KR20220064506A - Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Solid Dielectrics - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus for precisely measuring a dielectric constant of a solid dielectric, capable of minimizing measurement errors by using cross capacitance principles. In accordance with the present invention, the apparatus for precisely measuring a dielectric constant of a solid dielectric comprises: an internal electrode; an external electrode surrounding an outer circumference surface (outer curved surface) of the internal electrode evenly with a tiny gap; a shielding case shielding an outer circumference surface (outer curved surface) of the external electrode by surrounding the outer circumference surface evenly with a tiny gap while insulating the external electrode; and an insulator provided inside the shielding case to electrically insulate the internal and external electrodes while maintaining the tiny gap evenly between the internal and external electrodes. Therefore, the apparatus has an electrode structure comprising four main electrodes, and comprises one pair of electrode parts placed to be vertically symmetrical to each other.

Description

고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치{Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Solid Dielectrics}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.The present invention relates to an apparatus for precisely measuring the dielectric constant of a solid dielectric using a cross capacitance principle, and more particularly, to an apparatus for accurately measuring the dielectric constant of a solid dielectric that minimizes measurement errors with high accuracy.

유전체는 통신, 안테나 하우징, 발전, 주파수표준기, 반도체 등에 폭넓게 이용되고 있다.Dielectrics are widely used in communications, antenna housings, power generation, frequency standards, semiconductors, and the like.

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.Dielectrics used in products and parts for electronic devices, or various communication devices and semiconductors in the recent miniaturization and high frequency trend, must have strict dielectric properties to support the increase in communication volume and information transmission speed. A technique that can measure accurately is absolutely necessary.

또한,유전특성 측정기기의 측정결과에 대한 측정불확도 확인 및 인증을 위해 사용되는 표준기준물(CRM)의 성능을 판단하기 위해서도 정확한 유전특성의 정밀측정기술 확립이 필요하다.In addition, it is necessary to establish precise measurement technology for accurate dielectric properties to determine the performance of the standard reference material (CRM) used for verification and certification of measurement uncertainty for the measurement results of dielectric properties measuring equipment.

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.As factors that determine the electrical properties of a dielectric, there are volume resistivity, surface resistivity, dielectric constant (or dielectric constant), loss factor (or loss angle), and dielectric strength. In particular, relative dielectric constant (or dielectric constant) and loss factor (or loss angle) are measured and utilized as important characteristics.

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.Until now, the three-terminal guard-ring electrode method using two parallel plate electrodes, the two-terminal micrometer electrode method, and the air gap method have been mainly used for the dielectric constant measurement method. A two-fluid method is used as needed.

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.Among them, the 3-terminal guarding electrode method is a method of measuring by inserting a sample between two parallel plate electrodes. Currently, it is widely used as an internationally standardized method.

이는 도 1에 도시된 바와 같은 전극 구조를 가지며, 전기용량은 하기의 수학식 1로 표현된다.It has an electrode structure as shown in FIG. 1, and the capacitance is expressed by Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서 A는 전극의 넓이로서

Figure 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.where A is the width of the electrode
Figure pat00002
, d is the distance between the two electrodes, g is the size of the gap between the middle main electrode and the guard electrode, ε o is a physical constant of 0.008854187 pF/mm, the permittivity of vacuum, ε r is the dielectric constant of the dielectric It is also called relative permittivity, which means the ratio of the permittivity in vacuum to the permittivity of the sample material. The experimental method for measuring the dielectric constant is the capacitance in air at equally spaced parallel plate electrodes. When C a is measured, it is expressed by Equation 2 below, and when the capacitance C r when a dielectric is inserted, it is expressed by Equation 3 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

따라서 시료의 유전상수는 수학식 2 및 3의 비로부터 하기의 수학식 4로 산출된다.Therefore, the dielectric constant of the sample is calculated by the following Equation 4 from the ratio of Equations 2 and 3.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 εa는 공기의 유전상수로서 1.0006이다. where ε a is the dielectric constant of air and is 1.0006.

