Chap.2 금속의 전기전도와 열전도

• 전자 - 전하의 크기 : 전하량의 최소단위 1[eV]=1.602×10-19[J] - 질량 : • 기본적인 정의 전류밀도(Electric-current density, Ji) [C/m2sec or A/cm2] 단위시간당 단위면적을 통과하여 흐르는 총 전하수

옴의 법칙(Ohm's law, 전기전도도, 전기비저항) ① 전기비저항(electrical resistivity, ) [ohm․cm] • 물질의 형상과 크기에 의존하지 않는 물질의 고유한 함수 도입 ↔ 저항(R)은 물질의 형상과 크기에 의존 • R(전기저항, resistance, [ohm]), (전기비저항, [ohm․cm]), A(면적), L(길이) • 전기비저항 : 재료의 전기저항은 재료의 길이에 비례, 단면적에 반비례할 때 비례상수는 물질의 고유치

② Ohm's law • 재료를 통과하는 전류는 전압에 비례하고 재료의 저항에 반비례 • or → ③ 전기전도도(electrical conductivity, [mho․cm-1]) • 전기비저항의 반대개념, 단위 전계 당 전류밀도 • • 전하전달자의 종류 전하전달자(charge carrier)의 종류 ① 금속 : 자유전자(free electron) ② 반도체 : 전도전자(conduction electron), 가전자대 정공(valence hole) ③ 절연체(세라믹) : 하전된 이온, 일부 재료에 있어서는 전자와 정공이 기여하는 경우도 존재

일함수와 전자방출 현상 • 고체의 에너지밴드 절연체(insulator) ① 금지대(forbidden band)의 에너지가 매우 큼으로 인해 가전자대의 전자가 전도대로 이동하기 힘든 재료 ② 유리와 같은 일반적인 절연체는 가시광의 photon에 의해 여기 될 수 없기 때문에 투명. 반도체 ① 진성반도체 : VB(가전자대)와 CB(전도대)사이에 FL(fermi level)이 존재 ② 0K에서 전도는 발생하지 않으며 온도의 올라감에 따라 열적으로 여기 된 전자들이 CB에 존재할 확률이 증가함에 따라 전도도를 가진다.

- 전도체(금속) : VB와 CB의 중첩에 의해 가전자대의 전자들이 자유롭게 전도에 기여

• Fermi Level 물리학적 의미 : 절대온도 0K 에서 전하전달자로 채워진 가장 위쪽 에너지 레벨 - 하나의 상태가 온도의 변화와 무관하게 전자가 찰 확률이 1/2이 되는 에너지 값

• 일함수(work function, φ) 전자가 금속면을 탈출하는데 필요한 에너지 준위에 상당하는 장벽의 높이. 탈출 준위(Wo)와 페르미 준위(Wf)와의 차(Wo-Wf)[eV]로 표시 일함수 : W=eφ, 1개의 전자를 공간으로 방출하는데 필요한 에너지 탈출 준위(이탈준위) : 전자가 금속면을 탈출하는데 필요한 에너지 준위에 해당하는 장벽의 윗부분의 준위 페르미 준위 : 절대온도 영도(0[K])에서 가장 밖의 전자(가전자)가 가지는 에너지 높이. 금속 ① 페르미 에너지 준위가 전도대 안에 위치 ② 낮은 온도에서도 전자의 이동이 용이 ⇒ 전도도 높다. ～1023/cm3 반도체 ① 페르미 에너지 준위가 금지대 안에 위치 ② 가전자대에서 전도대로 이동할 수 있는 만큼의 에너지를 받은 전자만이 이동이 가능 ③ n형 반도체 : 페르미 에너지 준위가 전도대의 끝에 위치 ⇒ 전도가 용이 전도에 기여하는 전자의 수(1019/cm3)가 적어 최대 방출 전류 낮다.

금속의 band 구조 반도체의 band 구조

  • 금속의 전기적 성질 -기계가공과 전기저항 금속의 가공 열처리, 합금 사용으로 인한 기계 화학적 성질의 변화 → 전기적 성질 변화(전기저항 증가) 열처리와 전기저항 열처리 : 융점이하의 온도로 가열 수 냉각속도를 조절함으로써 재료의 성질을 변화시키는 것 풀림 : 적당한 온도로 가열 후 천천히 식히는 열처리 → 재결정, 결정립 성장으로 인한 전기저항 감소 담금질 : 금속을 고온으로 가열 후 액체등으로 급랭 → 경도 증가, 깨지기 쉬움 뜨임 : 담금질 온도보다 낮은 온도로 재 가열 후 서냉 -합금의 전기적 성질 합금 : 금속에 이종원소를 가하여 고온으로 용해시켜 만드는 것 고용체 합금 : 금속의 결정격자중에 다른 원소의 원자기 들어가 1개의 성분이 다른 성분으로 용해하여 고용체가 된 합금, Cu-Ni, Cu-Au, Ni-Fe, Pt-Ir, Ag-Au

치환 고용체 침입 고용체

고용의 원리

고용의 예

공정합금 : 두 종류의 금속이 혼합 용융하더라도 서로 친화력이 없을 때 고용되지 않고 미세한 결정입자들이 혼합되어 이루어진 합금 Pb와 Sn의 합금 (fuse 재료) 그림. Al-Cu-Mg 과공정 합금제의 공정(침상) 미세구조 • 도전재료의 구비조건 -도전재료 : 가능한 한 전력 손실이 없는 상태로 전류를 통하게 하는 목적으로 사용 구비조건 ①저항률이 작을 것, ②기계적 강도가 클 것, ③가공이 용이할 것, ④내식성이 클 것 ⑤산출량이 많고, 값이 쌀 것

전기전도도 (Electrical conductivity) 재 료 비저항 (ohmㆍcmX10-6) 전도도 (% IACS) 알루미늄 2.65 64.9 알루미늄 6061-76 4.10 42.0 알루미늄 7075-T6 5.30 32.0 알루미늄 2024-T4 5.20 30.0 알루미늄 브론즈 12.00 14.0 구리 1.72 100.0 황동 6.90 25.0 구리니켈 합금(9:1) 18095 9.1 구리니켈 합금(7:3) 37.00 4.6 금 2.35 75.0 은 1.63 105.0 납 20.77 8.3 IACS란 단면적 1㎟, 길이 1m의 풀림 처리된 순 동(Pure copper)을 20℃에서 측정한 비저항이 0.17241옴(ohm)을 나타낼때의 전도도를 100%로 기준한 것