압전성 재료와 전자제품의 만남

현재 사용되고 있는 많은 전자 장치들은 세라믹(ceramics)이 없었더라면 불가능했을 것이며, 최근 Journal of the American Ceramic Society에 이동통신 및 초음파 이미징(ultrasonic imaging) 등의 장치에 세라믹 재료의 이용이 소개되었다. 스위스 연방 기술 연구소(Swiss Federal Institute of Technology)의 폴 무랄트(Paul Muralt) 연구진은 세라믹 재료 분야를 검토하여 하이테크놀러지에서 압전성 재료(piezoelectric materials)의 중요한 역할을 제시하였다.

압전성 재료는 전기 신호(electrical signals)를 기계적 진동(mechanical vibrations) 혹은 그 반대로 효과적으로 변환할 수 있기 때문에 통신 및 초음파 이미징에서 중요한 역할을 맡고 있는 기능성 세라믹 재료이다. 압전성은 압력이 가해졌을 때 전기를 생성하는 결정 및 세라믹을 언급하는 것으로(GTB2007110520), 압전 소재는 압력이 가해졌을 때 전압을 발생시키고 전압이 인가되었을 때 기계적 변형이 일어나는 재료로서, 기계적 진동에너지를 전기 에너지로 변환시키거나 혹은 전기 에너지를 기계적 진동 에너지로 변환할 수 있는 변환 효율이 매우 높은 재료이다. 실제로 진동을 전기 에너지로 변환할 수 있는 원리는 가속도 센서에 응용되고 있으며, 가청영역의 소리를 전기에너지로 변환할 수 있는 특성은 레코드 디스크의 픽업, 마이크로폰, 스피커, 버저 등의 소자로 이용되고 있다. 또한 초음파를 투과하고 받을 수 있어 초음파 센서의 탐침, 어군탐지기 등에 이용된다. 더불어 외부에서 힘이나 압력을 받으면 고전압 스파크를 발생시킬 수 있어 가스기기 및 압전 변압기에 응용되며, 세라믹 필터, 초음파 세척기, 초음파 가공기, 초음파 용착기, 초음파 가습기 등 여러 방면에서 활용되고 있다.

지난 20십여 년간 마이크로전자기계시스템(micro-electro-mechanical systems (MEMS))은 많은 분야에서 입증된 기술인데, 압전성 필름과 조합되어 다양한 기술적 장점이 도출될 수 있었다. 알루미늄 니트리드(aluminum nitride) 박막에 기초한 압전-MEMS 고유의 전자기계적 품질은 휴대 전화 기술에 혁신을 이끌 수 있었는데, 이를 통해 보다 작은 휴대폰이 출현할 수 있었고, 전자파 발생을 감소시킬 수 있었다. 한편 아연 산화물 나노와이어(zinc oxide nanowires) 반도체와 압전 재료의 특성이 접목되어 전계 효과 트랜지스터, 다이오드, 센서 그리고 나노발전기 등이 제조되었는데, 이러한 기술은 나노물질의 압전 성질을 이용한 새로운 나노압전 기술로 표현할 수 있다(GTB2007030103).

압전성 박막 재료 중 PZT는 최근 많은 잠재 가능성이 입증되어 대량 생산될 것으로 예상되고 있다. 초고해상도 잉크젯 인쇄 헤드(Ultrahigh resolution ink-jet printing heads)는 압전-MEMS 시장의 차세대 혁신기술로 고려되고 있는데, 상이한 주파수에서 PZT MEMS는 움직임 센서, 진동 센서, 광학 거울, 손목 시계형 회전 드라이브, 버저 등으로 이용될 것으로 예상되고 있다.

출처:KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-05-09