초전기

3. 원리

초전기(焦電氣, pyroelectricity)는 특정 물질에서 온도가 변할 때 일시적으로 전압이 발생하는 현상이다. 전기석이나 주석산과 같은 유전체 결정의 일부에 열을 가하면, 결정 표면 양단에 양극과 음극으로 분극된 전하가 발생한다. 이때 가열 시 플러스로 대전되는 쪽을 '''동류단''', 마이너스로 대전되는 쪽을 '''이류단'''이라고 한다. 이 현상은 1756년 독일의 물리학자 프란츠 아이피누스에 의해 처음으로 확인된 것으로 알려져 있다.^[5]

열전성 물질은 대부분 단단한 결정이지만, 전하저장체를 사용하면 연성 열전성을 만들 수도 있다.^[6] 전하저장체는 영구 자석과 전기적으로 동일한 특성을 가진다.

일정한 응력에서 측정된 총 열전 계수는 일정한 변형에서의 열전 계수(1차 열전 효과)와 열팽창으로 인한 압전 기여(2차 열전 효과)의 합으로 나타난다. 극성 물질은 일반적으로 순 쌍극자 모멘트를 갖지 않는데, 이는 내부 전도나 주변 대기로부터 표면에 축적되는 "자유" 전하에 의해 고유 쌍극자 모멘트가 중화되기 때문이다. 극성 결정은 이러한 균형을 일시적으로 깨뜨리는 방식으로 변화가 생길 때만 그 특성을 드러낸다. 자발 분극은 온도에 따라 달라지므로, 좋은 섭동 프로브는 표면으로부터 전하의 흐름을 유도하는 온도 변화이다. 이것이 바로 초전 효과이다.

초전체는 온도 변화를 감지하는 데 사용된다. 상온에서도 항상 분극되어 있지만, 일반적으로 표면에 이온을 흡착하고 있어 분극이 관측되지 않는다. 그러나 온도 변화에 따라 분극이 변하면, 그 변화량을 전압으로 검출할 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 온도 변화를 전압으로 출력하는 초전소자로 사용되며, 집광 렌즈와 함께 적외선 센서로 활용된다.

초전기 효과는 시간에 따른 온도 변화를 전위로 변환하는 반면, 열전기 효과는 위치에 따른 온도 변화를 전위로 변환한다는 점에서 차이가 있다.

3. 1. 결정 구조

3. 2. 수학적 설명

3. 3. 관련 효과

• '''강유전성''': 외부에서 전기장을 가하지 않아도 전기 분극을 가지며, 전기장의 방향을 바꾸면 분극의 방향도 바뀌는 물질에서 나타난다. 모든 강유전성 물질은 자발 분극을 나타내므로 초전성 물질이기도 하지만, 모든 초전성 물질이 강유전성 물질인 것은 아니다.
• '''압전성''': 압력을 가했을 때 물질에 전압이 발생하는 수정 또는 세라믹과 같은 결정에서 나타난다. 초전기 효과와 마찬가지로, 이 현상은 이온이 다른 축보다 한 축을 따라 더 쉽게 이동할 수 있도록 하는 결정의 비대칭 구조 때문이다. 압력이 가해지면 결정의 각 면은 반대 전하를 띠게 되어 결정 전체에 전압 강하가 발생한다. 알려진 모든 열전성 물질은 압전성을 갖는다.^[6]

4. 초전성 물질

전기석이나 주석산과 같은 유전체 결정은 일부에 열을 가해 온도를 변화시키면 표면의 양단에 양극과 음극으로 분극된 전하가 발생한다. 이 현상과 이에 따라 발생하는 전기를 초전기라고 한다. 가열 시 플러스로 대전되는 쪽을 '''동류단''', 마이너스로 대전되는 쪽을 '''이류단'''이라고 한다. 1756년 독일의 물리학자 프란츠 아이피누스에 의해 처음으로 확인된 것으로 여겨진다.

초전체는 온도 변화를 검출하는데 사용된다. 초전체는 상온에서도 항상 분극되어 있지만, 일반적으로 표면에 이온을 흡착하고 있기 때문에 분극은 관측되지 않는다. 그러나 온도 변화에 따라 분극이 변화하면, 그 변화량을 전압으로 검출할 수 있다. 이러한 성질을 이용하여 온도 변화를 전압으로 출력하는 초전소자로 사용된다. 또한, 집광 렌즈와 병용함으로써 적외선 센서에 사용된다.

