KR102449120B1 - 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 크로스 커패시턴스(cross capacitance) 원리를 이용하여 측정오차를 최소화하는 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 제공하기 위한 것이다.
이에 본 발명에서는 내부전극, 상기 내부전극의 외주면(바깥쪽 곡면)을 균일하게 미소한 갭을 두고 둘러싸는 외부전극, 상기 외부전극의 외주면(바깥쪽 곡면)을 균일하게 미소한 갭으로 절연시키면서 둘러싸서 차폐하는 차폐케이스 및 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 균일하게 미소한 갭을 유지시키면서 전기적으로 절연되도록 하기 위해 상기 차폐케이스의 안쪽에 구비된 절연체를 각각 포함하여 4개의 주전극으로 구성된 전극 구조를 지니고 있고, 상하 대칭적으로 배치된 한 쌍의 전극부로 이루어진 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 제시한다.

Description

고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치{Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Solid Dielectrics}
본 발명은 크로스 커패시턴스(cross capacitance) 원리를 이용한 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 높은 정확도로 측정오차를 최소화하는 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 관한 것이다.
유전체는 통신, 안테나 하우징, 발전, 주파수표준기, 반도체 등에 폭넓게 이용되고 있다.
최근 소형화 및 고주파 추세에 있는 전자기기 분야의 제품 및 부품 또는 각종 통신용 기기 및 반도체에 이용되는 유전체는 통신량과 정보의 전송속도 증가를 뒷받침할 만한 엄격한 유전특성이 있어야 하고, 이에 따라 유전체의 유전특성을 정확하게 측정할 수 있는 기술이 절대적으로 필요하다.
또한，유전특성 측정기기의 측정결과에 대한 측정불확도 확인 및 인증을 위해 사용되는 표준기준물(CRM)의 성능을 판단하기 위해서도 정확한 유전특성의 정밀측정기술 확립이 필요하다.
유전체의 전기적인 특성을 결정하는 요소로서 체적비저항，표면 비저항，비유전율(또는 유전상수)，손실계수(또는 손실각)，그리고 유전강도 등이 있다. 특히 비유전율(또는 유전상수)과 손실계수(또는 손실각)를 중요한 특성으로서 측정 및 활용되고 있다.
지금까지 유전상수 측정방법에는 두 개의 평행판 전극을 이용한 3-단자 가드링 전극 방법(3-terminal guard-ring)，2-단자 마이크로미터 전극 방법, 공기 갭 방법이 주로 사용되고 있으며，그 밖에 두 가지 유체를 사용하는 방법(two-fluid method)이 필요에 따라 사용된다.
이 중에서 3-단자 가드링 전극 방법은 두 개의 평행판 전극 사이에 시료를 삽입하여 측정하는 방법으로 절연체 및 유전체에 대한 유전상수의 측정방법으로 이미 표준화되어 IEC 250 및 ASTM D150-98로 공포되었고, 현재 국제적으로 표준화된 방법으로 널리 사용되고 있다.
이는 도 1에 도시된 바와 같은 전극 구조를 가지며, 전기용량은 하기의 수학식 1로 표현된다.
Figure 112020120977608-pat00001
여기서 A는 전극의 넓이로서
Figure 112020120977608-pat00002
이고, d는 두 전극 사이의 거리이고 g는 중간의 주전극과 가드 전극 사이의 틈새 크기를 의미하고, εo는 물리상수로서 0.008854187pF/mm이며 진공의 유전율이고, εr은 유전체의 유전상수로서 진공에서의 유전율과 시료 재질의 유전율의 비율을 의미하는 비유전율이라고도 한다. 실험적으로 유전상수를 측정하는 방법은 동일한 간격의 평행판 전극에서 공기 중에서의 전기용량 C a 를 측정하면 하기의 수학식 2로 표현되고, 유전체를 삽입했을 때의 전기용량 C r 을 측정하면 하기 수학식 3으로 표현된다.
Figure 112020120977608-pat00003
Figure 112020120977608-pat00004
따라서 시료의 유전상수는 수학식 2 및 3의 비로부터 하기의 수학식 4로 산출된다.
Figure 112020120977608-pat00005
여기서 εa는 공기의 유전상수로서 1.0006이다.
