음의 굴절율 - 슈퍼렌즈와 투명망토

Introduction

소설 ‘해리 포터’ 시리즈에서 주인공 해리 포터는 보이지 않는 망토를 쓰고 자신의 모습을 감춘다. 그리고 망토를 벗으면 다시 모습이 드러난다. ‘해리 포터’ 시리즈가 전 세계적으로 연이은 히트를 치면서 대부분의 사람들이 투명망토에 대하여 거부감 없이 받아들여지는 시대를 초래하였다. 우리의 상상속에서 존재하였던 혹은 마법의 세계에서나 가능했던 물체를 안보이게 하는 방법인 ‘투명망토’ 에 대해 최근 물리학자들이 실현가능한 아이디어를 내놓고 있다.



contents


1. 빛의 굴절율

빛의 굴절율은 서로 다른 두 배질의 경계면을 지날 때 Snell의 법칙에 따라 꺾이게 되면서 최단거리가 아닌 최소경로를 택한다. 이는 Fermat가 최단거리 대신 최단시간으로 대치하면서 최소원리를 굴절현상에서도 설명할 수 있음을 보였다. 최단거리와 최단시간의 차이가 발생하는 것은 경로차와 더불어 굴절율에 따라 빛의 진행속도가 달라지기 때문이다. 진공속에서 빛의 진행속도 c=299,792,458m/s이며 굴절율 n인 매질 속에서의 빛의 진행속도는 c/n으로 주어지며 대부분의 매질의 경우 굴절율은 1보다 크므로 매질 속에서의 빛의 진행속도는 c보다 작다.


2. 음의 굴절율과 메타물질

광학의 기본원리로 정착한 Fermat의 최소원리의 예외적인 경우인 음의 굴절율의 시작은 1968년 Veselago의 이론적 제안이었다. Veselago는 매질이 음의 유전율과 투자율을 갖는 경우 매질 굴절율 값이 음이 됨을 보이고 이 매질은 매우 특이한 광학적 성질을 가질 것으로 이론적으로 주장하였다.



Veselago이론적 제안을 근거로 2000년 Smith와 Schultz 공동연구진은 음의 굴절율을 갖는 인공물질 즉, 메타물질을 만드는데 성공하였다. Smith와 Schultz 공동연구진은 금속막대와 특별한 형태의 금속회로 구조들을 조합하여 동시에 음의 유전율과 투과율을 갖는 복합구조를 인공적으로 제작하고 이를 NIM(negative index material)의 특징이 구현됨을 보였다. 이를 계기로 NIM에 대한 연구는 매우 활발해졌다.
2004년 독일 칼스루대학의 연구진들은 광선추적 프로그램을 이용해서, 음의 굴절률을 가진 물질(메타물질)이 아주 특이한 성질이 있다는 것을 보여주었다. 예를 들면, 볼록형 음의 굴절률 렌즈가 오목형 양의 굴절률 렌즈처럼 작용한다거나 음의 굴절률 액체가 채워진 유리컵에 들어있는 막대가 끊어진 것처럼 보이게 되는 것이다.





3. 가시광선영역에서의 메타물질

2001년 2003년 물리학자들은 작은 C자 모양의 고리와 작은 막대로 이루어진 메타 물질을 이용해서 마이크로파 영역에서 작동하는 음의 굴절을 보여주었다. 하지만 투명망토의 기본 조건인 가시광선에서의 음의 굴절율 메타 물질을 실험하지는 못하였다.
가시광선에서의 음의 굴절율 처음 시작은 캘리포니아 공과대학의 물리학자 헨리 레체크(Henri Lezec)와 그의 동료들이었다. 그들은 가시광선을 보통과 반대방향으로 휘게 하려고 나노 박막을 이용했다. 연구원들은 빛의 파동이 이 층을 따라 흘러갈 때, 금속 절연체 공유 면에 있는 전자들을 휘저어, 표면 플라즈몬 폴라리톤이라고 부르는 물결을 만든다. 이 물결들이 빛을 싣고 가다가 판의 다른 쪽 끝에서 나타난다. 빛이 어떤 특정한 주파수를 가지고 있으면 플라즈몬의 물결은 빛의 흐름을 역행해서 위로 흐른다. 음의 굴절을 만들 때 이것이 핵심 요소이다. 연구원들은 판을 쐐기 모양으로 잘라, 다양한 색깔의 빛을 휘게 하는 프리즘으로 사용함으로써 시범을 보여주었다. 이 프리즘은 적색 광선은 평범한 방법으로 휘게 하지만, 파장이 더 짧은 녹색 광선은 반대 방향으로 휘게 한다는 것을 밝혔다.














이 연구에서는 한정된 재료와 한정된 파장에서만 음의 굴절률을 실현했지만, 가시광선 영역에서 최초로 음의 굴절률의 가능성을 보여주었다는 데 의미가 있다.

4. 메타물질의 응용 - 의학, 정보전자 분야

* 현재의 렌즈는 빛의 파장보다 작은 나노 크기의 물체를 선명히 볼 수 없지만 메타물질은 작은 물체도 선명히 볼 수 있기 때문에 혈관 수술에 이용할 수 있다.
* 메타물질 내부에서 빛이 휘는 원리를 이용하면 빛을 저장하는 장치도 개발할 수 있다. 메타물질을 응용해 전자 대신 빛으로 정보를 처리하면 지금보다 빠르고 성능이 좋은 컴퓨터를 만들 있다.
*가시광선에서 음의 굴절률을 가진 물질이 개발되면 바이오 이미징이나 나노 리소그래피에 사용되는“완벽한”렌즈를 만드는 데 이용될 수 있을 것이다.

