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압전기

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1. 개요

압전기는 기계적 응력에 반응하여 전기적 전위를 생성하는 현상 또는 그러한 현상을 보이는 물질을 의미한다. 1880년 피에르 퀴리 형제에 의해 처음으로 증명되었으며, 역압전 효과도 존재한다. 압전 효과는 소리, 고전압 발생, 전기 주파수 생성, 센서 및 액추에이터 등 다양한 분야에 응용된다. 압전 재료는 자연적으로 발생하는 물질과 인공적으로 합성된 물질이 있으며, 최근에는 납을 사용하지 않는 무연 압전 세라믹스와 유연성을 갖는 고분자 압전 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

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압전기
개요
명칭압전 효과
로마자 표기apjeon hyogwa
영어 명칭Piezoelectric effect
한자 명칭壓電效果
설명특정 결정체에 압력을 가하면 전압이 발생하는 현상. 역으로 전압을 가하면 결정체가 변형되는 현상.
역사
발견1880년 자크 퀴리와 피에르 퀴리 형제가 발견
연구빌헬름 고틀리프 한켈이 연구 (1881)
작동 원리
원리결정 구조 내 이온 변위로 인해 전하 분극이 발생하여 전압 생성
역압전 효과전기장 인가 시 결정 변형 발생
관련 용어
압전성압전 효과를 나타내는 성질
압전체압전성을 가지는 물질
응용 분야
센서압력 센서
가속도 센서
초음파 센서
전자 드럼 패드
액추에이터정밀 위치 제어 장치
압전 스피커
초음파 모터
에너지 하베스팅압력을 이용한 전기 에너지 생성
기타라이터
초음파 탐상
재료
무기 결정석영
티탄산바륨
지르콘산납 (PZT)
고분자 물질폴리불화비닐리덴 (PVDF)
폴리아미드
추가 정보
음향 관련 활용음파 발생 및 감지
초음파 관련 활용초음파 검사
의료용 초음파
압전소자압전 효과를 이용한 소자

2. 역사

압전 효과는 1880년 프랑스의 물리학자인 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제가 처음 발견했다.[13] 이들은 전기석, 석영, 토파즈, 설탕, 로셸염 등의 결정에 압력을 가하면 전기가 발생하는 현상을 실험적으로 증명했다. 특히 석영과 로셸염에서 가장 큰 압전 효과가 나타났다.

1881년 가브리엘 리프만열역학 원리를 이용하여 압전 효과의 반대 현상인 역압전 효과를 수학적으로 유도했다.[14] 퀴리 형제는 곧바로 이를 실험으로 확인하고,[15] 압전 결정에서 전기, 탄성, 기계적 변형 사이의 완전한 가역성을 정량적으로 증명했다.

1910년 볼데마르 포이트는 "결정 물리학 교과서"를 출판하여 20가지 압전성 결정을 소개하고, 텐서 해석을 통해 압전 상수를 엄밀하게 정의했다.[16]

제1차 세계 대전 중에는 폴 랑주뱅과 그의 동료들이 프랑스에서 소나를 개발하면서 압전 소자가 처음으로 실용화되었다.[17] 이는 잠수함을 탐지하는 데 사용되었으며, 이후 압전 소자 개발에 대한 관심을 불러일으켰다.

제2차 세계 대전 중에는 미국, 소련, 일본에서 강유전체 연구가 활발히 진행되어 티탄산바륨과 지르콘산납티탄산염 등의 새로운 재료가 개발되었다.[1] 특히, 벨 연구소에서는 넓은 온도 범위에서 작동하는 "AT 커트" 수정 결정이 개발되어 연합군 항공 무선 통신에 활용되었다.[1]

일본은 압전 세라믹 필터, 압전 부저, 압전 점화기 등 다양한 압전 소자 개발에 성공했다. 특히, 초음파 트랜스듀서는 텔레비전 리모컨에 처음으로 상업적으로 활용되었고, 현재는 자동차의 에코로케이션 장치 등에도 사용된다.[1]

2. 1. 발견 및 초기 연구

압전 효과는 물질이 온도 변화에 따라 전기적 퍼텐셜을 발생하는 현상으로, 18세기 중반 칼 폰 린네와 프란츠 아이피누스에 의해 연구되었다. 이러한 지식을 바탕으로 르네 쥐스트 아위와 앙투안 세자르 베크렐은 기계적 응력과 전하 사이의 관계를 가정했지만, 실험을 통해 만족할 만한 결과를 얻지는 못했다.[12]

스코틀랜드 박물관에 있는 퀴리 보상기 상단의 압전 결정


압전 디스크가 변형될 때 전압을 생성 (모양 변화는 과장)


1880년 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제는 최초로 압전 효과를 실험으로 증명했다.[13] 이들은 결정 구조에 대한 이해와 압전 효과에 대한 지식을 결합하여 결정의 거동을 예측하고, 전기석, 석영, 토파즈, 설탕, 로셸염 (KNaC4H4O6·4H2O) 결정을 사용하여 응력에 의한 전기 분극 발생을 확인했다. 특히 석영과 로셸염에서 가장 큰 압전 효과가 나타났다.

퀴리 형제는 역압전 효과를 예측하지 못했지만, 1881년 가브리엘 리프만열역학 원리를 통해 이를 수학적으로 유도했다.[14] 퀴리 형제는 즉시 역압전 효과의 존재를 확인하고,[15] 압전 결정에서 전기-탄성-기계적 변형의 완전한 가역성에 대한 정량적 증거를 제시했다.

이후 수십 년 동안 압전 효과는 실험실 수준의 연구에 머물렀으나, 1910년 볼데마르 포이트가 "결정 물리학 교과서"를 출판하면서 20가지 압전성 결정을 소개하고 텐서 해석을 통해 압전 상수를 엄밀하게 정의하며 중요한 진전을 이루었다.[16]

2. 2. 제1차 세계 대전과 그 이후

제1차 세계 대전 중 처음 개발된 소나는 압전 소자의 최초의 실용적인 응용 분야였다. 초음파 주파수로 작동하는 압전 소자의 우수한 성능은 이전의 페센덴 발진기를 대체했다. 1917년 프랑스에서 폴 랑주뱅과 그의 동료들은 초음파 잠수함 탐지기를 개발했다.[17] 이 탐지기는 두 개의 강철판 사이에 정교하게 접착된 얇은 수정 결정으로 만들어진 변환기와 반사된 메아리를 감지하는 하이드로폰으로 구성되었다. 변환기에서 고주파 펄스를 방출하고, 음파가 물체에서 반사되어 돌아오는 메아리를 듣는 데 걸리는 시간을 측정함으로써 그 물체까지의 거리를 계산할 수 있다.

