어제 잠깐 둘러보다 쉽게 안식어서 유머챈에 간단히 정리해서 써봤는데 누가 여기에서도 써달라고 해서 복붙함

어쨌든 초전도체에 관해 고등학생 커리큘럼 수준으로 아주 간단히 설명하겠다

틀린거 지적바람 전공이긴 해도 엄연히 학부생이라서 틀린게 있을수 있다


1. LK-99가 초전도체라면?

이 재료로 만든 전선으로 전부 교체만 하면 송전효율 100% 찍어서 당장 모든 화력발전소 영구정지하고 현존 원전만 돌려도 됨.

저항에 의한 열손실때문에 발전소가 많은거지 초전도 전력망 기준으로는 한참 전력 과잉임

근데 초전도 전력망이 없으니 대부분이 열로 손실되니까 여름만 되면 전력 부족하다 난리치는거

1.1 무엇때문에 전선에서 열이 나는가?

전기에서 열이 나는 Joule heating(줄 발열)은 저항에 의해 발생함. 이 저항은 원인이 2가지다

1. 이동하는 자유전자와 다른 전자가 충돌해 발생하는 저항(주로 자유전자가 많은 금속에서 발생)

2. 이동하는 자유전자와 원자핵과 충돌해 발생하는 저항(주로 자유전자가 적은 부도체나 반도체에서 발생)

기억상으로는 저게 원자핵이 아니라 궤도를 도는 전자였던것 같은데 수업노트를 어디다 뒀는지 모르겠네 누가 알면 보충설명좀

분명 전자가 원자핵에 부딧히는 경우는 입자가속기나 중성자별 아니면 일어날수 없는 일로 알고 있는데

1.2 초전도체는 왜 열이 안나나?

초전도체의 현상을 간단히 설명해주자면, 특정 온도에서 저항이 0이 된다.

대부분의 금속물질들은 보라색 곡선처럼 저항값이 온도에 따라 연속적으로 비례하는데, 온도가 아무리 낮아져도 저항이 0이 되지 않는다

왜냐하면 금속 내부에는 자유전자가 너무 많아서 전자-전자 산란이 필연적으로 발생하기 때문


하지만 초록색 선의 초전도체는 특정 온도에서 갑자기 저항이 0이 된다 

즉 [전자-전자 산란]과 [전자-원자핵 산란] 둘 다 일어나지 않고, 어떠한 충돌 없이 전자가 흐름

이렇기 때문에 전자가 충돌할 일이 전혀 없으니 열이 안나는 거


대신 초전도체는 온도와 압력 조건을 동시에 만족해야 한다는게 아주 어려운 숙제이다

MRI도 강력한 전자석을 위해 초전도체를 쓰는데 그 거대한 MRI의 크기는 초전도체를 냉각시켜줄 냉각장치가 대부분임

그래서 현재 난리치는 초전도체?가 상온상압(300K, 1atm)에서 작동한다는게 엄청 놀라운 것

여기서 상온은 우리가 집 안에서 사는 온도인 20~30도를 말한다

1.3 초전도체 반도체?

사실 초전도체로 반도체를 당장 만들 수 있냐고 하면 나는 단호히 "불가능"이라고 말하겠음

왜 이렇게 자신 있냐고?


우선, 초등학교 6학년 수학 시간에 배웠던 것으로 기억하는데

같은 정육면체같은 형태라도(구, 직육면체 등 상관없이 전부 적용됨), 부피가 작아질수록 겉넓이가 상대적으로 넓어지는 거


수학과 다르게 물질계에서는 여기서 한술 더 보태서 특이한 현상이 일어나는데

현재 반도체에 사용되는 크기인 2~7나노미터에서는 부피(bulk) 물성이 약해지고 겉넓이(surface)물성이 부피 물성을 아예 짓밟아서 기존 물성이 아예 바뀜

즉 보고 만질수 있는 크기에서는 초전도체일지 몰라도 반도체에 사용될 정도로 나노미터 크기로 작아지면 초전도 물성이 아예 사라질수 있다는 뜻임


이거때문에 전원 날아가도 저장되는 램 메모리인 FRAM개발에 애를 먹고 있음

왜냐하면 FRAM에 쓸 수 있는 물질이 반도체에 사용될 나노미터 크기로 줄어드니 저장능력을 아예 상실하는 일이 일어나서 연구에 애를 먹고 있다


반도체 공정 이런거 다 넘어가서 양자역학적 레벨 크기로 작아지면 물성이 대부분 바뀌어서 반도체에 쓸 수 없다고 보는 거

다만 방법이 없는건 아닌데

테슬라에서 쓰는 레거시 반도체(28~40nm)정도나, 아니면 더 큰 크기로 타협을 봐서, 옛날 10~20년전 cpu설계도 들고와서 만드는 대신 발열이 없어졌으니 클럭수를 매우 높이는 식으로 타협을 볼 수 있다고 본다. 이러면 물성이 변하지 않을수 있기 때문.


*반대로 양자역학적 레벨 크기에서 초전도 물성을 가진 물질이 부피가 커지면 초전도 물성을 잃는 평범한 물질이 될 가능성이 크다.

**금속도 예외는 아닌데, cpu 내부에서 트랜지스터들을 이어주는 금속 전선들도 크기가 작아지면 금속의 특성을 완전히 상실하기도 한다. 즉 전류를 흘릴 수 없다는 뜻
양자터널링은 논외로 넘어가고 아무튼 이런 이유 때문에 현재에서는 1나노 작게 만드는게 매우 힘든 것

2. LK-99가 모노폴이라면?

묻지마라. 나도 배운적 없다

어떻게 사용할수 있을지 이야기도 제대로 나오지도 않음












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