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장재일 교수님 예비레포트(Strengthening mechanism, 강화기구, Carbon steel의 결정립 크기 및 phase 종류/분율을 변화시킬 수 있는 방법 및 원리)

신소재공학요소설계4(URIP)예비레포트Strengthening mechanismCarbon steel의 결정립 크기 및 phase 종류/분율을 변화시킬 수 있는 방법 및 원리학과 :학년 :학번 :이름 :조 :제출일 :1. Strengthening mechanism(강화 기구)강화 기구(strengthening mechanism)에 있어서 전위의 움직임과 금속의 기계적 거동 사이 관계가 중요하다. 왜냐하면, 전위의 이동으로 금속이 소성 변형되기 때문이다. 즉, 모든 강화 기구는 전위의 움직임을 방해하여 재료를 더 단단하고 강하게 만드는 원리이다.1.1. Strengthening by grain size reduction(결정립 미세화 강화)결정립의 크기는 다결정 금속의 기계적 성질에 영향을 미친다. 일반적으로 인접한 결정립은 결정 방향이 달라서 결정립계가 존재한다. 소성 변형을 할 때, 전위의 움직임은 이 결정립계를 지나야 한다. 그러나 결정립계는 두 가지 이유로 전위의 움직임에 방해가 된다. 첫째, 두 결정립의 결정 방향이 다르기 때문에 전위가 결정립계를 넘기 위해서는 이동 방향을 바꾸어야 한다. 둘째, 결정립계 주위는 원자가 무질서하기 때문에 한 결정립의 슬립면은 다른 결정립의 슬립면과 불연속적이다. 따라서 소성 변형 시, 전위는 고각 입계(high-angle grain boundary)를 넘어가지 못 하고, 주위에 쌓이게(pile up) 된다.미세한 결정립을 가질수록 결정립계의 면적이 더 넓기 때문에 더 단단하고 강한 재료이다. 많은 재료들은 다음과 같은 식을 따른다.Hall-Petch equation : σy = σ0 + kyd-1/2여기서 σy는 항복 응력, σ0와 ky는 재료에 대한 상수, d는 평균 결정립 직경이다. 결정립 크기가 너무 크거나 너무 작으면, 이 식은 적용되지 않는다.그림1. 70 Cu-30 Zn의 황동 합금에서 항복 응력과 결정립 크기의 관계.결정립의 크기는 액상에서 고상으로 냉각하는 속도나 소성 변형 후 적절한 열처리로 조절할 수 다른 방법은 치환형 또는 침입형 고용체를 이루는 불순물 원자를 이용하는 것이다. 이를 고용체 강화라고 한다. 고순도 금속은 동종 원자의 합금보다 항상 연하고 약하다. 따라서 불순물 원자의 농도를 증가시키면, 인장 강도와 항복 강도는 증가한다.[그림2]처럼 작은 치환형 용질 원자는 주위 격자를 압축시키므로 칼날 전위의 압축 영역으로 이동하고, 비슷하게 큰 치환형 용질 원자 전위의 팽창 영역으로 이동해 변형 에너지를 낮추려고 한다. 이렇게 전위 주위에 모인 용질 원자는 전위 분위기를 형성하는데, 전위의 움직임은 이 분위기를 끌어당기지만, 용질 원자들은 열적으로 활성화된 점프에 의해서만 다른 침입형 자리로 이동하기 때문에, 전위 분위기는 전위 뒤에 처지게 된다. 이 때, 이 분위기에서 용질 원자들과 전위 사이의 상호 작용 응력은 전위의 움직임을 방해하는데, 이를 전위 분위기에 의한 항력(drag stress)이라 한다. 이 항력이 전위의 움직임을 방해하여 재료의 강도를 증가시킨다.그림2. (좌) a 작은 치환형 용질 원자가 일으키는 격자 변형 형태와 b 칼날 전위에서 가능한 위치, (우) a 큰 치환형 용질 원자가 일으키는 격자 변형 형태와 b 칼날 전위에서 가능한 위치.1.3. Strain hardening(변형 경화)변형 경화는 금속이 변형을 일으킴에 따라 경도와 강도가 증가하는 것이다. 