압전 결정의 D33 값: 실제 응용 분야에 대한 시사점
1 소개
압전 재료는 외력에 의해 변형이 발생하면 전기장을 발생시키고, 전기장이 가해지면 변형이 발생하여 그 과정에서 기계 에너지와 전기 에너지의 상호 변환을 실현할 수 있어 전자 장비 및 광전자 분야에서 광범위하게 응용되고 있습니다. 압전 재료의 경우 압전 상수는 가장 일반적이고 직관적인 성능 표현으로, 기계적 응력이나 전기장에 대한 재료와 생성된 전기장의 방향 또는 관계 크기의 변형을 반영합니다. 가장 일반적으로 사용되는 특성화 값 중 하나는 d33 값으로, 본 논문에서는 다양한 압전 결정의 특성 및 응용 분야와의 관계라는 관점에서 논의할 것입니다.
그림 1 석영 결정 및 웨이퍼
2 압전 효과의 개요
2.1 압전 결정과 압전 효과
압전 결정은 압전 효과가 있는 결정성 물질입니다. 압전 효과는 특정 물질이 외부 힘에 의해 변형될 때 발생하는 물리적 현상으로, 물질 내에서 전하 분리를 일으켜 물질의 양쪽 끝에 전기장을 생성합니다. 반대로 이러한 물질에 전기장이 가해지면 물질은 기계적 변형을 겪게 됩니다. 압전 효과는 주로 티탄산바륨(BaTiO3), 티탄산지르코네이트납(PZT), 석영(SiO2)과 같이 중심 대칭 구조가 없는 특정 결정에서 발견됩니다.
2.2 압전 상수
압전 상수는 기계적 응력과 전기장 하에서 모터를 변환하는 압전 재료의 능력을 특징짓는 파라미터 집합입니다. 압전 상수는 전기적 양과 기계적 양을 연결하는 핵심 계수로, 특히 적용된 전기장 또는 기계적 응력 하에서 재료의 기계적 변형 또는 전하 분포를 반영합니다. 이러한 상수는 일반적으로 dij, gij, eij 등으로 표시되며, 가장 일반적인 상수는 dij입니다.
dij 상수(변형률 상수): 인가된 전기장의 작용으로 재료가 생성하는 변형률과 전기장의 세기 사이의 관계를 설명하는 데 사용됩니다. I와 j는 인가된 전기장의 방향과 생성된 변형의 방향을 나타냅니다.
2. gij 상수(응력 상수)는 기계적 응력을 받는 재료가 생성하는 전기장과 응력 사이의 관계를 설명합니다. I와 j는 각각 가해지는 기계적 응력의 방향과 생성된 전기장의 방향을 나타냅니다.
3. eij 상수(응력-전하 상수)는 기계적 응력 하에서 압전 재료가 생성하는 전하 밀도와 응력 사이의 관계를 설명합니다. I와 j는 각각 가해진 응력의 방향과 생성된 전하의 방향을 나타냅니다.
2.3 D33 상수
d33의 값은 분극 방향(일반적으로 3방향)으로 재료가 생성하는 변형률과 해당 방향으로 재료에 전기장을 가할 때 가해지는 전기장의 세기 사이의 비례를 나타냅니다. d33 값이 높을수록 전기장이 가해질 때 재료가 더 큰 기계적 변형을 생성하거나 기계적 응력이 가해질 때 더 강한 전기장을 생성할 수 있음을 의미합니다. 이는 해당 소재가 모터 변환에 효율적이며 전기 에너지를 기계 에너지로 또는 기계 에너지를 전기 에너지로 더 효율적으로 변환할 수 있음을 나타냅니다.
d33 값의 크기는 압전 재료의 성능에 직접적인 영향을 미치며, 따라서 애플리케이션에서 압전 재료의 효과에 영향을 미칩니다. 압전 센서에서 d33 값이 높을수록 외부 기계적 응력이나 압력에 의해 수신된 센서가 더 명확한 전기 신호를 생성할 수 있으므로 재료의 감도 및 반응성이 높아집니다. 압전 액추에이터에서 d33 값이 높은 재료는 전기장이 가해질 때 더 큰 응력이나 변위를 생성할 수 있으므로 더 정밀한 제어와 고출력이 필요한 애플리케이션에 적합합니다. 압전 에너지 하베스터에서 d33 값이 높은 소재는 환경의 기계적 에너지를 전기 에너지로 보다 효율적으로 변환하여 에너지 활용의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.
