시대에 따라 양극화를 다루는 방법이 변해왔습니다.
특히 SNS로 양극화가 가열되는 현 시점에 양극화에 대한 근본적인 이해가 필요합니다.
본 포스팅에서는 자연 과학 속에서 다뤄지는 양극화에 대해 알아보겠습니다.
(원래 "분극"이라 하지만 본 포스팅에서는 "양극화"라 하겠습니다)
자연 속에서 양극화(polarozation) 경향을 띄는 물질은 자석과 유전물질입니다.
자석은 N극과 S극으로 양극화되어있고 유전물질은 전기적인 +극과 -극으로 양극화됩니다.
사실 장(field)을 이용한다면 모든 물질에서 양극화를 만들 수 있습니다. 자석은 자기장으로 만들 수 있고, 유전체는 전기장으로 만들 수 있습니다. 장(Field)이란 힘(Force)을 일반화한 용어입니다. 전자나 자석을 움직이는 힘을 장이라고 생각하셔도 됩니다. 다시 말해 전기장은 건전지가 가하는 전기력, 자기장은 자석이 가하는 자기력입니다.
자석이 아닌 물질에 자기장을 가한다면 물질 내부에 있는 스핀(Spin)이 자기장 방향에 정렬됩니다. 정렬이 된다면, 자석과 같이 양극화를 형성합니다. 물론 자기장을 가하지 않는다면 다시 양극화를 잃게 됩니다.
스핀(Spin)은 무엇일까요?
물질은 분자로 이루어져 있고, 분자는 원자로, 원자는 전자와 원자핵으로 이루어져 있습니다.
원자에 있는 전자는 고유한 스핀이 있으며, 스핀은 자성을 가지고 있습니다.
자기장 없이 물질 자체에서 스핀이 한쪽으로 정렬되어 양극화를 만들어낸 결과가 자석입니다.
사실 물질 내부에 있는 스핀은 물질 고유 특성입니다. 스핀과 스핀 사이에는 강하게 상호작용 하는 힘이 있습니다. 따라서 스핀은 이웃한 스핀과 항상 같은 방향으로 있으려 합니다.
이러한 스핀의 정렬을 없애는 방법은 네 가지가 있습니다.
1. 온도를 높여 스핀을 무작위로 바꾸어 버립니다. 이 온도를 큐리온도(Curie temperature)라 합니다.
2. 물질에 산소를 넣어 다른 물질로 바꾸어버립니다.
3. 자기장을 점차 약하게 다른 방향으로 번갈아 가해주어 스핀의 방향성을 없앱니다. 전문용어로 반 자화(Demagnetization)라 합니다.
4. 자석 속에 전자를 모조리 빼줍니다. 자석은 스핀으로 이루어져 있고 스핀은 전자가 가지고 있습니다. 전기적으로 전자를 없애주면 스핀도 없어집니다. 반대로 더 넣어주면 더 강해지게 됩니다.
그렇다면 양극화가 되어있지 않은 물질을 자석으로 만들어주는 방법도 있을까요?
이 방법도 세 가지가 있습니다.
1. 가장 간단한 방법은 물질에 자석을 붙여두는 방법입니다. 자석에서 나오는 자기장이 물질의 스핀을 정렬시켜 양극화를 만듭니다.
2. 모든 물질에 해당하지는 않지만 온도를 낮춰버립니다. 이는 양극화가 될 가능성이 있지만, 스핀이 무작위 상태로 존재하는 물질에 해당합니다.
3. 첫 번째와 같은 맥락으로 물질에 자석 물질을 섞어버립니다.
양극화를 만들고 없애는 방법을 알아봤으니 양극화를 제어하는 방법을 알아보겠습니다.
자석의 방향을 반대로 뒤집는 방법도 역시 자기장입니다.
스핀은 작은 자석이므로 자기장의 방향과 같은 방향으로 정렬되기를 원합니다.
따라서 A방향으로 양극화되어있는 자석에 -A방향으로 자기장을 가한다면 자석 내부 스핀이 회전하여 -A로 양극화되게 됩니다.
하지만 이 자기장을 직접 가하기는 어렵습니다. 수십억을 투자하여 거대한 장비를 만들어야 합니다.
이와 반대로 간접적인 방법으로 간단하게 양극화를 반전시키는 방법이 있습니다.
바로 스핀이 정렬되어있는 전자를 자석에 넣어주는 방법입니다.
