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소결온도에 따른 압전세라믹스(PZT)의 물리적, 전기적 특성 관찰

1. 제목 (Title)소결온도에 따른 압전세라믹스(PZT)의 물리적, 전기적 특성 관찰2. 초록 (Abstract)전자부품은 소재와 구조, 작동기구(회로)로 이루어져있다. 소재에는 금속, 무기, 유기물이 있는데 우리는 이중 절연체인 non metal 무기물 세라믹 재료 , 소재에 집중해 실험 하고자 한다.그중 압전세라믹스에 대한 실험을 할 것이며, 압전체가 어떤 조건과 환경에서 가장 좋은 유전율을 보이는지 확인하고 소결과 하소가 앞으로 제작할 PZT시편에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 한다.3. 서론 (Introduction)압전 세라믹스는 1970년대를 시작으로 1990년대에 본격적으로 연구개발이 이루어져 왔으며, 전자산업의 한 분야로 자리 잡게 되었다. 국내에서는 대부분의 압전 세라믹스 원료와 응용부품을 전량수입에 의존하다가 1987년에서야 압전소자 제품을 생산하기 시작하였다.압전 세라믹스 재료는 Barium Titanate를 시작으로 물리적 성질 등이 우수한 PZT, PCM 등 복합 Perovskite 구조를 가진 세라믹스를 중심으로 개발이 이루어지고 있으며, 최근에는 휘발성 공해물질인 PbO가 함유되지 않으며, 물리적 성질과 기능이 우수한 압전 재료개발 및 수요가 증대되고 있는 상황이다.실험목적 : PZT에 대한 실험을 하는 목적은 우리가 직접 제조한 PZT를 가지고 polishing 과 소결을 했을 경우 수축률이 어떻게 변하는지 확인해보고 소결이 PZT시편에 주는 영향에 대한 추측과 토론 또한 소결이 끝난 PZT시편 양단에 전극물질을 도포해서 그 시편의 압전성(유전율)을 확인해 어떤 압력과 소결온도가 가장 좋은 압전체를 만드는지 확인하는 것이다.4. 이론적 배경 (Theoretical Background)◈ 압전체의 정의압전 세라믹스는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생하고, 전계가 가해졌을 때 기계적인 변형 이 일어나는 소자로서 기계적인 진동에너지를 전기에너지로, 전기에너지를 기계적인 진동에너지로 상호 변환이 가능하며 변환효율이 매우 높은 재료이다.진현상이었는데 1차 대전 때 수소결합 계열의 물질을 사용하다가(수소 결합은 내부에 분극이 생성되는 구조) 강유전체의 대표적인 물질인 perovskite 구조를 개발하게 되면서 이를 활용하여 압전체를 만들게 되었다.◈ 압전소자의 원리1) 압전 효과(Piezoelectric Effect)고체에 힘을 가하였을 때 결정 겉면에 전기적 분극이 일어나는 현상으로 피에조 저항 효과라고도 한다.수정이나 로셀염 등의 결정에 압력을 가하면 전압이 발생하는데 이것을 압전 직접효과라고 하며, 이와 반대로 전압을 주면 결정체가 변형을 일으키는 현상을 압전 역효과라 한다.?발견자의 이름을 따서 직접효과를 퀴리효과, 역효과를 리프먼 효과라고도 한다. ?결정체에 가해지는 힘의 방향과 전하가 발생하는 방향이 같은 경우를 종효과, 직각인 경우를 횡효과라 한다.2) perovskite 구조우측에 있는 구조는 압전체의 구조로서 perovskite 구조라 칭하며, 이 구조는 온도에 따라 결정구조가 변하게 된다. 120CENTIGRADE 이상에서는 결정구조가 대칭형이여서 극성을 띠지 않지만 120CENTIGRADE 이하에서는 중심 이온이 위쪽으로 이동하여 물질구조가 tetragonal 로 변하게 된다. 따라서 극성을 띄게 된다.◈ 유전재료일반적으로 유전재료는 물질 내에 외부전계를 인가하였을 때 유도전기 쌍극자 모멘트를 가지며 유도분극을 발생시키는 물질을 말한다. 유전체에 전계를 인가하게 되면 ①전자분극, ②이온분극, ③배향분극, ④공간전하분극 등의 유전분극을 발생시킨다.① 전자 분극전계에 의해 원자와 전자의 구성이 전자가 원자핵에 대해서 약간 변위됨으로써 생기는 분극이다. 분극의 크기는 전계 E에 비례하고, 비례정수 α를 이 용해 다음과 같이 나타낸다.μ = αE여기서 α를 전자 분극율 이라 한다.② 이온 분극고체 유전체에서는 원자나 이온이 주기적으로 입체적인 배열을 하고 있으며 이들의 상호 간격은 대체로 2~3Å 정도로 일정하다.평행상태에서는 각 원자 상호간에 힘이 작용하기 때문에 마치 스프링으로 이러한 분극이 적게 일어나는 재료를 선택한다.◈ PZT 압전소자의 성분 분석 및 구조 분석X선을 결정에 부딪히게 하면 그중 일부는 회절을 일으키고 그 회절각과 강도는 물질 구조상 고유한 것으로서 이 회절 X선을 이용하여 시료에 함유된 결정성 물질의 종류와 양에 관계되는 정보를 알 수 있다. 이와 같이 결정성 물질의 구조에 관한 정보를 얻기 위한 분석방법이 X선 회절 (X-ray Diffraction: XRD) 법이다. 그림 3과 같이 회절현상이 발생하는 경우 입사 X선의 파장λ 및 입사각 θ와 격자면 간격 d 사이에는 다음과 같은 관계가 성립된다.λ=2d sinθ위 관계식을 이용한 XRD 분석법을 이용하여 시중에서 팔고 있는 압전소자를 분석한 결과 [그림.1], [그림.2]에 나타낸 바와 같이 압전소자의 상부 전극은 은 (Ag), 하부 전극은 구리 (Cu)로 이루어 졌음을 알게 되었다. 