소나에 압전 효과를 사용한 프로젝트가 성공하면서 압전 소자 개발에 대한 강한 관심을 불러일으켰다. 그 후 10년 이상에 걸쳐 새로운 압전 소자와 그것을 이용한 새로운 응용 분야가 탐구되고 개발되었다.

압전 소자는 많은 분야에서 사용되었다. 세라믹 축음기 카트리지는 플레이어 설계를 단순화하고, 저렴하고 정확했으며, 축음기의 유지 보수 비용을 절감하고 제작을 용이하게 했다. 초음파 변환기의 개발은 유체와 고체의 점도와 탄성을 쉽게 측정할 수 있게 하여 재료 연구에 큰 발전을 가져왔다. 초음파 시간 영역 반사계 (초음파 펄스를 재료를 통해 보내고 불연속으로부터의 반사를 측정하는 장치)는 주조 금속과 돌 물체 내부의 결함을 찾아 구조적 안전성을 향상시킬 수 있었다.

2. 3. 제2차 세계 대전과 그 이후

제2차 세계 대전 당시, 미국, 소련, 일본의 독립 연구 그룹은 강유전체라 불리는 새로운 종류의 합성 재료를 발견했는데, 이는 기존의 천연 물질보다 훨씬 높은 압전 상수를 나타냈다. 이로 인해 티탄산바륨과 지르콘산납티탄산염 재료 개발에 대한 집중적인 연구가 이루어졌으며, 특정 용도에 맞는 특성을 가진 재료들이 개발되었다.[1]

압전 결정의 중요한 활용 사례 중 하나는 벨 연구소에서 개발되었다. 제1차 세계 대전 이후, 프레더릭 R. 랙은 넓은 온도 범위에서 작동하는 "AT 커트" 결정을 개발했다. 랙의 결정은 이전의 결정에서 사용되던 무거운 부속품이 필요 없어 항공기에서의 사용을 용이하게 했다. 이러한 개발 덕분에 연합군 공군은 항공 무선을 사용하여 조정된 대규모 공격을 수행할 수 있었다.[1]

미국에서의 압전 장치 및 재료 개발은 대부분 전시 초기 단계였고 수익성 있는 특허를 확보하려는 목적 때문에 개발에 참여한 회사 내부에 머물렀다. 처음으로 개발된 새로운 재료는 수정 결정이었고, 이는 최초로 상업적으로 이용된 압전 재료였지만, 과학자들은 더 높은 성능의 재료를 찾았다. 재료의 발전과 제조 공정의 성숙에도 불구하고 미국 시장은 일본 시장만큼 빠르게 성장하지 못했다. 새로운 응용 분야가 많지 않아 미국 압전 산업의 성장은 저조했다.[1]

반면 일본 제조업체들은 정보를 공유하여 기술적 및 제조상의 어려움을 신속하게 극복하고 새로운 시장을 창출했다. 일본에서는 고가 이삭이 온도 안정성이 뛰어난 결정 절단법을 개발했다. 일본의 재료 연구 노력은 미국 재료에 필적하는 압전 세라믹 재료를 만들어냈지만, 값비싼 특허 제한은 없었다. 주요 일본 압전 개발에는 라디오와 텔레비전용 새로운 디자인의 압전 세라믹 필터, 전자 회로에 직접 연결할 수 있는 압전 부저 및 오디오 트랜스듀서, 그리고 세라믹 디스크를 압축하여 작은 엔진 점화 시스템과 가스 그릴 점화 장치용 불꽃을 발생시키는 압전 점화기가 포함된다. 공기를 통해 음파를 전송하는 초음파 트랜스듀서는 상당히 오랫동안 존재했지만, 초기 텔레비전 리모컨에서 처음으로 주요 상업적 용도를 보였다. 이러한 트랜스듀서는 현재 여러 자동차 모델에 장착되어 에코로케이션 장치로 사용되며, 운전자가 차량에서 장애물까지의 거리를 파악하는 데 도움이 된다.[1]

3. 원리

압전 효과는 특정 물질이 기계적 응력을 받을 때 전기를 생성하는 현상이다. 이는 물질 내부의 전기 쌍극자 모멘트 발생과 밀접하게 관련되어 있다. BaTiO3나 PZT와 같은 물질에서는 결정 격자 내의 비대칭적인 전하 분포로 인해 쌍극자 모멘트가 발생한다. 어떤 물질에서는 분자 자체가 이동하여 쌍극자 모멘트를 만들기도 한다.

공간적으로 분리된 전하는 전기장을 만들고, 전기적 위치에너지를 만든다. 이 그림은 일반적인 축전기 안의 유전체이다. 압전 소자에서는 외부에서 걸어주는 전압 대신에 외부에서 가해준 압력이 물질의 각각의 원자에서 전하의 분리를 일으킨다.


단위 부피당 쌍극자 모멘트의 합을 편극(단위: C/m^2 )이라고 하며, 이는 벡터량으로 표현된다. 서로 가까운 쌍극자들은 자구(Weiss domain)라는 영역에서 나란히 배열되는 경향이 있는데, 이 자구들은 보통 무작위로 배열되어 있다. 하지만 물질에 높은 온도에서 강한 전기장을 가하는 과정을 통해 인위적으로 배열할 수도 있다. 모든 압전체가 이러한 과정을 통해 분극될 수 있는 것은 아니다.

