Study on the trap distribution characteristic of alumina ceramics

1. Study on the trap distribution characteristic of alumina ceramics Jinzhuang Lu, Lijian Ding, C.R.Li, Wei Wang, Jingchun Wang North China Electric Power University, Beijing, P. R. CHINA

2. Abstract • This paper investigated the trap distribution of alumina ceramic samples with different additives and different sintering temperature respectively. • Experimental results show that the additives and sintering temperature play an important role on the trap distribution of alumina ceramics respectively, especially on the trap energy distribution • They affect the trap distribution of alumina ceramics significantly.

3. Introduction • Vacuum에서 surface flashover은 보통 insulation system을 위한 limiting factor로 일반적으로 사용되어진다. • limiting factor는 일반적으로 적용된 electric field하에 있을 때insulation와 유사한 치수와 vacuum gap이 limiting factor 보다 매우 낮은 stresses를 가질 것이다. • 최근에 trap distribution는 pre-flashover, micro-discharge, surface charging의 특징을 설명하는 것을 소개하고 있고, 이러한 연구는 insulation에 관한 trap distribution는 vacuum중에서flashover 처리에 중요한 역할을 한다. 그리고 vacuum 중에 insulation의 flashover 성능에 영향을 줄 것이다. • 이 논문에서 alumina ceramic sample의 trap distribution 특성은isothermal decay current [등온감쇠 전류 (IDC)] 방법을 사용해서 연구하였다. 이것은 주로 ceramic준비 과정 중에 두 가지 중요한 factor인 additives와 sintering temperature의 영향을 고려하였다.

4. Experimental setup and procedure 1 • 1.Test samples • 이 논문에서 연구되어지는 alumina ceramic sample은 두께가 5mm이고, 직경이 20mm인 원형 원기둥 모양이고, alumina 순도는 99.9%이다. • 이것은 table 1에 보여지는 것처럼 두 가지 그룹을 가지고 있다.

5. Experimental setup and procedure 2 • 2. Brief introduction of IDC • 이것은 fixed temperature에서 시간 t에 감소전류I 변화를 측정하였다. • 전류Ι대 시간t 특성은 trap distribution와 trap parameter의 다른 것을 결정하는 직접적인 수단을 제공한다. • 고체에 삽입된 모든 carrier는 time sequence에 따라 고체 외부로 멀리 내보낸다. • Nt와 Et의 trap parameter는 다음과 같은 식이 된다. • |Ec-Et|=kTln(vt) (1) • (2) Ec: energy of the conduction band edge Et: electron trap energy level k: Boltzmann constant T: absolute temperature d: sample thickness f: initial occupancy of the traps by electrons v: attempt-to-escape frequency of electron in trap Jn: isothermal decay current density q: electron charge t: decay time

6. Experimental setup and procedure 3 • 3. IDC experimental procedure • 첫 번째 시험 sample을 충전하기 위하여 sample IDC 사용방법의 trap distribution를 측정하였다. • 그 충전된 system은 needle-plate system이다. • 음의 needle electrode 그리고 그 system의 사이에 간격은 1mm로 유지한다. • needle electrode은 11kv의 DC전압과 그리고 25°C의 실험온도를 적용하였다.

7. Experimental setup and procedure 4 • 일반적인 충전시간은 30분이다. IDC는 다음과 같이 기록된다. • 첫 번째, needle electrode은 제거한다. 그리고 나서 원형의 동전극은 system의 표면에 밀접하게 덮혀져 움직인다. • 두 번째, system은 K1을 closing 할 경우 1분 동안 short된다. • 다음은, k1은 열리고 k2는 닫쳤을 때 의 ampere의 작은 전류를 측정할 수 있을 때Keithley6514 electrometer는 IDC를 기록할 수 있다.

8. Experimental results 1 • Figure2 과 Figure3는 각각 group1의 sample과 group2의 sample의 전형적인 IDC를 보여준다. • 따라서 (1)과(2)에서, 그 시험 sample의 전형적인 IDC의 분포( Figure2 and Figure3)로부터 계산할 수 있다.

9. Experimental results 2 • Figure 4 and Figure 5는 group1그리고 group2의 시험 sample을 위하여 전형적인 trap energy distribution를 보여준다. 명백히 그 trap distribution는 변화가 있다. • 그 시험 결과로부터,alumina insulator의 trap distribution는 sintering temperature와 그리고 다른 혼합물에 영향을 미친다는 결론을 내렸다. • 그룹1의 sample에서 A sample의 trap distribution는 같은 trap에너지 level에서 가장 높은 trap 밀도 Nt를 가지고 있다는 것을 찾을 수 있다. 그것은 또한 가장 높은 trap 밀도에서 trap energy level에 일치하는 A,B 그리고 C,B sample이 거의 같다는 것을 알 수 있다. 또한 높은 sintering temperature에 sample은 trap distribution의 낮은 밀도를 가진다. • group2의 sample에서 다른 sample의 trap distribution는 marginally에 변화를 가지고 있다: 가장 높은 trap 밀도와 그리고 그들이 일치하는 trap energy level는 양쪽 모두 다르다.

