340 likes | 644 Views
물리학의 탐색. 이철의 교수. 미래산업 예측. 신소재 , 정보 , 마이크로 일렉트로닉스 ( 반도체 ), 생명공학 21 세기 주요 과학기술. Ref. 과학기술부 ‘ 2025 년을 향한 장기비전’. 미래과학 발전방향. 과학과 기술 , 과학과 과학 , 기술과 기술간의 융합화 현상이 확산 기술의 시스템화와 지능화추세 기술혁신 속도가 날로 가속화되고 순환주기가 단축 극한기술의 추구와 응용이 확대. 3T 산업. IT (Information Technology)
E N D
물리학의 탐색 이철의 교수
미래산업 예측 신소재, 정보, 마이크로 일렉트로닉스(반도체), 생명공학 21세기 주요 과학기술 Ref. 과학기술부 ‘2025년을 향한 장기비전’
미래과학 발전방향 • 과학과 기술, 과학과 과학, 기술과 기술간의 융합화 현상이 확산 • 기술의 시스템화와 지능화추세 • 기술혁신 속도가 날로 가속화되고 순환주기가 단축 • 극한기술의 추구와 응용이 확대
3T 산업 • IT (Information Technology) • ; 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어, 통신장비 관련 부품등 정보산업 • 과 정보산업의 인프라 구축에 관련된 기술. • NT (Nano-technology) • ; 분자 혹은 원자를 움직여 새로운 분자적 조직을 가진 큰 • 구조물을 만드는 기술로, 신소재 극미세기술을 일컬음. • BT (Bio-technology) • ; 생물의 기능을 이용하는 기술, 인류에 있어서 유의한 것을 생산 • 하기 위하여 생물을 이용하는 즉 기술적, 산업적 프로세스에 • 생물학적인 기구를 응용하는 기술.
3T 산업 지원 추세 - 해외 2000년 대통령 연두교서를 통해 21세기 국가 3대 중점연구과제로 선정 미국 2005년 까지 생명과학, 정보기술 , 환경, 나노 기술 연구개발에 24조 엔(1930억 달러) 투자 일본 프랑스, 영국, 독일, 호주, 대만 미래대비 핵심 전략 기술분야로 선정
3T 산업 지원 추세 - 국내 2년 전부터 국가지정연구실사업, 창의 연구사업등을 통해 나노원리 규명 및 제어를 위한 관련사업 착수 재료-환경, 생체-의약분야 나노기술을 국책사업으로 발굴 추진 ; 향후 3년간 30억원 규모로 집중추진 범부처 차원의 가칭 ‘나노기술개발 추진기본계획(안)’ 수립
국가지정연구실 (대학사업단) (%) 3T 통계자료 BK 21 핵심분야 사업단
History • C60발견. - 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)
Structure • Cylinder of Graphite sheet • Diameter : 수 nm • Single wall nanotube (SWNT) : Arm-chair, Zig-Zag, Chiral • Multi wall nanotube (MWNT) • Rope nanotube
Ch = na1+ ma2 n = m : Arm-chair m = 0 : Zig-Zag otherwise : Chiral n - m = 3q : metal n - m 3q : semi-con. (q 는 정수)
Property • 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)
Application • 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
초전도체란 ? • 전기저항이 전혀 없는 물질로 에너지 산업, 정보통신, 의료, 교통분야에 널리 사용되는 첨단소재 • 1911년 네덜란드의 저온 물리학자 Oness에 의해 처음 발견 - 4.2K에서 수은의 저항이 급격히 사라짐 • 1933년 독일의 Meissner, Oschenfeld에 의해 자기 반발 효과 발견 - Meissner Effect
Type I 순수한 금속 ,합금 낮은 전이온도, Hg - 4 K Type II Ceramic, 높은 전이온도 YBa2Cu3O7-x - 92 K 초전도체의 종류
초전도체의 성질 • Zero resistance - 전이온도 (Tc) 이하에서 전기저항이 Zero가 된다
3가지 임계값 (Critical Value ) 임계전류밀도 (Critical current density : Jc) 임계자기장 (Critical Magnetic Field : Hc) 임계온도 (Critical Temperature : Tc)
초전도 현상은 어떻게 일어나는가? • BCS이론 Bardin, Cooper, Schrieffer Cooper pair - 격자변형(Phonon)을 매개로 2개의 전자가 쌍을 이룸
1987년 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 고온초전도체 프랑스에서 개발한 비스무스 산화물계의 고온초전도체
왜 세상 사람들이 고온초전도체에 그토록 깊은관심을 기울이는가? 고온초전도체의 응용분야가 무궁무진하여 잘 활용만 한다면 새로운 산업 혁명을 일으킬 수 있기 때문이다. • 의학적 응용으로는 자기공명현상 ( MRI)을 이용하여 뇌의 구조를 알아내는데 초전도 자석이 쓰이고, • 초전도 자기 에너지 저장소 - 초전도 코일에 매우 큰 전류가 흐를때 형성되는 자기장의 형태로 에너지를 저장 • 대중 교통수단의 변화 - 서울과 부산을 40분만에 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
SQUID • Superconducting Quantum Interference Device • 초전도체를 이용하여 미세자장을 측정하는 고감도 센서 • 인간의 심장 신호의 측정이나 비행기 날개등의 비파괴 검사에 이용
통신소자 • 고온초전도 박막을 이용하여 제작한 • 2채널 멀티플렉서 • - 이동통신이나 위성통신 기지국에서 이용될 전망이다 • 두개의 신호를 결합하는 hybrid 결합기 • - 낮은 손실 때문에 이동통신이나 PCS 기지국에서 핵심부품으로 이용될 전망이다
초전도변압기 • 기존의 변압기에 비해 효율이 높은 에너지 절약형 기초전력공학 연구소에서 제작한 단상 3kVA 고온초전도 변압기 ABB사의 630kVA3상 고온 초전도변압기
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.
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 m급 YBCO 테이프 제조 기술 개발 • 고온 초전도 변압기, 전동기, 한류기 등 전력시스템 실용화 및 상용화 기술 개발