전기 전도도는 온도에 따라 변합니다. 그리고 전도도는 전하 캐리어의 수와 움직이는 속도(이동도)에 비례합니다. 전류를 흐르게 하는 전하 캐리어가 금속에서는 자유 전자 한가지이지만, 세라믹에서는 전자와 하전된 원자, 즉 이온 두가지이죠. 금속에서는 전도도는 전자의 이동도로 결정됩니다. 온도가 올라가면 원자들의 진동이 더 활발해져서 전자의 충돌과 산란이 더 많이 일어나죠. 따라서 온도가 오르면 이동도는 내려갑니다. 반면에 세라믹과 같은 절연체에서는 전하 캐리어의 수가 전도도에 큰 영향을 줍니다. 따라서 온도가 오르면 열 에너지로 인하여 원자로부터 최외각 전자가 떨어져 나가고, 이로 인해 전하 캐리어인 전자와 이온의 수가 증가합니다. 물론 전기 전도도도 증가하게 되죠. 다만, 이러한 열 에너지에 의한 전하 캐리어들의 생성은 높은 주위 온도를 필요로 하기 때문에 실제 사용에는 제한이 있습니다. 따라서 세라믹의 전도도는 불순물 첨가(도핑)이나 전자 이동시 깡총뛰기(호핑)를 통하여 높일 수 있습니다.
세라믹에서는 최외각 전자가 이온 결합이나 공유 결합에 의해 두개 혹은 그 이상의 원자들에 의해 속박이 되어 있죠. 따라서 반도체와 마찬가지로 n형 도핑과 p형 도핑 과정을 통하여 전하 캐리어인 전자와 정공을 추가할 수 있습니다. 또한 이온들이 최외각 궤도에 전자들이 들어올 여지를 제공할 수 있다면, 최외각 전자들이 옆의 다른 최외각 궤도를 통하여 징검다리를 건너듯이 움직여가는 것도 가능합니다. 예를 들어 철(iron)의 경우처럼 최외각 궤도에 2가 혹은 3가를 가질 수 있다면 이러한 이온을 도핑하여 징검다리를 놓아주는 것도 방법이겠죠. 물론 이온 자체가 움직여가면서 전하 캐리어 역할을 할 수도 있습니다. 이러한 이온의 이동은 주로 공공(vacancy)을 이용하는데, 이온 자체가 전자에 비해 무겁고 크기 때문에 자유도가 떨어지고 속도도 느려 전도도를 많이 높이기는 어렵습니다.
다음으로, 전기적 항복(electrical breakdown)에 관한 이야기입니다. 전기장이 임의의 값 이상으로 증가하여 전자들의 속도와 수가 급격히 증가하면서 파국적인 캐리어의 흐름이 일어나고 이로 인하여 절연체가 파괴되는 현상입니다. 절연체에 파괴 전기장 이하가 인가되었을지라도 전기장을 증가시키는 요인(field riser), 즉 기공(pore)이나 입계와 침전물 등에서의 날카롭고 뾰족한 부분이 있을 경우, 이는 절연체의 이론적인 항복 전기장(대략 10^9V/m 정도)를 실제로는 10^7V/m 혹은 그 이하로까지 낮춥니다. 이러한 항복 강도(breakdown strength)는 물질 고유의 값이며, 다만 절연체 내부의 결함과 이로 인한 국부적인 전기장 증가 등이 항복 강도를 낮추는 요인이 되죠.
결함 등에 국부적으로 큰 전기장이 인가되면 중성 상태의 원자가 쌍극자를 거쳐 결국은 최외각 전자와 원자핵간의 결합이 끊어지면서 큰 에너지, 빠른 속도를 갖는 자유 전자가 만들어집니다. 높은 에너지의 자유 전자는 충돌에 충돌을 거듭하면서 점점 더 많은 고에너지의 자유 전자들을 만들어가고 결과적으로는 이들의 진행 경로에 따라 절연 특성이 파괴되면서 절연체로서의 기능을 상실합니다. 에너지 밴드 입장에서 볼 때는 가전자대에서 만들어진 전자가 큰 에너지를 가지고 넓은 금지대 폭을 가로질러 전도대로 대량 들어가는 형국이죠. 이 현상을 절연체의 전기적 항복이라고 합니다.
다음으로 정전용량을 알아보죠. 커패시터에 저장되는 전하량 Q는 정전용량 C와 전압 V를 곱한 값입니다. 따라서 전압이 일정할 때 정전용량의 값이 클수록 더 많은 양의 전하를 저장할 수 있죠. 평행판 커패시터에서 정전용량은 두 전극간에 삽입되는 물질의 유전율을 비례상수로 하여 전극의 면적 A에 비례하고 전극간 거리 d에 반비례하죠. 정전용량을 늘리기 위해 면적을 키우면 소자의 크기가 커지고, 전극간 간격을 줄이면 절연 파괴가 일어날 수 있습니다. 그래서 유전율이 높은 강유전체를 전극 사이에 넣어 강유전체 안에 있는 쌍극자를 통하여 더 많은 전하들을 전극에 저장할 수 있도록 하죠. 절연 파괴 전압과 유전율을 함께 고려할 때 커패시터의 유전체는 대부분 세라믹 재질인 강유전체를 사용합니다.