D33 값에 영향을 미치는 3가지 요인
3.1 결정 구조
결정의 대칭성과 격자 상수는 d33 값에 중요한 영향을 미칩니다. 대칭성이 낮은 결정(예: 단사선 또는 삼사선)은 일반적으로 격자 왜곡을 더 크게 허용하기 때문에 압전 계수가 더 높습니다. 격자 상수가 클수록 변형 가능한 공간이 커지는 경향이 있어 압전 특성이 향상될 수 있습니다.
그림 2 압전성이 있는 결정은 대칭성이 낮습니다.
3.2 재료 구성
압전 재료에 다른 원소를 도핑하면 d33 값에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, PZT의 경우 티타늄과 지르코늄의 비율을 조정하여 압전 특성을 최적화할 수 있습니다. 또한 재료의 화학량 론적 비율도 d33 값에 영향을 미칩니다. 이상적인 화학량 론적 비율에서 벗어나면 결정 결함이 발생하여 압전 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
3.3 처리
압전 세라믹 소재의 소결 온도와 시간은 미세 구조와 입자 크기에 영향을 미치며, 이는 다시 d33 값에 영향을 미칩니다. 적절한 소결 조건은 입자 크기를 최적화하고 입자 경계 결함을 줄일 수 있습니다. 분극 처리는 고온에서 전기장을 가하여 재료 내부의 쌍극자가 같은 방향으로 배향되어 d33 값을 개선함으로써 압전 특성을 향상시키는 핵심 단계입니다.
3.4 미세 구조
입자 크기는 d33 값에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 중간 입자 크기(미크론 수준)는 압전 특성 개선에 유리하지만 입자 크기가 너무 크거나 너무 작으면 d33 값이 감소합니다. 입자 경계 결함은 압전 특성에 영향을 미치며, 입자 경계 결함을 줄이면 d33 값을 개선하는 데 도움이 됩니다. 입자 경계의 응력 농도와 전하 축적은 압전 특성을 감소시킵니다.
3.5 외부 조건
온도는 d33 값에 큰 영향을 미칩니다. 대부분의 압전 재료는 퀴리 온도 근처에서 최적의 압전 특성을 나타내지만 온도가 너무 높거나 너무 낮으면 d33 값이 감소합니다. 외부의 기계적 응력과 변형도 d33 값에 영향을 줄 수 있습니다. 일부 소재의 경우 적절한 사전 응력을 가하면 압전 특성이 향상될 수 있지만, 응력이 너무 크면 소재에 균열이 생기거나 성능이 저하될 수 있습니다.
3.6 재료의 강유전성
압전 재료의 강유전 도메인 구조는 d33 값에 직접적인 영향을 미칩니다. 도메인 벽의 움직임이 클수록 재료의 압전 응답이 향상됩니다. 분극 방향과 재료의 응력 방향 사이의 관계도 d33 값에 영향을 미치며, 일반적으로 분극 방향이 응력 방향과 같을 때 최상의 압전 응답을 얻을 수 있습니다.
그림 3 강유전체 상전이에서의 전기 쌍극자 배열 및 전착 반응 곡선의 개략도
3.7 전기장 및 주파수
인가된 전기장의 세기와 방향은 d33 값에 큰 영향을 미칩니다. 적절한 전기장은 재료의 압전 응답을 향상시킬 수 있습니다. 적용된 전기장의 주파수 또한 d33 값에 영향을 미치며, 특정 재료는 특정 주파수에서 공진 강화 압전 특성을 나타냅니다.
4 일반적인 압전 재료의 특성 및 응용 분야
4.1 쿼츠
석영 (SiO2)은 다양한 전자 및 광학 장치에 널리 사용되는 자연 발생 압전 소재입니다. 대칭성이 높은 육각형 결정계로, 압전 특성은 결정 방향과 응력 방향에 따라 달라집니다. 석영은 일반적으로 d33 값이 2~3 pC/N 정도로 상대적으로 낮습니다. 석영의 압전 상수 d33은 상대적으로 낮은 값이지만, 독특한 물리적 특성과 뛰어난 안정성으로 인해 특정 분야에서 대체 불가능한 소재입니다.
석영은 물리적, 화학적 안정성이 뛰어나 다양한 환경 조건에서도 안정적인 압전 특성을 유지할 수 있습니다. 또한 석영의 고품질 인자는 발진기 및 공진기의 다른 재료보다 우수하여 더 높은 주파수 안정성과 낮은 에너지 손실을 제공합니다. 쿼츠의 저온 계수는 넓은 온도 범위에서 주파수 안정성을 보장하므로 고정밀 애플리케이션에서 중요한 이점을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 쿼츠는 상대적으로 낮은 d33 값에도 불구하고 널리 사용됩니다.
