KR20220111186A - 실온 미만에서 실온 초과까지의 강유전성 초전도체 - Google Patents

실온 미만에서 실온 초과까지의 강유전성 초전도체 Download PDF

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소아레스 드 올리베이라 브라가 마리아 헬레나 브라가 소우사
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우니베르시다데 도 포르토
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Abstract

본 발명은 실온 미만에서 실온 초과까지의 온도에서 매우 높은 유전 상수를 갖는 강유전체를 포함하는 초전도체에 관한 것이며, 여기서 강유전체의 쌍극자의 자발적인 동적 정렬이 그 표면에서 유도된다. 혁신적인 초전도체의 사용 및 생성된 전류의 후속 수확(harvesting)에 따른 현상의 적용을 위해, 강유전체가 2개의 동일한 전도체 또는 반도체, 2개의 다른 전도체 또는 반도체 사이에서, 또는 전도체의 절연체 코어로서 또는 단지 공기와 접촉해서 적용될 수 있다. 따라서 본 발명은 에너지, 수확(harvest), 저장, 센서, 트랜지스터, 컴퓨터 부품, 태양광 전지 또는 패널, 풍력 터빈, SQUID, MRI, 질량 분석기, 입자 가속기, 스마트 그리드, 전력 전송, 변압기, 전력 저장 디바이스 및/또는 전기 모터의 분야에서 손실 없이 전력을 전송할 수 있는 응용에 유용하다.

Description

실온 미만에서 실온 초과까지의 강유전성 초전도체
본 발명은 실온 미만에서 실온 초과까지의 온도에서 매우 높은 유전 상수를 갖는 강유전체를 포함하는 초전도체에 관한 것으로, 여기서 강유전체의 쌍극자의 자발적인(spontaneous) 동적 정렬이 그 계면에서 유도된다.
혁신적인 초전도체의 사용 및 생성된 전류의 후속 수확(harvesting)에 따른 현상의 적용을 위해, 강유전체가 2개의 동일한 전도체 또는 반도체, 2개의 다른 전도체 또는 반도체 사이에서, 또는 전도체의 절연체 코어로서 또는 단지 예를 들어, 공기와 같은 절연체와 접촉해서 적용될 수 있다.
따라서 본 발명은 에너지, 수확(harvesting), 저장, 트랜지스터, 센서, 컴퓨터 부품, 태양광 전지 또는 패널, 풍력 터빈, SQUID, MRI, 질량 분석기, 입자 가속기, 스마트 그리드, 전력 전송, 변압기, 전력 저장 디바이스 및/또는 전기 모터의 분야에서 손실 없이 전력을 전송하게 하는 응용에 유용하다.
초전도체는 제로 저항을 나타낼 수 있는 물질이다; 따라서 초전도체는 전자와 관련된 특성이다. 초전도체는 또한 전압이 가해지지 않은 상태에서 전류를 유지할 수 있는데, 이는 예를 들어, MRI 기계에서 볼 수 있는 것과 같은 초전도 전자석에서 이용되는 특성이다. 실험에 따르면 초전도 코일의 전류는 성능 저하 없이 수년 동안 지속될 수 있다. 예를 들어, Be, Ti, Zr, Zn, Sn과 같은 여러 물질이 저온(< 50K)에서 그리고 예를 들어, HgBa2Ca2Cu3Ox와 같은 구리산염 초전도체 또는 철계 FeSe가 초전도성을 나타내는 것으로 보고되었다. 최고 온도(150K) 초전도체는 H2S이지만, H2S는 또한 높은 압력을 필요로 한다.
따라서, 초전도체는 손실 없이 전력의 전송을 가능하게 하고, 방열을 나타내지 않는다(줄 효과(Joule effect)가 없음). 에너지를 수확하고 후속적으로 이 에너지를 저장하기 위한 새로운 아키텍처의 개발은 인류에게 중요한 이점을 제공한다.
강유전체 물질은 외부 전기장의 인가에 의해 반전될 수 있는 자발적인 전기 분극을 보이는 물질이다. 모든 강유전체들은 초전기(pyroelectrics)이며, 이들의 자연적인 전기 분극은 가역적이다.
금속과 강유전체 물질 사이의 계면에서 초전도성이 생성될 수 있다. 이것은 금속/절연체 진공 계면에서 발생하는 급격한 상전이 때문인데(유전율은 예를 들어, 105에서 1로 갑자기 변경됨), 이는 자발적으로 대칭을 깨고 초전도성을 유도한다(induce). 이것은 위상수학에서 파국적 현상으로 알려진 현상으로 1977년 노벨 물리학상 수상자인 필립 앤더슨(Philip Anderson)에 의해 결정된 바 있는데, 그는 강유전체 물질이 실온에서 초전도체가 될 수 있다고 예측하기도 했다. 여기에서 처음으로 이러한 초전도 능력을 가진 강유전체 물질이 존재하고 실온 및 심지어 실온 초과에서 표면 초전도체임을 보여준다.