전자현미경 (Scanning Electron Microscope: SEM)을 이용하여 각 층에 대해 고배율 촬영을 해본 결과 [그림.1]에 보였듯이, 전극 표면은 금속 특유의 거친 표면을 갖고 있고, 압전 현상을 일으키는 박막은 film형태로 상대적으로 고른 표면을 갖고 있음을 알았다. 압전 현상을 일으키는 박막에 대해 정밀한 XRD 분석법을 적용한 결과 [그림.3]에 나타낸 바와 같이 상기의 박막은 납 (Pb), 지르코늄 (Zr), 타이타늄 (Ti)로 이루어진 PZT 화합물임을 알게 되었다.[그림.1] 압전소자의 평면 촬영과 [그림.2] 압전소자의 상부각 구성 막을 전자현미경으로 (은) 및 하부 전극 (구리)평면 촬영한 SEM 사진 의 XRD 분석 데이터[그림.3] 압전소자의 압전 박막에 대한 XRD 분석 데이터◈ 압전소자 응용사례1) 진동을 이용한 분사법을 사용하는 프린터 (엡손)이 방식을 간략히 설명하면 전기적 신호에 의해 피에조 소자가 진동을 해서 잉크를 노즐 밖으로 밀어내는 원리로 인쇄를 한다. 피에조는 전류가 흐르는 시간을 제어해 잉크의 양을 조절하는 것이 가능해 비다.4) 연료압력 센서커먼레일 중앙부에 설치된 연료압력 센서(Fuel Pressure Sensor)는 연료압력 변화를 순간적으로 감지해 ECU로 입력된다. ECU는 이 신호를 받아 연료량, 분사시기를 조절하는 신호로 사용한다.레일안의 연료는 압력 센서의 블라인드 홀을 거쳐 센서 다이어프램에 도달하고, 이곳에서 압력신호를 전기적인 신호로 전환된다. 센서에 의해 측정된 신호는 증폭되어 ECU로 입력된다.이 센서의 내부는 피에조 압전소자 방식으로 되어 있어 압력을 전기신호로 바꾸어 준다. 따라서 다이어프램의 형상이 변할 때 다이어프램에 부착된 레이어의 전기적 저항이 같이 변화되고 0.5~5.0V의 값이 측정된다.◈ 압전소자의 기능별 분류energy harvesting 목적 : 전기가 크게 들지 않는 디바이스에 반영구적 사용 목적으로 개발그리고 전기 회로 쪽으로도 필터 계통이라 던지 등등에서 거의 필수적으로 쓰입니다.transducer (변환기)로서의 기능 : saw 표면파 필터 혹은 RLC 회로가 하는 주파수 필터 기능을 압전체가 대신 할 수 있음, 그리고 역 압전 쪽으로 정밀한 기계에서 사용된다.(전기를 가하면 기계 에너지로 전환되는 기능)actuator (액츄에이터)로서의 기능 : 휴대폰 카메라 포커싱 렌즈 등의 아주 정밀한 움직임을 필요로 할 때 압전체가 쓰인다.에너지 하베스팅 상의 가장 큰 단점이라면 단순히 전기 에너지 생산의 개념에서의 효율은 극히 떨어진다는 것과 어찌 되었든 진동이 있어야 한다는 것이다.(즉 힘을 가하면 1회성으로 전류가 나오는데 이를 지속적으로 활용하기위해서 힘을 줬다 빼는 식으로 계속해서 기계적 에너지의 펄스를 가해야 한다는 것)사람이 걸어 다니면서 에너지가 생산되는 것도 쉽게 말하면 사람 무게가 눌러지고 이후 사람 무게가 사라지면서 생성되는 기계적 에너지 변화를 통해서 전기를 생성하는 원리이다.◈ 하소(calcination)어떤 물질을 고온으로 가열하여 그 휘발성분의 일부 또는 전부를 제거하는 조작인데, 예를 들어 탄산마그네슘은 그 두 물질의 복합재료(예를 들면 금속과 세라믹스)를 만드는 데 사용된다.◈ 소결(sintering)전에 하소(calcination)를 하는 이유는?일반적으로는 하소 온도 부근에서 반응가스가 많이 발생하므로, 이 반응 가스에 의한 재료의 스트레스 및 크랙을 방지하기 위해 소결 전에 하소를 먼저 해야 한다.5. 실험방법 (Experiment process)1) Weighing? PZT Powder, 유산지, 시약스푼, Micro grams를 준비한다.? Micro grams의 수평수포를 맞추고, 유산지를 올려놓은 후 영점을 맞춘다.? PZT Powder 0.8g을 Weighing 한다.2) Forming? 0.8g PZT Powder, Mold(지름10mm), 거즈, 핀셋을 준비한다.? Weighing한 PZT Powder를 Mold에 넣어주고 Press를 이용해 4ton의 압력을 가하여 1분 동안 유지 해 준다.? Mold를 뒤집어서 너트를 올린다음 다시 압력을 가해주어 Mold에서 시편을 제거한다.3) Sintering? Furnace를 이용하여 성형한 시편을 두 개씩 1100℃, 1200℃, 1250℃의 세 조건의 온도에서 5℃/min 으로 승온하고, 목표 온도에 도달 후 2시간을 유지한 후, 상온의 조건에서 공냉 한다.4) Polishing? Sic Paper, 소결한 시편을 준비한다.? (Grit: 400->800->1200) 순으로 소결된 시편을 두께 1mm, 1.4mm 로 연마한다.*이 때 시편에 Crack이 생기지 않도록 주의하며 윗면과 아랫면의 수평을 확인하며 연마한다.5) Measuring? vernier calipers를 이용하여 연마한 시편의 두께와 지름을 측정하고 Micro grams를 이용하여 무게를 재 측정한다.? 측정한 값으로 수축율과 밀도를 계산한다.6) Electroding? 전극(Ag paste), 붓을 준비한다.? 붓을 이용하여 시편의 한쪽 면에 전극을 최대한 얇고 균일하게 바른다.? Hot plate에서 70℃에서 10분간 Dr)

