01 그림은 2014년 노벨 물리학상으로 선정된 파란색 LED (발광 다이오드)에 관한 기사를 보고 철수, 영희, 민수가 대화하는 모습을 나타낸 것이다. 말한 내용이 옳으면 ○, 옳지 않으면 ×하시오.

Ⅱ. 물질과 전자기장 / 2. 전자기장

23. LED와 신소재

소단원 문제

02 그림은 임계 온도 이하에서 자석 위에 초전도체가 떠 있는 모습을 나타낸 것이다.

이 현상을 무엇이라 하는지 쓰시오.

03 다음에서 신소재에 대한 것 중 서로 관계있는 것끼리 선으로 연결하시오.

04 그림과 같이 발광 다이오드(LED)와 스위치를 전원 장치에 연결하였다. X, Y는 각각 p형 반도체와 n형 반도체 중 하나이다. 스위치를 닫으면 발광 다이오드가 빛을 낸다.

스위치를 닫았을 때, 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. X는 Y보다 양공이 많아지도록 도핑 되었다. ㄴ. LED에 걸린 전압은 순방향이다. ㄷ. 발광 다이오드 내에서 Y에 있는 전자는 X로 이동한 다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

05 그림과 같이 발광 다이오드(LED)와 직류 전원 장치, 교류 전원 장치를 이용하여 회로를 구성한 후, 스위치를 a에 연결 하였을 때 발광 다이오드에 불이 켜졌다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. Y는 p형 반도체이다. ㄴ. 스위치를 a에 연결하면 p-n 접합면에서 양공과 전자 가 결합한다. ㄷ. 스위치를 b에 연결하면 발광 다이오드는 켜지지 않는 다.

① ㄴ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

06 그림과 같이 p-n접합 발광 다이오드(LED)를 이용하여 회로를 구성하였다. 스위치 S를 a 또는 b에 연결할 때, 한

경우에만 LED가 켜진다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. S를 a에 연결할 때, LED가 켜진다. ㄴ. p형 반도체에서는 주로 양공이 전류를 흐르게 한다. ㄷ. S를 b에 연결할 때, n형 반도체에 있는 전자의 이동 방향은 p-n 접합면에서 멀어지는 방향이다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

07 그림은 발광 다이오드 A, B를 각각 직류 전원 장치에 연결 했을 때 빨간색 빛과 파란색 빛이 나오는 모습을 나타낸 것이다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. 전원 장치의 단자 a는 (+)극이다. ㄴ. 발광 다이오드 내에서 n형 반도체에 있는 전자는 접합면으로 이동한다. ㄷ. 원자가띠와 전도띠 사이의 띠틈은 A가 B보다 크다.

① ㄱ	② ㄷ	③ ㄱ, ㄴ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

08 그림과 같이 태양 전지와 LED(발광 다이오드) A, B를 연결한 후 태양 전지에 빛을 비추었더니 B에서만 빛이 방출되었다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

	<보 기>
ㄱ. X는 p형 반도체이다. ㄴ. 태양 전지의 단자 a는 (-)극이다. ㄷ. 태양 전지의 p형 반도체에 빛을 비추면 A에서만 빛이 방출된다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

09 그림과 같이 고정된 코일에 LED(발광 다이오드)를 연결하고 막대자석을 움직인다. 막대자석이 ㉠ 방향으로 움직일 때 LED에 불이 켜진다.

이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은? (단, 공기 저항은 무시하며, 자석은 회전하지 않는다.)

	<보 기>
ㄱ. 막대자석이 ㉠ 방향으로 움직일 때 전류의 방향은 a → LED → b이다. ㄴ. 막대자석이 ㉡ 방향으로 움직일 때 LED에는 역방향 전압이 걸린다. ㄷ. 막대자석이 ㉠ 방향으로 움직일 때 자석과 코일 사이에 작용하는 자기력은 인력이다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄴ	⑤ ㄴ, ㄷ

10 표는 물질 A, B에 대한 설명이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

A	B
A에 전압을 걸면 분자들 의 배열이 변하기 때문에 영상 표현 장치에 이용된 다.	임계 온도 이하에서 B가 자석 위에 떠 있을 수 있기 때문에 자기 부상 열차에 이용된다.