따라서 초전도성은 비전통적인 초전도체를 구성하는 이하에서 제시되는 디바이스에서와 같이 금속/강유전체의 계면을 따라 주로 발생할 수 있다.
본 발명에 기술된 바와 같이, Li3-2yMyClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba), Li3-3yAyClO(M = B, Al), Na3-2yMyClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba), Na3-3yAyClO(M = B, Al)와 같은 매우 높은 유전 상수를 가진 강유전체 유리, 또는 Li3-2y-zMyHzClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba), Li3-3y-zAyHzClO(M = B, Al)와 같은 안티페로브스카이트(결정질 물질), 이들 물질의 혼합물 또는 이들 물질과 Li2S, Na2S 또는 H2S의 혼합물, 또는 심지어 중합체와 혼합된 이러한 유리 또는 결정질 물질을 포함하는 합성물은, 실질적으로 다른 유전 상수를 갖는 물질과의 계면에서 초전도체가 될 수 있다; 심지어 그 물질은 "디바이스(device)"가 없을 때 강유전체 물질을 초전도체로 만드는 공기일 수도 있다.
본 발명은 실온 미만에서 실온 초과까지 성능을 발휘할 수 있는 강유전체 유도 초전도체에 관한 것이다.
본 발명은 예를 들어, 금속과 강유전체 물질과 같이 유전율이 매우 다른 2종 이상의 물질 사이의 계면을 포함하는 강유전체 유도 초전도체 실온 초전도체에 관한 것이다. 벌크 금속 내부의 전기장이 0이므로 금속의 유전율은 무한한 것으로 간주된다. 사실상, 강유전체 물질은 금속과의 계면에서 상대 유전율이 1인 진공과 접촉할 가능성이 더 크다.
본 발명의 특징은 계면에서 접촉하는 물질의 특성의 급격한 변화로부터 달성되는 강유전체 유도 초전도성을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징은 수년 동안 손실 없이 전력을 전송할 수 있는 강유전체 유도 초전도성을 제공하는 것이다. 강유전체 유도 초전도성은, 디바이스가 다른 물질 및 계면으로 구성되기 때문에 전체 디바이스의 저항을 0으로 감소시키지 않는다. 그럼에도 불구하고, 이 디바이스는 일부 디바이스 손실이 있음에도 불구하고 수 년 동안 성능을 발휘할 수 있다.
본 발명은, 강유전체 및 적어도 하나의 다른 물질과의 계면을 포함하는 초전도체를 개시하고, 강유전체는 계면에서 그리고 -40℃ 내지 170℃의 온도에서 103보다 높은 유전 상수
Figure pct00001
를 가지며, 강유전체의 쌍극자는 자발적인 동적 정렬을 나타낸다.
또한, 본 발명은 초전도체를 개시하며, 이 초전도체에서 강유전체 물질은, Li3-2yMyClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba; 0 ≤ y ≤ 1), Li3-3yAyClO(M = B, Al), Na3-2yMyClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba; 0 ≤ y ≤ 1), Na3-3yAyClO(M = B, Al; 0 ≤ y ≤ 0.5), 또는 Li3-2y-zMyHzClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba; 0 ≤ y ≤ 0.5 및 0 ≤ z ≤ 2), Li3-3y-zAyHzClO(M = B, Al; 0 ≤ y ≤ 0.5 및 0 ≤ z ≤ 2)인 안티페로브스카이트(결정질 물질), 이들 물질의 혼합물 또는 이들 물질과 Li2S, Na2S, Si2O, Li2O, Na2O, 또는 H2S의 혼합물, 또는 이들 물질과 중합체의 합성 혼합물이다.
또한, 초전도체는 강유전체가 예를 들어, 공기 또는 진공과 같은 절연체와 접촉하는 것을 제공할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 초전도체는 강유전체가 유사하거나 유사하지 않은 전도체들인 2개의 계면과 접촉할 가능성이 있다.
본 발명은 또한 강유전체가 Na계 Na2.99Ba0.005ClO이고 전도체가 Cu인 초전도체를 개시한다.
초전도체는 강유전체가 Na계 Na2.99Ba0.005ClO이고 전도체가 Zn 및 Cu인 구성을 제공할 수 있다.
