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2. 수정(Quartz)이란

압전기는 결정체의 32가지 종류 중 20개에서 압전현상이 일어난다.
수정은 SiO2 결정 형태 중 하나이다. 573℃ 이상에서 다른 결정 구조를 가지는 β 수정이 만들어진다. 따라서 α 수정의 사용 가능 온도는 573℃ 이하가 된다. β 수정은 진동판으로 사용하기가 부적당하다. 이후의 수정이라 하면 α 수정에 한한다.

수정은 가끔 무색의 것이 발견되지만 대개는 투명하다. 황색 수정이나 자수정 등의 얼룩은 결정체 내부의 극히 작은 불순물 농축에 의한 것이다. 연한 황색에서 검은색에 이르는 뿌연 수정의 얼룩은 어떤 결정을 품고 있는 수정 결정이 노출되었거나 r 방사에 의한 것이다. 뿌연 연막은 결정을 400℃ 이상에서 수분 동안 가열함으로써 제거할 수 있다. 가열이나 냉각은 결정의 파괴를 막기 위해 서서히 진행되어야 한다.

현재까지 알려진 바로는 연막이 압전기현상에 아무런 영향도 없지만 이 연막이 미세한 불순물을 포함하고 있는 결정체의 방사성과 관련이 있기때문에 극히 견고한 규정을 맞추는데는 이 효과도 염두에 두어야 한다.

수정은 두가지 결정이 있는데 right handed와 left handed라고 하는 서로 다른 모양때문에 그러하다. 이 차이점 때문에 결정 고유면의 배열을 서로 반대로 해주며 한쪽면은 다른 쪽 면에 허상이 된다. 고유면이 모두 갖춰있지 않은 경우 수정의 방향성은 편광을 사용하여 정해진다.

1) 수정의 결정 구조학(The crystallography of Quartz)

구조학자들은 32 종류의 결정체 그룹 중에 18번째로 수정을 놓고 있다.
3극 좌표로서 holeaxial, enantiomorphic crystal로 묘사되고 있는데 이는 한 축에 대해 세개의 펼쳐진 대칭축을 가지며 두가지 형태(right or left hand) 중 하나를 가짐을 의미한다.


<그림 2-1>



2) Left 및 Right 수정

Px와 Py 극성에 맞추어 Xx 및 Xy 팽창을 보여주고 있다. 회전각의 양의 방향 0도 나타내고 있다.

<그림 2-1>에는 이상적 수정 결정체 모양을 그림으로 나타낸 것이다. 좌우 수정의 차이점은 고유면 S와 X의 위치에 의해 나타내진다. 그러나 실제 수정에서는 때때로 이러한 면이 안나타날 때도 있다는 점에 주의하여야 한다. 사실 공진자를 제조하는데 쓰기에 적당한 수정조각에는 구별하기 쉬운 면은 하나도 없다. 그러한 결정체는 그를 이루고 있는 원자의 내부 구조가 X선이나 편광에 의해 정해져야만 한다.

<그림 2-2>

수정결정체의 단면이 <그림2-2>에 나타나 있다. 이상적 형태는 단면적이 정 6각형이어야 한다. 대개는 6각형의 각 모서리의 길이가 서로 다르다.

* 어떤 경우에라도 6각형의 마주보는 두 변은 나란한데 그 이유는 수정내부의 원자면과 두 표면이 서로 평행이기 때문이다.

* Prism 면이 이루는 각을 양분하는 방향선을 X축이라 한다.

*** 결정체에서 축이라 함은 선이 아니라 방향을 의미함을 명심해야 한다. 윗 그림에 나타난 바와 같이 수정에서는 X축이 세 개다. X축은 Palar axis(극성축)라 하는데 결정체에 X축 방향으로 장력을 가하면 전기극성이 생기기 때문이다.

Prism 면과 직각인 방향을 Y축이라 하는데, 때때로 "mechanical axis" (기계적축) 이라 한다.
단면적에 수직인 방향을 光측 즉 Z 축이라 한다.

