[PCB EMI] 유전율, 도전율, 투자율 (29)

물질의 전기적·자기적 특성 완벽 해부

전자기학과 회로 설계에서 자주 등장하는 개념인 유전율(ϵ), 도전율(σ), 투자율(μ)은 물질의 기본적인 전기적·자기적 반응 특성을 설명하는 핵심 물리량입니다. 이들 파라미터는 전자기파의 전달, 신호의 손실, 에너지 저장 특성 등을 결정짓는 중요한 요소로, 소자나 회로의 성능에 직접적인 영향을 줍니다.

 

유전율(ϵ): 전기장의 영향을 얼마나 받는가

유전율은 물질이 외부 전기장에 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타냅니다. 쉽게 말해, 전기장을 얼마나 잘 '저장'하거나 '형성'할 수 있는지를 보여주는 지표입니다. 유전율이 높을수록 물질 내부에 더 많은 전기장이 형성되어 에너지를 축적할 수 있으며, 이는 커패시턴스와 밀접하게 연관됩니다. 단위는 패럿 퍼 미터(F/m)를 사용합니다.

 

도전율(σ): 전류가 얼마나 쉽게 흐르는가

도전율은 물질 내부에서 자유 전하가 얼마나 쉽게 이동할 수 있는지를 나타냅니다. 외부 전기장이 인가될 때 발생하는 전류 밀도(J)는 도전율과 비례 관계에 있으며, 이는 전하 이동의 효율성을 결정짓습니다. 도전율이 높은 물질은 전류를 잘 흐르게 하며, 대표적인 예로 금속이 있습니다. 단위는 지멘스 퍼 미터(S/m)이며, 반대로 절연체는 도전율이 극히 낮아 전류 흐름을 차단합니다.

 

투자율(μ): 자기장이 얼마나 잘 형성되는가

투자율은 물질이 외부 자기장에 얼마나 민감하게 반응하는지를 나타냅니다. 자기장이 물질 내부에 얼마나 잘 형성되는지를 측정하며, 이는 인덕턴스에 직접적인 영향을 줍니다. 투자율이 높은 물질은 같은 구조의 코일이라도 더 큰 인덕턴스를 갖게 합니다. 단위는 헨리 퍼 미터(H/m)이며, 페라이트처럼 자기 반응이 강한 재료는 투자율이 매우 높은 특징을 가집니다.

 

상대 유전율, 상대 도전율, 상대 투자율

이들 파라미터는 진공 상태에서의 값을 기준으로 상대적으로 표현되기도 합니다. 이를 각각 상대 유전율(ϵ_r), 상대 도전율(σ_r), 상대 투자율(μ_r)이라 하며, 다음과 같이 정의됩니다.

• ϵ = ϵ_r · ϵ₀,  ϵ₀ ≈ 8.854 × 10⁻¹² F/m
• σ = σ_r · σ₀,  σ₀ ≈ 0S/m (절연체 기준)
• μ = μ_r · μ₀,  μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m

공기나 진공은 대부분의 계산에서 상대 유전율과 투자율을 1로 간주합니다. 상대 도전율은 기준값이 0이므로 거의 사용되지 않습니다.

 

Capacitance와 Inductance 관점에서의 연관성

• 유전율은 커패시턴스(Capacitance)와 밀접한 관계가 있습니다. 유전체의 유전율이 높을수록 동일한 구조에서도 더 높은 정전 용량을 구현할 수 있습니다.
• 투자율은 인덕턴스(Inductance)에 직접 영향을 줍니다. 코어 재료의 투자율이 높을수록 동일한 코일 구조에서 더 높은 인덕턴스를 얻을 수 있습니다.

 

마무리하며

유전율, 도전율, 투자율은 단순한 수치가 아니라, 물질이 전기장이나 자기장에 어떻게 반응하는지를 결정하는 중요한 물리량입니다. 이들의 개념을 이해하는 것은 회로 해석, 소자 설계, 전자기파 해석 등 다양한 분야에서 필수적이며, 전자공학의 기초 체계를 이루는 핵심 이론입니다.