공학/기술| 2014.11.16| 14페이지| 1,500원| 조회(440)

PZT, 압전세라믹스, 특성관찰, 소결온도

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면저항 측정기(4-point probe)의 이해와 방진복 체험

1. Title (실험 제목)-면저항 측정기(4-point probe)의 이해와 방진복 체험2. Objectives (실험 목적)- 웨이퍼 위에 증착된 물질의 면 저항을 측정하여 면저항 측정기의 원리를 이해한다.3. Experimental procedure (실험 방법)(1)웨이퍼 위에 박막으로 물질을 증착한다.(2)시편을 절단 후 면저항을 측정한다.(3)각 시료의 면저항을 비교하여 본다.4. Experimental equipment (실험장비)- 증착된 웨이퍼, 면저항 측정기(CWT-SR100N)(첨단6층 박막실)5. Literature Review (이론적 배경)-Clean room-대기 중의 먼지와 미생물을 제거하기 위해 고성능 필터를 통한 공기를 순환 공급하여 먼지류의 수를 항상 일정 수준 이하로 억제하고 있는 방. 필요에 따라 온도, 습도, 압력 등의 환경 조건도 관리된다. 반도체, 의약품, 식품, 바이오테크놀러지 등의 분야에서 사용된다. 무균상태로 유지하는 공간을 생물학적 청정실이라 한다.-evaporation-진공 중에서 금속 증기를 증발시켜서 기판에 부착시키는 것으로 반도체나 메모리용 자기 박막 등의 제조에 이용됨.-sputtering-스퍼터링(Sputtering)은 진공상태의 용기 안에 헬륨 등 불활성기체를 채워 코팅재료(타깃)에 고전압을 걸어 방전시키면 이온화된 불활성기체가 코팅재료에 충돌하게 되고, 이 때 타깃물질의 이온이 튀어나와 기판(코팅하기 위한 대상물)에 달라붙어 코팅이 되는 원리를 이용한 일종의 물리증착기술을 말한다. Sputtering 기술은 각종 기계와 공구의 표면코팅 뿐만 아니라 장식품과 전자재료 및 반도체의 금속코팅 등에 이르기까지 응용범위가 매우 다양하다.-wafer 만드는 방법-Czochralski Method1. 다결정 실리콘을 높은 온도에서 녹여 액체 상태로 만듭니다.2. 실리콘 성장의 핵이 될 단결정 실리콘 막대를 액체속에 넣고아주아주 천천히 회전을 시켜서 결정이 천천히 성장하도록 만듭니다.3. 위의 공정을 거쳐서 만들어진 실리콘 단결정 덩어리(Ingot)을 wafer 형태로 만들기 위해일정한 두께로 잘라냅니다. 이 공정을 Slicing이라고 합니다.4. Slicing 공정 중 발생된 wafer 표면의 Damage를 제거하고wafer의 두께와 평탄도를 균일하게 만들기 위해 연마 공정을 합니다. (Lapping)5. 화학 용액으로 Wafer 표면에 남은 Damage를 제거합니다.6. wafer 본래의 저항률을 갖도록 하기 위해서 Boron Gas 분위기에서고온으로 장시간 열처리를 한 다음에 급속 냉각을 합니다.7. 거칠어진 wafer 표면을 고도의 평탄도를 갖도록 연마 공정을 합니다. (Polishing)8. Polishing 후 wafer 표면에 붙은 오염 입자들을 제거합니다.위의 공정을 거쳐 만들어진 wafer를 Polished wafer라고 부르며반도체 회사에서 주로 쓰는 것입니다.epitaxy method결정을 성장시키는 한 가지 기법이라 할 수 있지만, 결정의 성장 속도가 초크랄스키법 속도의 1/1000밖에 안될 정도로 느리므로, 이 방법은 보통 두께가 수㎛ 정도인 소자용 결정층의 제작에 이용된다. 특히 이 기법의특징으로서 불순물 농도를 기판결정에 대해 독립적으로 설정할 수 있다는 점을 들 수 있다. 즉 이 기법으로는 바이폴러집적회로의 소자층을 만드는 경우와 같이, 고불순물농도층 위에 저불순물농도층을 형성시키는 등의 조작이 가능하다.6. Result and Discussion (결과 및 고찰)wafer종류에 따른 면저항측정 수치(표)1st2nd3rd4th5thaveSi121.57270139.90087119.53971128.67875129.16200127.771Sio2*************09161Pt0.799250.791040.861010.788540.870120.821992wafer종류에 따른 면저항측정 수치(그래프)-고찰-이번실험은 각종의 웨이퍼에 대한 면저항을 측정해보기 위해서 방진복을 입고 실험실로 들어가서 4-point probe를 이용해서 Si Sio2 Pt 의 웨이퍼의 면저항을 다섯 개의 다른 지점을 찍어서 측정해보았다. 좀더 정확한 면저항수치를 구하기위해 각웨이퍼 마다 5개의 다른지점의 면저항을 측정해서 평균값을 내었다. 그결과 Si 는 127.771Ω/□ Sio2는 118709161Ω/□ 마지막으로 Pt는 0.821992Ω/□ 로 나왔다. 확연히 보이는 수치의 차이 때문에 Sio2는 절연체이기 때문에 면저항의 수치가 매우 높게 나온것임을 알 수 있고 나머지 Si wafer 와 Pt 도전체이기 때문에 면저항의 수치가 작음을 알 수 있고 Si이 Pt보다는 면저항이 크므로 전기전도도는 Pt에 비해서 떨어짐을 알 수 있다. Si wafer에 Sio2와 Pt를 증착시켜 만든 wafer들로 각각 면저항을 측정해보았는데 우리가 원하는 결과값을 얻기 위해서 면저항 측정에 방해되는 요인을 제거해야 한다. 먼저 첫 번째로 면저항의 크기는 물질 자체의 전기적 물성, 표면적의 넓이, 표면의 거칠기, 주변 온습도에 따라 달라진다. 따라서 Si wafer 표면에 어떠한 먼지나 불순물이 없어야하기 때문에 우리가 실험실내부로 들어오기 전에 방진복과 에어샤워를 통해 먼지를 최대한 제거 하고 출입하는 것이다. 가장중요한 것은 방진복을 입고 실험실에 들어와서 면저항측정기를 이용해서 웨이퍼를 다룰 때 손으로 만져서는 안된다는것과 웨이퍼를 올려놓고 진공버튼을 눌러서 진공을 잡아줘야 한다는 것이다. 진공이 잡힌 웨이퍼는 움직임이 거의 없어서 측정에 유리하게 작용한다. 또한 4-point probe 의 4 point가 wafer에 안정적으로 접촉하려면 수평이 유지되어야한다. 따라서 면저항 측정장치의 밑에는 수평을 유지시켜주는 튜브가 설치된 모습을 볼수있었다.