	<보 기>
ㄱ. A는 액정이다. ㄴ. B의 내부 자기장은 외부 자기장과 같은 방향이다. ㄷ. B는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 된다.

① ㄱ	② ㄴ	③ ㄷ

④ ㄱ, ㄷ	⑤ ㄱ, ㄴ, ㄷ

11 그림은 신소재에 관해 학생들이 대화하는 모습을 나타낸 것이다.

(a)~(c)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① (a)는 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이 된다.

② (b)를 메모리 소자에 이용한다.

③ (c)는 액체와 고체의 중간 성질을 가진 물질이다.

④ 자기부상 열차에 주로 이용되는 것은 (a)이다.

⑤ (b)는 외부 자기장과 동일한 방향으로 내부 자기장이

정렬되는 성질을 가지고 있다.

12 그림은 반도체 A, B, C를 이용해 만든 트랜지스터에 저항과 전지를 연결한 회로를 나타낸 것이다. 이미터, 베이스, 컬렉터에 각각 [eqn: I_{rmA}], [eqn: I_{rmB}], [eqn: I_{rmC}]의 전류가 흐른다.

⑴ A, B, C 반도체를 순서대로 쓰고, ⑵ 트랜지스터의 기능을 2가지만 설명하시오.

13 다음은 발광 다이오드(LED)에서 빛이 발생하는 원리를 설명한 글이다.

그림과 같은 회로에

서 LED에

(가)

전압이 걸리면 n형 반도체의 전자와 p

형 반도체의

(나)

이/가 각각 p-n 접합면으

로 이동하여 결합하고,

(다)

에 해당하는 에너지를

빛으로 방출한다.

(가)∼(다)에 들어갈 내용으로 옳은 것만을 <보기>에서 찾아쓰시오.

	<보 기>
•순방향 •역방향 •전자 •양공 •원자가띠 •전도띠 •띠틈

정답과 해설

01 철수 (○), 영희 (○), 민수 (×)   02 마이스너 효과   03 ⑴ 초

전도체  ⑵ 유전체  ⑶ 액정    04 ②    05 ③     06 ②

07 ③    08 ④    09 ⑤    10 ④    11 ⑤    12 ⑴ A: p형 반도체, B: n형 반도체, C: p형 반도체 ⑵ 스위치 작용, 증폭 작

용  13 (가) 순방향, (나) 양공, (다) 띠틈

01

LED(발광 다이오드)는 다이오드의 한 종류로 p형 반도체

와 n형 반도체를 접합하여 만든다.

•철수: n형 반도체는 전자가 많아지도록 도핑된 불순물 반도체이다.

•영희: 다이오드에 순방향 전압을 걸면 p형 반도체의 양공과 n형 반도체의 전자가 이동하여 접합면에서 결합하게 된다.

•민수: 원자가띠와 전도띠 사이의 띠틈이 Eg인 반도체로 만들어진 LED에서 방출되는 광자 한 개의 에너지는 [eqn: E_g]이다. 따라서 띠틈이 클수록 방출되는 광자 1개의 에너지가 크므로 빛의 파장은 더 짧은 빛이 방출된다. 파란색 빛은 빨간색 빛보다 파장이 짧은 빛이므로 띠틈이 더 큰 반도체로 만들어진 LED이다.

오답 체크

02

•마이스너 효과: 임계 온도 이하에서 초전도체 내부의 자기장이 완전히 없어지는 현상

•마이스너 효과가 생기는 원인: 초전도체가 주변의 자기장을 완전히 밀어내는 성질을 가지고 있기 때문인데, 이 때문에 자석은 초전도체 위에 떠 있게 된다.

