압전 작동 원리:완전한 궁극의 가이드

대부분의 최신 장치는 인쇄 회로 기판(PCB)의 구성 요소로 압전기를 사용합니다. 예를 들어, 쿼츠 시계는 시간을 조절하기 위해 압전기가 필요합니다. 게다가 마이크와 사랑하는 Siri도 음성 인식을 위해 필요합니다. 그러나 압전은 어떻게 작동합니까? 모든 압전 재료는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 그리고 이러한 특성을 통해 가장 현대적인 기술과 원활하게 통합되어 완벽한 조화를 제공할 수 있습니다. 이 기사에서는 일상적인 사용을 위해 압전기가 어떻게 작동하는지에 대한 완전한 가이드를 제공합니다.

압전 작동 원리

압전 역학 그림.

출처: https://www.audiowell.com/technology/187.html

압전(Piezoelectric)은 두 프랑스 과학자의 형제인 Jacques와 Pierre Curie가 만든 용어입니다. 두 개의 석영(또는 특정 수정)에 압력을 가하면 전하가 생성된다는 사실을 발견한 후.

Piezo는 그리스어 'piece in에서 유래했습니다. ,'는 누르거나 누르는 것을 의미합니다. 따라서 압전은 '전기를 짜내는 것'을 의미합니다. 즉, 두 개의 결정을 눌러 전기 에너지를 만드는 것입니다. 압전 수정은 기계적(음향 에너지)을 전기 장치가 해석할 수 있는 전기 신호로 바꾸는 데 도움이 됩니다.

이 기술은 현재 빠르게 발전하고 있습니다. 그리고 현재 많은 기업들이 이 현상을 보다 발전된 기술의 기반으로 활용하고 있습니다. 예를 들어, 새로운 세라믹 오디오 톤 변환기는 압전기의 발명품입니다.

압전 효과란 무엇입니까?

압전 효과 그림입니다.

압전 효과는 전류를 만들기 위해 두 가지 특정 물질을 함께 짜내는 능력입니다. 이러한 재료에 기계적 응력을 가하면 재료에 교번하는 음전하와 양전하를 생성하여 활성 전기장을 생성하는 데 도움이 됩니다.

그러나 압전의 이러한 고유한 특성은 가역적이기도 합니다. 직접 압전 효과를 나타내는 재료는 역 압전 효과도 나타낼 수 있습니다.

역 압전 효과는 소리의 생성, 감지 및 분배와 관련된 많은 영역에서 유용합니다. 또한 마이크로 저울, 점화원 역학, 전자 주파수 생성, 고전압 생성 등이 포함됩니다.

직접 압전 효과

압전 및 역 압전 그림.

출처: https://www.cambridge.org/core/journals/mrs-bulletin/article/leadfree-piezoceramics-status-and-perspectives/533F8B4F91B57A04C2E70D372D4627E5

앞에서 언급했듯이 압전 결정을 짜면 압전이 발생합니다.

그림에서 두 개의 금속판 사이에 비전도성 압전 물질을 놓고 함께 압착하거나 압축하면 전류가 생성됩니다. 금속판은 이 전류의 전송기 역할을 합니다.

생성된 전류는 압전 효과로 알려진 전류를 생성합니다.

역 압전 효과

압전 재료를 팽창 또는 수축시키기 위해 직접 전압을 가하면 역 압전을 생성합니다. 따라서 이것은 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 역 압전 효과를 생성합니다.

이 방법을 활용하면 압전 스피커 및 압전 마이크와 같은 음향 사운드를 생성하는 장치를 만드는 데 도움이 됩니다. 이러한 압전소자는 얇아서 다양한 소형 가전제품에 들어갈 수 있어 매우 기능적이다. 마찬가지로, 동일한 원리가 소나 변환기 및 의료용 초음파와 같은 장치에도 적용됩니다.

https://www.youtube.com/watch?v=P9Kod4q-8XM

압전 재료

천연 및 인공의 다양한 재료는 압전 효과를 나타냅니다. 압력(기계적 응력)을 가하고 고전압을 가해 변형시키면 전기가 발생합니다.

일반적으로 이러한 재료는 비전도성입니다. 그리고 이것이 압전 효과가 발생할 수 있는 유일한 방법입니다.

압전 재료는 두 가지 주요 범주로 나뉩니다.

• 압전 수정
• 압전 세라믹

자연적으로 발생하는 압전 재료의 예로는 베를리나이트(Berlinite), 석영, 로셸염(Rochelle salt), 전기석 등이 있습니다. 인공 압전 재료의 예로는 티탄산지르콘산납(PZT), 티탄산바륨, 사탕수수당, 니오브산리튬 등이 있습니다.

생물학적 재료에 비해 제조된 재료가 더 효과적이며 더 나은 재료 사용이 가능합니다. 예를 들어, 납 지르코네이트 티타네이트는 동일한 압력을 가할 때 석영보다 더 높은 전압을 생성하며, 이는 두 재료에 고전압 전류를 인가할 때 사실입니다.

압전 재료

응용 프로그램

가스 레인지 버너의 압전 스파크 발생기 버너

오늘날 압전 변환기와 센서 애플리케이션은 어디에나 있습니다. 오늘날 시장에 나와 있는 모든 장치에는 아마도 압전 재료가 있을 것입니다.

예를 들어 도쿄에서 이 지하철을 타십시오. 이 원리를 대체 에너지원으로 사용합니다.

다음은 압전 원리의 몇 가지 일반적인 일상 응용 프로그램입니다.

피에조 센서

압전 센서는 물리적 차원을 감각 요소의 두 반대면에 작용하는 힘으로 변환합니다. 간단히 말해서 센서는 소리로 인한 압력 변화를 감지합니다.