공학/기술| 2013.12.13| 4페이지| 1,500원| 조회(1,286)

4-Point Probe, 면저항 측정기, 방진복 체험

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HP4156A(semiconductor parameter analyer) 장비활용, LED의 I-V곡선 관찰

1. Title (실험 제목)-HP4156A(semiconductor parameter analyer) 장비활용, LED의 I-V곡선 관찰2. Objectives (실험 목적)- HP4156A 장비를 활용하여 LED의 I-V곡선을 그려본다.3. Experimental procedure (실험 방법)(1)LED를 HP4156A 장비의 프로브에 연결시킨다.(2)연결된 LED를 암실에 넣는다.(3)스크린 상의 전압범위를 입력한다.(4)스크린 상의 step 범위를 입력한다.(5)스크린 상의 display 범위를 입력한다.(6)장비의 결과값을 (I-V곡선)관찰한다.4. Experimental equipment (실험장비)- LED(B,G,W) , HP4156A (첨단6층)5. Literature Review (이론적 배경)-다이오드-다이오드(diode)는 저마늄(영어: germanium 또는 게르마늄(독일어: germanium), Ge)이나 규소(Si)로 만들어지고, 주로 한쪽 방향으로 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자를 말한다. 정류, 발광 등의 특성을 지니는 반도체 소자이다.최초의 다이오드는 진공관(vacuum tube)으로 만들어졌다. 진공관 다이오드는 플레이트 전극(anode)와 열음극(hot cathode)으로 두개의 전극으로 이루어진다.오늘날의 대부분의 다이오드는 실리콘(Si,silicon)으로 만들어 지지만, 셀레늄(selenium)이나 저마늄(germanium) 등의 반도체 등을 사용하기도 한다.[5] 대부분의 반도체 다이오드는 p-n 접합으로 두개의 전극을 갖는 반도체 결정체(crystalline) 이다.-순방향 전압(Forward voltage)인가시 동작-p형 반도체 측에는 (+)전원을, n형반도체 측에는 (-)전원을 연결하면 순방향이 된다. 순방향으로 전압을 인가하면 n형 반도체내의 전자는 전원의 (-)에 의해서 반발당하고 전원의 (+)측에서는 전자를 흡인하므로 전자는 n형 반도체에서 p형 반도체 쪽으로 이동한다. 같은 원리로 정공은 p형 반도체에서 n형반도체로 이동하게 된다. 따라서 공핍층의 전장은 잔자와 정공의 이동으로 인하여 중화되게 되고, 순방향 전압이 확산전압을 넘어서면 공핍층은 전자와 정공이 자유롭게 이동할 수 있는 지역으로 변화한다. 따라서 전류가 흐르게 된다.-역방향 전압(Reverse voltage)인가시 동작-p형 반도체 측에는 (-)전원을, n형 반도체 측에는 (+)전원을 연결하면 역방향이 된다. 역방향으로 전압을 인가하면 n형 반도체내의 전자는 전원의 (+)측에 흡인되고, p형 반도체의 정공은 (-)측에 흡인되게 된다. 따라서 자유전자와 정공은 다이오드의 양단에 집결하게 되므로 공핍층은 더욱 커지게 된다. 따라서 자유전자와 정공은 자유로이 넘어설수 없게 되어 전류가 흐르지 않게 된다. 그러나 역방향 전압이 아주 높은 경우에는 가전자들이 결합으로부터 이탈하여 역방향전류가 급격히 증가하게된다. 이때의 역방향 전압을 항복전압(Breakdown voltage)이라고한다.-다이오드의 특성곡선-다이오드의 p형 반도체측을 Anode라고 하고, n형 반도체측을 Cathode라고 하고 다이오드의 기호는 아래와 같이 표기한다. Anode에 (+)전원을 인가하고 Cathode에 (-)전원을 인가하면 순방향이 되고, 반대로 전원을 인가하면 역방향이 된다.아래 그래프에서 순방향의 특성곡선을 보면, 다이오드에 흐르는 전류는 무릎전압(Knee voltage)에 이를 때 까지는 천천히 증가한다. 이유는 확산에 의해 형성된 공핍층의 내부 전장(전위장벽)을 먼저 제거해야 하기 때문이다. 전압을 더 증가시켜 무릎전압을 넘게 되면 전류는 급속히 증가하게 된다. 이 구간에서는 전압이 커짐에 따라 전류가 급속도로 증가하게 되고 다이오드의 허용한계값을 넘어설 경우 다이오드는 과열,파손되게 된다. 만약 다이오드에서 발생된 열을 외부로 신속히 방출시킬 수 있다면 훨씬 더 많은 전류를 흐르게 할 수 있기 Eoians에 다이오드를 냉각판 등에 고정시켜 설치하기도 한다. 이와같은 다이오드의 순방향 특성을 이용한 것으로는 정류 다이오드와 트랜지스터 등이 있다.역방향 특성곡선을 보면 다이오드에 비교적 높은 전압이 인가되어도 전류는 거의 흐르지 않는다. 그러나 역방향 전압도 일정 한계 이상 높아지면 역방향으로 전류가 급속히 흐르게 된다. 이때의 역방향 전압을 항복전압(Breakdown voltage)이라고 한다. 항복전압 이상으로 전압을 가할 경우 다이오드는 말 그대로 ‘Breakdowm’(파손) 된다. 