세라믹은 전기를 전도하고 일부는 절연체로 작용하나요?

Question

세라믹은 일반적으로 전기를 잘 통하지 않는 절연체라고 하지만 일부 세라믹은 전기를 전도한다고 하던데요 이런 차이를 만드는 세라믹 내부의 원자 배열과 전자 이동 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

세라믹의 전기 전도 여부는 내부 원자 배열과 전자 이동 특성에 따라 결정됩니다. 대부분의 세라믹은 가전자대와 전도대 사이의 에너지 갭이 커서 전자가 쉽게 이동하지 못해 절연체로 작용합니다.

그러나 특정 세라믹(예: 루테늄 산화물, 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트)은 특수 구조(예: 페로브스카이트)와 도핑을 통해 전하 캐리어를 증가시켜 전기 전도성을 가질 수 있습니다. 이는 전자와 이온의 이동을 촉진하는 원자 배열 때문입니다.

Answer 2

안녕하세요.

세라믹 재료의 전기 전도성은 그들의 원자 구조 및 전자적 특성에 따라 결정됩니다. 일반적으로 세라믹은 절연체로 알려져 있지만, 특정 조건 하에서는 전도체나 심지어 초전도체로 작용할 수 있습니다. 이러한 다양성은 세라믹 내부의 원자 배열과 전자의 이동 가능성에 기반을 두고 있습니다.
대부분의 전통적인 세라믹 재료는 결합이나 공유 결합을 통해 구성됩니다. 이러한 결합 유형은 전자가 원자 간에 고정되어 있어 전기적으로 비활성화되는 경향이 있습니다. 이는 세라믹이 전기를 잘 통하지 않는 주된 이유입니다. 하지만, 특정 원소를 도핑함으로써 전자의 이동 경로를 생성할 수 있으며, 이는 세라믹의 전동성을 증가시킬 수 있습니다.
전도성 세라믹은 종종 도핑 과정을 통해 제조됩니다. 예를 들어, 지르코니아(ZrO₂)에 이트륨(Y₂O₃)을 첨가하면, 이트륨이 산소 자리를 차지하면서 전기적 성질을 변화시킵니다. 이 과정에서 생성된 산소 공공(oxygen vacancies)은 전자가 이동할 수 있는 통로를 제공하며, 이는 세라믹의 전도성을 향상시킵니다.
일부 세라믹은 매우 낮은 온도에서 전기 저항이 완전히 사라지는 초전도성을 나타냅니다. 이는 주로 복잡한 산화물 기반의 세라믹에서 관찰되며, 이들 세라믹의 전자가 쌍을 이루어 전류를 손실 없이 운반할 수 있는 상태를 형성합니다. 이와 같은 세라믹의 초전도성은 그들의 복잡한 결정 구조와 깊은 관련이 있습니다.