작지만 많은 양이 들어간다면 자석은 서서히 동조되다가 반대로 돌아서게 됩니다.
반대로 돌아서지 않는 견고한 자석을 만들어 줄 수도 있습니다. 바로 자석에 반 강자성체(Antiferromagnet)이라는 특수한 물질을 붙여주는 방법입니다. 반 강자성체는 이웃한 스핀이 서로 반대방향으로 정렬된 물질입니다. 따라서 자기장을 내뿜지도 않고 외부 자기장에도 흔들리지 않는 절대 중립입니다. 아무리 중립이어도 그 마지막에 있는 스핀은 한쪽으로 정렬되어있고 이 스핀에 자석을 붙이면 끈끈한 결속에 의해 자석 마저 흔들리지 않습니다.
다른 방법으로는 자석을 만들 때 아주 많은 스핀을 갖도록 자석을 만들면 됩니다. 이를 경자성(Hard magnet)이라 합니다.
사실 자석은 양쪽 방향만 있지 않습니다. 수직 한 방향도 있고 비스듬한 방향도 있습니다. 이런 특이한 방향은 자석에 붙은 물질에 따라 바뀝니다. 이웃한 물질과 결속하기 때문인데, 한바탕 열을 가해주고 식혀주면 더욱 끈끈한 결합을 만들게 됩니다.
자석 이외 유전물질도 양극화 경향이 있습니다. 자석과 비슷한 맥락이지만, 일반적인 유전체는 전기장을 가해주면 양극화가 생기고, 전기장을 가하지 않으면 양극화가 사라집니다. 전기장을 가한 뒤 전기장을 없애도 양극화가 남아있는 물질은 강유전체라 합니다. 따라서 자석과 견주려면 강유전체를 다루어야 합니다. 강유전체에서 나타나는 양극화는 물질 내부 대칭이 붕괴되어 나타납니다. 다시 말해 강유전체는 내부 대칭이 붕괴된 물질입니다. 더 붕괴시킬수록 더 강한 양극화가 나타나며, 외부 전기장에 잘 버팁니다. 하지만 다른 유전체 물질에 비해 약하고 본래의 기능을 잘 못합니다.
자석과 강유전성을 모두 갖고 있는 물질도 있습니다. 이를 다강체(multiferroic)이라 합니다. 이 물질의 자성이 변화하면 강유전성도 변화할 수 있습니다. 반대로 강유전성이 변할 때, 자성이 변하기도 합니다. 하지만 이런 물질은 극히 드물고 온도를 아주 낮춰야 나오는 경우도 많습니다. 따라서 자석과 강유 전물질을 직접 붙여 만들기도 합니다. 자석과 강유전 상태에 따라 물질이 커지는 성질에 매개를 하여 서로에게 영향을 줍니다.
이렇게 본 포스팅에서는 자연 과학 속 양극화에 대해 다루어 보았습니다. 정리하자면 장(Field), 즉 힘을 주어 양극화를 제어할 수 있으나, 현실적으로 어렵다면 다른 물질을 붙이거나, 양극화의 가작 작은 단위(스핀, 전자)를 주입하여 제어할 수 있습니다. 따라서 양극화가 발생하는 가장 작은 단위를 다루는 방법이 중요합니다.
본 포스팅은 경향을 이해하기 위해 단순화한 글로, 더 깊은 이해를 원하신다면 아래 글자 링크를 클릭해주시기 바랍니다.
1. 자석 및 반 강자성체에 대하여 :
2. 강유전체에 대하여:
3. 유전체에 대하여:
Thin Film Insulator_Capacitor(박막 커패시터)
커패시터(Capacitor) _ Insulator (절연체)
4. 장에 대하여:
자기장(magnetic field)_비오-샤바르법칙(Biot Savart Law)_자석_패러데이 유도법칙
5. 스핀에 대하여:
스핀세차운동토크(spin precession torque)
spin in quantum mechanics_angular momentum
6. 자석 방향에 대하여:
자기 이방성 에너지(magnetocrystalline anisotropy energy)
7. 양극화 반전에 대하여:
자화 반전 (magnetic switching) : field free switching
8. 물질을 붙여 견고한 양극화를 만드는 원리에 대하여:
RKKY interaction (exchange) (Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida) _ spin interaction
9. 원자에 대하여:
10. 스핀 공학에 대하여:
https://depletionregion.tistory.com/
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