유전체는 절연체에 포함되며 절연체 중에서 특히 쌍극자의 형성이 활발한 물질이죠. 유전체에 전기장이 인가되면, 쌍극자들이 정렬되면서 순간적으로 전류가 흐릅니다. 이는 실제로 전하의 흐름을 통한 전류라기보다는 쌍극자들의 위치가 바뀌면서 잠시 만들어지는 변위전류(變位電流, displacement current)에 해당하죠. 즉, 전기장이 분자 쌍극자들을 회전, 정렬시키고 정렬이 된 후에는 인가된 전기장과 정렬된 쌍극자들의 전기장이 크기는 같고 방향은 반대가 되어 상쇄되면서 전류는 더이상 흐르지 않죠.
쌍극자가 형성, 정렬되는 정도를 나타내는 유전율의 값은 보통 비유전율(比誘電率, relative permittivity)로 나타내는데, 이는 매질의 유전율과 진공의 유전율의 비를 의미합니다. 유전 상수(誘電常數, dielectric constant)라고도 부르죠. 따라서 두 전극간이 진공일 경우에 비해 유전상수가 큰 유전체를 끼워넣으면 그만큼 더 정전용량은 증가합니다. 즉, 전극에 저장되는 전하는 전극에 밀접한 쌍극자들이 끌어당기는 전하들이 더해져서 더 많은 전하를 저장할 수 있게 됩니다. 유전체의 유전 상수는 당연히 진공에 비해 매우 크며, 진공 유전율의 수십배에서 수천배까지 이르기도 하죠.
유전체에서 분극이 일어나는 이유를 살펴보죠. 원자 및 분자 관점에서 볼때 전기장이 인가되면 네가지 정도의 현상이 일어나며, 이들은 각각 분극과 관련이 되죠. 첫번째는 전자 분극(electronic polarization)으로 각각의 원자 안에서 만들어지는 분극으로 핵과 전자 구름이 각기 다른 쪽으로 치우치는 현상입니다. 두번째는 이온 분극(ionic polarization)으로 세라믹과 같이 이온 결합된 물질에서 나타나며 이온 결합의 길이, 즉 양이온과 음이온간의 간격이 더 늘어나면서 위치 변화가 일어나는 현상이죠. 세번째는 배향 분극(orientation, dipolar, molecular polarization)으로 영구 쌍극자들이 무질서하게 놓여서 서로의 분극이 상쇄되고 있다가 전기장에 의해 정렬이 되면서 분극을 형성합니다. 네번째는 공간 전하 분극(space charge polarization)으로 다결정 물질에서 결정립 안의 유동 전하들이 계면으로 쏠리면서 형성하는 분극입니다.
대부분의 커패시터는 교류 회로에서 사용됩니다. 교류 회로에서는 전기장의 변화가 빠르게 일어나기 때문에 쌍극자 또한 빠르게 재배열 되어야 합니다. 하지만 모든 종류의 분극 과정이 교류 전기장 변화에 따라 그대로 반응하지는 못합니다. 대체로 분자들은 재배열 과정이 신속하지 않습니다. 따라서 분자 분극에 해당하는 배향 분극은 상대적으로 낮은 주파수 범위에서만 그 효과를 나타냅니다. 이에 반해 전자분극의 경우에는 빠른 주파수를 잘 따라가죠. 즉, 전자 분극, 이온 분극 그리고 배향 분극은 각각 응답할 수 있는 주파수에 한계를 가지고 있으며, 몸집이 큰 배향 분극은 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 영역(10^10㎐ 종도)까지만 응답이 가능하고, 더 높은 주파수 영역에서는 유전 특성이 없어집니다. 그 이상의 주파수까지는 분극의 응답 속도가 이르지 못하는 것이죠. 그리고 이온 분극은 적외선 영역(대략 10^13㎐ 정도)까지가 한계이고, 끝으로 전자 분극은 가시광선 영역, 혹은 그 이상으로까지(10^16㎐ 이상) 따라갈 수 있습니다.
유전 손실(dielectric loss)는 유전체에 교류 전기장을 걸었을 경우에 유전체 안에서 열로 없어지는 에너지 손실을 말합니다. 이는 그만큼의 저항 성분이 있다는 뜻이죠. 이와 같이 유전체 안에서 정전용량으로 얻어지는 리액턴스 성분에 대한 저항 성분의 비를 손실 탄젠트(tan δ)로 표현합니다. 손실 탄젠트 값이 클수록 전압과 전류의 위상차는 90도에서 벗어나며, 저항 성분으로인한 열이 발생합니다. 이 값은 물질 고유의 값이며 주파수에 의존합니다.
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