hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
선형 조정기 개요
직렬 조정기는 더 일반적인 형태이며, 션트 설계보다 효율적이다. 직렬 조정기는 가변 저항(일반적으로 트랜지스터이며, 이 역할에서는 보통 직렬 패스 트랜지스터라고 불린다)을 통해 공급 전압에서 부하로 경로를 제공함으로써 작동한다. 이것은 전압 분배기의 "상단 절반"에 위치하며, 하단 절반은 부하이다. 조정 장치에 의해 소모되는 전력은 전원 공급 장치 출력 전류와 조정 장치에서의 전압 강하를 곱한 값과 같다. 효율성과 패스 트랜지스터에 가해지는 스트레스를 줄이기 위해 설계자는 전압 강하를 최소화하려고 하지만, 입력(조정되지 않은) 전압이 필요한 출력 전압에 가까워지면 모든 회로가 잘 조정되는 것은 아니다. 이러한 회로를 저전압 강하 조정기라고 한다. 직렬 조정기는 션트 조정기와 달리 일반적으로 전류를 공급(source)할 수만 있다.
예를 들어, 션트 예시에 이미터 팔로워 단계를 추가하면 간단한 직렬 조정기가 형성된다.
선형 조정기 개요
여기서 부하 전류 IR2는 베이스가 제너 다이오드에 연결된 트랜지스터에 의해 공급된다. 따라서 트랜지스터의 베이스 전류(IB)는 제너 다이오드의 부하 전류를 형성하며 R2를 통과하는 전류보다 훨씬 작다. 이 조정기는 조정 요소, 즉 트랜지스터가 부하와 직렬로 나타나기 때문에 "직렬"로 분류된다.
R1은 제너 전류(IZ)를 설정하며 로 결정된다. 여기서 VZ는 제너 전압이고, IB는 트랜지스터의 베이스 전류이며, K는 적절한 IB를 위해 R1이 충분히 낮도록 선택된 설계 상수이며 일반적으로 1.2에서 2 사이의 값을 가진다. 또한  여기서 IR2는 필요한 부하 전류이자 트랜지스터의 이미터 전류(컬렉터 전류와 같다고 가정)이며, hFE(min)은 트랜지스터의 최소 허용 DC 전류 이득이다.
이 회로는 트랜지스터의 베이스 전류가 제너 다이오드에 매우 가벼운 부하를 형성하여 부하 변화로부터 제너 전압을 보호하므로 간단한 션트 조정기보다 훨씬 우수한 조절 기능을 제공한다. 트랜지스터의 VBE 강하로 인해 출력 전압은 항상 제너 전압보다 약 0.65V 낮다는 점에 유의해야 한다. 이 회로는 조절 기능이 좋지만 여전히 부하 및 공급 변화에 민감하다. 이는 음성 피드백 회로를 통합하여 해결할 수 있다. 이 조절기는 종종 고급 직렬 전압 조절기 회로에서 "예비 조절기"로 사용된다.
이 회로는 제너 다이오드에 전위차계를 추가하고 트랜지스터 베이스 연결을 제너 다이오드 상단에서 포텐쇼미터 와이퍼로 이동하여 쉽게 조절할 수 있다. 다른 제너 다이오드를 전환하여 단계적으로 조절할 수도 있다. 마지막으로, 제너 다이오드와 직렬로 낮은 값의 포텐쇼미터를 추가하여 미세 조절을 할 수도 있다. 이는 약간의 전압 조절을 허용하지만 조절 기능을 저하시킨다 (또한 용량성 증배기 참조).
선형 조정기 고정 조정기
"고정" 전압을 생성하는 데 사용되는 3단자 선형 조정기는 쉽게 구할 수 있다. 이들은 플러스 또는 마이너스 3.3V, 5V, 6V, 9V, 12V 또는 15V를 생성할 수 있으며, 일반적으로 1.5 암페어 부하에서 성능이 최고조에 달한다.
"78xx" 시리즈(7805, 7812 등)는 양의 전압을 조정하고, "79xx" 시리즈(7905, 7912 등)는 음의 전압을 조정한다. 종종 장치 번호의 마지막 두 자리가 출력 전압이다(예: 7805는 +5V 조정기이고 7915는 -15V 조정기이다). 78xx 시리즈 IC에는 78L 및 78S와 같은 변형이 있으며, 이들 중 일부는 최대 2A를 공급할 수 있다.
고정 전압 IC 조정기에 다른 회로 요소를 추가하여 출력 전압을 조정할 수 있다. 두 가지 예시 방법은 다음과 같다.
선형 조정기 가변 조정기
조정 가능한 조정기는 출력 단자와 조정 단자(고정 조정기의 접지 단자에 해당) 사이에 고정된 낮은 공칭 전압을 생성한다. 이 장치군에는 LM723과 같은 저전력 장치와 LM317 및 L200과 같은 중전력 장치가 포함된다. 일부 가변 조정기는 이중 직렬 패키지를 포함하여 3개 이상의 핀이 있는 패키지로 제공된다. 이들은 특정 값의 외부 저항을 사용하여 출력 전압을 조정하는 기능을 제공한다.
표준 고정 조정기로 제공되지 않는 출력 전압 및 7A 미만의 부하 전류에 대해 일반적으로 사용 가능한 조정 가능한 3단자 선형 조정기를 사용할 수 있다. LM317 시리즈(+1.25V)는 양의 전압을 조정하고, LM337 시리즈(−1.25V)는 음의 전압을 조정한다. 조정은 조정기 출력과 접지 사이에 전위 분배기를 구성하고, 그 중간 지점을 조정기의 '조정' 단자에 연결함으로써 수행된다. 저항 비율은 이전에 설명된 것과 동일한 피드백 메커니즘을 사용하여 출력 전압을 결정한다.
선형 조정기 이중 추적 조정기
매칭된 양극 및 음극 DC 공급을 필요로 하는 연산 증폭기 회로와 같은 애플리케이션을 위해 단일 IC 이중 추적 조정기가 제공된다. 일부는 선택 가능한 전류 제한 기능도 갖추고 있다. 일부 조정기는 최소 부하를 필요로 한다.
단일 IC 이중 추적 조정기의 한 예로는 LM125가 있는데, 이는 정밀하고 이중으로 추적하는 단일칩 전압 조정기이다. 이 장치는 별도의 양극 및 음극 조정 출력을 제공하여 이중 전원 공급 장치 설계를 간소화한다. 작동에는 애플리케이션에 따라 외부 부품이 거의 필요하지 않거나 전혀 필요하지 않다. 내부 설정은 ±15V의 고정 출력 전압을 제공한다.
선형 조정기 보호
선형 IC 전압 조정기는 다양한 보호 방법을 포함할 수 있다.
때로는 크로우바 보호와 같은 외부 보호 장치가 사용된다.
선형 조정기 선형 조정기 사용
선형 조정기는 개별 부품을 사용하여 구성할 수 있지만 일반적으로 집적 회로 형태로 사용된다. 가장 일반적인 선형 조정기는 TO-220 패키지의 3단자 집적 회로이다.
일반적인 전압 조정기는 LM78xx-시리즈(양전압용)와 LM79xx-시리즈(음전압용)이다. LM2940 / MIC2940A / AZ2940과 같은 견고한 자동차용 전압 조정기는 역배터리 연결 및 짧은 +50/-50V 과도 전류도 처리할 수 있다. MCP1700 / MCP1711 / TPS7A05 / XC6206과 같은 일부 저전압 강하 조정기 (LDO) 대안은 5μA 미만의 매우 낮은 대기 전류를 가지므로 (LM78xx 시리즈보다 약 1,000배 낮음) 배터리 구동 장치에 더 적합하다.