03

⑴ 초전도체: 극저온에서 초전도 현상을 나타내는 물질

⑵ 유전체: 절연체와 같은 의미로, 전기장 내에서 표면에 전하를 보관하는 물질

⑶ 액정: 고체의 격자 구조와 액체의 유동성을 동시에 가진 물질

04

스위치를 닫으면 LED가 켜지므로 순방향 전압이 걸린 경우이다. 따라서 X는 n형 반도체, Y는 p형 반도체이다.

ㄴ. LED가 켜졌으므로 LED에는 순방향 전압이 걸렸다.

ㄱ. X는 n형 반도체이므로 전자가 많아지도록 도핑 되었고, Y는 p형 반도체이므로 양공이 많아지도록 도핑 되었다.

오답 체크

ㄷ. 발광 다이오드 내에서 전자는 n형 반도체(X)에서 p형 반도체(Y)로 이동한다.

05

ㄱ. LED가 직류 전원인 a에 연결될 때 켜지게 되므로 순방향 전압이 걸린 경우이다. 따라서 전원의 (+)극에 연결된 Y반도체는 p형 반도체이다.

ㄴ. 순방향 전압이 다이오드에 걸리면 다이오드의 p형 반도체의 양공과 n형 반도체의 전자는 접합면에서 결합한다.

ㄷ. 스위치를 b에 연결하면 교류 전원에 의해 다이오드에 전압이 걸린다. 교류 전원은 시간에 따라 전원의 극이 바뀌므로 LED는 순방향일 때는 켜지고, 역방향일 때는 꺼지게 되므로 깜빡인다.

오답 체크

06

ㄴ. p형 반도체는 순수 반도체에 불순물을 첨가하여 양공이 많아지도록 도핑하므로 양공에 의해서 전류가 흐르게 된다.

ㄱ. 스위치 S를 a에 연결하면 전지의 (-)극이 p형 반도체에 연결되어 LED에 역방향 전압이 걸리므로 LED는 켜지지 않는다.

오답 체크

ㄷ. 스위치 S를 b에 연결할 때 LED에는 순방향 전압이 걸리므로 p형 반도체의 양공과 n형 반도체의 전자는 접합면으로 이동하여 결합한다.

07

ㄱ. 발광 다이오드 A, B가 모두 켜지고 있으므로 순방향 전압이 걸려 있다. 따라서 p형 반도체에 연결된 전원 장치의 단자 a는 (+)극이다.

ㄴ. 순방향 전압이 걸린 발광 다이오드 내에서 p형 반도

체의 양공과 n형 반도체의 전자는 접합면으로 이동하여 결합한다.

ㄷ. 원자가띠와 전도띠의 사이의 띠틈이 클수록 전도띠에 있던 전자가 원자가띠로 전이할 때 에너지지가 큰 빛을 방출한다. 파란색 빛은 빨간색 빛보다 파장이 짧으므로 에너지가 큰 빛이다. 따라서 띠틈은 B가 A보다 크다.

오답 체크

파장	진동수	광자 1개의 에너지
빨간색>파란색	빨간색<파란색	빨간색<파란색

08

태양 전지는 빛에너지를 전기 에너지로 전환시키고 건전지와 동일하게 직류 전원이 된다.

ㄱ. 태양 전지에 병렬로 연결된 A와 B 중에서 B만 켜지

게 되므로 A에는 역방향, B에는 순방향 전압이 걸렸다. 따라서 B의 X는 태양 전지의 양(+)극인 p형 반도체에 연결되어 있으므로 X는 p형 반도체이다.

ㄴ. 태양 전지는 광전 효과를 이용하는데 전자가 남아도는 n형 반도체에 빛을 비추게 되면 전자가 튀어나와 도선 쪽

으로 공급되므로 n형 반도체가 전지의 (-)극에 해당한다.

