Piezoelektriset materiaalit – Yleisin tuntematon energialähde

With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is odotettavissa to reach roughly $41 billion within the coming three years, with a compound annual growth rate of nearly 6%. This boom will allow for the further development and implementation of high-tech amorphous and film-based piezoelectric polymers in the modern world.

Mitä piezoelektriset materiaalit ovat?

Piezoelektriset materiaalit mahdollistavat kineettisen energian hyödyntämisen muuttamalla voiman sähkövaraukseksi.  Curie-siskojen vuonna 1880 tekemä ensimmäinen määritelmä johti siihen, että piezoelektrisyyttä on hyödynnetty perusperiaatteena nykyaikaisessa teknologiassa.

Piezoelektrisyys viittaa aineen kykyyn tuottaa sähkövaraus, kun siihen kohdistetaan mekaanista rasitusta. Tämä sähkövaraus syntyy pakotetun epäsymmetrian seurauksena.  Piezoelektrisissä materiaaleissa positiiviset ja negatiiviset varaukset erotetaan toisistaan, mutta pysyvät symmetrisessä järjestyksessä.  Kun aineeseen kohdistetaan mekaaninen rasitus, symmetria häviää, mikä johtaa sähkövarauksen syntymiseen.

PVDF beta -vaihe.

Toinen ainutlaatuinen ominaisuus näissä materiaaleissa on satunnainen luonne ja Weiss‑alueiden (magneettisesti suuntautuneet ilman ulkoista magneettista vaikutusta) läsnäolo.

Myöhemmin havaittiin, että samat materiaalit osoittivat suoran käänteisen ominaisuuden sähköiseen vaikutukseen.  Todettiin, että jos materiaaliin kohdistetaan sähkövaraus, materiaali kokee toistettavan mekaanisen muodonmuutoksen.  Tämä löytö antoi suurta hyötyä näille materiaaleille, sillä se käytännössä kaksinkertaisti niiden mahdolliset käyttökohteet.

Valmistajat ja innovaattorit

Ennen kuin sukellamme todellisten käyttötapausten esimerkkeihin, seuraavat kolme johtavaa yritystä hyödyntävät piezoelektrisiä materiaaleja erilaisissa nykyaikaisessa elektroniikassa keskeisissä tuotteissa.
Huomionarvoista on, että Barron’sin analyytikot luokittelevat kaikki alla olevat osakkeet joko ‘ylikuormitettuina’ tai ‘ostettavina’.

Stoneridge (SRI)

NYSE:llä noteerattu Stoneridge (SRI) on nähnyt osakkeidensa arvon nousun yli 30 % viimeisen vuoden aikana kirjoitushetkellä.  Vaikka Stoneridge:n liikevaihto kärsi COVIDin huippuvaiheessa, vuonna 2021 se elpyi lähes 20 %:lla $770 Miin.
Stoneridge työllistää yli 5 000 henkilöä ja toimii Michiganin osavaltiossa.

Methode Electronics (MEI)

NYSE:llä noteerattu Methode Electronics Inc. (MEI ) on nähnyt osakkeidensa arvon nousun lähes 15 % viimeisen vuoden aikana kirjoitushetkellä.  Viimeisten neljän vuoden aikana Methode Electronics on onnistunut kasvattamaan liikevaihtoaan vuosittain 2,36 %–10,13 % välillä.  Vuonna 2022 liikevaihto ylitti $1,16 B.
Methode Electronics työllistää yli 7 000 henkilöä ja toimii Illinoisin osavaltiossa.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nasdaqissa noteerattu Kimball Electronics Inc. (KE ) on nähnyt osakkeidensa arvon nousun yli 32 % viimeisen vuoden aikana kirjoitushetkellä.  Kun yllä mainitut yritykset kamppailivat vuosina 2019–2020, Kimball Electronics onnistui jatkuvasti kasvattamaan liikevaihtoaan.  Vuoden 2022 liikevaihto oli $1,35 B, mikä merkitsee 4,47 %:n kasvua vuoteen 2021 verrattuna.
Kimball Electronics työllistää yli 7 000 henkilöä ja toimii Indianan osavaltiossa.

Nykyaikaiset edistysaskeleet

Perinteisesti luonnollisesti esiintyviä piezoelektrisiä aineita käytettiin vaikutuksen demonstrointiin.  Yleisimmin valittu materiaali oli kvartsi.  Kun luonnollisten aineiden rajoihin päästiin, teollisesti valmistetut keramiikat nousivat suosituksi valinnaksi.  Vuonna 1952 suunniteltu ja edelleen yksi suosituimmista piezoelektrisistä keramiikoista on PZT (lyijy‑zirkoniittititaatti).  Kuitenkin rajoitusten, kuten rajoitetun muodonmuutoksen, haurauden ja korkean massatiheyden vuoksi PZT ei ole ihanteellinen kaikkiin sovelluksiin.