summary

음의 굴절율을 통한 수퍼렌즈나 투명망토는 오랜 역사를 지닌 광학과 광학의 기초상식에 도전하고 있다. 이는 양자역학의 도래로 인하여 오랫동안 진리라 믿었던 고전역학의 기본적 개념의 부분적 오류를 깨우치는 것과 같다. 이와 같은 물리학 분야의 끊임없는 도전은 이전의 역사를 혁신적인 변화가 아닌 부분적 변화를 통하여 첨단기술의 발전과 상상속의 세상을 밖으로 끄집어 낼 것이다.

reference

http://www.sciencetimes.co.kr/
http://www.donga.com/
http://kin.naver.com/
http://people.ee.duke.edu/

메모리 [ memory ]

1. 메모리란
- 메모리(memory)는 인간의 기억·기록능력을 전자적 수단에 의해 실현하는 장치로 컴퓨터나 통신기기, 방송기기, 교육·오락기기 등의 중요한 구성요소가 되며 또 그 자원(resource)이 된다. 반도체산업 중에서 커다란 비중을 점하는 것이 메모리이며 1K비트 제품이 시장에 나온 것이 1971년으로 그 후 반도체 메모리는 기억용량을 2∼3년에 4배라는 경이적인 속도로 향상시켜 기억용량이 1메가(M = 1백만)비트를 넘어서 4M비트, 16M비트에까지 이르렀으며 64M비트도 개발했다. 메모리는「테크놀로지 드라이버」라고도 일컬어지며 그 기술의 진보가 첨단부품이나 시스템. 기기의 발전을 촉진시키는 것이 된다. 종류에는 DRAM(리프레시를 필요로 하는 RAM), SRAM(리프레시를 필요로 하지 않는 RAM), ROM, EPROM, EEPROM 등이 있는데 가장 시장이 큰 것이 DRAM이다.


2. 메모리의 기본 구조
- 사람은 다양한 형태의 정보를 여라가지 감각기관으로 입수 할 수 있지만 컴퓨터는 오직 0과 1 상태만을 구별할 수 있다. 따라서, 컴퓨터의 모든 정보는 이진법으로 저장되는데 모든 정보가 0과 1 상태만을 표시하는 전지신호로 변환되어 입력, 풀력, 저장, 연산등에 처리된다.
- 반도체 메모리에서 정보는 셀이라는 곳에 전기 신호로 기억되는데, 1셀에는 1비트의 정보가 저장된다. 셀은 규칙적으로 배열되어 있는 작은 방 구조를 의미한다. 메모리 셀의 역할은 1비트 데이터의 쓰기, 읽기 및 저장이다.
- 데이터와 주소는 어떤 구조로 저장될까? 바둑판을 생각해 보자. 바둑판은 행과 열을 나타내는 규칙적인 가로와 세로의 선들이 표시되어 있어서 한 점의 위치를 나타내려면 몇 번째 행의 선과 몇 번째 열의 번호를 알면 그 좌표로 모든 위치를 파악할 수 있다. 반도체 메모리의 데이터 저장 방식은 이와 동일한다. 반도체 메모리에서는 행을 표시하는 선을 워드선, 열을 표시하는 선을 비트선이라고 한다. 워드선과 비트선이 선택되면 두 선이 만나는 점의 셀이 선택된다.
- 두 선이 만나는 곳마다 하나의 셀이 위치하므로, 메모리의 집적도는 워드선의 수와 비트선의 수를 곱한 것과 같다.


3. 메모리의 종류



- 지금까지 우리 주위에서 흔히 사용되고 있고 잘 알려진 메모리 반도체는 DRAM, SRAM, NAND FLASH, NOR FLASH, MASK ROM 등이 있다. 이 외에도 메모리도 현재도 새로운 메모리가 개발 중에 있다.
- 메모리의 종류는 전원을 끄면 데이터가 그대로 남아 있는지 아니면 사라지는 지의 여부로 구분하여 휘발성(Volatile) 메모리와 비휘발성(Non-volatile) 메모리로 나뉜다. 휘발성 메모리는 DRAM, SRAM이 있고, 비휘발성 메모리는 FLASH, MASK ROM, M-RAM, P-RAM, Fe-RAM 등이 있다.

트랜지스터 [ transistor ] 의 외형

트랜지스터 [ transistor ]

1. 트랜지스터의 개요
- 트랜지스터는 1947년 미국 벨연구소의 윌리엄 쇼클리(Wiliam Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter Brattain)이 처음으로 발명하였다. 보통 트랜지스터는 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)를 의미하며 전기장 효과를 이용한 전기장 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)가 있다.
- 트랜지스터는 기본적으로는 전류를 증폭할 수 있는 부품이다. 아날로그 회로에서는 매우 많은 종류의 트랜지스터가 사용되지만 디지털 회로에서는 그다지 많은 종류는 사용하지 않는다. 디지털 회로에서는 ON 아니면 OFF의 2차 신호를 취급하기 때문에 트랜지스터의 증폭 특성에 대한 차이는 별로 문제가 되지 않는다. 디지털 회로에서 트랜지스터를 사용하는 경우는 릴레이라고 하는 전자석 스위치를 동작시킬 때나 (릴레이는 구동전류를 많이 필요로 하기 때문에 IC만으로는 감당하기 어려운 경우가 있음), 발광 다이오드를 제어하는 경우 등이다. 트랜지스터는 반도체의 조합에 따라 크게 PNP타입과 NPN타입이 있다. (PNP타입과 NPN타입은 서로 전류의 방향이 다름)


2. 트랜지스터의 구조와 종류



- 트랜지스터는 규소나 저마늄으로 만들어진 P형반도체와 N형반도체를 세 개의 층으로 접합하여 만들어진다. E(emitter)로 표시되는 에미터에서는 총 전류가 흐르게 되고 얇은 막으로 된 베이스(B; base)가 전류흐름을 제어하며 증폭된 신호가 컬렉터(C; collector)로 흐르게 된다. 접합의 순서에 따라 PNP형 혹은 NPN형 트랜지스터라 명명한다. NPN형인 경우 전류는 에미터 쪽으로 흐르고 PNP형인 경우 에미터에서 나가는 방향으로 전류가 흐른다. 이를 전자회로의 기호표기에서 전류방향을 화살표로 나타낸다.


