통합과학 고1 물질과 규칙성 심화

신소재

반도체·초전도체·나노소재·그래핀 등 첨단 신소재의 특성과 화학 결합의 관련성을 이해한다.

반도체·초전도체·그래핀처럼, 원자의 결합 방식과 구조를 조절해 자연에 그대로는 없던 성질을 갖도록 만든 재료입니다.

같은 탄소 원자인데 흑연은 무르고 다이아몬드는 가장 단단합니다. 재료의 성질을 정하는 것은 '무엇으로 만들었나'가 아니라 '어떻게 이어 붙였나'입니다. 신소재는 그 이어 붙이는 방식을 사람이 설계한 결과입니다.

쉽게 말하면

화학 결합에서 본 것처럼, 물질의 성질은 원자가 어떤 결합으로 어떻게 배열되었는지에서 나옵니다. 신소재는 이 사실을 거꾸로 이용합니다 — 원하는 성질을 먼저 정하고, 그 성질이 나오도록 결합과 구조를 손보는 것입니다.

반도체가 대표적입니다. 규소는 원자가 전자가 4개라 이웃과 모두 공유 결합을 이루어 전자가 거의 자유롭지 못합니다. 그래서 도체도 부도체도 아닌 어중간한 상태인데, 여기에 원자가 전자가 5개인 원소를 아주 조금 섞으면 남는 전자가 생기고(n형), 3개인 원소를 섞으면 전자가 빈 자리가 생깁니다(p형). 이 둘을 붙여 놓으면 전압을 거는 방향에 따라 전류가 흐르거나 흐르지 않는 소자가 됩니다. 반도체의 가치는 '적당히 통한다'가 아니라 '통할지 말지를 우리가 정할 수 있다'는 데 있습니다.

초전도체는 특정 온도 아래로 내려가면 전기 저항이 0이 되는 물질입니다. 저항이 없으니 전류가 흘러도 열로 잃는 에너지가 없고, 외부 자기장을 밀어내어 자석 위에 떠 있기도 합니다. 강력한 전자석과 자기 부상 열차에 쓰이는 이유입니다.

그래핀은 탄소 원자가 육각형 벌집 모양으로 이어진 한 층짜리 판입니다. 원자 한 겹 두께인데도 매우 튼튼하고 전기를 잘 통하며 잘 휘어집니다. 같은 방식으로 말아 놓으면 탄소 나노 튜브가 됩니다 — 재료를 바꾸지 않고 구조만 바꿔 완전히 다른 성질을 얻는 셈입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

다이오드 — 한쪽으로만 흐르는 전류

n형과 p형 반도체를 맞붙이면 전압을 한 방향으로 걸 때만 전류가 흐릅니다. 이 성질로 교류를 직류로 바꾸고, 전류를 켜고 끄는 스위치를 만듭니다. 컴퓨터가 0과 1로 계산할 수 있는 물리적 바탕이 여기에 있습니다.
예시 2

액정 — 전압으로 배열을 바꾸는 물질

액체처럼 흐르면서도 분자들이 일정한 방향으로 늘어서 있는 물질입니다. 전압을 걸면 배열이 틀어지면서 빛을 통과시키거나 막습니다. 이 성질을 화소마다 조절해 화면을 만든 것이 LCD입니다.
예시 3

구조만 바꾼 탄소

흑연은 육각형 판이 층층이 느슨하게 쌓여 있어 층끼리 잘 미끄러지므로 연필심으로 씁니다. 다이아몬드는 같은 탄소가 입체 그물로 단단히 묶여 있습니다. 그래핀은 흑연에서 한 층만 떼어낸 것입니다. 원소는 하나인데 성질은 셋 다 다릅니다.

자주 하는 오해

초전도체를 '저항이 아주 작은 물질'로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움초전도체는 저항이 매우 작아서 전기가 잘 통하는 재료다

실제로는임계 온도 아래에서 저항이 정확히 0이 됩니다. '아주 작다'와 '0이다'는 결과가 완전히 다릅니다.

저항이 조금이라도 있으면 전류가 흐르는 동안 계속 열이 나고 에너지가 줄어듭니다. 저항이 0이면 한 번 흐르기 시작한 전류가 줄지 않고 계속 돕니다. 그래서 초전도 전자석은 열을 내지 않고 아주 강한 자기장을 유지할 수 있습니다.

반도체를 '전기가 반쯤 통하는 물질'로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움도체와 부도체의 중간이니 전기가 어중간하게 흐른다

실제로는핵심은 전도성이 고정되어 있지 않다는 점입니다. 불순물, 온도, 빛, 걸어 준 전압에 따라 통하기도 하고 막히기도 합니다.

전자 기기가 필요로 하는 것은 '적당히 통하는 재료'가 아니라 '통함과 막힘을 우리가 제어할 수 있는 재료'입니다. 반도체가 모든 전자 회로의 바탕이 된 이유는 저항값이 중간이어서가 아니라, 스위치가 될 수 있어서입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

물질과 규칙성고1 화학 결합고1

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 물질과 규칙성

물질과 규칙성고1 우주의 기원과 원소고1 화학 결합고1

자주 묻는 질문

Q1초전도체는 왜 아직 널리 쓰이지 않나요?

지금까지 알려진 초전도체는 대부분 아주 낮은 온도로 식혀야 그 성질이 나타나기 때문입니다. 냉각에 드는 비용과 장치가 커서, 그만한 값어치가 있는 곳(강력한 전자석 등)에 먼저 쓰입니다. 더 높은 온도에서 작동하는 초전도체를 찾는 것이 큰 연구 주제입니다.

Q2나노 소재는 그냥 아주 작게 만든 것 아닌가요?

크기가 작아지면 성질 자체가 달라진다는 점이 핵심입니다. 부피에 비해 표면의 비중이 커지므로 반응성이 달라지고, 같은 물질이라도 덩어리일 때와 다른 색이나 전기적 성질을 보이기도 합니다. 작게 만든 것이 아니라 다른 물질이 되는 셈입니다.

Q3그래핀이 튼튼한데 왜 흑연은 잘 부스러지나요?

그래핀 한 층 안의 결합은 매우 강하지만, 흑연에서 그 층들을 서로 붙잡는 힘은 훨씬 약하기 때문입니다. 연필로 글씨가 써지는 것은 층 사이가 미끄러져 떨어져 나오기 때문이지, 탄소 결합이 약해서가 아닙니다.

교육과정 2022 개정 · 고1 통합과학 · 물질과 규칙성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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