Vuonna 1964 kehitettiin PVDF (polyvinyylideenifluoridi).  PVDF:llä on puolikiteinen rakenne ja se tuottaa varauksia useita kertoja enemmän kuin kvartsi.  Vaikka tämä ihmisen valmistama polymeeri korjasi monia PZT:n heikkouksia, sillä oli omia ongelmia – piezoelektrisiä hajoamisia korkeissa lämpötiloissa ja heikkenemistä.  Viimeaikaisen teknologisen kehityksen ja kasvavien vaatimusten myötä PZT ja PVDF ovat saattaneet saavuttaa rajojaan.

2000‑luvun alussa instituutiot kuten GAIKER‑IK4 alkoivat kehittää niin kutsuttuja amorfisia piezoelektrisiä polymeereja.  Hyödyntämällä amorfista rakennetta, aine kestää huomattavasti korkeampia lämpötiloja.  Koska piezoelektriset vaikutukset eivät perustu kiteiseen rakenteeseen, joka hajoaa korkeissa lämpötiloissa, amorfiset rakenteet tekevät polymerista paljon kestävämmän.

Nämä amorfiset polymeerit kehitetään koska ne tarjoavat suurempia muodonmuutoksia, merkittävää painon vähennystä ja parempaa kestävyyttä.  Tämän saavuttamisen myötä materiaalien sovellusalueet mahdollistavat nyt avaruus- ja elektroniikkalaitteiden integroinnin.  Uusien amorfisten piezoelektristen polymerien ja kalvojen kehityksen myötä käyttökatkokset tapahtuvat noin 150 °C:n ja sitä korkeammissa lämpötiloissa.  Aineen hajoaminen tapahtuu noin 400 °C:ssa.  Vaikka tämä saattaa rajoittaa niiden käyttöä äärimmäisissä olosuhteissa, suurin osa sovelluksista sijoittuu sopivalle alueelle.

Kuten monia uusia aineita, näitä polymeereja kehitetään hyödyntäen PVDF:tä ja PVT:tä perusmateriaaleina.  Pyritään säilyttämään kummankin materiaalin positiiviset ominaisuudet ja poistamaan mahdollisimman paljon haittoja.  Vaikka nämä tuotteet ovat uusia polymeereja, ne on mallinnettu nykyisten toimivien mallien pohjalta.

Hyödyntämällä amorfista rakennetta, on suoritettava laajaa testausta optimaalisista lasimaisen siirtymän lämpötiloista.  Tämä arvo on suoraan yhteydessä materiaalin piezoelektristen ominaisuuksien voimakkuuteen.  Amorfinen rakenne perustuu lyhyen kantaman järjestykseen piezoelektrisen vaikutuksen tuottamiseksi, toisin kuin kiteisissä rakenteissa esiintyvä pitkä kantama.  Lisäksi monet sisällyttävät polyimideja materiaalien rakenteeseen niiden mekaanisten, dielektristen ja lämpöominaisuuksien vuoksi, ja polyimidit varmistavat molekyylien polarisaation riippumatta niiden asennosta.

Käyttötapaukset

Piezoelektristen materiaalien menneet ja nykyiset sovellukset sisältävät monia huomaamattomia esineitä, kuten sytyttimiä, kvartsikelloja ja jopa moottorin ohjausjärjestelmiä.  Niiden yleisin nykyinen käyttö on antureissa ja toimilaitteissa.  Vaikka sopivia piezoelektrisiä materiaaleja on käytetty näissä sovelluksissa, tulevaisuuden käyttötapaukset vaativat monipuolisempaa materiaalia.  Onneksi kehittyvät piezoelektriset polymeerit ovat juuri sitä – monipuolisia.  Materiaalitieteen ymmärryksen jatkuvan kehittymisen ja niiden kyvyn esittää suoria käänteisiä vaikutuksia myötä sovellusten määrä, joissa niitä voidaan käyttää, kasvaa jatkuvasti.  Muutamia kiehtovia nykyisiä ja mahdollisia tulevia sovelluksia ovat:

Mobiili- ja kannettavat elektroniikkalaitteet

Keskustelua puhekäyttöisistä matkapuhelimista ja kannettavista laitteista.  Hyödyntämällä mikrofonissa ääniaaltojen aiheuttamaa painetta, piezoelektriset polymeerit voivat toivottavasti joskus tuottaa riittävästi energiaa puhelimen käyttöön.  Vaikka on epätodennäköistä, että tämä konsepti poistaa akun tarpeen kokonaan lähiaikoina, se luo mahdollisuuden pidentää akun kestoa vähävirrankulutuksisissa älykkäissä kannettavissa laitteissa.