압전 효과의 핵심은 기계적인 힘을 가했을 때 이 편극이 변화한다는 것이다. 이러한 변화는 쌍극자 재배열, 분자 배열 방향 변화 등 다양한 원인으로 발생할 수 있다. 편극의 변화는 결정면의 표면 전하 밀도 변화, 즉 결정면 사이의 전기장 변화로 나타난다. 예를 들어, 1cm3 크기의 석영 결정에 2kN의 힘을 가하면 12500V의 전압이 발생한다.[20]

압전체는 전기장을 가하면 기계적 변형이 일어나는 역압전 효과(converse piezoelectric effect)도 나타낸다.

3. 1. 수학적 해석



압전 효과의 성질은 액체 안에서 전기 쌍극자 모멘트가 발생하는 것과 깊은 연관이 있다. BaTiO3나 PZT같은 물질에서는 분자의 결정격자 내의 비대칭적인 전하 분포로 인해 쌍극자모멘트가 생기지만, 어떤 물질의 경우 분자 자체가 이동하여 쌍극자 모멘트를 유발하기도 한다. 쌍극자 밀도 또는 편극(단위: C/m^2 )는 결정 격자에서 단위 구조 부피당 쌍극자 모멘트를 합하여 계산할 수 있다. 모든 쌍극자는 벡터이므로 쌍극자 밀도도 방향과 크기를 가진 벡터로 표현된다. 서로 가까이 있는 쌍극자들은 자구(Weiss domain)라 불리는 영역에서 나란히 배열되는 경향이 있다. 자구는 보통 임의로 생겨나지만, 물질에 높은 온도에서 강한 전기장을 걸어주는 과정을 통해서 인위적으로 배열할 수 있다. 하지만 모든 압전체가 이러한 과정을 통해 분극될 수 있는 것은 아니다.

압전 효과에서 중요한 것은 기계적인 힘을 가했을 때 편극이 변화한다는 것이다. 이러한 변화는 쌍극자를 유발하는 주변 환경의 변화에 의해 쌍극자가 재배열되어 일어나거나, 외부 응력의 영향으로 분자가 배열된 방향이 변화하여 쌍극자 모멘트의 방향이 바뀌어서 일어난다. 따라서 압전 효과는 편극의 크기가 변화하거나 편극의 방향이 변화할 때 나타난다고 할 수 있다. 조금 더 구체적으로는 결정에서의 편극의 방향, 결정의 대칭성, 가해준 기계적 응력 등에 의존한다.

편극의 변화는 결정면의 표면 전하 밀도의 변화, 다시 말하면 결정면 사이에 존재하는 전기장의 변화로 나타나는데, 이는 표면 전하 밀도의 단위와 편극의 단위가 C/m^2 로 같기 때문이다. 하지만 압전 효과는 표면에서의 전하 밀도의 변화에 의해 나타나지는 않고, 물질 전체의 쌍극자 밀도의 변화에 의해 나타난다. 예를 들어 1 cm^3 정육면체 모양의 석영에 2 kN의 힘을 가해주면 12500 V의 전압을 얻을 수 있다.[20]

압전체 물질은 역압전효과(converse piezoelectric effect)라고 불리는 정반대의 효과도 나타낸다. 즉, 전기장을 가해주면 결정의 기계적인 변형이 일어난다. 압전 효과는 물질의 전기적 특성이 종합적으로 나타나는 성질이며, 다음과 같은 식으로 표현된다.

:D = \varepsilon E \;

여기서 D는 전기변위장, \varepsilon은 유전율, E는 전기장의 크기이다. 그리고 훅 법칙은 다음과 같다.

:S=s T \;

여기서 S는 변형도, T변형력(응력), s는 비례계수이다.

이 두 식에 압전 효과와 관련된 항을 첨가하면 다음과 같이 변형된다.

:

S = s T + d^T E



:

D = d T + \varepsilon E



여기서 d는 압전 효과를 나타내는 행렬이고, 그 전치행렬인 d^T는 역 압전 효과를 표현한다. 그러므로 첫 번째 식은 역 압전 효과의 관계를 나타내고 두 번째 식은 압전 효과의 관계를 나타낸다.

위의 식들이 실제로 가장 많이 쓰이는 형태지만, 표기법에 대한 몇 가지 보충이 필요하다. 일반적으로 DE는 벡터이고, 유전율 \varepsilon는 계수 2(rank-2)인 텐서가 된다. 원리적으로 변형도와 변형력 또한 계수 2의 텐서이며 그 비례계수 s는 계수 4의 탄성상수텐서이다. 하지만 관습적으로 변형도와 변형력은 모두 대칭 텐서이므로, 아래첨자는 다음과 같이 한 가지로 쓸 수 있다. (11 → 1, 22 → 2, 33 → 3, 23 → 4, 13 → 5, 12 → 6. 다른 문서에서는 다르게 표기할 수도 있다.) 이것이 변형도와 변형력이 6개의 요소를 가진 벡터 형태로 나타나는 이유이다. 비례계수 역시 계수 4 텐서가 아닌 6 차원 행렬로 나타난다.

PZT나 BaTiO3와 같은 편극된 압전 세라믹 소재의 변형도-전하 관계는 다음과 같이 쓸 수 있다.

:

\begin{bmatrix} S_1 \\ S_2 \\ S_3 \\ S_4 \\ S_5 \\ S_6 \end{bmatrix}

=

\begin{bmatrix} s_{11}^E & s_{12}^E & s_{13}^E & 0 & 0 & 0 \\

s_{21}^E & s_{22}^E & s_{23}^E & 0 & 0 & 0 \\

s_{31}^E & s_{32}^E & s_{33}^E & 0 & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 & s_{44}^E & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 & 0 & s_{55}^E & 0 \\

0 & 0 & 0 & 0 & 0 & s_{66}^E=2\left(s_{11}^E-s_{12}^E\right) \end{bmatrix}

\begin{bmatrix} T_1 \\ T_2 \\ T_3 \\ T_4 \\ T_5 \\ T_6 \end{bmatrix}

+

\begin{bmatrix} 0 & 0 & d_{31} \\

0 & 0 & d_{32} \\

0 & 0 & d_{33} \\

0 & d_{24} & 0 \\

d_{15} & 0 & 0 \\

0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

\begin{bmatrix} E_1 \\ E_2 \\ E_3 \end{bmatrix}



:

\begin{bmatrix} D_1 \\ D_2 \\ D_3 \end{bmatrix}

=

\begin{bmatrix} 0 & 0 & 0 & 0 & d_{15} & 0 \\

0 & 0 & 0 & d_{24} & 0 & 0 \\

d_{31} & d_{32} & d_{33} & 0 & 0 & 0 \end{bmatrix}

\begin{bmatrix} T_1 \\ T_2 \\ T_3 \\ T_4 \\ T_5 \\ T_6 \end{bmatrix}

+

\begin{bmatrix} {\varepsilon}_{11} & 0 & 0 \\

0 & {\varepsilon}_{22} & 0 \\

0 & 0 & {\varepsilon}_{33} \end{bmatrix}

\begin{bmatrix} E_1 \\ E_2 \\ E_3 \end{bmatrix}



전체적으로 다음과 같은 네 개의 압전 계수가 존재한다.

