압전 세라믹 (Piezoelectric Ceramics)

한 줄 정의: 기계적 압력을 가하면 전기 신호를, 전기장을 가하면 기계적 변형을 발생시키는 압전 효과를 가진 세라믹 재료입니다.

쉽게 풀면

압전 세라믹은 누르면 전기가 발생하고, 반대로 전기를 흘려주면 살짝 늘어나거나 줄어드는 신기한 세라믹입니다. 라이터를 눌러 불꽃을 튀기는 압전 점화 장치나, 초음파 검사기가 몸속을 들여다보는 것도 이 원리를 이용한 것입니다. 압력이라는 힘을 전기로, 전기를 힘으로 서로 바꿔주는 변환기 역할을 한다고 생각하면 됩니다.

왜 중요한가

센서, 액추에이터, 초음파 트랜스듀서, 압전 점화 장치 등 힘과 전기 신호를 서로 변환해야 하는 거의 모든 전자기계 시스템에 사용되기 때문에 재료공학과 전자공학이 만나는 핵심 연구 주제입니다. 압전 특성을 좌우하는 조성, 결정구조, 분극 처리 조건이 성능을 결정하므로 신소재 개발 논문에서 자주 다루어집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The piezoelectric ceramics were poled under a DC electric field of several kV/mm at elevated temperature."

압전 세라믹을 고온에서 수 kV/mm의 직류 전기장으로 분극 처리했다는 뜻으로, 압전성을 발현시키기 위한 분극 공정을 설명하고 있습니다.

"Lead-free piezoelectric ceramics have attracted significant attention as environmentally friendly alternatives to PZT."

비납계 압전 세라믹이 PZT를 대체할 친환경 소재로 큰 주목을 받고 있다는 내용으로, 압전 세라믹 연구의 환경 규제 관련 동향을 보여줍니다.

조금 더 깊게 보면

압전 세라믹은 대체로 페로브스카이트 구조를 가진 강유전체를 소결한 뒤, 도메인 방향을 정렬시키는 분극(poling) 처리를 거쳐야 압전 특성이 나타납니다. 압전 상수, 결합계수, 유전상수 등의 물성은 조성과 미세구조, 상경계(morphotropic phase boundary) 근처 조성에서 크게 향상되는 경향이 알려져 있습니다.

주의할 점

퀴리온도 이상으로 가열되면 강유전성이 사라지면서 압전 특성도 함께 소실되므로, 사용 온도 범위를 고려한 소재 선택이 필요합니다.