선형 조정기 선형 조정기 사용
일반적인 고정 전압은 1.8V, 2.5V, 3.3V (저전압 CMOS 논리 회로용), 5V (트랜지스터-트랜지스터 논리 회로용) 및 12V (통신 회로 및 디스크 드라이브와 같은 주변 장치용)이다.
고정 전압 조정기에서 기준 핀은 접지에 연결되는 반면, 가변 조정기에서는 기준 핀이 조정기 출력에 의해 공급되는 고정 또는 가변 전압 나누개의 중심점에 연결된다. 전위차계와 같은 가변 전압 나누개는 사용자가 조정된 전압을 조정할 수 있도록 한다.
전압 증배기
전압 증배기(voltage multiplier) 또는 전압체 배기는 교류 전력을 낮은 전압에서 높은 직류 전압으로 변환하는 전기 회로로, 일반적으로 축전기와 다이오드 네트워크를 사용한다.
전압 증배기는 전자 기기용으로 몇 볼트를 생성하는 것부터 고에너지 물리학 실험 및 번개 안전 테스트와 같은 목적을 위해 수백만 볼트를 생성하는 데 사용될 수 있다. 가장 일반적인 유형의 전압 증배기는 반파 직렬 증폭기로, 빌라드 캐스케이드(실제로는 하인리히 그라이나허가 발명)라고도 불린다.
전압 증배기 작동
AC 소스의 피크 전압이 +Us이고, C 값이 충분히 높아 충전 시 전압에 큰 변화 없이 전류가 흐를 수 있다고 가정하면, 캐스케이드의 (단순화된) 작동은 다음과 같다.
추가 단계를 추가하면 출력 전압이 AC 소스 피크 전압의 두 배만큼 증가한다(다이오드로 인한 손실 제외 – 다음 단락 참조).
전압 증배기 작동
실제로 C4가 완전한 전압에 도달하려면 더 많은 주기가 필요하며, 각 축전기의 전압은 해당 축전기로 가는 경로에 있는 각 다이오드의 순방향 전압 강하 (Uf)만큼 낮아진다. 예를 들어, 예시에서 C4의 전압은 양극 단자와 소스 사이에 4개의 다이오드가 있기 때문에 최대 2Us - 4Uf가 된다. 총 출력 전압은 U(C2) + U(C4) = (2Us - 2Uf) + (2Us - 4Uf) = 4Us - 6Uf가 된다. 2개의 다이오드와 2개의 축전기로 구성된 n 단계의 캐스케이드에서 출력 전압은 2n Us - n(n+1) Uf와 같다. n(n+1) Uf 항은 출력측(예시에서는 오른쪽 – C2 및 C4)의 모든 축전기에 걸쳐 다이오드로 인한 전압 손실의 합을 나타낸다. 예를 들어 예시와 같이 2단계가 있는 경우 총 손실은 2+4 = 2*(2+1) = 6배의 Uf이다. 추가 단계는 소스 전압의 두 배에서 2n+2 다이오드의 순방향 전압 강하를 뺀 만큼 출력 전압을 증가시킨다: 2Us - (2n+2)Uf.
전압 증배기 전압 배가기 및 삼배기
전압 배가기는 2단계를 사용하여 단일 단계 정류기에서 얻었을 DC 전압을 약 2배로 늘린다. 전압 배가기의 한 예는 120V 또는 240V 전원을 선택하기 위한 SPDT 스위치를 포함하는 스위치 모드 전원 공급 장치의 입력 단계에서 찾을 수 있다. 120V 위치에서 입력은 일반적으로 브리지 정류기의 한 AC 연결 지점을 열고 입력을 두 개의 직렬 연결된 필터 축전기의 접합부에 연결하여 전파 전압 배가기로 구성된다. 240V 작동을 위해 스위치는 시스템을 전파 브리지로 구성하고, 축전기 중앙 탭 와이어를 브리지 정류기 시스템의 열린 AC 단자에 다시 연결한다. 이를 통해 간단한 SPDT 스위치를 추가하여 120V 또는 240V 작동이 가능하다.
전압 증배기 전압 배가기 및 삼배기
전압 삼배기는 3단계 전압 증배기이다. 삼배기는 인기 있는 전압 증배기 유형이다. 삼배기의 출력 전압은 실제로는 입력 피크 전압의 3배 미만인데, 이는 각 축전기가 다음 축전기에 전력을 공급할 때 부분적으로 방전되어 전압을 손실하기 때문에 발생하는 높은 온저항 때문이다.
삼배기는 컬러 텔레비전 수신기에 음극선관(CRT, 브라운관)에 고전압을 공급하는 데 일반적으로 사용되었다.
삼배기는 복사기, 레이저 프린터, 전기 포충기 및 전기충격기와 같은 고전압 전원 공급 장치에 여전히 사용된다.
전압 증배기 항복 전압
증폭기는 수천 볼트의 출력을 생성하는 데 사용될 수 있지만, 개별 구성 요소는 전체 전압 범위에 견딜 수 있도록 정격될 필요는 없다. 각 구성 요소는 자체 단자와 바로 인접한 구성 요소에 걸친 상대적인 전압 차이만 고려하면 된다.
일반적으로 전압 증배기는 사다리처럼 물리적으로 배치되어, 점진적으로 증가하는 전압 전위가 회로의 훨씬 낮은 전위 부분으로 아크를 발생시킬 기회를 제공하지 않는다.
증폭기 내에서 상대적인 전압 차이 범위에 걸쳐 어느 정도의 안전 여유가 필요하다는 점에 유의해야 한다. 그래야 사다리가 최소한 하나의 다이오드 또는 축전기 구성 요소의 단락 고장에도 견딜 수 있다. 그렇지 않으면 단일 지점 단락 고장이 증폭기 내의 각 다음 구성 요소를 연속적으로 과전압시키고 파괴하여 잠재적으로 전체 증폭기 체인을 파괴할 수 있다.
전압 증배기 기타 회로 토폴로지
적층
어떤 열에서도 다이오드-축전기 셀의 짝수 개를 사용하여 캐스케이드가 스무딩 셀에서 끝나도록 한다. 홀수이고 클램핑 셀에서 끝나면 리플 전압이 매우 커질 것이다. 연결 열의 더 큰 축전기는 또한 리플을 줄이지만, 충전 시간과 다이오드 전류 증가를 희생한다.
딕슨 전하 펌프 또는 딕슨 증폭기는 그라이나허/콕크로프트-월튼 증폭기의 변형이다. 그러나 몇 가지 중요한 차이점이 있다.
딕슨 증폭기는 그라이나허/콕크로프트-월튼과 달리 일반적으로 고전압 응용 분야에 사용되는 것과는 대조적으로 저전압 응용 분야를 위한 것이다. 이는 최종 축전기가 전체 출력 전압을 유지해야 하는 반면, 그라이나허/콕크로프트-월튼 증폭기에서는 각 축전기가 입력 전압의 최대 두 배를 유지하기 때문이다(따라서 10배 이상의 곱셈을 쉽게 허용한다).
