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| [제품관련] 피에조 (Piezo) 현상이란? (Aqua M100D 등에 사용하는 원리) |
2006-10-23 |
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| 작성자 : admin
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-조회 : 34754 |
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피에조 현상 (Piezoelectricity)
1. 의미
특정 물질(고체)에 mechanical한 압력(정확히는 strain)을 주면 electrical polarization이 일어나는 데, 이러한 물질을 piezoelectrics라 하고 그러한 현상을 piezoelectricity라 한다. 특히, 이러한 작용은 reversible하다. 즉, 물질의 양쪽에 전압을 걸어주면 모양이 변한다.
2. 원리
1) crystal구조로 인한 ferroelectricity
물질의 magnetic property에서 ferromagnetic 물질이 있는 것처럼, electric property에도 ferroelectric 물질이 있다. 이것은 강한 외부 전기장을 가한 경우에 polarization 되었다가 외부 전기장을 없애도 polarization이 그대로 유지되는 성질이다. 즉, crystal구조의 특이성 때문에 그 자체로 polarization된 상태를 유지하는 것이다.
ferroelectric물질은 piezoelectric물질이기도 하다. 그 이유는 mechanical한 압력에 의하여 물질의 geometry가 변하는 경우에 electric polarization이 변하기 때문이다. 예를 들어, 압축되는 경우에는 단위 부피 당 분자(dipole moment를 갖는)의 개수가 늘어나므로 polarization이 증가한다.
 | | Pm : 분자 하나의 dipole moment,
Δv:macroscopic한 작은 부피 |
예: barium titanate, PZT(Lead Zirconium Titanate), ADP(Ammonium Dihydrogen Phosphate) 등
2) crystal 구조의 대칭성이 없어지는 경우
ferroelectric물질이 아니더라도 압력을 가하면 polarize되는 물질이 있다. 최초에 발견되었고, 자연적으로 존재하는 piezoelectric물질인 Quartz(SiO2)가 이런 경우이다. 보통 상태의 결정 구조는 대칭적이어서 electrically neutral하지만 압력이 가해지면 결정 구조의 모양이 바뀌고 dipole moment가 생기고 따라서 polarization이 생긴다. 아래는 2차원의 3개의 대칭축을 가진 결정 구조의 예이다. 하얀 원이 (+)이온, 까만 원이 (-)이온이다.
3. 단순한 선형 1차원 모델
물리량
P:polarization, Z:stress, E:electric field, e: elastric strain
상수
χ:susceptibility, d:piezoelectric strain constant, s:elastic compliance constant
왼쪽 식은 mechanical energy -> electric energy의 변환에 관한 것이고, 오른쪽 식은 그 반대의 경우이다. 이 식을 일반적인 3차원으로 확장하면 각 양들은 Vector가 되고 상수들은 tensor가 된다. 그리고 비선형항이 들어가면 2차, 3차, .... 의 고차항이 추가된다.
이 외에도, 에너지의 효율성을 나타내는 coupling coefficient가 있다.
(왼쪽:detector, 오른쪽:generator)
좋은 generator(transmitter)의 경우: 낮은 d, 높은 s가 적합.
좋은 detector(receiver)의 경우: 높은 d, 낮은 s가 적합.
현재 piezoelectric 물질이 아주 다양한 분야에 널리 사용되고 있지만 실험에 잘 부합하는 모델 및 그 시뮬레이션 방법에 관한 이론은 아직 부족하다고 한다.
4. 한계
1) Curie 온도
자석과 마찬가지로 ferroelectric특성에 의존하는 piezoelectric 물질은 Curie 온도(Tc)가 있다. 즉, Tc이상의 온도에 달하면 열-진동에너지 때문에 polarization이 없어지기 때문이다. 이러한 현상은 reversible한데, 온도를 Tc 아래로 낮추면 원래대로 돌아간다.
2) 두께
이론적으로 piezoelectric물질을 fundamental resonance 주파수보다 더 높은 order의 주파수로 진동시키는 게 가능하다. 하지만 높은 order의 주파수는 효율이 적기 때문에 특정 분야에 적합한 order에 한계 있다. 따라서 fundamental resonance주파수를 높여야 하는데, 그를 위해선 wafer(웨하스 과자 모양)를 얇게 만들어야 한다. 바로 여기에 한계가 있는 것이다.