ㄷ. 태양 전지의 앞면 전극은 자유 전자가 많은 n형 반도체이다. 따라서 태양 전지의 뒷면 전극에 빛을 비추면 광전 효과가 원활하지 않게 된다. 또 광전 효과가 발생하더라도 전류의 방향은 달라지지 않는다.

오답 체크

09

자석과 코일의 상대적인 운동에 의한 전자기 유도 현상

으로 코일에 유도 전류가 흐른다. 이때 코일에 유도 전류

를 흐르도록 전압이 유도되는데 이를 유도 기전력(전압)

이라 한다.

ㄴ. 막대자석이 ㉠방향으로 움직일 때 LED에 불이 켜진

다고 했으므로 막대자석이 ㉡방향으로 움직일 때에는 LED에 역방향 전압이 걸린다.

ㄷ. 막대자석이 ㉠방향으로 움직일 때 자석이 코일로부터 멀어지므로 인력이 작용해야 자석의 운동을 방해하는 결

과를 낳는다.(렌츠 법칙)

ㄱ. 막대자석이 ㉠방향으로 움직이면 코일에서 자석의 N극이 멀어지게 되므로 코일을 통과하는 자기 선속이 감소하게 되어 코일에서는 이를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 발생한다. 즉, 코일의 위쪽이 S극이 되도록 유도 기전력이 형성된다. 따라서 전류의 방향은 b → LED → a이다.

오답 체크

10

ㄱ. A는 고체와 액체의 중간 성질을 가진 액정이다. 액정

은 걸린 전압에 따라 분자 배열이 달라져 빛의 진동 방향

을 변화시킬 수 있어 영상 표현 장치(LCD)에 사용된다.

ㄷ. B는 초전도체이므로 임계 온도 이하에서 전기 저항이 0이된다.

ㄴ. 초전도체는 반자성 물질이므로 내부의 자기장은 외부 자기장과 반대 방향이다.

오답 체크

11

⑤ 유전체는 절연체로 외부 전기장에 의해 내부의 분자들

이 재배열되는 유전 분극이 일어난다. 금속 물질인 강자성

체와 전혀 다르다.

① 초전도 현상은 전기 저항이 0이 되는 현상으로 임계 온도라는 아주 낮은 온도에서만 나타난다.

오답 체크

② 유전체의 유전 분극 현상을 이용하여 플래시 메모리 소자에 이용한다.

③ 액정은 결정을 가지고 있어 고체의 성질을, 유동성이 있어 액체의 성질을 가진 물질이다.

④ 초전도체의 초전도 현상과 마이스너 효과는 자기 부상 열차에 이용되고 있다.

12

정답 키워드

트랜지스터의 구조와 기능

모범답안_ ⑴ A: p형 반도체, B: n형 반도체, C: p형 반도체 ⑵ 스위치 작용, 증폭 작용

해설_ 이미터가 전지의 (+)극에 연결되어 있어서 전류는 이미터에서 베이스로 흐른다. 따라서 이미터는 p형 반도

체이고 베이스는 n형 반도체이다. n-p-n 트랜지스터의 경

우, p형 반도체에서 n형 반도체로 전류가 흐른다는 사실

에는 변함이 없으므로 베이스가 p형 반도체이다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	⑴과 ⑵를 모두 바르게 설명한 경우	100
B	⑴과 ⑵중에서 1가지만 바르게 설명한 경우	50

13

정답 키워드

LED의 원리

모범답안_ (가) 순방향, (나) 양공, (다) 띠틈

LED에

순방향

전압이 걸리면 n형 반도체의 전자와 p형 반도체의

양공

이 각각 p-n 접합면으로 이동하여 결합하고,

띠틈

에 해당하는 에너지를 빛으로 방출한다.

채점 기준

등급	채점 기준	배점(%)
A	(가), (나), (다) 모두 바른 경우	100
B	(가), (나), (다) 중 2가지만 바른 경우	70
C	(가), (나), (다) 중 1가지만 바른 경우	40