:

d_{ij} = \left ( \frac{\partial D_i}{\partial T_j} \right )^E

= \left ( \frac{\partial S_j}{\partial E_i} \right )^T



:

e_{ij} = \left ( \frac{\partial D_i}{\partial S_j} \right )^E

= -\left ( \frac{\partial T_j}{\partial E_i} \right )^S



:

g_{ij} = -\left ( \frac{\partial E_i}{\partial T_j} \right )^D

= \left ( \frac{\partial S_j}{\partial D_i} \right )^T



:

h_{ij} = -\left ( \frac{\partial E_i}{\partial S_j} \right )^D

= -\left ( \frac{\partial T_j}{\partial D_i} \right )^S



처음 항은 압전 효과에 해당하고, 두 번째 항은 역 압전 효과에 해당한다.

4. 결정 분류

32개의 결정족 중 21개는 대칭 중심이 없는 형태(non-centrosymmetric)이며,[20] 이 중 20개는 직접적인 압전 효과를 보인다.

결정 분류
극성 결정 분류압전 결정 분류



이 중 10개는 단위 구조에 0이 아닌 고유한 전기 쌍극자 모멘트를 가지고 있어 기계적 압력이 없는 상태에서도 자발적인 분극을 보이며, 초전기 현상도 나타낸다.

외부 힘이 없을 때도 편극이 유지되는 극성 결정은 편극의 크기나 방향 변화만으로도 압전 효과가 나타난다. 반면 비극성 결정은 외부 힘이 가해질 때만 편극이 발생한다.

5. 물질

압전효과를 나타내는 물질에는 자연적으로 생성되는 물질과 인공적으로 만들어진 물질이 있다.

18세기 중반, 칼 폰 린네와 프란츠 아이피누스는 온도 변화에 반응하여 물질이 전기 전위를 생성하는 압전 효과를 연구했다. 르네 쥐스트 아위와 앙투안 세자르 베크렐은 기계적 응력과 전하 사이의 관계를 연구했지만, 실험은 결론을 내리지 못했다.[12]

1880년, 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제가 직접 압전 효과를 처음으로 증명했다.[13] 이들은 전기석, 석영, 토파즈, 사탕수수, 로셸염 결정을 사용하여 효과를 입증했으며, 석영과 로셸염이 가장 큰 압전 효과를 보였다.

thumb

1881년, 가브리엘 리프만은 역 압전 효과를 수학적으로 유도했다.[14] 퀴리 형제는 즉시 역 효과의 존재를 확인하고,[15] 압전 결정에서 전기-탄성-기계적 변형의 완전한 가역성에 대한 정량적 증거를 얻었다.

이후 압전 효과는 실험실적 호기심으로 남아 있었지만, 1898년 피에르와 마리 퀴리가 폴로늄과 라듐을 발견하는 데 중요한 도구가 되었다. 1910년 볼데마르 포이트는 "결정 물리학 교과서"를 출판하여 압전 효과를 나타낼 수 있는 20가지 자연 결정 종류를 설명하고, 텐서 해석을 사용하여 압전 상수를 정의했다.[16]

압전판을 이용한 오디오 신호를 음파로 변환


압전 효과는 고체 내 전기 쌍극자 모멘트 발생과 관련이 깊다. 쌍극자 밀도는 결정학적 단위세포의 부피당 쌍극자 모멘트를 합산하여 계산할 수 있다.[18] 서로 가까운 쌍극자는 바이스 도메인이라고 하는 영역에서 정렬되는 경향이 있으며, "폴링" 과정을 통해 정렬될 수 있다.[19]

기계적 응력을 가하면 분극의 변화가 발생하며, 이는 쌍극자 유도 환경의 재구성이나 분자 쌍극자 모멘트의 재배향에 의해 발생한다. 예를 들어, 1cm3 크기의 석영 큐브에 2kN의 힘을 가하면 12500V의 전압이 생성될 수 있다.[20]

압전 재료는 전기장을 가하면 기계적 변형이 발생하는 역압전 효과도 나타낸다.

압전 현상을 보이는 재료는 다음과 같다.

  • 랑가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄)
  • 갈륨 인산염(GaPO₄)
  • 니오브산리튬(LiNbO₃)
  • 탄탈산리튬(LiTaO₃)
  • 석영
  • 베를리나이트(AlPO₄)
  • 로셸염
  • 토파즈
  • 전기석
  • 티탄산납(PbTiO₃)


티탄산납의 정방정계 단위세포


무작위로 배향된 결정립을 가진 세라믹은 압전성을 나타내려면 강유전성이어야 한다.[31]

페로브스카이트, 텅스텐-브론즈 및 관련 구조를 갖는 세라믹 계열은 압전성을 나타낸다.

