KR100324460B1 - 기체 유전 표준 용량기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 소정의 직경을 갖으며 내주면에 전도성 물질이 도포되어 외부전극을 형성하고 있는 원통형의 외부 전극 구조물과, 외주면에 전도성 물질이 도포되어 내부전극을 형성하고 있으며 상기 외부 전극 구조물의 양단과 접합되도록 상기 외부 전극 구조물에 내설된 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물이 일체형으로 접합되어서, 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 간격과 내부전극 양단의 두 가드전극 사이의 거리에 의해 커패시턴스가 결정되는 것이다. 본 발명에 의하면, 온도나 습도, 진동, 충격 등의 주위환경의 변화에 관계없이 일정한 커패시턴스를 유지하므로 각 부품이나 일부 혹은 전부 완성된 제품의 커패시턴스를 측정하는 다른 커패시턴스 측정기를 교정하기 위한 기준으로 활용할 수 있도록 하는 한편 소형으로 제작되어 이동 가능하다.

Description

기체 유전 표준 용량기{Gas-dielectric standard capacitor}
본 발명은 기체 유전 표준 용량기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도나 습도, 진동, 충격 등의 주위환경의 변화에 관계없이 일정한 커패시턴스(capacitance)를 유지하도록 하여 각 부품이나 일부 혹은 전부 완성된 제품에 대한 커패시턴스를 측정하는 다른 측정기를 교정하기 위한 기준으로 활용할 수 있도록 하는 한편 소형으로 제작되어 이동 가능하도록 된 기체 유전 표준 용량기에 관한 것이다.
통상적으로 가전제품이나 각종 기기 등에 내장되는 커패시터를 포함하는 각종 부품들은 각 부품의 특정에 따라 소정의 커패시턴스를 갖는다. 물론, 두 개의 이상의 부품이 결합된 하나의 셋트의 양단에서도 소정의 커패시턴스가 측정되기도 한다.
따라서, 소정의 공정수행으로 생산된 각종 부품들의 커패시턴스를 측정함으로써 생산된 각종 부품들이 정상적으로 동작하는지의 유무를 확인하고 있다. 이렇게 각종 부품들에 대한 커패시턴스의 측정작업은 커패시턴스 측정기에 의해 이루어지는 데, 이러한 커패시턴스 측정기를 이용한 커패시턴스 측정작업에 앞서서 커패시턴스 측정기가 정확하게 동작할 수 있도록 교정하는 커패시턴스 측정기의 교정작업을 진행한다.
이러한 교정작업은 통상적으로 10 ㎊ 등의 일정한 커패시턴스를 나타내는 표준 용량기를 커패시턴스 측정기로 측정함으로써 커패시턴스 측정기가 10 ㎊ 등의 일정한 커패시턴스를 나타내는지의 유무를 확인하고, 그 결과에 따라 커패시턴스 측정기의 기준(영점)을 교정한다.
그리고, 세계 각 국가에서 수행된 커패시턴스 측정결과가 일치하여야 각 국가의 수출국과 수입국에서 중복적으로 커패시턴스를 측정하지 않게 되고, 각 국가에서 발행한 커패시턴스 측정기에 대한 품질 평가서를 신뢰할 수 있으므로 커패시턴스 측정기의 교정작업의 중요성은 매우 크다.
종래의 표준 용량기는 기체 유전 표준 용량기와 고체 유전 표준 용량기로 크게 나눌 수 있으며, 다양한 종류가 개발되어 사용되고 있다.
예를 들면, 각 부품은 온도계수가 2×10-6/k인 인바르(Invar)로 제작되고, 모든 전극판이 3개의 지지대에 의해서 지지되고, 절연체로서 세라믹을 사용한 표준 용량기가 있다. 상기 표준 용량기는 커패시턴스의 미세조절을 목적으로 0.005 내지 0.5 pF의 트리머를 금속함 외부에서 병렬로 부착시켰기 때문에 실내 온도변화에 따라 이 트리머의 커패시턴스 변화가 출력 커패시턴스값에 민감하게 영향을 주는 문제점이 있다.
이 밖에도, 호주 NML은 절연체를 고정시키기 위한 별도의 장치를 사용하지 않고 사파이어구 3개를 사용하여 금속전극을 지지하며, 유전체로 공기 또는 질소가스를 사용하는 표준 용량기를 개발하였으며, 미국 NIST는 티타니아 실리카(Silica)를 유전체로 사용한 표준 용량기를 개발하였다.
또한, 러시아의 VNIIM, 일본의 EFL, 영국의 NPL 등에서도 다양한 종류의 표준 용량기를 개발하였다.
그러나, 종래의 표준 용량기는 여러 개의 부품에 의해서 조립 구성되어 표준 용량기의 이동에 따른 물리적 충격 또는 진동 등의 외부요인에 의해서 그 커패시턴스 값이 변화됨으로써 표준 용량기를 이용한 커패시턴스 측정기에 대한 교정작업의 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 극복하기 위한 본 발명은 온도나 습도, 진동, 충격 등의 주변요인의 변화에 관계없이 일정한 커패시턴스를 유지하므로 각 부품이나 일부 혹은 전부 완성된 제품의 커패시턴스를 측정하는 다른 커패시턴스 측정기를 교정하기 위한 기준으로 활용할 수 있도록 하는 기체 유전 표준 용량기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명에서의 기체 유전 표준 용량기의 구비조건으로서는, 명목값을 10 pF으로, 명목값으로부터의 차이를 ±5 ppm 으로, 전기용량 온도계수를 0.18 ppm/K으로, 손실계수를 1 ppm 이하로, 장기안정도를 년간 0.1 ppm 이하로 함을 특징으로 한다.
