전자 분극(Electronic Polarization), 2) Ion 분극(Ionic Polarization), 3) 배향 분극(Orientation Polarization)

. 유전체 재료는 보통 재료의 특성, 전기장을 외부에서 가해 주는 방법에 따라 세 가지 분극 중에서 하나, 또는 그 이상의 분극 현상을 나타낸다

• 전자 분극

. 전기장이 가해짐에 따라 하나의 원자에서 양전하를 띤 핵에 대해 음전하 전자군의 중심의 이동에 의해 형성, (전기장이 가해지는 동안에만 형성) ☞ Figure 12.32 a) in p625

. Ion 분극

Ion 재료에서만 발생하며 전기장이 가해짐에 따라 양/음 Ion들이 각각 다른 방향으로 이동하게 하여 쌍극자 Moment 형성 ☞ Figure 12.32 b) in p625

쌍극자 Moment pi는 상대적인 위치 이동 di 와 각 Ion의 전하량의 곱과 같다

pi = qdi (12.33)

• 배향 분극

. 영구 쌍극자 Moment를 가지고 있는 물질에서만 발견, 외부 전기장 방향으로 영구 쌍극자 Moment의 회전에 의해 형성되며 원자들의 열적 진동에 의해 상쇄되는 효과가 있기 때문에 온도 증가에 따라 배향 분극은 감소한다

• 물질의 분극

. 어떤 불질의 전체 분극을 P라 하면 P 는 아래와 같이 전자 분극의 기여분 Pe , Ion 분극의 기여분 Pi, 배향 분극의 기여분 Po의 합으로 나타내어 진다

P = Pe + Pi + Po (12.34)

Figure 12.32 a) 전기장에 의해 원자 내의 전자군이 변형되어 형성되는 전자 분극 b) 전기장에 대응하여 일어나는 Ion들의 상대적 이동에 의해 형성되는 Ion 분극 c) 전기장에 대응하여 영구 쌍극자들이 반응하여 배향 분극을 야기한다

12.21 유전상수에 미치는 주파수의 영향

• 유전상수와 주파수의 상관관계

. 유전상수와 주파수의 변화는 밀접한 상관관계를 보이므로 일상적으로 교류를 많이 사용하는 환경에서 주파수의 영향 고찰 필요

. 외부에서 방향(Vector)이 주기적으로 변화하는 교류 전기장이 가해지면 유전체 분극의 방향이 변화 ☞ Figure 12.33 in p627

• 이완 주파수(Relaxation Frequency)

. 분극 방향의 변화에는 일정 시간이 소요되므로 분극 방향 변화에 필요한 시간을 나타내는 지표 필요

. 쌍극자 재배열에 필요한 최소 시간의 역수 (물리학적 정의 상 주기와 시간 사이에는 역수 관계가 성립함을 기억!) 교류의 주파수(주파수↑→ 전기장 방향 변화의 소요 시간↓)가 이완 주파수보다 크면 쌍극자는 분극 방향의 변화를 따라 잡을 수 없고 이 경우 쌍극자는 유전상수의 변화에 영향을 미치지 못한다

. 세 가지 유형의 분극 기구를 가진 유전 재료에 대해 교류장이 작용할 때 주파수의 변화가 유전상수(er)에 미치는 영향 ☞ Figure 12.34 in p627

- 낮은 주파수 영역에서 대체로 유전상수가 크게 발현

- 높은 주파수 때문에 한 가지 분극 기구가 나타나지 않게 되면 유전상수가 급격히 감소 - 주파수가 변화함에도 분극 기구가 변화하지 않고 따라서 유전상수가 변하지 않는 영역이 존재

• 유전 손실(Dielectric Loss)

. 교류 전압이 가해지는 유전체 물질에 의해 전기 Energy가 흡수되는 현상으로 어떤 재료에서 각각의 쌍극자를 유발하는 해당 유형에 대해 이완 주파수 부근에서 발생하므로 사용 주파수 범위에서 유전 손실이 낮은 재료를 선택하여야 한다