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.However, in the existing standard measurement method, dimensional measurement errors such as the width of the inner electrode (low electrode) surrounded by the guard ring, the gap between the inner electrode and the guard ring, and the distance between the two electrodes are important measurement uncertainty of dielectric constant measurement. become a factor

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.The conventional dielectric constant measuring device applies the standard measurement method and presents the measurement uncertainty as about 1%, but considering the thickness of the sample, which means the gap between the two electrodes, the width of the guarding electrode is too small and the counter electrode is shielded. Because it is not taken into account, there is a problem in that the electric force line is greatly leaked from the edge of the electrode, resulting in a measurement error of about 1 to 20% in the actual measurement.

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.In order to minimize this measurement error, a study to compensate for the uncertainty that occurs when the actual width of the guarded electrode is applied, a study on the effect of the gap of the guarded electrode, and a study on the uncertainty compensation caused by the electrode edge were published.

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.However, in the electrode structure, the measurement error of the width of the electrode and the gap between the two electrodes, the error due to eccentricity, the thickness of the dielectric sample and the parallelism error of the upper and lower surfaces, the parallelism error of the upper and lower electrodes themselves, and the air gap caused by the surface roughness Since the error caused by an error caused by the width of the guard-ring greatly contributes to the measurement error, a new electrode structure capable of accurately measuring the dielectric constant by improving these problems is required.

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.The background or prior art described herein is information possessed by the inventor or acquired in the process of deriving the present invention, and is only intended to help in understanding the technical meaning of the present invention, and prior to the filing of the present invention, the technology to which the present invention belongs It is revealed that it does not mean a technique widely known in the field, and the reference numerals in the prior art are not mutually exclusive with the reference numerals in the present invention.

대한민국 특허공개 제10-2016-0118687호 공개일 2016.10.12Republic of Korea Patent Publication No. 10-2016-0118687 Publication Date 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.Accordingly, the present inventor comprehensively considers the above-mentioned issues and at the same time solves the technical limitations and problems of the existing technology, by applying the cross capacitance principle based on Thompson-Lampard's electrostatic theory to reduce the measurement error. The present invention was created as a result of continuous research while making great efforts to develop a new precision measuring device for dielectric constant of a solid dielectric that can minimize the effect.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 측정오차를 최소화할 수 있도록 하는 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치를 제공하는 데 있는 것이다.Accordingly, it is an object and technical problem to be solved by the present invention to provide an apparatus for accurately measuring the dielectric constant of a solid dielectric capable of minimizing a measurement error.

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.Here, the technical problems and objects to be solved by the present invention are not limited to the technical problems and objectives mentioned above, and other technical problems and objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

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.Specific means according to an aspect of the present invention for effectively achieving a specific technical purpose while embodying a new idea for solving the technical problem of the present invention as described above are an internal electrode, an outer peripheral surface of the internal electrode ( An external electrode that uniformly surrounds an external curved surface with a small gap, a shielding case that surrounds and insulates and shields the outer peripheral surface (outer curved surface) of the external electrode with a uniformly small gap, and the internal electrode and the external electrode In order to be electrically insulated while maintaining a uniformly minute gap therebetween, it has an electrode structure composed of four main electrodes, each including an insulator provided inside the shielding case, and a pair of symmetrically arranged top and bottom A dielectric sample was inserted between the electrodes to measure cross capacitance between the internal electrode of the upper electrode part and the external electrode of the lower electrode part, and the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part was measured. Then, the dielectric sample is removed and the cross capacitance between the internal electrode of the upper electrode part and the external electrode of the lower electrode part is measured in the air at the same measurement distance, and the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part is measured. By substituting one value into the equation, the dielectric constant (ε r ) is calculated.

이로써 본 발명은 유전체의 유전상수 측정 시 측정오차의 정도를 최소화할 수 있다.Accordingly, the present invention can minimize the degree of measurement error when measuring the dielectric constant of the dielectric.

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.In another aspect of the present invention, the external electrode may be formed of three or more rings having the same center as the internal electrode and having different diameters, and may be disposed in the shielding case at regular intervals from each other.

