압전소자란?
압전소자는 수정이나 석영 등의 유전체에서 발생하는 압전효과와 역압전효과를 이용하여 미세 동작 제어나 감지 등을 하는 수동소자를 말합니다.
동작에 기어나 모터 등을 필요로 하지 않는 단순한 구조이기 때문에 다른 미세 동작 기구 소자에 비해 소형의 소자가 됩니다.
압전소자의 사용 용도
압전소자는 주로 산업용 미세 동작을 감지하고 제어하는 장치에 사용된다. 예를 들어, 진동계에도 사용되는데, 진동에 의한 미세한 힘의 변화를 압력으로 압전소자에 입력하고, 압력이 가해진 압전소자에 발생하는 전압을 출력으로 전압값을 얻어 진동의 크기로 수치화하는 방식입니다.
또한, 정밀한 움직임이 요구되는 현미경이나 간섭계와 같은 장비의 스테이지 동작에 수반되는 구동계로도 사용되고 있습니다. 이러한 구동계의 압전소자 부재는 피에조 드라이버 또는 피에조 액추에이터라고 불리며, 압전소자를 여러 개 적층한 적층 액추에이터 등도 범용적인 부재로 사용되고 있습니다.
이들은 압전 소자에 미세한 펄스 전류를 가함으로써 미세한 동작을 실현하고 있습니다. 이처럼 높은 응답성과 정밀한 동작 제어가 필요한 장면에서는 압전소자가 적합합니다.
압전소자의 원리
압전소자에 사용되는 소재는 주로 압전 세라믹이 사용되며, 압전체는 결정 내부에 전기적 왜곡인 극성을 가지고 있습니다다.
그림 1과 같이 압전소자는 압전체를 양극 전극과 음극 전극으로 끼워 넣은 구조입니다.
그림 1. 압전소자 모식도
전극 사이에 전압을 가하면 압전체에 압력이 가해져 전압의 크기에 따라 파란색 화살표와 같이 신축하여 변위하고, 이 변위를 구동력 등으로 활용하고 있습니다. 또한, 반대로 압전소자를 변형시키는 압력을 가하면 전압을 감지할 수도 있습니다.
압전체 내부의 결정 격자는 그림 2와 같이 평상시에는 대기 중의 이온을 흡수하여 전기적으로 안정된 상태를 유지합니다. 그러나 전압이 가해지면 그림 3과 같이 쉽게 균형이 깨져 결정 내 극성이 변화하고, 결정 격자 자체가 화살표로 표시된 방향으로 신축하며, 이로 인한 변위가 압전체의 변위입니다.
그림 2. 압전체가 정상 상태의 모식도(왼쪽) / 압전체에 압전을 가한 상태의 모식도(오른쪽)
압전소자에서는 이 극성을 이용하여 전기 에너지를 효율적으로 소자의 변형 에너지로 바꾸기 위해 압전체를 전극으로 끼워 넣은 구조로 되어 있습니다. 이 전극 사이에 인가된 전압에 대해 압전체에 압력이 가해져 변형됩니다. 또한, 반대로 압력을 가하면 전압을 감지할 수 있습니다.
이때 압전체의 변형은 압전체가 가지고 있는 결정 격자의 전자적 극성을 이용한 왜곡 변형으로 인해 고작 수 마이크론 수준의 변형량이 됩니다. 따라서 일반적으로 수 미크론의 미세한 구동량만 표현할 수 있기 때문에 더 큰 구동량을 확보하기 위해서는 여러 개의 압전소자를 합체 적층해야 합니다.
압전소자 선택 방법
압전소자를 설치하여 동작시키는 물질의 구성이 질량부하인지 탄성부하인지에 따라 적합한 동작을 하는 압전소자를 선별해야 합니다.
특히, 스프링 등의 탄성부재를 통해 유지되는 실제 움직이는 구성물의 동작을 하는 경우 탄성부하 조건이 되는데, 압전소자로 하중을 가할수록 스프링의 탄성에 의해 압전소자에 의한 힘을 밀어내는 힘이 작용하여 힘의 전달방식이 달라지기 때문입니다.
