압전 소자 (Piezoelectricity) 란?

압전 소자(Piezoelectricity)란?

압전 소자는 기계적인 힘이 전달될 때 전기 전하를 생성할 수 있는 특정 재료의 매력적인 특성입니다. 이 현상은 전기장이 가해질 때 이러한 특정 재료의 모양이 바뀔 수 있는 반대의 경우도 가능합니다. "압전(Piezo)"이라는 말은 그리스어로 압력을 뜻하는 말에서 유래하여 피에조전기(Piezoelectricity)는 문자 그대로 "압력 전기"로 만들고 있습니다. 이 독특한 특징으로 인해 일상적인 장치부터 최첨단 기술까지 다양한 분야에서 수많은 응용 분야에 이용되고 있습니다.

 

압전 소자 예시

 

압전 소자의 정의와 기본 원리

압전 소자는 기계적인 응력이 가해지면 특정 고체 재료에 추적되는 전하를 말합니다. 이 효과는 결정, 세라믹, 심지어 뼈, DNA, 다양한 단백질 등의 생물학적인 물질에서도 일어납니다. 압전 효과는 반전 대칭이 없는 결정 재료에서 기계적 상태와 전기적 상태 사이의 선형 전기 기계적 상호 작용에 의해 발생합니다. 압전의 기본 원리는 재료 내 전하의 이동을 포함합니다. 압전 재료에 압력을 가하면 결정 구조 내 분자의 위치가 약간 변화합니다. 이 분자 위치의 이동으로 전하의 분포가 변화하고 재료 전체에 전압이 생성됩니다. 중요한 것은 압전 효과가 가역적이라는 것입니다. 이는 기계적인 스트레스가 전하를 발생시킬 뿐만 아니라 재료에 전계를 가함으로써 기계적으로 변형될 수도 있음을 의미합니다. 이러한 기계적 특성과 전기적 특성의 쌍방향 관계가 압전 재료를 다양한 용도에서 매우 범용적이고 가치 있게 만드는 이유입니다. 압전 효과의 강도는 재질에 따라 다릅니다. 예를 들어 티탄산 지르콘산 납 결정은 정적 구조가 원래 치수의 약 0.1% 변형되면 측정할 수 있는 전기를 생성할 수 있습니다. 반대로 이러한 동일한 결정은 외부 전계가 인가되면, 그 정적인 크기의 약 0.1%가 변화합니다. 압전 효과를 이해하려면 전기 쌍극자, 편광, 결정 대칭 등의 개념에 대한 지이 필요합니다. 그러나 실용적인 용도에서 압전 재료는 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하고 그 반대도 가능하며, 에너지 수확과 정밀한 기계 제어를 위한 폭넓은 가능성을 열 수 있다는 점이 중요합니다.

 

압전 소자의 역사와 발전

압전 조사는 19세기 후반에 시작되어 다양한 기술에 혁명을 가져오는 매력적인 분야의 시작을 알렸습니다. 압전 효과는 1880년에 프랑스의 저명한 물리학자인 피에르와 자크 퀴리 형제에 의해 처음으로 실증되었습니다. 그들의 획기적인 발견은 석영, 토르말린, 로셀염 등의 결정체를 사용한 실험에서 얻어졌습니다. 퀴리 형제는 이 결정들이 기계적 스트레스를 받으면 전하를 생성하는 것을 관찰했습니다. 이 직접적인 압전 효과는 중요한 발견이었지만, 흥미롭게도 그들은 역효과의 존재를 예측하지 못했습니다. 1881년에 수학자 가브리엘 리프만이 기본적인 열역학 원리에서 역압전 효과를 수학적으로 추정했습니다. 큐리스는 즉시 리프만의 예측을 확인했습니다. 그 발견 후 수십 년 동안 압전 소자는 주로 실험실의 호기심으로 남아 있었습니다. 그러나 그 실용화의 가능성은 제1차 세계대전 중에 나타나기 시작했습니다. 1917년 폴 랑게빈은 압전 석영 결정을 이용한 초음파 잠수함 탐지기를 개발했습니다. 나중에 소나로 진화한 이 기술은 압전의 첫 밴째 실용적인 응용을 보여주었습니다. 전쟁 기간에는 압전 재료와 장치의 연구와 개발이 증가했습니다. 그러나 압전 기술이  정말로 번창한 것은 제2차 세계대전 중과 전후였습니다. 주요 돌파구는 강유전체로 불리는 새로운 종류의 합성 재료의 발견과 함께 일어났습니다. 이 재료들은 천연 재료의 몇 배나 되는 압전 상수를 나타냈습니다. 이것은 티타늄산 바륨과 후에 지르콘산 납(PZT) 세라믹스의 개발로 이어져, 많은 압전 응용의 초석이 되었습니다. 압전 소자의 역사는 근본적인 과학적 발견이 어떻게 광범위한 실용적인 응용으로 진화하고 한 세기 이상 여러 산업과 기술을 변화시키는지를 증명하는 좋은 예입니다.

