압전 재료 탐색 : 유형, 특성 및 기술 영향

수년에 걸쳐 재료 과학의 발전은 단결정, 세라믹 및 박막과 같은 다양한 압전 재료를 만들었습니다.이 기사는 특성, 유형, 작동 방식 및 용도를 포함한 압전 재료를 면밀히 살펴 봅니다.그것은 기계 및 전기 공학을 연결하는 데있어 그들의 중요성을 강조하여 많은 분야에서 혁신을 주도합니다.

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그림 1 : 압전 재료

Piezo는 무엇입니까?

"Piezo"라는 단어는 그리스어 "Piezein"이라는 단어에서 나온다. "Press"또는 "압력"을 의미합니다.이것은 압전 과학에 사용되는 것과 잘 어울립니다.1880 년 프랑스 물리학 자 Jacques와 Pierre Curie는 Piezoelectricity를 발견했습니다.그들은 Tourmaline, Quartz, Topaz 및 Rochelle Salt와 같은 특정 결정이 압박되었을 때 전하를 생성한다는 것을 발견했습니다.그들은 또한 전류가 적용될 때 이러한 결정이 모양이 변화 할 수 있음을 보았다.

이 발견은 다양한 압전 장치의 생성으로 이어졌습니다.제 1 차 세계 대전 동안, 압전은 주로 초음파 잠수함 탐지기에 사용되었습니다.오늘날, 압전 재료는 여러 가지에서 사용됩니다.전기 담배 라이터 및 잉크젯 프린터와 같은 일상 품목뿐만 아니라 로봇 공학의 의료 초음파 이미징 및 정밀 모션 제어와 같은 고급 기술에서 발견됩니다.

압전 재료의 유형

그림 2 : 압전 재료의 예

단결정 압전 재료

단결정 압전 재료는 입자 경계가없는 연속적이고 균일 한 결정 격자를 특징으로합니다.이 균일 한 구조는 종종 다른 압전 재료에 비해 더 나은 전자 기계적 커플 링 효율로 이어진다.이러한 재료의 예로는 석영 및 랑가 사이트가 포함됩니다.이 단결정은 Czochralski 공정 또는 열수 합성과 같은 정확한 성장 방법을 사용하여 생산됩니다.그들의 탁월한 성능은 고급 의료 이미징 시스템, 통신 공진기 및 필터 및 항공 우주의 진동 모니터링과 같은 정확한 응용 프로그램에 적합합니다.

그림 3 : Piezo Crystal Quartz 물질

세라믹 압전 재료

압전 세라믹은 납 지르코 네이트 티탄 (PZT)과 같은 페 로브 스카이 트 구조 재료로 만들어집니다.이 물질은 다결정이며 소결 분말 물질에 의해 만들어집니다.그들의 압전 특성은 폴링 공정을 통해 개발되며 외부 전기장을 적용하여 전기 쌍극자를 정렬합니다.이 세라믹은 다양한 형태와 크기로 쉽게 형성 될 수 있습니다.내구성과 비용 효율성은 액추에이터, 센서, 초음파 변환기 및 소비자 전자제 버저에 사용하는 데 인기가 있습니다.

그림 4 : PZT 유형 압전 세라믹의 구조

박막 압전 재료

박막 압전 전기는 스퍼터링, 화학 기상 증착 또는 펄스 레이저 증착과 같은 고급 제조 기술을 사용하여 몇 나노 미터에서 두께의 마이크로 미터까지의 층을 증착시킴으로써 만들어집니다.박막에 사용되는 일반적인 재료에는 PZT, 산화 아연 (ZNO) 및 알루미늄 질화물 (ALN)이 포함됩니다.이 필름의 얇음을 통해 MEM (Microelectromechanical Systems) 및 NEMS (Nanoelectromechanical Systems)에 통합되어 마이크, 마이크로 스위치 및 고급 센서 어레이와 같은 소형 장치에서 기능을 향상시킬 수 있습니다.표준 반도체 프로세스 및 확장 성과의 호환성은 통합 회로 및 유연한 전자 제품에 적합합니다.