3. 트랜지스터의 특징
- 트랜지스터의 전원 연결은 에미터 쪽에 그려진 화살표 방향으로 전류의 방향이 되도록 연결한다. 기본적으로 PN접합이 양쪽에 있는 형태이므로 다이오드에서와 같이 접합면에서 전자의 확산에 의해 공핍층이 생기고 결과로 공핍층 전기장이 생겨 더 이상의 전자의 확산을 막게 된다.



- (a)에서 처럼 베이스와 에미터 간에 전원이 없이 연결된 상태에서는 베이스와 에미터가 같은 전위이므로 전류가 흐르지 않는다. 베이스 간에 전원에 의한 전기장 방향(+에서 -전압방향)이 공핍층 전기장 방향과 같은 역방향 바이어스이므로 전류가 흐르지 않는다. 그런데 (b)와 같이 베이스와 에미터 간에 공핍층 전기장에 반대방향의 순방향 전원을 연결하면 전자가 움직이게 된다.
- 한편, 베이스와 컬렉터 사이에는 공핍층과 같은 방향의 역방향 전기장이 형성되어 컬렉터 부분의 N형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 움직이지 않게 된다. 그런데 베이스와 에미터 간의 순방향 전원에 의해 이동된 전자에 대해서는 베이스와 컬렉터 사이의 전기장 방향이 순방향 바이어스가 되어 에미터에서 이동한 전자들이 컬렉터 쪽으로 흐르게 된다. 참고로 전자의 이동방향은 전기장방향의 역방향이며 전류방향의 역방향이다. 이때 컬렉터로 흐르는 전류는 베이스로 흐르는 전류에 비해 증폭된 형태로 나타나게 되므로 베이스에 작은 신호가 컬렉터에 증폭되어 나타나 트랜지스터는 증폭기로 사용된다.


4. 트랜지스터의 역할
- 증폭과 스위칭.
- 라디오 안에 들어있는 트랜지스터를 예로 들면, 공중을 통해 전해진 매우 미약한 신호의 강약을 확대(증폭)하여 스피커를 울리는 것이다. 이러한 역할을 하는 것이 트랜지스터의 증폭 작용이다. 입력 신호의 파형을 바꾸지 않고 그 전압과 전류의 크기만을 확대하는 것이다. 이러한 역할은 아날로그 신호일 경우이며, 컴퓨터 등에서 사용되는 디지털 신호의 경우, 트랜지스터는 0과 1을 전환하는 스위치의 역할을 한다. IC 와 LSI 는 결국 트랜지스터의 집합이며, 그 역할의 기본이 되는 것은 트랜지스터의 증폭 작용이다.


5. 트랜지스터의 증폭 원리
- 트랜지스터는 게르마늄이나 규소(실리콘)의 단결정 소편에 불순물을 첨가하되 불순물의 종류가 p형과 n형이 있기 때문에 pnp의 순서로 3층 구조로 만들 때도 있는데, 각 층에서 단자(端子)를 내기 때문에 3단자의 소자이다.
- pnp의 경우, 왼쪽단자와 연결된 p층에서 양공(陽孔, hole:격자 질서상 있어야 할 곳에 전자가 없는 상태, 정공이라고도 함)을 중간층(베이스층)에 방출하는데, 이 방출기능으로 해서 왼쪽 부분의 이름이 이미터이며, 중간층 베이스를 통과하여 가장 오른쪽 p형 부분에서 양공들이 수집되기 때문에 가장 오른쪽 부분을 컬렉터라고 한다.



- npn형 트랜지스터의 경우는 이미터로부터 컬렉터로 가는 것이 양공이 아니고 전자가 되어 컬렉터에 양전위를 인가하여야 한다(pnp의 경우는 음전위). pnp형 반도체의 조합은 서로 마주보고 있는 다이오드의 조합과 등가(等價)이다. 이 조합에 그림과 같이 전지(電池)를 결선해 주면 이미터-베이스 간에는 순방향, 베이스-컬렉터 간에는 역방향의 전압이 걸리게 된다. 이미터-베이스 간은 순방향이기 때문에 전기의 주된 운반체(carrier)인 양공이 이미터에서 베이스에 흘러들어가게 된다.
- 만일 베이스의 두께가 충분히 얇아 전자와의 재결합이 안 되는 양공이 대부분이라면, 이미터에서의 전류는 컬렉터의 전류와 거의 같아지는데, 이때 컬렉터에는 수~수십 V가 걸려 있기 때문에 쉽게 끌려가게 된다. 베이스층에서 전자와 결합된(극히 일부) 양공이 베이스 전류로 흐르게 되는데 작은 베이스전류로 큰 컬렉터전류를 지배할 수가 있다.
- 베이스에서 재결합하는 양공에 해당하는 전류와 컬렉터에 제대로 도달하는 양공전류와의 비(比)를 그 트랜지스터의 전류 증폭도라고 말하는데, 보통 제품에 있어서는 10~200이다. 컬렉터측에 적당한 부하저항을 결선하면 30~200의 전압증폭도를 얻을 수 있다. 트랜지스터는 증폭작용 외에도 변조·복조·발진 등도 행할 수 있으며, 클립·슬라이스 등의 파형정형(波型整形)이나 스위칭은 진공관보다 더 성능이 좋다.