반도체는, 강유전체가 Na계 Na2.99Ba0.005ClO이고, 전도체가 Zn 및 C 폼(Zn and C foam), 스폰지, 와이어, 나노튜브, 그래핀, 흑연, 카본 블랙 또는 임의의 다른 동소체 또는 불순물이 있거나 없는 탄소 구조체인 추가적인 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Li계 (1-x)Li2.99Ba0.005ClO + xLi3-2y-zMyHzClO이고, 0 ≤ x ≤ 1이며, 하나의 전도체는 Li이고 다른 전도체는 MnO2와 카본 블랙 및/또는 접합제(binder)의 혼합물인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Na계 (1-x)Na2.99Ba0.005ClO + xNa3-2y-zMyHzClO이고, 0 ≤ x ≤ 1이며, 하나의 전도체는 Na이고 다른 전도체는 Na3V2(PO4)3와 카본 블랙 및/또는 접합제의 혼합물인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 유사하거나 유사하지 않은 반도체 또는 전도체와 반도체인 2개의 계면과 접촉하는 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Li계 Li2.99Ba0.005ClO + Li2S이고, 전도체는 Al이며, 반도체는 Si인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Li계 Li2.99Ba0.005ClO + Li3-2y-zMyHzClO이고, 전도체는 Li이며 반도체 MnO2 또는 황과 탄소의 혼합물인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 2개의 계면과 접촉하고, 2개의 계면 중 하나는 반도체 또는 전도체이며, 2개의 계면 중 다른 하나는 전도체 콘택(contact) 또는 전자 수집체(electron collector)를 갖는 절연체인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Na계 또는 Li계이고 전도체는 Zn 또는 Cu, Li, Na, Li 합금 또는 합성물, Na 합금 또는 합성물이고, 강유전체의 표면 영역은 예를 들어, 공기, 진공, 중합체, 가소제, 절연 테이프, 접착제, 또는 접합제와 같은 절연체와 접촉하는 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Li계 Li2.99Ba0.005ClO 또는 Li2.99Ba0.005ClO + Li3-2y-zMyHzClO 혼합물 또는 합성물이고, 전도체는 Li, 또는 예를 들어, LiMg와 같은 Li 합금, 또는 (Li)의 고용체이며, 강유전체의 표면 영역은 예를 들어, 공기, 진공, 중합체, 가소제, 절연 테이프, 접착제, 또는 접합제와 같은 절연체와 접촉하는 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체로 채워진 와이어 전도체를 포함하는 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체와 절연체 사이의 적어도 하나의 계면을 포함하는 추가 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 절연체가 Si2O, 중합체, 예를 들어, 석시노나이트릴과 같은 가소제, 및/또는 공기인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 절연체가 2개의 강유전체 물질과의 계면을 갖는 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전성 초전도체와 초전도체 사이에 적어도 하나의 계면을 포함하는 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Li계 또는 Na계이고 초전도체들 둘 다가 Al 또는 Ti 또는 Sn, Li과 Al, 또는 Li 및 Ti 또는 Sn인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 Li계 또는 Na계이고 초전도체가 HgBa2Ca2Cu3Ox, FeSe, 또는 H2S인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 예를 들어, 강유전체-접착제 혼합물과 같은 중합체와의 합성 혼합물인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
초전도체는, 강유전체가 CaCuTiO3이거나, 위에서 제공된 바와 같은 강유전체 물질들의 합성물 또는 혼합물인 추가적 구성을 제공할 수 있다.
상술된 초전도체는 상술된 구성들 중 어느 하나에서, 유전 상수
Figure pct00002
가 계면에서 그리고 -40℃ 내지 170℃, -35℃ 내지 170℃, 0℃ 내지 100℃, 0℃ 내지 75℃, 또는 실온의 온도에서 104, 105, 106, 107, 108, 또는 109보다 높다.
정의된 초전도체의 용도는 예를 들어, 에너지 수확기(energy harvester), 에너지 저장 디바이스, 센서의 일부, 트랜지스터의 일부, 컴퓨터의 일부, 광전지 또는 패널의 일부, 풍력 터빈의 일부, SQUID의 일부, MRI, 질량 분석계, 또는 입자 가속기, 스마트 그리드의 일부, 전력 전송, 변압기, 전력 저장 디바이스, 및/또는 전기 모터 등과 같은 여러 응용을 제공한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 양상 및 이점은, 다음의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 첨부된 청구항들, 및 첨부된 도면들을 참조해 더 잘 이해될 것이다.
도 1a는 매우 높은 유전 상수를 갖는 Li계 강유전체의 실시예이다. 그래프는 10Hz에서 온도의 함수로서 상대 유전율을 도시한다.
