스티로폼, 에어로젤이 대표적. 물론 전기 부도체와 마찬가지로 열을 전혀 전달하지 않는 것이 아니라 열 전도도가 매우 낮은 물질을 의미한다.2.3. 파동
체벌을 뜻하는 순우리말인 '매질'에 대한 내용은 체벌 문서 참고하십시오.
이쪽은 보통 매질(媒質, medium)이라고 한다.
2.3.1. 음파 전도체
소리를 전달하는 물질.2.3.2. 음파 부도체
소리를 흡수하거나 반사하는 물질. 방음재라고 한다.2.3.3. 광 전도체
대부분의 투명한 물질이 광 전도체며 대표적으로 유리가 있다.2.3.4. 광 부도체
대부분의 불투명한 물질이 광 부도체다.3. 같이 보기
[1] 지휘자라는 의미도 있다.[2] 전선 피복이 부도체인데, 당연히 전선을 취급할 때 감전이 되지 않아야 하기 때문이다.[3] 간단히 말하자면, 전류가 흐르기 위해 넘어야 할 문턱이라고 보면 된다.[4] 정확히 말하자면 10-22Ωm 보다 낮은 비저항을 갖는다는 것이 실험적으로 확인되었다. 참고로 비교하자면 모든 금속 중 가장 전기 전도성이 우수한 은의 비저항이 1.6×10-8Ωm이다. 전기 전도도는 비저항의 역수이니 초전도체는 은보다 160조배 이상 전기를 잘 통하는 것이다.[5] 둘의 차이점은 마이스너 효과의 유무이다.[6] 대전체를 가까이 하면 전하가 같은 방향으로 정렬되는 유전 분극이 일어나기 때문에 이렇게도 불린다. 유전 분극은 정전기 유도 현상의 일종이다.[7] 흑연과 같이 결합에 참여하지 않은 전자가 있는 경우는 전기가 통한다.[8] 이를테면 번개정도의 초전하 에너지같은 경우, 구름에서 지면까지 대기의 저항을 뚫는다.[9] 코로나 방전도 공기중에서 일어나는 절연파괴라 할 수 있다.[10] 이 경우 저항으로 인해 엄청난 열이 발생하게 된다. 벼락 맞은 나무에 불이 붙는 이유가 바로 저항에 의한 발열 때문.[11] 물론 이론상 그렇다는 뜻이고, 다이아몬드 같은 경우에는 띠틈이 5.33eV로 매우 크면서 탄소로 이루어진 물질이기 때문에 다이아몬드에 전기가 통할 정도의 전압을 걸면 아주 잠깐만 통하고 저항에 의한 열 때문에 타서 재가 되거나, 공기중의 산소와 결합해 이산화탄소가 되어 날아가 버릴 것이다.[12] 터널링이라고 한다.[13] 대표적 반도체인 실리콘의 띠틈은 약 1.1 eV이다.[14] 흔히 물은 원래부터 전기가 잘 흐르는 전도체라고 생각하는 경우가 많지만, 이온이 첨가되지 않은 아주 순수한 물은 전기가 거의 통하지 않는다. 더 정확히 말하자면 물의 자동이온화로 인해 매우 약한 전류만이 통한다.[15] 정확히는 띠틈을 열고 양공을 충분히 만들 수 있는가?