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일렉트릿
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일렉트릿(electret, "전기"(electricity)의 electr-과 "자석"(magnet)의 -et을 결합한 혼성어)은 준영구적인 전기 분극을 갖는 유전체 물질이다. 일렉트릿은 내부 및 외부 전기장을 가지며, 영구 자석의 정전기적 등가물이다.
일렉트릿이라는 용어는 올리버 헤비사이드가[1] (일반적으로 유전체) 재료가 양쪽 끝에 반대 부호의 전하를 띠고 있는 것을 지칭하기 위해 만들었다.[2] 일렉트릿 특성을 가진 일부 물질은 이미 과학에 알려져 있었고 1700년대 초부터 연구되어 왔다. 한 가지 예는 일렉트릿 특성을 가진 판과 분리된 금속판으로 구성된 장치인 정전기 유도기이다. 정전기 유도기는 원래 1762년 스웨덴의 요한 칼 빌케에 의해 발명되었으며[3] 1775년 이탈리아의 알레산드로 볼타에 의해 개선되었다.[4] 생산의 첫 기록 사례는 1925년 모토타로 에구치에 의해 이루어졌다.[5] 그는 폴리머 또는 왁스와 같이 극성 분자를 포함하는 적합한 유전체 물질을 녹인 다음 강력한 전기장 내에서 응고시켰다. 유전체의 극성 분자는 전기장 방향으로 정렬되어 준영구적인 편극을 가진 쌍극자 일렉트릿을 생성한다. 현대의 일렉트릿은 때때로 전자빔, 코로나 방전, 전자총에서 주입, 간극을 통한 전기적 파괴 또는 유전체 장벽을 사용하여 과도한 전하를 고도로 절연된 유전체에 내장하여 만들어진다.[6][7]
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일렉트릿의 종류
일렉트릿에는 두 가지 종류가 있다:
자석과의 유사성
일렉트릿은 자석과 같이 쌍극자이다. 또 다른 유사점은 장이다. 즉, 물질 외부에서 정전기장( 자기장과는 반대되는)을 생성한다. 자석과 일렉트릿이 서로 가까이 있을 때, 로런츠 힘이 작용한다. 정지 상태에서는 서로에게 아무런 영향을 미치지 않는다. 그러나 일렉트릿이 자극에 대해 움직일 때, 자기장에 수직으로 작용하는 힘이 느껴지며, 다른 자석에서 느껴지는 "밀어내는" 예상 방향에 대해 90도 경로로 일렉트릿을 밀어낸다.
축전기와의 유사성
일렉트릿과 축전기에 사용되는 유전체 층 사이에는 유사성이 있다. 차이점은 축전기의 유전체는 유전체에 가해지는 전위에만 의존하는 유도 분극을 가지며, 이는 일시적인 반면, 일렉트릿 특성을 가진 유전체는 준영구적인 전하 저장 또는 분극을 나타낸다는 점이다. 일부 재료는 강유전체를 나타내기도 한다(즉, 분극의 이력 현상을 통해 외부 필드에 반응한다). 강유전체는 열역학적 평형 상태에 있기 때문에 영구적으로 분극을 유지할 수 있으며, 따라서 강유전체 축전기에 사용된다. 일렉트릿은 단지 준안정 상태에 있지만, 누설이 매우 낮은 재료로 만들어진 일렉트릿은 수년 동안 과도한 전하 또는 분극을 유지할 수 있다. 일렉트릿 마이크로폰은 영구적으로 대전된 재료를 사용하여 전원 공급 장치에서 분극 전압이 필요하지 않도록 하는 콘덴서 마이크의 한 유형이다.
재료
일렉트릿 재료는 자연에서 매우 흔하다. 예를 들어, 석영과 다른 형태의 이산화규소는 자연적으로 발생하는 일렉트릿이다. 오늘날 대부분의 일렉트릿은 합성 중합체로 만들어지는데, 예를 들어 불소수지, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등이 있다. 실전하 일렉트릿은 양성 또는 음성 과도 전하 또는 둘 다를 포함하는 반면, 정렬된 쌍극자 일렉트릿은 정렬된 쌍극자를 포함한다. 일렉트릿이 생성하는 준영구적인 내부 또는 외부 전기장은 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있다.
제조
대량 일렉트릿은 재료를 가열하거나 녹인 다음 강한 전기장 하에서 냉각시켜 제조할 수 있다. 전기장은 전하 캐리어를 재배치하거나 재료 내의 쌍극자를 정렬시킨다. 재료가 냉각되면 응고가 쌍극자를 제자리에 "고정"시킨다. 일렉트릿에 사용되는 재료는 일반적으로 왁스, 중합체 또는 나뭇진이다. 초기 제조법 중 하나는 45% 카나우바 왁스, 45% 흰 송진, 그리고 10% 흰 밀랍을 녹여 혼합한 후 수 킬로볼트/cm의 정전기장 내에서 냉각시키는 것이다. 이 과정과 관련된 열유전 효과는 브라질 연구원 조아킴 코스타 리베이루에 의해 처음 설명되었다.
일렉트릿은 또한 입자 가속기를 사용하여 유전체 내부에 과도한 음전하를 주입하거나, 고전압 코로나 방전을 사용하여 표면 또는 표면 근처에 전하를 남겨두는 코로나 대전이라는 공정을 통해 제조될 수 있다. 일렉트릿 내부의 과도 전하는 지수적으로 감소한다. 붕괴 상수는 재료의 상대 유전율과 전체 저항률의 함수이다. PTFE와 같이 저항률이 매우 높은 재료는 수백 년 동안 과도한 전하를 유지할 수 있다. 상업적으로 생산되는 대부분의 일렉트릿은 얇은 필름으로 가공된 불소수지(예: 비정질 테플론)를 기반으로 한다.
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같이 보기
각주
추가 문헌
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