여기서
Figure pct00003
는 실수부 상대 유전율 또는 유전 상수를 나타낸다.
Figure pct00004
는 허수부 상대 유전율을 나타낸다.
Figure pct00005
는 상대 유전율의 계수(modulus)를 나타낸다.
도 1b는 Na계 강유전체 및 매우 높은 유전상수를 갖는 전도체1=Zn/Na계 강유전체/전도체2=C+Cu의 실시예이다. 그래프는 AC의 경우 0.1Hz에서 온도의 함수로서 그리고 DC 측정에 의해 얻어진 상대 유전율을 도시한다.
도 1c는 -30℃와 0℃ 사이에서 전지(cell)의 저항이 급격히 감소하면서 강유전체의 표면에서 표면 초전도성을 보이는 전도체1=Zn/Na계 강유전체/전도체2=C+Cu의 실시예이다.
도 2는 전도체/강유전체/도체 계면들을 갖는 강유전체 유도 초전도체의 실시예이다.
도 3은 전도체/강유전체/반도체 계면들을 갖는 강유전체 유도 초전도체의 또 다른 실시예이다.
도 4는 대부분의 강유전체가 공기/절연체에 노출되는 전도체/강유전체/도체 계면들을 갖는 강유전체 유도 초전도체의 또 다른 실시예이다.
도 5는 강유전체로 채워진 와이어를 갖는 강유전체 유도 초전도체의 또 다른 실시예이다.
도 6은 강유전체/절연체/강유전체 계면들을 갖는 강유전체 유도 초전도체의 또 다른 실시예이다.
도 7은 초전도체/강유전체/초전도체 계면들을 갖는 강유전체 유도 초전도체의 또 다른 실시예이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 아래에서 그리고 도 1 내지 도 7에 예로서 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 강유전체-초전도체는 바람직하게는 낮은 온도(233K 내지 273K)에서 실내(273K 내지 282K) 또는 높은 온도(T ≤ 500K)에 이르는 온도 범위에서 매우 높은 유전 상수를 가져야 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 강유전체 유도 초전도체(10)는 유사하거나 유사하지 않은 두 개의 전도체(100 및 110)와 강유전체 물질(200)을 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 강유전체 유도 초전도체(20)는 전도체(100), 강유전체 물질(200) 및 반도체(300)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 강유전체 유도 초전도체(30)는 유사하거나 유사하지 않은 두 개의 전도체(100, 110), 강유전체 물질(200), 및 유사하거나 유사하지 않을 수 있는 두 개의 절연체(400 및 410)를 포함한다. 전도체(110)는 전자 수집체(electron collector)이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 강유전체 유도 초전도체(40)는 강유전체 물질(200)과 함께 와이어 전도체(120)를 포함한다. 강유전체(200)는 얕은 와이어를 채울 수 있다. 강유전체(200)는 전도체(120)에 의해 코팅될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 강유전체 유도 초전도체(50)는 2개의 강유전체-초전도체(200 및 210)와 절연체(400)를 포함한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 강유전체 유도 초전도체(60)는 2개의 초전도체(500 및 510)와 강유전체-절연체(200)를 포함한다. 디바이스(10 내지 60)는 초전도성이 유도되게 할 수 있다.
본 발명의 설명에서, 본 발명은 실험실 환경에서 논의될 것이다; 그러나, 본 발명은 디바이스(10 내지 60)를 필요로 하는 임의의 유형의 응용에 사용될 수 있다.
미국 특허 출원 문헌 US 2019/0058105 A1은, 디바이스가 절연체 코어 및 금속 코팅을 갖는 와이어를 통과하기 위해 펄스 전류가 필요하고 와이어가 진동하는 동안 실온 초전도성이 유도되는 압전 유도 실온 초전도체를 개시하였다. 이 발명들이 완전히 다르지만, 이 발명들은 둘 다 비선형 현상과 대칭 파괴로 인한 것이다. 본 발명에서는 외부 전류 또는 진동이 필요하지 않거나 사용되지 않으며, 모든 프로세스가 자발적이다; 강유전체 정렬은 자발적이며 고 유전 상수 강유전체 물질이 예를 들어, 금속과의 접합부를 형성할 때, 금속/절연체 계면에서 급격한 상전이가 발생하여 자발적으로 대칭을 깨고 초전도성을 유도한다. 더욱이, 상기 언급된 문헌은 필수적인 압전 물질을 개시하였고, 본 발명은 강유전체인 절대적으로 다른 유형의 물질에 기초한다.