그러나 기존의 표준측정방법은 가드링에 의해 둘러싸여 있는 내부전극(low 전극)의 넓이，내부전극과 가드링 사이의 갭, 그리고 두 전극 사이의 간격 등의 치수 측정오차가 유전상수 측정의 중요한 측정불확도 요인이 된다.
종래의 유전상수 측정장치는 표준측정방법을 적용하여 측정불확도를 약 1%로 제시하고 있으나, 두 전극 간의 간격을 의미하는 시료의 두께를 고려할 때 가드링 전극의 폭이 너무 작고 대향전극은 차폐를 고려하지 않고 있기 때문에 전극 모서리(edge) 부분에서 전기력선이 크게 누설되어 실제 측정에서 1~20% 정도의 측정오차가 발생하는 문제점이 있다.
이러한 측정오차를 최소화하기 위하여 guarded electrode의 실제 넓이를 적용할 때 발생되는 불확도를 보상하기 위한 연구, guarded electrode의 갭 영향에 대한 연구, 전극 edge에 의해 발생되는 불확도 보상에 대한 연구 등이 발표되었다.
그러나 전극 구조물에서 전극의 넓이 및 두 전극 사이의 간격 측정오차, 편심에 의한 오차, 유전체 시료의 두께 및 상하면의 평행도 오차, 상하 전극 자체의 평행도 오차, 표면 거칠기에 의해 발생되는 공극(air gap)에 의한 오차, guard-ring의 폭의 크기에 의한 오차 등이 측정오차에 크게 기여하게 되므로 이러한 문제점을 개선하여 유전상수를 정확하게 측정할 수 있는 새로운 전극 구조가 필요하다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는데 도움이 되기 위한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 이 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 기술을 의미하는 것은 아님을 밝히며, 아울러 종래기술에서의 도면 부호는 본 발명에서의 도면 부호와 상호 무관한 것이다.
대한민국 특허공개 제10-2016-0118687호 공개일 2016.10.12
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려함과 동시에 기존의 기술이 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상에서, Thompson-Lampard의 정전기 이론에 근거한 크로스 커패시턴스(cross capacitance) 원리를 적용하여 측정오차를 최소화하는 효과를 도모할 수 있는 새로운 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 측정오차를 최소화할 수 있도록 하는 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 새로운 착상을 구체화하면서 특정의 기술적 목적을 효과적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시 태양(aspect)에 따른 구체적인 수단은, 내부전극, 상기 내부전극의 외주면(바깥쪽 곡면)을 균일하게 미소한 갭을 두고 둘러싸는 외부전극, 상기 외부전극의 외주면(바깥쪽 곡면)을 균일하게 미소한 갭으로 절연시키면서 둘러싸서 차폐하는 차폐케이스 및 상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 균일하게 미소한 갭을 유지시키면서 전기적으로 절연되도록 하기 위해 상기 차폐케이스의 안쪽에 구비된 절연체를 각각 포함하여 4개의 주전극으로 구성된 전극 구조를 지니고 있고, 상하 대칭적으로 배치된 한 쌍의 전극부 사이에 유전체 시료를 삽입하여 상부 전극부의 상기 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 상부 전극부의 상기 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 후, 상기 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 상기 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스를 측정하고, 상부 전극부의 상기 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스를 측정한 값을 수학식에 대입하여 유전상수(εr)를 산출하는 것을 특징으로 하는 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 제시한다.
이로써 본 발명은 유전체의 유전상수 측정 시 측정오차의 정도를 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 태양(aspect)으로 상기 외부전극이 상기 내부전극과 같은 중심을 가지며 지름이 서로 다른 3개 이상의 링형으로 이루어져 상호 일정한 간격을 두고 상기 차폐케이스 내에 배치될 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하고자 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 본 발명의 기술사상 및 실시 예(embodiment)에 따르면, 유전상수 2.6~11.9 범위에서 측정오차를 0.04~0.05% 정도로 최소화하는 탁월한 효과를 얻을 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 평행판 전극을 이용한 3-단자 가드링 전극 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치의 주전극 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 각 전극 부위의 크기(D, w, s, d, t)별 최적의 크기를 찾기 위해 컴퓨터 3차원 전기장 시뮬레이션을 통해서 얻어진 전기용량 변화를 종래의 평행판 전극에 의한 측정결과(Ca14)와 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 의한 측정결과(Ca13+Ca24)를 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치의 주전극 구조를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과, 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로, 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
즉, '포함하다' 또는 '구비하다', '가지다' 등의 용어는 본 명세서에서 설시하는 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.
