압전 변환기: 응용 및 작동 원리
압전 변환기는 무엇인가요
압전 변환기(또는 압전 센서)는 가속도, 압력, 변형, 온도 또는 힘의 변화를 측정하기 위해 압전 효과를 사용하여 이러한 에너지를 전기적 전하로 변환하는 장치입니다.
변환기는 어떤 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하는 모든 것을 말합니다. 압전 물질은 변환기의 한 종류입니다. 이 압전 물질에 압력을 가하거나 어떠한 힘을 가하면, 변환기는 이를 전압으로 변환합니다. 이 전압은 가해진 힘이나 압력에 따라 달라집니다.
압전 변환기에 의해 생성된 전압은 전압 측정 기기로 쉽게 측정할 수 있습니다. 이 전압이 가해진 힘이나 압력에 따라 달라지므로, 전압 값을 통해 힘이나 압력을 추론할 수 있습니다. 이렇게 하여 기계적 스트레스나 힘과 같은 물리적 양을 직접 측정할 수 있습니다.
압전 작동기
압전 작동기는 압전 센서와 반대 방식으로 작동합니다. 여기서는 전기 효과가 물질을 변형시키게 됩니다. 즉, 늘어나거나 구부러지게 됩니다.
즉, 압전 센서에서는 힘이 가해져서 늘어나거나 구부러지면 전기 포텐셜이 발생하지만, 압전 작동기에서는 전기 포텐셜이 가해지면 변형됩니다. 즉, 늘어나거나 구부러지게 됩니다.
압전 변환기는 규소와 산소가 결정 구조(SiO2)로 배열된 석영 결정으로 구성됩니다. 일반적으로 모든 결정의 단위 셀(기본 반복 단위)은 대칭적이지만, 압전 석영 결정에서는 그렇지 않습니다. 압전 결정은 전기적으로 중성입니다.
결정 내의 원자들은 대칭적으로 배열되어 있지 않지만, 그들의 전기적 전하가 균형을 이루고 있어 양전하가 음전하를 상쇄합니다. 석영 결정은 특정 평면에 기계적 스트레스가 가해지면 전기적 극성을 생성하는 고유한 특성을 가지고 있습니다. 기본적으로 두 가지 유형의 스트레스가 있습니다. 하나는 압축 스트레스이고 다른 하나는 인장 스트레스입니다.
압축 스트레스가 가해지면 한쪽에는 양전하가, 반대쪽에는 음전하가 유도됩니다. 압축 스트레스로 인해 결정의 크기는 더 얇아지고 길어집니다. 인장 스트레스의 경우, 압축 스트레스와 반대로 전하가 유도되고, 석영 결정은 더 짧아지고 넓어집니다.
압전 변환기는 압전 효과의 원리에 기반합니다. '압전'이라는 단어는 그리스어 'piezen'에서 유래되었으며, '짜다' 또는 '누르다'라는 의미입니다. 압전 효과는 석영 결정에 기계적 스트레스나 힘이 가해지면 결정 표면에 전기적 전하가 생성된다는 것을 의미합니다. 압전 효과는 피에르와 자크 쿠리에 의해 발견되었습니다. 생성되는 전하의 비율은 가해지는 기계적 스트레스의 변화율에 비례합니다. 스트레스가 클수록 전압이 높아집니다.
압전 효과의 독특한 특징 중 하나는 역방향으로 작용한다는 것입니다. 즉, 전압을 가하면, 특정 평면을 따라 차원이 변경됩니다. 예를 들어, 석영 결정 구조에 전기장을 가하면, 전기장의 세기에 비례하여 석영 결정이 변형됩니다. 동일한 구조에 전기장의 방향을 반대로 가하면, 변형은 반대 방향으로 일어납니다.
전기장이 가해지면 석영 결정이 길어집니다
전기장이 반대 방향으로 가해지면 석영 결정이 짧아집니다.
이는 자체 발전 변환기입니다. 작동을 위해 외부 전압 소스가 필요하지 않습니다. 압전 변환기에 의해 생성된 전압은 가해진 스트레스나 힘에 선형적으로 변합니다.
압전 변환기는 높은 감도를 가지고 있습니다. 따라서 센서로 작용하며, 우수한 주파수 응답 덕분에 가속도계에 사용됩니다. 압전 효과는 소리의 생성 및 검출, 전자 주파수 생성 등 많은 응용 분야에서 사용됩니다. 담배 가벼움 점화의 점화원, 소나, 마이크, 힘, 압력, 변위 측정 등에도 사용됩니다.
압전 물질의 응용
압전 물질을 사용하여 압전 변환기는 다음과 같은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있습니다:
마이크에서는 소리 압력이 전기 신호로 변환되며, 이 신호는 결국 더 큰 소리를 생성하기 위해 증폭됩니다.
자동차 시트 벨트는 급격한 감속에 반응하여 잠기는데, 이는 압전 물질을 사용하여 이루어집니다.
의료 진단에서도 사용됩니다.
주방에서 사용되는 전기 가벼움 점화기에서도 사용됩니다. 압전 센서에 가해진 압력이 전기 신호를 생성하여 플래시를 발화시킵니다.
고속 충격파와 폭발파 연구에도 사용됩니다.
불임 치료에도 사용됩니다.
잉크젯 프린터에도 사용됩니다.
레스토랑이나 공항에서 사람이 문 근처에 오면 문이 자동으로 열리는 경우에도 사용됩니다. 이때 사람은 문 근처에 서서 센서에 압력을 가하게 되고, 이로 인해 전기 효과가 발생하여 문이 자동으로 열립니다.
압전 물질의 예시
물질들은 다음과 같습니다:
바륨 타타네이트.
리드 지르코네이트 타타네이트(PZT).
로셸 소금.
압전 초음파 변환기
이는 인간의 귀로 들을 수 없는 높은 주파수를 생성합니다. 전압이 가해지면 빠르게 팽창하고 수축합니다. 보통 청소기에서 사용됩니다.
압전 부저
부저는 소리를 생성하는 모든 것을 말합니다. 이들은 진동하는 전자 회로에 의해 구동됩니다. 압전 요소는 진동하는 전자 회로나 다른 오디오 신호 소스에 의해 구동될 수 있으며, 압전 오디오 증폭기를 사용하여 구동될 수도 있습니다. 버튼이 눌렸음을 나타내기 위해 빛, 울림, 또는 비프음이 일반적으로 사용됩니다.
압전 부저(또는 압전 비프음)는 음향 공명(또는 헬름홀츠 공명)을 이용하여 들리는 비프음을 생성합니다.
압전 변환기의 장점
압전 변환기의 장점은 다음과 같습니다:
외부 힘의 필요 없음
작은 크기로 쉽게 다루고 사용 가능
높은 주파수 응답, 즉 매개변수가 매우 빠르게 변화
압전 변환기의 단점
