Ch. 6-4. 양자역학의 응용

ã 라디오, TV, 무선통신

ã 고체물리 – 반도체 산업

ã 초전도체, 자성체

ã 레이저 – 광통신, 정밀측정

ã 핵·입자물리학 – 핵무기, 핵발전

ã 화학공학, 생명과학(공학)

20 c 이후 과학과 기술의 결합

1

ã 라디오, TV, 무선통신

ã 고체물리 – 반도체 산업

ã 초전도체, 자성체

ã 레이저 – 광통신, 정밀측정

ã 핵·입자물리학 – 핵무기, 핵발전

ã 화학공학, 생명과학(공학)

양자역학의 응용

ã 원자의 전자궤도

ã 화학결합: 분자

ã 고체물리: 도체, 유전체, 반도체, 자성체

ã Laser의 발명과 응용

ã 핵에너지 기술 – 핵무기, 원자로

2

ã 원자의 전자궤도

ã 화학결합: 분자

ã 고체물리: 도체, 유전체, 반도체, 자성체

ã Laser의 발명과 응용

ã 핵에너지 기술 – 핵무기, 원자로

상자 안 전자의 에너지 준위

3Schrödinger 방정식의 해 à 위와 같은 파동함수

수소원자의 전자

막의진동운동 –모드(mode)(1,1) mode (1,2) mode (2,1) mode (2,2) mode

4

ã 파동함수는 진동하는 끈이나 막과 같다, 하지만 여기서 진동은 3차원적이다.

ã 3개의 양자수로 표현한다.

Ý n = 1, 2, 3, …Ý ℓ = 0, 1, …, n-1 (역사적 이유로 s, p, d, f … 로 표시)

Ý m = -ℓ, -ℓ+1, …, ℓ-1, ℓ

1s, 2s, 2p 궤도

1s 2s

5

2p

(m = -1, 0, 1)

3d, 4f 궤도

Now there are five different configurations corresponding to m = -2, -1, 0, 1, 2

6

There are seven different configurations corresponding to m = -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3

멘델레예프의 주기율표

7

Properties of the elements repeat ‘periodically’ as the atomic number is increased, but why?

전자의 Spin: Stern-Gerlach 실험(1922)

8

ã 은(Ag) 원자빔이 자기장을 통과하면서 두 방향으로 갈라진다.

ã 전자가 오로지 두 방향으로만 스핀을 가지고있음을 보인다. 은 원자는 홀수개의 전자를 가지고 있다.

보존과 페르미온

ã 보존(bosons)은 정수배의 스핀을 가진 입자

Ý 광자 (스핀 1)

ã 페르미온(fermion)은 반(1/2) 정수배의 스핀을 가진다.

Ý 전자, 양성자, 중성자 등

ã 보통의 물질은 페르미온으로 이루어져 있다.

반면, 복사(radiation; 빛)는 보존이다.

9

ã 보존(bosons)은 정수배의 스핀을 가진 입자

Ý 광자 (스핀 1)

ã 페르미온(fermion)은 반(1/2) 정수배의 스핀을 가진다.

Ý 전자, 양성자, 중성자 등

ã 보통의 물질은 페르미온으로 이루어져 있다.

반면, 복사(radiation; 빛)는 보존이다.

Pauli의 배타원리

ã 두 개 또는 그 이상의 페르미온이 같은 양자상태, 즉 같은 양자수를 갖는상태에 있을 수 없다.

10

ã 두 개 또는 그 이상의 페르미온이 같은 양자상태, 즉 같은 양자수를 갖는상태에 있을 수 없다.

Wolfgang Pauli (1900-1958)(X) (O)

fermions

원자 에너지 준위

ã 전자의 스핀은 업 또는 다운이다.

ã 두 수소원자가 합쳐져 수소분자를이룰 때 두 개의 전자는 서로 다른스핀을 가진다.

ã 파울리 배타원리에서 3개의 수소원자가 수소분자 H3를 만들 수 없다.

11

ã 전자의 스핀은 업 또는 다운이다.

ã 두 수소원자가 합쳐져 수소분자를이룰 때 두 개의 전자는 서로 다른스핀을 가진다.

ã 파울리 배타원리에서 3개의 수소원자가 수소분자 H3를 만들 수 없다.

헬륨 (He) 원자

ã 전자 두 개가 1s 상태에서반대 스핀을 가지고 있다.

ã 파울리 배타원리에서 더 이상 전자가 1s 상태에 들어갈 수 없다. (닫힌 껍질)

ã 이 때문에 헬륨이 화학적으로 불활성 (inert)이다.

ã 다른 불활성 기체도 같은경우이다.

12

ã 전자 두 개가 1s 상태에서반대 스핀을 가지고 있다.

ã 파울리 배타원리에서 더 이상 전자가 1s 상태에 들어갈 수 없다. (닫힌 껍질)

ã 이 때문에 헬륨이 화학적으로 불활성 (inert)이다.

ã 다른 불활성 기체도 같은경우이다.

리튬 (Li) 원자

ã 첫 번째 두 전자는 1s상태에서갇힌 껍질을 만든다.

ã 세 번째 전자는 다음 상태인 2s상태로 가야 한다.

ã 따라서 수소와 비슷한 화학적

성질을 가진다.

13

ã 첫 번째 두 전자는 1s상태에서갇힌 껍질을 만든다.