금속의 용융점에 비해 차가운 온도에서 변형이 일어나므로, 이는 가공 경화(work hardening) 또는 냉간 가공(cold working)이라고도 불린다. 대부분의 금속은 상온에서 변형 경화된다. 소성 변형의 정도는 냉간 가공 비율(percent cold work, %CW)로도 표현할 수 있고, 식은 다음과 같다.%CW = (A0 – Ad / A0) × 100 (단, A0는 변형 전 단면적, Ad는 변형 후 단면적이다.)그림3. 응력-변형률 곡선; σyi는 점D에서 하중을 제거한 후 다시 가했을 때 항복 응력.인장 시험의 응력-변형률 그래프에서 탄성 한계의 끝인 항복점에서는어 점점 가까운 위치에 놓이게 되니까, 한 전위의 움직임은 다른 전위에 의한 방해를 더 받게 된다. 즉, 냉간 가공의 양이 증가할수록 변형에 필요한 응력은 증가하므로 재료가 강화된다.1.4. Precipitation hardening(석출 경화)원래 기지 상(matrix phase)에 2차 상(second phase)이 석출되어 분산 입자가 작고 균일하게 형성되면 금속 합금의 강도와 경도가 증가한다. 이는 적절한 열처리에 의해 상 변태가 발생하며 이루어지는데, 이러한 공정을 석출 경화라고 한다. 모재(parent metal)가 어느 온도를 경계로 결정형을 바꾸기 위해 용해도가 감소하는데, 과분으로 된 성분 원소가 별개의 고상으로 석출된다.단상 합금에서 변형 저항은 용질 원자와 규칙도에 의해 생길 수 있지만, 2상 합금에서는 전위가 2차상을 가로지르지 못 하고 피해서 가기 때문에 추가적인 응력이 필요하다. 따라서 미세하게 분산된 석출물은 금속 재료를 매우 효과적으로 강화할 수 있다.1.5. Age hardening(시효 경화)[그림4 A]는 뾰족한 항복점(sharp yield point)을 갖는 금속의 인장 응력-변형률 곡선이다. 이 곡선에서 하중은 c 지점에서 제거되었고, 짧은 시간 안에 다시 하중을 가하면 대략 c 지점까지 탄성 거동하고, 그 후 소성적으로 변형하면서 항복점은 관찰되지 않는다. 하지만 [그림4 B]에서 볼 수 있듯이, 긴 시간 동안 하중을 제거한 뒤 다시 하중을 가하면 항복점이 나타난다. 이렇게 소성 변형 후 시효의 결과로 금속의 경도가 증가하는 현상을 시효 경화라고 한다.시편의 하중이 제거되기 바로 전에 변형 과정에서 활성화되었던 전위 근원들은 시효 공정을 통해 고정된다. 이러한 전위 주위에 용질 원자 분위기가 형성되면서, 분위기가 전위를 고정(pinning)시키는 효과 때문에 항복점이 다시 나타나게 된다. 용질 원자의 확산은 시간이 필요하기 때문에, 시효 기간이 짧으면 시효 경화가 나타나지 않는다.그림4. (A) c 지점에서 하중이 제거되과 반응하지 않기 때문에 고온이나 오랜 기간 분산 강화가 유지되므로 석출 경화와 다르다. 석출물이 성장 또는 용해될 정도의 연속적인 열처리는 분산 강화 효과를 사라지게 한다.2. Carbon steel의 결정립 크기 및 phase 종류/분율을 변화시킬 수 있는 방법 및 원리2.1. 탄소 함유량을 변화시키는 방법그림5. 철-탄화철 상태도.[그림5]를 보면 알 수 있듯이, 다른 조건은 변화시키지 않고 탄소 함유량만 변화시킨다면, 상 변태가 나타나서, 탄소강의 결정립 크기 및 상 종류/분율을 변화시킬 수 있다.예를 들어, 1000℃인 순철에 탄소를 연속적으로 공급해준다면, 대략 1.6wt% C까지는 오스테나이트(γ)로 존재하지만, 그 이상에서는 시멘타이트(Fe3C)가 석출된다. 