전압 증배기 기타 회로 토폴로지
회로의 이상적인 작동을 설명하기 위해 다이오드 D1, D2 등을 왼쪽에서 오른쪽으로, 축전기 C1, C2 등을 번호 매긴다. 클록 이 낮을 때 D1은 C1을 Vin으로 충전한다. 이 높아지면 C1의 상단 플레이트는 2Vin으로 밀려 올라간다. 그런 다음 D1은 꺼지고 D2는 켜지며 C2는 2Vin으로 충전되기 시작한다. 다음 클록 주기에서 은 다시 낮아지고 이제 는 높아져 C2의 상단 플레이트를 3Vin으로 밀어 올린다. D2는 꺼지고 D3는 켜지며 C3를 3Vin으로 충전하는 등 전하가 체인을 따라 이동한다. 따라서 전하 펌프라는 이름이 붙었다. 캐스케이드의 마지막 다이오드-축전기 셀은 클록 위상 대신 접지에 연결되어 증폭기가 아니다. 그것은 단지 스무딩을 제공하는 피크 검출기이다.
전압 증배기 기타 회로 토폴로지
nVin이라는 이상적인 경우에서 출력을 감소시키는 여러 요인이 있다. 그중 하나는 스위칭 장치의 문턱 전압, VT, 즉 장치를 켜는 데 필요한 전압이다. 스위치를 가로지르는 전압 강하로 인해 출력은 최소 nVT만큼 감소할 것이다. 쇼트키 다이오드는 낮은 순방향 전압 강하 등의 이유로 딕슨 증폭기에서 일반적으로 사용된다. 또 다른 어려움은 각 노드에 접지에 대한 기생 용량이 있다는 것이다. 이러한 기생 용량은 회로의 저장 축전기와 함께 전압 분배기 역할을 하여 출력 전압을 더욱 감소시킨다. 어느 정도까지는 더 높은 클록 주파수가 유리하다. 리플이 감소하고 높은 주파수로 인해 나머지 리플을 필터링하기가 더 쉽다. 또한 사이클당 저장해야 하는 전하량이 줄어들기 때문에 필요한 축전기 크기도 줄어든다. 그러나 부유 용량을 통한 손실은 클록 주파수가 증가함에 따라 증가하며 실질적인 한계는 수백 킬로헤르츠 정도이다.
전압 증배기 기타 회로 토폴로지
딕슨 증폭기의 다이오드-배선된 MOSFET 버전은 MOSFET의 큰 드레인-소스 전압 강하 때문에 매우 낮은 전압에서는 잘 작동하지 않는다. 종종 이 문제를 극복하기 위해 더 복잡한 회로가 사용된다. 한 가지 해결책은 스위칭 MOSFET과 병렬로 선형 영역으로 바이어스된 다른 MOSFET을 연결하는 것이다. 이 두 번째 MOSFET은 스위칭 MOSFET 자체보다 드레인-소스 전압이 낮고(스위칭 MOSFET이 강하게 켜지기 때문에) 결과적으로 출력 전압이 증가한다. 선형 바이어스 MOSFET의 게이트는 다음 단계의 출력에 연결되어 다음 단계가 이전 단계의 축전기에서 충전되는 동안 꺼진다. 즉, 선형 바이어스 트랜지스터는 스위칭 트랜지스터와 동시에 꺼진다.
1.5 V 입력을 가진 이상적인 4단계 딕슨 증폭기(5배 증폭기)는 7.5 V의 출력을 가질 것이다. 그러나 다이오드-배선된 MOSFET 4단계 증폭기는 2 V 정도의 출력만 가질 수 있다. 선형 영역에 병렬 MOSFET을 추가하면 약 4 V로 향상된다. 더 복잡한 회로는 이상적인 경우에 훨씬 더 가까운 출력을 얻을 수 있다.
전압 증배기 기타 회로 토폴로지
기본 딕슨 회로에는 다른 여러 변형 및 개선 사항이 존재한다. 일부는 Mandal-Sarpeshkar 증폭기 또는 Wu 증폭기와 같이 스위칭 문턱 전압을 줄이려고 시도한다. 다른 회로들은 문턱 전압을 상쇄한다. Umeda 증폭기는 외부에서 제공되는 전압으로 이를 수행하고 Nakamoto 증폭기는 내부에서 생성된 전압으로 이를 수행한다. Bergeret 증폭기는 전력 효율을 극대화하는 데 중점을 둔다.
CMOS 집적 회로에서는 클록 신호를 쉽게 사용할 수 있거나 쉽게 생성할 수 있다. RF 집적 회로에서는 항상 그렇지는 않지만, 종종 RF 전력원이 사용 가능하다. 표준 딕슨 증폭기 회로는 일반 입력과 클록 입력 중 하나를 접지하여 이 요구 사항을 충족하도록 수정할 수 있다. RF 전력은 다른 클록 입력으로 주입되며, 이는 회로 입력이 된다. RF 신호는 사실상 클록이자 전력원이다. 그러나 클록이 격노드에만 주입되기 때문에 회로는 두 번째 다이오드-축전기 셀마다 한 단계의 곱셈만 달성한다. 다른 다이오드-축전기 셀은 단순히 피크 검출기 역할을 하며 곱셈을 증가시키지 않고 리플을 평활화한다.
전압 증배기는 교차 결합 스위치드 축전기 유형의 전압 배가기 캐스케이드로 구성될 수 있다. 이 유형의 회로는 일반적으로 소스 전압이 1.2 V 이하일 때 딕슨 증폭기 대신 사용된다. 딕슨 증폭기는 입력 전압이 감소함에 따라 다이오드-배선 트랜지스터에 걸리는 전압 강하가 출력 전압에 비해 훨씬 더 중요해지기 때문에 전력 변환 효율이 점점 더 나빠진다. 교차 결합 회로의 트랜지스터는 다이오드-배선되지 않으므로 전압 강하 문제는 그리 심각하지 않다.
이 회로는 각 단계의 출력을 에 의해 구동되는 전압 배가기와 에 의해 구동되는 전압 배가기 사이에서 번갈아 가며 전환하여 작동한다. 이러한 동작은 딕슨 증폭기보다 또 다른 이점을 제공한다. 즉, 두 배 주파수에서 리플 전압이 감소한다. 리플 주파수 증가는 필터링으로 제거하기가 더 쉽기 때문에 유리하다. 각 단계(이상적인 회로에서)는 출력 전압을 피크 클록 전압만큼 높인다. 이것이 DC 입력 전압과 동일한 수준이라고 가정하면 n단계 증폭기는 (이상적으로) nVin을 출력할 것이다. 교차 결합 회로에서 손실의 주요 원인은 스위칭 문턱 전압이 아니라 기생 용량이다. 손실은 각 주기마다 기생 용량을 충전하는 데 에너지가 일부 소모되어 발생한다.
전압 증배기 응용
TV의 음극선관(CRT)용 고전압 전원 공급 장치는 종종 CRT 자체의 내부 및 외부 아쿠아다그 코팅으로 형성된 최종 단계 평활화 축전기를 갖춘 전압 증배기를 사용한다. CRT는 한때 텔레비전 세트의 일반적인 구성 요소였다. 전압 증배기는 현대 TV, 복사기 및 전기 포충기에서도 여전히 발견될 수 있다.
고전압 증배기는 스프레이 페인팅 장비, 가장 일반적으로 자동차 제조 시설에서 사용된다. 약 100kV의 출력을 가진 전압 증배기가 페인트 분무기의 노즐에 사용되어 분무된 페인트 입자를 전기적으로 충전시킨 다음 반대 전하를 띤 금속 표면에 끌어당겨 페인트칠한다. 이는 사용되는 페인트 양을 줄이고 균일한 페인트 코트를 퍼뜨리는 데 도움이 된다.
고에너지 물리학에서 사용되는 일반적인 유형의 전압 증배기는 콕크로프트-월튼 발전기이다(이것은 존 더글러스 콕크로프트와 어니스트 토머스 신턴 월튼이 1951년 노벨 물리학상을 수상하게 한 연구에 사용될 입자 가속기용으로 설계했다).