그림 5 : ALN 압전 박막

그림 6 : 대량 Piezo 요소

박막과 대량 압전 재료를 선택하는 것은 애플리케이션의 정밀, 전력 및 내구성에 대한 특정 요구에 달려 있습니다.박막 피에조 재료는 소규모 기술에 적합합니다.대조적으로, 벌크 피 에조 재료는보다 까다로운 대규모 응용 분야에서 선호된다.아래 표는 두께, 제조 기술, 주요 기능 및 응용 분야에 기초한 박막 피에조 재료와 벌크 피에 조 재료를 비교합니다.

범주	박막 피에조 재료	대량 piezo 재료
두께	몇 마이크로 미터에서 몇 마이크로 미터	몇 밀리미터에서 센티미터
제조 기술	스퍼터링, 펄스 레이저 증착, 화학 기상 증착	프레스, 압출, 가공
특징	고주파 응답 : 빠른 응답 타임스	높은 발전 : 전력을 생산합니다 기계적 스트레스 하에서
	유연성 : 유연성에 적용됩니다 표면	내구성 : 강하고 내구성이 강하고 적합합니다 무거운 짐과 가혹한 조건
	정밀도 : 정확한 제어 a 현미경 수준	다목적 성 : 쉽게 모양과 크기 구체적인 요구
응용 프로그램	미세 전자 및 MEMS : 가속도계, 자이로 스코프, 잉크젯 프린터 헤드	에너지 수확 : 기계적 변환 진동에서 전기 에너지로의 스트레스
	의료 기기 : 초음파 변환기 영상 및 치료를 위해	액추에이터 및 센서 : 대형 액추에이터 자동차 및 항공 우주 산업, 고재 센서
	통신 : 필터 및 휴대 전화 및 통신 장치의 공진기	소나 및 초음파 장치 : 소나 해군 사용을위한 시스템, 산업 초음파 클리너

박막 PZT 및 증착 방법

박막 납 지르코 네이트 티타 네이트 (PZT) 재료는 훌륭한 압전 특성으로 인해 센서, 액추에이터 및 MEM (Microelectromechanical Systems)에 사용됩니다.PZT 박막의 조성 및 효과는 구조, 방향 및 압전 성능에 영향을 줄 수있는 증착 방법에 크게 의존합니다.세 가지 주요 증착 기술 : 졸-겔, 스퍼터링 및 금속 유기 화학 증기 증착 (MOCVD).

그림 7 : 유연한 박막 PZT

솔 젤 프로세스

SOL-GEL 공정은 PZT 박막을 증착하고 분자 수준에서 필름 조성을 제어하는 ​​비용 효율적인 방법입니다.이 기술은 겔로 바뀌는 콜로이드 용액 (SOL)을 준비하는 것으로 시작합니다.중요한 단계에는 가수 분해 및 중합 금속 알 콕 시드가 포함됩니다.생성 된 겔은 스핀 코팅 또는 딥 코팅을 사용하여 기판에 적용한 다음 열처리에 이어 유기 성분을 제거하고 PZT 상을 결정화한다.

그림 8 : PZT 박막의 졸-겔 공정

장점

• 화학량 론을 잘 제어하여 압전 특성 향상

• 다른 방법에 비해 낮은 온도를 사용합니다

도전

• 넓은 지역에서 일관된 두께와 구성을 얻기가 어렵습니다.

• 건조 및 발사 중 높은 수축은 종종 균열을 유발합니다.

스퍼터링

스퍼터링은 고 에너지 입자가 대상에서 물질을 노크 한 다음 기판에 퇴적하는 물리 증기 증착 (PVD) 기술입니다.PZT 필름의 경우, RF Magnetron 스퍼터링은 PZT 표적을 치는 아르곤 이온의 플라즈마와 관련하여 사용된다.

그림 9 : 박막 증착의 스퍼터 증착 방법

장점

• 좋은 접착력과 밀도를 가진 필름을 생성합니다

• 대형 기판을 균일하게 코팅하는 데 적합합니다

도전

• 자신의 특성에 영향을 미치는 필름에 스트레스가 쌓일 수 있습니다.

• 차동 스퍼터링 수율로 인해 스퍼터링 중에 대상의 구성이 변할 수 있습니다.

금속 유기 화학 증기 증착 (MOCVD)

MOCVD는 기상기에서 금속 유기 전구체를 분해하고 가열 된 기판에서 반응하거나 분해하여 박막을 형성하는 것을 포함한다.이 방법은 전자 응용 분야에 적합한 고순도의 잘 결정된 필름을 생산하는 데 선호됩니다.

