결정 진동자

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요

결정 진동자는 압전 공진기, 즉 석영 결정을 주파수 결정 요소로 사용하는 전기 발진기의 한 종류이다. 1880년 압전 효과가 발견된 이후, 1920년대와 1930년대에 고안정 주파수 기준을 위해 개발되었다. 석영 결정의 압전 효과를 이용하여 정확한 공진 주파수를 생성하며, 시계, 컴퓨터, 무선 통신, 계측 기기 등 다양한 분야에서 클럭 발진 회로, 필터 회로, 센서 등으로 활용된다. 결정의 크기, 절단 방식, 온도, 압력 등 환경 변화에 따라 주파수가 변동될 수 있으며, TCXO, OCXO 등과 같은 다양한 유형의 온도 보상 기술이 사용된다.

더 읽어볼만한 페이지

전기 회로 - 휘트스톤 브리지
휘트스톤 브리지는 회로 내 저항 비율을 이용하여 미지의 저항값을 정밀하게 측정하는 브리지 회로로, 가변 저항을 조절해 평형 상태를 만들어 측정하며 다양한 전기적 특성 측정에 응용되고 여러 변형된 형태가 있다.
전기 회로 - 다이오드 브리지
다이오드 브리지는 4개의 다이오드를 활용하여 교류 전압을 맥동하는 직류 전압으로 변환하는 회로이며, 입력 전압의 극성에 관계없이 전류가 같은 방향으로 흐르도록 하고 역전압 보호 기능을 제공한다.
디지털 회로 - 클럭 신호
클럭 신호는 디지털 회로의 동작을 동기화하는 주기적인 신호로, 수정 발진기나 위상동기회로를 통해 생성되며 마이크로프로세서의 동작 속도를 결정하고 전력 효율을 위한 동적 주파수 변경 기술과 잡음 감소를 위한 사인파 클럭이 사용되기도 하며, 칩 내부 분배 효율성이 중요하다.
디지털 회로 - 타이머
타이머는 시간 간격을 측정하거나 제어하는 장치 또는 기능으로, 기계식부터 전자식, 디지털, 소프트웨어 방식 등 다양한 형태로 존재하며, 독립적으로 사용되거나 시스템 내부에 내장되어 폭넓게 활용되고, 작동 방식과 구현 방식에 따라 여러 종류로 나뉘며, 최근에는 모바일 기반 타이머와 인공지능 기술을 활용한 효율적인 시간 관리 기능으로 발전하고 있다.
전자공학 - 전자전
전자전은 적의 전투 능력을 저하시키기 위해 전자기 에너지를 사용하는 군사 작전이며, 전자 공격, 전자 보호, 전자 지원의 세 가지 영역으로 나뉘어 통신 방해, 레이더 교란, 스텔스 기술 등을 포함한다.
전자공학 - 옴의 법칙
옴의 법칙은 1827년 게오르크 옴이 발표한, 전압(V)은 전류(I)와 저항(R)의 곱(V=IR)으로 표현되는, 전압, 전류, 저항 간의 관계를 나타내는 기본 법칙이다.

결정 진동자
기본 정보
유형	전기기계
작동 원리	압전 효과, 공진
발명가	알렉산더 M. 니콜슨, 월터 가이턴 캐디
최초 생산	1918년
기호	[[파일:IEEE 315 Fundamental Items Symbols (113).svg\|100px\|class=skin-invert-image]]

2. 역사

압전 효과는 1880년 자크와 피에르 퀴리 형제가 발견하였다.^[88] 폴 랑제뱅은 제1차 세계 대전 중에 소나에 사용하기 위해 수정 공진기를 처음 연구했다. 최초의 수정 제어 전자 발진기는 로셸 염 결정을 사용하여 1917년에 제작되었으며, 1918년에 알렉산더 M. 니콜슨이 벨 전화 연구소에서 특허를 받았다.^[6] 그의 우선순위는 월터 가이턴 캐디에 의해 논쟁의 여지가 있었다.^[7] 캐디는 1921년에 최초의 석영 결정 발진기를 제작했다.^[8] G. W. 피어스와 루이스 에센도 석영 결정 발진기의 초기 혁신가였다.

Vectron International Collection의 매우 초기 벨 연구소 수정

석영 결정 발진기는 1920년대와 1930년대에 고안정 주파수 기준을 위해 개발되었다. 수정 발진기 이전에는 라디오 방송국이 동조 회로로 주파수를 제어했는데, 이는 3~4 kHz까지 주파수가 쉽게 벗어날 수 있었다.^[9] 방송국은 10 kHz(미국) 또는 9 kHz(다른 지역) 간격으로 주파수를 할당받았기 때문에, 주파수 드리프트로 인한 인접 방송국 간의 간섭이 흔한 문제였다.^[9] 1925년, 웨스팅하우스는 자사의 주력 방송국 KDKA에 수정 발진기를 설치했으며,^[9] 1926년까지 석영 결정은 많은 방송국의 주파수를 제어하는 데 사용되었고 아마추어 무선 운영자들에게 인기가 있었다.^[10] 1928년, 벨 연구소의 워렌 매리슨은 최초의 석영 시계를 개발했다. 30년에 1초(30 ms/년, 또는 0.95 ns/s)까지의 정확도를 가진^[8] 석영 시계는 1950년대에 원자 시계가 개발될 때까지 세계에서 가장 정확한 시간 측정 장치로 정밀한 진자 시계를 대체했다. 벨 연구소의 초기 연구를 바탕으로, 미국 전화 전신 회사(AT&T)는 결국 주파수 제어 제품 부서를 설립했고, 나중에 분사되어 현재는 Vectron International로 알려지게 되었다.^[11]

이 시기에 여러 회사에서 전자 제품에 사용할 석영 결정을 생산하기 시작했다. 오늘날에는 원시적인 방법으로 여겨지는 방식을 사용하여, 1939년 미국에서 약 10만 개의 결정 장치가 생산되었다. 제2차 세계 대전을 통해 수정은 천연 석영 결정, 사실상 모두 브라질에서 수입된 것을 사용했다. 전쟁 중 군대와 해군의 정확한 주파수 제어를 위한 수요로 인한 수정 부족으로 인해 전쟁 후 인공 석영 배양에 대한 연구가 촉진되었고, 1950년까지 수열 합성 과정을 통해 벨 연구소에서 상업적 규모로 석영 결정을 성장시키는 기술이 개발되었다. 1970년대까지 전자 제품에 사용되는 거의 모든 수정은 인공적으로 만들어졌다.

1968년, 위르겐 슈타우데는 노스 아메리칸 항공(현재 록웰)에서 일하면서 석영 결정 발진기를 제조하기 위한 광식각 공정을 발명하여, 시계와 같은 휴대용 제품에 사용할 수 있을 만큼 작게 만들 수 있게 했다.^[12]

결정 발진기는 여전히 석영 결정을 가장 일반적으로 사용하지만, 세라믹 공진기와 같이 다른 재료를 사용하는 장치가 점점 더 보편화되고 있다.

3. 용어

'수정'은 전자공학에서 주파수를 결정하는 부품을 가리키는 일반적인 용어이다. 이 부품은 전극이 연결된 석영 결정이나 세라믹 웨이퍼로 만들어진다. 더 정확한 용어는 '압전 공진기'이다. 수정체는 수정 필터와 같은 다른 전자 회로에도 사용된다.^[6]

전기 회로도에서 수정은 "Y"(Y1, Y2 등)로, 발진기는 "G"(G1, G2 등)로 표시된다.^[76]^[77] 수정은 "X", "XTAL", 또는 "'''XO'''"로 표시되기도 한다.

수정 발진기 유형 및 약어는 다음과 같다.

약어	설명
ATCXO	아날로그 온도 제어 수정 발진기
CDXO	보정된 듀얼 수정 발진기
DTCXO	디지털 온도 보상 수정 발진기
EMXO	진공 소형 수정 발진기
GPSDO	GPS 정밀 발진기
MCXO	마이크로컴퓨터 보상 수정 발진기
OCVCXO	오븐 제어 전압 제어 수정 발진기
OCXO	오븐 제어 수정 발진기
RbXO	루비듐 수정 발진기 (MCXO일 수 있음)
TCVCXO	온도 보상 전압 제어 수정 발진기
TCXO	온도 보상 수정 발진기
TMXO	전술 소형 수정 발진기^[67]
TSXO	온도 감지 수정 발진기 (TCXO의 변형)
VCTCXO	전압 제어 온도 보상 수정 발진기
VCXO	전압 제어 수정 발진기

4. 원리

수정 발진기는 압전 효과를 이용하여 주파수를 결정하는 전자 발진기의 일종이다. 여기서 '수정'은 전극이 연결된 석영 결정이나 세라믹 웨이퍼를 의미하며, 더 정확하게는 '압전 공진기'라고 부른다.

압전 효과는 1880년 자크 퀴리와 피에르 퀴리 형제에 의해 발견되었다.^[78] 폴 랑제뱅은 제1차 세계 대전 중 소나에 사용하기 위해 수정 공진기를 처음 연구했다. 최초의 수정 제어 전자 발진기는 1917년에 로셸 염 결정을 사용하여 제작되었고, 1918년 알렉산더 M. 니콜슨에 의해 벨 전화 연구소에서 특허를 받았다.^[6]

수정 진동자는 전기적 특성으로는 일반적으로 콘덴서처럼 작동하지만, 특정 주파수 대역에서는 코일처럼 유도성 리액턴스를 갖는다. 일반적인 수정 진동자인 AT진동자는 압전체인 수정 조각(수정 블랭크)을 2개의 전극으로 감싼 수정 진동체를 홀더에 넣어 만든다.

수학적으로, 라플라스 변환을 사용하여 수정 결정 네트워크의 임피던스를 표현할 수 있다.

: $Z(s) = \frac{s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_\mathrm{s}}^2}{\left(s \cdot C_0\right)\left[s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_\mathrm{p}}^2\right]}$

여기서 $s$ 는 복소수 주파수( $s=j\omega$ )이고, $\omega_\mathrm{s}$ 는 직렬 공진 각주파수, $\omega_\mathrm{p}$ 는 병렬 공진 각주파수이다.

결정 양단에 정전 용량을 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 감소하고, 인덕턴스를 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 증가한다. 이러한 효과는 결정의 발진 주파수를 조정하는 데 사용될 수 있다. 결정 제조업체는 일반적으로 알려진 "부하" 정전 용량을 추가하여 특정 공진 주파수를 갖도록 결정을 절단하고 조정한다.

4. 1. 작동 원리

압전 효과는 1880년 자크 퀴리와 피에르 퀴리 형제에 의해 발견되었다.^[78] 수정 결정에 전압을 가하면(전계를 인가하면) 압전체에 변형이 생긴다.

석영 결정을 적절하게 절단하고 장착하면 결정 근처 또는 위에 있는 전극에 전압을 가하여 전기장에서 왜곡되도록 만들 수 있다. 이 속성은 역 압전 효과라고 알려져 있다. 전장을 제거하면 석영은 이전 모양으로 돌아갈 때 전기장을 생성하고, 이는 전압을 생성할 수 있다. 그 결과 석영 결정은 정확한 공진 주파수를 가진 인덕터, 캐패시터, 저항으로 구성된 RLC 회로처럼 동작한다.