쿼츠 크리스탈은 안정적인 주파수 레퍼런스를 제공하기 위해 전자 장치의 발진기 및 공진기에 널리 사용됩니다. 석영의 고품질 계수와 저온 계수는 장기간에 걸쳐 주파수 안정성과 낮은 손실을 보장합니다. 쿼츠는 힘, 압력 및 가속도 측정을 위한 압전 센서에도 사용됩니다. 쿼츠 센서는 정확도와 장기 안정성이 뛰어나 고정밀 측정 및 장기 모니터링에 적합합니다. 쿼츠는 광 변조기 및 광섬유 통신 장치에도 사용됩니다. 석영은 투명도가 높고 흡수율이 낮아 광학, 특히 레이저 및 광섬유 통신에서 중요한 응용 분야를 제공합니다.
그림 4 석영 웨이퍼 링
4.2 티타네이트 바륨
티탄산바륨 (BaTiO3)은 우수한 압전 특성과 높은 d33 값으로 인해 많은 응용 분야에서 많은 관심을 받고 있는 일반적인 압전 세라믹 소재입니다. 티탄산바륨은 칼코게나이드 구조(ABO3)를 가지고 있으며, 이 구조는 특정 온도 범위에서 우수한 압전성 및 강유전성을 나타냅니다. 티타네이트바륨의 d33 값은 일반적으로 약 100 - 200 pC/N입니다. 이는 비교적 높은 값입니다. 이는 비교적 높은 값으로, 전기장을 가할 때 티타네이트바륨이 상당한 기계적 변형을 일으킬 수 있음을 나타냅니다.
d33 값이 높은 티타네이트바륨은 재료의 모터 변환 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 티타네이트 바륨은 특정 온도 범위에서 강유전성을 가지므로 넓은 온도 범위에서 안정적인 압전 특성을 유지할 수 있습니다. 티타늄산바륨 소재는 화학적 안정성과 기계적 강도가 우수하여 열악한 환경에서 장기간 사용하기에 적합합니다. 티타늄 티타네이트 세라믹 소재는 가공 및 성형이 용이하고 대량 생산에 적합하며 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
높은 d33 값과 우수한 압전 특성으로 인해 티타네이트바륨은 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 티타네이트 바륨은 압력 센서, 가속도 센서, 진동 센서 제조에 사용됩니다. 티타네이트바륨의 높은 d33 값 덕분에 이러한 센서는 기계적 응력과 진동을 민감하게 감지하여 민감하고 고해상도 측정을 할 수 있습니다. 티타네이트 바륨은 전기장을 가할 때 큰 기계적 변형을 일으킬 수 있어 정밀한 제어와 고출력이 가능한 미세 변위 액추에이터 및 초음파 트랜스듀서와 같은 정밀 액추에이터를 제조하는 데도 사용됩니다. 티탄산바륨의 특성으로 인해 환경의 기계적 에너지(예: 진동, 압력)를 전기 에너지로 변환하는 에너지 하베스터에 널리 사용됩니다. 에너지 변환 효율이 향상되면 에너지 하베스터가 자가 발전 장치와 웨어러블을 위해 에너지를 더 효율적으로 수집하고 저장할 수 있습니다. 유전율이 높고 압전 특성이 우수한 티타네이트바륨 커패시터는 고주파 및 고전압 애플리케이션에서 탁월한 성능을 발휘하여 높은 에너지 밀도와 안정성을 제공합니다.
4.3 납 지르코네이트 티타네이트(PZT)
PZT는 기계적 응력 하에서 상당한 전하 분리를 일으켜 전기장을 생성하는 강력한 압전 효과를 가지며, 반대로 적용된 전기장 하에서 상당한 기계적 변형을 유도합니다. PZT는 칼코게나이드 구조(ABO3)를 가지고 있으며, Zr과 Ti의 비율을 변경하여 압전 및 강유전 특성을 조정할 수 있습니다.
PZT의d33 값은 일반적으로 200~600 pC/N 범위로, 압전 특성이 높은 재료 중 하나입니다. d33 값이 높을수록 편광 방향(보통 3방향)으로 전기장이 인가될 때 PZT가 상당한 기계적 변형을 일으킬 수 있음을 의미합니다. 이는 PZT가 모터 변환에 매우 효율적이라는 것을 나타냅니다. PZT의 d33 값이 높을수록 소재의 모터 변환 효율이 크게 향상되어 고성능 압전 애플리케이션에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 지르코늄과 티타늄의 비율을 조정하여 PZT의 압전 및 강유전 특성을 다양한 애플리케이션에 맞게 최적화할 수 있습니다. PZT 소재는 화학적 안정성과 기계적 강도가 우수하여 열악한 환경에서도 장기간 사용할 수 있습니다. PZT 세라믹은 가공 및 성형이 용이하여 대규모 생산에 적합하며 산업 응용 분야에서 널리 사용됩니다.