그러면 석출 경화가 나타나기 때문에 탄화절은 강도와 경도가 증가한다. 이렇게 탄소 함유량을 변화시켜서 상의 종류를 변화시킬 수 있고, 이에 따라 상의 분율도 Lever Rule을 따라 변화한다. Lever rule은 [그림6]을 통해 설명할 수 있다.그림6. Lever Rule.조성 Co를 갖는 파란점에서, 액상의 분율은 Q / (R + Q) 이고, 조성은 CL이다. 또한 고상의 분율은 R / (R + Q) 이고, 조성은 CS이다. 일반적으로 탄소강은 탄소 함유량이 많아질수록 결정립의 크기는 작아지고, 강도와 경도는 증가한다.2.2. 열처리 조건에 따른 방법열처리 조건에 따라 탄소강의 결정립 크기 및 상의 종류/분율을 변화시킬 수 있다. 이 때 냉각 방법을 등온 변태로 할 경우 TTT(time-temperature-transformation) 곡선, 연속 냉각을 할 경우 CCT(continuous cooling transformation) 곡선을 통해 미세조직을 이해할 수 있다.그림7. 공석 조성을 갖는 철-탄소 합금의 TTT 곡선.[그림7]에서 (a)는 350℃까지 급랭 후, 104초 동안 유지하고, 상온까지 급랭한 것이다. 350℃에서 오스테나이트(A)는 약 10초부터 시작하여 500초까 때, 215℃에서 M으로 변태가 시작되기 때문에, 최종 미세조직은 100% M이다. (c)의 경우, 650℃까지 급랭 후, 20초 유지하고, 다시 400℃까지 급랭 후, 103초 동안 유지한 뒤, 상온까지 급랭한 것이다. 650℃에서 약 7초부터 펄라이트(P)로 변태가 시작되는데, 20초 유지하여서 시편의 약 50% 정도가 P로 변태된다. 그 후 400℃까지 급랭하는데, 이 때 P에서 B 영역으로 지나쳐도 급랭을 하기 때문에 변태 할 시간이 충분하지 않으므로 A의 극소량만 P나 B로 변태된다. 400℃에서 다시 0초로 돌아가 103초 동안 유지하면, 남은 모든 A는 B로 변태되고, 이를 상온까지 급랭하면 M으로 변태될 A가 남아있지 않아서, 최종 상은 50% A와 50% B이다.그림8. 공석 철-탄소 합금의 CCT 곡선.[그림8]에서 알 수 있듯이, 140℃/s보다 빠르게 연속 냉각한다면 상온에서 최종 상은 100% M이다. 또 35~140℃/s로 냉각한다면, 최종 상은 M와 P이다. 35℃/s보다 느리게 냉각한다면 P가 형성되는데, 이 중에서도 빠르게 냉각한다면 미세한 P, 느리게 냉각한다면 조대한 P가 형성된다. 빠르게 냉각하면 시멘타이트의 크기가 성장할 시간이 충분하지 않기 때문이다.미세한 P가 조대한 P보다 경도가 높다. 왜냐하면 탄소가 α-페라이트를 강화하고 전위 움직임을 방해하는데, 미세한 P의 탄소 표면적이 더 넓기 때문이다.일반적으로 경도의 크기는 M, B, 미세한 P, 조대한 P, 스페로이다이트(S) 순서로 작아진다. 따라서 결정립 크기는 이 순서대로 커진다. 또한 각각의 미세조직은 다른 상의 종류와 분율을 가지고 있다. 이러한 탄소강의 결정립 크기 및 상의 종류/분율의 변화는 열처리 조건에 따라 가능하다. 열처리 온도, 열처리 시간, 냉각 속도 등 열처리하는 방법에 따라 탄소강의 미세조직 및 기계적 성질이 변화할 수 있다.Reference1. William D. Callister, Jr. & David G. Rethwisch, Fundame8

공학/기술| 2019.11.07| 6페이지| 2,000원| 조회(526)

탄소강, 강화기구, 종류, phase, mechanism, 분율, Carbon st..