5. 응용

초전기 현상은 다음과 같은 다양한 분야에 응용된다.

• '''열 센서:''' 미세한 온도 변화를 감지하여 열화상 감지기 등에 활용된다. 자세한 내용은 하위 섹션 "열 센서"를 참고.
• '''전력 생산:''' 열기관과 유사하게 작동하여 폐열 에너지 수확 등에 활용될 수 있다. 자세한 내용은 하위 섹션 "전력 생산"을 참고.
• '''핵융합:''' 핵융합 과정에서 필요한 강력한 전기장을 생성하는 데 사용된다. 자세한 내용은 하위 섹션 "핵융합"을 참고.

5. 1. 열 센서

5. 2. 전력 생산

• 폐열 에너지 수확^[27]
• 잠재적으로 낮은 작동 온도
• 더 작은 장비 크기
• 더 적은 움직이는 부품^[28]

5. 3. 핵융합

참조

_[1] 서적 Solid State Physics Cengage Learning
_[2] 서적 Introduction to Solid State Physics
_[3] 서적 The measurement, instrumentation, and sensors handbook https://books.google[...] CRC Press
_[4] 문서 In this article, the term "voltage" is used in the everyday sense, i.e. what a voltmeter measures. This is actually the electrochemical potential, not the electrostatic potential (Galvani potential).
_[5] 논문 Wurtzite BAlN and BGaN alloys for heterointerface polarization engineering http://repository.ka[...]
_[6] 논문 Designing Soft Pyroelectric and Electrocaloric Materials Using Electrets 2018
_[7] 논문 Ferroelectric, dielectric and piezoelectric properties of ferroelectric thin films and ceramics
_[8] 서적 Curiöse Speculationes bey Schalflosen Nächten [Curious Speculations During Sleepless Nights] https://books.google[...] Conrad Stössen
_[9] 간행물 Diverse observations de la physique generale http://gallica.bnf.f[...]
_[10] 서적 Flora Zeylanica: Sistens Plantas Indicas Zeylonae Insulae [The Flora of Ceylon: consisting of Indian plants of the island of Ceylon] https://books.google[...] Laurentii Salvii
_[11] 간행물 Memoire concernant quelques nouvelles experiences électriques remarquables [Memoir concerning some remarkable new electrical experiments] https://books.google[...]
_[12] 논문 Observations of the pyro-electricity of minerals https://books.google[...]
_[13] 간행물 On the thermoelastic, thermomagnetic and pyroelectric properties of matter https://books.google[...]
_[14] 간행물 Versuch zur Bestimmung des wahren specifischen electrischen Momentes eines Turmalins (Experiment to determine the true specific electric moment of a tourmaline) https://books.google[...]
_[15] 논문 Développement par compression de l'électricité polaire dans les cristaux hémièdres à faces inclinées
_[16] 서적 Theophrastus: On Stones Ohio State University
_[17] 서적 Theophrastus: On Stones Ohio State University
_[18] 논문 Pyroelectric Effect in Bone and Tendon http://dx.doi.org/10[...] 1966-11
_[19] 서적 Gallium Nitride (GaN): Physics, Devices, and Technology CRC Press 2015-10-16
_[20] 논문 Observation of nuclear fusion driven by a pyroelectric crystal
_[21] 논문 Piezoelectric Response of Polycrystalline Silicon-Doped Hafnium Oxide Thin Films Determined by Rapid Temperature Cycles
_[22] 논문 Target Classification Using Pyroelectric Infrared Sensors in Unattended Wild Ground Environment
_[23] 웹사이트 Heat engine - Energy Education https://energyeducat[...] 2023-09-07
_[24] 논문 Energy harvesting based on Ericsson pyroelectric cycles in a relaxor ferroelectric ceramic http://www.ikhebeenv[...]
_[25] 논문 On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting
_[26] 논문 Pyroelectric energy conversion: Hysteresis loss and temperature sensitivity of a ferroelectric material
_[27] 논문 New approach to waste-heat energy harvesting: pyroelectric energy conversion 2019-06-07
_[28] 논문 Pyroelectric conversion—Effects of P(VDF–TrFE) preconditioning on power conversion
_[29] 특허 US Patent 4647836, US Patent 6528898, US Patent 5644184 http://www.freepaten[...]
_[30] 웹사이트 焦電効果について - トルマリン大調査 http://www.n-ion.com[...]