첨단 세라믹의 유전체 강도

항복 전압이라고도 하는 유전체 강도는 재료가 전도성이 되기 전에 견딜 수 있는 최대 전기장입니다. kV/mm(또는 MV/m) 단위로 측정되며 전자, 고전압 및 열 애플리케이션에서 절연체의 신뢰성을 보장하는 데 매우 중요합니다. 이 문서에서는 플라스틱 및 절연 등급 재료와 함께 주요 세라믹 재료의 유전체 성능을 살펴보고 시각적으로 비교하며 이것이 중요한 이유에 대해 자세히 설명합니다.

세라믹의 경도: 특성, 비교 및 응용 분야

유전체 강도란 무엇인가요?

유전체 강도는 재료가 전기적 파괴 없이 견딜 수 있는 최대 전기장을 나타냅니다. 고체에서는 충분한 에너지가 구조를 이온화하여 전류가 흐를 수 있을 때 고장이 발생합니다. 높은 유전체 강도는 전기 아크를 방지하고 기기의 안전과 수명을 보장하는 데 필수적입니다.

세라믹은 플라스틱(1~3kV/mm)에 비해 10~40kV/mm의 유전체 강도를 제공하여 플라스틱과 유리보다 성능이 뛰어난 경우가 많습니다.

안전 참고 사항: 세라믹은 전기장을 더 잘 처리하지만 열 및 기계적 호환성을 위해 선택해야 합니다.

핵심 지표인 이유는 무엇인가요?

  • 단열 안전 보장

    고전압, 고주파 및 진공 환경에서는 유전체 강도가 충분하지 않으면 고장이나 아크 방전이 발생할 수 있습니다.

  • 제품 수명 연장

    고유전체 강도의 세라믹은 부품 크기를 늘리지 않고도 더 큰 전압 부하를 처리합니다.

  • 시스템 안정성 향상

    특히 사소한 유전체 고장이 시스템 충돌이나 안전 위험을 초래할 수 있는 항공우주 및 의료 시스템에서 매우 중요합니다.

주요 인사이트

  • 세라믹 대 플라스틱 및 액체:

    고순도 세라믹(Al₂O₃, AlN, h-BN, BeO)은 플라스틱과 비슷하거나 더 우수한 15~40kV/mm 범위의 절연 내력을 보이며 변압기 오일이나 공기 같은 액체보다 훨씬 더 높은 절연 내력을 보입니다.

  • 재료의 차이:

    • h-BN은 최대 40kV/mm의 파괴 강도를 가진 세라믹을 리드합니다.
    • AlN과 Al₂O₃는 일반적으로 절연 기판으로 사용됩니다.
    • SiC는 단단하지만 유전체 강도가 현저히 낮아 고전압 절연에 적합하지 않습니다.
  • 이방성이 중요합니다:

    • h-BN은 방향에 따른 고장을 나타냅니다: c축과 평행한 최대 12M/cm까지

세라믹 소재의 유전체 강도

세라믹 소재 유전체 강도(kV/mm) 특성
베릴륨 산화물(BeO) ~27kV/mm 뛰어난 열전도율과 높은 유전체 강도로 고전력 전자제품에 사용됩니다.
질화 알루미늄(AlN) ~20kV/mm 열전도율이 높고 전기 절연성이 뛰어나 마이크로 전자제품에 이상적입니다.
ZTA 20% 80 – 120 지르코니아 강화 알루미나는 강화된 골절 인성과 적당한 유전체 특성을 가지고 있습니다.
질화규소(Si3N4) ~15kV/mm 높은 기계적 강도와 열충격 저항성으로 까다로운 환경에서 사용됩니다.
질화붕소(BN) 40kV/mm 열 안정성과 전기 절연성이 뛰어나 RF 및 진공 애플리케이션에 자주 사용됩니다.
가공 가능한 유리 세라믹(MGC) ~15kV/mm 전기 절연을 유지하면서 쉽게 가공할 수 있으며 프로토타이핑 및 맞춤형 모양에 적합합니다.
실리콘 카바이드(SiC) 2-10 kV/mm 경도와 열전도율이 높지만 유전체 강도가 제한적이며 고온 애플리케이션에 사용됩니다.
알루미나(Al2O3, 96-99.7%) 17 kV/mm 기계적, 열적, 전기적 특성이 균형 잡힌 널리 사용되는 기술 세라믹입니다.
지르코니아(ZrO2) ~9kV/mm 높은 강도와 파단 인성, 유전체 강도는 낮지만 인성이 중요한 곳에 사용됩니다.