Topological insulator (이은지)

[Introduction]
▶ Insulator : A material which resists the flow of electric current
▶ Example :

[Theory]
▶ 이러한 Topological insulator의 원리를 이해하고 싶다면 먼저 알아둬야할 몇 가지 개념들이 있다.
1)Classical Hall effect

: 여기서 보통 홀효과라고 하면 홀을 hole로 생각하는 사람들이 있는데 그것은 오개념이다.(19세기 마지막에 홀이란 사람이 생각해냈다.) 이 효과에 대해 자세히 알아보려면 위에 그림을 참조하면 더 쉽게 이해가 가능하다. 홀 효과는 금속이나 반도체의 양단에 전류를 흘리고, 이에 수직되게 자기장을 걸어주면 Lorentz force 를 받아서(Lorentz force에 관한 공식은 위식을 참조하거나 고전역학 복습요망)전류와 자기장에 수직한 방향의 양단이 전하를 띠게 되고, 내부에는 전기장이 형성되는데 이를 홀 효과라고 한다.

2) Integer quantum Hall effect (von Klitzing 1980)

: 양자홀효과는 일반적인 홀효과와는 약간의 차이가 있다.
홀 효과에서는 홀 전도율이 자기장에 반비례해서 변화하는 데 대해 양자홀효과는 이것이 e2/h의 정수배인 곳에서 평탄한 계단 모양이 된다.(아래 식 참조) 이것이 양자홀 효과이다.

양자홀효과는 이 때 걸어주는 자기장이 엄청 커질 때, 전자는 원운동을 하게 된다.(아래 그림 참조)


3) Landau Level
: Landau level(란다우준위)는 균일한 자기장 내의 전자가 자기장에 수직인 평면 내에서는 원운동(사이클로트론운동)을 하여 양자화되어 에너지준위를 갖는다. 그 에너지 준위 관련 식은 다음과 같다.

이 때 생기는 에너지 준위를 그래프로 살펴보면 아래 그림과 같다.


4) Edge state
: 위에서 알아본 양자홀효과로 전자들이 Landau level로 원운동하는 것을 알게 되었으면, 다음에 이해해야할 개념이 바로 Edge state이다.

위 그림을 참조하여 이해하면, 전자들의 원운동들이 결국은 가장자리를 따라 돌아가는 Edge state를 만든다는 것으로 이해할 수 있다.

▶위의 개념들을 이해했다면, 이제 본격적으로 Topological insulator에 대해 알아보자.
◆Topological insulator?
▷A topological insulator is a band insulator which is characterized by a topological number and which has gapless excitations at its boundaries.
▷더 쉽게 설명하자면, 전자상태 구조가 다름에 따라 일반적으로 재료는 "금속"과 "절연체" 두 가지 유형으로 나누어진다. 하지만 topological insulator는 하나의 새로운 양자 물질 상태이고 일반적인 "금속"과 "절연체"와는 다르다. 이런 물질의 electronic state는 energy gap이 있는 절연체이고 표면은 에너지 갭이 없는 금속상태이다. 위의 양자홀효과로 인한 edge state를 이해했다면 그 edge state가 결국 전자가 가장자리를 따라 돌아가므로 metallic edge state를 형성하는데 이것을 이차원에서 본다면 topological insulator는 3차원으로 확장된 것이다. 아래의 그림을 참조하라.

▷Topological insulator의 표면 금속 상태는 재료의 전자상태의 기하학적 구조, 그의 대칭성에 의하여 결정되지 표면의 구체적인 구조와 관계없다. 이러한 표면 금속 상태는 대칭성에 의하여 결정되어 그의 존재는 매우 안정적이다.
▷이 insulator의 기본 성질은 "양자역학"과 "상대론"이 공동으로 작용한 결과이고, spin-orbit coupling작용으로 표면에서 에너지 갭이 없는 스핀 표면 전자상태를 생성시킨다. 이러한 표면 상태(surface state)는 효과 질량이 없는 2차원 전자가스(Two-Dimensional Electron Gas, 예로 전계효과 트랜지스터에서 광범위하게 사용되는 2차원 전자가스)를 형성하고, 이는 dirac`s equation으로 묘사할 수 있으며 Schrdinger wave equation을 사용할 수 없다.

[Summary]
여러 개념들을 먼저 이해하고, topological insulator의 원리를 이해해보았다. 결국에 topological insulator는 전류가 표면에서는 잘 흐르지만, 벌크를 통해서는 흐르지 않는 특이함을 갖고 있다는 사실을 알게 되었다. 양자홀효과에 의해 metallic edge state가 형성되기 때문에 이러한 특이함을 보이는 것이다.
Zhang Haijun, Dai Xi, Fang Zhong 연구원은 미국 스탠퍼드대학의 Zhang Shousheng 연구팀과 협력하여 새로운 강한 topological insulator 재료 시스템(Bi2Se3, Bi2Te3 and Sb2Te3)을 제기하였다. 연구팀은 이론과 계산을 통하여 이러한 재료가 강한 topological insulator가 되는 물리적인 메커니즘을 연구하였고, Dirac 점 위의 Hamiltonian를 제기하였고, 또한 APRES 전자 스펙트럼을 계산하였다. 이러한 topological insulator의 재료는 순수한 화학상태를 가지고 있어 안정적이고 쉽게 합성된다. 이러한 중요한 특징은 이 insulator 미래의 전자 기술 발전에서 중요한 응용 전망이 있다는 것을 보여주었다.

[References]
J.E.Avron, D.Osadchy, and R.Seiler , A topological look at the Quantum Hall Effect
Xiao-Liang Qi and Shou-Cheng Zhang, The quantum spin hall effect and topological insulator
http://kr.blog.yahoo.com/spurgeon1214/1263002
http://minitp.or.kr/minitp/new_tech/view_all.jsp?cPage=1&gubun=null&menu=5&no=153812&idx=146260&left=1
http://en.wikipedia.org

Angle resolved photoemission spectroscopy

Angle resolved photoemissionspectroscopy는 각도분해 광전자분광법이라고도 말한다.