강유전체 유도 초전도성의 활성화는, 강유전체 물질이 비정질, 유리 또는 결정질 물질일 수 있기 때문에 강유전체 구조와 관련이 없지만, 초전도성을 가능하게 하는 쌍극자의 동적 합체(dynamic coalescence) 및 정렬과 많은 관련이 있다. 이 물질이 이 프로세스에 있을 때 이 물질은 평형에서 멀리 떨어져 있다(열역학에서 비평형).
초전도성에 영향을 미치는 3개의 파라미터들이 있다. 이 파라미터들은 온도, 전류 밀도, 및 외부에서 인가된 자기장 강도를 포함한다. 이 파라미터들은 전자의 협력 운동이라는 한 가지 공통점을 갖는다. 강유전체 물질을 구성하는 쌍극자의 합체 및 정렬을 통해 이 운동을 제어하면 특히 하전 물질이 불균일한 경우 실온 초전도성을 달성할 수 있다. 현재, 초전도성의 메커니즘은 바이폴라론 또는 쿠퍼 쌍에 의해 유도될 수 있다고 믿어진다.
바이폴라론은 두 개의 폴라론으로 구성된 준입자로서 정의될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
폴라론은 고체 물질의 전자와 원자 사이의 상호 작용을 이해하기 위해 응집 물질 물리학에서 사용되는 페르미온 준입자이다.
폴라론 개념은, 원자가 자신의 평형 위치에서 이동하여 포논 클라우드(phonon cloud)로 알려진 전자의 전하를 효과적으로 차단(screen)하는 유전체 결정에서 전자가 이동하는 것을 설명하기 위해 란다우(Landau)에 의해 처음 도입되었다. 이것은 전자 이동도를 낮추고 전자의 유효 질량을 증가시킨다.
쿠퍼 쌍 또는 BCS 쌍은 저온에서 함께 결합된 한 쌍의 전자(또는 다른 페르미온)이다. 금속에서 전자들 사이의 임의의 작은 인력은 쌍을 이루는 전자 상태가 페르미 에너지보다 낮은 에너지를 갖도록 할 수 있으며, 이는 쌍이 결합되어 있음을 의미한다. 기존 (BCS) 초전도체에서 이러한 인력은 전자-포논 상호작용으로 인한 것이다. 중요한 이해는 물리적 메커니즘과 무관하게, 관찰된 초전도성의 핵심은 강력한 전자-격자(포논) 결합이라는 것이다. 강한 전자-격자 상호 작용은 유기 태양 전지의 표면에서 발생할 수 있는 유전율의 급격한 변화에서 얻어질 수 있으며, 따라서 강유전체 유도 초전도성 활성화에 대한 정당성(justification)을 제공한다.
초전도 전하 캐리어(질량 ms, 여기서
Figure pct00006
은 자유 공간의 투자율(permeability))가 전자(
Figure pct00007
, 전자 전하)이고, 예를 들어, 초전도체 유형 II에서, 1020/cm3 정도의(on the order of) 초전도 전하 캐리어(ns)의 수밀도(number density)를 갖는다고 고려하면, 런던 침투 깊이(London penetration depth) λL은,
Figure pct00008
에 의해 주어진다.
침투 깊이는 고온 초전도체에서 Tc를 결정하는 양(quantity)인 초유체 밀도에 의해 결정된다.
마이스너 효과(완전 반자성)의 조건은 실온에서 가능하게 된다. 다음 사항에 유의할 가치가 있다:
Figure pct00009
여기서 n* = n + ik는 복소 굴절률이고 n은 굴절률의 실수부이고, k는 소광 계수이거나, 질량 감쇠 계수이고,
Figure pct00010
는 상대 실수 유전율이고,
Figure pct00011
는 상대 허수 유전율이며,
Figure pct00012
는 상대 투자율이다. 비자성 물질의 경우
Figure pct00013
= 1이다.
반자성은 모든 물질에서 발생하는 양자 역학적 효과이다; 이 효과가 자성에 대한 유일한 기여일 때, 이 물질은 반자성이라고 한다.
예를 들어, 물, 수성 물질 및 Cu, C(열분해 및 흑연), Bi, Hg와 같은 일부 물질은 반자성이며 상대 투자율이 1 이하이다. 이것은 그들이 반자성이며 자기장에 의해 반발된다는 것을 의미한다. 초전도체는 마이스너 효과로 인해 모든 자기장을 방출하기 때문에 완전한 반자성체로 간주될 수 있다.
