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2.7 The static dielectric constant of sloids 2.8 Some properties of ferroelectric materials 忠北大學校 産業大學院 電氣電算工學科 電氣工學專攻 정돈희 삼정전기공업주식회사 2.7 The static dielectric constant of sloids P(분극) = D(전속밀도) = Q(면전하밀도) = C/㎡ P= D-Do = 일반적으로 유전체재료(dielectric materials)라 함은 물질내에 외부전계를 인가하였을 때 유도전기 쌍극자 모멘트를 가지며, 유도분극을 발생시키는 물질을 말한다. 유전체에 전계인가시 발생되는 유전분극의 종류는 전자분극, 이온분극, 배향분극이 있다. E C x O Electron cloud Atomic nucleus Center of negative charge pinduced (a) A neutral atom in E = 0. (b) Induced dipole moment in a field The origin of electronic polarization. 2/15 삼정전기공업주식회사 Clausius-Mossotti Expression 1. Electronic Polarization a) 전계가 없는 상태에서 공유결합 가전자 b) 공유결합고체에 전계가 가해지면 무거운 원자핵 보다 가전자가 쉽게 이동 하여 분극이 되고 높은 유전상수의 원인이 됨. 삼정전기공업주식회사 3/15 Clausius-Mossotti Expression 여기서, N : the number of atom per ㎥ : electronic polarizability of atom 예) Diamond : 5.68, Si : 12 , Ge : 16 삼정전기공업주식회사 4/15 2. Ionic Polarization p+ p- (a) x Ð + Cl Na p'+ p'- (b) E a) 전계가 없을때 NaCl 결정내의 NaCl결합. 이온당 평균 혹은 순 쌍극자 모멘 트는 0 이다. b) 전계가 가해지면 이온은 점차 옮겨지고 이것은 이온당 평균 순 쌍극자 모멘 트를 생성한다. 삼정전기공업주식회사 5/15 Clausius-Mossotti Expression 여기서, : the number of ion per ㎥ : ionic polarizability of ion 예) NaCl, KCl, LiBr 삼정전기공업주식회사 6/15 3. Orientational Polarization a) HCl분자는 영구 쌍극자 모멘트를 Po를 가진다. b) 전계가 없을때, 분자들의 열적동요는 분자당 순 평균 쌍극자 모멘트를 0 으 로 만든다. c) HCl같은 쌍극자 들은 Po가 E에 배열하도록 회전하는 토크를 받는다. d) 인가된 전계에서, 쌍극자들은 열적동요가 있음에도 불구하고 전계에 따라 배열되도록 회전한다. 전계를 따라 분자당 순 평균 쌍극자 모멘트가 있다. 삼정전기공업주식회사 7/15 삼정전기공업주식회사 8/15 삼정전기공업주식회사 9/15 2.8 Some properties of ferroelectric materials 전자분극, 이온분극, 배향분극은 적용된 전계에 선형적으로 변화한다. 하지만 ABO3 perovskite결정의 구조적인 측면에서 양이온과 음이온의 중심은 외부 전기장이 인가되지 않았음에도 불구하고 일치하지 못한다. 이러한 결정은 자발분극(Ps:spontaneous polari-zation) 을 가지고 있다고 말한다. 특별히 전계에 의해 유전체의 자발분극의 배향방향이 전환될 때, 이것을 강유전체(ferroelectric) 라고 부르며 이때 이 재료의 히스테리시스 곡선을 에 나타내었다. Ps: 자발분극 Pr : 잔류분극 Ec : 보자전계 큐리에 온도 : 강유전성질이 사라지는 온도 큐리에 웨이시스 법칙 삼정전기공업주식회사 10/15 1. ,Rochelle salt 255°K와 296K에서 2번의 과도온도를 가짐. 삼정전기공업주식회사 11/15 2. 와 같은 arsenates of alkali metals, 곡선의 기울기가 철의 자발자화곡선과 비슷함. 삼정전기공업주식회사 12/15 3. 와 같은 oxygen octahedron groups BaTiO3는 온도에 따라서 고체결정의 구조가 달라진다. ABO3 라고 하는 일반식으로 나타내며, A이온이 상당히 커서 A와 B의 이온반경에 차가 있을 때에 이구조가 된다. BaTiO3에서는 120℃이상이 되면 입방정계가 되고, 5~120℃ 에서는 긴정방정계, -80℃~5℃에서는 사방정계, `80℃이하에선 삼방정계가 된다. 이때 정방정계로 변형된 구조에서 C축 방향으로 기울어져 결정 중에 음이온의 중심과 양이온의 중심이 일치하지 않게되어 자발분극이 생기게 된다. BaTiO3에서의 O의 위치는 강한 전기장을 인가하면 반전하고 역의 전기장을 인가하면 역으로 반전시키는 것이 가능하여 강유전성을 갖는다. 삼정전기공업주식회사 13/15 Ba2+ O2Ti4+ (a) BaTiO 3 cubic crystal structure above 130 °C a a c (b) BaTiO 3 cubic structure above 130 °C (c) BaTiO 3 tetragonal structure below 130 °C BaTiO3 has different crystal structures above and below 130°C which leads to different dielectric properties. 삼정전기공업주식회사 14/15 278K(면의 대각선에 일치하는 방향으로), 193K(몸체의 대각선을 따라 한면의 대각에 일치하는 방향으로)에서 자발분극이 일어난다. 삼정전기공업주식회사 15/15