재료의 전기적 성질 - 유전체, 압전체, 초전체, 강유전체

※ 재료의 전기적 특성 종류

 

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1. 유전체

: 전기장 안에서 극성을 지니게 되는 절연체, 인가된 전압 하에서 전하를 축적함

 

 

 

- 양전하에서는 유전체의 음전하가, 음전하에서는 유전체의 양전하가 늘어서 극성을 띔

 

- 전자기장 안에 있는 물질의 에너지를 저장하는 용도로 사용됨

 

1) 유전 상수

: 유전체가 진공 대비 얼마나 전하를 저장할 수 있는지를 나타내는 지표

 

2) 유전율

: 전하 사이에 전기장이 작용할 때, 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위

 

 

3) 유전 손실

: 유전체에 교류 전압을 가할 때 열로 손실되는 정도

 

 

 

 

 

 

2. 압전체

: 물리적 압력을 받으면 분극 변화가 발생

 

1) 압전 효과

: 전기 쌍극자를 가진 재료에 물리적인 압력을 주면 결정을 구성하는 분자 또는 이온간의 상태 변화에 의해 전기가 발생하는 효과 (압력 -> 전기)

 

- 반대로 전기적 변화를 통해 재료의 변형을 일으키는 현상을 역압전효과 라고 함(전기 -> 압력)

 

- 대표적인 압전물질 : 티탄산바륨(BaTiO3), 수정, 로셀염

 

 

2) 압전체 관련 식

① 압전 계수

 

② 기계적 품질계수

③ 전기기계 결합계수

 

 

 

 

 

 

3. 초전체

1) 초전효과

: 온도 변화에 따라 분극의 변화가 발생하는 현상

 

 

2) 적외선 센서

① 양자형

- 광기전력, 광도전 효과를 이용한 센서

- 액체질소(-193℃ 이하)에서 작동하지만 성능이 뛰어남

- 보통 반도체 재료를 이용해서 제작

 

② 열형

- 열기전력, 초전효과를 이용한 센서

- 반응속도와 탐지도가 떨어지지만 상온에서 작동

- 열전대, 볼로미터, 초전체를 이용해서 제작

 

 

 

 

 

4. 강유전체

: 외부 전기장 없이 자발 분극을 지니며 전기장의 방향이 변화시 분극이 변하는 물질

 

 

 

1) 히스테리시스(Hysteresis loop) 그래프

 

 1. 외부자기장이 없을 경우 분극 값은 0에서 시작한다.

 

 2. 외부 전기장이 가해짐에 따라 분극값이 증가하고, 일정한 전기장 이상이 되면 분극값이 포화된다. 이때의 분극값을 포화 분극(Ps)이라 한다.

 

 3. 다시 전기장을 내려주면 분극값이 0으로 돌아가지 않고 외부 전기장이 없더라도 일정한 분극값을 갖게 된다. 이를 잔류 분극(Pr)이라 한다.

 

 4. 분극값이 0이 되기 위해서는 반대 방향의 전기장을 더 가해줘야 하는데 이 때의 전기장의 크기를 항전기장, 보자력(Ec) 라 한다.

 

 5. 반대방향으로 전기장을 더 가해주면 처음에 전기장을 가해준 것과 비슷한 모양으로 분극 값이 포화되고 다시 원해 방향으로 전기장을 가해주면 포화 분극이 될 때 위와 같은 폐곡선(loop)을 이루게 된다.

 

 

 

2) 강유전체의 응용

① FeRAM (F램)

 - 휘발성인 DRAM과는 다르게 비휘발성이 특징

 

② 반도체 게이트 산화막

 - 기존의 실리카를 대체하며 고내구성, 소자의 집적도 향상에 유리