SCPI
SCPI(Standard Commands for Programmable Instruments, 프로그래밍 가능 계측기를 위한 표준 명령어, "스키피"로도 발음)는 자동 시험 장비 및 전자 테스트 장비와 같은 프로그래밍 가능한 테스트 및 측정 장치를 제어하는 데 사용되는 통사론 및 명령어에 대한 표준을 정의한다.
SCPI 개요
SCPI는 IEEE 488.2-1987 사양인 "표준 코드, 형식, 프로토콜 및 공통 명령어" 위에 추가 레이어로 정의되었다. 이 표준은 모든 계측기에 사용될 공통 통사론, 명령어 구조 및 데이터 형식을 지정한다. 이 표준은 모든 계측기에서 사용할 수 있는 일반 명령어(예: CONFigure 및 MEASure)를 도입했다. 이러한 명령어는 서브시스템으로 그룹화된다. SCPI는 또한 여러 계측기 클래스를 정의한다. 예를 들어, 제어 가능한 모든 전원 공급 장치는 동일한 DCPSUPPLY 기본 기능 클래스를 구현한다. 계측기 클래스는 구현하는 서브시스템과 계측기별 기능을 지정한다.
물리적 하드웨어 통신 링크(물리 계층)는 SCPI에 의해 정의되지 않는다. SCPI는 원래 IEEE-488.1(GPIB) 버스를 위해 생성되었지만, RS-232, RS-422, RS-485, USB, 이더넷, VXIbus, HiSLIP 등과 함께 사용할 수도 있다.
SCPI 개요
SCPI 명령어는 물리 계층을 통해 계측기로 전송되는 ASCII 텍스트 문자열이다. 명령어는 하나 이상의 키워드로 구성된 일련의 명령어로, 그중 상당수는 매개변수를 사용한다. 사양에서 키워드는 CONFigure로 작성된다. 전체 키워드를 사용하거나 대문자 부분으로만 축약할 수 있다. 쿼리 명령어에 대한 응답은 일반적으로 ASCII 문자열이다. 그러나 대량 데이터의 경우 이진 형식을 사용할 수 있다.
SCPI 사양은 네 권으로 구성된다: 제1권: "구문 및 스타일", 제2권: "명령어 참조", 제3권: "데이터 교환 형식", 제4권: "계측기 클래스". 이 사양은 원래 유료 인쇄 매뉴얼로 출시되었고, 나중에 네 권 모두를 포함하는 무료 PDF 파일로 제공되었다.
SCPI 개요
1990년에 처음 출시된 SCPI는 IEEE-488의 추가 계층으로 시작되었다. IEEE-488.1은 물리적 및 전기적 버스를 지정하고 IEEE-488.2는 프로토콜 및 데이터 형식을 지정했지만, 둘 다 계측기 명령어를 지정하지는 않았다. 동일한 유형의 계측기라도 다른 제조업체나 심지어 다른 모델은 다른 명령어 세트를 사용했다. SCPI는 모든 제조업체 및 모델에 공통될 수 있는 표준을 만들었다. SCPI는 IEEE-488.2 데이터 형식의 사용을 요구하지만 IEEE-488.1 버스를 의무화하지는 않는다.
2002-2003년에 SCPI 컨소시엄은 IVI 재단(Interchangeable Virtual Instruments)의 일부가 되기로 투표했다.
1987년에 IEEE는 IEEE 488.2-1987 사양인 "IEEE Std 488.1-1987, IEEE 표준 프로그래밍 가능 계측기용 디지털 인터페이스에 사용되는 표준 코드, 형식, 프로토콜 및 공통 명령어"를 도입했으며, 이는 나중에 1992년에 IEEE 488.2-1992로 개정되었다.
IEEE 488.2는 장치 독립적인 통사론을 제공했지만, 계측기별 명령어에 대한 표준은 여전히 없었다. 예를 들어, 멀티미터와 같은 동일한 클래스의 계측기를 제어하는 명령어는 제조업체와 심지어 모델에 따라 달라졌다. 미국 공군과 나중에 휴렛 팩커드가 이 문제를 인식했다. 1989년에 HP는 SCPI의 전신인 TML 언어를 개발했다.
IEC는 IEEE와 병행하여 IEC 60625-2-1993 (IEC 625)으로 자체 표준을 개발했다. 2004년에 IEEE와 IEC는 각 표준을 "이중 로고" IEEE/IEC 표준 IEC 60488-2-2004 파트 2: 코드, 형식, 프로토콜 및 공통 명령어로 통합했으며, 이는 IEEE 488.2-1992 및 IEC 60625-2-1993을 대체한다.
SCPI 명령어 통사론
계측기로 보내는 SCPI 명령어는 설정 작업(예: 전원 공급 장치 켜기) 또는 쿼리 작업(예: 전압 읽기)을 수행할 수 있다. 쿼리는 명령어 끝에 물음표를 추가하여 계측기로 발행된다. 일부 명령어는 계측기를 설정하고 쿼리하는 데 모두 사용할 수 있다. 예를 들어, 계측기의 데이터 수집 모드는 ACQuire:MODe 명령어를 사용하여 설정하거나 ACQuire:MODe? 명령어를 사용하여 쿼리할 수 있다. 일부 명령어는 계측기를 동시에 설정하고 쿼리할 수 있다. 예를 들어, *CAL? 명령어는 일부 장비에서 자체 보정 루틴을 실행한 다음 보정 결과를 반환한다.
유사한 명령어는 계층적 또는 "트리" 구조로 그룹화된다. 예를 들어, 계측기에서 측정을 읽는 모든 명령어는 "MEASure"로 시작한다. 계층 내의 특정 하위 명령어는 콜론(:) 문자로 중첩된다. 예를 들어, "DC 전압 측정" 명령어는 MEASure:VOLTage:DC? 형식을 취하고, "AC 전류 측정" 명령어는 MEASure:CURRent:AC? 형식을 취한다.
위 명령어 통사론에서는 명령어가 혼합 대소문자로 표시되지만, SCPI는 대소문자를 구분하지 않는다.
SCPI 명령어 통사론
예를 들어, VOLTage의 경우 다음은 모두 유효한 표현이다: VOLTAGE, voltage, Voltage, VoLtAgE.
명령어 통사론은 일부 문자를 대문자와 소문자가 혼합된 형태로 보여준다. 명령어를 대문자 부분만 보내는 것으로 축약하는 것은 대문자와 소문자를 모두 보내는 명령어와 동일한 의미를 갖는다.
예를 들어, "SYSTem:COMMunicate:SERial:BAUD 2400" 명령어는 RS-232 직렬 통신 인터페이스를 2400 bit/s로 설정한다. 이 명령어는 "SYST:COMM:SER:BAUD 2400"으로 축약될 수도 있다. 쿼리 명령어 "SYSTem:COMMunicate:SERial:BAUD?" 또는 "SYST:COMM:SER:BAUD?"는 계측기에 현재 보드율을 보고하도록 지시한다.
유효한 명령어는 각 명령어의 짧은 형식과 긴 형식뿐이며, 다른 모든 하위 집합 변형은 유효하지 않다.
예를 들어, COMMunicate의 경우 COMM(짧은 형식) 및 COMMUNICATE(긴 형식)만 유효하며, COM, COMMUN, COMMUNIC와 같은 하위 집합은 유효하지 않으며, COMMUNICATED와 같이 문자가 추가된 것도 유효하지 않다.