수정 진동자 회로는 석영 공진기에서 전압 신호를 받아 증폭한 후 이를 다시 공진기에 되돌려 보내는 방식으로 진동을 유지한다. 석영의 팽창 및 수축 속도는 공명 주파수이며, 이는 결정의 절단 및 크기에 의해 결정된다. 생성된 출력 주파수의 에너지가 회로의 손실과 일치하면 진동이 유지될 수 있다.

진동자 결정은 두 개의 전도성 판을 가지고 있으며, 그 사이에 석영 결정 조각 또는 음차(tuning fork)가 끼워져 있다. 시동 과정에서 제어 회로는 결정을 불안정 평형 상태로 만들고, 시스템 내의 양의 피드백으로 인해 노이즈의 작은 부분이라도 증폭되어 진동이 증가한다. 결정 공진기는 이 시스템에서 매우 주파수 선택적인 필터로 볼 수도 있다. 즉, 공명 주파수 주변의 매우 좁은 주파수 대역만 통과시키고 나머지는 감쇠시킨다. 결국, 공명 주파수만 활성화된다. 진동기가 결정에서 나오는 신호를 증폭함에 따라 결정의 주파수 대역의 신호가 강해져 결국 진동기의 출력을 지배하게 된다. 석영 결정의 좁은 공명 대역은 원치 않는 주파수를 필터링한다.

석영 진동기의 출력 주파수는 기본 공명 주파수이거나 해당 공명 주파수의 배수일 수 있으며, 이를 고조파 주파수라고 한다. 고조파는 기본 주파수의 정확한 정수 배수이다. 그러나 다른 많은 기계적 공진기와 마찬가지로 결정은 일반적으로 기본 주파수의 약 홀수 정수 배수에서 여러 진동 모드를 나타낸다. 이를 "오버톤 모드"라고 하며, 진동기 회로는 이를 여기하도록 설계할 수 있다. 오버톤 모드는 기본 모드의 근사 홀수 정수 배수이지만 정확하지는 않은 주파수에 있으며, 따라서 오버톤 주파수는 기본 주파수의 정확한 고조파가 아니다.

고주파 결정은 종종 3차, 5차 또는 7차 오버톤에서 작동하도록 설계된다. 제조업체는 30MHz 이상의 기본 주파수를 생성할 만큼 얇은 결정을 생산하는 데 어려움을 겪는다. 더 높은 주파수를 생성하기 위해 제조업체는 3차, 5차 또는 7차 오버톤을 원하는 주파수에 맞춘 오버톤 결정을 만든다. 이는 더 두껍기 때문에 동일한 주파수를 생성하는 기본 결정보다 제조가 더 쉽기 때문이다. 그러나 원하는 오버톤 주파수를 여기하려면 약간 더 복잡한 진동기 회로가 필요하다.^[14]^[15]^[16]^[17]^[18]

4. 2. 주파수

발진 회로에서 트랜지스터, 코일, 콘덴서의 연결 조합에 의해 발진 조건이 결정되는 회로(하틀리 발진 회로, 콜피츠 발진 회로 등)에서 코일 대신 수정 진동자를 연결하면 고유 진동수의 발진 출력을 얻을 수 있다. 이 주파수는 10⁶ 오더의 정밀도를 쉽게 얻을 수 있어 주파수 및 시간 기준으로 널리 사용된다.

결정 크기 때문에 실용적인 수정 진동자는 주로 1 - 20MHz 정도이다. 더 높은 주파수는 오버톤 발진을 이용하거나 (높은 주파수용 수정 진동자는 오버톤 사용을 전제로 하기도 함) 주파수 배가기를 사용한다.

수정 진동자의 발진 주파수는 모양, 결정 절단 방향 등 특성에 따라 결정되므로 기본적으로 변경할 수 없다. 따라서 무선 통신 등에서는 주파수에 맞춰 수정 진동자를 교체하기도 한다. 하지만 외부 커패시턴스 조정으로 ±0.몇 % 정도 미세 조정이 가능하며, 이를 활용한 VXO^영어 (Variable Xtal Oscillator), 가변 용량 다이오드로 커패시턴스를 대체하여 전압 제어하는 VCXO^영어 (Voltage Controlled Xtal Oscillator, 전압 제어 수정 발진기) 등의 회로가 있다. 주파수 신시사이저는 수정 진동자, 전압 제어 발진기, 디지털 회로 카운터, 위상 비교기 등을 조합하여 안정적인 임의 주파수 출력을 얻는다.

4. 3. 공진 모드

결정은 구성 원자, 분자, 또는 이온이 3차원 공간 전체에 걸쳐 규칙적으로 정렬되고 반복적인 패턴으로 배열된 고체이다.

적절한 변환기를 사용하면 모든 물체가 고유한 공명 진동 주파수를 가지므로, 탄성 물질로 만들어진 거의 모든 물체를 결정처럼 사용할 수 있다. 예를 들어, 강철은 매우 탄성이 높고 음속이 빠르다. 석영 이전에는 기계적 필터에 자주 사용되었다. 공진 주파수는 크기, 모양, 탄성, 그리고 재료 내의 음속에 따라 달라진다. 고주파 결정은 일반적으로 간단한 직사각형 또는 원형 디스크 모양으로 절단된다. 디지털 시계에 사용되는 것과 같은 저주파 결정은 일반적으로 튜닝 포크 모양으로 절단된다. 매우 정확한 타이밍이 필요하지 않은 응용 분야에서는 저렴한 세라믹 공진기가 석영 결정을 대신하여 자주 사용된다.

석영 결정을 적절하게 절단하고 장착하면 결정 근처 또는 위에 있는 전극에 전압을 가하여 전기장에서 왜곡되도록 만들 수 있다. 이 속성은 역 압전 효과라고 알려져 있다. 전장을 제거하면 석영은 이전 모양으로 돌아갈 때 전기장을 생성하고, 이는 전압을 생성할 수 있다. 그 결과 석영 결정은 정확한 공진 주파수를 가진 인덕터, 캐패시터, 저항으로 구성된 RLC 회로처럼 동작한다.

석영은 탄성 상수와 크기가 온도에 대한 주파수 의존성이 매우 낮도록 변화하는 추가적인 장점이 있다. 특정 특성은 진동 모드와 석영이 절단되는 각도(결정 축에 상대적)에 따라 달라진다.^[13] 따라서 크기에 따라 달라지는 플레이트의 공진 주파수는 크게 변하지 않는다. 즉, 석영 시계, 필터 또는 발진기는 정확성을 유지한다. 중요한 응용 분야의 경우 석영 발진기는 결정 오븐이라고 하는 온도 제어 용기에 장착되며, 외부 기계적 진동에 의한 방해를 방지하기 위해 충격 흡수 장치에 장착될 수도 있다.

4. 4. 온도 효과

석영은 탄성 상수와 크기가 온도에 대한 주파수 의존성이 매우 낮도록 변화하는 장점이 있다.^[13] 특정 특성은 진동 모드와 석영이 절단되는 각도(결정 축에 상대적)에 따라 달라진다. 따라서 크기에 따라 달라지는 판의 공진 주파수는 크게 변하지 않는다. 즉, 석영 시계, 필터 또는 발진기는 정확성을 유지한다. 중요한 응용 분야의 경우 석영 발진기는 결정 오븐이라고 하는 온도 제어 용기에 장착되며, 외부 기계적 진동에 의한 방해를 방지하기 위해 충격 흡수 장치에 장착될 수도 있다.

수정 진동자의 주파수 특성은 수정의 모양 또는 "절단"에 따라 달라진다. 음차형 수정은 일반적으로 온도의 주파수 의존성이 25 °C 부근에서 최댓값을 갖는 2차 함수가 되도록 절단된다. 즉, 음차형 수정 발진기는 실온에서 목표 주파수에 가깝게 공진하지만, 온도가 실온보다 높거나 낮아지면 느려진다. 일반적인 32 kHz 음차형 수정에 대한 포물선 계수는 −0.04 ppm/°C²이다.

:

f = f_0\left[1 - 0.04~\text{ppm}/^\circ\text{C}^2 \cdot (T - T_0)^2\right].

실제 적용에서 일반적인 32 kHz 음차형 수정을 사용하여 제작된 시계는 실온에서 정확한 시간을 유지하지만, 실온보다 10 °C 높거나 낮을 경우 1년에 2분, 실온보다 20 °C 높거나 낮을 경우 1년에 8분 오차가 발생하는데, 이는 석영 수정 때문이다.

5. 모델링

석영 결정은 낮은 임피던스(직렬)와 높은 임피던스(병렬) 공진점이 가깝게 배치된 전기 네트워크로 모델링할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 결정의 발진 주파수를 조절할 수 있다.

결정 양단에 정전 용량을 추가하면 병렬 공진 주파수가 감소하고, 인덕턴스를 추가하면 병렬 공진 주파수가 증가한다. 결정 제조업체는 특정한 "부하" 정전 용량을 추가하여 결정의 공진 주파수를 조정한다. 예를 들어, 6pF 부하 용량에 사용하도록 설계된 결정은 6.0pF 커패시터가 연결될 때 지정된 병렬 공진 주파수를 갖는다. 부하 정전 용량이 없으면 공진 주파수는 더 높아진다.

5. 1. 전기적 모델

석영 결정은 낮은 임피던스(직렬)와 높은 임피던스(병렬) 공진점이 가깝게 배치된 전기 네트워크로 모델링할 수 있다. 라플라스 변환을 사용하여, 이 네트워크의 임피던스는 수학적으로 다음과 같이 쓸 수 있다.

:

Z(s) = \left( {\frac{1}{s\cdot C_1}+s\cdot L_1+R_1} \right) \left\| \left( {\frac{1}{s\cdot C_0}} \right) \right. ,

또는

:

\begin{align}Z(s) &= \frac{s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_\mathrm{s}}^2}{\left(s \cdot C_0\right)\left[s^2 + s\frac{R_1}{L_1} + {\omega_\mathrm{p}}^2\right]} \\[2pt]\Rightarrow \omega_\mathrm{s} &= \frac{1}{\sqrt{L_1 \cdot C_1}}, \quad \omega_\mathrm{p}= \sqrt{\frac{C_1 + C_0}{L_1 \cdot C_1 \cdot C_0}}= \omega_\mathrm{s} \sqrt{1 + \frac{C_1}{C_0}} \approx \omega_\mathrm{s} \left(1 + \frac{C_1}{2 C_0}\right) \quad \left(C_0 \gg C_1\right)\end{align}

여기서

s

는 복소수 주파수(

s=j\omega

)이고,

\omega_\mathrm{s}

는 직렬 공진 각주파수이며,

\omega_\mathrm{p}

는 병렬 공진 각주파수이다.

결정 양단에 정전 용량을 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 감소한다. 반대로 결정 양단에 인덕턴스를 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 증가한다. 이러한 효과는 결정이 발진하는 주파수를 조정하는 데 사용될 수 있다. 결정 제조업체는 일반적으로 결정에 특정 "부하" 정전 용량을 추가하여 특정 공진 주파수를 갖도록 결정을 절단하고 조정한다. 예를 들어, 6pF 부하에 사용하도록 설계된 결정은 6.0pF 커패시터가 결정에 연결될 때 지정된 병렬 공진 주파수를 갖는다. 부하 정전 용량이 없으면 공진 주파수는 더 높다.