Figure 12.33 교류 전기장의 a) 하나의 극성과 b) 역극성에 대한 쌍극자들의 배향

Figure 12.34 교류장의 주파수에 따라 변하는 유전상수

(유전상수에 기여하는 전자 분극, Ion 분극, 배향 분극) 유전상수

불변 영역 유전상수

불변 영역 유전상수 불변 영역

유전 손실

유전 손실

유전 손실

12.22 절연 내력(Dielectric Strength)

• 유전 파괴(Dielectric Breakdown)

. 아주 높은 전기장이 유전체에 부과될 때 갑자기 수많은 전자가 전도대 안으로 이동할 수 있는데, 이들 자유전자에 의해 전류가 급격히 증가하여 국부적인 손상(Degradation; Melting, Burning, Vaporization, etc.)이나 파단(Failure)을 일으키는 현상을 유전 파괴라고 한다 ☞ Section 12.15 in p609 & Figure 12.22 in p609

• 절연 내력(Dielectric Strength, 절연 파괴강도; Dielectric Breakdown Strength) ☞ Table 12.5 in p620

. 절연 파괴가 일어날 때 전기장의 세기를 말하는데 국부적인 손상이나 파괴 같은 물리적 변화를 정량적으로 나타낼 수 없으므로, 부과하는 전기장을 증가시키면서 유전체의 손상이나 파괴에 의해 원하지 않는 위험한 수준의 (일정) 전류치에 도달할 때의 값을 취한다

12.23 유전체 재료

• 유전체 물질 - 고분자와 요업 재료

. 유전상수는 6~10 정도의 값을 가지는 요업 재료와 고분자 재료는 절연체나 축전기에서 유전물질로 이용되고 있다 e.g. 도선이나 전력선의 전기적 절연, Switch Base, 수광부(受光; Light Receptacle) 등

. Titanite Ceramic(TiO2, BaTiO3 등)은 매우 높은 유전상수를 가지므로 축전기 제조에 활용 ☞ Table 12.5 in p620

. 대부분 고분자의 유전상수는 2~5 정도로서 요업 재료보다 낮은데, 이는 요업 재료들이 상대적으로 높은 쌍극자 Moment를 나타내기 때문 보통 고분자는 도선, Cable, Motor, 발전기(Generator) 등에서 절연체로 사용되며, 일부 축전기에 사용되기도 한다

Figure 12.35 BaTiO3(Barium Titanate) 단위정의 a) 등축 투영도 b) 면의 중심으로부터 Ti⁴⁺, O^2-가 벗어나 있음 재료의 다른 전기적 특성

• 강유전성(Ferroelectricity)과 압전성(Piezoelectricity)

12.24 강유전성(Ferroelectricity)

• 강유전성^*1

. 전기장이 없는 경우에도 자발적 분극이 나타나는 재료의 성질, 더 엄밀히 표현하자면 전기장을 일단 가한 후에 이를 제거해도 분극이 남아 있는 현상(Hysteresis)^*2을 의미 이렇게 남아 있는 분극을 잔존(잔류) 분극(Remnant Polarization)이라고 한다 ☞ Figure 12S.8

*1 강자성(Ferromagnetism)을 따라 지어진 이름으로서 강유전성의 분극과 전기장과의 관계가 강자성을 띠는 물질에서의 자기장과 자화의 관계와 마찬가지로 Hysteresis를 보이기 때문에 지어진 이름

*2 어떤 성질이 그 성질에 영향을 미치는 인자의 과거의 이력에 영향을 받는 현상

. 강유전성은 재료 내에 영구 전기 쌍극자가 존재하여야 하는데, 이렇게 영구 쌍극자가 생기는 좋은 예가 ABO3 구조를 가지는 BaTiO3(Barium Titanate) ☞ Figure 12.35 in p629 각 원자의 위치와 변위에 따라 자발적 분극이 나타나는데, Ba²⁺는 정방 구조(Tetragonal ☞ Table 3.6 in p84) 단위정의 모서리에 위치하고 Ti⁴⁺, O^2- Ion들이 자신들의 대칭 위치로 부터 상대적으로 이동된 결과로 나타나며, 이웃한 쌍극자들 사이에서 서로 같은 방향으로 정렬하려고 하는 상호작용의 결과로 쌍극자 Moment가 형성 ☞ Figure 12.35 b) in p629