SCPI 명령어 통사론
여러 명령어를 단일 문자열로 계측기에 보낼 수 있다. 이들은 세미콜론(;) 문자로 구분된 단순 명령어로 구성된다.
예를 들어, "DC 전압을 측정한 다음 AC 전류를 측정"하는 명령어는 MEASure:VOLTage:DC?;:MEASure:CURRent:AC?와 같이 발행된다.
콜론(:)으로 시작하는 단순 명령어는 명령어 트리의 루트를 기준으로 해석된다. 그렇지 않으면 이전 명령어의 마지막 노드를 암시적으로 참조한다(이미 별표로 시작하는 경우가 아니면). 예를 들어,
은 다음 메시지에 대한 약어이다.
SCPI 명령어 통사론
일부 명령어는 하나 이상의 추가 인수를 허용하거나 요구한다. 인수는 명령어 뒤에 오며, 공백으로 명령어와 구분된다. 예를 들어, 계측기의 트리거 모드를 "일반"으로 설정하는 명령어는 "TRIGger:MODe NORMal"로 주어질 수 있다. 여기서 "NORMal"이라는 단어는 "TRIGger:MODe" 명령어의 인수로 사용된다. 여러 인수가 제공될 때 인수는 쉼표로 구분된 목록으로 작성된다. 예를 들어, 디지털 멀티미터에서 AC 전압 측정을 수행하고, 미터의 10 VRMS 측정 범위를 사용하며, 측정된 전압 값을 4-1/2 자리 분해능으로 표시하는 쿼리 명령어는 "MEASure:VOLTage:AC? 10,4"와 같이 작성된다.
SCPI 명령어 통사론
정수 인수를 허용하는 명령어의 경우, 값은 여러 컴퓨터 숫자 형식으로 지정될 수 있다: 십진법, 십육진법, 팔진법, 이진법. 마지막 세 가지 형식은 SCPI가 기반으로 하는 IEEE 488.2에 의해 정의된다. 십진법 숫자(밑 10)에는 접두사가 없으며, 십육진법 숫자(밑 16)에는 #H 또는 #h가 접두사로 붙고, 팔진법 숫자(밑 8)에는 #Q 또는 #q가, 이진법 숫자(밑 2)에는 #B 또는 #b가 접두사로 붙는다. 십육진법 숫자는 대문자 (ABCDEF), 소문자 (abcdef) 또는 혼합 대소문자 (aBcDeF)를 사용할 수 있다. 팔진법의 경우 숫자 "0"(영)과의 시각적 혼동을 최소화하기 위해 문자 "O" 대신 문자 "Q"가 선택되었다.
다음 인수 예시는 숫자적으로 동일하다.
SCPI는 IEEE 488.2 사양 위에 추가 계층으로 정의되었기 때문에 SCPI 준수 장치는 다양한 488.2 명령어도 인식해야 한다. 이러한 명령어는 별표 * 문자로 시작하기 때문에 비공식적으로 별표 명령어(또는 스타 명령어)로 알려져 있을 수도 있다.
SCPI 제1권 섹션 4.1.1에 따르면, 모든 SCPI 장치는 다음 488.2 명령어를 구현해야 한다. 실제로는 일부 저가형 테스트 장비는 이러한 488.2 명령어의 하위 집합만 지원하거나, 명령어를 수락하지만 아무런 작업도 수행하지 않을 수 있다. 사용자는 이러한 모든 488.2 명령어가 지원된다고 가정하기 전에 각 장비의 공식 프로그래머 설명서를 확인해야 한다.
SCPI 제1권 섹션 4.1.2에 따르면, 위에 나열되지 않은 다른 모든 488.2 명령어는 선택 사항이며 SCPI에서 요구하지 않는다.
집중 이온 빔
집중 이온 빔(Focused ion beam, FIB)은 특히 반도체 산업, 재료과학 및 생물학 분야에서 특정 부위의 분석, 증착 및 재료 융삭에 사용되는 기술이다. FIB 장치는 주사전자현미경(SEM)과 유사한 과학 기기이다. 그러나 SEM이 집중 전자 빔을 사용하여 챔버 내의 샘플을 이미지화하는 반면, FIB 장치는 대신 이온의 집중된 빔을 사용한다. FIB는 전자 및 이온 빔 컬럼을 모두 갖춘 시스템에 통합될 수도 있어, 동일한 기능을 두 빔 중 하나를 사용하여 조사할 수 있다. FIB는 직접 쓰기 석판 인쇄(예: 양성자 빔 쓰기)를 위해 집중 이온 빔을 사용하는 것과 구별된다. 이들은 일반적으로 재료가 다른 메커니즘에 의해 수정되는 상당히 다른 시스템이다.
집중 이온 빔 이온 빔 소스
대부분의 널리 사용되는 기기는 액체 금속 이온 소스(LMIS), 특히 갈륨 이온 소스를 사용한다. 원소 금 및 이리듐 기반의 이온 소스도 사용할 수 있다. 갈륨 LMIS에서 갈륨 금속은 텅스텐 바늘과 접촉하게 배치되고, 가열된 갈륨은 텅스텐을 적시고 바늘 끝으로 흐른다. 이곳에서 표면 장력과 전기장의 상반되는 힘이 갈륨을 테일러 콘이라는 뾰족한 모양의 끝으로 형성시킨다. 이 콘의 끝 반경은 매우 작다(~2 nm). 이 작은 끝에서의 거대한 전기장(센티미터당 1×108볼트 이상)은 갈륨 원자의 이온화 및 전계 방출을 유발한다.
소스 이온은 일반적으로 1–50 킬로전자볼트 (0.16–8.01 fJ)의 에너지로 가속되고, 정전 렌즈에 의해 샘플에 집중된다. LMIS는 매우 작은 에너지 분산을 가진 고전류 밀도 이온 빔을 생성한다. 최신 FIB는 샘플에 수십 나노암페어의 전류를 전달하거나, 수 나노미터 크기의 스폿으로 샘플을 이미지화할 수 있다.
최근에는 크세논과 같은 불활성 기체 이온의 플라즈마 빔을 사용하는 기기가 더 널리 보급되었다.
집중 이온 빔 원리
집중 이온 빔(FIB) 시스템은 주로 대형 반도체 제조업체를 위해 1990년대부터 상업적으로 생산되었다. FIB 시스템은 주사전자현미경(SEM)과 유사한 방식으로 작동하지만, 전자 빔 대신 이름에서 알 수 있듯이 FIB 시스템은 이미지 촬영을 위해 낮은 빔 전류로 작동하거나 특정 부위의 스퍼터링 또는 밀링을 위해 높은 빔 전류로 작동할 수 있는 미세하게 집중 이온 빔(일반적으로 갈륨)을 사용한다.
오른쪽 다이어그램이 보여주듯이, 갈륨(Ga+) 1차 이온 빔이 샘플 표면에 부딪히면 소량의 물질이 스퍼터링되어 2차 이온(i+ 또는 i−) 또는 중성 원자(n0)로 표면을 떠난다. 1차 빔은 또한 2차 전자(e−)를 생성한다. 1차 빔이 샘플 표면을 래스터 스캔하면, 스퍼터링된 이온 또는 2차 전자로부터의 신호가 수집되어 이미지를 형성한다.
집중 이온 빔 원리
낮은 1차 빔 전류에서는 매우 적은 물질이 스퍼터링되며, 최신 FIB 시스템은 쉽게 5 nm의 이미징 해상도를 달성할 수 있다(Ga 이온을 사용한 이미징 해상도는 스퍼터링 및 검출기 효율에 의해 ~5 nm로 제한된다). 더 높은 1차 전류에서는 스퍼터링에 의해 많은 양의 물질이 제거될 수 있어, 시료를 서브마이크로미터 또는 심지어 나노미터 스케일까지 정밀하게 밀링할 수 있다.