이를 간단히 말하자면, 물질에 자외광이나 X선을 쬐어주어 물질 밖으로 나오는 광전자의 방출각을 변화 시키면서 운동에너지를 측정하여 물질 내의 전자상태를 구하는 방법이다.

위의 그림과 같은 방법으로 물질을 연구한다.

이론으로 예측된 결과를 검증하는 것만이 아니라, 아직은 설명되지 않은 고체의 성질을 이해하기 위해서도, 여러 가지 실험방법들이 그 실마리를 제공할 수 있는데, 특히나 중요한 것은 갖가지 저에너지 들뜸에 의한 분광학적 실험이라 할 수 있다.

그 중에서도 각도분해 광전자 분광법(ARPES)은, 중성자 비탄성 산란과 더불어 고체의 성질을 이해하기 위한 가장 중요한 방법들 중 하나라 할 수 있다.

광전자 분광법(PES)은 아인슈타인의 광전효과를 이용한 것으로, 고체의 일함수보다 큰 에너지를 가진 광자를 고체 시료에 쪼인 후 그 에너지를 흡수한 광전자가 얼마나 많이 나오는지를 에너지에 따라 재는, 즉 스펙트럼을 얻는 실험 방법을 말한다.

PES는 고체 표면에 매우 민감한 실험이다.

공기 중에 노출된 고체는 많은 불순물이 고체 표면에 달라 붙기 때문에, 우리가 원하는 시료의 스펙트럼을 얻기 위해서는 무엇보다 먼저 이러한 불순물을 제거하는 것이 필수적이고, 실험 중에는 초고진공을 유지해야 한다. 또한 고체의 표면은 그 내부와 매우 다른 전자구조를 가질 수 있기 때문에, 스펙트럼의 어느 부분이 표면에서 기인하는 것인지를 파악하는 것이 중요하다.

하지만PES가 표면에 민감하다는 단점이, 거꾸로 표면 상태를 조사하기 위해서는 가장 강력한 도구라는 장점이 된다.

모든 분광 실험은, 어떻게 하면 높은 에너지 분해능을 가지고 빠른 시간 안에 신호 대 잡음비가 높은 스펙트럼을 효율적으로 얻을 것인가가 좋은 결과를 얻는 관건이 된다.

관심을 둔 시료가 단결정이면서, 운이 좋아 거울처럼 매끈한 표면을 얻을 수 있으면, 시료에서 방출되는 광전자의 방출 각도가 잘 정의된다. 광전자의 운동에너지는 그 운동량의 제곱에 비례하고, 표면에 나란한 방향의 광전자의 운동량이 시료 안과 밖에서 보존된다는 것을 이용하면, 광전자의 운동에너지와 방출 각도로부터 시료 안에서의 표면에 나란한 방향의 전자의 운동량을 결정할 수 있다. 표면에 수직한 방향은 표면에서의 퍼텐셜 차이 때문에 곤란한 점이 있지만, 빛 에너지를 바꾸면서 스펙트럼을 얻어, 단결정의 병진 대칭을 조사하면 수직 방향의 운동량 또한 결정할 수 있다. 이처럼 광전자의 고체 안에서의 운동량을 결정할 수 있는 실험을 ARPES라고 한다.

좋은 운동량 분해능을 위해서는 좁은 각도 안의 광전자만 측정해야하는데, 보통의 동심 반구형 분석기는 10도 이상의 큰 수용각을 가지고 있다. 지난 세기말에 광전자의 방출 각도를 전자 검출기까지 그대로 유지할 수 있는 전자 렌즈가 개발되어, 분석기가 받아들인 전자 모두의 각도를 결정할 수 있게 되었다.

광전효과(PES)

<아인슈타인> <하인리히 루돌프 헤르츠>
아인슈타인은 1905년도에 발표한 광전효과에 관한 논문으로 노벨상을 수상하였다.
하지만 광전효과를 최초로 발견한 이는 헤르츠였다. 그는 1887년에 자외선을 금속판에 쪼여 주었더니 스파크(방전현상)가 일어나는 것을 확인했지만 광전현상을 규명하지 못하였다. 하지만 아인슈타인이 광젼효과를 밝혀내었다.

<광전효과>
광전효과란 특정 진동수를 가진 빛을 금속판에 쪼여주면 금속판 안에 있던 전자들이 금속판에서 떨어져 나와 운동을 하는 것을 말한다. 이때 튀어나오는 전자를 광전자라고 하며, Photon이라고 부른다.

#광전효과 실험을 통한 결과

1. 비추는 빛의 진동수가 특정한 값(한계진동수)를 넘지 않으면 빛을 아무리 세게 비추어도 전자가 방출되지 않으며, 한계진동수는 물질마다 다르다.

2. 일단 방출된 전자의 운동에너지는 빛의 세기와는 무관하며, 빛의 진동수에 비례한다.

3. 방출된 전자들의 수(전류의 세기)는 비춘 빛의 세기와 비례한다.

광전효과가 가지는 물리학적 의미는 빛이 전자기 복사에 의해 오로지 파동의 성질만을 가진다고 생각했던 당시 사람들의 인식을 깨버린 계기가 된 발견이다.

고전 물리학에서는 빛은 파동이고, 파동의 에너지는 진폭의 제곱에 비례한다. 즉, 에너지는 빛의 세기의 제곱에 비례해야 하지만 위에서 말한 실험결과 1과2를 설명해주지 못한다. 또한 한계 진동수에 미치지 못하는 빛을 아무리 세게 오랫동안 비추어도 전자가 방출되지 않지만, 한계진동수를 넘는 빛을 약하게 잠깐만 비추어도 바로 전자가 방출되어, 이러한 현상도 진폭(빛의 세기)의 제곱에 비례한다는 것으로는 설명할 수 없었다.

광전효과는 및이 파동 뿐만 아니라 광자(Photon)라고 하는 입자의 성질을 가지고 있다는 것을 보여주는 현상이다. 이를 빛의 이중성이라고도 부른다.