이와같은 다이오드의 역방향 특성을 이용한 것으로는 정전압 조정회로가 있다.-HP4156A 장비-휴렛 팩커드 4156A 정밀 반도체 파라미터 분석기는 반도체 소자의 특성을 매우 유용한 도구입니다. 그것은 전압 소스, 전류 소스, 전압 모니터, 전류 모니터로 사용될 수 개의 프로브를 가지고 있습니다. 이 프로브는 메뉴 방식의 사용자 인터페이스를 통해 프로그래밍 할 수 있도록 설계되어 있습니다. 가능한 측정, 논리 게이트의 특성을 스위칭 MOSFET을위한 간단한 두 개의 터미널 장치의 IV 곡선, I는 D-V DS-V G 그래프, 등 포함1. 전원 버튼2. 디스플레이3. 3 1 / 4 디스크 드라이브4. 소프트 키5. 채널 메뉴 버튼6. 측정 메뉴 버튼7. 메뉴 버튼을 표시8. GRAPH / LIST 메뉴 버튼9. 시스템 메뉴 버튼10. 썸휠 (그래프에서 커서를 이동하거나, 소프트 키 메뉴를 선택하기 위해 사용)11. 커서 이동 및 필드 선택 버튼 - 빠른 키는 커서가 빠르게 그래프 모드에있는 동안 이동할 수 있습니다12. 하나의 버튼 - 사용자가 결정되었다는 설정으로 한 번 스윕을 수행합니다 이전 그래프 데이터를 삭제합니다13. REPEAT 버튼 - continuosly 단일 스위프를 반복 수행합니다14. STOP 버튼 전류 측정을 중단15. APPEND 버튼 이전 그래프 데이터를 삭제하지 않고, 단일 스위프를 수행합니다16. 문자 / 숫자 입력 키6. Result and Discussion (결과 및 고찰)LED종류에 따른 전압 전류 관계(표)전압(Volt)전류(Ampere)GreenBlueWhite00000.250000.50000.7500010001.250001.50001.7500020002.250.00016846002.50.00187440.0001860402.750.00528650.00197610.003106330.00798220.00581750.00897943.250.0136260.0113420.0156333.50.0229710.0172980.0227223.750.0322480.0358980.03022140.0399970.039970.038205LED종류에 따른 전압 전류 관계(그래프)-고찰-이번실험은 HP4156A 장비를 활용하여 LED의 I-V곡선을 그려보는 실험이었다. HP4156A 장비의 사용법도 익히면서 G,B,W 종류의 LED를 한번씩 넣어서 I-V곡선을 관찰해보았다.처음에 LED에 프로브를 연결 해주고 single 버튼을 눌러도 그래프가 일자로 나오면 그것은 역방향으로 연결했을 때 모습이고 다시 방향을 바꿔서 연결해주면 그래프가 정상적으로 나온다. 위의 결과를 보면 세가지LED 모두 전압이 커지면 전류가 올라가는 모습을 볼 수 있다.외부 전압을 LED PN 접합부에 생긴 built-in potential과 반대 극 방향으로 걸어주는 것이 순방향 바이어스이고 순방향 바이어스를 걸어줬을 때 공핍층 영역에서 재결합을 다시 시작한다. 전압을 계속해서 올려주면 결국 PN 접합을 지나 상당한 양의 전류가 흐른다. potential의 차가 커지면 다이오드의 전도성이 커지며 전하가 흐르기 시작한다. 이때 다이오드는 마치 저항이 매우 작거나 없는 물질처럼 행동한다. 따라서 가해진 전압에 의해 전류가 원활하게 흐를수있게 되고 순방향일 경우 전압을 높여주면 전류가 증가하는 것을 관찰할 수 있다. 이런 다이오드의 특성 때문에 다이오드의 I-V그래프가 지수적 증가를 보인 것이다. 하지만 여기서 간과해서는 안되는 것이 있다. 전압을 높여주면 전류가 증가한다는 것은 전압과 전류가 비례관계라고 할 수 있다. 이것은 저항이 일정하다는 전제조건이 충족이 되야 비례관계라고 말할 수 있다. 이번 실험을 한후 공부를 하면서 실험에 사용한 LED의 저항은 고정저항이라는 사실을 인지할수있었다. 만약 실험에 사용한 LED가 고정저항이 아니라 가변저항이었다면 전압이 증가함에따라 전류가 증가하는 모양이 나오지 않았을 것이다.이번 실험에서 전압을 증가시킴에 따라서 전류가 들어오는 순서를 보면 지난번 실험 때와 일치하는 것을 볼 수 있다. 그 이유는 B,G,W LED가 가지고 있는 파장이 각기 다르고 에너지갭도 다 다르기 때문이다. 하지만 지난번 실험에서 전류가 들어오는 순간이 G가 2V B가 2.2V W가 2.4V 였는데 이번 실험은 G가 2.25V B가 2.5V W가 2.75V 로 차이가 나는 이유는 저번실험때는 단위를 0.2V 단위로 했었고 이번실험은 0.25단위로 했고 이전의 실험결과를 고찰했을 때 “LED에 전류가 흐르기 전부터 빛이 미세하게 들어올수도있다“라는 사실을 알게되었고 빛에 언제 들어오는지는 모르겠지만 전류가 들어오는 타이밍의 차이를 봤을 때 색이 같은 LED라도 지름이 다르기 때문에 소비하는 전력이 달랐을 거라고 생각한다. 지름이 더큰 LED는 전력소모가 작은것보다 더 크기 때문에 빛을 내고 전류가 흐르기까지 더 높은 전압이 필요하다는 것이다. 따라서 실험 결과가 저렇게 나왔다고 예측할 수 있다.

