압전 세라믹스(소재) 정의 및 응용분야

압전 부품은 압전 현상을 일크니느 세라믹스를 이용하는 부품으로서 압전 직접 효과(piezoelectric direct effect)와 압전역 효과(piezoelectric converseeffect)를 이용한다. 압전 직접 효과는 압전에 기계적인 에너지인 스트레스, 힘또는 진동을 가했을 때 이 에너지르 ㄹ전기적 에너지인 전압이나 전기적 신호를 일으키는 현상이며, 압전역효과는 이와는 반대로 전기적 에너지를 가했을 때 이를 기계적에너지로 변환시키는 현상을 말한다. 따라서 압전 부품을 이 두가지의 물리적 현상을 이용하는 부품으로서 용도에 따라 이 두가지 현상을 적절히 선택하거나 결합하여 용도에 알맞는 기능을 갖도록 소자화 한다.

 

이들 소자가 사용되는 예는 각종음향기기 (TV, 전축 Radio 등), 통신기기 등에 사용되는 압전 센서류, 초음파 가공기 및 세척기에 사용되는 파워용 진동자, VTR의 Auto tracking, 카메라의 자동초점조절용, 정밀위치 제어등에 활용되는 actuator나 초음파 모터 등 민생기기 및 산업기기 등 그용도가 다양하다.

 

압전체에 활용된 재질은 초기에 롯셀염이나 수정 등 기타 단결정을 이용하여 실용상 여러가지 제약을 받아 왔으나 BaTiO3가 개발되면서 응용에 대한 연구가 활발히 진행되기 시작하였으나 BaTiO3의 상변이 온도가 120℃ 부근이어서 사용상의 제한을 받아 왔으나 이후 Pb(ZrTi)O3 세라믹스가 개발됨으로써 압전부품의 개발은 더욱더 가속화 되었다.

 

현재 압전재료로서 응용되는 재료는 단결정, 다결정, 고분자재료와 다결정이나 다결정 재료를 박막화한 박막재료 및 다결정 재료와 고분자재료를 복합화한 복합재료로 대별할 수 있다.

 

구분	압전재료
단결정	α-AlPO4(Bernite), α-SiO2(Quartz), LiTaO3, LiNbO3, Tbz(MoO4)3, Li2B4O7, CdS, ZnO 등
박막	ZnO, CdS, AlN
다결정	PZT계, PT계, PZT-Complex Perovskite계, BaTiO3
고분자	PVDF, P(VDF-TrFe), P(VDF-TeFE), TGS
복합	PZT-PVDF. PZT-Silicon Rubber, PZT-Epoxy

 

압전부품에 있어서 이러한 압전재료는 부품의 요구특성과 부품화의 용이성에 따라 선택되어지며, 동일 재료라도 가공 형태에 따라 특성이 변화된다.

 

일반적으로 고체물질이 원자나 이온이 규칙적으로 배열되어 3차원적으로 이루진 것을 결정이라 한다. 이러한 결정은 이온이나 원자의 대칭성에 따라 32개의 결정 군으로 분류되며 압전특성을 갖는 결정은 결정 중심을 갖지 않는 21개 결정군 중 20개의결정군으로 알려지고 있다.

 

따라서 압전재료는 결정구 조에 따라 압전성질이 변화되며, 단결정 압전재료로 널리 사용되는 α-SiO2(Quartz)는 공진주파수의 대역폭이 좁고 온도계수가 작으므로 신호 주파수를 발생하는 오실레이터 소자의 소재로 많이 사용되며, LiNbO3나, LiTaO3 및 박막재료는 탄성표면화(SAW; Surface Acoustic Wave)필터의 소재로 이용된다.

 

세라믹은 가공성이나 제반 압전특성이 광범위하여 전자부품인 세라믹음향 필터나 압전세서 등에 활용되고 있다.

 

압전재료를 이용한 압전부품의 응용분야는 대단히 광범위 하므로 이들 부품은 산업용 전자기기로부터 민생용 전자기기 뿐만 아니라 각종 자동화용 핵심부품으로 널리 활용되고 있으며, 이러한 압전부품의 응용분야는 산업의 발전과 새로운 기능의 추구로 인하여 더욱 더 확대되고 있다.