장점

• 복잡한 자형 기판에서도 우수한 필름 균일 성과 적합성을 제공합니다.

• 대량 생산에 적합합니다

도전

• 다른 방법보다 더 높은 온도가 필요합니다

• 금속 유기 전구체의 취급 및 저장은 위험 할 수 있습니다.

그림 10 : 금속 유기 화학 증기 증착

재료가 스트레스를받는 방법

압축하에있는 행동

석영 또는 바륨 티탄 네이트와 같은 재료가 압박 될 때, 다양한 장치에서의 사용에 영향을 미치는 방식으로 변경됩니다.이 재료에는 압축 될 때 전하를 생성하는 특수 구조가 있습니다.압축되면 수축하고 내부 구조가 변경됩니다.

이 압박은 결정 내부의 전기 전하가 고르지 않게 분포됩니다.압력은 결정 구조의 이온을 움직여 전기장을 만듭니다.이것은 재료 이동의 양전하 및 음전하가 중심하기 때문에 발생합니다.전기 반응의 양은 결정의 유형, 적용된 힘 및 힘에 대한 결정의 방향에 따라 다릅니다.

예를 들어, 센서에서, 결정에 의해 생성 된 전압은 적용된 힘을 측정 할 수있어 압력 및 모니터링 하중을 감지하는 데 완벽하게 만듭니다.액추에이터에서 전기장을 적용하면 결정 변화 모양이 될 수있어 초음파 장치 및 자동차 연료 인젝터와 같은 물건에서 움직임을 정확하게 제어 할 수 있습니다.

그림 11 : 압전 재료가 작동합니다

압력에 대한 압전 반응

압전 재료가 기계적 압력에 직면 할 때, 분자는 재정렬하여 전기 특성에 영향을 미칩니다.힘은 분자 구조를 변화시키고 영역을 균일 한 전기 방향으로 정렬하면 전기 분극이 증가합니다.

이 정렬은 재료의 전하 분리를 향상시켜 전기 분극을 향상시킵니다.간단히 말해서, 압력은 쌍극자 (두 개의 반대 전하를 가진 분자)를 균일하게 만들어 주어진 힘에 대한 더 강한 전기장을 만듭니다.

다른 압력 하에서이 반응을 정확하게 제어하는 ​​능력은 압전 재료가 많은 기술에서 매우 유용하게 만듭니다.기계적 압력을 전기 신호로 변환 할 수있는 능력과 그 반대도 마찬가지입니다. 정확한 전자 주파수를 생성하고 산업 환경에서 진동을 모니터링하는 것과 같은 작업에서 효과적으로 사용할 수 있습니다.

압전 효과

그림 12 : 압전 효과

압전 효과로 기계 에너지 전환 전기 에너지로 전환

압전 효과는 특정 결정 재료를 변형시켜 기계적 에너지를 전기 에너지로 변화시킵니다.압전으로 알려진이 재료에는 석영과 같은 천연 물질과 고급 세라믹과 같은 합성 물질이 포함됩니다.

압전 재료가 압박, 꼬임 또는 구부러지는 것과 같은 기계적 스트레스에 직면 할 때, 결정 구조는 중심 대칭이없고 방해받습니다.이 교란은 결정의 전하 센터를 결정하여 양극화를 일으키고 재료의 특정 지점에서 전위를 생성합니다.

이 과정의 핵심 사항 :

생성 된 전하는 적용된 기계적 응력의 양과 일치합니다.이는 전기 출력이 알려진 힘에 따라 정확하게 제어 될 수 있음을 의미합니다.

힘이 제거되면 재료는 원래 상태로 돌아가고 전하가 사라집니다.이를 통해 재료의 내구성과 신뢰성은 반복적으로 작동 해야하는 장치에 적합합니다.

역 압전 효과로 전기 에너지를 기계 에너지로 전환

역 압전 효과는 전기 에너지를 기계 에너지로 다시 변화시킵니다.압전 재료에 전기 전압을 적용하면 결정 격자 구조를 변화시키는 전기장이 생겨 재료의 치수를 변경합니다.