공학/기술| 2013.12.13| 7페이지| 1,500원| 조회(207)

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전압인가시 LED에 흐르는 전류와 발광시점 측정

1. Title (실험 제목)-전압인가시 LED에 흐르는 전류와 발광시점 측정2. Objectives (실험 목적)- LED발광시점을 측정해보고 작동원리를 이해한다3. Experimental procedure (실험 방법)(1)LED와 power supply,멀티미터를 직렬로 연결한다.(2)power supply로 전압을 0-4v까지 0.2v 단위로 인가한다.(3)각단계에 흐르는 전류를 측정한다.(4)각 단계에서 LED가 작동할 때 전압을 측정한다.(5)위의 3,4과정을 토대로 표를 작성한다.4. Experimental equipment (실험장비)- 여러 가지 색깔의 LED(R,G,B,Y,W)- power supply- multi meter5. Literature Review (이론적 배경)-LED란?-발광 다이오드 발광다이오드(LED)란 갈륨비소 등의 화합물에 전류를 흘려 빛을 발산하는 반도체소자로, m 반도체의 p-n 접합구조를 이용하여 소수캐리어(전자 또는 정공)를 주입하고 이들의 재결합에 의하여 발광시킨다. LED는 컴퓨터 본체에서 하드디스크가 돌아갈 때 깜빡이는 작은 불빛, 도심의 빌딩 위에 설치된 대형 전광판, TV 리모콘 버튼을 누를 때마다 TV 본체에 신호를 보내는 눈에 보이지 않는 광선 등을 만들 때 필요하다. 전기에너지를 빛에너지로 전환하는 효율이 높기 때문에 최고 90%까지 에너지를 절감할 수 있어, 에너지 효율이 5% 정도밖에 되지 않는 백열등ㆍ형광등을 대체할 수 있는 차세대 광원으로 주목되고 있다. LED는 아래 위에 전극을 붙인 전도물질에 전류가 통과하면 전자와 정공이라고 불리는 플러스 전하입자가 이 전극 중앙에서 결합해 빛의 광자를 발산하는 구조로 이루어져 있는데, 이 물질의 특성에 따라 빛의 색깔이 달라진다.-LED의 작동원리-발광다이오드는 반도체를 이용한 pn접합이라고 불리는 구조로 만들어져 있는데 반도체는 빛을 쪼여주면 전자와 정공이 만들어지며 전류가 흐른다. 이것은 역으로 생각하면 전자와 정공이 만날 때 빛이 만들어진다는 뜻이기도 하다 전자가 풍부한 n형반도체 와 정공이 풍부한 p형반도체를 붙여서 만드는 pn접합에 전기를 걸어주면 중간에서 전자와 정공이 만나 사라지면서 빛이 생성하게 된다.요약하면led에 순방향전압을 인가하면 n형 영역에서는 전자가이동하고 p형 영역에서는 정공이 pn접합부로 이동하여 재결합하며. 전자가 가지고 있는 에너지를 빛으로 전환한다.-LED의 물리적,광학적,전기적 특성-- 구조가 간단하기 때문에 대량생산이 가능하고 저렴하다.- 전구처럼 필라멘트를 사용하지 않기 때문에 소형이며 진동에 강하고 긴 수명을 가지고 있어서 고장날 확률이 낮다.- 제품에 따라서 직접 바라보면 눈에 나쁜 영향을 줄 수가 있다.?LED는 일반적인 다이오드와 동일하게 극성을 가지고 있으며, 음극에서 양극으로 정전압을 가해서 사용한다. 전압이 낮은 동안은 전압을 올려도 전류가 흐르지 않고, 발광도 하지 않는다. 어느 정도 전압 이상이 되면 전압 상승에 의해서 전류가 빠르게 흘러서 전류량에 비례해서 빛을 발생이 됩니다.이 전압을 순방향 강하전압이라고 하고, 일반 적인 다이오드와 비교해서 LED는 순방향 강하전압이 높습니다.발광색에 따라 다르지만, 빨강색, 오렌지색, 노랑색, 초록색에서는 2.1V 정도가 되고 빨간빛을 내지 않는 것은 1.4V 정도이며, 백색과 파란색은 3.5V 정도이다.? ?LED가 발광을 할때 소비되는 전류는 표시등 용도에서는 5mA~ 50 mA정도이지만, 조명 용도에서는 소비 전력이 수 W단위의 대출력 발광 다이오드도 판매되고 있습니다. 역방향으로 전압을 가하는 경우의 내전압은 일반적인 실리콘 다이오드 보다 더 낮고, 보통은 -5 V 정도이며, 이것을 넘으면 소자가 파괴된다. 따라서, 정류 용도로 사용할 수 없습니다.형광등이나 백열등같은 다른 대다수 광원과 다르게 불필요한 자외선이나 적외선을 포함하지 않는 빛을 간단하게 얻을 수 있다. 