 

압전 소자의 응용 분야

압전 소자는 다양한 분야에 걸친 많은 응용에 침투하여 그 범용성과 현대 기술의 중요성을 보여줍니다. 일상적인 기기부터 전문적인 과학 기기까지 압전 재료는 우리 생활의 많은 측면에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 압전의 가장 일반적인 용도 중 하나는 센서와 액추에이터입니다. 압전 센서는 압력, 가속도, 변형 또는 힘을 전화로 변환함으로써 검출할 수 있습니다. 이러한 센서는 터치스크린, 산업용 프로세스 컨트롤, 심지어 일부 악기에서 진동을 전기 신호로 변환하는 데 사용됩니다. 음향이나 초음파 분야에서는 압전 재료는 반드시 필요합니다. 그것들은 수중 검출과 이미지 처리를 위한 소나 시스템에서 사용됩니다. 의료용 초음파 장치에서는 압전 트랜스듀서가 고주파 음파를 생성해 검출하여 체내 구조를 비침습적으로 촬영할 수 있습니다. 마찬가지로 이러한 재료는 초음파가 고체 물체 내의 결함 또는 불규칙성을 검출할 수 있는 재료의 비파괴 시험에서 중요합니다. 전기 신호를 정확한 기계적 변위로 변환하는 압전 액추에이터는 다양한 정밀 위치 결정 시스템에서 사용됩니다. 여기에는 매우 미세한 움직임이 필요한 원자력 현미경과 대기의 왜곡을 보정하기 위해 망원경 미러를 조정하는 적응 광학계가 포함됩니다. 에너지 분야에서는 압전 재료가 에너지 수확 용도로 연구되고 있습니다. 그들은 발소리, 차량 통행, 해양파 등의 원천에서 나오는 기계적 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있습니다. 일반적으로 발생하는 에너지의 양은 적지만, 원격지에 있는 저전력 전자 디바이스 및 센서에는 충분합니다. 또, 압전 소자는 일상적인 가전제품에서도 역할하고 있습니다. 가스 그릴이나 라이터용 스파크 점화기의 제조, 전자 기기의 버저나 스피커, 시계나 시계를 조정하는 부문에 사용되고 있습니다. 자동차 업계에서 압전 소자는 연료 분사 시스템, 에어백 센서, 주차 센서에 사용되고 있습니다. 압전 소자의 폭넓은 용도는 일상생활의 향상에서 최첨단 과학 연구와 산업 프로세서의 실현까지 현대 기술에 있어서 압전의 중요성을 나타내고 있습니다.

 

압전 물질의 특성과 제조 기술

압전 재료의 독특한 특성이 있어 다양한 용도로 유용합니다. 이러한 재료는 석영이나 토르말린 등의 천연 압전 재료와 압전 세라믹스나 폴리머 등의 합성 재료로 크게 나눌 수 있습니다. 압전 재료의 주된 특징은, 기계적 스트레스를 받으면 전하가 발생해, 전계가 가해지면 변형하는 것입니다. 이 효과의 강도는 압전 계수에 의해 수치화되며 재료와 결정 구조에 따라 달라지니다. 압전 재료는 비대칭 결정 구조를 가져야 합니다. 즉, 결정격자는 대칭 중심을 경여하고 있습니다. 이 비대칭성은 압전 효과가 발생하기 위해 중요합니다. 많은 재료에서 이 비대칭은 결정 구조에 내재하 있지만, 다른 재료에서는 폴링이라고 불리는 과정에 의해 유발될 수 있습니다. 폴링은 압전 세라믹 제조의 중요한 단계입니다. 고온에서 재료에 강한 전계를 인가하고 재료 내의 쌍극자를 정렬시키는 것이 포함됩니다. 재료가 냉각되고 필드가 제거되면 다이폴은 크게 정렬되어 있고 재료에 압전 특성을 부여합니다. 가장 일반적으로 사용되는 압전 세라믹스는 티나늄산 지르콘산 납(PZT) 조성물입니다. 이 재료들은 높은 압전 계수를 제공하고 조성을 조정함으로써 특정 용도에 맞게 조정할 수 있습니다. 그러나 납에 대한 환경적 우려로 인해 무연 대체품에 대한 연구가 진행 중입니다. 세라믹의 경우, 일반적으로 원하는 조성의 분말을 준비하고, 원하는 형태로 압축한 다음, 고온에서 소결하여 밀도 높은 세라믹을 만드는 과정을 거칩니다. 그 후, 재료는 압전 특성을 활성화하기 위해 전극화 및 폴링됩니다. 수정과 같은 단결정 재료의 경우, 제조에는 큰 결정을 성장시키고 압전 응답을 최적화하기 위해 특정 결정면을 따라 정화하게 절단하는 것이 포함됩니다. 폴리불화비닐덴(PVDF) 등의 압전 폴리머는 유연성을 제공하고 박막 형태로 제조할 수 있어 적합성이 중요한 용도에 적합합니다. 재료와 제조 기술의 선택은 필요한 압전 효과의 강도, 작동 온도 범위, 기계적 특성, 비용 고려 사항 등 응용 분야의 특정 요건에 따라 달라집니다.