이 효과는 광학 기기 및 마이크로 위치 시스템의 정밀 액추에이터에 사용됩니다.역 압전 효과는 작은 전기 입력이 정확하고 제어 된 기계적 조정을 초래하여 로봇 공학, 자동차 기술, 의료 기기 및 통신의 발전을 돕도록합니다.

기계-전기 및 전기-기계적 변환기로 작용하는 압전 효과의 이중 능력은 기술 발전을 지원합니다.기계 및 전기 영역을 연결하여 현대 공학 및 혁신을 확장합니다.

그림 13 : 직접 및 역전 압전 효과

비 피에 조 전기 및 압전 재료 비교

비 피에 조 전기 및 압전 재료는 기계적 및 전기 에너지를 처리하는 방식에서 다릅니다.강철 및 알루미늄과 같은 비 피에 조 전기 재료는 전기를 전도 할 수 있지만 스트레스를받을 때 전하를 만들지는 않습니다.석영 및 특정 세라믹과 같은 압전 재료는 특수 결정 구조로 인해 기계적 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있습니다.

비 피에 조전 재료는 대칭 결정 격자를 가지므로 스트레스를받을 때 전기 쌍극자를 생산하지 않습니다.압전 재료는 비대칭 결정 격자를 가지므로 스트레스를받을 때 전하를 생성 할 수 있습니다.이 변형은 내부 분극과 전위를 창출합니다.

비 피에 조전 재료는 전자 이동성 및 밴드 구조를 기반으로 일반 도체 또는 절연체처럼 행동하며 변형시 전하를 생성하지 않습니다.압전 재료는 기계적 응력이 전하를 생성하는 직접 압전 효과와 전기장이 기계적 변형을 유발하는 역 압전 효과의 두 가지 효과를 나타냅니다.이러한 특성으로 인해 압전 재료는 센서 및 액추에이터에 사용하기에 적합합니다.

그들의 특성이 다른 특성으로 인해 비 피에 조 전기 및 압전 재료는 다른 응용 분야에서 사용됩니다.비 피 에조 전기 재료는 강도와 전도도가 중요한 구조 성분, 전기 배선 및 표준 전자 부품에 사용됩니다.압전 재료는 초음파 장비, 정밀 포지셔닝 장치 및 고급 기술에 적합한 다양한 센서 및 액추에이터와 같은 정밀 제어 및 기계식 에너지 ​​변환이 필요한 필드에 사용됩니다.

압전의 응용

소비자 전자 장치 : 스마트 폰 및 기타 장치에서 압전 부품은 스피커 및 마이크에 사용됩니다.그들은 전기 신호를 사운드 진동으로 바꾸거나 사운드 진동을 오디오 입력을 위해 전기 신호로 바꿉니다.

자동차 산업 : 현대 자동차는 엔진의 연료 분사 제어 및 타이어 압력 모니터링과 같은 많은 목적으로 가전 센서를 사용합니다.

환경 모니터링 : 압전 센서는 압력 변화, 진동 및 소리를 감지합니다.환경 조건을 확인하고 건물과 교량의 안전을 보장하는 데 사용됩니다.

에너지 수확 : 압전 재료는 기계적 스트레스로 에너지를 포착 할 수 있습니다.예를 들어, 발자취를 전기 에너지로 변환하는 바닥은 바쁜 지역에서 조명과 전자 장치에 전력을 공급하여 지속 가능한 환경을 조성 할 수 있습니다.

고전압 압전 라이터 :이 라이터는 가스 스토브 및 바베큐 조명에 사용되는 라이터를 사용하여 작은 기계적 클릭으로 고전압을 만들어 스파크를 생성하여 버너를 밝힙니다.이것은 압전 재료의 실제 사용을 보여줍니다.

의료 영상 : 압전 결정은 초음파 기계에 유용합니다.그들은 조직과 장기를 튕겨서 진단을위한 이미지를 만듭니다.

과학기구의 정밀 액추에이터 : 정밀 액추에이터의 압전 재료는 광학 및 나노 기술을위한 작은 움직임을 만듭니다.이 액추에이터는 과학 연구 및 반도체 제조를 위해 미세한 정확도로 거울, ​​렌즈 및 기타 부품을 조정합니다.