  • 티탄산지르콘산납 (, 0 ≤ ''x'' ≤ 1)
  • 니오브산칼륨 (KNbO3)[32]
  • 텅스텐산나트륨 (Na2WO3)
  • Ba2NaNb5O5
  • Pb2KNb5O15
  • 산화아연 (ZnO)
  • 나트륨칼륨니오브산염((K,Na)NbO₃)
  • 비스무트철산염(BiFeO₃)
  • 나트륨니오브산염(NaNbO₃)
  • 바륨티탄산염(BaTiO₃)
  • 비스무트티탄산염(Bi₄Ti₃O₁₂)
  • 나트륨비스무트티탄산염(NaBi(TiO₃)₂)


무연 압전 세라믹의 제조는 환경적 관점에서 여러 과제를 제기한다.[35]

비중심 대칭을 갖는 반도체 결정에서는 인가된 응력과 변형 하에서 이온의 분극으로 인해 압전 전위가 생성될 수 있다. 가장 강한 압전 현상이 관찰되는 반도체는 질화갈륨(GaN), 질화인듐(InN), 질화알루미늄(AlN) 및 산화아연(ZnO)이다.

2006년 이후, 강한 극성 반도체의 비선형 압전 효과에 대한 많은 보고가 있었다.[37]

고분자의 압전 응답은 세라믹만큼 높지 않지만, 고분자는 유연성과 낮은 음향 임피던스와 같은 특성을 지닌다.[38] 압전 고분자는 벌크 고분자, 공극이 있는 대전된 고분자("압전전기체"), 그리고 고분자 복합재로 분류될 수 있다. 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)는 석영보다 몇 배 더 큰 압전성을 나타낸다.

설탕, DNA, 바이러스 단백질 등도 약한 압전 반응을 보인다.[43][44] 최근에는 β-글리신과 같은 단일 아미노산도 높은 압전성을 나타냈다.[45]

이온 액체는 최초의 압전 액체로 확인되었다.[46]

5. 1. 자연적으로 발생한 물질

다음은 자연적으로 발생한 압전기 물질이다.

  • 베를리나이트(AlPO₄): 석영과 구조적으로 동일한 희귀한 인산염 광물이다.
  • 자당
  • 석영
  • 로셸염
  • 황옥
  • 전기석
  • : 건조된 뼈는 어느 정도 압전 특성을 보인다. 후카다 에이이치(深田栄一)의 연구에 따르면 콜라겐에 의해 압전 특성이 나타나며, 생물학적 힘 센서의 역할을 하는 것으로 보인다.[75][76][77]
  • 힘줄
  • 명주
  • 압전식 구조를 가진 나무
  • 법랑
  • 상아질
  • DNA
  • 랑가사이트(La₃Ga₅SiO₁₄): 석영과 유사한 결정
  • 갈륨 인산염(GaPO₄): 석영과 유사한 결정
  • 니오브산 리튬(LiNbO₃)
  • 탄탈산 리튬(LiTaO₃)
  • 티탄산 납(PbTiO₃): 광물 마케도나이트로 자연에서 발견되지만,[29][30] 연구 및 응용을 위해 합성된다.

5. 2. 인공 압전 결정


  • 인산갈륨(GaPO4) - 석영과 유사한 결정이다.
  • 랑가사이트(La3Ga5SiO14) - 석영과 유사한 결정이다.

5. 3. 인공 압전 세라믹스



페로브스카이트(Perovskite) 구조와 텅스텐-브론즈(Tungsten-bronze) 구조를 가진 세라믹은 압전효과를 나타낸다.

  • 산화타이타늄화 바륨( BaTiO_3 ): 처음으로 압전효과가 관찰된 세라믹이다.
  • 산화타이타늄화 납( PbTiO_3 )
  • PZT( Pb[Zr_xTi_{x-1}]O_3 0<=x<=1 ): 현재 가장 많이 사용되는 압전 물질이다.
  • 산화나이오븀화 칼륨( KNbO_3 )
  • 산화나이오븀화 리튬( LiNbO_3 )
  • 산화탄탈륨화 리튬( LiTaO_3 )
  • 산화텅스텐화 나트륨( Na_2WO_3 )
  • 산화 아연( Zn_2O_3 )
  • Ba_2NaNb_5O_5
  • Pb_2KNb_5O_{15}
  • 테트라붕산리튬(Li₂B₄O₇)

5. 4. 무연 압전 세라믹스

최근 유해물질 제한지침(RoHS) 지령으로 인해 납을 포함한 물질의 독성에 대한 관심이 높아지고 있다. 이 문제에 대처하기 위해 무연 압전 재료가 재개발되었다. 다음은 주요 무연 압전 세라믹스 물질들이다.

  • 나트륨칼륨니오브산염( (K,Na)NbO₃ ): 2004년, 齋藤康善(사이토 야스요시)가 이끄는 도요타중앙연구소(豊田中央研究所) 연구 그룹에 의해 높은 Curie temperature|퀴리 온도영어를 가지는 PZT(압전 세라믹 지르코늄 티탄산납)에 가까운 특성을 갖춘 물질이 발견되었다.[78]
  • 비스무트페라이트(BiFeO₃): 무연 세라믹스의 대체재로 유망한 후보이다.
  • 나트륨니오브산염(NaNbO₃)
  • 비스무트티탄산염(Bi₄Ti₃O₁₂)
  • 나트륨비스무트티탄산염(Na₀.₅Bi₀.₅TiO₃)


현재로서는 이러한 물질의 환경에 대한 영향이나 안정적인 공급도 확인되지 않았다.

5. 5. 중합체

폴리플루오린화비닐리덴(PVDF)은 석영보다 몇 배나 큰 압전효과를 나타낸다. 물질의 결정구조에 의해 압전효과가 나타나는 세라믹스와 다르게, PVDF는 전기장이 걸리면 중합체 내부에서 긴 사슬형태의 분자들이 서로 인력과 척력을 작용하면서 압전효과가 나타난다. Polyvinylidene fluoride영어는 석영보다 훨씬 높은 압전성을 나타낸다. 재료의 결정 구조가 압전 효과를 생성하는 세라믹스와는 달리, 폴리머 내에서는 전계가 있으면 서로 얽혀 있는 장쇄 분자가 서로 붙거나 떨어진다.

6. 응용

압전 장치는 산업, 제조업, 의료, 자동차, 정보통신 등 다양한 분야에서 활용되며, 전 세계적으로 수요가 증가하고 있다.