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이교수님 예비레포트(오스테나이트, 페라이트 각각의 특성, 오스테나이트에서 페라이트로 상변태 원리)

1. 오스테나이트, 페라이트 각각의 특성2원계 합금 중에서 가장 중요한 것은 철과 탄소이다. 선진 기술에서 주요한 구조용 재료인 강과 주철은 기본적으로 철-탄소 합금이다. 순철을 가열하면 용해되기 전까지 결정 구조가 2번 변한다. 실온에서 안정한 형태는 페라이트 또는 α-철이라 하고 체심 입방 구조를 갖는다. 페라이트를 가열하면 912℃에서 오스테나이트 또는 γ-철이라고 하는 면심 입방 구조로 변태된다. 오스테나이트를 또 가열하면 1394℃에서 다시 면심 입방 구조인 δ-페라이트로 변태되고, 이것은 1538℃에서 결국 용해된다. 이러한 변화들은 [그림1]에서 탄소의 조성이 0 즉, 왼쪽 수직 축에서 명백하게 나타난다.탄소는 철에 침입형 불순물로 작용하고, α-페라이트, 오스테나이트, δ-페라이트와 고용체를 형성한다. 체심 입방 구조인 α-페라이트는 매우 작은 농도의 탄소만 고용할 수 있다. 727℃에서 최대 고용도를 갖는데, 그 때 탄소의 조성은 0.022 wt%밖에 되지 않는다. 이는 체심 입방 구조의 침입형 자리의 모양과 크기가 탄소 원자의 수용을 어렵게 하기 때문이다. 상대적으로 작은 탄소 농도를 가졌지만, 탄소는 페라이트의 기계적 성질에 큰 영향을 미친다. α-페라이트는 상대적으로 연하고, 768℃ 이하의 온도에서 자성을 가지며, 7.88 g/cm3의 농도를 갖는다. [그림3a]은 α-페라이트의 현미경 사진이다.γ-철인 오스테나이트는 탄소가 고용되어 있으면 727℃ 이하에서 안정하지 않다. 오스테나이트의 최대 탄소 고용도는 1147℃에서 2.14 wt%이다. α-페라이트의 최대 탄소 고용도보다 오스테나이트의 최대 탄소 고용도가 100배 가까이 크다. 왜냐하면 면심 입방 구조와 체심 입방 구조는 각각 2가지 다른 침입형 자리를 가지고 있는데, 면심 입방 구조에서는 팔면체 침입형 자리가 더 크고, 체심 입방 구조에서는 사면체 침입형 자리가 더 커서, 각 결정 구조는 해당 침입형 자리에 침입형 원자가 들어오게 된다. 그런데 [그림2]를 보면, 면심 입방 구조의 침입형 자리가 체심 입방 구조보다 더 크기 때문에, 탄소 원자는 면심 입방 구조의 침입형 자리에 들어갈 때 철 격자를 덜 변형시키므로, 체심 입방 구조보다 면심 입방 구조에 더 고용되기 쉽다. 또한 오스테나이트는 강의 열처리에서 중요한 역할을 하며, 비자성체이다. [그림3b]는 오스테나이트의 현미경 사진이다.그림2. (좌) 면심 입방 구조의 팔면체 침입형 자리, (우) 체심 입방 구조의 사면체 침입형 자리.2. 오스테나이트 → 페라이트 상변태 원리[그림1]을 보면 0.76 wt% C, 727℃에서 냉각 시 오스테나이트가 α-페라이트와 시멘타이트로 상변태하는 점이 있다. 이 점을 공석 불변점(eutectoid invariant point)라 하고, 이 때 조성을 공석 조성이라고 한다.800℃에서 0.76 wt% C의 조성을 갖는 철-탄소 합금을 냉각시킨다고 하자. 공석 온도인 727℃까지 아무 변화도 일어나지 않는다. 하지만 이 온도를 지나치도록 냉각하면 오스테나이트가 α-페라이트와 시멘타이트로 상변태하는 공석 반응이 일어난다. 공석 온도를 지나며 천천히 냉각되는 공석 강은 α-페라이트와 시멘타이트가 교대로 겹겹이 쌓인 라멜라 미세 구조를 갖는다. 참고로 이 미세 구조는 펄라이트라고 한다.여기서 라멜라 구조가 형성되는 이유는, 모상인 오스테나이트의 탄소 조성이 α-페라이트와 시멘타이트 각각의 탄소 조성과 모두 달라서, 상변태를 하면서 확산으로 탄소가 재분배하기 때문이다. 탄소는 최대 탄소 고용도가 0.022 wt%인 α-페라이트에서 6.70 wt%인 시멘타이트 층으로 확산한다. 