구체적으로 그림 3과 같이 압전소자가 구동부재를 눌렀을 때 발생하는 힘을 그대로 실제 움직이는 구성품에 전달하는 경우를 질량부하라고 하며, 압전소자에 전압이 인가된 시점부터 파란색 화살표 방향의 일정한 힘이 계속 가해지게 됩니다.
그림 3. 질량부하 모식도
반면, 탄성부하는 그림 4와 같이 파란색 화살표로 표시된 압전소자가 구동부재를 눌렀을 때 발생하는 힘을 스프링 등의 탄성부재를 통해 실제 움직이는 구성품에 전달하는 경우를 탄성부하라고 합니다.
압전소자에 전압이 인가된 시점부터 빨간색 화살표로 표시된 스프링의 저항을 받으면서 가압하게 되고, 구성품에 가해지는 힘은 점차 커져 일정한 힘에 도달하게 됩니다.
그림 4. 탄성부하 모식도
따라서 스프링과 같은 탄성부재를 통해 압력을 가하는 경우, 압전소자가 일정한 전압만 가능한 소자에서는 동작의 전반부와 후반부의 이동량이 달라지게 됩니다.
또한, 압전소자에는 움직일 수 있는 스트로크가 정해져 있기 때문에 원하는 동작을 실현할 수 있는 스트로크를 가진 것을 선정하는 것이 중요합니다.
압전소자의 기타 정보
1. 압전소자 재료
압전 효과를 갖는 재료에는 세라믹계와 필름계가 있습니다.
압전 세라믹스
- 납 지르콘산 티탄(PZT)
가장 널리 사용되는 압전 세라믹으로 다양한 용도로 사용되고 있으며, 부저, 진동센서, 액추에이터 등이 대표적인 제품입니다. - 리튬 탄탈레이트 (LT)
단결정으로 안정성이 좋아 전자기기에 사용됩니다. 가장 많이 쓰이는 용도는 SAW 필터라고 불리는 특정 전파만 통과시키는 전자 장치입니다. 휴대폰 등에 널리 사용되고 있습니다.
압전 필름
- 폴리불화비닐리덴(PVDF)
압전 특성을 가진 수지 필름입니다. 변위량은 세라믹에 미치지 못하지만, 저렴하게 생산할 수 있고 다양한 형태로 가공할 수 있기 때문에 자력식 진공청소기의 근접센서, 터치센서 등 가전제품에 널리 사용되고 있습니다.
2. 압전소자가 사용된 제품 예시
라이터용 압전소자
압전소자는 충격을 가하면 고전압의 전하를 발생시키는 특성을 이용하여 전자 라이터나 가스레인지의 발화부에 사용되고 있습니다. 부싯돌(발화석)은 사용할수록 마모되지만, 전자 라이터에 사용되는 압전소자는 파손되지 않는 한 반영구적으로 사용할 수 있기 때문에 충전식 가스 라이터 등에 적합합니다.
압전소자 사용 스피커
압전소자는 전기신호를 가하면 늘어났다 줄어들었다 하는 성질을 이용하여 발음 부품으로도 사용됩니다. 금속판에 압전 세라믹 박판을 붙이고, 확산 진동을 이용한 진동 진폭을 얻어 큰 소리를 낼 수 있습니다.
주로 가전제품의 알림음, 컴퓨터의 경고음, 시계의 전자음, 자동차 실내의 후진음이나 오디오의 클릭음 등에 사용됩니다.
일부 고급 오디오에서는 사람의 귀에는 거의 들리지 않는 20kHz 부근의 소리를 내는 트위터로 압전스피커를 탑재하여 클래식 음악 등에서 소리의 퍼짐 효과를 내는 경우도 있습니다.
압전 액추에이터
압전 소자는 전기 신호에 의해 늘어나고 줄어드는 성질을 이용하여 물체를 밀고 당기는 액추에이터(구동부)로도 적합합니다. 잉크젯 프린터의 구동부에 사용되어 고정밀도의 잉크 토출 기능이나 액체를 밀어내는 디스펜스 기능을 실현하고 있습니다.
압전소자를 사용한 액추에이터는 전자기 코일을 사용한 액추에이터에 비해 소형화할 수 있다는 장점이 있지만, 진동 진폭이 코일식에 미치지 못하기 때문에 미세하고 고정밀도의 구동 진폭이 요구되는 용도에 한정하여 사용되고 있습니다.