5. 2. 부하 커패시턴스

결정 양단에 정전 용량을 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 감소한다. 반대로 결정 양단에 인덕턴스를 추가하면 (병렬) 공진 주파수가 증가한다. 이러한 효과를 이용하여 결정이 발진하는 주파수를 조정할 수 있다. 결정 제조업체는 일반적으로 결정에 특정한 "부하" 정전 용량을 추가하여, 정해진 공진 주파수를 갖도록 결정을 절단하고 조정한다. 예를 들어, 6 pF 부하 용량에 사용하도록 설계된 결정은 6.0 pF 커패시터가 결정에 연결될 때, 지정된 병렬 공진 주파수를 갖게 된다. 부하 정전 용량이 없으면 공진 주파수는 더 높아진다.^[78]

5. 3. 오버톤

30MHz 이상(최대 >200MHz)의 수정 진동자는 일반적으로 임피던스가 최소가 되고 직렬 저항과 같은 직렬 공진에서 작동한다. 이러한 수정 진동자는 병렬 커패시턴스 대신 직렬 저항(<100Ω)을 지정한다.^[78] 더 높은 주파수를 얻기 위해 수정 진동자를 기본 공진 주파수의 배수에 해당하는 오버톤 모드 중 하나에서 진동하도록 만들 수 있다. 홀수 번호의 오버톤만 사용되며, 이러한 수정 진동자를 3차, 5차 또는 7차 오버톤 수정 진동자라고 부른다. 이를 위해 발진기 회로는 원하는 오버톤을 선택하기 위한 추가 LC 회로를 포함하는 것이 일반적이다.

1~20MHz 정도의 수정 진동자가 실용적으로 많이 사용되지만, 그 이상의 주파수가 필요한 경우에는 높은 주파수용 수정 진동자를 오버톤 발진시키거나 주파수 배가기를 사용한다.

6. 회로

압전 효과는 1880년 자크와 피에르 퀴리 형제가 발견했다.^[78] 수정 진동자 회로는 석영 공진기에서 전압 신호를 받아 증폭한 후 이를 다시 공진기에 되돌려 보내는 방식으로 진동을 유지한다. 석영의 팽창 및 수축 속도는 공명 주파수이며, 이는 결정의 절단 및 크기에 의해 결정된다. 생성된 출력 주파수의 에너지가 회로의 손실과 일치하면 진동이 유지될 수 있다.

진동자 결정은 두 개의 전도성 판 사이에 석영 결정 조각 또는 음차(tuning fork)가 끼워져 있는 형태이다. 시동 과정에서 제어 회로는 결정을 불안정 평형 상태로 만들고, 시스템 내의 양의 피드백으로 인해 노이즈의 작은 부분이라도 증폭되어 진동이 증가한다. 결정 공진기는 이 시스템에서 매우 주파수 선택적인 필터로 볼 수도 있다. 즉, 공명 주파수 주변의 매우 좁은 주파수 대역만 통과시키고 나머지는 감쇠시킨다. 결국, 공명 주파수만 활성화된다. 진동기가 결정에서 나오는 신호를 증폭함에 따라 결정의 주파수 대역의 신호가 강해져 결국 진동기의 출력을 지배하게 된다. 석영 결정의 좁은 공명 대역은 원치 않는 주파수를 필터링한다.

석영 진동기의 출력 주파수는 기본 공명 주파수이거나 해당 공명 주파수의 배수인 고조파 주파수일 수 있다. 고조파는 기본 주파수의 정확한 정수 배수이다. 그러나 다른 많은 기계적 공진기와 마찬가지로 결정은 일반적으로 기본 주파수의 약 홀수 정수 배수에서 여러 진동 모드를 나타낸다. 이를 "오버톤 모드"라고 하며, 진동기 회로는 이를 여기하도록 설계할 수 있다. 오버톤 모드는 기본 모드의 근사 홀수 정수 배수이지만 정확하지는 않은 주파수에 있으며, 따라서 오버톤 주파수는 기본 주파수의 정확한 고조파가 아니다.

고주파 결정은 종종 3차, 5차 또는 7차 오버톤에서 작동하도록 설계된다. 제조업체는 30MHz 이상의 기본 주파수를 생성할 만큼 얇은 결정을 생산하는 데 어려움을 겪는다. 더 높은 주파수를 생성하기 위해 제조업체는 원하는 주파수에 맞춘 오버톤 결정을 만드는데, 이는 더 두껍기 때문에 동일한 주파수를 생성하는 기본 결정보다 제조가 더 쉽다. 그러나 원하는 오버톤 주파수를 여기하려면 약간 더 복잡한 진동기 회로가 필요하다.^[14]^[15]^[16]^[17]^[18]

수정 진동자가 널리 사용되는 주요 이유 중 하나는 높은 Q 팩터이다. 석영 진동기의 일반적인 ''Q'' 값은 10⁴에서 10⁶까지이며, LC 진동자의 경우 10² 정도이다. 고안정성 석영 진동기의 최대 ''Q''는 ''Q'' = 1.6 × 10⁷/''f''로 추정할 수 있으며, 여기서 ''f''는 메가헤르츠 단위의 공진 주파수이다.^[21]^[22]

석영 결정 진동자의 가장 중요한 특성 중 하나는 매우 낮은 위상 잡음을 나타낼 수 있다는 것이다. 결정 진동기에서 결정은 주로 한 축으로 진동하므로 하나의 위상만 지배적이다. 이러한 낮은 위상 잡음 특성으로 인해 안정적인 신호가 필요한 통신과 매우 정밀한 시간 기준이 필요한 과학 장비에 특히 유용하다.

온도, 습도, 압력 및 진동과 같은 환경 변화는 석영 결정의 공진 주파수를 변경할 수 있지만, 이러한 환경적 영향을 줄이는 여러 설계(TCXO, MCXO, OCXO)가 있다. 특히 OCXO는 우수한 단기 안정성을 가진 장치를 생산한다. 단기 안정성의 한계는 주로 진동기 회로의 전자 부품에서 발생하는 노이즈 때문이다. 장기 안정성은 결정의 노화에 의해 제한된다. 노화 및 환경적 요인으로 인해 최고 품질의 석영 진동자조차 지속적인 조절 없이는 공칭 주파수의 10¹⁰분의 1 이내로 유지하기 어렵다. 따라서 더 나은 장기 안정성과 정확성이 필요한 응용 분야에는 원자 진동자가 사용된다.

일반적인 AT 수정 진동자는 압전체인 수정 조각(수정 블랭크)을 2개의 전극으로 샌드위치한 수정 진동체를 홀더에 수납한 것이다. 수정 진동자는 자유 진동을 일으키므로 파형은 정현파가 된다.

발진 회로에서 트랜지스터와 코일・콘덴서의 연결 조합에 의해 발진 조건이 결정되는 회로(하틀리 발진 회로, 콜피츠 발진 회로 등)가 있다. 이들 회로 중 코일이 발진 조건으로 필요한 부분에 수정 진동자를 연결하면 그 고유 진동수의 발진 출력을 얻을 수 있다. 그 주파수는 10⁶ 오더의 정밀도를 쉽게 얻을 수 있으며, 주파수와 시간의 기준으로 널리 사용된다.

결정의 크기 관계 때문에 실용적으로 사용되는 수정 진동자는 1 - 20MHz 정도가 많다. 그 이상의 주파수가 필요할 때는 오버톤 발진을 시키거나, 주파수 배가기를 사용한다.

수정 진동자의 발진 주파수는 수정 진동자의 특성에 따라 결정되므로 기본적으로 변경할 수 없다. 무선 통신 등에서는 사용하는 주파수에 맞춰 수정 진동자를 교체하기도 한다. 하지만 외부 커패시턴스를 조정하여 ±0.몇 % 정도의 미세 조정이 가능하며, 이를 응용한 VXO (Variable Xtal Oscillator), 커패시턴스를 가변 용량 다이오드로 대체하여 전압 제어할 수 있도록 한 VCXO (Voltage Controlled Xtal Oscillator, 전압 제어 수정 발진기) 등의 회로가 있다. 또한 수정 진동자와 전압 제어 발진기, 디지털 회로에 의한 카운터 회로와 위상 비교기 등을 조합한 주파수 신시사이저를 통해 안정적인 임의 주파수의 출력 신호를 얻을 수도 있다.

6. 1. 스퓨리어스 주파수

직렬 공진에서 작동하거나 직렬 인덕터 또는 커패시터의 포함으로 인해 주 모드에서 벗어난 결정 진동자의 경우, 상당하고 온도에 의존적인 스퓨리어스 응답이 발생할 수 있다.^[14] 대부분의 스퓨리어스 모드는 일반적으로 원하는 직렬 공진보다 수십 킬로헤르츠 위에 있지만, 온도 계수는 주 모드와 다르며 특정 온도에서 스퓨리어스 응답이 주 모드를 통과할 수 있다.^[15] 스퓨리어스 공진에서의 직렬 저항이 원하는 주파수에서의 저항보다 더 높아 보이더라도, 두 주파수가 일치할 때 특정 온도에서 주 모드 직렬 저항의 급격한 변화가 발생할 수 있다.^[16] 이러한 활동 하강의 결과로, 발진기는 특정 온도에서 스퓨리어스 주파수에 고정될 수 있다.^[17] 이는 일반적으로 유지 회로가 원치 않는 모드를 활성화하기에 충분하지 않은 이득을 갖도록 함으로써 최소화된다.^[18]

스퓨리어스 주파수는 결정 진동자를 진동에 노출시켜 생성되기도 한다. 이것은 진동의 주파수에 의해 공진 주파수를 약간 변조한다. SC 컷(스트레스 보상) 결정 진동자는 장착 스트레스의 주파수 영향을 최소화하도록 설계되었으므로 진동에 덜 민감하다. 중력을 포함한 가속도 효과도 SC 컷 결정 진동자를 사용하면 감소하며, 장기간의 장착 스트레스 변화로 인한 시간 경과에 따른 주파수 변화도 감소한다. SC 컷 전단 모드 결정 진동자는 다른 밀접하게 관련된 원치 않는 모드를 구별하기 위한 유지 발진기의 필요성, 전체 주변 온도 범위에 노출될 때 온도에 따른 주파수 변화 증가와 같은 단점이 있다. SC 컷 결정 진동자는 온도 계수가 0인 온도(전환)에서 온도 제어가 가능한 경우에 가장 유리하며, 이러한 상황에서 프리미엄 장치의 전체적인 안정성 성능은 루비듐 주파수 표준의 안정성에 근접할 수 있다.