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.According to the technical idea and embodiment of the present invention, which is based on a unique solution to solve the above technical problem, an excellent effect of minimizing the measurement error to about 0.04 to 0.05% in the dielectric constant range of 2.6 to 11.9 can be obtained can

여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.Here, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

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.
1 is a cross-sectional view showing a structure of a three-terminal guard ring electrode using a conventional parallel plate electrode.
2 is a cross-sectional view showing the structure of a main electrode of an apparatus for precisely measuring the dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention.
3 is a measurement result using a conventional parallel plate electrode for capacitance change obtained through a computer three-dimensional electric field simulation to find the optimal size for each size ( D, w, s, d, t ) of each electrode portion of FIG. 2 (C a14 ) is a graph comparing the measurement result (C a13 +C a24 ) by the precision measuring device for dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing the structure of a main electrode of an apparatus for precisely measuring the dielectric constant of a solid dielectric according to another embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

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.Prior to this, the terms described below are defined in consideration of the functions in the present invention, which indicate that they should be interpreted as concepts consistent with the technical spirit of the present invention and meanings commonly or commonly recognized in the art.

또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration related to the present invention may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

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.The accompanying drawings show that parts are exaggerated or simplified for explanation of the configuration and operation of the technology and for convenience and clarity of understanding, and it is revealed that each component does not exactly match the actual size and shape.

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.In addition, in this specification, the term and/or is meant to include a combination of a plurality of related described items or any of a plurality of related described items, and when a part includes a certain component, it is a description that is specifically opposite Unless there is, it does not exclude other components, but means that other components may be further included.

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.That is, terms such as 'include' or 'comprising' and 'having' mean that the features, number, steps, operations, components, parts, or combinations thereof set forth in this specification exist, one or It is to be understood that this does not exclude the possibility of addition or existence of other features or numbers, step operation components, parts, or combinations thereof.

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.And terms such as upper, lower, upper, lower, upper, lower, upper, lower, front and rear, left and right are used for convenience to distinguish relative positions of each component. For example, the upper side in the drawing may be named or referred to as the upper side and the lower side as the lower side, the longitudinal direction may be named or referred to as the front-back direction, and the width direction may be named or referred to as the left/right direction.

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.Also, terms such as first, second, etc. may be used to describe various components. That is, terms such as 1st, 2nd, etc. may be used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be referred to as a second component without departing from the protection scope of the present invention, and the second component may also be referred to as a first component.

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.As shown in FIG. 2 , in the device for precisely measuring the dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention, an air gap is removed whenever a dielectric sample having a thickness of 1 to 4 mm is inserted between a pair of upper and lower electrodes. It is possible to precisely control the vertical spacing in the state of being in the state of being in the same state, and it is arranged vertically and symmetrically at regular intervals so that the predetermined interval is precisely reproduced.

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.And the pair of upper and lower electrode parts are in the form of a ring that surrounds the inner electrodes E1 and E4 in the form of a metal disk or cylinder, and the outer peripheral surfaces (outer curved surfaces) of the inner electrodes E1 and E4 with a uniformly small gap. A shield case and inner electrodes E1 and E4 that surround and insulate the external electrodes E2 and E3 and the outer peripheral surfaces (outer curved surfaces) of the external electrodes E2 and E3 with a uniformly minute gap. An insulator ( It has an electrode structure composed of 4 main electrodes including each insulator.

즉, 절연체(insulator)는 차폐케이스(shield case)와 내부전극(E1, E4) 및 외부전극(E2, E3) 사이에 고정 배치되어 있다.That is, the insulator is fixedly disposed between the shield case and the internal electrodes E1 and E4 and the external electrodes E2 and E3.

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.Therefore, a solid dielectric sample having a thickness of about 1 to 4 mm is inserted between a pair of symmetrically arranged electrodes to measure the cross capacitance between the inner electrode of the upper electrode and the external electrode of the lower electrode, After measuring the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part, the dielectric sample is removed and the cross capacitance between the internal electrode of the upper electrode part and the external electrode of the lower electrode part is removed in the air at the same measurement distance. The dielectric constant (ε r ) can be calculated by measuring the capacitance and substituting the measured cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part into Equation 5 below.

Figure pat00006
Figure 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.where ε a is the dielectric constant of air (1.0006), C r13 is the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part, and C r24 is the cross capacitance between the internal electrode of the upper electrode part and the external electrode of the lower electrode part, , Ca13 is the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part in the air of the same measurement distance after removing the dielectric sample, and Ca24 is the internal electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the upper electrode part in the air at the same measurement distance after the dielectric is removed. Cross capacitance between the external electrodes of the lower electrode part.