샘플이 비전도성인 경우, 낮은 에너지 전자 플러드 건을 사용하여 전하 중화를 제공할 수 있다. 이러한 방식으로, 양이온 1차 이온 빔을 사용하여 양이온 2차 이온으로 이미징함으로써, SEM에서 요구되는 전도성 표면 코팅 없이도 고도로 절연된 샘플을 이미징하고 밀링할 수 있다.
최근까지 FIB의 압도적인 사용은 반도체 산업에서 이루어졌다. 결함 분석, 회로 수정, 포토마스크 수리 및 집적 회로의 특정 위치에 대한 투과전자현미경(TEM) 시료 준비와 같은 응용 분야는 흔한 절차가 되었다. 최신 FIB 시스템은 고해상도 이미징 기능을 가지고 있다. 이 기능은 현장 단면화와 결합되어 많은 경우에 FIB 단면 시료를 별도의 SEM 기기에서 검사할 필요성을 없앴다. 최고의 해상도 이미징과 민감한 샘플의 손상을 방지하기 위해서는 여전히 SEM 이미징이 필요하다. 그러나 SEM과 FIB 컬럼을 동일한 챔버에 결합하면 두 가지 장점을 모두 활용할 수 있다.
집중 이온 빔 작동 모드
낮은 빔 전류에서 FIB 이미징 해상도는 익숙한 주사전자현미경(SEM)의 이미징 지형과 견줄 만한 수준에 도달하지만, FIB의 두 가지 이미징 모드인 1차 이온 빔에 의해 생성되는 2차 전자 및 2차 이온은 SEM에 비해 많은 장점을 제공한다.
FIB 2차 전자 이미지는 강렬한 결정립 방향 대비를 보여준다. 결과적으로, 화학적 식각 없이도 결정립 형태를 쉽게 이미지화할 수 있다. 결정립 경계 대비는 이미징 매개변수의 신중한 선택을 통해 향상될 수도 있다. FIB 2차 이온 이미지는 또한 화학적 차이를 보여주며, 특히 부식 연구에 유용하다. 금속의 2차 이온 수율은 산소 존재 시 3자릿수 증가할 수 있어 부식의 존재를 명확하게 드러낸다.
FIB 2차 전자 이미징의 또 다른 장점은 이온 빔이 단백질 표지에 사용되는 형광 프로브의 신호를 변경하지 않아, FIB 2차 전자 이미지를 형광 현미경으로 얻은 이미지와 연관시킬 기회를 창출한다는 사실이다.
전자현미경과 달리 FIB는 본질적으로 시료에 파괴적이다. 고에너지 갈륨 이온이 샘플에 부딪히면 표면에서 원자를 스퍼터링한다. 갈륨 원자 또한 표면의 상위 몇 나노미터에 주입되어 표면이 비정질화된다.
집중 이온 빔 작동 모드
스퍼터링 능력 때문에 FIB는 마이크로 및 나노 스케일에서 재료를 수정하거나 가공하는 마이크로 및 나노 가공 도구로 사용된다. FIB 마이크로 가공은 자체적으로 광범위한 분야가 되었지만, FIB를 사용한 나노 가공은 여전히 개발 중인 분야이다. 일반적으로 이미징을 위한 가장 작은 빔 크기는 2.5–6 nm이다. 가장 작게 밀링된 특징은 총 빔 크기와 밀링되는 샘플과의 상호작용에 따라 약간 더 크다(10–15 nm).
FIB 도구는 표면을 식각하거나 가공하도록 설계되었다. 이상적인 FIB는 다음 층의 원자를 방해하거나 표면 위에 잔류 방해를 일으키지 않고 한 원자 층을 가공할 수 있다. 그러나 현재 스퍼터링 때문에 가공은 일반적으로 서브마이크로미터 길이 스케일에서 표면을 거칠게 만든다.
집중 이온 빔 작동 모드
FIB는 또한 이온 빔 유도 증착을 통해 물질을 증착하는 데 사용될 수 있다. FIB 보조 화학기상증착은 텅스텐 헥사카르보닐(W(CO)6)과 같은 가스가 진공 챔버에 도입되어 샘플에 화학흡착되도록 할 때 발생한다. 빔으로 영역을 스캔함으로써 전구체 가스는 휘발성 및 비휘발성 구성 요소로 분해된다. 텅스텐과 같은 비휘발성 구성 요소는 증착물로 표면에 남는다. 이는 증착된 금속이 빔의 파괴적인 스퍼터링으로부터 기본 샘플을 보호하는 희생층으로 사용될 수 있으므로 유용하다. 수 나노미터에서 수백 마이크로미터 길이의 텅스텐 금속 증착은 필요한 곳에 금속 라인을 직접 놓을 수 있도록 한다. 백금, 코발트, 탄소, 금 등과 같은 다른 재료도 국부적으로 증착될 수 있다.
FIB는 종종 반도체 산업에서 기존 반도체 소자를 패치하거나 수정하는 데 사용된다. 예를 들어, 집적 회로에서 갈륨 빔은 불필요한 전기 연결을 절단하거나 전도성 물질을 증착하여 연결을 만들 수 있다. 높은 수준의 표면 상호 작용은 반도체 패터닝 도핑에 활용된다. FIB는 마스크 없는 이식에도 사용된다.
집중 이온 빔 응용 분야
FIB는 투과전자현미경용 시료를 준비하는 데도 일반적으로 사용된다. TEM은 일반적으로 ~100나노미터 이하의 매우 얇은 시료를 필요로 한다. 이온 밀링 또는 전해연마와 같은 다른 기술을 사용하여 이러한 얇은 시료를 준비할 수 있다. 그러나 FIB의 나노미터 스케일 해상도는 재료의 결정립 경계나 결함과 같이 정확한 관심 영역을 선택할 수 있게 한다. 이는 예를 들어 집적 회로 고장 분석에서 매우 중요하다. 칩의 수백만 개의 트랜지스터 중 특정 트랜지스터가 불량인 경우, 해당 단일 트랜지스터의 전자현미경 시료를 준비할 수 있는 유일한 도구는 FIB이다.
투과전자현미경용 시료를 준비하는 데 사용되는 동일한 프로토콜은 시료의 미세 영역을 선택하고 추출하여 2차 이온 질량 분석법(SIMS)을 사용하여 분석하는 데에도 사용될 수 있다.
FIB 시료 준비의 단점은 위에서 언급한 표면 손상 및 이식이며, 이는 고해상도 "격자 이미징" TEM 또는 전자 에너지 손실 분광법과 같은 기술을 사용할 때 눈에 띄는 효과를 발생시킨다. 이 손상된 층은 더 낮은 빔 전압으로 FIB 밀링하거나, FIB 공정 완료 후 낮은 전압 아르곤 이온 빔으로 추가 밀링하여 최소화할 수 있다.
집중 이온 빔 응용 분야
FIB 준비는 적절히 장비가 갖춰진 기기에서 극저온 냉동 시료와 함께 사용될 수 있어, 생체 시료, 의약품, 폼, 잉크 및 식품과 같은 액체 또는 지방을 포함하는 시료의 단면 분석이 가능하다.
FIB는 또한 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에도 사용된다. 시료 표면이 1차 집중 이온 빔으로 스퍼터링된 후 방출된 2차 이온이 수집 및 분석된다.