광전효과실험동영상

제 3의 탄소 동소체, 플러렌

( 콜로퀴엄을 듣고 플러렌이라는 단어가 나오는데, 어떤 물질인지 궁금증이 생겨서 조사하여 올립니다.)


플러렌(풀러렌, 풀러린; fullerene)은 다이아몬드, 흑연과 같은 탄소 동소체(같은 원자로 이루어져 있으나 분자식이 서로 다른 물질)이다.
플러렌 분자는 탄소 원자 60개로 구성되어 있다.
다이아몬드보다 강도가 더 높고, 고온과 고압에 강하다.
내부가 텅 빈 구조이기 때문에 다른 물질과 결합함으로써 도체나 전도체, 초전도체로 기능할 수 있으며, 안에 약을 넣어 인체의 특정 부위에 전달하는 등 나노 의학에도 활용되고 있다.







1985년 처음 발견되었는데 과학자들은 이 물질이 탄소 원자 60개로 이루어진 것은 알아냈으나, 이 60개의 원자들이 어떠한 구조로 결합되어 있는지를 알 수 없었다. 그러던 중 이들은 우연히 건축 박람회장에 갔다가 축구공처럼 오각형과 육각형으로 이루어진 조형물을 보고 영감을 얻었다.
축구공과 동일하게 12개의 오각형과 20개의 육각형을 이어붙이면 60개의 꼭지점이 생기는데 각 꼭지점에 탄소 원자 하나씩을 배열한 것이 플러렌의 구조이며, 이 가설은 후에 실험으로 입증되었다.
플러렌이라는 이름은 조형물을 제작한 미국의 건축가 벅민스터 플러에서 딴 것이다.

초기에는 헬륨가스 속에서 흑연에 레이저 광선을 쪼임으로써 플러렌을 생성했는데, 생성법이 점차 발전하여 전기와 유기용매를 이용해 럭비공 모양의 C70이나 드물게 C76, C78, C82, C90, C94, C98 등의 고차 플러렌도 얻을 수 있다.


출처
http://blog.naver.com/kwy4679?Redirect=Log&logNo=20109900761

그래핀이 만들 우리의 미래 ( 콜로퀴엄 - 전지혜 )

노벨물리학상, 그리고 그래핀

최근의 노벨물리학상을 수상한 안드레 가임, 콘스탄틴 노보셀로프가 발견한 그래핀에 대한 관심이 높아지고 있다. 그래핀 실험을 통해서 신소재를 개발할 수 있게 됐으며 이것을 이용해서 속도가 빠른 컴퓨터 제조를 가능하게 해서 전자공학의 제조 혁신을 불러 올 수 있을 것으로 전망 하고 있다.



그래핀은 탄소가 육각형 모양으로 연결 돼 있는 벌집모양의 평면구조 물질이다. 흑연과 마찬가지로 순수한 탄소로 이루어진 물질이다. 현재까지 인류가 발견한 가장 얇으면서도 튼튼한 물질로서 부드럽게 휘어지며 투명할 뿐만 아니라 전기존동성이 높아서 이것을 가지고 응용할 분야가 무궁무진하다.



특히 휘어짐은 디스플레이, 고효율 태양전지, 실리콘보다 전도율이 100배이상 높기 때문에 이를 대체할 수 있는 초고속 반도체 등이 미래사회의 판도를 바꿀 꿈의 소재로 주목을 받고 있다.



탄소원자들끼리 결합을 해서 육각형의 평면구조가 되면 그래핀이 되는 것이고 그래핀이 튜브형태로 말려 있게 되면 탄소나노튜브이고 축구공 모양이면 플러렌이 된다. 재미있는 것은 그래핀이 겹겹이 쌓여 있으면 흑연이 되며 흑연이 초고압 상태로 놓이게 되면 그래핀 층 사이에 결합이 형성되면서 다이아몬드가 됩니다.

출처 : http://blog.naver.com/frontierblog?Redirect=Log&logNo=100114257784

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* 콜로퀴엄 내용 *

1) 미래사회에 대한 전망 :
- 휴먼인터페이스 시스템의 대두
- 휴먼인터페이스 시스템 구현을 위한 원천기술의 중요성 ; 소재가 중요함
- 손목팔찌형, 돌돌 말 수 있는 인터페이스 출현
- 유연한 전극의 필요성
- 대면적 그래핀 필름의 신축성, 투명성, 전도막 형성
- 접고 늘려도 전기가 안정적으로 흐르는 그래핀
- 입는 컴퓨터

2) Graphene 이란?
- 산소나노튜브, 그래파이트, 플러린
- 어원 : Graphite + ene(이중결합을 의미) = Graphene
- sp2의 평면구조 , 다이아몬드는 sp3, 4각 8각보다 6각이 안정
- 지금의 연필보다 마찰이 없는 슬라이딩을 가져 쓸 때 부드러움을 더욱 느낄 수 있음
- 스카치 테이프 방법으로 분리, size = a few um ~ nm
- Mechanical exfoliation of Graphite Crystal
- 그래핀의 bend 구조 : Dirac Particle in 2-D : 금속성과 빠른 전자흐름의 이유
- 투명디스플레이 증가 : 인듐활용과 수급전망 하락

3) 기존 전극 및 바도체 소자의 한계
- 기존전극 : 딱딱한 산화물, 깨짐 - 그러나 그래핀으로 유연한 전자기기구현이 가능함.
- 실리콘 기반 반도체 기술의 한계 : 발열 ( 왜냐하면 전기저항 발생 )

4) 그래핀의 합성
- 흑연을 초음파 등을 이용하여 잘 분리하여 그래핀 필름을 얻음
- 화학증기증착법을 이용한 그래핀 합성 원리 :
니켈증착-가열-탄소증착-냉각-그래핀합성-니킬제거-에칭-그래핀 분리-전사-샘플완성