도1은 본 발명에 따른 기체 유전 표준 용량기를 나타내는 분해 사시도이다.
도2는 본 발명에 따른 기체 유전 표준 용량기를 나타내는 단면도이다.
도3은 본 발명에 따른 기체 유전 표준 용량기의 요부를 나타내는 단면도이다.
도4는 도3에서의 기체 유전 표준 용량기의 요부를 상세하게 나타낸 단면도이다.
도5는 일반 석영유리와 티타니아 실리카(TODS)의 온도에 따른 열팽창계수 비교 그래프이다.
도6은 온도 및 상대습도 변화에 따른 공기의 유전율 변화특성 그래프이다.
도7은 온도변화에 따른 공기 팽창 계수를 도시한 그래프이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
1a,1b : 진공용 세라믹 동축단자 2 : 상면
3 : 벨로즈 4a,4b : 통풍 및 전기결선용 통공
5 : 배기구 6 : 외부 뚜껑
7 : 내부 뚜껑 8,9 : 플랜지
10 : 금속 실린더 11 : 내부 전극 구조물
12 : 내부전극 13 : 외부 전극 구조물
14 : 외부전극 15 : 지지턱
16,23a,23b : 고정돌기 17 : 바닥판
18 : 원통형 스프링 19a,19b : 내부공간
20a,20b : 가드전극 21 : 금속밴드
22a,22b : 갭
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기체 유전 표준용량기는, 소정의 직경을 갖으며 내주면에 전도성 물질이 도포되어 외부전극을 형성하고 있는 원통형의 외부 전극 구조물와, 외주면에 전도성 물질이 도포되어 내부전극을 형성하고 있으며 상기 외부 전극 구조물의 양단과 접합되도록 상기 외부 전극 구조물에 내설된 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물이 일체형으로 접합되어서, 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 이격거리에 의해 기체 유전 표준 용량기의 커패시턴스가 결정된다. 또한, 상기 외부 전극 구조물과 접합되는 상기 내부 전극 구조물로부터 상기 내부전극과 상기 외부전극의 중앙을 향하도록 한 쌍의 원호형의 가드전극이 형성되고, 상기 한 쌍의 원호형의 가드전극의 표면에 전도성 물질이 도포되어서, 상기 한 쌍의 가드전극 사이의 이격거리에 의해 기체 유전 표준 용량기의 커패시턴스가 결정된다.
상기 원호형 가드전극의 직경으로서는 상기 내부전극과 외부전극 사이의 이격거리의 20 내지 30 %로 하는 것이 적절하고, 상기 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물의 재질로서는 손실계수와 열팽창계수가 극히 작은 티타니아 실리카(TODS)를 사용하는 것이 적절하다.
상기 일체형으로 접합된 상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물의 외면에 전도성 물질이 도포되어 외부로부터 가해지는 전기장을 차폐할 수 있도록 형성되는 것이 적절하고, 상기 내부전극의 양단과 상기 한 쌍의 가드전극 사이, 그리고 상기 외부전극의 양단과 상기 한 쌍의 가드전극 사이에 소정간격으로 전도성 물질이 도포되지 않은 갭(gap)이 형성되는 것이 적절하다.
이렇게 상기 내부 전극 구조물의 외주면과 상기 외부 전극 구조물의 내주면에 도포되어 전극을 형성하는 한편 일체형으로 접합된 내부 전극 구조물과 상기 외부 전극 구조물의 각부에 도포된 전도성 물질로서는 전기적 특성이 양호한 금(Au)을 사용하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 내부 전극 구조물과 상기 외부 전극 구조물은 동일 중심축을 갖는 원기둥 및 원통 형상으로 형성됨을 특징으로 한다.
상기 외부전극의 최상단으로부터 상기 외부 전극 구조물을 관통하는 한 개의 통공이 수평지게 형성되고, 상기 통공의 내주면에 상기 외부전극을 외부 전극 구조물의 외주면에 도포된 전도성 물질에 의해 형성된 부분과 전기적으로 연결하여 주는 전도성 물질이 도포되며, 상기 외부 전극 구조물의 외주면에는 상기 통공에 도포된 전도성 물질과 전기적으로 연결되는 금속밴드가 장착되어서, 상기 외부전극을 전기적으로 외부로 인출할 수 있다.
여기서, 사용되는 상기 금속밴드로서는 상기 통공을 통한 기체의 흐름이 가능하도록 상기 통공이 개방된 상태를 유지하도록 상기 외부 전극 구조물의 외주면에 장착될 수 있으며, 상기 금속밴드와 상기 외부 전극 구조물의 외주면에 도포된 전도성 물질이 서로 절연되도록 상기 금속밴드와 만나는 부분으로부터 소정거리까지 전도성 물질이 도포되지 않는 갭이 형성된다.
상기 내부전극의 최상단으로부터 상기 내부 전극 구조물을 관통하는 통공이 상향지게 형성되고, 상기 통공의 내주면에는 상기 내부전극과 외부로 인출되는 단자를 연결하여 주는 전도성 물질이 도포되어서, 내부 전극 구조물의 내부전극을 외부로 전기적으로 인출할 수 있다.
여기서, 상기 내부 전극 구조물의 윗면으로 관통된 통공의 주변에는 소정간격으로 전도성 물질이 도포되지 않은 갭(gap)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 일체형으로 접합된 상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물이 금속 실린더의 바닥면에 고정되어 진동이나 충격을 흡수하기 위한 스프링 위에 안착되고, 상기 금속 실린더의 상단에는 상기 내부 전극 구조물의 상단에 맞닿으면서 일체형으로 접합된 상기 내부 전극 구조물과 상기 외부 전극 구조물을 고정하기 위한 내부 뚜껑이 플랜지 결합되어서, 일체형으로 접합된 상기 내부 전극 구조물과 상기 외부 전극 구조물을 안정시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 내부 전극 구조물과 상기 외부 전극 구조물의 주변환경을 안정화시킬 수 있다.