25 MHz crystal exhibiting spurious response

7. 종류

압전 효과는 1880년 자크 퀴리와 피에르 퀴리가 발견했다. 폴 랑제뱅은 제1차 세계 대전 중 소나에 사용하기 위해 수정 공진기를 처음 연구했다. 최초의 수정 제어 전자 발진기는 로셸 염 결정을 사용하여 1917년에 제작되었으며, 알렉산더 M. 니콜슨에 의해 벨 전화 연구소에서 1918년에 특허를 받았다.^[6] 그의 우선순위는 월터 가이턴 캐디에 의해 논쟁의 여지가 있었다.^[7] 캐디는 1921년에 최초의 석영 결정 발진기를 제작했다.^[8] 석영 결정 발진기의 다른 초기 혁신가로는 G. W. 피어스와 루이스 에센이 있다.

수정 발진기는 전기 발진기의 한 종류로, 압전 공진기, 즉 수정체를 주파수 결정 요소로 사용한다. '수정'은 전자공학에서 주파수를 결정하는 부품, 즉 전극이 연결된 석영 결정이나 세라믹 웨이퍼를 지칭하는 일반적인 용어이다.

결정은 구성 원자, 분자, 또는 이온이 3차원 공간 전체에 걸쳐 규칙적으로 정렬되고 반복적인 패턴으로 포장된 고체이다. 적절한 변환기를 사용하면 모든 물체가 고유한 공명 진동 주파수를 가지므로, 탄성 물질로 만들어진 거의 모든 물체를 결정처럼 사용할 수 있다.

석영 결정을 적절하게 절단하고 장착하면 결정 근처 또는 위에 있는 전극에 전압을 가하여 전기장에서 왜곡되도록 만들 수 있다. 이 속성은 역 압전 효과라고 알려져 있다. 전장을 제거하면 석영은 이전 모양으로 돌아갈 때 전기장을 생성하고, 이는 전압을 생성할 수 있다. 그 결과 석영 결정은 정확한 공진 주파수를 가진 인덕터, 캐패시터, 저항으로 구성된 RLC 회로처럼 동작한다.

수정은 몇 킬로헤르츠에서 수백 메가헤르츠에 이르는 광범위한 주파수 범위에서 진동하도록 제조될 수 있다.

오실레이터 결정에 가장 흔히 사용되는 재료는 석영이다. 기술 초창기에는 천연 석영 결정을 사용했지만, 현재는 수열 합성으로 성장한 합성 결정 석영이 주를 이룬다.

7. 1. 수정 절단 종류

-^[51]

절단	주파수 범위	모드	각도	설명
AT	500 kHz – 300 MHz	두께 전단 (모드, 느린 준전단)	35°15′, 0° 35°18′, 0°	1934년에 고가 잇사쿠 박사와 다카기 노보루 박사 등이 발명한 가장 일반적인 절단이다. 판은 결정체의 축을 포함하고 (광학) 축에서 35°15′ 기울어져 있다. 주파수-온도 곡선은 변곡점이 약 25~35 °C인 사인 곡선이다. 주파수 상수는 1.661 MHz⋅mm이다.^[52] 전체 결정의 90% 이상이 이 형태로 제작된다.^[53] 넓은 온도 범위에서 작동하는 발진기와 500 kHz–200 MHz 주파수 범위의 발진기에 사용되며, 오븐 제어 발진기에도 사용된다.^[54] 외부 힘이나 온도 변화에 따른 기계적 응력에 민감하다. 두께 전단 결정은 1–30 MHz에서 기본 모드, 30–90 MHz에서 3차 오버톤, 90–150 MHz에서 5차 오버톤으로 작동한다.^[55] 다른 자료에 따르면 300 MHz까지 기본 모드로 제작 가능하나, 해당 모드는 일반적으로 100 MHz까지만 사용된다.^[56] AT 절단의 기본 주파수 상한은 작은 직경의 블랭크의 경우 40 MHz로 제한된다.^[52] 기존의 둥근 디스크 또는 스트립 공진기로 제조 가능하며, 스트립 공진기는 훨씬 작은 크기를 허용한다. 석영 블랭크 두께는 약 (1.661 mm)/(주파수 MHz)이며, 주파수는 추가 처리에 의해 약간 변경된다.^[57] 세 번째 오버톤은 기본 주파수의 약 3배이다. 오버톤은 오버톤당 약 25 kHz씩 기본 주파수의 해당 배수보다 높다. 오버톤 모드로 작동하는 결정은 주어진 오버톤 주파수에서 최상의 성능을 위해 평행 평면 및 표면 처리를 거쳐야 한다.^[49] 공진 주파수는 f＝1.67n/t[MHz/mm]이다 (n=오버톤 차수, t=두께(단위:㎜)).^[79]^[80]^[81]
SC	500 kHz – 200 MHz	두께 전단	35°15′, 21°54′	1974년에 개발된 특수 절단(응력 보상)은 낮은 위상 잡음과 우수한 노화 특성을 가진 오븐 안정화 발진기에 사용되는 이중 회전 절단(35°15′ 및 21°54′)이다. 기계적 응력에 덜 민감하며, 빠른 예열 속도, 높은 Q 값, 우수한 근접 위상 잡음, 중력 벡터에 대한 공간적 방향 및 진동에 대한 낮은 민감성을 가진다.^[58] 주파수 상수는 1.797 MHz⋅mm이다. 결합 모드는 AT 절단보다 좋지 않고, 저항이 더 높은 경향이 있다. 오버톤 간 변환에 더 많은 주의가 필요하며, AT 절단과 동일한 주파수에서 작동한다. 주파수-온도 곡선은 95 °C에서 변곡점을 갖는 3차 하향 포물선으로, AT 절단보다 온도 감도가 훨씬 낮다. 우주 및 GPS 시스템의 OCXO에 적합하며, AT 절단보다 덜 일반적이고 제조가 더 어렵다. 매개변수 개선은 더 좁은 결정체 방향 공차와 교환된다.^[59] 노화 특성은 AT 절단의 2~3배 더 좋다. 구동 레벨에 덜 민감하고, 활동 딥이 적으며, 판 형상에 덜 민감하다. 오븐이 필요하며 주변 온도에서는 잘 작동하지 않고, 낮은 온도에서 주파수가 급격히 떨어진다. AT 절단보다 동적 커패시턴스가 몇 배 낮아 부착된 커패시터로 결정 주파수를 조정하기 어렵다. 따라서 결정 주파수 조정이 필요한 TCXO, VCXO 및 기타 응용 분야에서 사용이 제한된다.^[60]^[58] 기본 주파수의 온도 계수는 3차 오버톤의 온도 계수와 다르므로, 결정이 두 주파수에서 모두 작동하도록 구동될 때, 결과적인 비트 주파수를 마이크로컴퓨터 보상 수정 발진기에서 온도 감지에 사용할 수 있다. 전기장에 민감하며, 공기 감쇠에 민감하여 최적의 Q 값을 얻으려면 진공 포장이 필요하다.^[45] 모드의 온도 계수는 -25 ppm/°C이고, 이중 모드는 80~100 ppm/°C 이상이다.^[61] 급격한 온도 변화로 발생하는 주파수 변동(열 충격 특성)을 방지하기 위해 개발되었다.^[82]
BT	500 kHz – 200 MHz	두께 전단 (모드, 빠른 준전단)	−49°8′, 0°	AT 절단과 유사한 특수 절단으로, 판이 축에서 49°로 절단된다는 점만 다르다. 두께 전단 모드, 모드(빠른 준전단)에서 작동하며, 잘 알려져 있고 반복 가능한 특성을 가진다.^[62] 주파수 상수는 2.536 MHz⋅mm이다. AT 절단보다 온도 특성이 좋지 않지만, 더 높은 주파수 상수를 가지므로 AT 절단보다 높은 주파수의 결정에 사용 가능하며, 50 MHz 이상까지 사용 가능하다.^[52] z축에 -49°로 절단한 소자로, AT 컷에 비해 온도 특성 정밀도가 낮아 현재는 잘 사용되지 않는다.^[83]
IT		두께 전단		오븐 안정화 발진기에 사용되는 특수 절단으로, 이중 회전 절단이다. 두께 전단 모드로 작동하며, 주파수-온도 곡선은 78 °C에서 변곡점을 갖는 3차 하향 포물선이다. 거의 사용되지 않으며, SC 절단과 유사한 성능 및 특성을 가지며, 더 높은 온도에 적합하다.
FC		두께 전단		오븐 안정화 발진기에 사용되는 특수 절단으로, 이중 회전 절단이다. 두께 전단 모드로 작동하며, 주파수-온도 곡선은 52 °C에서 변곡점을 갖는 3차 하향 포물선이다. 거의 사용되지 않으며, 오븐 제어 발진기에 사용된다. 오븐은 AT/IT/SC 절단보다 낮은 온도로 설정 가능하며, 온도-주파수 곡선의 평평한 부분 시작점으로 설정할 수 있다(다른 절단보다 넓음). 주변 온도가 이 영역에 도달하면 오븐이 꺼지고 결정은 주변 온도에서 작동하며, 비교적 정확도를 유지한다. 따라서 이 절단은 낮은 오븐 온도를 허용하여 전력을 절약하고, 높은 주변 온도에서 비교적 안정성을 유지한다.^[63]
AK		두께 전단		AT 및 BT 절단보다 우수한 온도-주파수 특성을 가지며, AT, BT, SC 절단보다 결정학적 방향에 대한 허용 오차가 높은 이중 회전 절단(표준 AT 절단에 대해 50배)이다. 두께 전단 모드로 작동한다.^[59]
CT	300 – 900 kHz	면 전단	38°, 0°	주파수-온도 곡선은 하향 포물선이다.
DT	75 – 800 kHz	면 전단	−52°, 0°	CT 절단과 유사하며, 주파수-온도 곡선은 하향 포물선이다. 온도 계수는 CT 절단보다 낮으며, 주파수 범위가 허용되는 경우 CT보다 DT가 선호된다.^[52]
SL		면 전단	−57°, 0°
GT	100 kHz – 3 MHz	폭 확장	51°7′	−25 ~ +75 °C 사이의 온도 계수가 두 모드 간 상쇄 효과로 인해 거의 0이다.^[52]
E, 5°X	50 – 250 kHz	종 방향		비교적 낮은 온도 계수를 가지며, 저주파 결정 필터에 널리 사용된다.^[52]
MT	40 – 200 kHz	종 방향
ET			66°30′
FT			−57°
NT	8 – 130 kHz	길이-폭 굴곡 (굽힘)
XY, 튜닝 포크	3 – 85 kHz	길이-폭 굴곡		주요 저주파 결정으로, 다른 저주파 절단보다 작고 저렴하며, 임피던스가 낮고 비율이 낮다. 주요 응용 분야는 32.768 kHz RTC 결정이다. 두 번째 오버톤은 기본 주파수의 약 6배이다.^[49]
H	8 – 130 kHz	길이-폭 굴곡		광대역 필터에 널리 사용되며, 온도 계수는 선형이다.
J	1 – 12 kHz	길이-두께 굴곡		J 절단은 주어진 전기장에 대해 위상이 다른 움직임을 생성하도록 선택된 두 개의 석영 판을 접착하여 만든다.
RT				이중 회전 절단이다.
SBTC				이중 회전 절단이다.
TS				이중 회전 절단이다.
X 30°				이중 회전 절단이다.
LC		두께 전단	11.17° / 9.39°	선형 온도-주파수 응답을 갖는 이중 회전 절단("선형 계수")이며, 결정 온도계 센서로 사용할 수 있다.^[64] 온도 계수는 35.4 ppm/°C이다.^[61]
AC			31°	온도에 민감하며 센서로 사용할 수 있다. 가파른 주파수-온도 특성을 가진 단일 모드이다.^[65] 온도 계수는 20 ppm/°C이다.^[61]
BC			−60°	온도에 민감하다.^[65]
NLSC				온도에 민감하다.^[65] 온도 계수는 약 14 ppm/°C이다.^[61]
Y				온도에 민감하며 센서로 사용할 수 있다. 가파른 주파수-온도 특성을 가진 단일 모드이다.^[65] 판의 평면은 결정의 축에 수직이다.^[66] 평행 또는 30도라고도 한다. 온도 계수는 약 90 ppm/°C이다.^[61]
X				1921년 W.G. Cady가 최초의 결정 발진기 중 하나에 사용했으며, 1927년 Horton과 Marrison이 최초의 결정 시계에 50 kHz 발진기로 사용했다.^[67] 판의 평면은 결정의 축에 수직이다. 수직, 정상, 퀴리, 영각, 또는 초음파라고도 한다.^[68]