*데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

*일반적으로 유전체 특성은 온도가 상승함에 따라 크게 저하됩니다.

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장기적인 신뢰성과 최적의 전기적 성능을 달성하려면 유전체 강도가 높은 올바른 세라믹 소재를 선택하는 것이 중요합니다. 베릴륨 산화물, 질화 알루미늄, 알루미나 세라믹 등 어떤 세라믹이 필요하든 당사의 고급 세라믹은 업계 최고의 성능과 내구성을 제공합니다.

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유전체 강도 비교

아래는 고급 세라믹과 플라스틱 및 일반 절연체의 유전체 강도를 비교한 막대형 차트입니다.

세라믹
플라스틱
단열 유체/공기

*데이터는 참고용으로만 제공됩니다.

세라믹 유전체 강도에 기반한 애플리케이션

  • 재질: 재질: 알루미나(Al₂O₃), 유전체 강도: 10-15kV/mm
  • 애플리케이션: 고전압 진공 회로 차단기, 변전소 절연체, 절연 링
  • 사례 연구: 500kV 초고압 송전 프로젝트에서 99.5% 순수 알루미나 절연체는 유전체 고장 없이 -40°C~250°C에서 안정적으로 작동했습니다.
  • 장점: 높은 유전체 강도, 열 안정성, 우수한 내노화성
  • 재질: 재질: 질화 알루미늄(AlN), 유전체 강도: 12-15kV/mm, 열전도율: 170-200W/m-K
  • 애플리케이션 RF 모듈, 전력 반도체 패키징, 5G 통신 장비
  • 사례 연구: 5G 기지국 전력 증폭기에서 AlN 기판은 알루미나를 대체하여 열 방출과 유전체 신뢰성을 크게 향상시켜 최대 120W의 안정적인 RF 출력을 지원합니다.
  • 장점: 높은 유전체 강도, 고주파에서 낮은 유전 상수, 높은 열 전도성
  • 재질: 안정화된 지르코니아(ZrO₂), 유전체 강도: 8-12kV/mm
  • 애플리케이션: CT 스캐너의 X-선 튜브 하우징, 검출기 절연 구조물
  • 사례 연구: 하이엔드 CT 시스템에서는 X-선 튜브에 지르코니아 세라믹 하우징을 사용하여 금속 하우징에서 발생하는 아크 방전 문제를 없애고 이미지 안정성과 서비스 수명을 개선했습니다.
  • 장점: 우수한 전기 절연성, 높은 기계적 강도, 정밀 가공성
  • 재료: 재질: 질화규소(Si₃N₄) 또는 탄화규소(SiC); 유전체 강도: 각각 ~15kV/mm 및 20~30kV/mm
  • 애플리케이션: 항공 우주 통신 시스템의 마이크로파 도파관 절연
  • 사례 연구: 지상국의 마이크로파 도파관에는 절연 구조로 열압착 SiC 세라믹이 통합되어 전기장 파괴로 인한 신호 손실을 방지합니다.
  • 장점: 높은 유전체 강도, 열 충격 저항성, 플라즈마 내식성
  • 재질: 기계 가공 가능 유리 세라믹(MGC)
  • 애플리케이션: 정전기 커패시터 하우징, 정전식 센서 베이스
  • 사례 연구: 항공우주 전기 시스템에서 절연 하우징에 MGC를 사용하는 소형 커패시터는 -200°C~800°C에서 작동하는 동안 고전압을 견뎌냈습니다.
  • 장점: 매우 높은 유전체 강도, 가공 용이성, 초저열 팽창성

관련 고유전체 강도 세라믹

자주 묻는 질문(FAQ)

질화 붕소(h-BN) 고성능 플라스틱 또는 절연 액체에 필적하거나 이를 능가하는 최대 40kV/mm를 달성합니다.

절연 파괴 및 단락을 방지합니다. 더 높은 강도 = 더 적은 절연 두께가 필요하므로 공간과 비용을 절약할 수 있습니다.

SiC는 높은 전계에서 반도체화되므로 기계적 강도에도 불구하고 순수 절연 애플리케이션에는 적합하지 않습니다.

두께, 불순물, 온도, 습도, 전극 형상 등이 실제 고장 값에 영향을 미칩니다.