2026년 9월 30일 · 용티IYPT 2015 · 문제 11 · 전자기학

철사 한 올로 더듬는 최초의 반도체 — 고양이 수염 다이오드

V2 공개자료 교차확인 — 둘 이상의 독립된 자료로 확인

탐구 주제

IYPT 2015 문제 11 ‘Cat’s Whisker’에 관한 원리 해설과 탐구 설계입니다.

IYPT 2015 공식 문제 보기

교육과정 연결

중학교 과학 「전기와 자기」 / 고등학교 통합과학1 「물질과 규칙성」(물질의 전기적 성질) / 물리학 「빛과 물질」(에너지띠와 반도체) / 진로선택 「전자기와 양자」(반도체 소자) (2022 개정 교육과정, 단원 코드는 NCIC에서 최종 확인).

핵심 개념

반도체, 다이오드, 정류, 점접촉, 금속-반도체 접합, 쇼트키 장벽, 일함수, 에너지띠, 띠 간격, 공핍층, 순방향·역방향 바이어스, 정류비, 문턱 전압, 이상 계수, 옴 접촉, 페르미 준위 고정, 방연석(PbS), 검파, 광석 라디오

원리 살펴보기

돌멩이에 철사를 살짝 갖다 댔을 뿐인데, 왜 전류가 한쪽으로만 흐를까? 금속과 반도체는 전자를 붙잡아 두는 힘이 서로 다르다. 둘을 맞대면 전자가 한쪽에서 다른 쪽으로 옮겨 가 균형을 맞추고, 경계 아래에는 전자가 빠져나간 얇은 층(공핍층)이 남는다. 이 층이 바로 전자가 넘어야 할 언덕, 곧 쇼트키 장벽이다. 전지를 한쪽으로 걸면 반도체 쪽 언덕이 낮아져 전자가 우르르 넘어가지만, 반대로 걸면 금속 쪽 언덕은 높이가 거의 그대로여서 전자가 넘지 못한다. 방향에 따라 언덕이 다르게 반응하는 이 비대칭이 곧 정류다.

그렇다면 왜 하필 ‘가는’ 철사로 ‘가볍게’ 닿아야 할까. 접촉이 좁을수록 접합의 전기 용량이 작아 높은 주파수까지 따라가고, 세게 누르면 접촉면이 넓어지고 표면이 뭉개져 장벽이 무너지므로 양쪽으로 통하는 옴 접촉이 된다. 게다가 천연 방연석은 자리마다 불순물 농도가 달라 어떤 자리는 장벽을 만들고 어떤 자리는 만들지 못한다. 브래튼은 탐침을 1000분의 1인치만 옮겨도 정류 세기가 크게 달라짐을 보았고, 자리에 따라 정류 방향이 반대가 되기도 한다 — 옛 라디오 애호가들이 결정 위를 더듬어 ‘민감한 점’을 찾은 이유다. 방연석의 띠 간격은 0.41 eV로 규소(1.1 eV)보다 훨씬 좁고 장벽은 띠 간격보다 높아질 수 없으니 문턱 전압도 낮게 묶인다. 전지 없이 미약한 전파를 검파할 수 있었던 비결이다.

1874년 브라운이 황화 광물에서 이 비대칭을 처음 보고했을 때는 쓸모를 몰랐지만, 이 접촉 하나가 전자공학의 뿌리가 되었다. 쇼트키 다이오드는 문턱 전압이 낮고 스위칭이 빨라 전원 어댑터와 태양광 패널의 우회 다이오드에 쓰이고, RFID 태그·무선 전력 수신기는 전지 없이 전파를 직류로 바꿔 스스로를 켜는데 광석 라디오와 똑같은 정류다. 1947년 최초의 트랜지스터는 저마늄에 금 탐침 두 개를 스프링으로 눌러 놓은 점접촉 소자였다 — 고양이 수염의 직계 후손이다. 반도체 칩의 접촉 저항도 이 장벽이 좌우하는데, 금속을 바꿔도 장벽 높이가 좀처럼 변하지 않는 페르미 준위 고정은 미세 공정의 골칫거리다.

실험 설계

준비물

방연석(갈레나) 결정 표본, 가는 스프링 금속선(인청동·강철·구리 0.1~0.3 mm), 결정 뒷면을 받칠 넓은 황동판, 스탠드와 미세 높이 조절대, 전자저울(0.01 g 단위), 절연 받침, 가변 직류 전원(0~2 V)이나 건전지와 가변 저항, 보호용 저항(1 kΩ), 멀티미터 2대, 집게전선. 납이 없는 대체 결정으로 가열한 구리판(산화구리), 황철석, 산화시킨 면도날과 연필심을 함께 준비하면 비교가 쉽다.

