오늘의 궁금증 Q21/ 압전효과란 무엇일까?

안녕하세요!

오늘은 압전효과에 대해서 알아보겠습니다.

 

압전효과

 

압전이란 Piezo-Electric으로서

그리스의 누른다는 뜻을 가진 Piezein에서 유래한 말과 전기가 합쳐진 말입니다.

 

압력이 가해지면 전기가 발생한다는 뜻입니다.

 

기계적 변화를 주면 전기적인 신호가 생기고,
전기적인 신호를 가하면 기계적인 변화가 발생한다

 

압전효과는 결저구조를 가진 재질 내에서 기계적-전기적 상태 사이의 상호작용을 통해 나타는 것으로 설명할 수 있습니다.

 

즉 해당 재질에 기계적 변화를 주면 전기적인 신호가 발생하고, 거꾸로 전기적인 신호를 가하면 기계적인 변화가 발생하는 것입니다.

 

이때 기계적신호 -> 전기적 신호를 1차 압전효과라 하며

전기적 신호 -> 기계적 신호를 2차 압전효과 혹은 역 압전효과라 합니다.

 

쉽게 이해하기

 

 

 

가장 이해하기 쉬운것으로는 전기 라이터가 있습니다.

라이터를 켜기 위해 엄지로 스프링 버튼을 누르면, 라이터 내부의 작은 망치가 압전소자를 때리게 됩니다.

이때 압전소자에서 발생한 높은 전압의 전기가, 미리 만들어 둔 전기회로 내 작은 간극에 스파크를 발생시킵니다.

이 스파크를 이용해 가스를 점화시키는 것이 전기 라이터의 원리입니다.

 

이외에도 여러가지가 있습니다.

축음기 카트리지, 마이크로폰, 스피커 

수정 발진기

힘 센서, 압력 센서, 변형 게이지, 가속도계 등 여러 가지가 있습니다.

 

수정, 전기석 등과 같이 압전효과를 나타내는 소자를 압전소자라 합니다.

이 압전소자는 1917년 1차 대전중 프랑스의 과학자들에 의해 개발된 초음파 잠수함 탐지기에서 가장 먼저 사용됐습니다.

 

1차 압전효과는 1880년 피에르 퀴리, 자크 퀴리 형제에 의해서 알려지게 됩니다.

퀴리 형제는 어떤 물질에 온도 변화가 생기면 전기가 발생하는 것에 착안하여 몇 가지 물질에서 전기적인 신호를 실험적으로 발생시키는 데 성공했습니다.

 

하지만 역압전효과는 1881년 리프만에 이해 수학적을 추론되게 됩니다.

그 후 1910년 압전 결정이 20여 종의 재료 결정학적 분류에 따라 나눠지게 되며

이들 분류에 기초한 압전상수도 도출되었습니다.

 

압전효과의 원리

 

결정 구조를 가진 소재 중에는 분자구조상 전기쌍극자를 가진 물질이 있습니다.

전기쌍극자란 결정구조의 단위로 볼 때 양의 전하와 음의 전화의 위치가 약간 어긋나 있어, 분자 단위에서 그 주변에 전기장을 형성시키는 것입니다.

 

이 전기쌍극자를 가진 재료에 외부응력을 주었을 때에는 결정을 구성하는 분자 간 혹은 이온 간 상태변화가 발생합니다.

힘을 받으면 결정구조가 찌그러지면서 전기쌍극자의 크기의 변화를 일으켜 주변의 전기장이 바뀌게 됩니다.

 

이런 원리를 통해 압전소자에 연결된 전기회로에는 양 또는 음의 전기가 발생합니다

이것을 바로 1차 압전효과라 합니다.