KOSEN 한인과학기술자네트워크

>1. 유전율은 물질상수로 알고 있는데, 유전율을 결정하는 인자가 무엇인가요? > >2. 물질의 유전율을 바꿀수 있는 방법에는 어떤 것들이 있나요? > >감사합니다. 만족할 만한 답변은 못되지만 간단하게 올립니다. 1. 말씀하신대로 유전율은 물질상수 입니다. 즉 그 물질이 가지고 있는 고유한 특성중 하나라고 할 수 있습니다. 유전율을 결정하는 인자는 앞에서 대답하신 분의 인자는 측정시 영향을 주는 인자라고 할 수 있습니다. 물질 자체적인 부분에 포커스를 맞추게 되면 물질 내부의 전기적인 dipole 들의 영향이라고 간단하게 말할 수 있습니다. 좀더 자세하게 설명하면 물질내부에 존재하는 입자(전자, 양성자) 영향이라고 말할 수 있게 됩니다. 따라서 물질들의 유전율이 각각 다르다고 할 수 있습니다. 2. 물질의 유전율을 바꿀수 있는 방법...간단하게 말하면 물질의 조성을 바꾸면 유전율이 바뀌게 됩니다. 반도체에서 사용하는 유전체 박막중 SiO2가 대표적이고, 이박막에 질소를 주입시켜서 SiOxNy 형태의 박막을 만들게 된다면 산소의 함량(x) 혹은 질소의 함량 (y)가 달라지면 유전율은 SiO2 와는 달라지게 됩니다.

>1. 유전율은 물질상수로 알고 있는데, 유전율을 결정하는 인자가 무엇인가요? > >2. 물질의 유전율을 바꿀수 있는 방법에는 어떤 것들이 있나요? > >감사합니다. 유전율은 외부에서 인가된 전기장에 대하여 분극(polarization)되는 정도를 나타내는 물리량으로 온도, 압력, 측정시 인가된 주파수 등에 따라서 변합니다. 다른 물질을 코팅하여 특성을 바꿀수도 있습니다. 그리고, 질문의 내용으로 미루어보건데 유전율이 아니라 비유전율을 지칭하신듯 합니다. 흔히들 비유전율의 실수부만을 유전율이라고 부릅니다. 복소수로 나타낸 유전율의 실수부는 propagation 관련, 허수는 loss 관련한 항목이라고 전자공학에서는 이야기 하더군요. 제가 전문가는 아니지만 주제넘게 답변을 하게 되었네요. 도움이 되었으면 좋겠습니다.

유전율을 바꿀 수 있는 방법은 잘 모르겠고요. 1. 유전율이란? 평행판 축전지로 전하를 모을 수 있습니다. 잘 아는 공식으로 Q₀ = C₀*V. 평행판 축전지에 유전물질을 넣으면 같은 전압이라도 축전지의 극판에 모이는 전하량이 달라집니다. Q₁ = C₁*V. 이때 두 경우 차이가 나는 비율: e = Q₁/Q₀ 를 유전율이라고 정의합니다. (e: epsilon, 보통 기준 유전율을 진공의 유전율로 정합니다) * 진공의 유전율이 존재한다는 사실이 납득이 가지 않겠지만, SI단위계에서 쿨롱의 법칙에 따라 힘을 측정하고 전하량을 측정하면 (실제로는 전류를 측정하여) 관계식을 만족하는 상수가 나오는데 이것을 '진공의 유전율'이라고 하고 진공에서 전자기파(빛)의 속도에 따라 다시 나오는 상수므로 여러 가지 물리적인 조건을 만족하는 관계식에 의해 일정한 값을 가지므로 진공의 유전율을 가정할 수 있습니다. 2. 유전율을 결정하는 요인 유전율을 이해하기 위해서는 물질의 편극율(electric susceptibility) 또는 분극율(polarizability)을 정해야 합니다. 보통의 원자는 정확하게 전기적으로 중성인데 외부의 전기장에 놓이면 중성이 깨집니다. 흔히 원자모델에서 말하는 전자구름이 외부의 전기장 때문에 지속적으로 한쪽 전극쪽으로 쏠려 중성이 깨지고 흡사 원자가 (-)극과 (+)극을 지닌 아령과 같은 형태를 가집니다. 이런 경향을 편극율이라고 하는데 원자의 가전자가 결정적인 영향을 줍니다. 해당 원자의 중성일 때 전자구름의 반경을 기준으로 벗어나는 정도를 결정합니다.