이 때 펄라이트는 오스테나이트의 결정립계에서 아직 반응하지 않은 오스테나이트의 결정립 쪽 방향으로 확장된다. 탄소는 이 구조에서 최소 거리를 확산하기 때문에 층이 겹겹이 쌓인 펄라이트가 형성된다.그런데 오스테나이트에서 페라이트로 상변태하는 것은 꼭 공석점을 통하지 않아도 가능하다. 탄소 조성이 0.022 wt%와 0.76 wt% 사이이고 오스테나이트인 점을 생각해보자. 이것은 아공석 합금이라고 한다. 이를 냉각하면 γ 영역에서 α + γ 영역으로 넘어가면서 원래 오스테나이트 결정립계 위에 작은 α-페라이트 입자가 형성된다. α + γ 영역 내에서 더욱 냉각되면 α-페라이트 입자가 더 많아지고 성장한다. 공석 온도 이하로 더 냉각되면 모든 오스테나이트는 공석 반응에 의해 펄라이트로 변태한다. 하지만 여태껏 생성되고 성장한 α-페라이트는 변화하지 않는다. 결국 α-페라이트는 고립된 펄라이트를 둘러싸는 연속적인 기지상이 된다. 펄라이트에 존재하는 α-페라이트는 공석 페라이트라 하고, 공석 온도 위에서 존재하는 것은 초석 페라이트라 한다.이번엔 탄소 조성이 0.76 wt%에서 2.14 wt%사이이고 오스테나이트인 점을 생각해보자. 이것은 과공석 합금이라고 한다. 마찬가지로 γ 영역에서 냉각될 때는 아무 반응이 일어나지 않지만, α + γ 영역으로 넘어가면서 시멘타이트 상이 초기 오스테나이트 결정립계 위에 형성된다. 이 시멘타이트는 공석 반응 전에 형성되는 초석 시멘타이트라고 한다. 초석 시멘타이트도 α + γ 영역에서 핵생성 및 성장한다. 공석 온도 아래로 냉각되면 남아있던 모든 오스테나이트는 펄라이트로 변태된다. 결과적으로 미세 구조는 펄라이트와 초석 시멘타이트로 구성된다.그림4. 공석 온도 이하에서 (좌) 공석 강, (중) 아공석 합금, (우) 과공석 합금의 미세 구조

공학/기술| 2019.10.31| 3페이지| 1,000원| 조회(163)

특성, 오스테나이트, 상변태, 페라이트, 원리

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김 교수님 예비레포트(재료의 관점에서 본 전기전도도의 의미, 재료의 종류에 따라 전기전도도에 차이가 있는 이유, 온도가 변할 때 나타나는 전기전도도 변화 경향과 재료의 종류와의 관계, LCR meter와 이를 이용한 저항 측정 원리)

1. 재료의 관점에서 본 전기전도도의 의미전기전도도는 재료의 전기적 특성을 나타내기 위해 사용된다. 전기전도도는 저항률의 역수이고, 단위는 [(Ω∙m)-1]이다. 전기전도도는 재료에서 전류가 얼마나 잘 흐를 수 있는지 나타내는 척도이다. 전기전도도가 클수록 전류가 잘 흐른다.재료의 종류는 전기전도도의 범위에 따라 전도체, 반도체, 부도체로 나누어진다. 전도체, 반도체, 부도체의 순서로 전기전도도가 높기 때문에 이 순서로 전류가 잘 흐른다. 금속은 일반적으로 전기전도도가 커서 전도체로서 사용된다. 금속의 전기전도도는 102(Ω∙m)-1에서 108(Ω∙m)-1까지이고, 반도체의 전기전도도는 10-6(Ω∙m)-1에서 104(Ω∙m)-1까지 매우 광범위하다. 따라서 금속이 반도체보다 전류가 잘 흐른다.2. 재료의 종류에 따라 전기전도도에 차이가 있는 이유재료의 전기전도도는 전기 전도에 참여하는 전자 수와 밀접한 관련이 있다. 전기 전도에 참여하는 전자 수는 전자 준위들의 배열과 이 전자 준위들이 전자에 의해 채워지는 방법에 관련이 있다.원자는 양자화된 에너지 준위를 가지고 있다. 일반적으로 전자들은 원자의 가장 낮은 에너지 준위부터 채운다. 이러한 개념을 고체 재료의 관점에서 보면, 고체는 수많은 원자들이 가깝게 존재하고 있다. 멀리 떨어진 원자들은 각각 고립원자라고 하여 서로 아무 영향을 미치지 못하지만, 가까운 원자들은 서로 영향을 준다. 