강유전체(200) 내부의 자기 유도는 0이므로 dB/dt, 즉, B의 시간 변화율도 0이다(맥스웰 방정식에서 초전도 상태를 설명하는 런던 방정식을 유도하기 위한 두 가지 조건). 패러데이의 법칙에서 우리는 (dB/dt = 0) 조건에서 전기장의 컬(curl)이 0이라는 것을 얻는다. 이 결과를, 전기장 강도를 전류 밀도와 전기 저항률(시간 독립적)의 곱과 관련시키는 옴의 법칙의 형식과 결합하면, 전기 저항률이 0인 조건에서만 전기장이 0이어야 하므로(전류가 있기 때문임), 이상적인 전기 전도성을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명은 상술한 초전도성에 대한 두 번째 요건을 충족한다.
초전도성에 대한 세 번째 요건, 즉 거시적 양자 코히어런스(coherence)의 구현은 기존의 BCS(Bardeen, Cooper 및 Schrieffer) 이론에서 가장 잘 설명된다. 예를 들어, 전류가 전도체(100)를 따라 흐를 때, 강유전체(200)의 계면에서 정렬된 양이온 또는 쌍극자는 전자들 사이에 인력(반대 스핀 및 반대 운동량)을 생성할 것이며, 이는 일반적으로 쿨롱 반발력으로 인해 서로 반발한다. 따라서 쿠퍼 쌍이라고 하는 전자 쌍이 형성될 것이고, 이는 이후에 독특한 파동 함수로 표현되는, 단일 양자 역학 상태로 응축될 것이다. 이것은 거시적 양자 코히어런스와 동일하며 50 또는 60과 같은 조셉슨 접합의 '갭(gap)' 물질에서 '초전도 전류' 생성으로 더 예시될 수 있다. 본 발명에서, 실온 이상의 온도 조건에서, 열적 교란(변동)에 의해 유도된 격자 진동은 합체된 쌍극자, 쌍극자 또는 이온 진동과 결합하여 쌍극자가 훨씬 더 정렬되도록 하여, 이온 및/또는 쌍극자의 움직임에 대한 내부 저항을 감소시키고 유전 상수를 증가시켜 가상의 변동 '수프(soup)', 전도체(100)와 강유전체(200)의 계면에서 고도로 비선형이고 평형에서 멀리 떨어진 환경(far-from-equilibrium environment)을 생성한다.
물리적 시스템과 그 주변(환경) 간의 복잡한 상호 작용은 시스템의 양자 역학적 특성을 방해하고 일반적인 관찰에서 이 특성을 고전적으로 만든다. 이 프로세스는 디코히어런스(decoherence)라고 한다. 그러나 우리는 급격한 가속 과도 상태에서 하전된 물질의 가속된 스핀 및/또는 가속된 진동에 의해 디코히어런스를 지연(retard 또는 delay)할 수 있다(그리고 아마도 심지어 디코히어런스를 억제할 수 있는데, 즉, 물리적 시스템을 환경으로부터 분리할 수 있음)고 주장한다. 이것은 거시적 양자 코히어런스 상태를 달성하기 위한 바로 그 조건일 수 있으며, 평형으로의 이완 시작을 지속적으로 지연시킴으로써(따라서 최대 엔트로피 생성이 지연됨) 시스템이 열역학적 평형을 결코 달성하지 못하도록 하는 아이디어이다. 시스템은 예를 들어, 실온 초전도성과 같은 "변칙적인" 새로운 현상을 생성하여 "격렬하게(violently)" 반응할 수 있다. 예를 들어, 10과 같은 바람직한 실시예들 중 하나가 LED 또는 다이오드에 접속되면, 적은 전류가 외부 회로에서 지속적으로 순환하기 때문에 열역학적 평형이 지연된다. -20℃에서 하전된 물질의 진동은 강유전체 유도 초전도체(10, 20, 또는 30)에서 관찰되고, 실온에서, 초전도 전류가 강유전체 유도 초전도체(10, 20, 또는 30)에서 적어도 3년 동안 유도될 수 있다.
국제 우주 과학 및 공학 저널, Vol. 3, No. 4, 2015년, pp. 312-317에 발표된 논문 "고에너지 전자기장 발생기(The high energy electromagnetic field generator)"에서 논의된 프리고진 효과(Ilya Prigogine, 1977년 노벨 화학상)는 세 가지 조건에서 혼돈 시스템(앞서 언급한 변동 '수프')이 거시적 양자 코히어런스의 상태와 동일한 질서 있는 상태로 자체 조직될 수 있다고 설명한다. 이러한 조건은 자기 조직화 프로세스를 유지하기 위한(혼돈으로부터의 질서), 매우 비선형 매질(이 경우 강유전체 물질)의 존재, 열역학적 평형으로부터 멀리 급격한 이탈, 및 에너지 플럭스(개방 회로에서 전도체(100 및/또는 110)의 페르미 준위를 강유전체(200)와 정렬할 필요로 인한 쌍극자와 이온 전도의 자발적 정렬에 의해 또는 외부 회로를 폐쇄함으로써 야기됨)의 존재이다. 이는 본 발명이 거시적 양자 코히어런스를 가지며, 초전도성에 대한 최종 요건을 충족함을 나타낸다. 상술한 바와 같이, 본 발명은 초전도성을 위한 3가지 조건을 모두 만족시키며, 그 결과 저온 내지 고온 초전도성을 확립하고 가능하게 한다.