외부 전압 소스가 필요하지 않으며 적용된 압력에서 결과를 생성하기 위해 작동합니다.

압전 센서는 민감하므로 의료 영상 및 산업 기계 모니터링을 위한 초음파 변환기와 같은 고주파 사운드 장치에 적합합니다.

압전 센서에는 다음과 같은 주요 특성이 있습니다.

• 첫째, 고강도 및 얇은 크기
• 두 번째, 높은 기계적 강도
• 높은 안정성과 탄력적인 규정 준수
• 게다가 넓은 주파수 범위
• 또한 내충격성
• 마지막으로 고전압 출력

고전압 및 전원

압전 원리를 이용한 담배 라이터

이것은 압전 원리의 가장 대중적인 실제 응용입니다. 가장 좋은 예는 가스 그릴과 전기 담배 라이터입니다. 또한 버튼을 누르기만 하면 스프링이 장착된 해머가 압전 수정을 칩니다. 그러면 전하가 가스를 점화하게 하는 충분한 스파크가 생성됩니다.

모터

압전 효과의 주요 장점은 고전압 애플리케이션에 대응하는 미세한 변화이므로 위치 지정에서 극도의 정확도로 사용하기에 완벽합니다.

이것이 압전 모터가 기존의 전자기 엔진에 비해 많은 장점을 갖는 이유입니다. 게다가 일반적으로 더 작고 더 작음에도 불구하고 더 큰 힘과 토크를 제공합니다.

또한 전자기장은 압전 장치의 성능에 영향을 미치지 않으므로 빠른 시작 및 중지가 더 좋습니다.

압전 액추에이터

압전 액추에이터 그림.

출처: https://www.mdpi.com/1996-1073/13/11/2866

액추에이터는 역 압전 효과를 활용하여 점자 및 편직기와 같은 장치에 전원을 공급합니다. 액츄에이터 시스템 내부에서 압전 재료는 금속판과 액츄에이터 장치 사이에 있습니다.

이 시스템에 고전압 전류를 인가하면 압전 재료가 간격을 두고 팽창 및 수축되어 액추에이터가 리드미컬하게 움직입니다.

이러한 액추에이터는 특히 위성의 거울과 같이 정확한 위치 지정이 필요한 장치에 유용합니다. 또한 심플한 디자인과 최소한의 가동 부품으로 인해 비디오 카메라 및 휴대폰과 같은 소형 장치에 적합합니다.

압전의 장단점

모든 찬사에도 불구하고 압전기에도 몇 가지 한계가 있습니다. 압전기의 주요 장단점은 다음과 같습니다.

장점	단점
어떤 온도에서도 작동 가능	진동 감도로 인해 무작위 진동이 발생하기 쉽습니다.
전자기장의 영향이 없습니다.	압전 재료의 강성이 포장과 같은 적용 재료와 일치하지 않는 경우가 있습니다.
탄소 발자국이 낮아 화석 연료에 대한 최고의 대안이 됩니다.
재사용성이 높은 재료
고주파에 대한 작은 응답으로 최고의 에너지 수확기입니다.

압전 발전기

압전 발전기(PEG라고도 함)는 압전 센서를 사용하여 일반적으로 기존 발전기에서 볼 수 있는 물리적 회전 없이 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 따라서 압전 발전기는 작고 컴팩트하며 관리하기 쉬운 크기로 제공됩니다.

이 세대에서 압전 발전기는 발전 분야에서 매우 환영할만한 돌파구입니다. 아직 달성되지는 않았지만 자체 전원 무선 전자 장치의 꿈을 현실로 만드는 힘을 가지고 있습니다.

이 꿈을 실현하려면 아직 멀었습니다. 그러나 압전 발전기는 신뢰할 수 있고 안정적이며 내구성이 뛰어난 전원으로 입증되었습니다. 전문가들은 압전 발전기가 우리의 전력 수요의 많은 부분을 대체할 수 있는 날이 멀지 않을 것이라고 믿습니다.

압전 발전기 – 이점 및 제한 사항

이점

• 첫째, 크기가 다양합니다. 고유한 특성으로 인해 피에조 요소는 매우 유연한 크기와 디자인으로 제공됩니다. 그들은 모든 소형 장치에 맞도록 필요한 만큼 평평할 수 있습니다.

둘째, 피에조 소자는 그렇지 않으면 낭비될 에너지를 수확합니다. 예를 들어, 인도교에 부착된 압전 모터는 발의 진동을 모아 전기 에너지로 변환합니다. 이것은 대체 에너지원이자 환경 소음을 줄이는 방법으로 작동합니다.

제한 사항

• 전력 출력이 제한되어 있습니다. 압전 발전기는 일정한 전력을 생성하기 위해 일정한 진동이 필요합니다. 따라서 생성된 전력은 적용된 응력에 정비례합니다. 여러 압전 소자를 함께 쌓아 출력을 높일 수 있습니다. 그러나 특정 시점 이후에는 시스템 작동에 더 많은 압력이 필요하기 때문에 수익이 감소합니다.

결론

그렇다면 압전은 어떻게 작동합니까? 요약하면, 압전 재료는 기계적 에너지를 전기 에너지로 편리하게 변환할 수 있습니다. 이러한 재료의 고유한 특성으로 인해 많은 기술 분야에서 매우 유용합니다. 특히 정확한 위치 지정이 필요한 영역.

압전 기술 응용 프로그램은 무한하며 탐색할 가능성이 많습니다. WellPCB와 같은 기술 제조업체는 이 기술을 일상적인 사용에 통합하는 최전선에 있습니다.