한편, Cr13을 측정할 때에는 Cr24에 해당하는 전극을 접지하고, Cr24를 측정할 때에는 Cr13에 해당하는 전극을 접지한다.Meanwhile, when measuring Cr13 , the electrode corresponding to Cr24 is grounded, and when measuring Cr24 , the electrode corresponding to Cr13 is grounded.

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.The precision measuring device for dielectric constant of a solid dielectric applying the cross capacitance principle does not need to measure the dimensions such as the width and spacing of the electrode itself, and has a structure that automatically removes voids even if the top and bottom of the dielectric sample are slightly out of complete parallelism. It does not contribute to the measurement error, and it is possible to obtain satisfactory dielectric constant measurement results by minimizing the influence of errors contributed by the surface roughness of electrodes and dielectric samples, parallelism and eccentricity of electrodes, etc.

Thompson-Lampard 정리는 진공에서 대칭구조를 지닌 4개의 원통형 전극으로부터

Figure pat00007
일 때 하기의 수학식 6으로 표현된다.The Thompson-Lampard theorem is derived from four cylindrical electrodes with a symmetrical structure in vacuum.
Figure pat00007
When , it is expressed by Equation 6 below.

Figure pat00008
Figure 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.When this is applied to the measurement state when the dielectric sample is inserted and the measurement state in the air for a perfectly symmetric planar type electrode as shown in FIG. 2 , the following Equations 7 and 8 are respectively obtained.

Figure pat00009
Figure pat00009

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서

Figure pat00011
은 내부전극과 외부전극 사이의 갭(gap)의 원둘레에 해당된다. 이로부터 상기의 수학식 5가 유도된다.here
Figure pat00011
is the circumference of the gap between the inner electrode and the outer electrode. From this, the above Equation 5 is derived.

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.On the other hand, FIG. 3 shows the measurement result (C a14 ) of the change in capacitance according to the size ( D, w, s, d, t ) of each electrode portion of FIG. 2 by a conventional parallel plate electrode through a computer three-dimensional electric field simulation (C a14 ) It is a graph comparing the measurement result in air (C a13 + C a24 ) of the precision measuring device for the dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention.

여기서 D는 내부전극의 직경, w는 외부전극의 폭, s는 차폐케이스의 폭, d는 전극 간의 거리, t는 내부전극 및 외부전극의 두께를 나타낸다.Here, D is the diameter of the internal electrode, w is the width of the external electrode, s is the width of the shielding case, d is the distance between the electrodes, and t is the thickness of the internal electrode and the external electrode.

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.That is, in the result of the conventional parallel plate electrode, as shown in Equation 1, since the capacitance is inversely proportional to the distance between the electrodes, the capacitance varies greatly depending on the distance at a distance between electrodes of 1 to 4 mm corresponding to the thickness of the actual dielectric sample. . This means that the thickness error of the sample greatly contributes to the dielectric constant measurement result.

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.However, C 1 +C 2 measured by the accurate dielectric constant measurement device of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention shows a substantially constant parallel state in the range of 1 to 4 mm distance between electrodes corresponding to the thickness of the dielectric sample. That is, even if the thickness of the dielectric sample is slightly changed, the measurement error is negligible.

이러한 결과를 통해 시료의 두께에 해당되는 전극 간의 거리가 1~4mm 구간에서 완전한 수평특성을 나타내는 전극 부위별 최적조건(그래프에서 적색인 조건)을 확인하였다.Through these results, the optimum condition for each electrode part (the condition in red in the graph) showing perfect horizontal characteristics in the interval of 1 to 4 mm between the electrodes corresponding to the thickness of the sample was confirmed.

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.On the other hand, more important than the horizontal characteristics in air is how accurate the dielectric constant measurement result is when the dielectric sample is inserted between the upper and lower electrodes. In order to confirm this, 6 types of standard reference material (CRM) samples are directly selected from among various dielectrics whose dielectric constant is already known through three-dimensional electric field simulation by a computer program and inserted between the given electrodes, and then the capacitance is measured. By substituting the calculated result C r13 +C r24 and the calculated result C a13 +C a24 in Equation 5, the dielectric constant value obtained was compared with the value of CRM itself to obtain an error. That is, samples that act as CRM (numbers in parentheses are dielectric constants) are Bakelite (4.8), Marble (8.3), Roger RO3010 (10.2), Silicon (11.9), Arlon AD260A (2.6), Arlon AD600 (6.15), etc. 6 species was used.

