Introduction to Electrical Materials & HV Engineering

Introduction to Electrical Materials & HV Engineering

Prof. Kee-Joe LimSchool of Electrical and Computer Engineering

Chungbuk National Universityhttp://imt.cbu.ac.kr

2002/7/22

전기전자공학에서의 재료의 역할전기전자공학에서의 재료의 역할• Goal/objectives of EEE

소정의 입력을 소정의 출력으로 변환하는 소자 , 기기 및 시스템을 경제적 , 사회요구에 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 Maxwell 의 전자기학 , Newton 역학에 의해 전계 , 자계 , 전류 등의 거시적 관계 논의

- 물질은 유전율 , 투자율 , 도전율 등 의 물 질 상 수 로 대 표 되 며 , 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

우리의 EE산업구조 취약성은 ? 우리의 EE산업구조 취약성은 ?

생산 ( 조립 )

기기 , 시스템설계

부품 , 소자

재료

SW( 최적 운용 )

•부품 소재 특별법 , 부품 소재 신뢰성평가센터

물성공학과 재료물성공학과 재료

• 물성론 – 거시적 특성량과 미시적인 원자 , 분자 , 전자구조와의 관계– 특성량의 미시적 입장에서 통일적 해석 , 이해– 양자역학 , 통계역학에 근거– 물질의 특성량 (유전율 , 투자율 , 도전율 등 )과 외부 para

meter( 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

Particle or Wave ?Particle or Wave ?

• 광은 입자 ?– 광전효과 (Einstein)

– Black body radiation

– Compton effect

• Electron 은 파동 ?

– Tunnel effect

• Particle or wave ?계의 크기 , h/p)

거동 논의• Newtonian equation

• Schrodinger wave eq.

Wave intensity;representing the probability of finding the particle

Models of hydrogen atomModels of hydrogen atom

• Bohr’s model– Quantum condition (momentum) energy of electron can accept on

ly a series of discrete values– Frequency condition

• New model according quantum mechanics– Schrodinger wave equation– Wave function exist only for spe

cific integer values of three quantum numbers; principle-,angular momentum-, magnetic

• Wave function of electron

• Pauli exclusion principle

Chemical bond and classification of solidsChemical bond and classification of solids

• Chemical bond • Classification of solids– Ionic crystal(NaCl,KF)– Valence crystals (diamond,

Si, Ge, SiC)– Metals(Cu, Ag, Fe)– Van der Waals crystals (soli

d Ar, organic crystal)

Atomic arrangements in solidsAtomic arrangements in solids

• Crystalline /amorphous solids

• Defects

Microstructure of solidsMicrostructure of solids

• Ceramics(polycrystalline solids)

• Polymer

Magnetic propertiesMagnetic properties

• 자화율 , 투자율– 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**5반강자성 // 반평행 배열훼리자성 // 반평행 배열 ; 각종 ferrite

FerromagnetismFerromagnetism

• 자화과정 (hysteresis)

• 자구와 自發자화

• Magnetic loss – Hysteresis loss(fBm

1.6V)– Eddy current loss(f2Bm

2σt2)• Magnetization and temperature

• Magnetostriction

Application of magnetic materialsApplication of magnetic materials

Application of dielectric materialsApplication 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 )

superconductivitysuperconductivity

• Superconductivity– Zero resistivity(ρ=0)– Diamagnetic material(χ=-1)

• Materials– 극저온 초전도체– 고온 초전도체

• Application– 초전도 자석 (NMR, 핵융

합 , MHD 발전 )– 초전도 전력기기 ( 케이블 ,

발전기 , 모터 , 변압기 )– 수송기기 ( 자기부상열차 ,

초전도船 )– 조셉션소자 (THz com)– 전압표준– SQUID 소자 등

HV EngineeringHV Engineering

고전압공학의 의의• 고전압 ( 계 ) 현상

– 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

BD and DegradationBD and Degradation

• 파괴현상– 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