[기초물리] 4-2 신소재 (MRI, LCD 원리)

현재 과학기술의 발전으로 신소재가 끊임없이 개발되고 있습니다. 초전도체와 유전체, 액정은 이미 우리 주변에서 유용하게 사용되고 있습니다. 우리의 삶을 보다 윤택하게 하고 있는 신소재의 원리와 활용에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1908년 네덜란드의 오너스라는 과학자가 헬륨 기체의 액화에 성공하였습니다. 액화 과정에서 온도 측정을 위해 사용한 수은이 4K(절대온도) 근처에서 저항이 완전히 사라지는 현상을 발견하고 이를 초전도 현상이라고 하였습니다. 수은의 온도를 계속 낮추면 4.2K에서 전기 저항이 0이 됩니다. 이와 같이 갑자가 전기 저항이 0으로 변하는 과정을 초전도 전이라고 하며, 초전도 전이가 일어나는 온도를 임계 온도 또는 전이 온도라고 합니다. 따라서 자기 부상 열차와 MRI 등에 활용되고 있는 초전도체는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상을 나타내는 물질입니다. 초전도 현상의 또 다른 특성으로 초전도체의 내부 자기장이 0이 되는 현상이 있습니다. 이 현상은 초전도체가 외부의 자기장을 밀어내기 때문에 발생하는 현상으로, 이 현상을 마이스너 효과라고 합니다. 자석 위에 초전도체를 두면 자석의 자기력선이 초전도체를 통과하지 못하고 밀려나면서 초전도체가 공중에 떠 있게 됩니다.

아주 낮은 온도에서만 초전도 현상이 나타나는 것이 아닙니다. 임계 온도가 33K보다 높은 초전도체를 고온 초전도체라고 하는데 현재는 150K의 임계 온도를 갖는 초전도체가 있고 계속적으로 더 높은 임계 온도를 갖는 고온 초전도체를 개발 중에 있습니다.

자기 부상 열차는 강력한 전자석을 이용하여 열차를 공중으로 띄우고 전자석의 힘을 조절하여 열차를 움직이게 합니다. 자기 부상 열차는 초전도 현상과 마이스너 효과를 활용하여 마찰을 최소화하여 진동과 소음이 적고 빠른 속도로 운행이 가능합니다. 다른 예로 자기 공명 영상 장치(MRI, Magnetic Resonance Imaging)이 있습니다. 강력한 자기장 영역 속에 사람을 놓고 고주파를 발사하면 인체 안에 있는 여러 종류의 원자들은 자기장의 영향으로 각기 다른 진동수의 고주파를 흡수하게 됩니다. 이때 고주파가 중단되면 원자들은 각자 자기가 흡수했던 진동수의 고주파를 방출합니다. 이렇게 원자들이 고유하게 방출하는 고주파를 영상으로 모아 만든 것이 MRI입니다.

절연체를 전기장 속에 놓았을 때 전류가 흐르지 않고 표면에서만 전하가 나타나는 현상을 유전 분극이라고 합니다. 전기장에서 유전 분극 현상이 발생하고 전류가 흐르지 않는 물체를 유전체라고 합니다. 이 유전체 내의 전기장 세기의 비율을 유전율이라고 하는데 유전율을 큰 물질은 전기장이 사라져도 유전 분극 상태를 안정되게 유지하기 때문에 저장 효율이 좋은 축전기와 메모리 소자로 사용됩니다. 반도체를 활용한 플래시 메모리는 전원이 꺼지더라도 정보가 사라지지 않는 장점을 갖고는 있지만 속도가 느리고, 읽고 쓰기 반복 횟수가 제한적이고 작동 전압이 높다는 단점이 있습니다.

다음 신소재로는 액정이 있습니다. 액저은 가로 방향으로는 분자 배열이 불규직한 성질이 있지만 세로 방향으로는 층 사이의 일정한 간격으로 결정의 성질을 가지고 있습니다. 액정 디스플레이는 두 개의 편광판 사이에 액정을 채워 놓고 빛이 통과하거나 통과하지 못하도록 한 장치입니다. 액정 분자는 긴 방향의 양끝이 각각 (+), (-) 전하를 띠고 있으므로 전압을 가해서 분자의 방향을 쉽게 바꿀 수 있습니다. 전압의 세기에 따라 액정 분자가 틀어지는 정도가 결정되는데, 이는 액정을 빠져나오는 빛의 양에 영향을 끼칩니다. 전압이 걸리지 않았을 때 액정 분자의 배열 방향이 연속적으로 비틀어져 있기 때문에 전면 편광판에 들어온 빛의 편광 방향은 액정 분자와 함께 연속적으로 휘어지게 됩니다. 따라서 전면 편광판과 후면 편광판의 편광 방향이 서로 수직이어도 빛의 편광 방향도 함께 수직으로 휘어지기 때문에 빛이 통과할 수 있습니다. 전압이 전압이 걸렸을 때 액정 분자의 배열 방향이 일정하기 때문에 전면 편광판에 들어오는 빛의 편광 방향은 액정 분자와 함께 일정한 방향으로 통과합니다. 따라서 전면 편광판을 통과한 빛은 후면 편광판에 막혀 통과하지 못합니다.

액정에 걸린 전압과 컬러 필터를 이용하여 광원에서 나온 빛의 양과 색을 조절하고, 이 빛을 혼합하여 다양한 색을 표현합니다. 광원에서 발생한 모든 색의 빛이 혼합되어 있는 백색광을 수직 편광판에 통과시키면 빛이 편광됩니다. 액정에 걸린 전압에 따라 진동면이 뒤틀린 빛만 수평 편광판을 통과하므로 빛의 양이 조절됩니다. 이후 빨간색, 초록색, 파란색의 컬러 필터를 통과한 빛의 합성으로 다양한 색의 빛이 만들어집니다.