유전율법에 따른 다공질 매질의 특성 파악을 위한 실험적 연구

김만일 ( Man Il Kim ),니시가끼마코토 ( Makoto Nishigaki ) 대한지질공학회 2003 지질공학 Vol.13 No.4

지반을 구성하고 있는 매질에 대한 체적함수비 및 포화 정도를 측정하는 것은 지반의 물리적 성질, 강우에 의한 지하수 함량 및 자연 사면 파괴를 이해하는데 매우 중요한 요소 중의 하나이다. 이러한 지반의 요소들을 파악하기 위해 전자기파를 이용한 유전율법은 지반의 유전율상수의 특성에 따라 평가되어지므로 다양한 분야에 적용되고 있다. 본 연구에서는 전자기파의 측정 주파수 범위 1 - 18 GHz를 사용하는 유전율 시스템인 FDR-V (Frequency domain reflectometry with vector network analyzer)를 적용하여 1 GHz와 18 GHz에서의 두 주파수 범위에 대한 표준사 (Standard sand)와 화강풍화토 (Granitic weathered soil)의 밀도, 온도 및 염분농도 의존성에 따른 유전율상수의 반응에 대해 검토하였다. 실험결과에서, 흙의 밀도 의존성은 체적함수비의 증가에 따라 유전율상수도 증가하는 것으로 측정되었으나, 이들의 밀도 의존성은 다소 낮은 것으로 판단된다. 그리고, 1 GHz 실수부 (Real part)에 대한 온도 의존성 실험에서는 온도의 증가에 따라 물과 표준사의 유전율상수는 점진적으로 감소하는 경향을 보이나 에탄올의 유전율상수는 증가하는 것으로 측정되었다. 따라서, 온도 변화에 따른 각 매질의 유전율상수는 측정 온도에 대한 영향을 고려하여야 한다. 염분농도에 따른 유전율상수의 변화는 1 GHz 허수부(Imaginary part)에서 염분농도의 증가에 따라 유전율상수의 측정치도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 이상과 같이, 다양한 조건하에 대한 유전율상수의 의존성들을 기초로 하여 다공질 매질의 특성을 파악하기 위한 FDR-V 시스템의 적용성을 충분히 검토하였다. 결론적으로, 본 연구에서는 1 GHz의 측정 주파수범위 내에서 다공질 매질의 염분오염도를 충분히 정량적으로 측정할 수 있는 것으로 생각된다. Measurements of volumetric water content and saturation of porous media are very important factors in understanding the physical characteristics of soil, groundwater recharge by rainfall, pollutant movement, and slope failure. To measure such physical parameters, a permittivity method using electromagnetic wave is applied and use is made of the special permittivity response of understand to water and ethanol. In particular, the estimation is required because permittivity is influenced by the nature of the underground environment. In this study, we carried out experiments on the relative dependency of soil density, temperature and salinity of standard sand and granitic weathered soil using FDR-V system (Frequency domain reflectometry with vector network analyzer) within a frequency range of 1 - 18 GHz. The results of the study showed that the dielectric constants of standard sand and granitic weathered soil increased with increased volumetric water content of soil. However, the dependency of soil density was found to be a little low. Changes of dielectric constant with temperature appeared definitely in the real part of 1 GHz. That is, the dielectric constant of real part at 1 GHz of water and standard sand increased with the rise of temperature. However, ethanol showed decreased tendency. The study also showed that dielectric constant increased with increase in salinity at imaginary part of 1 GHz. It could be concluded from this study FDR-V system can adequately measure the physical properties of soil and the degree of salinity concentration of porous media within 1 GHz frequency range using dielectric constant.

