압전 효과

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 현상을 압전 효과라 부른다. 압전 소자에 외부 응력, 진동 등을 가하면 압전 소자로부터 전기 신호가 발생한다. 압전 현상은 가역적이어서 압전 소자에 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키며, 이를 압전 역효과 (Converse piezo-electric effect)라 부른다. 압전 역효과는 액추에이터 등에 많이 쓰인다. 보통 압전 효과 및 압전 역효과를 통칭하여 압전 효과라고도 부른다.

목차

압전 효과의 영어 표현인 'Piezoelectric effect'에서 'Piezo'는 그리스어 'Piezein'에서 온 단어로 영어의 'Push'의 의미를 지닌다. 역사적으로 압전 효과는 1880년 퀴리 형제(Pierre and Jacques Curie)가 어떤 물질에 온도 변화가 생길 때 전기가 발생하는 현상을 발견한 이래 토르말린, 석영, 토파즈, 설탕 등에서 압전 현상이 일어나는 것이 관찰되었다. 이후 1881년 가브리엘 리프만이 열역학적 원리를 바탕으로 수학적으로 역압전 효과를 추론하였다. 하지만 그 이후 압전 현상은 실험실에서만 연구되었고, 실제로 응용된 예는 없었다. 제1차 세계대전 중 음파 탐지 장치에 압전 현상이 처음 응용된 이후 이 현상과 새로운 압전물질의 개발 및 응용에 관한 관심이 커졌다. 제2차 세계대전 중에는 자연계에 존재하는 압전물질보다 몇 배 높은 압전 효과(압전상수, Piezoelectric constant)를 보이는 물질이 개발되었다. 압전 현상이 널리 활용되는 예로 석영 결정(Quartz crystal)을 들 수 있으며, 향후 BaTiO₃(Barium titanate)와 Lead PZT(Pb[Zr_(x)Ti_(1-x)]O₃, Lead zirconate titanate)와 같은 압전물질이 발견되어 현재에도 널리 이용되고 있다.

압전 효과의 원리는 압전체 결정구조 내에서 존재하는 전기 쌍극자 모멘트(Dipole moment)로부터 시작한다. 압전물질의 전기 쌍극자 모멘트는 구성 분자의 쌍극자 모멘트 때문에 생기기도 하지만, 결정 격자 내 이온들의 비대칭적인 배열로 인한 양전하 중심과 음전하 중심의 분극화로부터 생성될 수도 있다. 구성 이온들의 비대칭적 배열의 예는 BaTiO₃나 PZT 등에서 볼 수 있다. 아래 그림은 PZT의 결정구조를 보여주는데, 퀴리 온도(Curie temperature) 이하에서는 이온들의 비대칭적 배치로 인해 쌍극자 모멘트가 존재하는 것을 알 수 있다.

압전물질 PZT ()

쌍극자 모멘트가 물리적으로 연결된 영역이 생길 수 있는데, 이를 도메인(domain 혹은 Weiss domain)이라 부른다. 이 도메인들은 무질서하게 배열하면 아래 그림의 (a)에서와 같이 물질 자체는 어떤 극성(Polarization)도 보이지 않는다. 하지만 주로 퀴리 온도 바로 아래에서 이 물질에 특정 방향으로 전압을 걸어주면 도메인들이 전기장 방향으로 배열되며 (이를 Poling 또는 Polarization 이라고 부른다), 이때 압전 물질이 한 방향으로 팽창한다 (그림 (b)). 이때 전기장을 제거하여도 이 상태가 유지된다 (그림 (c)).¹⁾ 이와 같은 현상이 '압전 역효과'이다.

압전물질 PZT의 전기장에 의한 배열 ()

반대로, '압전 효과'의 경우 압전 물질(Piezoelectric material)에 외부에서 기계적인 힘을 가하면, 결정을 구성하는 이온들의 위치에 변화가 일어나고, 그 결과 양이온 중심과 음이온 중심에 변화가 생긴다. 궁극적으로는 결정의 쌍극자 모멘트의 크기와 방향에 변화가 일어나 주변의 전기장이 바뀌고 이와 연결된 회로에 전기를 발생한다.

자연계에 존재하는 압전 물질로는 AlPO₄(Berlinite, a rare phosphate mineral), 사탕수수 설탕(Cane sugar), 석영(Quartz), 로첼레 염(Rochelle salt), 토파즈(Topaz), 토르말린(Tourmaline), 뼈(Apatite 결정구조 때문에 압전 현상을 보이는 뼈) 등이 있다. 또한, 비단, 나무(Piezoelectric texture), 에나멜, DNA, 바이러스 단백질(Viral proteins) 등도 압전소재로 사용될 수 있다고 보고되었다. 대표적인 합성 압전 물질로는 Barium titanate, Lead zirconate titanate 등을 들 수 있다. 이외에도 KNbO₃(Potassium niobate), Na₂WO₃(Sodium tungstate), Ba₂NaNb₅O₅, Pb₂KNb₅O₁₅, ZnO(Wurtzite structure) 등이 있다. 최근 들어 납을 포함하는 물질들을 환경분야에서 규제하기 때문에, 납을 포함하지 않는 압전 소재를 개발하고자 많은 노력을 경주하고 있다. 이 예에 해당하는 물질로는 (K,Na)NbO₃(Sodium potassium niobate), BiFeO₃(Bismuth ferrite), NaNbO₃(Sodium niobate), BaTiO₃(Barium titanate), Bi₄Ti₃O₁₂(Bismuth titanate), NaBi(TiO₃)₂(Sodium bismuth titanate) 등이 있다.

압전 현상은 음파를 생성, 탐지하는 분야, 고전압 생성, 전자파 생성, 마이크로 저울, 미세 조절 또는 포커싱(focusing)이 필요한 현미경 분야 등에 활용되고 있다. 전기를 이용하여 미세한 거리 조정이 가능한 성질 때문에 원자 수준의 분해능이 필요한 주사 탐침 현미경(Scanning probe microscope, STM) 원자 힘 현미경(AFM) 등에 활용이 늘어나고 있다. 또한 일상생활에서는 담배 라이터, 가스레인지 등의 발화장치에도 활용되고 있다.

고전압, 고전력원으로는 담배 라이터의 점화 부분 압전 장치가 대표적인 예이다. 스프링에 의해 당겨진 해머가 압전 소자를 때릴 때 발생한 고전압 전류가 아주 작은 스파크 갭을 지나면서 불꽃을 점화한다. 압전 소자는 (초)음파 감지 장치에도 사용되는데, (초)음파가 일종의 압력 변화로 전류를 발생시킨다. 역압전 효과를 이용하여 (펄스 형태의) 전압 변화로 압전 소자의 물리적 부피 변화를 일으켜, 아주 정밀하게 (나노미터 수준에서) 소자의 위치를 변화시킬 수 있어 초정밀제어가 필요한 나노 기기에도 압전 소자가 많이 이용된다.

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