제1차 세계 대전 중 개발된 수중음파탐지기는 압전 소자를 최초로 실용적으로 응용한 사례이다. 프랑스폴 랑주뱅초음파 잠수함 탐지기를 개발했는데, 이는 변환기와 수중청음기로 구성되어 음파를 이용해 물체까지의 거리를 계산했다.[17]

압전 소자는 세라믹 축음기 카트리지(플레이어 설계 단순화, 제작 용이), 초음파 변환기(유체와 고체의 점도 및 탄성 측정, 재료 연구 발전 기여), 초음파 시간 영역 반사계(금속 및 돌 물체 내부 결함 발견, 구조적 안전성 향상) 등 여러 분야에서 사용된다.

제2차 세계 대전 당시 미국, 소련, 일본은 강유전체라는 새로운 합성 재료를 발견하여 티탄산바륨, 지르콘산납티탄산염 재료 개발을 이끌었다. 벨 연구소는 넓은 온도 범위에서 작동하는 "AT 커트" 결정을 개발하여 항공기 무선 통신에 기여했다. 일본은 온도 안정성이 뛰어난 결정 절단법을 개발하고, 압전 세라믹 필터, 압전 부저, 오디오 트랜스듀서, 압전 점화기 등 다양한 응용 분야를 개척했다. 초음파 트랜스듀서는 텔레비전 리모컨, 자동차 에코로케이션 장치 등에 활용된다.

스틱-슬립 액추에이터


압전 모터는 초음파 모터, 인치웜 모터, 직사각형 4사분면 모터, 스테핑 압전 모터 등 다양한 종류가 있으며, 스틱-슬립 효과를 이용하거나 두 표면 사이의 접촉점을 타원형으로 진동시켜 움직임을 발생시킨다.

압전 소자를 이용한 진동 감소 기술은 자동차, 주택 소음 감소, 유연 구조물 제어 등에 응용될 수 있다. 압전 세라믹 섬유 기술은 헤드 테니스 라켓의 전자식 감쇠 시스템에 사용된다.[60] 압전식 주문형 방울 유체 시스템은 압전 구조의 진동에 민감하며, 잉크젯 기술 등에서 이를 고려해야 한다.

난자 활성화와 정자 직접 주입술에 압전 활성화를 병행하면 수정 결과를 향상시킬 수 있다.[61] 압전수술은 주변 조직 손상을 최소화하면서 표적 조직을 절개하는 최소 침습적 기법이다.[62] 압전 박막은 특정 주파수에서 효율적인 공진기이자 방사체로 작용하여 안테나로 사용될 가능성이 있다.[65][66]

압전 기술은 보행자의 운동 에너지를 수확하는 데 활용될 수 있으며, 통행량이 많은 지역에서 에너지 수확 효율을 최적화하는 연구가 진행 중이다.[67][68] 굿이어는 압전 재료를 내장하여 타이어 변형으로 전기를 생성하는 발전 타이어를 개발할 계획이다.[71] 압전 재료를 포함한 하이브리드 태양전지는 주변 소음이나 진동을 이용하여 효율을 높일 수 있다.[72][73]

6. 1. 높은 전압과 전원

일부 물질(예: 석영)의 직접 압전 효과는 수천 볼트의 전위차를 생성할 수 있다.

가장 잘 알려진 응용 분야는 전기 라이터이다. 버튼을 누르면 스프링으로 작동하는 해머가 압전 결정을 타격하여 충분히 높은 전압의 전류를 생성하고, 이 전류는 작은 스파크 간극을 따라 흐르며 가스를 가열하고 점화한다. 가스레인지를 점화하는 데 사용되는 휴대용 점화기는 같은 방식으로 작동하며, 현재 많은 유형의 가스 버너에는 압전 방식의 점화 시스템이 내장되어 있다.[47][48]

이와 유사한 아이디어를 이용해, 미국 DARPA에서는 군인의 부츠에 압전 발전기를 내장하여 전장 장비에 전력을 공급하려는 에너지 수확 프로젝트를 연구했다. 그러나 보행 중 지속적인 신발 충격으로 1~2와트를 이용하려 했으나, 비실용성과 신발 착용자의 추가 에너지 소모로 인한 불편함으로 인해 중단되었다. 다른 에너지 수확 아이디어로는 기차역이나 기타 공공장소에서 사람들의 움직임으로부터 에너지를 수확하는 크라우드 팜과 댄스 플로어를 변환하여 전기를 생산하는 것,[49] 산업용 기계의 진동 에너지를 이용해 백업 전원을 위한 배터리 충전이나 저전력 마이크로프로세서 및 무선 라디오에 전력을 공급하는 것 등이 있다.[50][51]

압전 변압기는 일종의 AC 전압 승압기이다. 입력과 출력 간에 자기 결합을 사용하는 기존의 변압기와 달리, 압전 변압기는 음향 결합을 사용한다. PZT와 같은 압전 세라믹 재료 막대의 짧은 길이에 입력 전압을 인가하면 역압전 효과에 의해 막대에 교류 응력이 발생하고 막대 전체가 진동하게 된다. 진동 주파수는 일반적으로 100킬로헤르츠~1메가헤르츠 범위의 블록의 공진 주파수로 선택된다. 그런 다음 압전 효과에 의해 막대의 다른 부분에 더 높은 출력 전압이 생성된다. 1,000:1을 초과하는 승압비가 입증되었다. 이 변압기의 추가 기능은 공진 주파수 이상으로 작동하여 유도성 부하로 나타나게 할 수 있다는 점으로, 제어된 소프트 스타트가 필요한 회로에 유용하다.[52] 이러한 장치는 냉음극형 형광등을 구동하는 DC-AC 인버터에 사용할 수 있다. 압전 변압기는 가장 소형의 고전압 소스 중 일부이다.

6. 2. 센서

압전 디스크를 사용한 기타 픽업


압전 센서의 작동 원리는 물리적 크기가 힘으로 변환되어 감지 소자의 두 반대쪽 면에 작용한다는 것이다. 센서의 설계에 따라 압전 소자에 하중을 가하는 다양한 "모드"를 사용할 수 있는데, 세로, 가로 및 전단 모드가 그것이다.