매립지 침출수로 오염된 토양의 측정주파수에 따른 유전특성 변화

오명학,방선영,박준범,이주형,이석헌,안규홍,Oh Myoung-Hak,Bang Sun-Young,Park Jun-Boum,Lee Ju-Hyung,Lee Seock-Heon,Ahn Kyu-Hong 한국지하수토양환경학회 2004 지하수토양환경 Vol.9 No.3

매립지 침출수로 오염된 지반의 오염도 조사에 유전상수 측정기법의 적용성을 평가하기 위하여 매립지 침출수로 오염된 간극수를 포함한 사질토 지반의 유전특성을 분석하였다. 본 연구에서는 75kHz-12MHz 범위의 주파수에서 유전 상수를 실수부와 허수부로 구분하여 분석을 수행하였다. 유전상수 실수부는 공간전하분극과 배향분극의 발현정도에 영향을 받기 때문에 침출수 농도가 증가함에 따라 저주파 영역에서는 유전상수의 실수부 값이 증가하는 경향을 나타내었으나, 고주파 영역에서는 감소하는 경향을 나타내었다. 유전상수 허수부의 경우에는 측정 주파수에 관계없이 침출수의 농도가 증가함에 따라 전류전도에 의한 에너지 손실량이 증대되어 유전상수 허수부가 증가하는 경향을 나타내었다. 유전상수의 실수부와 허수부가 간극수 내 침출수 농도에 따라 변하는 것에 기초하여 유전상수 측정기법이 침출수로 오염된 지반의 오염도 평가에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다. To evaluate the applicability of dielectric constant measurement method on the geoenvironmental investigation of subsurface contaminated by landfill leachate, the analysis on dielectric characteristics of sand containing contaminated pore water by landfill leachate was performed. The separate real and imaginary parts of dielectric constant were investigated in the frequency range of 75kHz to 12MHz. The real part of dielectric constant increased at the lower frequency wherea the real part of dielectric constant decreased at the higher frequency as the concentration of leachate increased. These results can be explained by the frequency dependence of space charge polarization and orientation polarization. The imaginary part of dielectric constant on the contaminated sand with leachate increased with their concentration for whole frequency range. These results are caused by the increase of energy loss due to the enhancement of conduction in soil with leachate concentration. The results in this study indicate that the dielectric constant measurement method has potential in evaluating the contaminated soil and pore water by landfill leachate.

유리관의 유전 특성이 외부전극 형광램프에 미치는 영향

신명주,정종문,김정현,김가을,이미란,유동근,구제환,홍병희,최은하,조광섭,Shin, Myeong-Ju,Jeong, Jong-Mun,Kim, Jung-Hyun,Kim, Ga-Eul,Lee, Mi-Ran,Yoo, Dong-Gun,Koo, Je-Huan,Hong, Byoung-Hee,Choi, Eun-Ha,Cho, Guang-Sup 한국진공학회 2007 Applied Science and Convergence Technology Vol.16 No.5

유전 장벽 방전이 특징인 외부전극 형광램프(External Electrode Fluorescent Lamp, EEFL)에서 유리재의 유전 특성인 유전상수 K와 유전손실 tan ${\delta}$가 램프에 미치는 영향을 조사하기 위하여 4 종류의 유리관을 사용하였다. 종래 일반적으로 사용되는 Borosilicate 유리재는 유전상수 $K=5.6{\sim}5.9$이고 유전 손실 tan ${\delta}=5.0{\times}10^{-3}{\sim}6.0{\times}10^{-3}$이다. Aluminosilicatae는 K=6.6이고 유전손실이 작은 tan ${\delta}=1{\times}10^{-4}$이다. Soda-lime 유리관은 유전상수가 큰 K=7.7이고, 유전 손실이 매우 큰 tan ${\delta}=1.37{\times}10^{-2}$이다. 유전 상수 K가 크면 외부전극 자체의 캐패시터를 크게 하여 방전 효율이 증가한다. 그러나 유전 손실이 크면 외부전극 자체의 전력 소모로 인하여 효율 저하와 핀홀 발생의 원인이 된다. 높은 유전상수 및 낮은 유전손실의 Aluminosilicate 외부전극 형광램프는 종래의 Borosilicate 외부전극 형광램프에 비하여 휘도와 효율이 $12{\sim}20%$ 증가하고, 핀홀에 매우 강하다. 유전상수와 유전손실이 큰 Soda-lime 외부전극 형광램프는 효율이 다소 낮고, 핀홀에도 매우 취약하다. 따라서 외부전극 형광램프는 유전상수 K가 크고 유전손실 tan ${\delta}$가 작은 유리관이 최적이다. Influence of glass dielectric property (dielectric constant K, dielectric loss) on the external electrode fluorescent lamps of the dielectric barrier discharge has been investigated with 4-different glasses. Conventional borosilicate glass tubes with $K=5.6{\sim}5.9$ and tan ${\delta}=5.0{\times}10^{-3}{\sim}6.0{\times}10^{-3}$ and aluminosilicate glass tubes with high K=6.6 and low tan ${\delta}=1{\times}10^{-4}$ and soda-lime glass tribes with K=7.7 and tan ${\delta}=1.37{\times}10^{-2}$ have been compared. The high value of dielectric constant K makes the capacitance of external electrode fluorescent lamps intensity and enhances the discharge efficiency. The dielectric loss of tan ${\delta}$ shows the factor of power consumption in the external electrode to induce heats and to be weak in pinhole stability. The aluminosilicate glass tubes of high K and low tan ${\delta}$ have been enhanced by $14{\sim}18%$ in luminance and efficiency in comparison with the conventional borosilicate glass tubes and the aluminosilicate external electrode fluorescent lamps are strong against the pinhole formation. Soda-lime glass tubes with high K and high tan ${\delta}$ are a little favorable in luminance and efficiency and they are very weak in pinhole occurrence.