7. 2. 패키지 종류

ASIC나 CPU와 같은 동기 회로 패키지에서는 발진 회로를 내장하여, 수정 진동자를 연결하는 것만으로 사용할 수 있도록 하는 경우가 많다. 정밀도 보상을 위해 내부 EEPROM 등에 보정값을 저장할 수 있도록 하는 칩도 있다.
시계용 RTC 모듈 등, 특히 정밀도가 요구되는 용도에는, 단독 수정 진동자가 아닌, 발진 회로와 함께 하나의 패키지에 조립되어 전원을 연결하면 출력 신호를 얻을 수 있는 '''클럭 모듈'''이 사용되는 경우도 있다.
수정 진동자의 발진 주파수는 온도에 대한 의존성이 강하며, 정밀도를 제한하는 요인이 된다. 대책으로 패키지 내의 발진 회로에 온도 센서를 탑재하여 주파수를 보정하거나, 수정 진동자나 발진 회로를 항온조에 격납하여 온도 변화를 방지함으로써 정밀도를 높일 수 있다. 수정 발진기를 실장하는 항온조를 오븐이라고 부른다.
TCXO (Temperature-compensated crystal Oscillator)^영어: 온도 보상형 수정 발진기
VCTCXO (Voltage Controlled Temperature Compensated crystal Oscillator)^영어: 아날로그 전압으로 진동 주파수를 제어할 수 있는 온도 보상형 수정 발진기
DTCXO (Digital Temperature Compensated crystal Oscillator)^영어: 디지털형 온도 보상 발진기
ATCXO (Analog Temperature Controlled crystal Oscillator)^영어: 아날로그형 온도 보상 발진기
VCXO (Voltage-Controlled crystal Oscillator)^영어: 전압 제어 수정 발진기
TCVCXO (Temperature-Compensated Voltage-Controlled crystal Oscillator)^영어: 온도 보상형 전압 제어 수정 발진기
OCXO (Oven-Controlled crystal Oscillator)^영어: 항온조 부착 수정 발진기
OCVCXO (Oven-Controlled Voltage-Controlled crystal Oscillator)^영어: 항온조 부착 전압 제어 수정 발진기
RbXO (Rubidium crystal Oscillators)^영어: 소비 전력을 줄이기 위해 루비듐 발진기와 가끔 동기화하도록 한 수정 발진기
MCXO (Microcomputer-Compensated crystal Oscillator)^영어: 마이크로컴퓨터 보상 수정 발진기
TSXO (Temperature-Sensing crystal Oscillator)^영어
CDXO (Calibrated Dual crystal Oscillator)^영어

8. 구조 및 재료

압전 효과를 이용하는 수정 발진기는 다양한 재료와 형태로 제작될 수 있다.

석영: 가장 흔히 사용되는 재료이다. 초기에는 천연 석영 결정을 사용했지만, 현재는 수열 합성으로 만든 합성 결정 석영이 주를 이룬다. 이는 더 높은 순도, 낮은 비용, 편리한 취급 등의 장점을 가진다.^[23] 천연 결정은 깊은 우물용 압력 변환기와 같은 특수 용도로 제한적으로 사용된다.
기타 압전 재료: 탄탈산 리튬, 니오브산 리튬, 붕산 리튬, 베를린나이트 등 다양한 재료가 사용될 수 있다.^[38]^[39]
형태:
고주파 결정: 직사각형, 원형 디스크
저주파 결정: 튜닝 포크 형태 (디지털 시계 등에 사용)
기타: 세라믹 공진기 (정밀도가 낮은 경우)

석영 결정은 전기장 내에서 왜곡되는 성질(역 압전 효과)을 이용하여 RLC 회로처럼 동작한다. 또한, 온도 변화에 따른 주파수 의존성이 매우 낮아 안정적인 동작을 보장한다.^[13]

결정의 절단 방향(cut)은 노화 특성, 주파수 안정성, 온도 특성 등에 영향을 미친다. 다양한 절단 방식이 존재하며, 각각 다른 특성을 가진다.

절단	모드	설명
AT	두께 전단 ( 모드, 느린 준전단)	가장 일반적인 절단으로, 넓은 온도 범위에서 안정적으로 동작한다. 주파수-온도 곡선은 변곡점이 약 인 사인 곡선이다.^[52]
SC	두께 전단	1974년에 개발된 특수 절단(응력 보상)으로, 낮은 위상 잡음과 우수한 노화 특성을 가진다. 기계적 응력에 덜 민감하다.^[58]
BT	두께 전단 ( 모드, 빠른 준전단)	AT 절단과 유사하지만, 축에서 49°로 절단된다. 모드(빠른 준전단)에서 작동한다.^[62]
IT	두께 전단	오븐 안정화 발진기에 적합한 특수 절단이다.
FC	두께 전단	오븐 안정화 발진기에 적합하며, 낮은 오븐 온도를 허용하여 전력을 절약한다.
AK	두께 전단	AT 및 BT 절단보다 결정학적 방향에 대한 허용 오차가 높다.^[59]
CT	면 전단	주파수-온도 곡선은 하향 포물선이다.
DT	면 전단	CT 절단과 유사하며, 온도 계수가 더 낮다.
SL	면 전단
GT	폭 확장	−25 ... +75 °C 사이의 온도 계수가 거의 0이다.^[52]
E, 5°X	종 방향	저주파 결정 필터에 널리 사용된다.^[52]
MT	종 방향
ET
FT
NT	길이-폭 굴곡 (굽힘)
XY, 튜닝 포크	길이-폭 굴곡	주요 저주파 결정체로, 작고 저렴하며 임피던스가 낮다. 주로 RTC 결정체에 사용된다.^[49]
H	길이-폭 굴곡	광대역 필터에 사용된다.
J	길이-두께 굴곡	두 개의 석영 판을 접착하여 만든다.
RT		이중 회전 절단이다.
SBTC		이중 회전 절단이다.
TS		이중 회전 절단이다.
X 30°		이중 회전 절단이다.
LC	두께 전단	선형 온도-주파수 응답을 가지며 결정 온도계 센서로 사용된다.^[64]
AC		온도에 민감하며 센서로 사용된다.^[65]
BC		온도에 민감하다.^[65]
NLSC		온도에 민감하다.^[65]
Y		온도에 민감하며 센서로 사용된다.^[65]
X		1921년 W.G. Cady가 최초의 결정 발진기 중 하나에 사용했다.^[67]

결정은 일반적으로 밀폐된 케이스(유리, 금속, 플라스틱)에 장착되어 외부 환경으로부터 보호된다.

9. 안정성

압전 효과는 1880년 자크 퀴리와 피에르 퀴리 형제가 발견했다. 폴 랑제뱅은 제1차 세계 대전 중 소나에 사용하기 위해 수정 공진기를 처음 연구했다. 최초의 수정 제어 전자 발진기는 로셸 염 결정을 사용하여 1917년에 제작되었으며, 1918년 알렉산더 M. 니콜슨이 벨 전화 연구소에서 특허를 받았다.^[6] 그의 우선순위는 월터 가이턴 캐디에 의해 논쟁의 여지가 있었다.^[7] 캐디는 1921년에 최초의 석영 결정 발진기를 제작했다.^[8] G. W. 피어스와 루이스 에센도 석영 결정 발진기의 초기 혁신가였다.

석영 결정 발진기는 1920년대와 1930년대에 고안정 주파수 기준을 위해 개발되었다. 수정 발진기 이전에는 라디오 방송국이 동조 회로로 주파수를 제어했는데, 이는 주파수가 3~4 kHz까지 쉽게 벗어날 수 있었다.^[9] 당시 방송국은 10 kHz(미국) 또는 9 kHz(다른 지역) 간격으로 주파수를 할당받았기 때문에, 주파수 드리프트로 인한 인접 방송국 간의 간섭이 흔한 문제였다.^[9] 1925년, 웨스팅하우스는 자사 주력 방송국 KDKA에 수정 발진기를 설치했으며,^[9] 1926년에는 석영 결정이 많은 방송국의 주파수를 제어하고 아마추어 무선 운영자들에게도 인기를 얻었다.^[10] 1928년, 벨 연구소의 워렌 매리슨은 최초의 석영 시계를 개발했다. 석영 시계는 30년에 1초(30 ms/년, 또는 0.95 ns/s)까지의 정확도를 가졌으며,^[8] 1950년대 원자 시계가 개발될 때까지 세계에서 가장 정확한 시간 측정 장치로 정밀한 진자 시계를 대체했다. 벨 연구소의 초기 연구를 바탕으로, AT&T(미국 전화 전신 회사)는 주파수 제어 제품 부서를 설립했고, 이 부서는 나중에 분사되어 현재 Vectron International로 알려져 있다.^[11]

수정 진동자 회로는 석영 공진기에서 전압 신호를 받아 증폭한 후 이를 다시 공진기에 되돌려 보내는 방식으로 진동을 유지한다. 석영의 팽창 및 수축 속도는 공명 주파수이며, 이는 결정의 절단 및 크기에 의해 결정된다. 생성된 출력 주파수의 에너지가 회로의 손실과 일치하면 진동이 유지될 수 있다.

결정 진동기는 높은 Q 팩터를 가지는 것이 큰 장점이다. 일반적인 석영 진동기의 ''Q'' 값은 10⁴에서 10⁶까지이며, 이는 LC 진동자의 10² 정도보다 훨씬 높다. 고안정성 석영 진동기의 최대 ''Q''는 ''Q'' = 1.6 × 10⁷/''f''로 추정할 수 있으며, 여기서 ''f''는 메가헤르츠 단위의 공진 주파수이다.^[21]^[22]

석영 결정 진동자는 매우 낮은 위상 잡음을 나타낼 수 있다는 중요한 특성이 있다. 이는 안정적인 신호가 필요한 통신과 매우 정밀한 시간 기준이 필요한 과학 장비에 특히 유용하다.

온도, 습도, 압력, 진동과 같은 환경 변화는 석영 결정의 공진 주파수를 변경할 수 있지만, TCXO, MCXO, OCXO 등의 설계를 통해 이러한 환경적 영향을 줄일 수 있다. 특히 OCXO는 우수한 단기 안정성을 가진 장치를 생산한다. 그러나 장기 안정성은 결정의 노화에 의해 제한된다.

