Dielectrics chapt. 2-2 Prof. Kee-Joe Lim kjlim@chungbuk.ac.kr, 261-2424 School of Electrical and Computer Engineering Chungbuk National University http://imt.cbucc.net 2009/3/1

The internal field in solids and liquids The internal field, Ei is defined as the field acting at the location of a given atom Applied field, E Ei = E (gases) Ei is not equal to E (solids and liquids) Ei = E + E Example 1. a string of atom model Example 2. Lorentz internal fields

Internal fields in a string of atoms model C1 B1 A B2 C2 r1

Lorentz internal field

Pn E2 =0 분자가 중성이고, 영구쌍극자가 없고, 기체와 같이 그 배열이 완전히 불규칙하거나 입방정계와 같이 높은 대칭성을 갖는 경우 o P ds상의 전하가 원점 O에 만드는 전계의 P 방향 성분

2.7 static dielectric constant of solids (i) Elemental dielectrics 분자분극 = 6.623 X 1023 Avogadro number( 1mole당의 분자수) (Clausius-Mosotti’s eq.) *단원자기체와 원소상고체의 비유전율 차이 ; N의 차이

(ii) Ionic dielectrics without permanent dipoles vs. (iii) Solids containing permanent dipole moments Nitrobenzene (C6H5NO2) HCl

2.8 some properties of ferroelectric materials dielectrics; 결정점군 기준 32 piezoelectricity; 대칭중심이 없는 결정군 21(20) pyroelectricity; 10 ferroelectricity; 자발분극, 반전 특성 polarization depends on history polarization is not unique function of the field strength P-E hysteresis Spontaneous polarization the specimen consists of a number of domains which are themselves spontaneously polarized with the direction of the polarization varying from one domain to another Ferroelectric Curie temperature 상유전성 강유전성

11 1 21 20 10

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Classification of ferroelectric materials In ferroelectric region, i.e. below , the dielectric constant is a function of the field strength and is no longer a “constant.” differential relative dielectric constant (defined along virgin curve at the origin) Above the Curie temperature Curie-Weiss law ; : characteristic temperature, a few degrees smaller than Classification of ferroelectric materials Rochelle salt (NaKC4H4O6 . 4H2O;주석산나트륨칼륨); -18~23 oC dihydrogen phosphates and arsenates of alkali metals, KDP(KH2PO4) ; 123 oK ABO3 or oxygen octahedron group, BaTiO3 황산guanidine aluminum(GASH) ; 200 oC, 황산glycine(TGS); 47 oC

Barium titanate(BaTiO3)

Barium titanate(BaTiO3)

Barium titanate(BaTiO3)

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[보충자료] MLCC (multi-layer ceramic capacitor) LTCC (low temperature co-fired ceramics)

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2.9 Spontaneous polarization Possibility of spontaneous polarization High polarizability Barium titanate(BaTiO3) 경우

Why does spontaneous polarization usually occur only below a certain temperature? Let’s are temperature independent and N is a function of temperature 온도증가, 체적증가, N감소 어떤 온도 T1에서 가 1보다 약간 적다고 할때, 재료를 냉각하면 N의 증가로 특정온도에서 이 되어 자발분극이 생기게 된다. 이 특정온도 근처에서 유전율은 매우 큰 값이 된다. These qualitative arguments show that Curie temperature may arise in a material of high dielectric constants simply as a result of the contraction of the material upon cooling

How does the dielectric constant near , but in the region , vary with temperature ? Curie-Weiss law (empirical law)의 이론적 유도 BaTiO3의 Curie상수 잘 일치됨 으로 유도되었으나, 실험적으로는 인 경우가 많음

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Piezoelectric equation In case of Poled polycrystalline ceramics

[보충자료] d 형식 e 형식 g 형식 h 형식

[보충자료]; 압전정수 측정법, 산출 fr, fa; resonant, antiresonant freq. at Xe=0 fs; freq. at X1=0, fp; freq. at maximum Re fm, fn; freq. for min. and max. Z 1)Piezoelectric ceramic rod(area;A, length;l) 2) thin disk of diameter d

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(7) 7

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3 2 1 1

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Micro-piezoelectric pump (Star microelectronics사, 일본) Items : Specifications Pump System Piezo-ceramic Diaphragm Pump Max Flow Rate 1,500 μl/min (Typ.) Max Pump Pressure 60 KPa (Typ.) Drive Voltage 100 - 300 Vp-p (sine wave or trapezoidal wave) Dimensions (W × D × H) 23 × 23 × 4.7 mm (Except for mount, inlet/outlet and power cable) Inlet / Outlet O.D.: 1.2 mm, I.D.: 0.6 mm, Length: 2.5 mm Weight Approx. 3 g (Except for power cable)

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Langevin

압전 세라믹 응용제품(전기적 에너지 → 기계적 에너지) 기   능 응 용 예 형 태 초음파 발생 초음파 세척기 플라스틱 용접기 초음파 가공기 霧化器, 간이형 세척기 Side mirror의 물기 제거기 볼트체결 란쥬반 진동자(BLT) MHz 矩形板 진동자 볼트체결 란쥬반 진동자 圓板 진동자 음파 발생 부저, 알람 스피커 전화기, Ringer Bimorph 진동자 액튜에이터 초음파 모터 잉크제트 프린터 헤드 Parts Feeder 압전 Fan 압전 펌프, 서보밸브 AFM Cantilever(외팔보) VTR 벨트 원반, Ring 원통(圓筒), Bimorph 진동자 Bimorph 변위(變位) 소자 박막(薄膜) Bimorph 변위소자 Bimorph 변위소자

압전 세라믹 응용제품(기계적 에너지 → 전기적 에너지) 기 능 응 용 예 형 태 고압 발생 가스 점화 소자 가스 라이터 圓柱 환봉 음파, 초음파 수신 수중청음기 마이크로폰 원통 Bimorph 薄板 Bimorph 센서 가속도계, 진동계 유량계 壓電 자이로스코프 압력계, AE센터

압전 세라믹 응용제품(전기적 → 기계적 → 전기적 에너지) 기 능 응 용 예 적 용 전기신호 처리 세라믹 필터 SAW필터, 공진자 세라믹 공진자 메카니칼 필터 두께진동, 에너지 차단 표면 탄성파 두께 진동, 간헐 진동 진동자 거리 측정 어군 탐지 소자 수중 Sonar Back Sonar 초음파 탐상 Probe 의료용 초음파 진단용 Probe 원반, Ring Bimorph 원반 구형판, array형 電壓 변환 壓電 트렌스퍼머 구형판, 적층

산업명 제 품 명 실 제 제 품 통신기기 레조네이터 가정용 전자기기 Ignitor 필터(KHz) Buzzer, Sounder 필터(MHz) Transformer (Inverter) SMD-TYPE 필터 의료기기 초음파진단장치용 탐촉자 센서기기 Ultrasonic Sensor Ultrasonic Probe

Ultrasonic Position Sensor Ultrasonic Linear Motor Hydrophone Shock Sensor 기 타 Ultrasonic Motor Gyroscope Ultrasonic Linear Motor Actuator Mirror Tilter