----------------------------------- 분극율 -----------------------------
원소       H      He     Li   Be   C    Ne    Na    A    K
분극율(a)  0.66   0,21   12   9.3  1.5  0.4   27    1.6  34
-------------------------------------------------------------------------

10^-24(cm³가 곱해진 양으로 할로겐족의 분극율이 높습니다. 당연히 가전자가 하나라서 나오는 결과입니다. 또 원자수가 높아질수록 핵이 당기는 힘도 줄기 때문에 쉽게 분극이 일어납니다. 물질은 대부분 분자상태로 존재하므로 원자의 결합구조에 따라 바깥에서 전기장을 가했을 때 중성 분자가 외부로 나타나는 전기적인 성질인 분극율을 측정할 수 있습니다. 메탄(CH₄)은 2.6 정도. 그러나 원자의 결합구조에 따라 지속적으로 분극이 존재하여 분자가 극성을 띠는 경우가 있습니다. 물처럼. 극성분자들의 분극율은 HCl: 1.03, H₂O: 1.84, NH₃: 1.43 ... 바깥에서 분자에 전기장을 가했을 때 분극이 일어나는 정도는 물질의 고유한 성질이므로 화학자들은 분자구조를 결정할 때 많이 사용합니다(예전에). 분자들이 바싹 붙어 있을 때는 옆분자들의 영향으로 분극율이 복잡하게 나타납니다. 경우에 따라서 외부에서 전기장이 가해졌을 때 극성이 나란하지 않고 방향이 틀어질 때가 있는데 이때에는 텐서라는 양으로 분극율을 정해야 합니다. 이렇게 복잡하게 분극율을 구한다음, e = e₀(1+a) 라는 물리량을 정하면 이 양이 평행판 축전지의 극판에 모이는 전하량을 결정하는 유전율이 됩니다. (실제로 유전체가 외부전기장에 영향을 받아 자체 전기장을 바꾸는 복잡한 과정이 있으므로 자세한 사항은 전자기책을 참고하십시오) 진공과의 유전율비를 사용하여 K = 1+a를 사용하는 경우가 있습니다. 이 양을 유전상수라고 합니다. * 도체는 외부전기장에 의해 자유전자가 표면근처로 이동하여 분극이라는 현상 자체가 없으므로 유전율을 정의하기 곤란합니다. 그러나 실제로 센서로 측정을 해보면 물과 같은 유전상수인 81 정도까지 나오더군요. 3. 유전율을 바꾸려면? 분자의 결합구조를 잘 이용하면 유전율을 바꿀 수 있겠군요. 실제로 외부에서 가하는 전기장이 있더라도 분자에 속박되어 있는 전자가 재분포를 하는데 걸리는 시간이 있으므로 즉각 분극이 일어나지 않아 외부전장의 주파수에 따라 변할 수도 있습니다. 또 분자구조가 열운동을 받아 약간씩 동요를 한다면 온도와 압력 영향도 받을 수 있습니다. 참고문헌에서 유전율에 미치는 영향으로 지적하는 온도, 압력, 전기장의 주파수 등은 모두 분자구조에 따른 전자의 분포시간 때문에 일어나는 현상을 지적한 듯 합니다.

>1. 유전율은 물질상수로 알고 있는데, 유전율을 결정하는 인자가 무엇인가요? --->앞서 많은 분들의 답변으로 충분할 것 같군요 >2. 물질의 유전율을 바꿀수 있는 방법에는 어떤 것들이 있나요? > >감사합니다. --->1.물질 자체의 조성을 바꾸어 조절하는 방법 2.물질 내부에 다른 phase를 넣어 조절하는 방법 등이 있습니다. 즉, 물질의 조성을 고정한 채 기공(void), 또는 다른 유전 상수의 이차 입자 등을 투입하는 방법이 있을 수 있습니다. 2번의 경우 phase의 선정 및 분산이 matrix 물질의 특성에 중요한 인자가 될 수 있습니다.