노화 및 환경적 요인으로 인해 지속적인 조절 없이는 최고 품질의 석영 진동자조차 공칭 주파수의 10¹⁰분의 1 이내로 유지하기 어렵다. 따라서 더 나은 장기 안정성과 정확성이 필요한 응용 분야에는 원자 진동자가 사용된다.

수정의 품질을 측정하는 방법 중 하나로 적외선 분광법이 사용된다. 파수 3585, 3500, 3410 cm⁻¹을 일반적으로 사용하여 OH 라디칼의 흡수 띠를 기반으로 적외선 Q 값을 계산한다. 전자 등급 결정(C 등급)은 180만 이상, 프리미엄 등급 B 결정은 220만, 특별 프리미엄 등급 A 결정은 300만의 Q 값을 갖는다.

온도는 동작 주파수에 영향을 미치며, 아날로그 보상(TCXO) 및 마이크로컨트롤러 보상(MCXO)부터 수정 발진기 오븐(OCXO)을 이용한 온도 안정화에 이르기까지 다양한 형태의 보상이 사용된다. 수정은 온도 이력 현상을 가지며, 선형 온도 특성을 가진 특수 컷(LC 컷)을 만들 수도 있다.

9. 1. 노화

결정 진동자는 시간이 지남에 따라 주파수가 느리고 점진적으로 변하는데, 이를 노화라고 한다. 노화에는 여러 메커니즘이 관여한다.

내부 요인:
마운팅과 접촉부의 응력 완화
오염 물질 분자의 흡착에 의한 질량 변화: 잔류 대기, 수정, 전극, 포장재에서 가스 방출된 오염 물질이 수정 표면에 흡착된다.
결정 조성 변화: 가스 방출, 불순물 원자 확산, 전극에서의 이동 등으로 발생한다.
방사선에 의한 격자 손상
결정 또는 인클로저 내부 표면에서의 느린 화학 반응
전극 재료(크롬, 알루미늄)와 수정의 반응: 금속 산화물 및 실리콘 층을 생성하며, 이는 시간에 따라 변화한다.
인클로저 압력 변화: 대기압, 온도, 누출, 내부 재료 가스 방출 등에 의해 발생한다.
외부 요인:
발진기 회로 노화 (예: 커패시턴스 변화)
수정 오븐의 매개변수 드리프트
외부 대기 조성 변화 (예: 수소는 니켈 하우징을 통해 확산 가능)
루비듐 표준의 유리 인클로저를 통한 헬륨 확산 ^[44]

금은 노화가 적은 공진기에 선호되는 전극 재료이다. 금은 석영에 대한 접착력이 강하고, 강한 기계적 충격에도 접촉을 유지하며, 산화물을 형성하지 않고, 유기 오염 물질을 흡착하지만 쉽게 제거할 수 있다. 그러나 금만으로는 박리될 수 있어 크롬 층을 추가하여 결합 강도를 높이기도 한다.

은과 알루미늄도 전극으로 사용되지만, 시간이 지나면서 산화물 층을 형성하여 수정 질량을 증가시키고 주파수를 낮춘다. 은은 요오드 증기에 노출시켜 아이오딘화은 층을 형성하여 수동화할 수 있다.^[45] 알루미늄은 빠르게 산화되지만, 약 5 nm 두께에 도달하면 산화 속도가 느려진다.

전극 간 직류 전압 바이어스는 초기 노화를 가속화할 수 있는데, 이는 수정체를 통한 불순물의 유도 확산 때문일 가능성이 있다. 수정과 직렬로 커패시터를, 병렬로 수 메가옴 저항을 배치하면 이러한 전압을 최소화할 수 있다.

노화는 시간이 지남에 따라 로그 함수적으로 감소하며, 가장 큰 변화는 제조 직후에 발생한다. 인공 노화(85~125°C에서 장기간 보관)를 통해 장기적인 안정성을 높일 수 있다.

9. 2. 기계적 손상

수정 진동자는 충격에 민감하다. 기계적 응력은 수정의 응력 감도 때문에 진동자 주파수에 단기적인 변화를 일으키며, 장착 및 내부 응력의 충격 유도 변화(기계 부품의 탄성 한계를 초과하는 경우), 수정 표면의 오염 탈착, 진동 회로 매개변수 변경 등으로 인해 주파수에 영구적인 변화를 가져올 수 있다.^[46] 높은 강도의 충격은 수정을 장착에서 떼어내거나(특히 얇은 와이어에 매달린 대형 저주파수 수정의 경우), 수정을 금이 가게 할 수 있다. 표면 결함이 없는 수정은 충격에 매우 강하며, 화학 연마를 통해 수만 g를 견딜 수 있는 수정을 만들 수 있다.^[46]

수정은 본질적인 고장 메커니즘이 없으나, 결합 불량, 누출 인클로저, 부식, 노화에 의한 주파수 변화, 과도한 기계적 충격으로 인한 수정 파손, 스위프 석영이 아닌 경우 방사선 유도 손상 등으로 인해 고장이 발생할 수 있다.^[47] 수정은 과도한 구동에 의해서도 손상될 수 있다.

결정 진동자는 적절한 드라이브 레벨로 구동되어야 한다. 특히 굴곡 모드 결정과 같이 저주파 결정은 드라이브 레벨이 너무 높으면 파손될 수 있다. 드라이브 레벨은 결정 내에서 소모되는 전력량으로 지정된다. 적절한 드라이브 레벨은 최대 100 kHz의 굴곡 모드의 경우 약 5 μW, 1–4 MHz의 기본 모드의 경우 1 μW, 4–20 MHz의 기본 모드의 경우 0.5 μW, 20–200 MHz의 오버톤 모드의 경우 0.5 μW이다.^[49] 드라이브 레벨이 너무 낮으면 발진기 시작에 문제가 발생할 수 있다. 낮은 드라이브 레벨은 발진기의 더 높은 안정성과 낮은 전력 소비에 더 좋으며, 높은 드라이브 레벨은 신호 대 잡음비를 증가시켜 잡음의 영향을 줄인다.^[50]

9. 3. 주파수 변동

결정 진동자의 주파수 안정도는 결정의 Q에 의해 결정된다. Q는 주파수에 반비례하며, 특정 컷에 따라 달라지는 상수에도 반비례한다. Q에 영향을 미치는 다른 요인으로는 사용된 오버톤, 온도, 결정 구동 수준, 표면 마감 품질, 접착 및 장착에 의해 결정에 가해지는 기계적 응력, 결정 및 부착된 전극의 형상, 재료 순도 및 결정의 결함, 인클로저 내 가스의 유형 및 압력, 간섭 모드, 이온화 및 중성자 방사선의 존재 및 흡수 선량 등이 있다.^[26]

AT 컷 결정의 안정성은 주파수가 증가함에 따라 감소한다. 더 정확한 고주파의 경우 기본 주파수가 낮고 오버톤에서 작동하는 결정을 사용하는 것이 더 좋다.

잘 설계되지 않은 발진기 회로는 갑자기 오버톤에서 발진을 시작할 수 있다. 1972년, 캘리포니아주 프리몬트에서 열차가 결함이 있는 발진기로 인해 충돌했는데, 탱크 커패시터의 부적절한 값으로 인해 제어 보드의 결정이 과도하게 구동되어 오버톤으로 점프하면서 열차가 속도를 늦추는 대신 빨라졌다.^[42]

기계적 응력, 기압 변화, 대기 습도, 전원 전압, 부하 임피던스, 자기장, 전기장, 방사선, 결정의 노화 등 다양한 요인이 주파수에 영향을 미친다.^[43] 예를 들어, 대기 습도는 공기의 열 전달 특성에 영향을 미치며, 물 분자가 플라스틱 구조로 확산되어 유전율과 전기 전도도를 변경하여 플라스틱의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다.^[43]

수정 진동자는 충격에 민감하다. 기계적 응력은 수정의 응력 감도 때문에 진동자 주파수에 단기적인 변화를 일으키고, 장착 및 내부 응력의 충격 유도 변화, 수정 표면의 오염 탈착, 또는 진동 회로 매개변수 변경으로 인해 주파수에 영구적인 변화를 가져올 수 있다. 높은 강도의 충격은 수정을 장착에서 떼어내거나, 수정을 금이 가게 할 수 있다. 그러나 표면 결함이 없는 수정은 화학 연마를 통해 수만 g를 견딜 수 있도록 만들 수 있다.^[46]

수정은 본질적인 고장 메커니즘이 없지만, 결합 불량, 누출 인클로저, 부식, 노화에 의한 주파수 변화, 과도한 기계적 충격, 방사선 유도 손상 등으로 인해 고장이 발생할 수 있다.^[47]

수정 진동자는 단기적인 미세한 주파수 변동을 겪기도 한다. 이러한 잡음의 주요 원인은 열 잡음, 포논 산란, 수정 표면에서의 분자 흡착/탈착, 발진기 회로의 잡음, 기계적 충격 및 진동, 가속 및 방향 변화, 온도 변동, 기계적 응력 완화 등이 있다. 단기 안정성은 앨런 분산, 위상 잡음, 위상 편차의 스펙트럼 밀도, 분수 주파수 편차의 스펙트럼 밀도로 측정된다.

위상 잡음은 주파수 합성 시스템에서 중요한 역할을 한다. 주파수를 N배 곱하면 위상 잡음 전력이 N²배 증가하기 때문에, PLL 또는 FSK 기술을 사용하는 시스템에 치명적일 수 있다.

자기장은 석영이 반자성체이므로 수정 자체에는 거의 영향을 미치지 않지만, 회로에는 영향을 줄 수 있다.^[48]

전원을 켠 후 수정은 주파수를 안정화하는 데 시간이 걸린다. 오븐 제어 OCXO는 일반적으로 3~10분이 필요하며, 오븐이 없는 발진기는 몇 초 안에 안정화된다.^[48]

결정 진동자는 적절한 드라이브 레벨로 구동되어야 한다. 드라이브 레벨이 너무 높으면 결정이 파손될 수 있고, 너무 낮으면 발진기 시작에 문제가 발생할 수 있다. 낮은 드라이브 레벨은 안정성과 전력 소비에 좋고, 높은 드라이브 레벨은 신호 대 잡음비를 증가시켜 잡음의 영향을 줄인다.^[49]^[50]

10. 응용

결정 진동자는 다양한 분야에서 활용되고 있다.