유전상수를 통한 투수계수 환산 모델의 오차표준 평가

이승재(Lee, Seung Jae),변지환(Byun, Ji Hwan),최정찬(Choi, Jung Chan),윤형구(Yoon, Hyung Koo) 한국방재학회 2018 한국방재학회논문집 Vol.18 No.5

투수계수는 매질의 유전상수로 도출이 가능하며, 선행적으로 제안된 이론적인 수식은 다양한 인자를 포함하고 있어 모든 상수를 정확하게 평가하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 이를 개선하기 위하여 각각의 이론적인 수식이 내포하고 있는 인자들의 영향성을 오차 규범 (Error norm)으로 분석하였다. 선행적으로 투수계수와 유전상수의 이론적인 상관성에 대해 논의하였으며, 이를 통해 투수계수의 항으로 유전상수와 각각의 입력인자들로 수식을 재구성하였다. 유전상수 및 각각의 입력인자들을 얻기 위하여 실내실험을 수행하였으며, 이때 활용한 시료는 글라스비즈, 주문진 사 그리고 현장에서 획득한 교란시료이다. 시료 입자 특성에 따라 입력인자의 영향성 범위도 함께 분석하기 위하여 다양한 크기를 가지고 있는 시료를 선택하였다. 투수계수의 참값을 얻기 위하여 일반적으로 활용하고 있는 정수위 투수시험을 진행하였으며, 이때 동일한 조건에서 유전상수와 입력변수를 획득하기 위하여 투수계수 셀에 전극을 설치하였다. 분석결과 첫번째와 두번째 반사된 파형에서 도출된 입력전압과 반사된 파형이 수렴할 때의 전압값이 가장 큰 영향인자로 나타났다. 따라서 유전상수를 통해 투수계수 환산시 분석된 두 개의 전압값을 더욱 정확하게 획득해야 함을 보여준다. Hydraulic conductivity can be obtained from the dielectric constant by using previously suggested models. However, many input parameters have to be applied to the models. The objective of this study is to investigate the error norm of each parameter, which is an essential value to obtain the hydraulic conductivity. The theoretical relationships between the dielectric constant and hydraulic conductivity are addressed, and the equations are arranged in terms of the hydraulic conductivity. To obtain the dielectric constant and other parameters, a laboratory test was performed, and glass beads, Jumunjin sand, and field sand were used to determine the sensitivities of each equation through particle size distributions. The constant water head test was conducted to assess the hydraulic conductivity as a reference value, and the dielectric constant was also measured by using attached electrodes in the constant water head test under the same experimental conditions. Through an analysis of the measured data, we found that the voltages between the first and the second reflections and the converged voltage had a strong influence on the theoretical equations. Moreover, care is necessary when obtaining the two voltages to determine the hydraulic conductivity reliably through the dielectric constant.