여기서, 상기 금속 실린더의 내부공간 및 상기 내부전극과 상기 외부 전극 사이의 공간이 진공상태로 조성되거나 혹은 상기 금속 실린더의 내부공간 및 상기 내부전극과 상기 외부 전극 사이의 공간이 질소가스로 충진될 수 있다.
그리고, 상기 스프링으로서는 원통에 다수개의 슬릿이 교번적으로 형성된 원형 스프링을 사용할 수 있으며, 상기 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물로서는 열팽창계수가 0.01 ppm 이하이고, 손실계수가 1 kHz에서 0.0005 ppm 인 티타니아 실리카(TODS)로서 기체 유전 표준 용량기의 안정도가 0.1 ppm 이하이고, 손실계수가 1 kHz에서 0.1 ppm 인 것을 사용할 수 있다.
상기 내부전극과 상기 외부전극이 진공용 세라믹 동축단자에 연결되어 상기 내부뚜껑을 관통해서 외부로 인출되고, 상기 내부뚜껑의 상단에는 외부뚜껑이 플랜지 결합되고, 상기 내부전극과 상기 외부전극에 연결된 각각의 진공용 세라믹 단자가 외부뚜껑을 관통해서 외부로 인출되어서, 외부에서 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 커패시턴스를 이용할 수 있다.
상기 내부뚜껑의 윗면과 상기 외부뚜껑의 밑면에 각각 고정돌기가 형성되고, 상기 내부전극과 상기 외부전극에 연결된 각 진공용 세라믹 단자 간의 간섭을 방지하기 위한 벨로즈가 상기 내부뚜껑의 중앙에서 인출된 진공용 세라믹 단자를 감싸면서 상기 고정돌기에 고정될 수 있다.
위와 같은 본 발명의 기체 유전 표준 용량기로는 커패시턴스가 10 pF인기체 유전 표준 용량기로서 적합하다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 도1 내지 도4에 도시한 것처럼, 10 pF의 유지용 전기용량 표준기로 사용할 수 있는 기체 유전 표준 용량기로서 일체형으로 접합되는 절연체 재질의 석영 유리(TODS)에 전도성 물질이 도포된 원기둥형의 내부 전극 구조물(11)와 원통형의 외부 전극 구조물(13)이 구비되어 있다.
보다 상세하게는 소정의 직경을 갖는 원통형의 외부 전극 구조물(13)의 내면과 외면에는 각각 전도성 물질, 즉 금이 도포되어 있는 데, 외부 전극 구조물(13)의 내주면의 양단에 전도성 물질이 도포되지 않은 갭(24a)(24b)이 형성되어 있어, 외부 전극 구조물(13)의 내주면에 도포된 전도성 물질에 의해 기체 유전 표준 용량기의 하나의 전극인 외부전극(14)이 형성된다.
또한, 외부 전극 구조물(13)의 나머지 부분에 도포된 전도성 물질은 아래에서 설명될 내부 전극 구조물(11)의 외면에 도포된 전도성 물질과 함께 내부전극과 외부전극에 의해 형성된 커패시턴스에 영향을 주지 않도록 외부로부터 가해지는 전기장을 차폐하는 역할을 한다.
외부 전극 구조물(13)의 내주면에 형성된 외부전극(14)의 최상단에는 외부 전극 구조물(13)을 수평으로 관통하는 한 개의 통공(4b)이 형성되어 있으며, 이 통공(4b)의 내면에는 외부전극(14)을 외부 전극 구조물(13)의 외주면에 도포된 전도성 물질과 전기적으로 연결하여 주는 전도성 물질이 도포되어 있다.
이 때 외부 전극 구조물(13)의 외주면에 도포된 전도성 물질은 외부 전극 구조물(13)을 감싸는 띠 형상으로 이루어지는 데, 이는 외부전극(14)을 외부로 인출하기 위한 금속밴드(21)를 장착할 때 전도성 물질이 금속밴드 (21)와 전기적으로 접속되도록 하기 위함이다. 물론, 띠 형상으로 도포된 전도성 물질이 다른 부분의 전도성 물질로부터 절연되도록 띠 형상의 전도성 물질의 양측에는 전도성 물질이 도포되지 않은 소정간격의 갭(25)이 형성되는 것은 당연하다.
그리고, 외부 전극 구조물(13)에 형성된 통공(4b)은 전기적인 연결은 물론이고 외부로부터 유입되는 가스의 흐름을 유도하는 역할을 수행하므로 이를 위해서 금속밴드(21)가 장착되어도 통공(4b)이 개방상태를 유지해야 한다.
외부 전극 구조물(13)의 내주면 하측, 즉 외부 전극 구조물(13)을 설치 및 사용할 때 아래에 위치하는 내주면에는 외부전극(14)의 직경보다 작은 직경을 갖는 접합면이 형성되어 있어, 내부 전극 구조물(11)과의 원활한 접합을 유도할 수 있다.
다음으로 위의 외부 전극 구조물(13)과 일체형으로 접합되는 내부 전극 구조물(11)의 양단에는 외부 전극 구조물(13)과 접합시 내부전극과 외부전극과의 간격을 가능한 작게 유지할 수 있도록 형성되어 있다. 이 때 내부 전극 구조물(11)을 설치 및 사용할 때 위에 위치하는 내부 전극 구조물(11)의 단부의 직경이 외부 전극 구조물(13)의 내경보다는 크고 외부 전극 구조물(13)의 외경보다는 작도록 함으로써 내부 전극 구조물(11)이 외부 전극 구조물(13)에 삽입된 후 더 이상 내려 가지 않도록 하는 역할을 한다.
