압전효과 핵심요약! - 압전소재/압전직접효과/역압전효과

압전효과 한줄 정리

압전소재에 기계적인 변화를 가했을 때 전기적 신호가 발생하는 효과.

 

압전소재란?

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 압전 직접효과(piezoelectric direct effect)와 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 역 압전효과(piezoelectric converse effect)를 갖는 압전 물질.

 

압전물질의 종류

산화타이타늄화 바륨(Barium Titanate)
인공압전세라믹스(PZT)
로쉘 소금(Rochelle salt)

등등

압전 직접효과(piezoelectric direct effect)

압전 직접효과는 전압발생 기능으로, 압전 소자에 외부응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단에 전기 신호가 발생하는 현상을 말하며 착화용 압전소자나 각종 센서에 응용된다.

 

왼쪽 그림과 같이와 같이 압전 소자에 외부응력이 없는 상태에서 출력 전압이 발생하지 않는다.

그러나, 가운데 그림과 같이 F의 압축력을 가하면 상하의 전극에 각각(+),(-)의 전압이 발생하고 소자 두께는 감소되며, 반대로 (c)와 같이 신장력 F를 가하면 상하의 전극에 각각 (+),(-)의 전압이 발생한다. 이 때 소자의 두께는 초기 무응력 상태보다 증가하며 압축력을 가했을 경우와 반대 현상이 발생된다.

 

역 압전효과(piezoelectric converse effect)

역 압전효과란 변위발생 기능으로, 압전 소자에 외부로부터 전압을 걸어주어 소자가 기계적 변위를 일으키게 되는 현상을 말하고 주로 액츄에이터 등에 적용된다.

(a)와 같이 압전 소자에 외부로부터 구동전압이 인가되어 있지 않은 상태에서는 전혀 변위를 나타내지 않는다.

(b)와 같이 상부에 전원의 (+)극을 또 하부에 전원의 (-)극을 각각 인가하면, 압전 소자의 내부 전하와 인가전압이 반발을 일으켜 압전소자는 압축현상을 나타낸다.

이와 반대로 (c)는 상부에 전원의 (-)극을 또는 하부에 전원의 (+)극을 인가하면, 압전 소자의 내부 전하와 인가전압의 인력으로 인해, (b)와 달리 압전 소자가 팽창 현상을 나타낸다.

이러한 효과를 응용하여 (d)와 같이 교류 전압을 인가하면 그 주파수에 대응한 초음파 에너지가 방사된다. 이러한 현상을 활용한 것이 초음파 진동자이다.

 

압전 액추에이터(Piezoelectric Actuators)

위 그림은 압전 액추에이터의 동작 모습이다. 베이스는 고정되어 있지만, 중간의 압전 물질을 양쪽에서 눌러주는 금속판처럼 작동한다.

압전 액추에이터에서 압전물질에 전압을 가하면, 압전물질은 전압의 전기장에 의해 팽창과 수축을 반복한다. 그리고 이를 통해 액추에이터가 밀리고 당겨지게된다.

압전 액추에이터는 다양한 용도로 사용된다. 예를 들면 재봉틀 기계와 점자 기계와 같은 겉들이 있는데, 이는 움직이는 부분이 매우 적고, 간단한 구조를 가지고 있기 때문이다. 뿐만 아니라, 카메라와 스마트폰에서도 사용된다.

 

Reference

1. www.electronicdesign.com/power-management/article/21801833/what-is-the-piezoelectric-effect

2. ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%95%EC%A0%84%EA%B8%B0

압전기 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

3. www.keri.re.kr/_prog/_board/?mode=V&code=child0404&site_dvs_cd=child&menu_dvs_cd=0404&skey=&sval=&s_date_y=&s_date_m=&GotoPage=&no=3919

참여마당 > 체험물 소개>