소리 형태의 압력 변화 감지는 가장 일반적인 센서 응용 분야이다. 예를 들어 압전 마이크(소리파가 압전 재료를 구부려 전압 변화를 생성)와 어쿠스틱 일렉트릭 기타용 압전 픽업이 있다. 악기 본체에 부착된 압전 센서는 콘택트 마이크로 알려져 있다.

압전 센서는 특히 의료 이미징 및 산업용 비파괴 검사(NDT)를 위한 초음파 트랜스듀서의 고주파 사운드에 사용된다.

많은 감지 기술에서 센서는 센서와 액추에이터 역할을 모두 수행할 수 있다. 장치가 이중 기능으로 작동할 때는 종종 "트랜스듀서"라는 용어가 선호되지만, 대부분의 압전 장치는 사용 여부에 관계없이 이러한 가역성을 가지고 있다. 예를 들어 초음파 트랜스듀서는 신체에 초음파를 주입하고, 반환된 파를 수신하며, 전기 신호(전압)로 변환할 수 있다. 대부분의 의료용 초음파 트랜스듀서는 압전식이다.

압전 센서 및 트랜스듀서 응용 분야는 다음과 같다.

  • 압전 소자는 소나파의 감지 및 생성에 사용된다.
  • 압전 재료는 단축 및 이축 기울기 감지에 사용된다.[54]
  • 고출력 응용 분야(예: 의료 치료, 음향 화학 및 산업 공정)의 전력 모니터링.
  • 압전 마이크로밸런스는 매우 민감한 화학 및 생물학적 센서로 사용된다.
  • 압전 소자는 때때로 스트레인 게이지에 사용된다. (더 일반적으로 압저항 효과 소자가 사용됨)
  • 호이겐스 탐사선의 투과계에 압전 트랜스듀서가 사용되었다.
  • 압전 트랜스듀서전자 드럼 패드에서 드러머의 스틱 충격을 감지하고 의료 가속근전도검사에서 근육 움직임을 감지하는 데 사용된다.
  • 자동차 엔진 관리 시스템은 특정 헤르츠 주파수에서 엔진 노킹(노킹 센서, KS), 즉 폭발을 감지하기 위해 압전 트랜스듀서를 사용한다. 압전 트랜스듀서는 연료 분사 시스템에서도 매니폴드 절대 압력(MAP 센서)을 측정하여 엔진 부하를 결정하고 궁극적으로 연료 분사기의 밀리초 단위의 작동 시간을 결정하는 데 사용된다.
  • 초음파 압전 센서는 음향 방출 검사에서 음향 방출 감지에 사용된다.
  • 압전 트랜스듀서는 통과 시간 초음파 유량계에 사용할 수 있다.

6. 3. 액추에이터

매우 높은 전기장은 결정의 너비를 아주 미세하게 변화시키는데, 이 너비는 μm 단위보다 더 나은 정밀도로 변경될 수 있다. 이는 압전 결정을 극도의 정확도로 물체의 위치를 조정하는 데 가장 중요한 도구로 만들어 액추에이터에 사용된다.[55]

100 μm보다 얇은 층을 사용하는 다층 세라믹은 150V 보다 낮은 전압으로 높은 전기장을 얻을 수 있게 한다. 이러한 세라믹은 두 종류의 액추에이터, 즉 직접 압전 액추에이터와 증폭형 압전 액추에이터에 사용된다. 직접 액추에이터의 스트로크는 일반적으로 100 μm보다 낮지만, 증폭형 압전 액추에이터는 밀리미터 스트로크에 도달할 수 있다.

압전 소자를 활용한 액추에이터는 다음과 같다.

  • 스피커: 전압이 금속성 다이어프램의 기계적 움직임으로 변환된다.
  • 초음파 세척은 일반적으로 액체 내에서 강렬한 음파를 생성하기 위해 압전 소자를 사용한다.
  • 압전 모터: 압전 소자가 에 방향성 힘을 가하여 회전하게 한다. 관련된 거리가 매우 작기 때문에, 압전 모터는 스테핑 모터를 대체하는 고정밀 장치로 여겨진다.
  • 압전 소자는 레이저 거울 정렬에 사용될 수 있으며, 여기서 거대한 질량(거울 마운트)을 미세한 거리만큼 이동시키는 능력을 이용하여 일부 레이저 거울을 전자적으로 정렬한다. 거울 사이의 거리를 정밀하게 제어함으로써, 레이저 전자 장치는 레이저 공진기 내부의 광학 조건을 정확하게 유지하여 빔 출력을 최적화할 수 있다.
  • 관련 응용 분야로는 음향 광 변조기가 있는데, 이는 압전 소자에 의해 생성된 결정 내의 음파에서 빛을 산란시키는 장치이다. 이것은 레이저의 주파수를 미세 조정하는 데 유용하다.
  • 원자간력 현미경과 주사 터널링 현미경은 센싱 니들을 시료에 가깝게 유지하기 위해 역 압전 효과를 사용한다.[56]
  • 잉크젯 프린터: 많은 잉크젯 프린터에서 압전 결정은 잉크젯 프린트 헤드에서 종이로 잉크를 분사하는 데 사용된다.
  • 디젤 엔진: 고성능 커먼 레일 디젤 엔진은 더 일반적인 솔레노이드 밸브 장치 대신, Robert Bosch GmbH가 처음 개발한 압전식 연료 분사 장치를 사용한다.
  • 증폭형 액추에이터를 사용한 능동 진동 제어.
  • X선 셔터.
  • 적외선 카메라에 사용되는 마이크로 스캐닝을 위한 XY 스테이지.
  • 강한 방사선이나 자력이 전기 모터를 배제하는 능동형 CT 및 MRI 스캐너 내부에서 환자의 위치를 정밀하게 이동시키는 것.[57]
  • 결정 수화기는 때때로 오래된 라디오 또는 저전력 라디오에 사용된다.
  • 환자의 신체 또는 산업용 화학 공정에서 예를 들어 국소적인 가열이나 국소적인 공동 현상을 생성하기 위한 고강도 집속 초음파.
  • 점자 디스플레이: 작은 결정에 전류를 가하여 팽창시켜 레버를 움직여 개별 점자 셀을 올린다.
  • 압전 액추에이터: 하나의 결정 또는 여러 개의 결정을 전압을 가하여 팽창시켜 기계 또는 시스템을 이동 및 제어한다.[55]
  • 압전 액추에이터는 하드 디스크 드라이브의 미세 서보 위치 제어에 사용된다.[58][59]

6. 4. 수정 발진기

석영 시계는 석영 결정으로 만든 결정 발진기를 사용하는데, 이는 직접 압전 효과와 역압전 효과를 결합하여 시간을 표시하는 데 사용되는 일정한 간격의 전기 펄스를 생성한다.[17] 석영 결정은 모든 탄성체와 마찬가지로 그 형태와 크기에 따라 정확하게 정의된 고유 진동수를 가지고 있으며, 이를 이용하여 결정에 인가되는 주기적인 전압의 주파수를 안정화시킨다.