그렇기 때문에 자외선에 민감한 문화재나 예술 작품이나 열조사를 꺼리는 물건의 조명에 사용된다. 입력 전압에 대한 응답이 빨라서 통신에도 사용되고, 조명으로 사용할 경우는 점등하자마자 최대 빛의 세기를 얻을 수 있다.-파장에 따른 색-육안으로 확인 되는 빛의 파장은 380nm ~ 780nm 인 가시광선 영역이며 빨주노초파남보라색으로 분류가 된다.Red : 0.65~0.7μm Orenge : 0.6μm전후Yellow : 0.55μm Green : 0.5~0.53 μmBlue : 0.45~0.48μm Violet : 0.4μm-LED의 재료-발광되는 빛의 파장 (색)은 PN 접합을 형성하는 소재의 띠간격의 크기와 관련있다. 발광 다이오드는 근적외선이나 가시광선, 자외선에 이르는 파장에 대응하는 띠간격을 가지는 반도체 재료가 이용된다. 일반적으로 발광 다이오드에는 발광재결합 확률이 높은 직접 천이형의 반도체가 적합하고, 일반적인 반도체 재료인 규소 (실리콘)나 게르마늄같은 간접 천이형 반도체에서는 전자나 정공이 재결합할 경우에 빛을 방출하기 어렵다. 그러나 노란색이나 황녹색에 오랫동안 사용되어온 GaAsP계나 GaP계는 도핑한 불순물 준위를 개입시켜 강한 발광을 하는 재료도 있어서 넓게 사용되고 있다.아래의 소재를 사용하여 다양한 색의 발광 다이오드를 만들 수 있다.알루미늄 갈륨 비소 (AlGaAs) - 적외선, 빨간색갈륨 비소 인 (GaAsP) - 빨간색, 오렌지색, 노란색인듐 질화 갈륨 (InGaN)／질화 갈륨 (GaN)／알루미늄 질화 갈륨 (AlGaN) - （오렌지색, 노란색）녹색, 파란색, 보라색, 자외선인화 갈륨 (GaP) - 빨간색, 노란색, 녹색셀렌화 아연 (ZnSe) - 녹색, 파란색알루미늄 인듐 갈륨 인 (AlGaInP) - 오렌지색, 노란색, 녹색다이아몬드 (C) - 자외선산화 아연(ZnO) - 근 자외선 (개발중)탄화 규소 (SiC) 기판 - 파랑사파이어 (Al2O3) 기판 - 파랑규소 (Si) 기판 - 파랑 (연구 단계)6. Result and Discussion (결과 및 고찰)인가전압에 따른 LED에 흐르는 전류의 값(표)LED색전압WRGBY0.2v000000.4v000000.6v000000.8v000001.0v000001.2v000001.4v00.3mu A0001.6v016.5mu A002.0mu A1.8v02.00mA000.31mA2.0v014.76mA6mu A020.76mA2.2v043.87mA0.12mA0.6mu A128.49mA2.4v0.02mA150.54mA1.05mA0.12mA237.78mA2.6v0.45mA230.96mA3.75mA1.93mA24.06mA2.8v4.15mA173.66mA9.45mA7.73mA32.63mA3.0v9.65mA8.22mA14.57mA19.57mA37.21mA3.2v20.53mA타버림31.35mA30.53mA타버림3.4v28.9mA50.01mA40.12mA3.6v41.7mA67.72mA57.24mA3.8v58.53mA91.56mA73.98mA4.0v78.73mA111.38mA85.72mA인가전압에 따른 LED에 흐르는 전류의 값(그래프)-고찰-이번실험은 전압인가시 LED에 흐르는 전류와 발광시점 측정하는 것이였다. 우리조의 실험 결과는 0.2v부터 4v 까지 0.2v 차이로 서서히 올리면서 빛이 들어오는 시점을 관찰해보았더니 Red-Yellow-Green-Blue-white 순서로 나왔다. 반대로 생각해보면 전압이 적게 걸리는 순서라고 생각해볼 수 있다. 우리조의 실험결과가 이론적으로 맞는지 확인해보기 위해 조사를 해본결과 대체적으로 일치했다.각 색에 따라서 빛이 들어오는 전압이 다른 이유는 각각의 색이 가지고 있는 파장이 다르기 때문이다. 파장이 가장 긴 Red는 다른 색들에 비해 energy gap이 작기 때문에 전자가 여기되고 재결합 되기 수월해지고 적은 전압이 인가되도 불빛이 들어온다. 그리고 파장이 짧은 blue나 white 는 energy gap이 크기 때문에 빛을 발하기 위해 더 큰 전압을 필요로 한다. R과 Y가 다른색들에 비해 파장이 길기 때문에 에너지갭이 작다. 그래서 발광시점과 타버리기까지의 폭이 작음을 알 수 있다.