원자 내 전자가 주변 원자나 다른 원자 내 전자의 영향을 받아 동요한다. 그러면 에너지 준위는 미세한 간격을 갖게 된다. 주변에는 수많은 원자가 존재하기 때문에 수많은 에너지 준위는 에너지 밴드를 형성한다.일반적으로 재료 내에서 원자들은 서로 평형 원자 간 거리를 유지하고 있다. 그러면 아래 [그림2]처럼 이웃한 에너지 밴드 사이에 에너지 밴드갭이 존재한다. 밴드갭에는 전자가 존재할 수 없다.금속의 에너지 밴드는 두 가지 경우가 있다. 하나는 구리처럼 최외각 밴드가 부분적으로 전자를 갖고 있는 경우, 또 다른 하나는 마그네슘처럼 충만대와 전도대가 겹쳐 있는 경우다. 구리는 4s 전자를 하나 갖고 있는데 4s 준위는 전자를 2개 수용할 수 있어서, 고체 구리는 반만 채워진 4s 밴드를 갖는다. 마그네슘은 2개의 3s 전자를 갖고 있어서 고체 마그네슘은 3s와 3p 밴드가 겹치게 된다. 이 때 페르미 에너지는 전자가 존재할 확률이 50%인 에너지 준위이다. 전자가 자유롭게 움직여서 전기 전도에 참여하기 위해서는 페르미 에너지보다 높은 준위로 여기되어야 한다. 밑에 [그림3]을 보면, 전자가 빈 에너지 준위로 여기하기 위해서는 적은 에너지가 필요하다. 따라서 금속은 비교적 많은 수의 전자가 전기 전도에 참여하므로 전기전도도가 높다.그러나 [그림4]를 보면, 반도체는 충만한 가전자대와 빈 전도대가 밴드갭에 의해 분리되어 있다. 가전자대의 전자는 공유결합을 하고 있어서 전기 전도에 참여하지 않는다. 가전자대의 전자는 전도대로 여기되어야 전하운반자가 되어 전류를 흐르게 한다. 하지만 반도체는 밴드갭이 존재하므로 전자를 가전자대에서 전도대로 여기시킬 수 있는 큰 에너지가 필요하다. 따라서 반도체는 비교적 적은 수의 전자가 전기 전도에 참여하므로 전기전도도가 낮다.3. 온도가 변할 때 나타나는 전기전도도 변화 경향과 재료의 종류와의 관계[그림5]를 보면, 순구 구리와 모든 구리-니켈 합금들은 저항률이 약 -200℃ 이상에서 온도가 증가함에 따라 선형적으로 증가한다. 저항률은 전기전도도의 역수이므로 금속의 전기전도도는 온도가 증가함에 따라 감소한다. 이 때, 전기전도도는 다음과 같이 쓸 수 있다. 온도가 증가하면 금속 내 들뜬 전자가 많아지지만, 금속 내 양이온의 열적 진동도 증가한다. 금속 내 양이온의 열적 진동이 들뜬 전자의 이동을 방해하는 효과가 더 크기 때문에 온도가 증가하면 금속의 전기전도도는 감소한다.전자의 이동도에 영향을 주는 산란기구의 두 가지 기본 형태는 격자 산란과 불순물 산란이다. 또 재료 내 전기 전도에 참여하는 전자를 전하운반자라고 한다. 격자 산란에서 결정 사이를 움직이는 전하운반자는 온도에서 발생한 격자 진동으로 산란된다. 이러한 산란의 빈도는 격자의 열적 요동이 커지면 증가하므로, 온도가 증가하면 이동도가 감소한다. 불순물 산란은 전하운반자가 이온화된 불순물 등의 결정 결함으로 산란되는 것이다. 온도가 낮아지면 전하운반자의 열적 운동도 낮아져서 대전된 이온과의 상호작용으로 더욱 강하게 산란된다. 따라서 온도가 감소하면 이동도가 감소한다. [그림6]을 보면, 근사적인 온도 의존성은 격자 산란의 경우 T-3/2이고, 불순물 산란의 경우 T3/2이다. 그런데 가장 낮은 이동도의 값을 일으키는 산란 기구가 이동도를 결정하므로, 온도가 증가하면 격자 산란에 의해, 온도가 감소하면 불순물 산란에 의해 반도체의 전기전도도는 감소한다.4. LCR meter와 이를 이용한 저항 측정 원리LCR meter는 전자부품이나 시료의 전기적 특성을 측정하는 장비이다. 측정 가능한 전기적 특성들은 인덕턴스 L, 전기용량 C, 저항 R, 임피던스 Z, 리액턴스 X 등이 있다. LCR meter는 측정하려는 부품이 주로 사용되는 주파수를 설정하면 더 정확하게 측정이 가능하다. 