압전 소자란?
압전 소자는 수정이나 석영 등의 유전체에서 발생하는 압전 효과와 역압전 효과를 이용하여 미세 동작 제어나 감지 등을 하는 수동 소자를 말합니다.
동작에 기어나 모터 등을 필요로 하지 않는 간단한 구조이기 때문에 다른 미세 동작 기구 소자에 비해 소형의 소자가 됩니다.
압전 소자의 사용 용도
압전 소자는 주로 산업용 미세 동작을 감지하고 제어하는 장치에 사용됩니다.
예를 들어 진동계에도 사용되며, 진동에 의한 미세한 힘의 변화를 압력으로 압전 소자에 입력하고, 압력이 가해진 압전 소자에 발생하는 전압을 출력으로 전압값을 얻어 진동의 크기로 수치화 하는 구조입니다.
또한, 정밀한 움직임이 요구되는 현미경이나 간섭계와 같은 장치의 스테이지 동작에 수반되는 구동계로도 사용되고 있습니다.
이러한 구동계의 압전 소자 부재는 압전 드라이버 또는 압전 액추에이터라고 불리며, 압전 소자를 여러 개 적층한 적층 액추에이터 등도 범용적인 부재로 사용되고 있습니다. 이들에서는 압전 소자에 미세한 펄스 전류를 가함으로써 미세한 동작을 실현하고 있습니다. 이처럼 높은 응답성과 정밀한 동작 제어가 필요한 장면에서는 압전 소자가 적합합니다.
1. 전자기기 냉각
PC 등 전자기기의 냉각은 DC 팬을 이용한 냉각 방식이 많이 사용되고 있지만, 압전 소자를 이용한 냉각 방식도 고안되고 있습니다.
구체적으로는 압전 소자의 역압전 효과를 이용하여 피에조 소자와 바람을 일으키는 블레이드가 일체화된 구조물을 진동시켜 바람을 발생시킵니다.
이 압전 소자를 이용한 냉각 방식은 DC 팬에 비해 소음이 적고, 에너지 절약형 구동이 가능합니다.
하지만 장시간 구동할 경우 압전 소자와 블레이드가 이탈하는 문제가 발생할 수 있기 때문에 장시간 구동할 수 있는 방안으로 지지판을 설치하여 구조물에 가해지는 응력을 분산시키는 방법을 취하고 있습니다.
2. 발전
압전 소자를 이용한 발전 시스템 개발도 이루어지고 있습니다.
예를 들어, 도쿄전력 동일본 연구개발센터 프론티어 서비스 연구소에서는 ‘바닥 발전 시스템’을 연구하고 있으며, 2006년부터 도쿄역에서 실증실험을 진행하고 있습니다.
구체적으로는 압전 소자를 가로 세로로 깔아 바닥처럼 만들어 그 위를 걸으면 압전 효과로 전기가 발생해 발전하는 구조’를 연구하고 있습니다.
일본 동경연구개발센터 프론티어 서비스 연구소에서는 2008~2009년 실증 실험 계획에서 발전량을 약 10W 초로 예상하고 있습니다.
이처럼 발전 능력이 그다지 높지 않아 비용에 맞는 발전량을 얻을 수 없다는 점과 압전 소자가 취성 소재이기 때문에 내구성이 낮다는 문제 등이 있지만, 현재 다양한 기업 및 연구기관 등에서 연구 개발이 진행되고 있으며, 실용적인 수준까지 발전이 가능한지 여부가 주제입니다.
3. 스피커
압전 소자를 이용한 스피커도 개발되고 있습니다.
압전 소자의 원리
압전 소자에 사용되는 재료는 주로 압전 세라믹이 사용되며, 압전체는 결정 내부에 전기적 왜곡인 극성을 가지고 있습니다.
그림 1과 같이 압전 소자는 압전체를 양극 전극과 음극 전극으로 끼워 넣은 구조입니다.
그림 1. 압전 소자 모식도
전극 사이에 전압을 가하면 압전체에 압력이 가해져 전압의 크기에 따라 파란색 화살표처럼 신축하여 변위하고, 이 변위를 구동력 등으로 활용합니다. 또한, 반대로 압전 소자를 변형시키는 압력을 가하면 전압을 감지할 수 있습니다.
압전체 내부의 결정 격자는 그림 2와 같이 평상시에는 대기 중의 이온을 흡수하여 전기적으로 안정된 상태를 유지합니다. 그러나 전압이 가해지면 그림 2와 같이 쉽게 균형이 깨져 결정 내 극성이 변하고, 결정 격자 자체가 화살표로 표시된 방향으로 신축하며, 이로 인한 변위가 압전체의 변위입니다.
그림 2. 압전체의 이상 상태 (왼쪽) / 압전체에 전압을 가한 상태 (오른쪽)
즉, 압전체의 변위는 결정 격자의 전자적 극성을 이용한 왜곡 변형으로 인해 수 마이크론 단위의 변형량이며, 일반적으로 압전소자 자체의 구동량은 수 마이크론 정도로 미미합니다.
따라서 더 큰 구동량을 확보하고자 하는 경우에는 여러 개의 압전 소자를 합체 적층한 적층형 액추에이터 등이 사용됩니다.
압전 소자의 기타 정보
1. 압전 소자를 이용한 스피커의 원리
이 역시 압전 소자의 압전 효과를 이용한 것으로, 그림 3과 같이 압전 소자의 신축 방향에 진동 부재를 접하도록 배치합니다.
그림 3. 압전 소자를 사용한 스피커
그리고 재생 장치에서 신호에 의한 전압이 가해지면 피에조 소자가 압전 효과로 파란색 화살표 방향으로 신축하며 진동하기 때문에 그 진동이 진동 부재로 전달되어 소리를 재생하는 구조입니다.
2. 구체적인 제품
이러한 압전 소자를 이용한 스피커로 TDK주식회사에서 PiezoListen™이라는 스피커를 판매하고 있습니다.
기본적인 구조는 압전 소자를 수지 필름으로 코팅하고 프레임과 배선용 단자를 부착한 구조입니다.
이 스피커는 고변위가 가능한 압전 소자를 사용함으로써 저음역의 출력을 높여 넓은 음역대의 출력을 실현하고 있습니다.
또한 압전 소자에 파인세라믹스를 사용함으로써 스피커의 소형화 및 박형화를 실현했습니다.