공학/기술| 2013.12.13| 6페이지| 1,500원| 조회(237)

LED, 발광시점, 전압인가시 LED에 흐르는 전류와 발

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빛을 비추는 거리에 따른 광전도셀(cds)의 저항 변화 관찰

1. Title (실험 제목)-빛을 비추는 거리에 따른 광전도셀(cds)의 저항 변화 관찰2. Objectives (실험 목적)- 광전도셀의 원리를 이해한다- 광전도셀을 이용하여 빛의 세기에 따른 저항변화를 알아본다.3. Experimental procedure (실험 방범)(1)크기가 다른 광전도셀을 준비한다(2)셀의 지름을 구하고 면적을 계산한다(3)주변의 빛을 최대한 차단 시킨다(암실을 만든다)(4)일정한 거리를 두어 빛의 세기를 조절한다(5)거리 크기에 따른 광전도셀의 저항값을 비교한다4. Experimental equipment (실험장비)- 크기가 다른 (5?,10?) 광전도셀- 손전등, 암실상자, 멀티미터5. Literature Review (이론적 배경)-광전도셀-빛을 비추면 빛에너지를 흡수해서 전하를 운반하는 하전체의 양이 증가하는데, 이때 전기전도율이 증가하는 성질(광전도성:내부광전효과의 하나)을 가지는 소자(素子)이다. 빛의 변화를 전기의 변화로 변환하는 데 쓰인다. 광전도소자라고도 한다. 광전도재료로 만들어진 저항체에 정전압(定電壓)의 전원으로부터 전류를 흐르게 해 두고, 이 저항체에 빛을 비추면 저항이 감소되어 전류가 증가하며, 광량(光量)을 전기량으로 바꿀 수가 있다. 이와 같은 재료로서는 셀레늄·탈로파이드(탈륨과 황과 산소의 화합물)·저마늄·산화납·황화카드뮴·황화아연 등 여러 가지가 있다. 감도가 높고 소형이며 구조가 간단하여 사용하기 편리하나 전기전도도가 광량의 증가에 대해서 포화하는 경향이 있고, 빛의 급격한 변화에 대하여 전도도의 변화가 늦어지는 결점이 있다. 그러나 점차 결점이 개선되어 측광(測光), 빛의 검출 외에 비디콘으로서 텔레비전, 촬상관에 이용되기도 하고, 증폭작용을 겸하여 갖춘 저마늄의 포토트랜지스터 등도 출현하였다.그 외의 용도로서는 필름 사운드트랙의 재생, 광통신, 온도측정, 텔레비전 수상기의 자동휘도 조정, 사진기의 자동조리개, 화재탐지기, 자동점멸기, 광계전기(버스 승강문의 제어 등에 이용), 자동차 전도등 빔 변환기 등 다양하다. 탈로파이드·산화납 등은 적외선 감도가 높아서 적외선 통신에 이용되는 경우도 있다.-광전효과-광전효과[ photoelectric effect ]요약 아인슈타인이 빛의 입자성을 이용하여 설명한 현상으로 금속 등의 물질에 일정한 진동수 이상의 빛을 비추었을 때, 물질의 표면에서 전자가 튀어나오는 현상이다. 튀어나온 전자의 상태에 따라 광이온화, 내부광전효과, 광기전력효과로 나뉜다. 전자는 금속 내에서 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박되어 있다. 여기에 빛을 쬐면 빛이 가진 이중성, 즉 파동성과 입자성 중 입자 성질에 의해 빛의 알갱이 광자가 전자와 충돌하게 된다. 이후 전자는 광자가 가진 에너지를 갖게 된다. 이때 에너지가 일함수(w)라고 하는 속박에너지 이상이 되면 전자는 금속 밖으로 튀어나가게 된다. 금속 밖으로 나간 전자가 가진 에너지는 광자가 가진 에너지에 일함수를 뺀 값이 된다.여기서 hν는 광자의 에너지로 h는 플랑크상수, ν는 빛의 진동수이다. (1/2)mv2은 금속 밖으로 나간 전자의 고전적 운동에너지로서 m은 전자의 질량, v는 속도이다.광자의 에너지가 일함수보다 클 때 광전효과가 일어나는데, 이는 빛의 진동수 ν가 일정값(한계진동수) 이상일 때 일어남을 의미한다.다시말해, 한계진동수 이상의 진동수를 가진 빛을 금속 물질에 쬐어주면, 광자가 물질의 자유전자와 충돌하면서 물질의 표면에서 전자가 튀어나온다. 높은 한계진동수를 가진 물질의 전자를 분리하기 위해서는 높은 진동수를 가진 광자가 필요하다. 광자의 진동수는 광자의 에너지와 관련이 있으며 이는 빛의 색을 결정한다.또한, 같은 물질에서의 방출되는 전자의 개수는 전자와 충돌하는 광자의 개수, 즉 빛의 세기(빛의 밝기)와 비례한다.흡수체 및 방출된 전자의 상태에 의해서 광전효과는 다음과 같이 분류된다.① 광이온화: X선·α선 등을 기체에 조사(照射)하면 기체의 분자·원자가 전자를 방출하여 양이온이 되는 현상.② 외부광전효과: 고체 표면에 적외선 부근에서 자외선 부근까지의 빛을 조사했을 때 외부에 자유전자를 방출하는 현상.한계파장보다 짧은 파장의 빛은 입사광의 세기에 비례한 수의 광자를 발생시킨다. 이 사실은 아인슈타인의 광양자설을 증명하는 것으로서 양자론의 기초가 된다. 입사광 양자수에 대한 광전자수의 비율을 양자효율, 입사광 에너지에 대한 광전류의 비를 비광전능(比光電能)이라 한다. 단색광에 대한 양자효율, 또는 비광전능을 파장에 대해서 그린 곡선을 분광감도곡선이라고 한다. 외부광전효과는 광전관에 응용되며, 빛의 검출·측정에 널리 이용되고 있다.③ 내부광전효과(광전도): 절연체·반도체에 빛을 조사하면 충만띠 또는 불순물준위에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 전도대에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자 또는 양공(陽孔)이 생겨 전도도가 증가하는 현상.직접 빛을 흡수하여 생긴 전자 또는 양공만이 전도에 관여하는 1차광전류와, 그 결과 결정 내부의 전기적 상태가 변화하여 흐르는 2차광전류가 있다. 후자는 보통 시간적으로 늦게 일어나며, 온도 의존성이 강하고, 높은 양자효율을 나타내는 경우가 있다. 내부광전효과는 비금속고체원소·산화물·황화물·셀레늄화물·텔루륨화물·할로젠화물, 어떤 종류의 유기물 등 많은 물질에서 볼 수 있다. 이 중 감도가 좋은 것으로서 CdS, CdSe, PbO, PbS, PbSe, PbTe, Sb2S3, Tl2S, Se, Si, Ge 등이 있으며, 촬상관·복사측정장치 등에 이용하고 있다.④ 광기전력효과: 어떤 종류의 반도체에 빛을 조사하면, 조사된 부분과 조사되지 않은 부분 사이에 전위차(광기전력)를 낳는 현상.셀레늄의 엷은 층을 철판에 씌우고 그 위에 반투명의 금속막을 씌운 것(셀레늄 광전지), 아산화구리를 동판 위에 씌워서 똑같이 처리한 것(아산화구리 광전지) 등, 이른바 언층광전지(堰層光電池)는 이들 반도체와 금속과의 접촉층의 내부에서의 광흡수에 의해서 생기는 이 효과를 이용한 것으로 양자효율은 50% 정도에 이르며, 사진기의 노출계 등 측광에 쓰인다. 이런 종류의 구조를 가진 광전지에서 빛이 조사하는 면이 마이너스로 대전할 경우를 전면광기전력효과, 플러스로 대전하는 경우를 후면광기전력효과라고도 한다.6. Result and Discussion (결과 및 고찰)거리에따른 광전도셀의 저항변화표*************010?단면적 저항

공학/기술| 2013.12.13| 4페이지| 1,500원| 조회(318)

CDS, 광전도셀, 저항 변화 관찰

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