첨단물리(나노튜브와초전도체2)

(1)

(2)

(3)

• C

₆₀

발견 . - R. E. Smelly (1985)

• Carbon nanotubes 발견 . - S. Iijima (1991)

• Single wall nanotube 합성 (Arc discharge)

- D. S. Bethune, S. Iijima (1993)

• Rope nanotube 합성 (Laser vaporization)

- R. E. Smelly (1996)

• Vertically aligned carbon nanotubes 합성 (CVD)

- Z. F. Ren (1998)

(4)

• Cylinder of Graphite sheet

• Diameter : 수 nm

• Single wall nanotube (SWNT)

: Arm-chair, Zig-Zag, Chiral

• Multi wall nanotube (MWNT)

• Rope nanotube

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(9)

• Ballistic conductance : R = 10-4  cm at 300 K (rope 형태의 metallic SWNT) • 높은 열전도도 : 6,600 W/mK at Room Temp. • 뛰어난 기계적 탄성 : 강철의 10~100 배 견고 (SWNT)

Property

(10)

• Nano size

: SET, Ultra small diodes, High density device

• 획기적인 전도성과 높은 기계적 강도

: STM/AFM tip, FED, CRT source

• Gas ardsorption

:

이차전지 , 수소 저장 , Gas sensor

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(12)

(13)

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(15)

초전도체란 ?

 _{전기저항이 전혀 없는 물질로} 에너지 산업 , 정보통신 , 의료 , 교통분야에 널리 사용되는 첨단소재  ₁₉₁₁ _{년 네덜란드의 저온 물리학자} Oness 에 의해 처음 발견 - 4.2K 에서 수은의 저항이 급격히 사라짐  ₁₉₃₃ _{년 독일의 Meissner, Oschenfeld 에} 의해 자기 반발 효과 발견 - Meissner Effect

(16)

초전도체의 종류

 _{Type I} 순수한 금속 , 합금 낮은 전이온도 , Hg - 4 K  _{Type II} Ceramic, 높은 전이온도 YBa2Cu3O7-x - 92 K

(17)

초전도체의 성질



_{Zero resistance}

-

전이온도 (Tc) 이하에서 전기저항이 Zero 가 된다 0 50 100 150 200 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 YBCO_6.93 T_c= 92K R es is ta n ce ( ) Temperature (K)

(18)

 ₃ _{가지 임계값}

(Critical Value )

• 임계전류밀도

(Critical current density : Jc)

• 임계자기장

(Critical Magnetic Field : Hc)

• 임계온도

(19)



_{반자성 (Diamagnetism)}

- Meissner effect

(20)

초전도 현상은 어떻게 일어나는가 ?

 _BCS _이론

Bardin, Cooper, Schrieffer

Cooper pair - 격자변형 (Phonon) 을 매개로 2 개의 전자가 쌍을 이룸

(21)

고온초전도체

 ₁₉₈₇ _{년 중국계 미국 과학자} 폴 츄에 의해 77K 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질이 개발됨  란타늄계 (La1-xBx)2CuO4 - 30K 이트륨계 (YBa2Cu3O6+x) - 90K 수은계 (HgBaCaCuO) - 134K 프랑스에서 개발한 비스무스 산화물계의 고온초전도체

(22)

왜 세상 사람들이 고온초전도체에 그토록 깊은 관심을 기울이는가 ? 고온초전도체의 응용분야가 무궁무진하여 잘 활용만 한다면 새로운 산업 혁명을 일으킬 수 있기 때문이다 .  의학적 응용으로는 자기공명현상 ( MRI) 을 이용하여 뇌의 구조를 알아내는 데 초전도 자석이 쓰이고 ,  초전도 자기 에너지 저장소 - 초전도 코일에 매우 큰 전류가 흐를때 형성되 는 자기장의 형태로 에너지를 저장  대중 교통수단의 변화 - 서울과 부산을 40 분만에 주파하는 자기부상열차  박막 선재나 조셉슨 소자를 이용한 고속소자  자기장 및 전압 변화를 정밀하게 측정하는 센서  열 발생 없고 엄청나게 빠른 속도의 컴퓨터나 반도체의 배선등에 이용

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SQUID

 Superconducting Quantum Interference Device  초전도체를 이용하여 미세자장을 측정하는 고감도 센서

 인간의 심장 신호의 측정이나 비행기 날개등의 비파괴 검사에 이용

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통신소자

•고온초전도 박막을 이용하여 제작한 2 채널 멀티플렉서 - 이동통신이나 위성통신 기지국에서 이용될 전망이다 •두개의 신호를 결합하는 hybrid 결합기 - 낮은 손실 때문에 이동통신이나 PCS 기지국에서 핵심부품으로 이용될 전망이 다

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초전도변압기

• 기존의 변압기에 비해 효율이 높은 에너지 절약형

ABB 사의 630kVA3 상 고온 초전도변압기 기초전력공학 연구소에서 제작한

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최근의 초전도 쟁점

 _{고온초전도 현상이 왜 일어나는가 ?}

 Marginal Fermi liquid theory , antiferomagnetic fluction ...

 _{초전도 성질에 관한 발전}  _{물리적으로 초전도 상전이를 이해하려는 노력이 진행되고 있음}  _응용  _{마이크로파를 이용한}_{통신으로의 응용} 전류소모가 작고 통신에 필요한 마이크로파의 전자파 발생 장치 , 필터 , 공진기 , 저잡음 발진기등에 직접 쓰일 수 있다 .

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우리나라의 고온초전도 기술개발 사업 - 과학기술부  고온초전도체를 이용한 초고감도 센싱 기술 및 고성능 정보 전자 소자 기술 개발 • 다채널 고온 초전도 심자도 측정 장치 및 측정 기술 개발 • 병원 수준의 자기 잡음 환경에서 심자도 측정이 가능한 고온 초전도 SQUID 시스템 개발 • 초전도 단자속 양자소자를 이용한 논리회로 설계 및 제작  고온초전도체 응용 차세대 고효율 에너지 및 전력장치 기반 기술 개발 • 전력용 차폐형 고온초전도 한류기 개발 • 수 m 급 YBCO 테이프 제조 기술 개발 • 고온 초전도 변압기 , 전동기 , 한류기 등 전력시스템 실용화 및 상용화 기술 개발