변인

독립변인은 탐침이 결정을 누르는 접촉 힘이다(전자저울 눈금의 증가분으로 읽는다). 종속변인은 정류비 — 같은 크기의 순방향·역방향 전압에서 흐르는 전류의 비 — 와 전류가 뚜렷이 흐르기 시작하는 문턱 전압이다. 통제변인은 방연석 결정과 뒷면 접촉, 탐침의 금속·굵기·끝 모양, 측정 지점, 전압 범위와 보호 저항, 온도이다. 접촉 지점은 자리마다 성질이 달라 한 지점의 값을 대표로 삼지 말고 여러 지점에서 되풀이해 분포로 다룬다.

실험 순서

  1. 방연석 결정의 한 면 전체를 넓은 금속판에 밀착시켜 뒷면 접촉을 만든다. 두 접촉이 모두 점접촉이면 다이오드 두 개가 등을 맞대어 정류가 사라지니, 뒷면은 넓게 잡아 거의 옴 접촉이 되게 한다. 넓은 접촉을 하나 더 만들어 둘 사이의 I-V가 양방향으로 거의 대칭인 직선인지 먼저 확인하자 — 그래야 정류를 앞면 점접촉의 몫으로 볼 수 있다.

  2. 결정과 금속판을 절연 받침에 얹어 전자저울 위에 올리고, 가는 스프링 금속선을 스탠드에 물려 결정 위로 천천히 내린다. 저울 눈금의 증가분이 곧 접촉 힘이다(0.10 g은 약 1 mN).

  3. 가변 전원·보호 저항(1 kΩ)·다이오드를 직렬로 잇고, 전압을 −1 V에서 +1 V까지 조금씩 바꾸며 다이오드 양단 전압과 저항 양단 전압(전류로 환산)을 함께 읽어 I-V 곡선을 그린다. 정류가 잡힐 때까지 탐침 위치를 조금씩 옮겨 ‘민감한 점’을 찾는다.

  4. 민감한 점을 찾으면 그 자리를 그대로 두고 접촉 힘만 아주 약한 값부터 단계적으로 올리며, 각 힘마다 I-V 곡선을 기록한다(조건마다 3회).

  5. 같은 절차를 결정 위 다른 지점 다섯 곳 이상에서 되풀이해, 지점에 따라 정류비와 문턱 전압이 얼마나 흩어지는지 모은다.

안전 안내

⚠ 안전

방연석은 황화납(PbS)으로 납 화합물이다. 결정 덩어리를 그대로 다루는 동안의 노출은 낮게 유지할 수 있지만(황화물은 산화납·아세트산납보다 물에 훨씬 덜 녹는다), 갈거나 부수거나 가열하면 납 분진과 흄이 생기므로 절대 하지 않는다. 장갑을 끼고, 만진 뒤 비누로 손을 씻으며, 실험 중에 먹거나 마시지 않는다. 표본은 밀폐 용기에 보관하고 실험대는 젖은 천으로 닦는다. 납이 걱정되면 산화구리·황철석·산화된 면도날 같은 납이 없는 대체 결정으로 같은 탐구를 할 수 있다(면도날은 베이지 않게 다룬다). 회로에는 보호 저항을 반드시 넣어 점접촉의 전류를 몇 mA 이하로 묶고(점접촉은 과전류에 쉽게 탄다), 구리를 가열할 때는 화상·환기에 주의한다.

예상과 해석

먼저 예상해 보기

탐침을 결정에 더 세게 누르면 정류는 더 잘될까, 아니면 오히려 사라질까? 그리고 같은 결정 위의 다른 자리에서도 같은 값이 나올까?

자료 정리

접촉 힘별 I-V 곡선을 가로축 전압·세로축 전류의 한 그래프에 겹쳐 그려 순방향과 역방향의 비대칭을 확인한다. 그다음 가로축을 접촉 힘, 세로축을 정류비로 옮겨 그린다. 심화 과정에서는 순방향 구간의 세로축을 로그로 그려 ln I–V 직선의 기울기에서 이상 계수를 구한다. 지점별 값은 낱낱의 점으로 흩어 그려 편차가 보이게 한다. (수치는 실제 측정으로 채운다 — 축과 개형만 제시한다.)