외부 전극 구조물(13)과 접합되는 내부 전극 구조물(11)로부터 내부전극 (12)과 외부전극(14)의 중앙을 향하도록 한 쌍의 원호형의 가드전극(20a) (20b)이 형성되어 서로 간의 이격거리에 의해 커패시턴스가 결정될 뿐만 아니라 외부전극(14)과 내부전극(12)사이의 전기장이 가드형상에 따라 민감하지 않도록 제작되어 있으며, 이 원호형의 가드전극(20a)(20b)을 포함하는 내부 전극 구조물(13)의 내외면에는 각각 전도성 물질이 도포되어 있다.
여기서, 원호형 가드전극(20a)(20b)의 직경은 내부전극(12)과 외부전극(14) 사이의 이격거리의 20 내지 30 %로 할 수 있다.
위의 내부전극(12)과 가드전극(20a)(20b)이 만나는 부분에는 내부전극(12)과 한 쌍의 가드전극(20a)(20b)을 절연시키기 위한 갭(22a)(22b)이 형성되어 있으며, 이 갭(22a)(22b)의 간격은 커패시턴스 변화에 전혀 영향을 주지 않는다.
내부 전극 구조물(11)의 외주면에 형성된 내부전극(12)의 최상단에는 내부 전극 구조물(11)을 관통하는 통공(4a)이 상향지게 형성되어 있고, 이 통공 (4a)의 내주면에는 내부전극(12)과 외부로 인출되는 단자를 전기적으로 연결하여 주기 위한 전도성 물질이 도포되어 있다.
이 경우에도 외부 전극 구조물(13)의 경우와 마찬가지로 내부 전극 구조물(11)의 윗면으로 관통된 통공(4a)의 주변에는 소정간격으로 전도성 물질이 도포되지 않은 갭(26)이 형성되어 있다. 물론, 통공(4a)에는 아래에서 설명될 진공용 세라믹 단자(1b)가 결합되어 내부전극(12)을 외부로 인출할 수 있도록 하고 있다.
위에서와 같은 내부 전극 구조물(11) 및 외부 전극 구조물(13)로서는 열팽창계수가 0.01 ppm 이하이고, 손실계수가 1 KHz에서 0.0005 ppm 인 티타니아 실리카(TODS)를 사용함으로써 기체 유전 표준 용량기의 안정도가 0.2 ppm 이하이고, 손실계수가 1 KHz에서 0.1 ppm 인 것을 기대할 수 있다.
그리고, 본 발명에서는 2단의 플랜지(8)(9)를 갖는 금속 실린더(10)의 밑면에 고정된 바닥판(17)의 중앙에는 고정돌기(16)가 입설되어 있고, 이 고정돌기(16)에는 다수개의 슬릿이 교번적으로 형성된 원통형 스프링(18)이 안착되어 있으며, 이 원통형 스프링(18)의 상부, 즉 지지턱(15)에는 진동이나 충격을 흡수할 수 있도록 일체형으로 접합된 외부 전극 구조물(13)와 내부 전극 구조물(11)이 안착되어 있다. 또한, 금속 실린더(10)의 상단에는 내부 전극 구조물(11)의 상면(2)에 맞닿으면서 일체형으로 접합된 내부 전극 구조물(11)와 외부 전극 구조물(13)을 고정하기 위한 내부 뚜껑(7)이 플랜지 결합되어 있다.
여기서, 금속 실린더(10)와 내부 및 외부 뚜껑(6)(7) 사이에 금속 가스켓을 삽입함으로써 금속 실린더(10)를 보다 정확하게 밀봉할 수 있을 것이다.
위의 내부 뚜껑(7)에는 내부전극(12)와 외부전극(14)을 외부로 인출하기 위한 진공용 세라믹 동축단자(1a)(1b)가 각각 고정 설치되어 있으며, 외부로부터 금속 실린더(10) 내의 내부공간(19a) 및 내부전극(12)과 외부전극(14) 사이의 내부공간(19b)에 가스(질소)를 공급하기 위한 배기구(5)가 고정 설치되어 있다.
이렇게 형성된 금속 실린더(10) 내의 내부공간(19a) 및 내부전극(12)과 외부전극(14) 사이의 내부공간(19b)은 진공상태로 조성할 수도 있고, 필요에 따라 가스(질소)를 충진한 환경으로 조성할 수도 있다.
그리고 내부뚜껑(7)의 윗면과 외부뚜껑의 밑면에 각각 고정돌기(23a)(23b)가 형성되어 있고, 내부전극(12)과 외부전극(14)에 연결된 각 진공용 세라믹 단자(1a)(1b) 간의 간섭을 방지하기 위한 벨로즈(3)가 내부뚜껑(7)의 중앙에서 인출된 진공용 세라믹 동축단자(1b)를 감싸면서 고정돌기(23a)(23b)에 고정되어 있다.
이러한 구성을 갖는 기체 유전 표준 용량기의 기본원리나 동작을 설명한다.
고안정 표준 용량기는 일반적인 티타니아 실리카(fused silica)에 미량의산화티타늄(TiO2)을 첨가된 티타니아 실리카(TODS)를 이용하여 전극 지지용 구조물을 제작한다. 일반적인 티타니아 실리카의 열팽창계수는 실온에서 약 0.5 ppm/K인 반면에 티타니아 실리카(TODS)의 대표적인 특성은 실온에서의 열팽창계수가 0.02 ppm/K이고, 손실계수(tanδ)가 1KHz에서 5×10-4이하이며, 내구성 및 균질성이 우수하고, 유전상수가 4.0 이다.