본 발명의 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 대해 유전상수 CRM을 이용한 검증을 실시한 결과는 하기의 표 1과 같이 나타났다. The results of verification using the dielectric constant CRM for the precision measuring device of the dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention are shown in Table 1 below.

즉, 유전상수 2.6~11.9의 범위에서 측정오차가 0.04~0.05% 수준임을 확인하였다.That is, it was confirmed that the measurement error was 0.04 to 0.05% in the range of the dielectric constant of 2.6 to 11.9.

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.Therefore, considering that the conventional 3-terminal guard ring electrode structure device using a parallel plate electrode has a dielectric constant measurement error of 1 to 10%, the precision measuring device for dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention is It can be seen that it has excellent performance.

Figure pat00012
Figure 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.On the other hand, in the electrode structure as shown in Fig. 2 on the principle of cross capacitance measurement, since the electric field lines are concentrated only around the circumference of one gap formed by the gap between the electrodes E1 and E2, the characteristics of only a small part of the total volume of the sample are obtained. result of the measurement.

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.There is no problem when the material of the dielectric sample is made to be uniform as a whole, but it is necessary to improve the shape of the electrode in order to accurately measure the overall characteristics of the material of the dielectric sample in case it is not uniform.

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.Accordingly, the accurate dielectric constant measuring apparatus of a solid dielectric according to another embodiment of the present invention is applied by modifying the electrode structure to which the cross capacitance measurement principle can be applied as it is as it is composed of eight electrodes as shown in FIG. 4 .

즉, 외부전극은 내부전극과 같은 중심을 가지며 지름이 서로 다른 3개 이상의 링형으로 이루어져 상호 일정한 간격을 두고 차폐케이스 내에 배치되어 있다.That is, the external electrode has the same center as the internal electrode and is formed of three or more rings having different diameters, and is disposed in the shielding case at regular intervals from each other.

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.Therefore, by increasing one ring formed by the gap to three, there is an effect of measuring the properties of almost the entire sample volume, and since the measured capacitance is also increased by about 2.5 times, there is an excellent effect of increasing the reliability of the measurement. .

본 발명의 다른 실시 예에 따른 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치에 대해 유전상수 CRM을 이용한 검증을 실시한 결과는 하기의 표 2와 같이 나타났다.The results of verification using the dielectric constant CRM for the precision measuring device of the dielectric constant of a solid dielectric according to another embodiment of the present invention are shown in Table 2 below.

즉, 유전상수 2.6~11.9의 범위에서 측정오차가 0.003~0.03% 수준임을 확인하였다.That is, it was confirmed that the measurement error was 0.003 to 0.03% in the range of the dielectric constant of 2.6 to 11.9.

시료sample

Figure pat00013
(CRM)
Figure pat00013
(CRM) C(E1/E3)C(E1/E3) C(E2/E4)C (E2/E4) C(sum)C(sum)
Figure pat00014
(산출값)
Figure pat00014
(calculated value)
U(%)U (%) AirAir 1.00061.0006 0.352870.35287 0.352880.35288 0.705750.70575 -- -- BakeliteBakelite 4.84.8 1.68251.6825 1.69291.6929 3.38543.3854 4.799764.79976 0.004980.00498 MarbleMarble 8.38.3 2.92682.9268 2.92702.9270 5.85385.8538 8.299418.29941 0.00700.0070 RogerRoger 10.210.2 3.59573.5957 3.59623.5962 7.19197.1919 10.1965510.19655 0.03380.0338 SiliconSilicon 11.911.9 4.19484.1948 4.19564.1956 8.39048.3904 11.8957611.89576 0.03560.0356 AD260AAD260A 2.62.6 0.916750.91675 0.917050.91705 1.833801.83380 2.5999292.599929 0.00270.0027 AD600AD600 6.156.15 2.16862.1686 2.16902.1690 4.33764.3376 6.149776.14977 0.00370.0037

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.On the other hand, in the process of verifying the measurement error level of the precision measuring device for dielectric constant of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention, if several CRMs with known dielectric constant values are not possessed, one or two CRMs are used as follows. It can be used after correction according to the same procedure.