절연박막에서 유전상수의 보상에 관한 연구

오데레사,Oh, Teresa 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.6

SiOC 박막의 유전상수가 낮아지는 원인에 대하여 굴절계수와 C-V 측정법을 이용하여 얻은 파라미터를 사용하여 연구되었다. SiOC 박막은 해리된 가스의 재결합을 통하여 이온결합에 의해서 형성된다. 전통적으로 유전상수는 굴절률의 제곱으로 얻을 수 있거나 혹은 금속/절연체/실리콘 구조에서 C-V 측정법을 이용하여 얻어진다. 유전상수는 이온과 전자 성분으로 이루어졌다. 그래서 이온과 전자성분을 포함한 SiOC 박막의 평균적인 유전상수에 대하여 조사되었다. 유전상수는 열처리 후 감소되었다. 증착한 박막은 대부분이 이온효과에 의하여 유전상수가 구성되는 경향성이 있으며, 반대로 열처리한 박막에서는 전자에 의한 효과가 컸다. 왜냐하면, 이온의 효과가 열처리에 의해 감소되기 때문이다. 결과적으로 열처리 공정을 통하여 SiOC 박막의 이온효과는 감소하고 전자의 효과는 증가된다는 것을 확인하였다. The reason of lowering the dielectric constant of SiOC film was studied using parameters obtained from C-V measurement and refractive index. SiOC film was formed by the force of ionic bonding during the recombination of dissociated gases. Generally, the dielectric constant was obtained from the square of the refractive index or C-V measurement using the metal/insulator/Si structure. The dielectric constant consists of the ionic and electronic elements. It was researched about the dielectric constant of SiOC film using the average of the ionic and electronic elements. The dielectric constant decreased after annealing process. As deposited films trended toward the dielectric constant consisted of most ionic elements, on the other hand, annealed films mostly consisted of electronic elements. Because the effect of ionic elements reduced after annealing. Consequently, it was found that the electronic effect of SiOC film increased and the ionic effect of SiOC film decreased by the after-annealing.

굴절률에 의한 유전상수와 전자에 의한 분극에 대한 상관성

오데레사,Oh, Teresa 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.1

층간 절연막으로 사용 가능한 SiOC 박막에 대하여 유전상수가 낮아지는 원인을 이온에 의한 분극과 전자에 의한 분극에 대하여 측정하였다. MIS 구조를 이용하여 전형적인 C-V측적법에 의하여 유전상수를 구하였으며, 굴절률을 측정하여 전자에 의한 분극의 효과에 의한 유전상수를 측정하고 서로 비교하였다. SiOC 박막의 화학적인 특성은 FTIR 분석을 이용하였으며, FTIR 분석에서 디컨벌류션한 데이터는 탄소의 함량에 대한 변화를 구하였다. 탄소의 함량변화는 굴절률의 변화와 비슷한 경향성을 나타내었으나, 유전상수와는 반비례하였다. 전자에 의한 분극의 효과는 유전상수가 떨어지는 것에 큰 영향을 주지는 않았으며, 이온에 의한 분극의 효과가 SiOC 박막의 유전상수를 낮게 하는 효과가 더욱 크게 나타났다. The SiOC film as inter layer insulator was researched the reason of the decreasing the dielectric constant by the ionic polarization and electronic polarization, respectively. The dielectric constant was measured using the conventional C-V measurement system, and the reflective index owing to the electronic polarization. Two kinds of dielectric constants were compared and then induced the origin of low-k materials. The chemical properties of the SiOC film were analyzed by the FTIR spectra, and the carbon content was obtained by the deconvoluted data of FTIR spectra. The variation of the carbon content tended to similar to the trend of reflective index, but was in inverse proportion to the dielectric constant. The effect of the electronic polarization did not affect the decreasing the dielectric constant, however the ionic polarization decreased effectively the dielectric constant of the SiOC film.

