커패시터 및 인덕터의 중요한 재료 특성 측정

Giovanni D'Amore는 임피던스 분석기와 전문 고정 장치를 사용하여 유전체와 자성 재료를 특성화하는 접근 방식에 대해 설명합니다.

우리는 휴대폰 모델 세대나 반도체 제조 공정 노드 측면에서 기술 진보를 생각하는 데 익숙합니다. 이는 유용한 약어를 제공하지만 재료 과학과 같은 기술 구현의 발전을 가리고 있습니다.

CRT 텔레비전의 뒷면을 떼어내거나 오래된 전원 공급 장치를 열어 본 사람이라면 누구나 한 가지 사실을 알게 될 것입니다. 20세기 부품을 사용하여 21세기 전자 제품을 만들 수는 없다는 것입니다.

그림 1

예를 들어, 재료 과학과 나노기술의 급속한 발전으로 밀도가 높은 고성능 인덕터와 커패시터를 만드는 데 필요한 특성을 갖춘 새로운 재료가 탄생했습니다.

이러한 재료를 사용하는 장치를 개발하려면 작동 주파수 및 온도 범위에서 유전율 및 투자율과 같은 전기 및 자기 특성을 정확하게 측정해야 합니다.

복합물성

유전체 재료는 커패시터, 절연체 등 전자 부품에서 핵심적인 역할을 합니다. 재료의 유전 상수는 특히 세라믹의 경우 재료의 조성 및/또는 미세 구조를 제어하여 조정할 수 있습니다.

부품의 성능을 예측하려면 부품 개발 주기 초기에 신소재의 유전 특성을 측정하는 것이 중요합니다.

유전 물질의 전기적 특성은 실수 성분과 허수 성분으로 구성된 복소 유전율을 특징으로 합니다.

유전율의 실수부는 유전율이라고도 하며 전기장이 가해질 때 물질이 에너지를 저장하는 능력을 나타냅니다. 유전율이 높은 재료는 유전율이 낮은 재료보다 단위 부피당 더 많은 에너지를 저장할 수 있으므로 밀도가 높은 커패시터에 유용합니다.

유전 상수가 낮은 재료는 신호 전송 시스템에서 유용한 절연체가 됩니다. 왜냐하면 많은 에너지를 저장할 수 없기 때문에 절연하는 전선을 통한 신호 전파 지연이 최소화되기 때문입니다.

복소 유전율의 허수 성분은 유전 물질이 전기장에 있을 때 유전 물질이 소산하는 에너지를 나타냅니다. 이러한 새로운 유전체 재료를 사용하여 제작된 커패시터와 같은 장치가 너무 많은 에너지를 소모하지 않도록 주의 깊게 관리해야 합니다.

유전 특성 측정

유전 상수를 측정하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 평행판 방법은 두 전극 사이에 테스트 대상 재료(MUT)를 배치합니다. 재료의 임피던스는 두께와 전극의 면적 및 직경을 참조하는 그림 1에 표시된 방정식을 사용하여 측정되고 복소 유전율로 변환됩니다.

그림 1 - 커패시터 가드

이 접근 방식은 주로 저주파 측정에 사용됩니다. 원리는 간단하지만, 특히 저손실 재료의 경우 측정 오류로 인해 정밀한 측정이 어렵습니다.

복소 유전율은 주파수에 따라 달라지므로 작동 주파수에서 평가해야 합니다. 고주파수에서는 측정 시스템으로 인한 오류가 증가하여 측정이 부정확해집니다.

Keysight 16451B와 같은 유전체 재료 테스트 픽스처에는 3개의 전극이 있습니다. 그 중 두 개는 커패시터를 형성하고 세 번째는 보호 전극을 제공합니다. 두 전극 사이에 전기장이 형성되면 그 일부가 전극 사이에 장착된 MUT를 넘어 흐르기 때문에 가드 전극이 필요합니다(그림 2 참조).

이 프린지 필드가 존재하면 MUT의 유전 상수를 잘못 측정할 수 있습니다. 가드 전극은 프린지 필드에 흐르는 전류를 흡수하여 측정 정확도를 향상시킵니다.

샘플 준비

재료의 유전 특성을 측정하려면 재료만 측정하고 다른 것은 측정하지 않는 것이 중요합니다. 이러한 이유로 재료 샘플과 전극 사이의 공극을 제거하기 위해 재료 샘플이 매우 평평한지 확인하는 것이 중요합니다.