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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)이 전기가 통하지 않는다. 그렇다고 정말 전기가 하나도 통하지 않는 것이 아니라 저항이 매우 높다는 뜻이며, 그 저항을 뚫을 수 있을 정도의 고전압[7]이 걸리게 되면 큰 전류가 흐르게 되며, 이를 절연파괴라 한다.[8][9] 진짜로 전기가 전혀 통하지 않는 완전 부도체는 없다.[10] 심지어 두께를 원자 수 개 정도로 줄이면 아무리 전기 저항이 높은 부도체라 하더라도 도체마냥 전기가 통해버린다![11]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[12] 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[13]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[14]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
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]
이를테면 번개정도의 초전하 에너지같은 경우, 구름에서 지면까지 대기의 저항을 뚫는다.
[8]
코로나 방전도 공기중에서 일어나는 절연파괴라 할 수 있다.
[9]
이 경우 저항으로 인해 엄청난 열이 발생하게 된다. 벼락 맞은 나무에 불이 붙는 이유가 바로 저항에 의한 발열 때문.
[10]
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.
[11]
터널링이라고 한다.
[12]
대표적 반도체인 실리콘의 띠틈은 약 1.1 eV이다.
[13]
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.
[14]
정확히는
띠틈을 열고
양공을 충분히 만들 수 있는가?