초전도성의 핵심은 국부적 거시적 양자 코히어런스의 활성화, 즉, 예를 들어, 중첩, 얽힘, 터널링과 같은 현상을 나타내는 마치 본질적으로 양자 역학적인 것처럼 작용하는 거시적 물체의 능력일 가능성이 있다. 요약하면, 마이스너 효과, 쿠퍼 효과(또는 바이폴라론 형성) 및 프리고진 효과라는 세 가지 물리적 메커니즘의 합성이 적어도 바람직한 실시예에서 실온 이상의 초전도성의 가능성으로 직접 이어진다고 주장할 수 있다. 따라서, 전도체(100), 반도체(300), 절연체(400), 초전도체(500) 및 강유전체(200) 사이의 계면(경계)을 따라 초전도 전류가 생성될 수 있다.
강유전체 유도 초전도체는, 전도체(100)의 페르미 준위가 강유전체(200)의 페르미 준위보다 높을 때, 초전도체(10, 20, 또는 30)에서 전도체(100)와 강유전체(200)의 계면에서 음의 정전 용량 현상을 나타낼 수 있어서, 페르미 준위(전도체의 전자 및 강유전체 양이온 또는 양의 쌍극자 단부(positive dipole-ends)에 의해 형성됨)와 계면에서 EDLC와 직렬로 연결된 역전기 이중층 커패시터(inverted Electrical Double Layer Capacitor; EDL-C')를 정렬하기 위한 전기 이중층 커패시터(Electrical Double Layer Capacitor; EDLC)의 형성으로 이어진다; 역 커패시터는, 쌍극자의 음의 단부에 의해 표면으로 후퇴(repel)되거나, EDLC, 및 반대쪽의 층 상의 쌍극자의 양의 단부에서 정렬된 양이온의 작용에 의해 제2 층에서 순환할, 쿠퍼 쌍 또는 음의 폴라론 및 강유전체 양이온에 의해 형성될 수 있다.
Figure pct00014
강유전체 물질에 의해 유도된 2D(표면) 초전도성을 나타내는 디바이스들 간의 비교.
주해 : 디바이스의 저항률은 강유전체 물질 이외의 디바이스의 다른 물질 및 계면에 따라 달라지므로 표 1의 값으로 제한되지 않는다.

Claims (26)

  1. 초전도체에 있어서,
    강유전체 및 적어도 하나의 다른 물질과의 계면을 포함하고,
    상기 강유전체는 상기 계면에서 그리고 -40℃ 내지 170℃의 온도에서 103보다 높은 유전 상수
    Figure pct00015
    을 가지며,
    상기 강유전체의 쌍극자는 자발적인 동적 정렬을 나타내는 것인, 초전도체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강유전체 물질은, Li3-2yMyClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba; 0 ≤ y ≤ 1), Li3-3yAyClO(M = B, Al), Na3-2yMyClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba; 0 ≤ y ≤ 1), Na3-3yAyClO(M = B, Al; 0 ≤ y ≤ 0.5), 또는 안티페로브스카이트(결정질 물질) Li3-2y-zMyHzClO(M = Be, Ca, Mg, Sr, 및 Ba; 0 ≤ y ≤ 0.5 및 0 ≤ z ≤ 2), Li3-3y-zAyHzClO(M = B, Al; 0 ≤ y ≤ 0.5 및 0 ≤ z ≤ 2), 이들 물질의 혼합물 또는 이들 물질과 Li2S, Na2S, Si2O, Li2O, Na2O, 또는 H2S의 혼합물, 또는 이들 물질과 중합체의 합성 혼합물인 것인, 초전도체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강유전체는 공기 또는 진공과 같은 절연체와 접촉하는 것인 초전도체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 유사하거나 유사하지 않은 전도체들인 2개의 계면과 접촉하는 것인, 초전도체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Na계 Na2.99Ba0.005ClO이고 상기 전도체는 Cu인 것인, 초전도체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 상기 Na계 Na2.99Ba0.005ClO이고 상기 전도체는 Zn 및 Cu인 것인, 초전도체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Na계 Na2.99Ba0.005ClO이고, 상기 전도체는 Zn 및 C 폼(foam), 스폰지, 와이어, 나노튜브, 그래핀, 흑연, 카본 블랙 또는 불순물이 있거나 없는 임의의 다른 동소체 또는 탄소 구조체인 것인, 초전도체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Li계 (1-x)Li2.99Ba0.005ClO + xLi3-2y-zMyHzClO이고, 0 ≤ x ≤ 1이며, 하나의 전도체는 Li이고 다른 전도체는 MnO2와 카본 블랙 및/또는 접합제의 혼합물인 것인, 초전도체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Na계 (1-x)Na2.99Ba0.005ClO + xNa3-2y-zMyHzClO이고, 0 ≤ x ≤ 1이며, 하나의 전도체는 Na이고 다른 전도체는 Na3V2(PO4)3와 카본 블랙 및/또는 접합제의 혼합물인 것인, 초전도체.