도5는 티타니아 실리카와 티타니아 실리카(TODS)의 열팽창계수를 온도별로 비교한 결과를 나타낸 것이다.
기존의 표준 용량기들이 여러 개의 부품으로 조립되기 때문에 커패시턴스의 유지 또는 표준 용량기를 운송하는 중에 발생되는 진동 및 충격에 의해 출력 커패시턴스가 민감하게 변화되지만, 본 발명의 기체 유전 표준 용량기가 동축 실린더 형태의 내부 및 외부전극이 결합된 두 전극의 닫혀진 공간 내에서 커패시턴스의 크기가 양단의 가드전극 사이의 길이에 의해서만이 결정되기 때문에 티타니아 실리카(TODS)의 표면에 형성된 두 전극 사이의 전기장 이외에는 다른 어떤 전기장에 의한 영향이 전혀 없다.
티타니아 실리카(TODS)를 이용하여 두 개의 전극 구조물(11)(12)을 제작하고 그 표면 중에서 필요한 부분에 금을 도포한 전극(12)(14)을 형성한 후, 내부전극(12)과 양쪽의 가드전극(20a)(20b) 사이에 절연을 위한 갭(22a) (22b)을 형성하기 위하여 내부전극(12) 양단의 요(凹)부에 도포된 금의 일부를 제거시킴으로써 기계적으로는 하나이지만, 전기적으로 절연 분리되는 구조를 갖는다. 따라서, 단지 2개의 부품(11)(13)에 의해 단일체로 구성된 전기용량 표준기가 된다.
상기 설정 목표를 달성하기 위한 표준 용량기를 설계 및 제작하기 위하여 도4의 구조에서 각 주요 부위의 변화에 따른 커패시턴스 변화의 비율을 컴퓨터 시뮬레이션에 의해서 분석한 결과를 이용하여 출력 커패시턴스 설계를 위한 수식이 아래의 수학식 1과 같이 유도된다.
여기서,,는,가드전극(20a)(20b)의 모양,의 비율에 따라 정해지는 함수이다. 본 발명에서는,로 예로 설명한다.
위의 수학식1에 의해 내부 전극 구조물(11)과 외부 전극 구조물(13)의 각 부위에 대한 칫수가 정해지고 나면, 공차에 따른 감도를 해당 시뮬레이션 프로그램(simulation program)에 의해 알 수 있다.
그 실예로서, 내부전극(12)의 외경(2)이 28 mm이고, 외부전극(14)의 내경(2)이 44 mm이며, 가드전극(20a)(20b)의 반경()이 2 mm인 가드전극(20a)(20b) 꼭지점의 직경(2)을 36 mm로 정하고, 가드전극(20a)(20b) 사이의 길이()를 86.75 mm로 일정하게 유지시킨 상태에서 내부전극(12)의 직경변화에 따른 커패시턴스는 0.81638 pF/mm, 즉 82 ppm/㎛ 로 변화한다. 또한, 외부전극(14)의 내경변화에 따른 커패시턴스의 변화는 -0.53878 pF/mm, 즉 -54 ppm/㎛ 이다.
한편, 내부전극(12)의 길이()의 크기에 따른 커패시턴스의 변화는 12.29 ppm/㎛ 정도가 된다.
또한, 가드전극(20a)(20b)의 요(凹)부의 깊이()의 크기에 따른 커패시턴스 변화는 전기장의 영향이 미치지 않는 영역(shadow)이기 때문에 가드전극 (20a)(20b)의 꼭지점으로부터 1 mm 이상이 되면, 커패시턴스 변화는 거의 일정하게 된다.
그리고, 도4에서와 같이 가드전극(20a)(20b)의 꼭지점이 내부전극(12)과 외부전극(14) 중앙의 위치()를 중심으로,로 변화되었을 때의 커패시턴스의 영향은, 예를 들어 중앙으로부터 ±0.2 mm 편기되었다면 ±0.0037 pF/mm 또는 ±0.37 ppm/㎛이 된다.
실제적으로는, 이 부분의 가공은 특수한 공구를 제작하여 사용하였기 때문에 거의 일정한 공차를 갖게 된다. 물론, 내부전극(12)의 요(凹)부 중 금(Au)이 도포되지 않은 폭()의 크기에 따른 커패시턴스 변화의 영향은 무시된다.
이상의 시뮬레이션 결과를 이용하여 결정된 기체 유전 표준 용량기의 최종적인 구조는 도1 및 도2의 분해 사시도 및 단면도와 같다.
티타니아 실리카(TODS)의 제조 및 절단과정에서 발생된 스트레스를 제거되어 미세한 기계가공을 원활하게 실행할 수 있도록 사전에 티타니아 실리카(TODS)에 대한 열처리 과정을 거친다. 즉, 상온으로부터 4시간동안 900 ℃까지 상승시키고, 이 온도에서 2시간 유지시킨 후 19시간 이상 전기로 내부에서 냉각한다.
실제적으로는 내부전극(12) 및 외부전극(14)의 기계가공은 사전가공과 정밀가공의 2단계로 구분하여 실시한다. 여기서, 정밀 가공단계에서 각 부위의 치수는 개발하고자 하는 기체 유전 표준 용량기의 커패시턴스 출력값에 영향을 주는 결정적인 요인이 되기 때문에 정밀가공이 필수적이다.
특히, 끝 부분이 둥근 모양인 가드전극(20a)(20b) 형상을 가공하기 위하여 다이아몬드 가루가 부착된 3세트의 특수공구를 제작하고 다이아몬드 그레인 크기를 3단계로 나누어 사용함으로써 연마된 표면이 최종 치수가 되도록 한다.