그리고 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하기 위해 편의상 사용한 것이다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성요소는 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한에서 제2 구성요소로 명명할 수 있고, 또 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명할 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치는 상하 한 쌍의 전극부 사이에 두께 1~4mm인 유전체 시료를 삽입할 때마다 공극(air gap)이 제거된 상태로 상하 간격의 정밀한 조절이 가능하며, 그 정해진 간격이 정밀하게 재현되도록 일정한 간격을 두고 상하 대칭적으로 배치되어 있다.
그리고 상하 한 쌍의 전극부는 금속 디스크 또는 실린더 형태의 내부전극(E1, E4)과, 이 내부전극(E1, E4)의 외주면(바깥쪽 곡면)을 균일하게 미소한 갭을 두고 둘러싸는 링 형태의 외부전극(E2, E3)과, 외부전극(E2, E3)의 외주면(바깥쪽 곡면)을 균일하게 미소한 갭으로 절연시키면서 둘러싸서 차폐하는 차폐케이스(shield case) 및 내부전극(E1, E4)과 외부전극(E2, E3) 사이의 균일하게 미소한 갭(0.1~0.2mm)을 유지시키면서 전기적으로 절연되도록 하기 위해 차폐케이스(shield case)의 안쪽에 구비되고, 정해진 치수화 형상을 갖는 절연체(insulator)를 각각 포함하여 4개의 주전극으로 구성된 전극 구조를 지니고 있다.
즉, 절연체(insulator)는 차폐케이스(shield case)와 내부전극(E1, E4) 및 외부전극(E2, E3) 사이에 고정 배치되어 있다.
따라서 상하 대칭적으로 배치된 한 쌍의 전극부 사이에 1~4mm 정도의 두께를 갖는 고체 유전체 시료를 삽입하여 상부 전극부의 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 상부 전극부의 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정한 후, 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 상부 전극부의 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정한 값을 하기의 수학식 5에 대입하여 유전상수(εr)를 산출할 수 있다.
Figure 112020120977608-pat00006
여기서 εa는 공기의 유전상수(1.0006)이고, Cr13은 상부 전극부의 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스이고, Cr24는 상부 전극부의 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스이고, Ca13은 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스이며, Ca24는 유전체를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스이다.
한편, Cr13을 측정할 때에는 Cr24에 해당하는 전극을 접지하고, Cr24를 측정할 때에는 Cr13에 해당하는 전극을 접지한다.
이러한 크로스 커패시턴스 원리를 적용한 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치는 전극 자체의 넓이, 간격 등의 치수를 측정할 필요가 없고, 유전체 시료의 상하면이 완전한 평행도로부터 약간 벗어나 있더라도 자동적으로 공극을 제거하는 구조를 지니고 있기 때문에 측정오차에 기여되지 않을 뿐만 아니라 전극 및 유전체 시료의 표면 거칠기, 전극의 평행도 및 편심도 등으로부터 기여되는 오차의 영향을 최소화하여 만족할 만한 유전상수 측정결과를 얻을 수 있다.
Thompson-Lampard 정리는 진공에서 대칭구조를 지닌 4개의 원통형 전극으로부터
Figure 112020120977608-pat00007
일 때 하기의 수학식 6으로 표현된다.
Figure 112020120977608-pat00008
이를 도 2 도시된 바와 같이 완전 대칭인 평면구조(planar type) 전극에 대해 유전체 시료 삽입 시 측정 상태와 공기 중 측정 상태에 적용하면, 각각 하기의 수학식 7 및 8과 같다.
Figure 112020120977608-pat00009
Figure 112020120977608-pat00010
여기서
Figure 112020120977608-pat00011
은 내부전극과 외부전극 사이의 갭(gap)의 원둘레에 해당된다. 이로부터 상기의 수학식 5가 유도된다.