그림 5 납 지르코네이트 티타네이트 세라믹 시트
4.4 산화아연(ZnO)
산화아연 (ZnO)은 압전 특성이 우수한 반도체 재료로, d33 값은 일반적으로 5-12 pC/N 범위입니다. 산화아연은 산화아연보다 d33값이 높지만, 산화아연보다 d33값이 낮습니다. 산화아연의 d33 값은 티탄산지르코네이트납(PZT) 및 티탄산바륨(BaTiO3)과 같은 기존의 압전 재료에 비해 상대적으로 낮지만, 독특한 특성 덕분에 여러 분야의 광범위한 응용 분야에 유망한 소재입니다. 산화아연은 육각형 피브릴화 아철산염 구조로, 우수한 압전 특성과 높은 전기기계적 결합 계수를 제공하는 구조입니다. 산화 아연은 분극 방향(일반적으로 C축 방향)으로 전기장을 가할 때 상당한 기계적 변형을 발생시킬 수 있으며, 이는 일부 고성능 압전 세라믹만큼 강하지는 않지만 일부 특정 응용 분야에는 충분합니다.
산화 아연의 압전 특성은 나노 발전기, 압전 센서 및 표면 음파 장치와 같은 분야에서 사용하기에 탁월합니다. 나노 발전기에서 ZnO 나노 와이어 어레이는 기계적 에너지(예: 진동 및 압축)를 전기 에너지로 효과적으로 변환할 수 있으며, 낮은 d33 값에도 불구하고 나노 구조 최적화 및 어레이 설계를 통해 에너지 수확 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 압전 센서에서 산화아연의 높은 감도와 우수한 주파수 응답은 작은 기계적 응력과 압력 변화를 감지하는 데 적합합니다. 또한 산화아연은 우수한 압전 및 반도체 특성으로 고성능 음파 신호 처리를 가능하게 하는 표면 음파 장치에 널리 사용됩니다.
산화 아연의 강점으로는 화학적 안정성과 생체 적합성이 우수하여 생의학 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있다는 점도 있습니다. 예를 들어 산화아연 나노 와이어 센서는 생체 분자 감지 및 세포 역학 연구에 사용될 수 있으며, 압전 특성과 반도체 특성을 결합하여 매우 민감하고 선택적인 감지가 가능합니다. 산화 아연의 응용 분야는 환경 감지 및 에너지 하베스팅 분야에서도 확대되고 있습니다. 산화 아연은 상대적으로 낮은 d33 값에도 불구하고 다목적성과 조정 가능성으로 인해 다양한 응용 분야에서 귀중한 압전 재료로 활용되고 있습니다.
그림 6 반도체 결정 산화아연
4.5 리튬 니오베이트(LiNbO₃)
리튬 니오베이트 (LiNbO3)는 상당한 압전 특성을 가진 강유전체 재료로, 일반적으로 d33 값이 6~20 pC/N 범위입니다. LiNbO3의 d33 값은 일부 고성능 압전 세라믹(예: 지르코네이트 티타네이트 납)만큼 높지는 않지만, 독특한 물리적 특성으로 인해 광전자 및 음향 장치에 응용하는 데 중요합니다. 리튬 니오베이트는 삼원 결정계 구조를 가지고 있어 압전 및 광학 특성이 뛰어납니다. 리튬 니오베이트는 전기장이 편광 방향, 일반적으로 C축 방향으로 인가될 때 상당한 기계적 변형을 일으킬 수 있습니다.
리튬 니오베이트의 압전 특성 덕분에 광 변조기, 표면 음파 장치, 비선형 광학 장치에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 광 변조기에서 리튬 니오베이트는 높은 전기 광학 계수와 우수한 압전 특성으로 인해 고속의 정밀한 광 신호 변조를 실현할 수 있으며, 음향 표면파 장치에서 리튬 니오베이트는 높은 음향파 전파 속도와 압전 특성을 활용하여 무선 통신 및 신호 필터링에 널리 사용되는 고효율 음향파 신호 처리 및 전송을 실현할 수 있습니다. 또한 리튬 니오베이트는 비선형 광학 장치에도 널리 사용됩니다. 우수한 비선형 광학 특성으로 인해 주파수 변환 및 광학 파라메트릭 발진기에 이상적인 소재입니다.