같은 원리가 일부 라디오 송신기와 수신기, 그리고 컴퓨터에서 클럭 펄스를 생성하는 데 사용된다. 이러한 장치들은 대부분 주파수 증배기를 사용하여 기가헤르츠 범위에 도달한다.

6. 5. 기타 응용 분야

제1차 세계 대전 중 개발된 수중음파탐지기는 압전 소자의 최초 실용적 응용 사례였다. 프랑스폴 랑주뱅초음파 잠수함 탐지기를 개발했는데, 이는 변환기와 수중청음기로 구성되어 음파를 이용해 물체까지의 거리를 계산했다.[17]

압전 소자는 여러 분야에서 활용된다.

  • 세라믹 축음기 카트리지는 플레이어 설계를 단순화하고 제작을 용이하게 했다.
  • 초음파 변환기 개발은 유체와 고체의 점도 및 탄성 측정을 가능하게 하여 재료 연구 발전에 기여했다.
  • 초음파 시간 영역 반사계는 금속 및 돌 물체 내부 결함을 발견하여 구조적 안전성을 향상시켰다.


제2차 세계 대전 당시 미국, 소련, 일본은 강유전체라는 새로운 합성 재료를 발견하여 티탄산바륨, 지르콘산납티탄산염 재료 개발을 이끌었다.

벨 연구소는 넓은 온도 범위에서 작동하는 "AT 커트" 결정을 개발하여 항공기 무선 통신에 기여했다.

일본은 온도 안정성이 뛰어난 결정 절단법을 개발하고, 압전 세라믹 필터, 압전 부저, 오디오 트랜스듀서, 압전 점화기 등 다양한 응용 분야를 개척했다. 초음파 트랜스듀서는 텔레비전 리모컨, 자동차 에코로케이션 장치 등에 활용된다.

압전 모터는 초음파 모터, 인치웜 모터, 직사각형 4사분면 모터, 스테핑 압전 모터 등 다양한 종류가 있으며, 스틱-슬립 효과를 이용하거나 두 표면 사이의 접촉점을 타원형으로 진동시켜 움직임을 발생시킨다.

압전 소자를 이용한 진동 감소 기술은 자동차, 주택 소음 감소, 유연 구조물 제어 등에 응용될 수 있다.

압전 세라믹 섬유 기술은 헤드 테니스 라켓의 전자식 감쇠 시스템에 사용된다.[60]

압전식 주문형 방울 유체 시스템은 압전 구조의 진동에 민감하며, 잉크젯 기술 등에서 이를 고려해야 한다.

난자 활성화와 정자 직접 주입술에 압전 활성화를 병행하면 수정 결과를 향상시킬 수 있다.[61]

압전수술은 주변 조직 손상을 최소화하면서 표적 조직을 절개하는 최소 침습적 기법이다.[62]

압전 박막은 특정 주파수에서 효율적인 공진기이자 방사체로 작용하여 안테나로 사용될 가능성이 있다.[65][66]

압전 기술은 보행자의 운동 에너지를 수확하는 데 활용될 수 있으며, 통행량이 많은 지역에서 에너지 수확 효율을 최적화하는 연구가 진행 중이다.[67][68]

굿이어는 압전 재료를 내장하여 타이어 변형으로 전기를 생성하는 발전 타이어를 개발할 계획이다.[71]

압전 재료를 포함한 하이브리드 태양전지는 주변 소음이나 진동을 이용하여 효율을 높일 수 있다.[72][73]

압전 효과가 있는 물질은 역압전 효과도 가지며, 이는 소리, 고전압 발생, 전기 주파수 발생, 초미세 조정 등에 응용된다.

압전 효과를 이용한 마찰 저감 특성도 보고되고 있으며, 특히 유/진공 환경에서의 응용이 기대된다.

7. 국제 표준

표준 번호표준명
ANSI-IEEE 176 (1987)압전기에 관한 표준[1]
IEEE 177 (1976)압전 진동자에 대한 표준 정의 및 측정 방법[2]
IEC 444 (1973)파이 네트워크에서 영위상 기술을 이용한 수정 결정 단위의 공진 주파수 및 등가 직렬 저항 측정 기본 방법[3]
IEC 302 (1969)최대 30MHz 주파수 범위에서 작동하는 압전 진동자에 대한 표준 정의 및 측정 방법[4]


참조

[1] 간행물 LPD
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[3] 어원사전 piezoelectric
[4] 사전 πιέζειν, ἤλεκτρον
[5] 어원사전 piezoelectric
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[7] 서적 Piezoelectric Sensorics: Force, Strain, Pressure, Acceleration and Acoustic Emission Sensors, Materials and Amplifiers Springer 2002
[8] 서적 Ultrasonic Testing of Materials Springer 1990
[9] 논문 Development and Application of Piezoelectric Materials for Ultrasound Generation and Detection 2011
[10] 웹사이트 How Do Electronic Drums Work? https://web.archive.[...] 2020-06-24
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[12] 웹사이트 Piezoelectricity and ferroelectricity: Phenomena and properties https://moodle.fp.tu[...] Department of Physics, Technical University of Liberec
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[16] 서적 Lehrbuch der Kristallphysik https://books.google[...] B. G. Teubner 1910
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[22] 웹사이트 IEC 60050 – International Electrotechnical Vocabulary – Details for IEV number 121-11-40: "electric flux density" http://www.electrope[...]
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