낮은 유전 특성의 변조

Apr 29, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13104(2022) 이 기사 인용

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높은 유전 상수와 낮은 손실 탄젠트를 갖는 고분자 복합재는 현대 고속 전자 장치의 기판으로 높이 평가됩니다. 본 연구에서는 고유전율 미세 입자가 주입된 폴리프로필렌을 기반으로 한 두 가지 유형의 복합재의 고주파 유전 특성을 분석합니다. 두 가지 유형의 필러가 사용됩니다: 상업용 세라믹 또는 농도가 다른 산화티타늄(TiO2). 중요한 관찰은 필러를 추가하면 마이크로 세라믹과 TiO2 기반 복합재의 유전 상수가 각각 최대 4.2와 3.4까지 약 100%(최고 부하의 경우) 증가한다는 것입니다. 흥미롭게도 TiO2 복합재의 경우 손실 탄젠트는 필러 로딩량에 따라 달라지지만 다른 복합재는 약 10-3 수준으로 약간 증가하는 경향이 있습니다. 실험 결과를 설명하기 위해 대표적인 체적 요소를 통한 마이크로파 반사 및 투과에 의해 결정된 이론적 모델이 제안되었으며, 이를 통해 체적 비율, 결정립 모양, 응집 및 크기가 손실 탄젠트 및 유전율 변화에 미치는 영향을 조사할 수 있습니다. 이 접근법은 함유물이 포함된 다른 유전 손실이 낮은 재료를 모델링하는 데 사용될 수 있습니다.

고분자 복합재는 현대 생활과 산업 분야에서의 수많은 응용으로 인해 지난 10년 동안 상당한 주목을 받아 왔습니다. 중요한 개발 부문은 고주파수에서 작동하는 전자 장치이며, 새로운 유전체 기판을 생산해야 하기 때문에 소형화는 여전히 해결되지 않은 문제입니다. 폴리머 매트릭스는 유연성, 경량, 저비용, 대규모 생산 및 높은 전기 파괴 강도로 인해 기판용 유망한 후보입니다. 그러나 폴리머 기반 기판은 일반적으로 낮은 손실 측면에서 유전 특성이 다소 열악합니다. 모든 기능은 새로운 RF 전자 부품(예: 센서, 안테나, 커패시터 및 FET 트랜지스터)을 제조하기 위한 유전체 기판 역할을 할 수 있는 높은 유전 상수와 낮은 손실 탄젠트를 갖는 새로운 재료를 생산하는 데 중요합니다. 적합한 저손실 재료는 실수 유전율 > 2, 접선 손실 < 10–2를 나타내야 합니다.

고분자 복합재의 유전율을 높이는 주요 전략 중 하나는 유전율이 높고 자발 분극이 강한 세라믹 필러를 고분자 매트릭스에 삽입하는 것입니다. 예를 들어, TiO2 나노입자가 포함된 폴리이미드 복합재에서는 유전 상수가 약 10% 증가한 것으로 관찰되었으며(TiO2 농도가 7%인 경우) 복합재의 손실 탄젠트는 약 4배 증가했습니다1. TiO2-폴리디메틸실록산 화합물에 대한 값 4.4의 유전 상수는 30wt%2에 도달하는 높은 농도의 함유물에 대해 측정되었습니다. PVDF 폴리머에 동일한 농도의 TiO2를 구현하면 \({\varepsilon }_{\mathrm{r}}\) 값이 약 103이 되었습니다. 결과적으로 유전 상수(\({\varepsilon } _{\mathrm{r}}\) = 133)은 51% 중량에 대한 BaTiO3-시아노에틸화 셀룰로오스 고분자 복합체에 대해 얻어졌습니다. 바륨 세라믹스4의 농도. 최근 Ba0.6Sr0.4TiO3 세라믹과 같은 전기적으로 조정 가능한 유전체가 폴리머의 필러로 널리 연구되었습니다. 예를 들어, 40% 중량의 PVDF 복합재입니다. Ba0.6Sr0.4TiO3는 유전 상수5의 값 40에 도달했습니다. 그러나 이 전략에는 필러 로딩 임계값으로 인해 제한이 있습니다. 농도가 높을수록 가공성과 기계적 유연성이 낮아집니다6. 입자 크기, 클러스터 형성 또는 다양한 전하 매개변수 간의 상관관계와 손실 탄젠트 변화의 영향은 아직 문헌에 설명되어 있지 않습니다. 이 정보는 실험 결과를 이론적 계산과 연관시켜 얻을 수 있습니다.