리튬 니오베이트의 장점은 높은 기계적 강도, 화학적 안정성, 넓은 투명도 창으로 다양한 열악한 환경에서도 우수한 성능을 유지할 수 있다는 점입니다. 이러한 특성 덕분에 리튬 니오베이트는 항공우주, 군사 및 산업 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어 항공우주 분야에서는 리튬 니오베이트 센서를 고정밀 힘 및 압력 감지에 사용할 수 있으며, 군에서는 리튬 니오베이트의 광학 및 압전 특성을 첨단 광전자 대책 및 통신 장비에 사용할 수 있습니다. 산업 응용 분야에서 리튬 니오베이트의 고온 안정성과 내방사선성은 열악한 환경의 모니터링 및 제어 장비에 적합합니다. 리튬 니오베이트는 상대적으로 낮은 D33 값을 갖지만, 다용도성과 우수한 광전자 특성으로 인해 다양한 응용 분야에서 귀중한 압전 재료로 사용됩니다.
그림 7 LiNbO3 결정
4.6 탄탈산 리튬(LiTaO₃)
리튬 탄탈레이트 (LiTaO3)는 일반적으로 5-18 pC/N 범위의 d33 값을 갖는 중요한 압전 소재입니다. LiTaO3의 d33 값은 5-18 pC/N 범위입니다. LiTaO3의 d33 값은 일부 고성능 압전 세라믹(예: 지르코네이트 티타네이트 납)보다 약간 낮지만, 독특한 물리적 및 화학적 특성으로 인해 광전자 및 음향 장치에 널리 사용됩니다. 탄탈산리튬은 삼원 결정계 구조를 가지고 있어 압전 및 광학 특성이 뛰어납니다. 분극 방향(일반적으로 c축 방향)으로 전기장이 가해지면 탄탈산 리튬은 상당한 기계적 변형을 일으킬 수 있습니다. d33 값은 상대적으로 낮지만 많은 광전자 및 음향전자 애플리케이션에 충분합니다.
탄탈산 리튬의 압전 특성 덕분에 표면 음파 장치, 광 변조기 및 비선형 광학 장치에서 탁월한 성능을 발휘합니다. 음향 표면파 장치에서 리튬 탄탈레이트는 높은 음파 전파 속도와 우수한 압전 특성을 활용하여 무선 통신 및 신호 필터링에 널리 사용되는 고효율 음파 신호 처리 및 전송을 달성합니다; 광 변조기에서 리튬 탄탈 레이트는 높은 전기 광학 계수와 우수한 압전 특성으로 고속의 정밀한 광 신호 변조를 달성 할 수 있습니다. 또한 리튬 탄탈 레이트는 비선형 광학 장치에도 널리 사용되며 우수한 비선형 광학 특성으로 인해 주파수 변환 및 광학 파라 메트릭 발진기에 이상적인 재료입니다.
탄탈산 리튬의 장점은 높은 기계적 강도, 화학적 안정성, 넓은 투명도 창으로 열악한 환경에서도 우수한 성능을 유지할 수 있다는 점입니다. 따라서 탄탈산리튬은 항공우주, 군사 및 산업 분야에서 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어 항공우주 분야에서는 고정밀 힘 및 압력 감지에 리튬탄탈레이트 센서를 사용할 수 있고, 군용 분야에서는 리튬탄탈레이트의 광학 및 압전 특성으로 첨단 광전자 대책 및 통신 장비에 사용할 수 있으며, 산업 분야에서는 고온 안정성과 방사선에 대한 저항성으로 열악한 환경에서 모니터링 및 제어 장비에 사용하기에 적합하다. 상대적으로 낮은 d33 값에도 불구하고 리튬 탄탈레이트의 다용도성과 우수한 광전자 특성 덕분에 다양한 응용 분야에서 귀중한 압전 재료로 활용되고 있습니다.
그림 8 LiTaO3 결정
5 결론
압전 효과와 관련 상수(특히 d33 값)는 압전 재료의 성능에 직접적인 영향을 미치며 센서, 액추에이터, 에너지 하베스터와 같은 애플리케이션에서 효율과 효과를 결정합니다. d33 값에 영향을 미치는 요인으로는 결정 구조, 재료 구성, 가공, 미세 구조, 외부 조건, 재료의 강유전성, 적용된 전기장 및 주파수 등이 있으며, 이러한 요인들이 다양한 방식으로 함께 작용하여 압전 재료의 최종 특성을 결정합니다.
스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈(Stanford Advanced Materials, SAM) 는 d33 값의 잠재력을 극대화하여 다양한 실제 응용 분야에서 높은 성능과 신뢰성을 보장하는 최고 수준의 압전 소재를 제공하기 위해 최선을 다하고 있습니다.
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