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.That is, when a solid whose dielectric constant (ε n ) is already known is put into the accurate dielectric constant measuring device of a solid dielectric according to an embodiment of the present invention, the measured capacitance (C n ) and the measured capacitance in air (C a ) is substituted into Equation 9 below to obtain a calibration value (C c ).

Figure pat00015
Figure pat00015

이로부터 전극구조의 보정상수(Cg)는 하기의 수학식 10에 대입하여 구할 수 있다.From this, the correction constant (C g ) of the electrode structure can be obtained by substituting into Equation 10 below.

Figure pat00016
Figure pat00016

이후, 측정대상 고체를 넣었을 때의 전기용량(Cx) 측정값으로부터 고체의 유전상수(εx)는 하기의 수학식 11에 의해서 보정된 상태로 산출된다.Then, the dielectric constant (ε x ) of the solid from the capacitance (C x ) measured value when the solid to be measured is put is calculated in a corrected state by Equation 11 below.

Figure pat00017
Figure 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.On the other hand, the present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings, and can be variously modified and applied in various ways not illustrated within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It is clear to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that it can be widely applied by changing the component substitution and other equivalent embodiments.

그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.Therefore, the contents related to the modification and application of the technical features of the present invention should be interpreted as being included within the technical spirit and scope of the present invention.

E1, E4: 내부전극 E2, E3: 외부전극
D: 내부전극의 지름 w: 외부전극의 폭
s: 차폐케이스의 폭 d: 전극 간의 거리
t: 내부전극 및 외부전극의 두께
E1, E4: internal electrode E2, E3: external electrode
D : Diameter of inner electrode w : Width of outer electrode
s : width of shielding case d : distance between electrodes
t : thickness of inner and outer electrodes

Claims (2)

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 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(ε r )를 산출하는 것을 특징으로 하는, 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치.
[수학식 5]
Figure 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.
internal electrode;
an external electrode surrounding the outer circumferential surface (outer curved surface) of the inner electrode with a uniformly minute gap;
a shielding case for enclosing and shielding the outer circumferential surface (outer curved surface) of the external electrode while uniformly insulating it with a minute gap; and
an insulator provided inside the shielding case to be electrically insulated while maintaining a uniformly minute gap between the inner electrode and the outer electrode;
It has an electrode structure composed of four main electrodes, each including After measuring cross capacitance and measuring cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part, the dielectric sample is removed and the internal electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the upper electrode part in the air at the same measurement distance Measuring cross capacitance between the external electrodes of the lower electrode part, and substituting the measured cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part into Equation 5, the dielectric constant ( ε r ), characterized in that for calculating the dielectric constant precision measurement device of the solid dielectric.
[Equation 5]
Figure pat00018

where ε a is the dielectric constant of air (1.0006), C r13 is the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part in the dielectric insertion state, and C r24 is the internal electrode of the upper electrode part and the lower electrode part in the dielectric insert state. The cross capacitance between the external electrodes, Ca13 , is the cross capacitance between the external electrode of the upper electrode part and the internal electrode of the lower electrode part in the air at the same measurement distance after removing the dielectric sample, and Ca24 is the dielectric sample and the upper part in the air at the same measurement distance. Cross capacitance between the internal electrode of the electrode part and the external electrode of the lower electrode part is shown.
제1항에 있어서,
상기 외부전극은,
상기 내부전극과 같은 중심을 가지며 지름이 서로 다른 3개 이상의 링형으로 이루어져 상호 일정한 간격을 두고 상기 차폐케이스 내에 배치된, 고체 유전체의 유전상수 정밀 측정장치.
The method of claim 1,
The external electrode is
A precision measuring device for dielectric constant of a solid dielectric, which is formed of three or more rings having the same center as the inner electrode and having different diameters and disposed in the shielding case at regular intervals from each other.
KR1020200150621A 2020-11-12 2020-11-12 Precise Measurement Device of the Dielectric Constants of Solid Dielectrics KR102449120B1 (en)

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KR20160118687A (en) 2015-04-03 2016-10-12 한국원자력안전기술원 Dielectric Constant Equipment and Its measurement method for Cable in NPPs

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