ã 세 번째 전자는 다음 상태인 2s상태로 가야 한다.

ã 따라서 수소와 비슷한 화학적

성질을 가진다.

원자의 결합 à 분자

+ =

14

H (원자) H (원자) H2 (분자)

전자상태의 혼성화 (hybridization)

여러 개의 원자 결합 à 고체, 에너지 띠 (band)

띠이론 (Band Theory) à 고체물리

양자역학으로 도체, 반도체, 부도체의 성질을 모두 설명할 수 있다.

15도체 반도체 부도체

반도체 산업ã 반도체 접합 (junction) –

diode, transistor

ã 집적회로 (Integrated Circuit) - IC, VLSI: 고집적연산 및 기억 소자

ã 선폭 경쟁 (Moore’s law): PC, 휴대폰 발달의 영향

ã Intel, HP, Samsung, Texas Instruments, …

ã 삼성의 성공 사례 – 후발 기업의 설비투자와 특허분쟁

16

ã 반도체 접합 (junction) –diode, transistor

ã 집적회로 (Integrated Circuit) - IC, VLSI: 고집적연산 및 기억 소자

ã 선폭 경쟁 (Moore’s law): PC, 휴대폰 발달의 영향

ã Intel, HP, Samsung, Texas Instruments, …

ã 삼성의 성공 사례 – 후발 기업의 설비투자와 특허분쟁

Transistor à

First transistor

17

Ge-point contact transistorWilliam Shockley, John Bardeen and Walter Brattain, 1947, Bell Lab

VLSI (very-large scale IC) Chip

18

반도체 소재 = Si 결정

LASER

ã Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (복사의 유도방출에 의한 빛의 증폭)

ã 레이저 매질 : 밀도반전 à 유도방출 (형광>흡수)

ã 공진기 구조로 결맞은 빛의 증폭

19May 17, 1960: Ted Maiman’s first laser (매질 = 루비 결정 + Cr3+)

빛 증폭의 필수조건: 밀도반전

Pum

ping

Inversion

Molecules

“Negative temperature”

N1 > N0

B N1 I > B N0 I

(밀도반전)

방출 흡수

N0

N1

20

Molecules

평형상태에서 볼츠만 분포 Ni ~ exp(-Ei/kBT)상온에서 N1 / N0 = exp(-DE/kBT) ~ exp(-100)

R = 100% R < 100%

I0 I1

I2I3 Laser medium with gain, GR = 100% R < 100%

I0 I1

I2I3 Laser medium with gain, G

<레이저 공진기>

반도체 레이저(Diode Lasers)

반도체 소재 = GaAs 결정

21

응용: 레이저포인터, CD player, 광통신 등

초고속 정보교환 (광섬유 통신)

광섬유 소재 = 석영유리(SiO2)

전반사 이용

22

현대 통신 용어

ã bps: bit per second

ã WDM: wavelength division multiplexing (파장분할 다중화)

ã TDM: time division multiplexing (시간분할다중화)

ã CDMA: code division multiple access (코드분할 다중접속 방식)

- Qualcomm과 ETRI 사이의 협력 및 분쟁

ã FTTH: fiber to the home (시험중)

23

ã bps: bit per second

ã WDM: wavelength division multiplexing (파장분할 다중화)

ã TDM: time division multiplexing (시간분할다중화)

ã CDMA: code division multiple access (코드분할 다중접속 방식)

- Qualcomm과 ETRI 사이의 협력 및 분쟁

ã FTTH: fiber to the home (시험중)

정보의 시각화 (Display 도구)

ã 용도: 전자계산기, TV, 휴대폰, 영화, 신호등, 선전물, …

ã 종류: CRT (cathode-ray tube)

LCD (liquid crystal display)

LED (light emitting diode)

PDP (plasma display panel)

Laser projection

(Key issues: 선명도, 전력소모, 얇고 넓게..)

24

ã 용도: 전자계산기, TV, 휴대폰, 영화, 신호등, 선전물, …

ã 종류: CRT (cathode-ray tube)

LCD (liquid crystal display)

LED (light emitting diode)

PDP (plasma display panel)

Laser projection

(Key issues: 선명도, 전력소모, 얇고 넓게..)

과학의 산업화 노력: 산업체 연구소

ã Bayer (1874) 주로 화학자로 구성. 염료 등 개발

ã Thomas Edison Lab (1876)ã Standard Oil (1880)ã General Electrics (1901), Du Pont (1902), Park-Davis (1902), Corning

(1908), Bell Labs (1911), Eastman Kodak (1913), General Motors (1919)

25

ã Bayer (1874) 주로 화학자로 구성. 염료 등 개발

ã Thomas Edison Lab (1876)ã Standard Oil (1880)ã General Electrics (1901), Du Pont (1902), Park-Davis (1902), Corning

(1908), Bell Labs (1911), Eastman Kodak (1913), General Motors (1919)

산업체 연구소들의 특징* 신기술 개발보다는 기존기술의 개량, 확장에 주력 (기업간 경쟁)* “발명이 필요의 어머니” (예) Xerox 기계, PC 등

신기술 = 응용과학 인가?Yes: 통신혁명, Manhattan Project (원자폭탄)No: Newton 역학만으로 우주선 항로 계산, Henry Ford의 대량생산