도4와 같이 내부전극(12)과 외부전극(14)이 동축으로 제작되고, 한 쪽 모서리 부분에서 두 전극(12)(14)이 상호 접촉하여 자체적으로 고정될 수 있도록 제작되어 있어, 두 전극(12)(14) 사이의 대향방향의 미소변화 또는 축 방향의 작은 변위가 수 ㎛ 정도가 되므로 두 전극(12)(14)간의 간격(8mm)에 대해 2차 항으로 영향을 주기 때문에 실제적으로 전극 조립상태에서의 미소한 변위가 두 전극(12)(14)의 표면 거칠기의 차이로부터 영향을 받아 출력 커패시턴스가 변화될 수 있는 가능성은 무시할 수 있을 정도가 된다.
그러나, 앞에서 언급된 내부전극(12)의 측면과 반대되는 측면에서 내부전극 (12)과 외부전극(14)이 접촉되는 원둘레 부분에서 미소한 간격으로 전체적으로 접촉되면 상호 팽창의 차이에 따라 외부전극이 파손될 수 있는 가능성이 있다. 이러한 점을 배제하고 두 전극(12)(14) 사이에서 공기 또는 질소가스의 유통이 원활하도록 하기 위하여 외부전극의 내경 주위에서 120o간격으로 3부분의 좁은 통공(4b)을 가공한다.
내부전극(12)을 외부의 동축 연결단자와 연결하기 위한 전기적 결선을 위하여 석영유리(TODS)를 이용하여 내부전극(12)을 초기 가공한 다음, 한쪽 측면에서 가드전극(20a)(20b)의 요(凹)부(shadow)로 통과되는 직경(3mm)의 통공(4a)이 뚫려 있고, 외부전극(14)은 같은 영역에서 중심축 방향으로 직경 (2mm)의 통공(4b)을 뚫어 각각의 통공(4a)(4b) 내면에 금을 도포함으로써 별도의 도선이 없이 직접 결선이 이루어지진다. 따라서 두 전극(12)(14) 사이의 닫혀진 공간에는 전혀 다른 물질이 존재하지 않는다.
정밀가공이 완료된 내부 및 외부 전극 구조물(11)(13)의 표면의 지정된 부분에 액체 금을 균일하게 도포한 후 약 670 ℃에서 1.5 시간동안 열처리하여 내부전극(12)과 외부전극(14)을 형성한다. 금이 완벽하게 도포되도록 내부 및 외부전극(12)(14)을 형성하기 위하여 이 과정을 2∼3 회 반복해서 실시한다.
다음으로, 내부전극(12)의 양단부분에 가공된 가드전극(20a)(20b)을 내부전극 (12)과 분리 및 절연시키기 위하여 특수하게 제작된 공구를 이용하여 요(凹)부에 도포된 금을 약 1 mm 폭으로 제거한다. 특히, 내부전극(12) 및 외부전극(14)이 상호 접촉되는 부분과 가드전극(20a)(20b)과의 절연이 형성되는 부분을 제외한 모든 표면에 금을 도포하고 주 전극을 제외한 모든 부분을 접지함으로써 외부로부터의 전기장을 완전하게 차폐한다.
금의 도포에 의한 전극(12)(14)의 형성이 완료된 전극을 임시로 조립 및 결선하여 10-3∼10-4torr 정도의 진공하에 주파수 1 kHz에서 커패시턴스를 측정한다. 왜냐하면, 이는 실내조건에서는 측정 시간별 습도조건에 따른 커패시턴스 변화가 민감하기 때문이다.
도5는 온도별 대기압 상태의 공기의 유전상수를 주변의 상대습도에 따라 분석한 결과를 나타낸 것으로서, 온도(23 ℃)에서 상대습도가 0 % 인 경우, 공기의 유전상수는 541.9 ppm이 된다. 따라서, 진공중의 커패시턴스는 9.99458 pF이 되도록 미세조절을 한 후 질소가스를 주입하여 10.00000 pF이 되도록 하면 진공상태의 금속 실린더(10) 내부의 압력이 대기압과 같은 상태가 된다.
진공중에서 커패시턴스(9.99460pF)를 얻기 위해서 측정결과로부터 다음의 몇단계를 거쳐 미세조절한다. 원리적으로 보면, 도1에서 커패시턴스를 증가시킬 수 있는 방법으로는 첫째 내부전극(12)의 직경(2)의 증가, 둘째 외부전극(14)의 직경(2)의 감소, 셋째 전극(12)(14)의 길이()의 증가 등을 들 수 있다.
또한, 커패시턴스를 감소시킬 수 있는 방법으로는 첫째 내부전극(12) 직경 (2)의 감소, 둘째 외부전극(14)의 직경(2)의 증가, 셋째 전극(12) (14)의 길이()의 감소 등을 들 수 있다.
보다 실제적으로는 내부전극(12)의 직경(2)의 증가는 금의 두께를 증가시키는 것으로서 이는 한번의 금이 도포에 의한 두께증가가 약 0.15 ㎛이고, 0.000816 pF/㎛의 효과가 있으므로 0.000122 pF/회가 된다. 외부전극 (14)의 직경(2)의 감소는 금의 두께를 증가시키는 것으로서 -0.000539 pF/㎛의 특성을 지니고 있으므로 0.008085 pF/회가 된다. 또한, 전극(12) (14)의 길이()의 증가는 두 개의 가드전극(20a)(20b)간의 길이를 증가시키는 것으로서, 이는 0.0001228 pF/㎛의 변화를 얻게 될 것이다.