또한, 어떤 방법으로 wafer를 얇게 만들었다 하더라도 두께가 얇아지면 걸어 줄 수 있는 최대 voltage가(electrical breakdown이 일어나는 한계)가 작아지기 때문에 여기에도 한계가 있다.
5. 응용분야
1) Crystal oscillator용 소자
최초로 응용된 piezoelectric물질인 Quartz를 사용하는 분야이다. oscillator는 유일한 입력인 직류 전원으로부터 진동하는 파형을 만드는 회로이다. 이것은 무선통신과 Digital 회로의 클락 발생기에 핵심인 부품이다. 무선통신에서는 라디오 송, 수신기에 들어간다. equivalent한 회로는 다음과 같다.
 | | *resonance: 위쪽 가지의 series R,L,C에 의한 것, Ls와 Cm의 리액턴스가 같은 경우의 두가지. |
oscillator회로는 위의 Quartz소자를 resonant tank회로로 사용하는데, 그 원리는 positive feedback이다. 즉, 최초의 white noise라든가 회로에 연결된 다른 부분에서 전파되는 아주 미약한 진동이 feedback되면서 증폭되고 이것이 원하는 주파수의 특정 파형(예: 사인파)의 신호로 바뀌는 것이다. Chaos용어로 말하면 주기적인 attracter라고 할 수 있다.
2) 초음파 생성, 초음파 탐지
음파를 전달하는 적절한 매질과 piezoelectric물질을 coupling 시켜서 초음파를 만들 수도 있고 탐지할 수도 있다. 이러한 소자를 tranducer라고 하는데, 현재 가장 많이 쓰이는 재료는 lead, zirconate, titanate, PZT를 포함하는 polycrystalline(세라믹)물질이다. 이것은 인공 합성재료로써 자연산인 Quartz에 비해서 효율이 높다.
이러한 tranducer는 아래의 3)-5)의 분야에서 기본적인 unit으로 사용된다.
3) SONA
SONA는 펄스를 쏘아서 특정 target에 반사된 음파를 수신하여 delay타임을 구한 뒤에 target과의 거리를 측정하는 것이다.
이 분야는 미 해군에 의해서 집중적으로 발달했는데, 초음파를 이용한 SONA는 적 함이나 잠수함의 위치 파악, 어뢰의 targeting, 아군함의 navigation에 유용한 기술이기 때문이다. 박쥐와 돌고래는 이런 기술을 자연적으로 터득하여 생계 밑천으로 사용하는 동물이다.
4) 현미경(scanning microscope)
흔히 nondestructive test(비파괴검사)라고 부르는 분야이다. 각종 장비 내부의 균열을 X선 사진 찍듯이 볼 수 있다(특히 항공기 기체 검사). 특히, 의료용으로는 임산부의 자궁 내에 태아 모습을 관찰하거나 호흡기관 움직임을 관찰하는 데에 쓰인다.
이런 scope분야에서는 음파의 diffraction effect가 중요하다. 현재 주로 쓰이는 세라믹 piezoelectric tranducer는 크기가 2mm-4cm정도이고, 이러한 작은 면적에서 나오는 파는 회절 현상이 있기 때문이다. generator의 경우는 높은 주파수, tranducer의 큰 면적에 부합할 수록 회절 효과가 적고, detector의 경우도 마찬가지이지만, detector의 면적이 작아야지만 sample 표면을 높은 resolution으로 스캔할 수 있다.
5) cleaner
이것은 초음파를 작은 면적에 집중시켜서 매질을 높은 파워로 진동시키는 장치이다. 각종 분야에서 특정 장치의 기름기나 먼지를 제거하는데 사용된다. 특히, dental 업계에서는 이빨 표면의 때를 없애는데 쓰고(scaling), 다른 의료 분야에서는 레이저와 비슷하게 특정 조직을 제거하는 곳에 쓰인다.
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