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압전재료

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피에조는 특정 물질에 힘을 가해 변형을 주면 표면에 전압이 발생하고 반대로 전압을 걸면 소자가 이동하거나 힘이 발생하는 현상으로, 학문적으로는 특정 물질(고체)에 mechanical한 압력(정확히는 strain)을 주면 전기적인 대전이 일어나는 데, 이러한 물질을 piezoelectrics라 하고 그러한 현상을 piezoelectricity라 한다. 특히, 이러한 작용은 양면으로도 사용할 수 있으며 즉, 물질의 양쪽에 전압을 걸어주면 모양이 변하는 것을 의미한다. 이런 piezoelectrics를 응용하여 모터·액추에이터·초음파가습기 등을 만들고 있다. 또한, piezoelectricity는 piezoelectrics의 결정에 일정한 방향으로 압력을 가하면 그 압력에 비례하여 발생하는 전기이다. 이러한 전기를 내는 물질에는 수정, 전기석과 같은 천연 결정을 비롯하여 티탄산바륨, 타르타르산에틸디아민 등의 인공 결정이 있다. piezoelectricity를 이용하여 전화기나 라디오의 스피커, 초음파 탐지기, 수정 시계의 진동자, 원거리 통신 회로 등에 활용되고 있다.

피에조의 원리는 crystal구조로 인한 강유전체(ferroelectric) 와 crystal 구조의 대칭성이 없어지는 경우로 구분 되며 먼저 crystal구조로 인한 강유전체(ferroelectric) 원리는 다음과 같다. 물질의 magnetic property에서 강자성체(ferromagnetic) 물질이 있는 것처럼, electric property에도 강유전체(ferroelectric) 물질이 있다. 이것은 강한 외부 전기장을 가한 경우에 분극 되었다가 외부 전기장을 없애도 분극 현상이 그대로 유지되는 성질이다. 즉, crystal구조의 특이성 때문에 그 자체로 분극 된 상태를 유지하는 것이다. 또한, 강유전체 물질은 piezoelectric물질이기도 하다. 그 이유는 기계적인 압력에 의하여 물질의 형상이 변하는 경우에 전기적 극성이 변하기 때문이다. 예를 들어, 압축되는 경우에는 단위 부피 당 분자 즉, 쌍극자 모멘트(dipole moment)를 갖는 개수가 늘어나므로 극성이 증가한다. 다음으로 crystal 구조의 대칭성이 없어지는 경우로 원리는 강유전체 물질이 아니더라도 압력을 가하면 극성을 갔게 되는 물질이 있는데 자연적으로 존재하는 piezoelectric물질인 Quartz(SiO2)가 이런 경우이다. 보통 상태의 결정 구조는 대칭적이어서 전기적으로 중성이지만 압력이 가해지면 결정 구조의 모양이 바뀌고 쌍극자 모멘트가 생기고 따라서 극성을 가지게 된다.

<Micro-Mechanism of Piezoelectric Material>