Figure 12S.8 Hysteresis Curve of P-E in Ferroelectric Materials

① the field Ec applied and the polarization Pc occurred, ② when the Field removed the path is not reversed but follows the green arrow and the polarization Pr

remains even at zero field

E P

Ec

- Ec

Pr

- Pr

②

①

② ① Pc

- Pc

12.24 강유전성

• 강유전성^*1 의 온도 의존성

. 강유전성은 어느 온도 이상이 되면 단위정은 등축정계(Cubic ☞ Table 3.6 in p84)의 구조로 바뀌면서 모든 Ion들이 대칭의 위치에 자리하여 Perovskite(Figure 3.10 in p74) 구조를 가지므로 더 이상 강유전성을 나타내지 않게 되는데, 이러한 전이가 일어나는 온도를 Curie 전이 온도(Curie Transition Temperature, TC)라고 한다 ☞ Figure 12S.9

. 강유전성을 나타내는 재료에는 Barium Titanate(BaTiO3) 외에도ABO3 구조를 가지는 Lead Zirconate(PbZrO3), Lead Titanate(PbTiO3), Potassium Niobate(KNbO3)를 비롯하여 Rochelle 염(Rochelle Salt, NaKC4H4O6∙4H2O), Potassium Dihydrogen Phosphate(KH2PO4) 등이 존재

. 강유전체는 비교적 낮은 주파수의 전기장 아래에서 매우 높은 유전상수를 나타내는데, Barium Titanate(BaTiO3)의 경우 상온에서 5000 정도의 높은 유전상수 값을 나타내므로 아주 작은 크기로도 다른 재료들에 비해 동일한 용량의 축전기를 만들 수 있다

Note) 축전 용량 C는 전극의 면적에 비례, 유전 재료의 두께에 반비례 ☞ Eq. 12.26 in p619

P

E

a) Dielectric > TC

P

E

b) Paraelectric > TC c) Ferroelectric < TC

E P

Figure 12S.10 온도 변화에 따른 유전성의 변화와 P-E 거동의 변화 Temp.

Ferroelectric < TC

TC

Dielectric or Paraelectric > TC

TC ; Curie Transition Temperature

Figure 12S.9 Curie 온도를 전후로 나타나는 유전성의 변화

12.25 압전성

• 압전성(Piezoelectricity, Electric Polarization)

. 외력에 의해 생기는 물리적 변형(치수 변화)의 결과로 전기 분극(전기장, 혹은 전압)이 재료 내에서 발생하는 현상 ☞ Figure 12.36 in p630

응력의 방향이 변화하면 전기장의 방향도 반전되는 현상을 보이며, 이런 재료들은 반대로 전기장을 가하면 기계적 변형이 발생하는 역압전성(Inverse Piezoelectricity)도 가진다

. 압전 재료는 전기적 Energy와 기계적 Energy 간의 변환기(Transducer)로 사용

e.g. 수중 음파 탐지기(Sonar, 압전성과 역압전성을 한 구조에 이용, 초음파의 발생과 반사 음파 탐지로 위치와 거리 추정)

. 최근 MEMS(Microelectromechanical System) 기술의 발달과 더불어 소형의 정교한 압전 소자를 만들 수 있게 되면서 압전 소자의 활용도가 증대되고 있는데 자동차의 안전 및 편의 사양, Computer 관련 전자 제품, 의료 기기 등에 다양하게 활용 범위가 확대되고 있다

e.g. 1) 자동차 안전 편의 부품; Wheel Balance, 안전띠 경고 장치, 바퀴 마모 표시기, 공기압 경고 장치, 무선 잠금 장치, Airbag Sensor, Load Sensor 등

2) Computer 관련 부품; Microphone, Speaker, Hard Disc의 Microactuator나 Notebook PC의 변압기 등