'''시계''': 쿼츠 시계, 손목시계 등 소형 시계에는 주로 32.768 kHz (1초에 2의 15제곱 회 진동)의 수정 진동자가 사용된다. 이는 소형화에 유리하며, 1 Hz의 주파수를 얻기 쉽기 때문이다.
'''컴퓨터, 전자 기기''': 클럭 발진 회로에 사용된다.
'''계측 기기'''
'''막후계''': 진공 증착 과정에서 증착 물질이 진동자 표면에 부착되면 질량이 증가하여 진동수가 변하는 원리를 이용하여 막의 두께를 측정한다.
'''수정 진동자 마이크로 밸런스''': 수정 진동자 표면에 물체가 부착될 때 발생하는 발진 주파수 변화를 이용하여 분자 수준의 미세한 질량을 측정한다.
'''수정 압전식 압력 센서'''^[84]
'''무선 통신'''
'''필터 회로''': 수정 필터 (크리스털 필터)는 특히 CW나 SSB 변조와 같이 좁은 통과 대역폭과 높은 감쇠량이 필요한 경우에 사용된다.
'''컬러 텔레비전''': NTSC 방식에서 색 부반송파를 재생하는 데 사용된다.
'''NSB 크리스터, NSB 크리스털''': 일본 단파 방송(NSB, 현 닛케이 라디오사)의 주파수에 정확하게 동조시키기 위한 단파 라디오의 옵션 장치이다.
'''PLL을 응용한 주파수 신시사이저'''의 기준 주파수원으로 사용된다.
'''센싱 장치''': 수정 진동자 표면에 특정 휘발성 유기 화합물(VOC)을 흡착시키는 화학적 처리를 통해, 진동수 변화를 감지하여 VOC를 검출하고 정량화한다.

전통적으로 결정 진동자는 주로 발진 소자로 사용되었지만, 2010년대 이후에는 센싱 장치로서의 활용도도 연구되고 있다.

11. 규격

-^[51]

공진기 판은 원천 결정체에서 여러 가지 방법으로 절단할 수 있다. 절단의 방향은 결정체의 노화 특성, 주파수 안정성, 열적 특성 및 기타 매개변수에 영향을 미친다. 이러한 절단은 벌크 음향파(BAW)에서 작동하며, 더 높은 주파수에서는 표면 탄성파(SAW) 장치가 사용된다.

절단	주파수 범위	모드	각도	설명
AT	–	두께 전단 (c^영어\| 모드, 느린 준전단)	35°15′, 0° 35°18′, 0°	1934년에 개발된 가장 일반적인 절단이다. 판은 결정체의 x^영어 축을 포함하고 z^영어 (광학) 축에서 35°15′ 기울어져 있다. 주파수-온도 곡선은 변곡점이 약 25~35 °C인 사인 곡선이다. 주파수 상수는 1.661MHz.mm이다.^[52] 모든 결정체의 대부분(추정 90% 이상)이 이 변형이다.^[53] 더 넓은 온도 범위에서 작동하는 발진기에 사용되며, –의 주파수 범위에도 사용된다. 오븐 제어 발진기에도 사용된다.^[54] 외부 힘이나 온도 구배로 인한 기계적 응력에 민감하다. 두께 전단 결정은 일반적으로 –에서 기본 모드로, –에서 3차 오버톤으로, –에서 5차 오버톤으로 작동한다.^[55] 다른 출처에 따르면, 까지 기본 모드로 제작할 수 있지만, 해당 모드는 일반적으로 까지만 사용된다.^[56] 또 다른 출처에 따르면, AT 절단의 기본 주파수 상한은 작은 직경의 블랭크의 경우 로 제한된다.^[52] 기존의 둥근 디스크 또는 스트립 공진기로 제조할 수 있으며, 후자는 훨씬 더 작은 크기를 허용한다. 석영 블랭크의 두께는 약 (1.661mm)/(주파수 MHz)이며, 주파수는 추가 처리에 의해 약간 이동한다.^[57] 세 번째 오버톤은 기본 주파수의 약 3배이다. 오버톤은 오버톤당 약 씩 기본 주파수의 해당 배수보다 높다. 오버톤 모드로 작동하도록 설계된 결정체는 주어진 오버톤 주파수에서 최상의 성능을 위해 평행 평면 및 표면 마무리를 위해 특별히 처리해야 한다.^[49]
SC	–	두께 전단	35°15′, 21°54′	1974년에 개발된 특수 절단(응력 보상)은 낮은 위상 잡음과 우수한 노화 특성을 가진 오븐 안정화 발진기에 대한 이중 회전 절단(35°15′ 및 21°54′)이다. 기계적 응력에 덜 민감하다. 더 빠른 예열 속도, 더 높은 Q, 더 나은 근접 위상 잡음, 중력 벡터에 대한 공간적 방향에 대한 덜 민감성, 진동에 대한 덜 민감성을 가지고 있다.^[58] 주파수 상수는 1.797MHz.mm이다. 결합 모드는 AT 절단보다 좋지 않고, 저항이 더 높은 경향이 있다. 오버톤 간의 변환에 훨씬 더 많은 주의가 필요하다. AT 절단과 동일한 주파수에서 작동한다. 주파수-온도 곡선은 95 °C에서 변곡점을 갖고 AT 절단보다 훨씬 낮은 온도 감도를 갖는 3차 하향 포물선이다. 예를 들어, 우주 및 GPS 시스템의 OCXO에 적합하다. AT 절단보다 덜 일반적이며 제조가 더 어렵다. 매개변수의 차수 개선은 차수 더 좁은 결정체 방향 공차와 교환된다.^[59] 노화 특성은 AT 절단의 2~3 배 더 좋다. 구동 레벨에 덜 민감하다. 활동 딥이 훨씬 적다. 판 형상에 덜 민감하다. 오븐이 필요하며 주변 온도에서는 잘 작동하지 않으며, 주파수가 낮은 온도에서 급격히 떨어진다. 해당 AT 절단보다 몇 배 낮은 동적 커패시턴스를 가지고 있어 부착된 커패시터로 결정 주파수를 조정할 가능성을 줄인다. 이는 결정 주파수를 조정해야 하는 기존 TCXO 및 VCXO 장치 및 기타 응용 분야에서 사용을 제한한다.^[60]^[58] 기본 주파수의 온도 계수는 3차 오버톤의 온도 계수와 다르므로, 결정체가 두 주파수 모두에서 작동하도록 구동될 때, 결과적인 비트 주파수는 예를 들어 마이크로컴퓨터 보상 수정 발진기에서 온도 감지에 사용할 수 있다. 전기장에 민감하다. 공기 감쇠에 민감하며, 최적의 Q를 얻으려면 진공으로 포장해야 한다.^[45] b^영어 모드의 온도 계수는 이고, 이중 모드는 80에서 100 ppm/°C 이상이다.^[61]
BT	–	두께 전단 (b^영어 모드, 빠른 준전단)	−49°8′, 0°	AT 절단과 유사한 특수 절단으로, 판이 z^영어 축에서 49°로 절단된다는 점을 제외하고는 동일하다. 두께 전단 모드, b^영어 모드(빠른 준전단)에서 작동한다. 잘 알려져 있고 반복 가능한 특성을 가지고 있다.^[62] 주파수 상수는 2.536MHz.mm이다. AT 절단보다 온도 특성이 좋지 않다. 더 높은 주파수 상수로 인해 AT 절단보다 높은 주파수를 가진 결정에 사용할 수 있으며, 이상까지 사용할 수 있다.^[52]
IT		두께 전단		오븐 안정화 발진기에 대한 특성이 개선된 특수 절단, 이중 회전 절단이다. 두께 전단 모드로 작동한다. 주파수-온도 곡선은 78 °C에서 변곡점을 갖는 3차 하향 포물선이다. 거의 사용되지 않는다. SC 절단과 유사한 성능 및 특성을 가지며, 더 높은 온도에 더 적합하다.
FC		두께 전단		오븐 안정화 발진기에 대한 특성이 개선된 특수 절단, 이중 회전 절단이다. 두께 전단 모드로 작동한다. 주파수-온도 곡선은 52 °C에서 변곡점을 갖는 3차 하향 포물선이다. 거의 사용되지 않는다. 오븐 제어 발진기에 사용된다. 오븐은 AT/IT/SC 절단보다 낮은 온도로 설정할 수 있으며, 온도-주파수 곡선의 평평한 부분의 시작 부분으로 설정할 수 있다(다른 절단보다 넓습니다). 주변 온도가 이 영역에 도달하면 오븐이 꺼지고 결정은 주변 온도에서 작동하며, 합리적인 정확도를 유지한다. 따라서 이 절단은 비교적 낮은 오븐 온도를 허용하여 전력을 절약하는 기능과 더 높은 주변 온도에서 합리적인 안정성을 결합한다.^[63]
AK		두께 전단		AT 및 BT 절단보다 더 나은 온도-주파수 특성을 가지며 AT, BT 및 SC 절단보다 결정학적 방향에 대한 허용 오차가 더 높은 이중 회전 절단(표준 AT 절단에 대해 50배로 계산됨)이다. 두께 전단 모드로 작동한다.^[59]
CT	–	면 전단	38°, 0°	주파수-온도 곡선은 하향 포물선이다.
DT	–	면 전단	−52°, 0°	CT 절단과 유사하다. 주파수-온도 곡선은 하향 포물선이다. 온도 계수는 CT 절단보다 낮다. 주파수 범위가 허용되는 경우 DT가 CT보다 선호된다.^[52]
SL		면 전단	−57°, 0°
GT	–	폭 확장	51°7′	−25 ... +75 °C 사이의 온도 계수가 두 모드 간의 상쇄 효과로 인해 거의 0이다.^[52]
E, 5°X	–	종 방향		합리적으로 낮은 온도 계수를 가지며, 저주파 결정 필터에 널리 사용된다.^[52]
MT	–	종 방향
ET			66°30′
FT			−57°
NT	–	길이-폭 굴곡 (굽힘)
XY, 튜닝 포크	–	길이-폭 굴곡		주요 저주파 결정체로, 다른 저주파 절단보다 작고, 저렴하고, 임피던스가 낮고 / 비율이 낮다. 주요 응용 분야는 RTC 결정체이다. 두 번째 오버톤은 기본 주파수의 약 6배이다.^[49]
H	–	길이-폭 굴곡		광대역 필터에 광범위하게 사용된다. 온도 계수는 선형이다.
J	–	길이-두께 굴곡		J 절단은 주어진 전기장에 대해 위상 밖의 움직임을 생성하도록 선택된 두 개의 석영 판을 함께 접착하여 만들어진다.
RT				이중 회전 절단이다.
SBTC				이중 회전 절단이다.
TS				이중 회전 절단이다.
X 30°				이중 회전 절단이다.
LC		두께 전단	11.17° / 9.39°	선형 온도-주파수 응답을 갖는 이중 회전 절단("선형 계수")이며 결정 온도계에서 센서로 사용할 수 있다.^[64] 온도 계수는 35.4 ppm/°C이다.^[61]
AC			31°	온도에 민감하며 센서로 사용할 수 있다. 가파른 주파수-온도 특성을 가진 단일 모드이다.^[65] 온도 계수는 20 ppm/°C이다.^[61]
BC			−60°	온도에 민감하다.^[65]
NLSC				온도에 민감하다.^[65] 온도 계수는 약 14 ppm/°C이다.^[61]
Y				온도에 민감하며 센서로 사용할 수 있다. 가파른 주파수-온도 특성을 가진 단일 모드이다.^[65] 판의 평면은 결정의 y^영어 축에 수직이다.^[66] 평행 또는 30도라고도 한다. 온도 계수는 약 90 ppm/°C이다.^[61]
X				1921년 W.G. Cady가 최초의 결정 발진기 중 하나에 사용했으며, 1927년 Horton과 Marrison이 최초의 결정 시계에 발진기로 사용했다.^[67] 판의 평면은 결정의 x^영어 축에 수직이다. 수직, 정상, 퀴리, 영각, 또는 초음파라고도 한다.^[68]

절단 이름의 문자 'T'는 온도 보상 절단을 나타낸다. 즉, 격자의 온도 계수가 최소화되도록 방향이 지정된 절단이다. FC 및 SC 절단도 온도 보상된다.