투과전자현미경(TEM) 시료(박막, 박막, 및 기타 기계적 및 빔에 민감한 시료)를 집중 이온 빔(FIB) 내에서 전송할 때, 스트레스와 굽힘을 최소화하기 위해 유연한 금속 나노와이어를 일반적으로 단단한 마이크로 조작기에 부착할 수 있다.
이 방법의 주요 장점은 시료 준비 시간의 현저한 단축(낮은 빔 전류에서 나노와이어의 빠른 용접 및 절단)과 스트레스 유발 굽힘, Pt 오염, 이온 빔 손상 최소화이다.
이 기술은 현장 전자현미경 시료 준비에 특히 적합하다.
집중 이온 빔 응용 분야
TEM 시료를 만들 때 적용되는 동일한 연속 밀링 단계를 원자 탐침 단층 촬영용 원뿔형 시료를 만드는 데 적용할 수 있다. 이 경우 이온은 환형 밀링 패턴으로 움직이며, 내부 밀링 원은 점진적으로 작아진다. 시료 손상을 피하기 위해 내부 원이 작아질수록 빔 전류는 일반적으로 감소한다.
집중 이온 빔은 시료 내의 서브 마이크론 특징을 3D로 이미징하는 강력한 도구가 되었다. 이 FIB 단층 촬영 기술에서 시료는 시료에 수직인 이온 빔을 사용하여 순차적으로 밀링되는 동시에 새로 노출된 표면은 전자 빔을 사용하여 이미징된다. 이른바 "슬라이스 앤 뷰" 접근 방식은 2차 전자, 후방 산란 전자 및 에너지 분산 X선 측정과 같은 SEM에서 사용할 수 있는 다양한 이미징 모드를 통해 더 큰 규모의 나노 구조를 특성화할 수 있게 한다. 이 과정은 이미지가 수집될 때마다 시료가 순차적으로 밀링되기 때문에 파괴적이다. 수집된 일련의 이미지는 이미지 스택을 정합하고 아티팩트를 제거함으로써 3D 볼륨으로 재구성된다. FIB-SEM을 저하시키는 주요 아티팩트는 이온 밀 커튼링이며, 이는 각 이미지에서 밀 패턴이 크고 비주기적인 줄무늬를 형성하는 현상이다. 이온 밀 커튼링은 디스트라이핑 알고리즘을 사용하여 제거할 수 있다. FIB-SEM은 실온 및 극저온 모두에서 수행할 수 있으며 재료 및 생체 시료 모두에 적용할 수 있다. 이는 부피 전자현미경의 여러 접근 방식 중 하나이다.
집중 이온 빔 역사
FIB 기술의 역사
LMIS의 물리학
LMIS 및 FIB의 일부 선구자
집중 이온 빔 헬륨 이온 현미경 (HeIM)
상업적으로 이용 가능한 기기에서 볼 수 있는 또 다른 이온 소스는 헬륨 이온 소스인데, 이는 Ga 이온보다 샘플에 손상을 덜 주지만, 특히 고배율 및 긴 스캔 시간에서는 여전히 소량의 물질을 스퍼터링한다. 헬륨 이온은 작은 프로브 크기로 초점을 맞출 수 있고 SEM의 고에너지(>1kV) 전자보다 훨씬 작은 샘플 상호작용을 제공하기 때문에, He 이온 현미경은 우수한 재료 대비와 더 깊은 초점 심도로 같거나 더 높은 해상도 이미지를 생성할 수 있다. 상업용 기기는 서브 1 nm 해상도를 달성할 수 있다.
집중 이온 빔 집중 이온 빔 장치 내 빈 필터
Ga 이온을 이용한 이미징 및 밀링은 항상 샘플 표면 근처에 Ga이 통합되는 결과를 낳는다. 샘플 표면이 스퍼터링 수율 및 이온 플럭스(면적당 이온 수, 시간당)에 비례하는 속도로 스퍼터링될수록 Ga은 샘플 내부로 더 깊이 이식되며, Ga의 정상 상태 프로파일이 달성된다. 이러한 이식은 갈륨에 의해 실리콘이 비정질화될 수 있는 반도체 범위에서 종종 문제가 된다. Ga LMI 소스에 대한 대안 솔루션을 얻기 위해, 빈 필터 기술을 기반으로 하는 질량 필터 컬럼이 개발되었다. 이러한 소스에는 Au-Si, Au-Ge 및 Au-Si-Ge 소스가 포함되어 Si, Cr, Fe, Co, Ni, Ge, In, Sn, Au, Pb 및 기타 원소를 제공한다.
빈 필터의 원리는 가속된 입자에 작용하는 수직 정전기장과 자기장에 의해 유도되는 반대 힘의 평형에 기반한다. 적절한 질량 궤적은 직선을 유지하며 질량 선택 조리개를 통과하는 반면, 다른 질량은 정지된다.
집중 이온 빔 집중 이온 빔 장치 내 빈 필터
갈륨 이외의 소스 사용을 허용하는 것 외에도, 이러한 컬럼은 빈 필터의 속성을 조정하는 것만으로 다른 종으로 전환할 수 있다. 더 큰 이온은 작은 이온으로 윤곽을 다듬기 전에 빠른 밀링을 하는 데 사용될 수 있다. 사용자들은 또한 적합한 합금 소스의 원소로 샘플을 도핑할 가능성으로부터 이점을 얻는다.
후자의 특성은 자기 재료 및 장치 연구에 큰 관심을 불러일으켰다. 히즈로예프(Khizroev)와 리트비노프(Litvinov)는 자기력 현미경(MFM)의 도움으로 자기 재료가 자기적 특성 변화를 겪지 않고 노출될 수 있는 이온의 임계량이 있음을 보여주었다. 이러한 비전통적인 관점에서 FIB를 활용하는 것은 오늘날 많은 신기술의 미래가 나노 스케일 자기 장치를 신속하게 제작하는 능력에 달려 있을 때 특히 유리하다.
집중 이온 빔 각주
Hoffman, David P.; Shtengel, Gleb; Xu, C. Shan; Campbell, Kirby R.; Freeman, Melanie; Wang, Lei; Milkie, Daniel E.; Pasolli, H. Amalia; Iyer, Nirmala; Bogovic, John A.; Stabley, Daniel R.; Shirinifard, Abbas; Pang, Song; Peale, David; Schaefer, Kathy; Pomp, Wim; Chang, Chi-Lun; Lippincott-Schwartz, Jennifer; Kirchhausen, Tom; Solecki, David J.; Betzig, Eric; Hess, Harald F. (2020). 《Correlative three-dimensional super-resolution and block-face electron microscopy of whole vitreously frozen cells》. 《Science》 367. doi:10.1126/science.aaz5357. ISSN 0036-8075. PMC 7339343. PMID 31949053.  지원되지 않는 변수 무시됨: |article-number= (도움말)
상용 주파수
상용 주파수(Utility frequency) 또는 상용 전원 주파수는 발전소에서 최종 사용자로 전달되는 광역 동기 전력망의 교류 (AC) 진동의 공칭 진동수이다. 전 세계 대부분의 지역에서는 50 Hz이지만, 아메리카와 아시아 일부 지역에서는 일반적으로 60 Hz이다. 국가 또는 지역별 현재 사용량은 국가별 주전원 목록에 나와 있다.