결론

압전 재료를 연구하는 것은 물리와 공학 사이의 강한 연결을 보여 주어 여러 기술적 목적으로 자연적 특성을 어떻게 사용할 수 있는지 보여줍니다.강한 벌크 재료와 유연한 박막으로 이용 가능한 압전 재료의 다양성은 에너지 수확, 환경 모니터링 및 지속 가능한 기술 개발과 같은 다양한 응용 분야에 적합합니다.혁신이 계속됨에 따라, 압전 재료의 연구 및 개발이 더 중요하며, 미래 기술의 효율성, 정밀도 및 기능의 유망한 개선이 가능합니다.

자주 묻는 질문 [FAQ]

1. 압전 효과에서 전기가 생산되는 원인은 무엇입니까?

압전 효과는 특정 재료가 기계적 응력에 반응하여 전하를 생성 할 때 발생합니다.석영과 같은 결정, 바륨 타이타 네이트와 같은 세라믹 및 일부 폴리머와 같은 결정 인이 물질은 중심 비대칭 인 결정 격자 구조를 가지고있어 대칭 중심이 부족하다는 것을 의미합니다.압력 또는 진동과 같은 기계적 힘이 적용되면이 구조는 왜곡됩니다.이 왜곡은 격자 내 이온을 대체하여 양전하와 음전 전하가있는 영역을 만듭니다.이 충전의 공간 분리는 전력 전위 생성 전기를 초래합니다.이 효과는 가역적이며 전기장을 이러한 재료에 적용하면 기계적 스트레스가 유발됩니다.

2. 유전 전기 효과를 사용하는 장치는 무엇입니까?

압전 효과를 사용하는 장치는 다양하며 일상 및 특수 장비를 모두 포함합니다.일반적인 응용 프로그램은 다음과 같습니다.

Quartz Watches : 전기장에서 석영의 정기적 인 진동을 사용하여 시간을 정확하게 유지합니다.

의료 초음파 장치 : 진단 이미지를 만들기 위해 신체 내부에 반향하는 음파 생성.

자동차의 연료 인젝터 : 압전 액츄에이터를 사용하여 엔진 실린더에 주입 된 연료의 타이밍 및 양을 제어합니다.

압전 센서 및 가속도계 : 전기 신호로 변환하여 압력, 가속도, 변형 또는 힘의 변화를 측정합니다.

3. Piezo는 몇 볼트입니까?

압전 요소의 전압 출력은 크기, 재료 및 적용된 기계적 응력의 양에 따라 크게 다를 수 있습니다.라이터 나 전자 장치에서 발견되는 것과 같은 작은 piezo 요소는 몇 볼트에서 수백 볼트까지 전압 스파이크를 생성 할 수 있습니다.그러나 이러한 출력은 일반적으로 매우 낮은 전류이며 마이크로 초만 지속됩니다.

4. Piezo에는 저항이 필요합니까?

많은 응용 분야에서, 저항은 압전 요소와 함께 사용하여 전류를 제한하고 피에 조가 활성화 될 때 생성 된 고전압 스파이크로부터 회로의 다른 구성 요소를 보호합니다.저항의 값은 원하는 응답 시간 및 감도를 포함한 회로의 특정 요구 사항에 따라 다릅니다.저항이 없으면 Piezo는 높은 초기 전압 스파이크로 인해 연결된 전자 부품을 손상시킬 수 있습니다.

5. 압전은 인간의 힘과 어떤 관련이 있습니까?

압전 효과는 혁신적인 방식으로 인간의 힘을 활용하는 데 직접적으로 적용 할 수 있습니다.걷기 또는 프레스 버튼과 같은 인간 활동에서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환 할 수 있습니다.이 기술은 다양한 응용 분야에서 탐구됩니다.

에너지 수확 바닥 타일 :이 타일은 지하철역이나 쇼핑몰과 같은 바쁜 지역에서 발자국의 압력으로 인해 전기를 생성합니다.

웨어러블 기술 : 정상적인 신체 움직임을 통해 소규모 장치의 전력을 생성하기 위해 신발이나 의류에 압전 재료를 포함시킵니다.

의료 임플란트 : 신체 움직임을 사용하여 맥박 조정기와 같은 전원 장치에 외부 배터리를 줄이거 나 제거합니다.