고주파 절단은 가장자리, 일반적으로 스프링으로 장착된다. 스프링의 강성은 최적이어야 한다. 강성이 너무 높으면 기계적 충격이 결정체로 전달되어 파손될 수 있고, 강성이 너무 낮으면 기계적 충격에 노출될 때 결정체가 패키지 내부와 충돌하여 파손될 수 있다. 스트립 공진기(일반적으로 AT 절단)는 더 작고 기계적 충격에 덜 민감하다. 동일한 주파수 및 오버톤에서 스트립은 풀 가능성이 낮고, 저항이 높고, 온도 계수가 높다.^[69]

저주파 절단은 거의 움직이지 않는 노드에 장착된다. 얇은 와이어가 결정체와 리드 사이의 각 측면에 그러한 지점에 부착된다. 얇은 와이어에 매달린 결정체의 큰 질량으로 인해 어셈블리는 기계적 충격과 진동에 민감하다.^[52]

결정체는 일반적으로 건조하고 비활성 분위기(일반적으로 진공, 질소 또는 헬륨)로 채워진 밀폐된 유리 또는 금속 케이스에 장착된다. 플라스틱 하우징도 사용할 수 있지만, 밀폐되지 않으므로 결정체 주위에 다른 이차 밀봉을 해야 한다.

고전적인 방법 외에도 여러 공진기 구성이 가능하다.

참조

_[1] 서적 Modern Dictionary of Electronics, 7th Ed. https://books.google[...] Newnes
_[2] 서적 Newnes Dictionary of Electronics, 4th Ed. https://books.google[...] Newnes
_[3] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering https://books.google[...] Springer
_[4] 서적 The Art of Electronics Second Edition Cambridge University Press
_[5] 서적 Encyclopedia of Physical Science and Technology
_[6] 특허 Generating and transmitting electric currents
_[7] 학회자료 A history of the quartz crystal industry in the USA http://www.ieee-uffc[...] IEEE
_[8] 학술지 The Evolution of the Quartz Crystal Clock http://www.ieee-uffc[...] AT&T
_[9] 학술지 The New "Crystal Pilot" http://www.americanr[...] Popular Radio, Inc. 1926-04
_[10] 웹사이트 A History of the Quartz Crystal Industry in the USA https://web.archive.[...] Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium 1981 2012-06-21
_[11] 뉴스 Microwaves and RF Journal http://www.mwrf.com/[...] Mwrf.com 2012-06-21
_[12] 웹사이트 Inventors Staudte The Quartz Watch http://invention.smi[...] Invention.smithsonian.org 2012-06-21
_[13] 서적 Introduction to Quartz Crystal Unit Design https://archive.org/[...] Van Nostrand Reinhold
_[14] 웹사이트 Quartz Crystal Theory of Operation and Design Notes https://web.archive.[...] foxonline.com
_[15] 웹사이트 Specifying Quartz Crystals http://www.maxim-ic.[...] Maxim-ic.com 2001-11-19
_[16] 웹사이트 Crystal selection http://www.pletronic[...] pletronics.com 2012-06-21
_[17] 웹사이트 Crystal Specification http://www.euroquart[...] Euroquartz.co.uk 2012-06-21
_[18] 웹사이트 Quartz Crystal Application Notes http://www.beckwithe[...] Beckwithelectronics.com 2012-06-21
_[19] 웹사이트 Quartz Crystals Application Notes http://www.abracon.c[...] 2012-06-21
_[20] 웹사이트 Frequently Asked Questions about Crystals https://web.archive.[...] foxonline.com
_[21] 웹사이트 Radio Frequency Spectrum Management and Time and Frequency Standards https://www.scienced[...] 2019-02-24
_[22] 서적 Reference Data for Radio Engineers Elsevier 2002
_[23] 간행물 Quartz Crystal http://minerals.usgs[...] minerals.usgs.gov
_[24] 간행물 Synthetic Quartz Crystal Terms and Definitions http://www.ndk.com/c[...]
_[25] 웹사이트 The Quartz Page: Quartz Structure http://www.quartzpag[...] Quartzpage.de 2010-10-23
_[26] 특허 Method of making miniature high frequency SC-cut quartz crystal resonators 1985-11-26
_[27] 웹사이트 Quartz Hydrothermal Growth http://www.roditi.co[...] Roditi.com 2010-02-08
_[28] 학술지 Defects in synthetic quartz and their effects on the vibrational characteristics 1982-05-01
_[29] 웹사이트 Quartz Tech http://www.4timing.c[...] 4timing.com 2010-02-08
_[30] 학회자료
_[31] 학술지 Effect of Impurity Segregation on Crystal Morphology of Y-Bar Synthetic Quartz http://www.fem.unica[...]
_[32] 학술지 Radiation induced modification of impurity-related point defects in crystalline quartz – a review http://www.crystalre[...]
_[33] 간행물 Investigations on irradiation and structural characteristics of high quality cultured quartz crystals used in satellite communication http://ursi-test.int[...]
_[34] 특허 Method of sweeping quartz 1982-01-19
_[35] 웹사이트 Frequency Control|Teaching Resources http://www.ieee-uffc[...] Ieee-uffc.org 2010-02-08
_[36] 특허 Vacuum electrolysis of quartz 1976-01-13
_[37] 웹사이트 Infrared study of defects in alpha quartz caused by sweeping effects https://web.archive.[...] April 1997 2012-06-21
_[38] 특허 Method of making a crystal oscillator desensitized to accelerationfields 1989-10-03
_[39] 간행물 Recent Development of Bulk and Surface Acoustic Wave Technology for Frequency Control Applications http://www.txc.com.t[...] Institute of Applied Mechanics National Taiwan University, C. S. Lam, TXC Corporation 2002-12-23
_[40] 특허 Quartz crystal oscillator angular velocity detector circuits 1995-05-30
_[41] 간행물 VCXOs with wide pull-in range using alternatives to quartz https://web.archive.[...] VHF Communications 2003-02
_[42] 웹사이트 Making oscillator selection crystal clear https://www.edn.com/[...] EDN 2018-03-30
_[43] 웹사이트 Frequency Control|Teaching Resources http://www.ieee-uffc[...] 2010-02-08
_[44] 웹사이트 Frequency Control|Teaching Resources http://www.ieee-uffc[...] 2010-02-08
_[45] 서적 The electronics handbook https://books.google[...] CRC Press 1996-12-23
_[46] 웹사이트 Frequency Control|Teaching Resources http://www.ieee-uffc[...] 2010-02-08
_[47] 문서 Quartz crystal resonators and oscillators for frequency control and timing applications http://www.am1.us/Pa[...]
_[48] 웹사이트 Frequency Control|Teaching Resources http://www.ieee-uffc[...] 2010-02-08
_[49] 웹사이트 Crystal Terminology http://www.actcrysta[...] 2010-02-08
_[50] 간행물 Design of crystal oscillator circuits http://www.axtal.com[...]
_[51] AV media Image of several crystal cuts http://www.mazepath.[...] 2007-07-03
_[52] 보고서 Crystals and oscillators http://www.nelfc.com[...]
_[53] 서적 Piezoelectricity American Institute of Physics
_[54] 웹사이트 AT cut http://www.icmfg.com[...] 2010-02-08
_[55] 웹사이트 Crystal technology http://www.4timing.c[...] 2010-02-08
_[56] 웹사이트 Introduction to quartz frequency standards http://www.oscilent.[...] 2010-02-08
_[57] 웹사이트 Quartz blanks http://hoffmanmateri[...] 2010-02-08
_[58] 보고서 Making it crystal clear: Crystal oscillators in communications http://www.commsdesi[...] 2010-02-08
_[59] 특허 Cut angles for quartz crystal resonators 1985-02-12
_[60] 웹사이트 OCXOs – oven controlled crystal oscillators http://www.ofc.com/p[...] 2010-02-08
_[61] 서적 Uncooled Infrared Imaging Arrays and Systems https://books.google[...] Academic Press 2011-04-26
_[62] 웹사이트 Crystal and frequency control glossary http://www.icmfg.com[...] 2010-02-08
_[63] 특허 Low power temperature-controlled frequency-stabilized oscillator 1991-01-15
_[64] 특허 Stress-compensated quartz resonators 1983-12-06
_[65] 특허 High sensitivity temperature sensor and sensor array 1997-11-11
_[66] 웹사이트 Y cut crystal http://www.engineers[...] 2009-08-25
_[67] 웹사이트 Frerking http://www.ieee-uffc[...] 1959-03-23
_[68] 보고서 Glossary of terms used in the quartz oscillator-plate industry http://www.minsocam.[...] 2012-06-21
_[69] 웹사이트 Quartz crystal FAQs http://www.icmfg.com[...] 2010-02-08
_[70] 웹사이트 'Re: [time-nuts] Super stable BVA Quartz resonators... BVA??' http://www.mail-arch[...] 2007-12-07
_[71] 웹사이트 'Re: [time-nuts] Super stable BVA Quartz resonators... BVA??]' http://www.mail-arch[...] 2007-12-08
_[72] 보고서 Oven crystal oscillator http://www.oscilloqu[...] 2012-06-21
_[73] 웹사이트 Norton http://www.ieee-uffc[...] 1957-10-04
_[74] blog "Crystal grinding: When electronics were '''''really''''' hands-on" http://www.edn.com/b[...] 2010-02-08
_[75] 잡지 Crystal oscillators: Looking good in wireless systems http://www.edn.com/a[...] 1997-11-20
_[76] 간행물 IEEE Std 315-1975 Institute of Electrical and Electronics Engineers
_[77] 간행물 ANSI Y32.2-1975 American National Standards Institute
_[78] 웹사이트 デジタル回路を指揮する小さな時計（クロック） http://www.tdk.co.jp[...]
_[79] 서적 図解入門よくわかる最新電波と周波数の基本と仕組み[第2版]
_[80] 서적 これだけ!電波と周波数
_[81] 서적 Interfacial Electrochemistry: Theory: Experiment, and Applications
_[82] 서적 図解入門よくわかる最新電波と周波数の基本と仕組み[第2版]
_[83] 잡지 Design Wave Magazine 2007-02
_[84] 웹사이트 圧電体薄膜を用いた圧力センサーの開発 https://www.aist.go.[...] 産業技術総合研究所
_[85] 서적 Modern Dictionary of Electronics, 7th Ed. http://books.google.[...] Newnes
_[86] 서적 Newnes Dictionary of Electronics, 4th Ed. http://books.google.[...] Newnes
_[87] 서적 Comprehensive Dictionary of Electrical Engineering http://books.google.[...] Springer
_[88] 웹인용 HISTORY OF PIEZOELECTRICITY http://www.piezo.com[...] © Piezo Systems, Inc. 2013-09-26

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com