 

<그림 2-3>

공진 주파수 부근에서 수정 공진자는 <그림 2-3>과 같은 전기적 회로 형태를 갖게 된다.
Capacitance Co 는 수정판의 전극에 의한 capacitor의 용량과 leadwire 와 holder에 의해 생긴 용량합이다.


이 값은 다른 모든 capacitor에서 그러하듯 bridge가 대치법에 의해 측정되는데 단, 측정은 Piezoid의 어떠한 공진 주파수와도 수% 정도의 오차를 갖는 주파수 값에 의햐 행해져야 한다.

수정의 기계적 공진 주파수와 같거나 거의 비슷한 주파수를 가진 교류 전압이 수정의 양단에 걸렸을때, piezoid는 압전기 현상으로 진동을 하게 된다.

Q의 최대치는 물론 이 damping(소모) 요소들을 극소화하므로써 얻어진다. AT 및 BT 판에서의 mounting loss(덮개손실)은 그 직영 : 두께의 비율을 조절하기가 곡률을 조절하므로 최소화 할 수 있다. 이런 식으로 wire가 부착된 소만의 가장자리도, 진동이 일어나기 쉽게 꾸며져야 한다. 대기손실은 주위 gas의 점성도에 기인한다. 이런 형태의 손실은 수소나 헬륨으로 소판을 둘러싸므로써 줄일 수 있고, holder(받침대)를 없애므로써 극소화 할 수 있다.

표면손실은 표면의 흠집이나 전극을 형성하는 금속막 때문에 생긴다. 기름이나 윤활유의 얇은 막과 같은 점성물질은 Q의 값을 현저히 떨어뜨린다. 표면에 묻은 먼지 조각이나 불순물조차 에너지를 소모케하여 결과적으로 Q값을 줄여 버린다. Q의 최대치를 위해서는 부식(etching)이나 윤(polishing)을 나게하여 표면처리에 만전을 기해야 한다. 금속막은 적절히 부착되도록 하여 piezoid의 표면이 점성물질의 영향을 안받도록 해야 한다.

수정 자체의 내부손실은 주파수가 높을 수록 커진다고 여겨진다. 따라서 주파수가 높을 수록 Q값은 떨어진다. 또 내부손실은 온도의 영향을 받는데 특히 인조수정의 경우, 저온에서 손실이 크다.

수정보다 Q갑, 크기, 발진 강도, 낮은 가격, 저주파 및 저온 상수 등에 있어 더 뛰어난 device는 없다.

 

3) 진동형태(Modes of Motion)

수정판은 진동형태가 다양하다. 진동형태에 따라 주파수와 dimension 또 주파수와 온도와의 관계특성이 달라진다.
따라서 한개의 공진자에서도 하나 이상의 진동 방법을 항상 생각해야 한다. 어떤 경우는 전기적으로 다른 형태의 진동이 일어난다.
다른 경우에는 전기적으로 일어난 형태가 기계적 형태로 일어난다. 진동 형태를 등가 회로로 표시해 놓았다.<그림 2-4>


<그림 2-4>

 Co : holder and electrode capacitance
L1,C1, R1 : parameters of fundamental thickness shear
Lhn, Chn, Rhn : parameters of other thickness shears
Lsn, Csn, Rsn : any mechanical or electrically coupled modes
M : coefficient of coupling

 

운동의 여러 형태 중 주요한 세가지는 flexure (굴곡), extension (확장), shear (변형)이 있다. 변형에도 두가지가 있는데 표면 변형(저주파時) , 두께변형*고주파時)이다. <그림 2-5>

 

Modes of Motion
<그림 2-5>
 

 

4) 인공수정의 절단각
<그림 2-6>
 

 

 

5) 수정 진동자의 형태
Resonator Packaging
<그림 2-7>
 

 

6) 수정진동자의 등가회로
Equivalent Circuit of a Resonator
<그림 2-8>
 

 

7) 등가회로의 시정수
Equivalent Circuit Parameter Relationships
 

 

8) 수정진동자의 온도보상

Crystal Oscillator f vs. Compensation
<그림 2-9>
 

 

9) Reactance Curve
Resonator Frequency vs. Reactance
<그림 2-10>
 

 

10) 수정진동자의 제조공정
  
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