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압전소자는 어떻게 압력을 전기신호로 바꾸나요?
라이터의 점화장치나 마이크에 쓰이는 압전소자가 압력을 받으면 전기를 발생시킨다고 배우는데, 결정구조상 어떤 원리로 기계적 힘이 전기 신호로 변환되는지 궁금합니다.
5개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 설재훈 전문가입니다. 압전소자는 쉽게 말하면 누르는 힘을 전기로 바꿔주는 물질입니다. 이게 가능한 이유는 압전소자 내부의 결정 구조와 전하 배열 때문입니다.
평소에는 양전하와 음전하가 어느 정도 균형을 이루고 있는데, 압력을 가하면 결정 구조가 아주 조금 찌그러지면서 양전하와 음전하의 위치가 서로 어긋나게 됩니다. 그러면서 한쪽에는 +전하가, 반대쪽에는 -전하가 모이게 되고 전압이 발생합니다.
라이터를 누르면 이 원리로 순간적으로 높은 전압이 만들어져 불꽃이 튀는 것이고, 마이크에서는 소리의 진동을 압전소자가 받아 전기 신호로 바꿔주는 것입니다.
즉, 스위치처럼 전기를 연결해서 전기가 생기는 게 아니라, 결정 구조가 변하면서 전하가 움직여 전압이 만들어지는 원리입니다.
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
압전소자는 힘을 받으면 결정 내부의 양전하와 음전하 중심이 아주 조금 어긋나는 성질을 활용하는 것입니다. 평소에는 전하가 서로 균형을 이루겠지만 눌리거나 휘어져 버리면 내부 전하 분포가 달라져서 소자 양쪽 표면에 전위차가 발생되게 됩니다. 이 전압을 전극으로 받아들이게 되면 압력이나 진동을 전기신호로 측정할 수 있는 것입니다.
대표적으로 PZT 같은 재료가 이런 압전 특성을 가지고 있는데, 라이터에서는 압전소자가 순간적으로 강하게 눌러 높은 전압을 만들어서 불꽃을 발생시키기도 하고, 압전 마이크는 소리의 진동을 작은 전압 변화로 바꾸기도 합니다.
압전소자의 핵심은 기계적 변형이 결정 내부의 전하 균형을 바꾸면서 바로 전기신호로 나타난다는 점이 아닐까 생각합니다.
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
압전소자 내부의 결정 구조는 원래 양 이온과 음 이온의 전하 중심이 맞춰져 있어서 평소에는 전기적으로 중성을 유지합니다. 하지만 외부에서 압력이 들어가면은 결정을 물리적으로 변형시키면서 균형을 이루던 이온들의 위치가 미세하게나마 어긋나게 되죠. 이때 양전하와 음전하의 중심이 서로 떨어지면서 결정 내부에 미시적인 전기 쌍극자들이 형성됩니다. 이 쌍극자들이 일제히 한쪽으로 정렬하며 소자 양끝에 전위차를 만들어 내고 이게 곧 전기 신호가 되는 거죠. 결국에는 결정의 구조적 대칭성이 깨지면서 전기가 만들어지는 거라고 생각하시면 되겠습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
압전소자 내부의 결정격자는 양이온과 음이온이 대칭적으로 배열되어 평소에는 전기적으로 중성을 유지합니다. 하지만 외부에 물리적인 압력이 가해지면 결정 구조가 미세하게 왜곡되면서 양이온과 음이온의 중심 위치가 서로 어긋나게 됩니다 이로 인해 결정 내부에 음극과 양극이 분리되는 전기쌍극자가 형성되는 유극성 현상이 발생합니다 결과적으로 결정의 양 끝단에 정전기적 전위차가 생겨나며 이 전압 변화가 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 만들어 기계적 에너지가 전기 신호로 변환됩니다
안녕하세요.
압전소자는 힘을 받으면 결정 내부의 전하 분포가 조금씩 변하면서 전압이 생기는 원리를 이용하는 것이에요. 특정 결정은 원래 양전하와 음전하의 중심이 서로 맞아 떨어지지 않는 구조를 가지고 있는데, 여기에 압력을 가해버리면 결정 구조가 미세하게 변형되게 돼요. 그러면 양전하와 음전하가 서로 다른 방향으로 이동하면서 결정의 양쪽에 전하가 쌓이고 전위차가 만들어져요.
이것이 바로 압력을 전기 신호로 바꾸는 압전효과라고 하고, 반대로 전압을 가하면 결정이 변형되는 역압전 효과도 나타나요.
감사합니다.