5) 그래핀의 특징 & 전망
- 아이폰은 손의 약한 전극을 감지하기 때문에 신체접촉을 피하는 것이 좋지만 그래핀은 Gap 이 없어서 전자기파를 모두 흡수하기 때문에 비교적 괜찮음.
- 휘어지는 메모리, 회로 만들 수 있음.
- 그래핀은 열방출물질로도 활용 (전자산업에 중요함)
- 투명히터, 면발광, 조명과 디스플레이의 경계가 사라질 것임.
- 투명한 쇼윈도우 가능. (현재 40%까지 가능 - 70%까지 끌어올릴 것임)
- OLED 는 산소와 수분에 취약함. - 그래핀으로 산소투과율을 높힐 수 있음.
- 캔이 패트병보다 수분투과율이 낮아서 맛도 좋음 : 그래핀은 식품보관기술에도 유용함.
- 구리는 20~50년 사이에 자원이 고갈될 것임
- 그래핀의 강도는 알루미늄과 비슷하지만 열전도도는 구리보다 큼. 따라서 전선으로 사용가능.


* 콜로퀴엄 사진 자료 *

Graphene

그래핀(Graphene)은 탄소원자들이 벌집 모양으로 연결된 얇은 막 구조이다.

그래핀을 여러 층 쌓으면 흑연 연필심이, 김밥처럼 돌돌 말면 탄소나노튜브가 된다.
두께는 0.35nm로 매우 얇지만 전기전도성이 뛰어나고 잘 휘어진다.
구리보다 100배이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있다. 강도는 200이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배이상 열전도성이 높다.
탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.
이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 '꿈의 나노물질'이라고 불린다. 그래핀과 탄소나노튜브는 화학적 성질이 아주 비슷하다.
그래핀은 탄소나노튜브보다 생산하기 더 쉽기 때문에 탄소나노튜브보다 더 각광 받는다.
물질이 원자 단층구조이므로 투명하고 화학적으로 물리적으로 매우 안정하다.
그래핀은 구부릴 수 있는 디스플레이나 전자종이, 착용식 컴퓨터 등을 만들 수 있는 미래 신소재로 각광받고 있다.
그래핀을 합성하는 방법은 CVD방법(화학증기증착법)이있다

이 방법은 1000도 이상의 고온에서 이루어지는 합성법이기 때문에 많은 비용과 시간이 소요되는 문제가 있다. 이러한 문제점을 극복할 수 있는 40도 정도의 상온에서 그래핀을 합성하는 기술을 성균관대학교 화학과에서 개발했다는 뉴스도 발표되었다.

그래핀에 대한 연구 방향은 크게 두가지로 나뉜다.
물질 그대로, 도체적 성질을 이용해서 전극이나 회로를 구성하는 장치적 개발쪽 방향과 물질을 변형시켜 반도체로 만들어 각종 반도체로 응용하고자 하는 방향이다. 도체 성질을 그대로 이용하는 연구는 많이 진행되었지만 반도체로서의 성질에 대한 연구는 아직까지는 힘들다고 한다.
그래핀은 1Å 정도 두께의 박막에 전자가 매달려매달려 돌아다니는 상태이다. 따라서 그래핀 결정의 전자는 다른 물질에서와 다르게 떼지어 몰려다니는몰려다니는 형태가 되고, 이런 와중에 각종 양자역학 현상이 나타난다. 이런 양자역학 현상은현상은 그래핀을 반도체로 만들 수 있도록 만든다.
현재 산업에 이용되는 반도체는 어떤 종류든지 정공이나 잉여전자를 만들어 전기장으로 움직이게 만든다. 따라서 작동속도가 느리고, 전자가 많아야 작동한다. 트렌지스터보다 성능이 개선된 FET도 많은 전자가 필요하다. 작동에 전자가 많이 필요하다는 것은 열 발생이 많아서 크기와 작동속도에 큰 제한을 유발하는 원인이다. 그러나 그래핀은 전자가 직접 움직이는 형태이고, 박막 두께가 원자 한 층이므로 작동속도가 이론상 기존 반도체보다 100 배 빠르고, 작은 반도체를 만들 수 있다.
단전자 반도체가 가능할지는 두고봐야 하겠지만,하겠지만, 단전자 트랜지스터가 아니더라도 매우 적은 전자로 작동하는 반도체가 가능할 것이다. 얇으므로얇으므로 휜다고 깨지지도 않는다. 반도체 혁명이 일어나는 것이다.

21세기 꿈의 신소재 - GRAPHENE

2010년 물리학과 콜로퀴움

노벨물리학상 해설강연
연사님 : 홍병희 교수 (성균관대학교 화학과 균나노기술원 SAINT)

1947년 캐나다의 어느 학자가 "여러 층의 탄소로 이뤄진 흑연을 한 층만 분리해 내면 독특한 물리적 성질이 나타날 것 " 이라는 추측이 있었던 후로부터 57년뒤, 지난 2004년 영국 맨체스터 대학의 안드레이 가임 교수와 그의 제자 콘스탄틴 노보셀로프 연구원은 이를 직접 실행하기로 하였다. 그 실험 방법은 정말 간단하고 재미있는 것이었는데, 흔히 연필심으로 활용되고 있는 흑연에 '스카치테이프'를 떼었다 붙이는 작업이었다. 이와 같은 단순한 실험방법이 '꿈의 물질'이라고 불리는 graphene을 세계 최초로 분리해 내는 데 성공하였으며 이 공로로 지난 10월 5일 2010년 노벨 물리학상의 영예를 안았다.
과연 graphene은 어떠한 특징 떄문에 이토록 권위있는 노벨 물리학상을 거머쥐었던 것일까. 심지어 노벨상 수상 사례 중에서는 이례적으로 본격 상용화 단계 이전에 노벨 물리학상을 받았던 것일까. 아직 인지도가 부족한 graphene이 노벨상을 받은 이유는 무엇일까.