보통 1kHz를 사용하고 10kHz, 100kHz, 1MHz 등으로 변경이 가능하다.그림7. 위상자 도표와 위상자들의 벡터합[그림7]을 보면, 인덕터 양단의 전압은 90˚만큼 전류를 앞서고, 축전기 양단의 전압은 전류에 90˚만큼 뒤진다. 위상자들은 회전 벡터이기 때문에 전압 위상자는 벡터합을 이용해서 합친다. 이 때, 유도 리액턴스 XL ≡ ωL, 용량 리액턴스 XC ≡ (ωC)-1라 쓸 수 있다. Z는 저항과 같은 역할을 하는 임피던스라 한다. LCR meter에 전류가 흐르면 전류와 임피던스의 위상차를 통해 XL, XC를 알 수 있다. 그러면 Z, XL, XC를 통해 저항 R의 값을 측정할 수 있다. 간단히 말하면, R = ┃Z┃cosθ이다. (단 cosθ는 XL와 XC의 벡터합인 X, 그리고 R의 위상차)Reference1. 대학물리학교재편찬위원회, 최신 대학물리학 5판 788~798쪽, 북스힐 출판, 20142. William D. Callister, Jr. & David G. Rethwisch, Fundamentals of Materials Science and Engineering 4th edition 7, 485~493쪽, WileyPLUS 출판, 20133. Streetman, Ben G. & Banerjee, Sanjay Kumar, Solid State Electronic Devices 6th edition 122~123쪽, Prentice Hall 출판, 20054. 앰코인스토리, Hyperlink "https://amkorinstory.com/565" https://amkorinstory.com/565, 20155. 금농엔지니어링, Hyperlink "http://kumnong.co.kr/data/555" http://kumnong.co.kr/data/555, 20156. Electronics Tutorials, Hyperlink "https://www.electronics-tutorials.ws/accircuits/series-circuit.html" https://www.electronics-tutorials.ws/accircuits/series-circuit.html신소재공학요소설계4(URIP) 예비레포트◎ 재료의 관점에서 본 전기전도도의 의미◎ 재료의 종류에 따라 전기전도도에 차이가 있는 이유◎ 온도가 변할 때 나타나는 전기전도도 변화 경향과 재료의 종류와의 관계◎ LCR meter와 이를 이용한 저항 측정 원리제출자 관련 정보◎ 소속:◎ 학번:◎ 이름:◎ 제출날짜:요약전기전도도는 재료에서 전류가 얼마나 잘 흐를 수 있는지 나타내는 척도이다. 전기전도도에 따라 재료는 전도체, 반도체, 부도체로 나뉘어진다. 전기전도도는 전기 전도에 참여하는 전자 수와 관련이 있다. 이러한 전자들은 가전자대에서 전도대로 여기되어야 한다. 금속에서 전자는 전기 전도에 참여하기 위해 페르미 에너지보다 높은 에너지 준위를 가져야한다. 이는 작은 에너지가 필요하므로 전기전도도가 높다. 반도체의 경우는 전자가 밴드갭을 넘어 전도대로 여기되는 데에 많은 에너지가 필요하므로 전기전도도가 낮다. 금속은 온도가 증가하면 양이온이 열적 진동을 한다. 그러면 전자의 이동이 방해를 받아서 전기전도도가 낮아진다. 반도체는 온도가 낮아지면 불순물 산란에 의해, 온도가 높아지면 격자 산란에 의해 전기전도도가 낮아진다. LCR meter는 개별소자의 전기적 특성을 측정하는 장비이다. 교류 전압이 걸렸을 때, 인덕터, 축전기, 저항에 걸리는 전압에는 위상차가 존재한다. LCR meter로 임피던스와 리액턴스를 측정해 저항을 알아낼 수 있다.PAGE * MERGEFORMAT2

공학/기술| 2019.10.02| 5페이지| 2,000원| 조회(234)

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