압전 효과는 특정 물질(크리스탈 or 세라믹 등)에 가하는 물리적인 힘에 따라 전기를 생성하거나, 전기적인 힘에 따라 물리적 변형을 일으키는 특징을 말한다. 이러한 압전 효과 원리와 응용사례에 대해 알아보겠다.
압전 효과란?
압전 효과(Piezoelectric Effect)란 크리스탈이나 세라믹 같은 특정한 물질들에 물리적인 힘(압력)을 가하면 해당 물질이 변형된다. 이때 전기 에너지가 발생하는 것을 정(1차)압전 효과라고 한다.
반대로 이 물질에 전기적인 힘을 가하면 물질이 또 변형되는데, 이때는 물리적인 변형이 생기면서 진동을 일으키다, 원래의 형태로 돌아가는 것을 역(2차)압전 효과라고 한다.
압전 소자의 종류
압전 효과가 고유 특성으로 나타나는 특정 물질들을 압전 소자나 피에조 소자라고 부르는데, 그 물질들의 종류 및 효과는 아래와 같다.
| 압전 소자 종류 | 재질 | 특성 |
|---|---|---|
| 석영 (Quartz) | 수정(Crystal)이라고도 하는 석영은 유리와 같은 규소와 산소로 이루어진 광물 | |
| 로셸염 (Rochelle salt) | 주석산 칼리소다, 타타르산 칼륨나트륨, 타타르산 포타슘소듐 | 초전 효과 |
| 전기석 (Tourmaline) | 알루미늄, 붕소, 마그네슘, 철 등이 알칼리 금속과 혼합되어 성장한 규산염 광물 | 열전 효과 |
| 타이타늄산바륨 (Barium Titanate) | 강유전체 효과를 나타내는 페로브스카이트 구조를 가진 세라믹 소재 | 광굴절 |
압전 효과 원리와 응용사례
압전 효과 원리
압전 효과는 압전 소자들의 고유 특성으로 인해 발생하는 것이다. 고유 특성이 없다면 전위차는 발생하지 않고, 단순한 형태 변형이 일어나거나 물질이 손상될 가능성이 높다.
결국 압전 소자들이 가지고 있는 고유 특성만 있다면 어디서든 만들어낼 수 있는 것이다. 그 고유 특성 2가지에 대해서 알아보겠다.
비대칭적 결정 구조
- 비중심 대칭 구조(Non-Centrosymmetric Structure)이어야 한다. 이는 물질 내부에서 양전하와 음전하의 중심이 일치하지 않고, 대칭적으로 배열되지 않은 상태를 의미한다.
- 이런 비대칭성 덕분에 외부 압력이나 전기장을 가하면, 물질 내부의 전기 쌍극자가 재배열되며, 표면에 양전하와 음전하가 나타나 전위차(전압)가 형성된다.
- 반대로, 대칭적 구조라면 외부 압력이 가해져도 전하 분포가 변하지 않는다. 따라서 전위차도 형성되지 않는다.
복원력 (탄성적 특성)
- 복원력은 외부에서 힘 이 가 해져 물질이 변형되었을 때, 힘이 제거되면 원래 상태로 돌아가려는 물질의 특성을 의미한다.
- 복원력이 높으면, 외부 압력이나 전기장이 제거되었을 때, 물질이 빠르게 원래 상태로 복원되며 반복적인 압전 효과를 유지할 수 있다.
- 반대로, 복원력이 낮으면 외부 압력이나 전기장이 반복적으로 가해질 때, 물질이 쉽게 손상 되거나 영구 변형되어 반복적으로 활용하기 어렵고, 결국 소자가 손상될 가능성이 높다.
위 2가지 고유 특성 을 통해 압전 소자는 외부에서 물리적인 힘(압력)을 받으면 물질의 형태가 변하고, 내부 전하 분포가 재배열되어 전위차가 발생한다.
반대로, 전기적인 힘(전압)을 가하면 전기장 형성되고, 양전하와 음전하가 정렬되면서 물질의 형태가 변해 기계적 진동을 만들어낸다.
이후 복원력으로 인해 물질은 원래의 모습으로 돌아간다. 이러한 과정을 반복하면, 압력을 주기적으로 가함으로써 주기적인 전기 신호를 생성할 수 있으며, 교류 전압을 가하면 주기적인 기계적 진동을 만들어낼 수 있다.
압전 효과 응용사례
압전 효과를 이용한 제품들이 생각 보다 다양한 곳에서 활용되고 있었다. 어떤 원리로 어떻게 응용하여 사용하고 있는지 몇 가지 사례들을 보도록 하겠다.
발진기
발진기라고 하면 우리가 흔히 수정(진동자)발진기라고 알고 있는 크리스탈(X-tal)과 오실레이터(OSC)가 있을 것이다. 오실레이터는 결국 크리스탈을 이용하여 만드니까 생략하고, 크리스탈에 압전 효과가 어떻게 작용하여 동작하는지를 알아보도록 하겠다.
우리가 시스템 회로를 설계할 때 사용하는 MCU나 MPU 등의 IC를 구동하기 위해 필수적인 요인 중 하나가 바로 클럭(Clock)일 것이다. 이 클럭을 만들어 주기 위해 사용하는 부품 중 하나가 크리스탈인데, 우리는 이 크리스탈에게 물리적인 압력을 별도로 주지 않는다. 그렇다면 어떻게 동작하는 것일까?
쿼츠 시계
우리가 흔히 쿼츠(Quartz)라고 부르는 시계도 석영을 이용하여 만드는 것이다.
이 쿼츠 시계에서 사용하는 부품인 쿼츠 수정 발진기는 소리굽쇠 조음기(tuning fork) 모양으로 구성되어 있으며, 정확하게 32.768kHz로 진동을 한다.
음파탐지기
수중 탐사를 하기 위한 음파탐지기에도 활용되고 있다.
흔히 소나(SONAR) 센서라고도 불리는 이 음파탐지기는 금속판 사이에 얇은 수정을 끼워 넣고 고주파를 발생시키거나 되돌아온 음파를 측정하는데 압전 효과를 활용했다.
음파탐지기를 송신기로 사용할 땐 역압전 효과를 이용하고, 수신기로 사용할 땐 정압전 효과를 이용한 것이다.
마이크와 스피커
마이크도 여러 가지 방식이 있는데 그 중 피에조 마이크라 부르는 타입이 있다. 피에조 마이크는 기타나 바이올린 같은 악기에 붙여서 연주 시 발생하는 진동(정압전 효과)을 이용한 것이다.
스피커도 여러 방식이 있겠지만, 우리가 학교 등에서 실습할 때도 자주 사용했던, 흔히 부저(buzzer)라고 부르던 것이 피에조 스피커이다. 이는 전압을 인가하면 역압전 효과로 진동하면서 소리가 나는 방식이다.