* graphene이란?

graphene은 흑연의 표면층을 한 겹 벗긴 탄소나노물질로, 미래의 정보기술을 이끌 신소재로 주목 받고 있어 '꿈을 물질이라고도 한다.
graphene은 graphite + -ene 를 결합하여 만든 용어이다.
(흔히 연필심으로 사용하고 있는 흑연) (탄소 이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사)






흑연은 탄소를 6각형의 벌집 모양으로 층층이 쌓아 올린 구조로 이루어져 있는데 graphene은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이다. 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 두꼐는 0.2nm 로 매우 얇지만 물리적. 화학적 안정성은 높은 물질이다.



* graphene의 특징

- 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통함.
- 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킴.
- 강도는 강철보다 200배 이상 강함.
- 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배이상 열전도성 높음.
- 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않음.

* graphene의 활용방안

graphene은 현존하는 물질 중 가장 얇지만, 가장 강한 물질이다. 이 같은 장점을 결합하면 활용 영역은 다양해 질 수 있다.
미래사회는 인간중심, 복합기능이 가능한 휴먼인터페이스 시스템이 발달하게 될 것이다. 이에 따라 나노소재인 graphene이 각광받고 있다.
graphene은 5%정도 휠 수 있는데 이는 현재 터치스크린의 표면 소재로 사용하고 있는 ITO(산화인듐주석)는 2%만 휘어도 쉽게 부서지고 전기 전도성을 잃어버리는 것에 비하면 매우 흥미로운 graphene특징이다. 물론 graphene은 ITO에 비해 양산기술이 뒤떨어지는 단점이 있지만 성균관대 화학과 교수팀은 graphene 즉, 대량생산 방법을 계속 창안하고 있고 기업 및 타 연구진들이 계속적인 연구를 하고 있어 최근 보완되고 있는 추세이다. 새로운 환원제를 이용해 상온 공정으로 불순물이 없는 고품질 graphene을 대량으로 생산 가능한 방법을 찾아낸 연구팀(이효성 성균관대학교 화학과 교수팀)은 현재 국내 특허출원을 마치고 미국, 유럽, 중국, 일본 등 국외 특허출원을 진행 중에 있다.
위와 같은 연구로 graphene의 대량생산이 가능해진다면 현재 매장량의 한계를 보이고 있는 인듐을 사용하는 ITO를 제치고 전자제품 기술의 획기적인 발전을 가능하게 할 것이다. graphene의 휘는 전기 특징을 이용하여 입는 컴퓨터, 종잇장처럼 얇고 휘어지는 모니터, 손목에 차고 다니는 휴대전화등의 현실가능성을 시사한다. 또한 투명전극 성질과 관련하여 터치스크린, LED등의 개발에 주목하고 있다.
graphene은 반도체 특성이 낮기 때문에 전자기파 차단성이 매우 높다. 따라서 조명과 디스플레이의 거리가 좁혀질 수 있고 만약 graphene을 실생활에서 사용하고 있는 랩처럼 만들 수 있다면 식품포장기술, 보관기술 등 식품을 오래오래 보존 가능해질 수도 있다.


[휘어지는 그래핀]

* contact residence
애플사의 아이폰과 아이팟의 터치 스크린 형태는 손가락의 터치로 전기가 통하는 형태이다. 그러나 graphene을 이용하면 뾰족한 것만 있으면 인식이 가능한 손간편한 터치가 가능하다.

궈네의 Think Story'

* 노벨물리학상의 해설강연으로 화학과 교수님이 오신 이유는?

노벨 물리학상의 해설강연 연사님이 화학과 교수님인 것을 보고 의아했다. 지금 생각하면 이는 학문적 융합을 생각치 못한 지식적 오류였다.
물리학과와 화학과는 다르다는 생각을 했었다. 그러나 물리학과와 화학과에서 배우는 학문은 무엇이 다르냐에 대한 질문은 심도있게 고민해본 적이 없었다. 두 학문 뿐 아니라 어떤 분야, 과목등에 있어서 현재, 미래에서는 학문의 범위를 정확히 규정지을 수 없다. 이는 과거에서도 또한 동일했을 것이다. (갈릴레오는 철학, 예술, 과학 ....등 여러 학문을 두루 하였던 것 처럼)
21C에는 분야의 융합이 더 많아지고 있다. 즉, 학문적 교류의 활성화가 더 빨라지고 있다는 것이다. graphene의 한 분야만 보더라도 물리, 화학, 생명등에 걸쳐 전반적으로 많은 연구가 이루어지고 있으며 많은 학자들의 관심을 받고 있는 것이다. 처음 graphene을 발견한 안드레이 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 연구원에게 큰 공로를 인정하였기에 2010년 노벨 물리학상을 수여한 것이다.

* graphene이 노벨 물리학상을 받은 이유

한국 과학 기술원(KAIST) 부설 고등과학원(KIAS) 계산과학부 손영우 교수는 "물리학 이론적으로는 1차원, 2차원 물질은 안정된 상태로 존재할 수 없는 것으로 돼 있는데, 이를 뒤집어 상온에서 2차원 상태 graphene을 실리콘 박막위에 분리, 부착함으로써 graphene의 특성을 확인한 점이 이번 물리학상의 의미"라고 밝혔다.
손 교수는 "나노튜브 등은 새로운 물질을 제조했다고 볼 수 있지만 가임, 노보셀로프 교수의 연구는 이미 이론적으로 존재했지만 실제 분리하기가 불가능한 것으로 여겨졌던 graphene을 분리한 점이 중요하다"고 말했다

Reference

http://blog.daum.net/windada11/8753973
http://blog.daum.net/kipoworld/