Introduction to Electrical Materials & HV Engineering

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1 Introduction to Electrical Materials & HV Engineering
Prof. Kee-Joe Lim School of Electrical and Computer Engineering Chungbuk National University 2002/7/22

2 전기전자공학에서의 재료의 역할 Goal/objectives of EEE Trend
소정의 입력을 소정의 출력으로 변환하는 소자, 기기 및 시스템을 경제적, 사회 요구에 따라 설계하고, 적당한 물질을 사용하여 하드웨어를 실현하며, 그 최적 운용법을 제시함. Trend -회로이론 적용하여 L,C,R 등의 부품 조합하여 기기, 소자 설계, 제작 -부품은 기존 물질중 설계요구에 최적인 것을 선정, 경험적인 방법 -현상론적인 Maxwell의 전자기학, Newton역학에 의해 전계, 자계, 전류 등의 거시적 관계 논의 -물질은 유전율, 투자율, 도전율 등의 물질상수로 대표되며, 내부와의 관계는 다루지 않음 -양자역학,통계역학의 결합으로 物性論으로 발전 -물질의 거시적 특성량을 물질을 구성하는 원자, 분자, 전자 등의 미시적 입장에서 통일적인 설명, 이해 -설계요구에 맞는 소자를 물성론에 입각하여 적당한 분자, 원자를 배열하여 원하는 신물질을 개발하고 신소자 창조 -발생론적인 접근

3 우리의 EE산업구조 취약성은? SW(최적 운용) 생산(조립) 기기, 시스템설계 부품, 소자 재료
부품 소재 특별법, 부품 소재 신뢰성평가센터

4 물성공학과 재료 물성론 물성공학에 의한 재료 개발 거시적 특성량과 미시적인 원자, 분자, 전자구조와의 관계
특성량의 미시적 입장에서 통일적 해석, 이해 양자역학, 통계역학에 근거 물질의 특성량(유전율, 투자율, 도전율 등)과 외부 parameter(온도, 압력, 주파수, 전압 등)간의 관계 이해 물성공학에 의한 재료 개발 경험론적, 현상론적 접근이 아닌 발생론적 접근 원자, 분자, 전자구조 배열 조절에 의한 신 재료 개발

5 Particle or Wave ? 광은 입자? Electron은 파동? Tunnel effect
광전효과(Einstein) Black body radiation Compton effect Electron은 파동? Tunnel effect Particle or wave ? 계의 크기, l(=h/p) 거동 논의 Newtonian equation Schrodinger wave eq. Wave intensity;representing the probability of finding the particle

6 Models of hydrogen atom
Bohr’s model Quantum condition (momentum) energy of electron can accept only a series of discrete values Frequency condition New model according quantum mechanics Schrodinger wave equation Wave function exist only for specific integer values of three quantum numbers; principle-,angular momentum-, magnetic Wave function of electron Pauli exclusion principle

7 Chemical bond and classification of solids
Ionic crystal(NaCl,KF) Valence crystals (diamond, Si, Ge, SiC) Metals(Cu, Ag, Fe) Van der Waals crystals (solid Ar, organic crystal)

8 Atomic arrangements in solids
Crystalline /amorphous solids Defects

9 Microstructure of solids
Ceramics(polycrystalline solids) Polymer

10 Magnetic properties 평행 배열 ;Fe, Ni, Co ; x=10**5 자화율, 투자율 자성의 분류
자성은 하전입자의 회전운동에 의한 자기쌍극자 모멘트에 기인하며, 전자의 회전(궤도)운동, 스핀에 의한 자기 모멘트가 지배적인 요소 자화율  , 비투자율 r M= H=(r -1)H, B= 0 (H+M)= 0 r H 자성의 분류 永久 쌍극자 쌍극자간의 상호작용 反磁性 없음 ;초전도체 ; x=-10**-5 常磁性 있음 무시 ; x=10**-3 강자성 // 평행 배열 ;Fe, Ni, Co ; x=10**5 반강자성 반평행 배열 훼리자성 반평행 배열 ;각종 ferrite

11 Ferromagnetism Magnetic loss 자화과정(hysteresis)
자구와 自發자화 Magnetic loss Hysteresis loss(fBm1.6V) Eddy current loss(f2Bm2σt2) Magnetization and temperature Magnetostriction

12 Application of magnetic materials

13 Application of dielectric materials
응용 부품 Capacitor winding type Multi-layer type Electrolytic type Variable type SAW 전기음향소자 등 각종 기기, 소자의 절연 재료 기체; 공기, 부성기체, 수소,질소 액체; 광유, 합성유, 실리콘유 등, 무기고체절연재료; 마이카, 석영, 유리, 세라믹 등 유기고체절연재료; 섬유질재료, 합성고분자재료(열가소성, 열경화성수지)

14 superconductivity Application Superconductivity
Zero resistivity(ρ=0) Diamagnetic material(χ=-1) Materials 극저온 초전도체 고온 초전도체 Application 초전도 자석(NMR, 핵융합, MHD발전) 초전도 전력기기(케이블, 발전기, 모터, 변압기) 수송기기(자기부상열차, 초전도船) 조셉션소자(THz com) 전압표준 SQUID소자 등

15 HV Engineering 고전압공학의 의의 기타 응용 고전압(계) 현상 고전압 절연론 시험, 측정 감시, 진단, 보수 광원
전자기학,전자학 물성론 고전압 절연론 절연설계, 절연협조 보호장치 시험, 측정 감시, 진단, 보수 기타 응용 광원 형광등, 고압 방전등 열원 아크로, 아크용접 고압 정류기 전리작용 이용 전기집진, 정전도장,전자사진, 방전가공 플라즈마 이용 표시기, 환경처리 방전관, 방전화학, 방사선 계측 등

16 BD and Degradation 파괴현상 기체절연파괴 액체절연파괴 고체절연파괴 이차인자 열화 열화감시, 진단, 수명예측
절연파괴강도 내전압 절연내력 시험 기체절연파괴 타운젠트이론, 스트리머이론 액체절연파괴 고체절연파괴 이차인자 전압, 주파수, 온도,전극 등 열화 열 열화 기계적 열화 전기적 열화 전기화학적 열화 방전열화; PD, treeing tracking 열화감시, 진단, 수명예측