압전 효과는 19세기 말 프랑스 과학자인 퀴리 형제에 의해 발견되었습니다. 그 당시에는 발견된 현상의 실용화를 논하기에는 시기상조였으나, 오늘날 압전소자는 공학은 물론 일상생활에서도 널리 사용되고 있다.
피에조 효과의 본질
잘 알려진 물리학자들은 특정 결정체(바위 수정체, 전기석 등)가 면에서 변형될 때 전하가 발생한다는 사실을 발견했습니다. 전위차는 미미했지만 당시의 기존 장치는 이를 고정하고 반대 전하를 띠는 부분을 도체의 도움으로 연결함으로써 전류.. 이 현상은 압축 또는 스트레칭의 순간에 역학에서만 기록되었습니다. 정적 변형은 피에조 효과를 일으키지 않았습니다.
곧 반대 효과가 이론적으로 입증되고 실제로 발견되었습니다. 전압이 가해지면 결정이 변형됩니다. 두 현상은 상호 연관되어 있음이 밝혀졌습니다. 물질이 직접 피에조 효과를 나타내면 역효과도 나타내며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.
이러한 현상은 일부 다결정 구조뿐만 아니라 충분한 비대칭성을 갖는 결정격자(방향에 따라 물성이 다른)가 이방성인 물질에서 관찰된다.
모든 고체에서 가해진 외력은 변형과 기계적 응력을 일으키고, 피에조 효과를 갖는 물질에서는 전하의 분극도 발생하며 분극은 가해지는 힘의 방향에 따라 달라집니다. 영향의 방향이 바뀌면 극성의 방향과 전하의 극성이 모두 바뀝니다. 기계적 전압에 대한 분극의 의존성은 선형이고 식 P=dt로 설명됩니다. 여기서 t는 기계적 전압이고 d는 압전 계수(piezomodulus)라고 하는 계수입니다.
역 피에조 효과에서도 유사한 현상이 발생합니다. 적용된 전기장의 방향이 변경되면 변형 방향이 변경됩니다. 여기서 종속성은 선형입니다. r=dE, 여기서 E는 전기장 강도이고 r은 변형률입니다. 계수 d는 모든 물질에서 직접 및 역 피에조 효과에 대해 동일합니다.
사실 이 방정식은 추정치일 뿐입니다. 실제 종속성은 훨씬 더 복잡하며 또한 결정 축에 대한 힘의 방향에 의해 결정됩니다.
피에조 효과가 있는 물질
피에조 효과는 암석 결정(석영)에서 처음 발견되었습니다. 오늘날까지 이 재료는 압전 소자의 제조에 매우 일반적이지만 천연 재료만이 생산에 사용되는 것은 아닙니다.
많은 압전 소자는 공식 ABO를 갖는 재료를 기반으로 합니다.3BaTiO와 같은 공식3, PbTiO3. 이러한 물질은 다결정 구조(많은 결정으로 구성됨)를 가지고 있으며 피에조 효과를 나타내는 능력을 부여하려면 외부 전기장에 의해 분극되어야 합니다.
필름 압전 소자(폴리비닐리덴 플루오라이드 등)를 얻을 수 있는 기술이 있습니다. 필요한 특성을 부여하려면 전기장에서 오랫동안 분극되어야 합니다. 이러한 재료의 장점은 두께가 매우 얇다는 것입니다.
피에조 효과가 있는 물질의 특성 및 특성
분극은 탄성 변형 중에만 발생하기 때문에 압전 재료의 중요한 특성은 외력의 작용에 따라 모양을 변경하는 능력입니다. 이 능력의 값은 탄성 컴플라이언스(또는 탄성 강성)에 의해 결정됩니다.
피에조 효과가 있는 결정은 탄성이 높아 힘(또는 외부 응력)이 제거되면 원래 모양으로 돌아갑니다.
피에조 결정은 또한 고유한 기계적 공진 주파수를 가지고 있습니다. 수정이 이 주파수에서 강제로 진동하면 진폭이 특히 커집니다.
전체 결정이 압전 효과를 나타낼 뿐만 아니라 특정 조건에서 절단된 판도 있기 때문에 기하학적 치수와 절단 방향에 따라 다양한 주파수에서 공진하는 압전 재료 조각을 얻을 수 있습니다.
기계적 품질 계수는 또한 압전 재료의 진동 특성을 나타냅니다. 동일하게 적용된 힘에 대해 공진 주파수에서 진동 진폭이 몇 배 증가하는지 나타냅니다.
결정을 사용할 때 고려해야 하는 온도에 대한 압전 특성의 명백한 의존성이 있습니다. 이 의존성은 계수로 특징 지어집니다.
- 공진 주파수의 온도 계수는 수정이 가열/냉각될 때 공진이 사라지는 정도를 나타냅니다.
- 온도 팽창 계수는 피에조 웨이퍼의 선형 치수가 온도에 따라 얼마나 변하는지를 결정합니다.
특정 온도에서 압결정은 특성을 잃습니다.이 한계를 퀴리 온도라고 합니다. 이 제한은 각 재료에 대해 개별적입니다. 예를 들어 석영의 경우 +573 °C입니다.
피에조 효과의 실제 사용
압전 전지의 가장 잘 알려진 용도는 점화 요소입니다. 피에조 효과는 포켓 라이터 또는 가스 스토브용 주방 점화기에 사용됩니다. 수정을 누르면 전위차가 발생하고 에어 갭에 불꽃이 나타납니다.
이것은 압전 소자의 적용 분야의 끝이 아닙니다. 유사한 효과를 가진 수정을 스트레인 센서로 사용할 수 있지만 이 응용 분야는 역학에서만 나타나는 압전 효과의 속성으로 인해 제한됩니다. 변경이 중지되면 신호 생성이 중지됩니다.
압전 수정은 마이크로 사용할 수 있습니다. 음파에 노출되면 전기 신호가 생성됩니다. 역 피에조 효과는 (때로는 동시에) 이러한 요소를 사운드 이미터로 사용할 수도 있습니다. 전기 신호가 수정에 적용되면 압전 소자가 음파를 생성하기 시작합니다.
이러한 이미 터는 특히 의료 기술에서 초음파를 생성하는 데 널리 사용됩니다. ~에 ~에 판의 공명 특성도 사용할 수 있습니다. 자체 주파수의 파동만 방출하는 음향 필터로 사용할 수 있습니다. 또 다른 옵션은 음향 발생기(사이렌, 감지기 등)에서 압전 소자를 주파수 변환기와 음향 방출기로 동시에 사용하는 것입니다. 이 경우 소리는 항상 공진 주파수에서 발생하며 적은 에너지 소비로 최대 볼륨을 얻을 수 있습니다.
공진 특성은 무선 주파수 범위에서 작동하는 발진기의 주파수를 안정화하는 데 사용됩니다. 석영 판은 주파수 유지 회로에서 매우 안정적이고 고품질의 발진 회로 역할을 합니다.
지금까지 산업적 규모의 탄성 변형 에너지를 전기 에너지로 변환하는 환상적인 프로젝트가 있습니다.보행자나 자동차의 중력에 의한 포장 변형을 사용하여 고속도로의 부분을 밝게 할 수 있습니다. 비행기 날개의 변형 에너지를 사용하여 온보드 동력을 제공하는 것이 가능합니다. 이러한 사용은 피에조 셀의 불충분한 효율성으로 인해 제한되지만 파일럿 설치는 이미 만들어졌으며 추가 개선에 대한 약속을 보여주었습니다.
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