한편, 도 3은 컴퓨터 3차원 전기장 시뮬레이션을 통해서 도 2의 각 전극 부위의 크기(D, w, s, d, t)에 따른 전기용량 변화를 종래의 평행판 전극에 의한 측정결과(Ca14)와 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치의 공기중에서의 측정결과(Ca13+Ca24)를 비교한 그래프이다.
여기서 D는 내부전극의 직경, w는 외부전극의 폭, s는 차폐케이스의 폭, d는 전극 간의 거리, t는 내부전극 및 외부전극의 두께를 나타낸다.
즉, 종래의 평행판 전극에 의한 결과는 수학식 1과 같이 전기용량이 전극 간의 거리와 반비례하기 때문에 실제 유전체 시료의 두께에 해당되는 전극 간 거리 1~4mm에서 거리에 따라 전기용량은 크게 변화된다. 이것은 시료의 두께 오차가 유전상수 측정결과에 크게 기여된다는 것을 의미한다.
그러나 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에서 측정된 C1+C2 는 유전체 시료의 두께에 해당하는 전극 간 거리 1~4mm 범위에서 대부분 거의 일정한 평행상태를 보여주고 있다. 즉, 유전체 시료의 두께가 약간 변화되더라도 측정오차는 무시 가능하다는 것을 의미한다.
이러한 결과를 통해 시료의 두께에 해당되는 전극 간의 거리가 1~4mm 구간에서 완전한 수평특성을 나타내는 전극 부위별 최적조건(그래프에서 적색인 조건)을 확인하였다.
한편, 공기 중에서의 수평특성보다 더 중요한 것은 상하 전극부 사이에 유전체 시료를 삽입했을 때의 유전상수 측정결과가 얼마나 정확한 가이다. 이를 확인하기 위하여 컴퓨터 프로그램에 의한 3차원 전기장 시뮬레이션을 통해서 유전상수의 값을 이미 알고 있는 여러 가지 유전체 중에서 표준기준물(CRM) 시료 6종을 직접 선택하여 주어진 전극 사이에 삽입한 후, 전기용량을 산출한 결과 Cr13+Cr24와 공기 중에서 산출된 결과 Ca13+Ca24 를 수학식 5에 대입하여 구해진 유전상수 값을 CRM 자체의 값과 비교하여 오차를 구하였다. 즉, CRM 역할을 하는 시료(괄호 내 숫자는 유전상수)는 Bakelite(4.8), Marble(8.3), Roger RO3010(10.2), Silicon(11.9), Arlon AD260A(2.6), Arlon AD600(6.15) 등 6종을 사용하였다.
본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 대해 유전상수 CRM을 이용한 검증을 실시한 결과는 하기의 표 1과 같이 나타났다.
즉, 유전상수 2.6~11.9의 범위에서 측정오차가 0.04~0.05% 수준임을 확인하였다.
따라서 종래의 평행판 전극을 이용한 3-단자 가드링 전극 구조의 장치는 유전상수 측정오차가 1~10% 수준으로 나타나고 있음을 고려할 때 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치는 탁월한 성능을 지니고 있음을 알 수 있다.
Figure 112020120977608-pat00012
한편, 크로스 커패시턴스 측정 원리상 도 2와 같은 전극 구조에서는 전극 E1과 E2가 접하고 있는 간격이 이루고 있는 1개의 갭(gap) 원둘레 주변으로만 전기력선이 집중되기 때문에 시료 전체 체적 중에서 극히 일부분에 대한 특성을 측정하는 결과가 된다.
유전체 시료의 재질이 전체적으로 균일하게 제작되었을 경우에는 문제가 없지만 균일하지 못한 경우를 대비해 유전체 시료 재질의 전체적인 특성을 정밀하게 측정하기 위해서는 전극의 형태를 개선할 필요가 있다.
이에 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치는 도 4에 도시된 바와 같이 8개의 전극으로 구성되면서 cross capacitance 측정 원리를 그대로 적용 가능한 전극 구조를 변형하여 적용하였다.
즉, 외부전극은 내부전극과 같은 중심을 가지며 지름이 서로 다른 3개 이상의 링형으로 이루어져 상호 일정한 간격을 두고 차폐케이스 내에 배치되어 있다.