결과의 의미

민감한 점을 잡으면 순방향 전류가 역방향보다 수십~수백 배 크게 흐르고, 문턱 전압은 규소 다이오드의 약 0.7 V보다 뚜렷이 낮게 나올 것으로 예상된다. 접촉 힘에는 최적 구간이 있어 너무 약하면 접촉이 불안정하고, 너무 세게 누르면 정류가 사라져 양방향으로 통하는 옴 접촉이 될 것으로 보인다. 문제 원문의 ‘가볍게 닿는’이라는 한마디가 이 최적점을 가리킨 셈이다. 지점마다 값이 흩어지는 것도 실패가 아니다 — 천연 결정의 불순물 분포가 자리마다 다르다는 사실이 데이터에 그대로 찍힌 것이다. 흩어짐을 평균으로 지우지 않고 분포로 보고하는 것이 이 탐구의 정직한 결론이다.

더 탐구하기

  1. 탐침을 일함수가 다른 금속(알루미늄·구리·강철·텅스텐)으로 바꿔, 장벽 높이가 쇼트키-모트 예측대로 변하는지 페르미 준위 고정 탓에 거의 그대로인지 확인해 보자.

  2. 가열한 구리판(산화구리), 황철석, 산화시킨 면도날과 연필심(제2차 세계대전의 ‘포크스홀 라디오’)으로 결정을 바꿔 정류비와 문턱 전압을 견줘 보자.

  3. 만든 다이오드를 코일·가변 축전기·크리스털 이어폰으로 꾸민 광석 라디오 회로에 넣어, 전지 없이 실제 AM 방송이 들리는지 확인해 보자.

  4. 산화아연(ZnO) 접촉에서 1920년대 로세프가 찾아낸 음성 저항 구간이 I-V 곡선에 나타나는지 살펴보자.

연결 주제

‘종이 위 전도성 선’(2020년 문제 10)은 흑연의 전도와 접촉 저항을 다루어, 그 멀티미터 측정 감각을 연필심 탐침에 그대로 쓸 수 있다. ‘주스 태양전지’(2024년 문제 9)는 반도체의 띠 간격이라는 언어를 공유하지만, 전하를 갈라놓는 것이 쇼트키 장벽이 아니라 염료와 전해질의 전기화학 접합이라는 점에서 기제가 다르다 — 같은 ‘반도체 접합’이 얼마나 다른 구조를 가리키는지 견주기 좋다.

참고문헌

[학생] 위키백과 ‘광석 라디오’ / Wikipedia ‘Cat’s-whisker detector’(민감한 점·접촉 압력·광물별 특성 정리) / Computer History Museum, The Silicon Engine(computerhistory.org/siliconengine — 1901년 검파기 특허부터 1947년 점접촉 트랜지스터 연표) / 영상 검색어 “cat’s whisker detector”, “foxhole radio” / [심화] F. Braun, “Ueber die Stromleitung durch Schwefelmetalle,” Ann. Phys. 229(12), 556–563, 1875 (DOI 10.1002/andp.18752291207; 1874년 11월 투고, 점접촉 정류의 최초 보고) · A. E. Flowers, “Crystal and Solid Contact Rectifiers,” Phys. Rev. (Series I) 29(5), 445–460, 1909 (DOI 10.1103/PhysRevSeriesI.29.445; 방연석 등 광물 접촉의 I-V를 잰 초기 측정) · H. C. Torrey, C. A. Whitmer, Crystal Rectifiers (MIT Radiation Lab. Series 15, McGraw-Hill, 1948; 점접촉 정류기의 표준 문헌, 전문 공개 febo.com) · R. T. Tung, “The physics and chemistry of the Schottky barrier height,” Appl. Phys. Rev. 1(1), 011304, 2014 (DOI 10.1063/1.4858400; 쇼트키 장벽과 페르미 준위 고정의 현대적 종설) · L. O. Grondahl, “The Copper-Cuprous-Oxide Rectifier and Photoelectric Cell,” Rev. Mod. Phys. 5(2), 141–168, 1933 (DOI 10.1103/RevModPhys.5.141; 납 없는 대체재 산화구리 정류기) · N. Zheludev, “The life and times of the LED — a 100-year history,” Nat. Photonics 1(4), 189–192, 2007 (DOI 10.1038/nphoton.2007.34; 로세프의 산화아연 점접촉 음성 저항). ※ 정류의 원인이 쇼트키 장벽이라는 틀은 확립됐으나, 천연 방연석에서 접촉 힘·탐침 금속·지점에 따라 정류비와 문턱 전압이 어떻게 변하는지의 정량 자료는 드물다. 최적 접촉 힘의 범위, 금속 일함수에 대한 장벽 높이의 민감도, 방연석에서 음성 저항이 보고되지 않는 이유가 개방 지점이다.

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