한편, 내부전극(12) 직경(2)의 감소는 직경을 감소하기 위해 재 가공한 후 다시 금을 도포하는 것을 의미하며 0.000816 pF/㎛의 커패시턴스 감소가 일어난다. 외부전극(14)의 직경(2)의 증가도 위와 같이 -0.000539 pF/㎛ 만큼 감소된다. 마지막으로 전극(12)(14)의 길이()의 감소는 가드전극(20a)(20b)의 꼭지부분의 금이 도포의 두께를 증가시키는 것으로서, 이 때에도 0.0001228 pF/㎛의 효과가 있다.
위에서와 같이 임시로 조립된 표준 용량기의 측정결과에 따라 위에서 언급한 방법중에서 적합한 방법을 이용할 수 있다. 목표로 하는 커패시턴스값에 근접된 상태에서는 보다 정밀한 초미세 조절을 위해서는 다이아몬드 래핑 필름을 이용하여 미소한 커패시턴스를 가감할 수 있다.
내부 전극 구조물(11)과 외부 전극 구조물(13)이 일체형으로 접합된 표준 용량기는 도2에서와 같이 금속 실린더(10)의 바닥판(17)에 고정된 원통형 스프링(18)에 고정 설치하여 외부로부터의 진동 및 충격을 흡수한다.
기계적 조립 및 전기적 배선이 완료된 금속 실린더(10)의 배기 파이프에 미도시된 진공펌프를 연결하고 금속 실린더(10)의 주변에 감겨진 히팅 케이블을 이용하여 약 150 ℃ 정도의 열을 가하면서 약 2×10-9torr 정도의 진공상태를 유지한다. 이것은 외부 전극 구조물(13) 및 금속 실린더 (10) 내면에 부착된 수분과 불순물을 충분히 배기시키기 위한 것이다. 왜냐하면, 내부공간(19b)이 진공상태라 하더라도 매m3부피속에 함유된 수분의 양에 따라 온도별 커패시턴스의 온도계수는 도6과 같이 영향을 주기 때문이다.
열려진 공간 속에서 공기의 유전상수 (), 절대온도 (), 대기압력 mmHg () 및 포화수증기의 신축성, mmHg () 사이에는 아래의 수학식2와 같은 연관관계가 있다.
여기서,
: 공기의 상대습도 (%)
한편, 표준 용량기의 금속 실린더(10)의 닫혀진 공간에 대해서는 수증기의 질량 ()이 일정하기 때문에 아래의 수학식3과 같은 연관관계를 얻을 수 있다.
또한, 위의 수학식1과 수학식2로부터 아래의 수학식4와 같은 이상기체의 상태 방정식을 얻을 수 있다.
이러한, 수학식4의 이상기체의 상태 방정식이 수학식5로 정리된다.
여기서,은 부피내에 함유된 가스의 질량이고,는 기체의 기체상수이다.
닫혀진 공간에서는일정,일정하기 때문에
일정
인 상태가 된다. 그러므로 수학식4에서 수학식7이 된다.
또한, 닫혀진 공간 내에서 가스의 온도계수는 수학식4으로부터 수학식8을 얻을 수 있다.
본 발명의 기체 유전 표준 용량기의 금속 실린더(10) 내부의 수분의 양 ()은 내부에 가스가 채워지는 과정에서의 질소가스의 온도와 상대습도에 따라 영향을 받으며, 2개의 주전극(12)(14) 표면과 금속 실린더(10) 내부에 흡착된 물분자의 양에 따라 영향을 받는다.
실제적으로는 티타니아 실리카(fused silica) 표면에는 50층의 분자들이 흡수될 수 있다. 따라서, 이러한 물분자를 제거하기 위해서는 금속 실린더 (10) 외부를 가열하면서 동시에 진공을 뽑아야 한다. 또한, 금속 실린더 (10)의 실제부피는 재질 자체의 열팽창으로 인하여 온도에 따라 다르다. 일반적으로 부피 팽창계수()는 금속 재질의 선팽창계수()의 3 배, 즉가 된다.
부피의 열팽창에 의해 발생되는 닫혀진 금속 실린더(10) 내부의 기체의 유전상수에 대한 보정은 다음의 수학식9에 의해 산출된다.
여기서, 수학식9에서 괄호내의 수식은 수학식4의 둘째 항이고, 건조한 공기에서는이다.
따라서, 스테인리스 금속으로 제작된 금속 실린더(10)는
/K 이므로
ppm/K가 된다.
결과적으로 수학식4의 제2항에 의한 영향은 -0.019 ppm/K이고, 제3항에 의한 영향은 도7로부터 수분의 양이 1 m3의 공간에 1 g이 포함되었다고 하면 -0.038 ppm/K 정도가 된다. 즉, 본 발명에 의한 기체 유전 표준 용량기의 이론적인 온도계수는 -0.057 ppm/K 정도가 된다. 실제적으로 15℃의 온도에서 35 ℃까지의 영역에서 온도계수를 실험적으로 구한 결과 -0.09 ppm/K 정도가 되었다. 따라서, 이론과 실제가 잘 일치하고 있는 기체 유전 표준 용량기가 된다.
실제적으로 질소가스에 의한 커패시턴스 미세조절은 열이 가해진 상태에서 동시에 기체 유전 표준 용량기의 출력 커패시턴스를 측정하면서 질소가스를 서서히 인가하여 9.9995 pF 정도에서 밸브를 닫고 금속 실린더(10)가 완전히 실온으로 냉각될 때까지 유지시킨다. 그리고, 약 48시간동안 가스의 누출 및 커패시턴스의 안정도 등을 확인한 후, 마지막으로 질소가스의 압력을 이용하여 출력 커패시턴스를 미세조절한다.