따라서 갭(gap)에 의해 형성된 1개의 링을 3개로 증가시켜 시료 체적 거의 전반에 대한 특성을 측정하는 효과가 있고, 측정되는 전기용량도 약 2.5배 증가하기 때문에 측정의 신뢰도를 높이는 탁월한 효과가 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 대해 유전상수 CRM을 이용한 검증을 실시한 결과는 하기의 표 2와 같이 나타났다.
즉, 유전상수 2.6~11.9의 범위에서 측정오차가 0.003~0.03% 수준임을 확인하였다.
시료
Figure 112020120977608-pat00013
(CRM)		 C(E1/E3) C(E2/E4) C(sum)
Figure 112020120977608-pat00014
(산출값)		 U(%)
Air 1.0006 0.35287 0.35288 0.70575 - -
Bakelite 4.8 1.6825 1.6929 3.3854 4.79976 0.00498
Marble 8.3 2.9268 2.9270 5.8538 8.29941 0.0070
Roger 10.2 3.5957 3.5962 7.1919 10.19655 0.0338
Silicon 11.9 4.1948 4.1956 8.3904 11.89576 0.0356
AD260A 2.6 0.91675 0.91705 1.83380 2.599929 0.0027
AD600 6.15 2.1686 2.1690 4.3376 6.14977 0.0037
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치의 측정오차 수준을 검증하는 과정에서 유전상수 값을 알고 있는 CRM을 여러 개 보유하지 못한 경우에는 1~2가지 CRM을 이용해 다음과 같은 절차에 따라 교정하여 사용할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 이미 유전상수(εn)를 알고 있는 고체를 넣었을 때 측정된 전기용량(Cn)과 공기 중에서 측정된 전기용량(Ca)을 하기의 수학식 9에 대입하여 교정값(Cc)을 구한다.
Figure 112020120977608-pat00015
이로부터 전극구조의 보정상수(Cg)는 하기의 수학식 10에 대입하여 구할 수 있다.
Figure 112020120977608-pat00016
이후, 측정대상 고체를 넣었을 때의 전기용량(Cx) 측정값으로부터 고체의 유전상수(εx)는 하기의 수학식 11에 의해서 보정된 상태로 산출된다.
Figure 112020120977608-pat00017
한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
E1, E4: 내부전극 E2, E3: 외부전극
D: 내부전극의 지름 w: 외부전극의 폭
s: 차폐케이스의 폭 d: 전극 간의 거리
t: 내부전극 및 외부전극의 두께

Claims (2)

  1. 내부전극(E1, E4);
    차폐케이스;
    상기 내부전극의 외주면을 균일하게 미소한 갭을 두고 둘러싸도록 하되 상기 내부전극과 같은 중심을 가지며 지름이 서로 다른 3개 이상의 링형으로 이루어져 상호 일정한 간격을 두고 상기 차폐케이스 내에 배치된 외부전극(E2, E3);
    상기 내부전극과 상기 외부전극 사이의 균일하게 미소한 갭을 유지시키면서 전기적으로 절연되도록 하기 위해 상기 차폐케이스의 안쪽에 구비된 절연체;
    를 각각 포함하여 4개의 주전극으로 구성된 전극 구조를 지니고 있고, 상하 대칭적으로 배치된 한 쌍의 전극부 사이에 유전체 시료를 삽입하여 상부 전극부의 상기 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 상부 전극부의 상기 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정한 후, 상기 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 상기 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정하고, 상부 전극부의 상기 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스(cross capacitance)를 측정한 값을 수학식 5에 대입하여 유전상수(εr )를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치.
    [수학식 5]
    Figure 112022038786156-pat00018

    여기서 εa는 공기의 유전상수(1.0006), Cr13은 유전체 삽입 상태에서 상부 전극부의 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스, Cr24는 유전체 삽입 상태에서 상부 전극부의 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스, Ca13은 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 외부전극과 하부 전극부의 내부전극 간의 크로스 커패시턴스, Ca24는 유전체 시료를 제거하고 동일한 측정거리의 공기 중에서 상부 전극부의 내부전극과 하부 전극부의 외부전극 간의 크로스 커패시턴스를 나타낸다.
  2. 삭제
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