지반조건에 따른 유전상수 변화에 관한 연구

조진우(Cho, Jinwoo),조원범(Cho, Wonbeom),김진만(Kim, Jinman),최봉혁(Choi, Bonghyuck) 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.12

본 논문에서는 TDR 장비를 사용하여 지반특성에 따라 변화하는 유전상수를 측정하였으며, 지반의 함수비 및 밀도와의 상관성을 분석하였다. 또한, 유전상수를 이용한 지중 공동탐사기법의 적용성을 평가하기 위하여 공동의 크기에 따른 유전상수의 변화 정도를 측정하였다. 실험결과 지반의 유전상수는 함수비와 밀도가 증가함에 따라 선형적인 증가 경향을 나타내는 것으로 평가되었으며, 일정한 관계식으로 표현할 수 있었다. 또한, 지반의 유전상수는 공동의 크기에 따라 일정한 경향을 나타내며 변화하는 것으로 평가되었다. TDR 기법을 사용하여 측정된 유전상수값은 지반의 함수비, 밀도와 일정한 상관관계를 나타내고 있음을 확인하였으며, 지중 공동탐사에 관한 기초자료로서 활용할 수 있을 것으로 판단된다. In this study, dielectrical constant of the ground was measured using TDR method and correlated with water contents and density of ground. In order to evaluate the applicability as a cavity exploration, model experiments were carried out to analyze the effects of cavity size on the dielectrical constant. Test result indicated that dielectrical constant of the ground tended to linearly increase with the increase in water contents and density, which can be represented in a certain relational expression. Also, the dielectrical constant of ground varied sensitively with the cavity size of ground. The results conclude that the dielectrical constant, water contents and density of the ground proved to have a correlation among them, and the dielectrical constant is expected to be a basic data on cavity exploration.

유기물 절연 박막에 대한 유전상수의 변화에 대한 연구

오데레사,Oh, Teresa 한국진공학회 2008 Applied Science and Convergence Technology Vol.17 No.4

SiOC 박막을 산소와 bistrimethylsilylmethane 전구체의 유량비를 다르게 하여 플라즈마 발생 화학적 기상 증착방법으로 증착하였다. 증착된 SiOC박막은 Fourier transform infrared spectroscopy에 의해서 분석하였으며, 알킬기에 의한 $1000\;cm^{-1}$ 근처에 나타나는 Si-O-C 결합의 형성되는 모양과 유전상수와의 상관성에 대하여 살펴보았다. 열처리 유전상수는 더욱 낮아졌고, BTMSM/$O_2$의 유량비가 증가함에 따라서 유전상수의 선형적인 상관성은 없었다. 구간별로 유전상수는 증가했다가 감소하는 경향성이 반복적으로 나타났으며, 유전상수와의 상관성은 FTIR 스펙트라 분석기에 의해서 $950{\sim}1200\;cm^{-1}$ 에서 나타나는 Si-O-C 결합모드에서 찾을 수 있었다. Si-O-C 결합모양이 넓게 퍼지는 화학적 이동이 관찰되는 곳에서 유전상수는 낮아졌으며, 이러한 화학적 이동이 일어나는 샘플에서 유전상수가 1.65로 조사되었다. The SiOC film of carbon centered system was prepared using bistrimethylsilylmethane and oxygen mixed precursor by the chemical vapor deposition. The chemical properties of the SiOC film were analyzed by the contact anlge and FTIR spectra. The dielectric constant of the deposited films decreased after annealing process, and the correlation between the increasing the BTMSM/$O_2$ flow rate ratio and the dielectric constant did not exist. However, the trend of increasing or decreasing of the dielectric constant repeated and there is the correlation ship between the dielectric constant and the Si-O-C bond in the range of $950{\sim}1200\;cm^{-1}$. The dielectric constant decreased between samples with the chemical shift. The lowest dielectric constant was 1.65 at the sample, which was observed the chemical shift.