10. Discussion 1

11. Discussion 2 • 이 연구에서, 모든 sample들은 순수한 ultrasonically의 처리만 했고 그 외의 처리 공정은 없었다. 단지 sintering 만 했다 • 그러므로, 그 실험 결과는 각각의 alumina insulator의 trap distribution상의 sintering 상태와 그리고 혼합물의 영향을 나타낸다. • 일반적으로, 절연물의 숨겨진 band안에 많은 trap energy가 있고, 그리고 그 trap은 구조상에 결함에 의해서 주로 영향을 받는다. 또 완전한 결정 격자와 조직 결정의 화학적 구조는 trap distribution에 영향을 줄 수 있다. • alumina ceramic의 sintering 기술 이론에 따르면 sintering temperature와 부가물은 alumina 미세구조에 영향을 줄 수 있고, 또한 조직 성장에 영향을 줄 수 있다. 여러가지 sintering temperature 와 첨가물은 alumina 결정 조직에 변화를 가져 올 수도 있다. 그러므로, 몇 가지 sample의 다양한 trap분포는 미세구조상(완전결정 격자와 조직결정의 화학적 구조)의 영향을 고려함으로써 sintering 조건과 부가물의 영향에 기인한다.

12. Discussion 3 • 위의 분석을 확실하게 하기 위해 여러 가지 sample의 미세구조는 SEM에 의해 관찰 되어졌고, Figure 6 and 7은 group 1과 group 2의 전형적인 미세구조를 보여준다. • Sample A의 조직은 가장 작고, sample C의 조직은 가장 크다. Sample A의 평균 조직크기는 3μm이고, sample C는 20μm이다. Sample D는 가장 크고, 평균 크기가 45μm이다. Group 2에서 Sample E와 sample F는 같은 크기로 약 25-30μm이다. • group1에 따르면 다른 sintering temperature는 조직 크기를 변화 시키고, 결정 조직의 화학적 구조에는 영향을 거의 주지 않는다. 그러므로 trap 분포상에 있어서 결정구조에 불완전성의 영향은 대게 다음과 같은 경우이다. SEM과 sintering기술에 기초하여 낮은 sintering temperature는 결정 조직에 크기와는 상관이 없다. 그 결과 작은 조직은 더 많은 결정 입계와 불완전성을 가져올 것이다. 그러므로 더 큰 trap 밀도를 가지게 될 것이다.

13. Discussion 4 • 그러나 trap energy는 그 화학구조에 변화 없이 거이 같다. (Figure 4 에서 볼 수 있다) 그리고 다른 부과물의 영향에 있어서 두 가지 볼 수 있다. • 1. 결정 조직에 화학적 구조가 변화되는 것이다.즉 가 다른 ion에 의해 대체된다. • 2. 결정 조직의 성장이 영향을 미칠 것이다 • 그러므로 trap 분포가 위의 두 가지에 의해 결정된다.: 를 대체하는 원소와 결정에 불완전성의 정밀도. Figure 5와 Figure 7이 같은 sintering상태에서 여러 가지 부가물로 trap 분포의 합성물을 보여준다. • trap 분포는 진공 상태에서 절연체의 flashover 성능에 영향을 주는 것을 나타낸다. 그리고 trap 분포가 sintering temperature와 부가물 사이에 관련이 있다는 것을 나타낸다. 이 연구는 flashover 성능과 trap 분포 사이에 관계를 나타낸다.

14. Conclusions • 실험 결과와 분석을 기초로 하여 다음의 결론을 도출할 수 있다. • Alumina insulator의 sintering상태는 trap distribution에 영향을 준다. • 같은 형태로 제조된 alumina insulator에서 높은 sintering temperature는 낮은 trap 밀도를 야기한다. • trap 분포에서 sintering temperature와 부가물은 효과는 sintering과정 특히 grain crystal의 화학적 구조와 결정 grain의 크기 변화를 통해 alumina insulator의 미세 구조에 영향을 줄 수 있다. • 이 연구는alumina 절연체의 trap 분포와 flashover성능 사이의 관계를 나타내었다.