본 발명에 의하면, 커패시턴스 단위를 실현하기 위해 표준기를 측정하여 그 값을 결정하는 방법은 커패시턴스 국가표준기인 크로스 캐패시터에 의한 절대측정과 양자 홀 저항 표준기에 의한 저항값으로부터 유도하는 방법이 있다. 어떤 방법이 사용되더라도 전기적 특성이 탁월한 커패시턴스 표준기가 필수적으로 필요하다. 이 새로운 고안정 표준 용량기는 이러한 목적으로 사용 가능한 최고 수준의 표준기이다.
또한, 국제도량형위원회(CIPM) 또는 아시아 태평양지역 계측 프로그램(APMP) 등에서 주관하는 국제비교에서 이동용 표준기로서 활용할 수 있다. 더욱이 국가표준기관이나 커패시턴스에 관련된 표준유지를 필요로 하는 기관에 추천함으로써 여러 대의 커패시턴스 표준기를 이용하여 커패시턴스 그룹 표준 값을 유지하면 더욱 안정도와 정확도가 높은 표준기로서 사용 가능하다.
마지막으로, 이 기술을 응용하면 10 pF 이외에 pF 범위내에서 다른 명목값의 커패시턴스 표준기도 제작이 가능하다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (16)

  1. 소정의 직경을 갖으며 내주면에 전도성 물질이 도포되어 외부전극을 형성하고 있는 원통형의 외부 전극 구조물;
    외주면에 전도성 물질이 도포되어 내부전극을 형성하고 있으며 상기 외부 전극 구조물의 양단과 접합되도록 상기 외부 전극 구조물에 내설된 내부 전극 구조물;
    상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물이 일체형으로 접합되어서, 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 이격거리에 의해 커패시턴스가 결정됨을 특징으로 하는 기체 유전 표준 용량기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전극 구조물과 접합되는 상기 내부 전극 구조물로부터 상기 내부전극과 상기 외부전극의 중앙을 향하도록 한 쌍의 원호형의 가드전극이 형성되고, 상기 한 쌍의 원호형의 가드전극의 표면에 전도성 물질이 도포되어서, 상기 한 쌍의 가드전극 사이의 이격거리에 의해 커패시턴스가 결정됨을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 외부전극과 상기 내부전극의 양단에서 전기장이 가드형상에 따라 민감하지 않도록 상기 외부 전극 구조물과 접합되는 상기 내부 전극 구조물로부터 상기 내부전극과 상기 외부전극의 중앙을 향하도록 한 쌍의 원호형의 가드전극이 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 원호형 가드전극의 직경은, 상기 내부전극과 외부전극 사이의 이격거리의 20 내지 30 %인 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물의 재질은 열팽창계수와 손실계수가 극히 작은 절연체인 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내부 전극 구조물 및 상기 외부 전극 구조물은 열팽창계수가 0.01 ppm 이하이고, 손실계수가 1 KHz에서 0.0005 ppm 인 티타니아 실리카 (TODS)로서 기체 유전 표준 용량기의 안정도가 0.2 ppm 이하이고, 손실계수가 1 KHz에서 0.1 ppm 이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 상기기체 유전 표준 용량기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 일체형으로 접합된 상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물의 외면에 전도성 물질이 도포되어 외부로부터 가해지는 전기장을 차폐할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 내부전극의 양단과 상기 한 쌍의 가드전극 사이의 요(凹)부에 소정간격으로 전도성 물질이 도포되지 않은 갭(gap)이 형성된 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  9. 제1항 또는 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 금(Au)인 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부전극의 최상단으로부터 상기 외부 전극 구조물을 관통하는 한 개의 통공이 수평지게 형성되고, 상기 통공의 내주면에 상기 외부전극을외부 전극 구조물의 외주면에 도포된 전도성 물질에 의해 형성된 부분과 전기적으로 연결하여 주는 전도성 물질이 도포되며, 상기 외부 전극 구조물의 외주면에는 상기 통공에 도포된 전도성 물질과 전기적으로 연결되는 금속밴드가 장착되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 금속밴드와 상기 외부 전극 구조물의 외주면에 도포된 전도성 물질이 서로 절연되도록 상기 금속밴드와 만나는 부분으로부터 소정거리까지 전도성 물질이 도포되지 않는 갭이 형성되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 내부전극의 최상단으로부터 상기 내부 전극 구조물을 관통하는 통공이 상향지게 형성되고, 상기 통공의 내주면에는 상기 내부전극과 외부로 인출되는 단자를 연결하여 주는 전도성 물질이 도포되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내부 전극 구조물의 윗면으로 관통된 통공의 주변에는 소정간격으로 전도성 물질이 도포되지 않은 갭(gap)이 형성된 것을 특징으로 하는 상기기체 유전 표준 용량기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 일체형으로 접합된 상기 외부 전극 구조물과 상기 내부 전극 구조물이 금속 실린더의 바닥면에 고정되어 진동이나 충격을 흡수하기 위한 스프링 위에 안착되고, 상기 금속 실린더의 상단에는 상기 내부 전극 구조물의 상단에 맞닿으면서 일체형으로 접합된 상기 내부 전극 구조물과 상기 외부 전극 구조물을 고정하기 위한 내부 뚜껑이 플랜지 결합되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 내부뚜껑의 윗면과 상기 외부뚜껑의 밑면에 각각 고정돌기가 형성되고, 상기 내부전극과 상기 외부전극에 연결된 각 진공용 세라믹 단자 간의 간섭을 방지하기 위한 벨로즈가 상기 내부뚜껑의 중앙에서 인출된 진공용 세라믹 단자를 감싸면서 상기 고정돌기에 고정되는 것을 특징으로 하는 상기 기체 유전 표준 용량기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 금속 실린더의 내부공간 및 상기 내부전극과 상기 외부 전극 사이의 공간이 진공상태 조성후 질소가스로 충진된 것을 특징으로 하는 상기기체 유전 표준 용량기.
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