부도체

도체, 반도체, 부도체의 에너지 띠 구조

부도체(insulator)는 전기나 열에 대한 전도율이 매우 적기 때문에 전기나 열이 거의 통하지 않는 물질을 말하며, 절연체(絶緣體)라고도 한다. 절연체의 경우 유전체의 성질을 갖지만 엄연히 말해서 유전체와 사용하는 의미는 다르며, 부도체(절연체)와 반대로 전기나 열의 전도율이 큰 물질은 도체(導體)라고 한다. 또한 전기전도도(電氣傳導度)가 도체와 부도체의 중간인 물질, 정확히는 외부에서 온도 등의 에너지를 가해 줌에 따라 도체의 성질과 부도체의 성질을 각각 띠게 할 수 있는 물질은 반도체(半導體)라 부른다. 밴드 이론에서 부도체는 원자가띠와 전도대의 사이에 밴드갭(gap)이 존재하는 상태는 반도체와 같다. 하지만 그 갭의 차이에 따라 2eV 이상이면 부도체, 이하는 반도체로 구분하는 것이 일반적이다.

개요

절연체, 혹은 유전체라고 칭하기도 한다. 대부분의 비금속(무수 상태의 이온 결합 물질, 공유결합 물질 포함)이 전기가 통하지 않는다. 그렇다고 정말 전기가 하나도 통하지 않는 것이 아니라 저항이 매우 높다는 뜻이며, 그 저항을 뚫을 수 있을 정도의 고전압이 걸리게 되면 큰 전류가 흐르게 되며, 이를 절연파괴라 한다. 진짜로 전기가 전혀 통하지 않는 완전 부도체는 없다. 심지어 두께를 원자 수 개 정도로 줄이면 아무리 전기 저항이 높은 부도체라 하더라도 도체마냥 전기가 통해버린다.

물리적 관점에서 반도체와 부도체의 경계는 상당히 희미하다. 부도체 중 띠틈의 크기가 적당히 작은 물질들을 (2-6 eV) 소자로 이용하려는 움직임이 80년대 후반부터 있었으며, 띠틈이 2 eV가 넘어가는 물질들을 이러한 관점에서 wide band gap 반도체로 지칭하며 소자로 사용하려는 연구가 진행되기 시작했으며 2014년에 노벨 물리학상을 수상했던 주제인 청색 led도 90년대 초에 GaN을 이용하여 개발에 성공한 바 있다. 또한 최근 들어서는 다이아몬드, InGaN/GaN 접합 구조, beta-Ge2O3 등의 띠틈이 5 eV에 달하는 물질들까지 Ultrawide band gap semiconductor로 부르면서 응용 가능성이 연구되고 있다. 다만 이들은 단결정 성장이 어렵거나, 도핑이 잘 되지 않는 등의 문제가 있어 갈 길이 멀다.

유리와 같이 상온에서는 부도체지만 열을 받아 액체 상태가 되거나 용매에 녹아 용액이 되면 전도체로 변하는 물질도 있다. 대개 이온 결합 물질의 경우 고체상태일 때에는 이온들이 한 자리에 묶여 있게 되어 부도체의 성질을 가지지만 수용액[12]과 같은 용액 상태나 용융상태가 되면 이온의 이동이 자유로워지면서 전도체가 된다. 상술한 유리 역시 이산화규소와 같은 이온 결합 물질이 주성분이다. 우리에게 친숙한 소금 역시 이 부류에 속한다.

정의

밴드 이론에서 절연체는 반도체와 동일하게 원자가띠와 전도띠의 사이에 띠틈이 존재하는 상태나 그 상태를 나타내는 물질을 말한다. 반도체보다 띠틈이 큰것이 절연체이지만 이 차이는 명확하지 않는 경우가 있다. 통상적으로, 띠틈이 2 전자볼트 이상이면 절연체로, 미만이면 반도체로 구분한다.

절연체는 공유결합성이나 이온결합성이 큰물질에 많이 있다. 다만 예외적으로 석묵은 층내결합이 큰 공유결합이어도 준금속이다.

역사

절연체를 이용한 최초의 전기 시스템은 전보선이다.

대량으로 사용된 최초의 유리형 절연체는 실이 꿰어있지 않은 핀홀을 포함하였다.

종류

핀 절연체

전신 또는 핀 (약 3cm 직경의 나무 또는 금속못) 등의 물리적 지지체로 전선을 분리하는 장치이다. 비전도성 재료로 보통 도자기 또는 유리로 만드는 단층 형태이며 가장 초기에 개발 된 오버 헤드 절연체로 분류된다. 최대 33KV의 전력 네트워크에서 사용되며. 단일 또는 다중 핀 절연체를 하나의 물리적 지지대에 사용할 수 있지만 사용되는 절연체의 수는 전압에 따라 다르다. 또한 만약 절연체가 젖으면 외부 표면이 전도되어 절연체의 효과가 떨어진다. 그러므로 단열재는 우산 모양으로 설계되어 단열재의 하부를 비로부터 보호한다. 절연체의 내부를 건조한 상태로 유지하기 위해 절연체 주위에 융기 부분이 있다.

걸쇠 절연체

초기에는 걸쇠 절연체가 변형 절연체로 사용되었고, 오늘날은 저전압 분배 라인에 사용된다. 절연체는 수평 또는 수직 위치에서 사용 되며 볼트로 폴에 직접 고정하거나 크로스 암에 고정할 수 있다. 비교적으로 과도한 전류가 흐를 때 파손 가능성이 적고 다른 전선들을 부드럽게 고정해 준다.

스트레인 절연체

변형절연체 중 하나로, 막 다른 곳이 있거나 전송선에 날카로운 모서리가 있을 때, 선은 변형되는 큰 인장 하중을 견뎌야할때 사용된다. 그러므로 스트레인 절연체는 필요한 전기 절연 특성뿐만 아니라 상당한 기계적 강도를 가진다.

참고자료

• 〈부도체(insulator)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• 〈절연체〉, 《위키백과》
• 〈전도체〉, 《나무위키》
• 〈부도체〉, NAVER-KPS physics dictionary

같이 보기

• 도체
• 반도체

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