19세기 말과 20세기 초 상업용 전력 시스템 개발 과정에서 많은 다른 주파수(및 전압)가 사용되었다. 한 주파수의 장비에 대한 대규모 투자는 표준화 과정을 느리게 만들었다. 그러나 21세기 초에 이르러 50 Hz 주파수를 사용하는 지역은 220~240 V를 사용하는 경향이 있고, 60 Hz를 사용하는 지역은 100~127 V를 사용하는 경향이 있다. 두 주파수는 오늘날에도 공존하며(일본은 둘 다 사용), 어느 하나를 다른 것보다 선호할 만한 기술적인 큰 이유는 없고 완전한 전 세계적인 표준화를 바라는 움직임도 보이지 않는다.
상용 주파수 운영 요인
몇 가지 요인이 교류 시스템에서 주파수 선택에 영향을 미친다. 조명, 전동기, 변압기, 발전기 및 송전선은 모두 전력 주파수에 따라 달라지는 특성을 가지고 있다. 이 모든 요인으로 인해 전력 주파수 선택은 매우 중요한다. 최적의 주파수는 상충되는 요구 사항 사이의 절충이다.
19세기 후반, 설계자들은 변압기와 호광등을 특징으로 하는 시스템의 경우 변압기 재료를 절약하고 램프의 가시적 깜박임을 줄이기 위해 상대적으로 높은 주파수를 선택했지만, 긴 송전선이 있거나 주로 전동기 부하 또는 직류를 생산하기 위한 회전 변환기에 전력을 공급하는 시스템의 경우 더 낮은 주파수를 선택했다. 대규모 중앙 발전소가 실용화되면서 주파수 선택은 의도된 부하의 성격에 따라 결정되었다. 결국 기계 설계의 개선으로 조명 및 전동기 부하 모두에 단일 주파수를 사용할 수 있게 되었다. 통합 시스템은 하루 동안 시스템 부하가 더 균일했기 때문에 전기 생산의 경제성을 향상시켰다.
상업용 전력의 첫 번째 응용 분야는 백열등과 정류자 (전기)형 전동기였다. 둘 다 직류에서 잘 작동했지만, 직류는 전압을 쉽게 변경할 수 없었고 일반적으로 필요한 사용 전압에서만 생산되었다.
상용 주파수 운영 요인
백열등이 저주파 전류로 작동하면 필라멘트가 교류의 각 반주기에서 냉각되어 램프의 밝기와 깜박임에 현저한 변화가 발생한다. 이 효과는 호광등과 나중에 나온 수은등 및 형광등에서 더 두드러진다. 개방형 호광등은 교류에서 가청 윙윙거리는 소리를 냈고, 이는 사람의 가청 범위를 벗어나는 소리를 내기 위해 고주파 교류 발전기를 사용한 실험으로 이어졌다.
정류자 (전기)형 전동기는 고주파 교류에서 잘 작동하지 않는다. 전류의 빠른 변화가 전동기 자기장의 유도계수에 의해 반대되기 때문이다. 정류자형 범용 모터는 교류 가전제품 및 전동 공구에 흔히 사용되지만, 1 kW 미만의 소형 전동기이다. 유도전동기는 50~60 Hz 부근에서 잘 작동하는 것으로 밝혀졌지만, 1890년대에 사용할 수 있었던 재료는 예를 들어 133 Hz 주파수에서는 잘 작동하지 않았다. 유도전동기 자기장의 자기극 수, 교류의 주파수 및 회전 속도 사이에는 고정된 관계가 있다. 따라서 주어진 표준 속도는 주파수 선택(및 그 반대)을 제한한다. 교류 전동기가 보편화되자, 고객 장비와의 호환성을 위해 주파수를 표준화하는 것이 중요해졌다.
상용 주파수 운영 요인
저속 왕복기관으로 구동되는 발전기는 고속 증기 터빈으로 구동되는 발전기보다 주어진 극 수에 대해 더 낮은 주파수를 생성한다. 매우 낮은 원동기 속도의 경우, 높은 교류 주파수를 제공할 충분한 극을 가진 발전기를 만드는 것은 비용이 많이 든다. 또한 두 발전기를 동일한 속도로 동기화하는 것이 저속에서 더 쉽다는 것이 밝혀졌다. 느린 엔진의 속도를 높이는 방법으로 벨트 구동이 흔했지만, 매우 큰 정격(수천 킬로와트)에서는 비용이 많이 들고 비효율적이며 신뢰할 수 없었다. 1906년경부터 증기 터빈에 의해 직접 구동되는 발전기는 더 높은 주파수를 선호했다. 고속 기계의 더 안정적인 회전 속도는 회전 변환기에서 정류자 (전기)의 만족스러운 작동을 가능하게 했다.
RPM 단위의 동기 속도 N은 다음 공식으로 계산된다.
여기서 f는 헤르츠 단위의 주파수이고 P는 극의 수이다.
직류 전력은 교류로 완전히 대체되지 않았으며 철도 및 전기화학 공정에 유용했다. 수은 아크 정류기 개발 이전에는 교류에서 직류 전력을 생산하기 위해 회전 변환기가 사용되었다. 다른 정류자형 기계와 마찬가지로 이들은 더 낮은 주파수에서 더 잘 작동했다.
상용 주파수 운영 요인
교류를 사용하면 변압기를 사용하여 높은 송전선 전압을 낮은 고객 사용 전압으로 낮출 수 있다. 변압기는 움직이는 부품이 없고 유지 보수가 거의 필요 없는 효과적인 전압 변환기이다. 교류 사용으로 정기적인 유지 보수 및 모니터링이 필요한 회전하는 직류 전압 변환 전동 발전기의 필요성이 사라졌다.
주어진 전력 수준에서 변압기의 크기는 주파수에 대략적으로 반비례하므로, 많은 변압기가 있는 시스템은 더 높은 주파수에서 더 경제적이다.
긴 선을 통한 송전은 더 낮은 주파수를 선호한다. 선의 분산된 정전 용량 및 유도계수 효과는 낮은 주파수에서 더 적다.
발전기는 동일한 주파수와 파형일 때만 상호 연결되어 병렬로 작동할 수 있다. 사용 주파수를 표준화함으로써 지리적 영역의 발전기를 동력망에 상호 연결하여 신뢰성과 비용 절감을 제공할 수 있다.
상용 주파수 역사
19세기에는 많은 다른 전력 주파수가 사용되었다.
초기 독립형 교류 발전 방식은 증기기관, 물터빈 및 발전기 설계의 편의성에 기반한 임의의 주파수를 사용했다. 16+2⁄3 Hz와 133+1⁄3 Hz 사이의 주파수가 다른 시스템에서 사용되었다. 예를 들어, 1895년 영국 코번트리 시에는 1906년까지 사용된 독특한 87 Hz 단상 배전 시스템이 있었다. 주파수의 확산은 1880년에서 1900년까지 전기 기계의 빠른 발전에서 비롯되었다.
초기 백열등 기간에는 단상 교류가 흔했고, 일반적인 발전기는 2,000 RPM으로 작동하는 8극 기계로, 133 Hz의 주파수를 제공했다.
많은 이론이 존재하고, 꽤 많은 흥미로운 도시 전설이 있지만, 60 Hz 대 50 Hz 역사의 세부 사항에는 거의 확실한 것이 없다.
아에게 (독일에 에디슨이 설립한 회사에서 파생)는 50 Hz로 작동하는 최초의 독일 발전 시설을 건설했다. 당시 아에게는 사실상 독점 상태였고, 그들의 표준은 나머지 유럽으로 퍼져나갔다. 1891년 라우펜-프랑크푸르트 연결을 통해 전송된 40 Hz 전력으로 작동하는 램프의 깜박임을 관찰한 후, 아에게는 1891년에 표준 주파수를 50 Hz로 올렸다.