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 유사하거나 유사하지 않은 반도체들 또는 전도체와 반도체인 2개의 계면과 접촉하는 것인, 초전도체.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Li계 Li2.99Ba0.005ClO + Li2S이고, 상기 전도체는 Al이며, 상기 반도체는 Si인 것인, 초전도체.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Li계 Li2.99Ba0.005ClO + Li3-2y-zMyHzClO이고, 상기 전도체는 Li이며, 상기 반도체는 MnO2 또는 황과 탄소의 혼합물인 것인, 초전도체.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 2개의 계면과 접촉하고, 상기 2개의 계면 중 하나는 반도체 또는 전도체이며, 상기 2개의 계면 중 다른 하나는 전도체 콘택(contact) 또는 전자 수집체(electron collector)를 갖는 절연체인 것인, 초전도체.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Na계 또는 Li계이고 상기 전도체는 Zn 또는 Cu, Li, Na, Li 합금 또는 합성물, Na 합금 또는 합성물이고, 상기 강유전체의 표면 영역은 공기, 진공, 중합체, 가소제, 절연 테이프, 접착제, 또는 접합제와 같은 절연체와 접촉하는 것인, 초전도체.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Li계 Li2.99Ba0.005ClO 또는 Li2.99Ba0.005ClO + Li3-2y-zMyHzClO 혼합물 또는 합성물이고, 상기 전도체는 Li, 또는 LiMg와 같은 Li 합금, 또는 (Li)의 고용체이며, 상기 강유전체의 표면 영역은 공기, 진공, 중합체, 가소제, 절연 테이프, 접착제, 또는 접합제와 같은 절연체와 접촉하는 것인, 초전도체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도체는 강유전체로 채워진 와이어 전도체를 포함하는 것인, 초전도체.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도체는 강유전체와 절연체 사이의 적어도 하나의 계면을 포함하는 것인, 초전도체.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체는 Si2O, 중합체, 석시노나이트릴과 같은 가소제, 및/또는 공기인 것인, 초전도체.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체는 2개의 강유전체 물질과의 계면을 갖는 것인, 초전도체.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초전도체는 강유전체-초전도체와 초전도체 사이에 적어도 하나의 계면을 포함하는 것인, 초전도체.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    강유전체는 Li계 또는 Na계이고 상기 초전도체는 Al 또는 Ti 또는 Sn, Li 및 Al, 또는 Li 및 Ti 또는 Sn인 것인, 초전도체.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 Li계 또는 Na계이고 상기 초전도체는 HgBa2Ca2Cu3Ox, FeSe, 또는 H2S인 것인, 초전도체.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 강유전체-접착제 혼합물과 같은 중합체와의 합성 혼합물인 것인, 초전도체.
  24. 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강유전체는 CaCuTiO3이거나, 제2항에 기재된 상기 강유전체 물질의 합성물 또는 혼합물인 것인, 초전도체.
  25. 제1항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전 상수
    Figure pct00016
    는 상기 계면에서 그리고 -40℃ 내지 170℃, -35℃ 내지 170℃, 0℃ 내지 100℃, 0℃ 내지 75℃, 또는 실온에서 104, 105, 106, 107, 108, 또는 109보다 높은 것인, 초전도체.
  26. 에너지 수확기(energy harvester), 에너지 저장 디바이스, 센서의 일부, 트랜지스터의 일부, 컴퓨터의 일부, 광전지 또는 패널의 일부, 풍력 터빈의 일부, SQUID의 일부, MRI, 질량 분석계, 또는 입자 가속기, 스마트 그리드의 일부, 전력 전송, 변압기, 전력 저장 디바이스, 및/또는 전기 모터로서의, 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따라 정의된 상기 초전도체의 사용.
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