지하댐 지반 물성치 측정을 위한 유전율 측정 시스템 개발

김만일 ( Man Il Kim ),정교철 ( Gyo Cheol Jeong ),박창근 ( Chang Kun Park ) 대한지질공학회 2004 지질공학 Vol.14 No.4

매질이 가지는 고유의 유전율 특성을 이용하여 체적함수비를 실시간으로 측정할 수 있는 유전율 측정장비인 Frequency Domain Reflectometry (FDR) system 및 측정센서를 제안하였다. 특히 측정센서의 형태는 7cm, 10cm, 15cm 길이로 각기 제작하여 유전율상수의 특성을 파악하였다. 본 장비의 유전율측정은 0.1~1.7GHz의 고주파수 범위 내에서 발생된 전자파를 방향성결합기를 통과하여 매질에 설치된 측정센서에서 입사파와 반사파의 간섭현상을 이용함으로써 측정이 가능하다. 본 실내시험 연구에서 획득된 연구결과는 유전율상수의 변화로부터 체적함수비를 지속적으로 측정할 수 있는 점에서 비파괴 모니터링 기술로 구분할 수 있다. 체적함수비와 유전율상수의 관계에서 측정센서의 로드길이에 따른 측정오차는 다소 파악되나, 이들의 관계로부터 Topp et al.(1980) 교정곡선과 비교하여 표준사에 대한 1차원 관계식과 관계곡선을 유도할 수 있었다. 결론적으로 제안된 FDR system과 측정센서로부터 측정된 측정결과들은 Topp et al.(1980) 교정곡선과 매우 흡사한 형태를 보여준다. The authors designed a new technique to measure dielectric constant of a soil media by Frequency Domain Reflectometry (FDR) system and its measurement sensor probe with different length such as 7cm, 10cm and 15cm for estimating the variations of dielectric constant. Measurement of dielectric constant of soil material is possible to measure an interference wave generated by between incidence wave and reflection wave which are detected to electro-magnetic wave through the directional coupler at the high frequency range, 0.1 to 1.7GHz, by FDR system. The obtained experimental results verified that the technique is very promising for non-destructive and continuous soil volumetric water content measurement monitoring in a laboratory. The relationship between the soil volumetric water content and the dielectric constant of soil media (standard sand) was expressed by a single regression curve independent of soil texture at a small experimental error. Also the derived regression curve coincided well with that obtained by Topp curve.

SiOC 박막의 허용 가능한 유전상수 설정에 대한 연구

오데레사,Oh, Teresa 한국진공학회 2010 Applied Science and Convergence Technology Vol.19 No.5

To research the reduction of the dielectric constant depending on the ionic and electronic effects, the dielectric constant of SiOC film was obtained by C-V measurement using the structure of metal/SiOC film/Si, and $n^2$ calculated by the refractive index. The dielectric constant of SiOC film consists with dipole, ions and electrons. However, the dipole moment is ignored in the effect of dielectric constant in SiOC film. THe SiOC film was deposited by the plasma energy, and the gas precursor was dissociated and recombined. Therefore, the dielectric constant of the deposited film consisted of the polarity with ions. THe dielectric constant decreased after annealing process, because of the evaporation of OH hydroxyl group with polarity. The ideal SiOC film as low-k materials was annealed film with lowering the polarity, which is suitable for physical-chemical and electrical properties as an inter layer dielectric materials. SiOC 박막의 유전상수를 서로 다른 2가지 방법을 사용하여 계산하고 그 차이점에 대하여 비교분석하였다. SiOC 박막의 유전장수는 전형적인 유전상수 측정법으로써 MIS 구조를 이용하여 C-V 측정법에 의하여 얻을 수 있으며, 또한 엘립소미터를 이용한 굴절률로부터 $n^2$을 구하는 방법이 있다. SiOC 박막의 유전상수는 쌍극자, 이온, 전자의 성분으로 이루어지며, 댁개 쌍극자 성분은 무시된다. 박막을 증착하는 동안 플라즈마에 의한 프리커서의 해리로부터 이온결합이 생성되면서 증착된다. 증착한 박막의 유전상수는 주로 이온결합 효과가 주를 이루었다. 열처리를 하면서 OH 수산기의 기화에 의해 유전상수는 감소되는데 이때 이온의 효과도 더불어 감소하게 된다. 상대적으로 무시되었던 전자에 의한 분극의 효과가 나타나면서 유전상수는 더욱 감소하였다. 하지만 물리 화학적 그리고 전기적으로 안정된 SiOC 박막은 이온과 전자에 의한 분극의 효과가 없어지는 무 분극성의 박막으로서 유전상수는 열처리한 박막에서 2.0 정도인 것으로 측정되었다.