On syytä huomata, että piezoelektrisiä materiaaleja on käytetty mikrofoneissa lähes 100 vuoden ajan.  Sen sijaan, että päätavoitteena olisi ladata laite, nämä sovellukset mahdollistavat ääniaaltojen muuntamisen sähköksi tallennus- ja toistotarkoituksiin kustannustehokkaasti.

Vaimennusjärjestelmät

Toinen sovellus on piezoelektristen materiaalien käyttö vaimennusjärjestelmissä.  Yritykset kuten HEAD ovat sisällyttäneet tämän idean tennismailoihinsa ja suksiinsa pyrkimyksenään absorboida/vaimentaa värähtelyjä.  Kun mailaan tai suksiin kohdistuu isku, vastava vaikutus hyödynnetään lähettämällä syntynyt sähköinen signaali käänteiseen materiaaliin, joka tarjoaa vastakkaisen voiman.  Tämä johtaa tehokkaaseen vaimennusjärjestelmään.

Samaa konseptia sovelletaan myös melun ja värähtelyn vähentämiseen autoissa, kodeissa ja vaarallisissa työympäristöissä.  Yksi esimerkki tällaisesta ympäristöstä on Bitcoin‑louhintafarmit.  Värähtelyt ovat haitallisia elektroniikkalaitteille pitkällä aikavälillä, ja on ollut useita tapauksia, joissa näiden toimintojen ympärillä olevat yhteisöt valittaneet aiheutuneesta melusta ja värähtelyistä, jotka syntyvät ASIC‑laitteiden käytöstä.  Monissa vastaavissa tilanteissa piezo‑pohjaisia toimilaitteita käytetään ratkaisuna näiden vaikutusten vaimentamiseen.  Ääniaallot, jotka syntyvät autoissa, kodeissa ja koneissa materiaalien resonoinnin seurauksena, voidaan myös poistaa tai vähentää perinteisillä menetelmillä, kuten liimalla vaimentavalla materiaalilla.  Nämä materiaalit toimivat passiivisesti, ovat kuitenkin raskaita ja kalliita.  Ne toimivat yleensä alentamalla materiaalin resonanssitaajuutta.  Hyödyntäen piezoelektristen polymerien ominaisuuksia ratkaistaan tämä ongelma ottamalla aktiivisempi ja dynaamisempi lähestymistapa, kuten yllä on kuvattu.

Puhdistusratkaisut

Jotta voidaan osoittaa, kuinka monipuolisia piezoelektristen materiaalien käyttötapaukset ovat, tarkastellaan yritysten kuten Solar PiezoClean tekemää työtä.  Tässä tapauksessa yritys päällystää aurinkopaneelit piezoelektrisellä kalvolla.  Tavoitteena on tarjota vähähuoltoinen tapa pitää aurinkopaneelit puhtaina – avain optimaalisen tehokkuuden varmistamiseksi.

Tämä prosessi sisältää sähkövarauksen soveltamisen kalvolle, jonka jälkeen se värähtelee tietyllä taajuudella ja sävelkorkeudella, mikä mahdollistaa pölyn ja lian yksinkertaisen putoamisen painovoiman avulla.  Tämä tarkoittaa säästöjä vedessä ja työvoimassa, samalla kun se lisää päällystettyjen paneelien käyttöikää ja tehokkuutta.  Yksinkertainen, mutta nerokas ratkaisu ongelmaan, joka kasvaa aurinkoinstallaatioiden yleistyessä.

More common implementations of piezoelectric materials in such a manner include ultrasonic cleaning devices like jewelry cleaners.

Avaruusteollisuus

Aiemmin mainitsimme piezoelektristen materiaalien käyttöä avaruusteollisuudessa.  Tässä lentokoneet voivat hyödyntää näitä materiaaleja rakenteellisen eheyden ja rasitteiden valvomiseen mittaamalla syntyviä sähkövarauksia – käyttötapa, joka mahdollistaa paitsi turvallisuuden lisäämisen myös tehokkuuden parantamisen, kun insinöörit voivat samanaikaisesti keventää painoa ja vahvistaa rakenteita tarpeen mukaan.

Kun siirrytään ilmakehän ulkopuolelle, piezoelektrisiä toimilaitteita käytetään monissa satelliiteissa.  Kyky toimia äärimmäisen tarkasti mahdollistaa näiden toimilaitteiden valmistaa mikropurjeita, jotka pystyvät tarkkaan satelliitin asemoimiseen.

Terveydenhuollon diagnostiikkatyökalut

Kun kykymme luoda yhä pienempiä laitteita paranee, hyödynnämme piezoelektrisiä materiaaleja erilaisissa terveydenhuollon diagnostiikkatyökaluissa.  Esimerkkinä tästä on intravaskulaarinen ultraääni (IVUS).  IVUS on prosessi, jonka avulla pienet sondit voivat tuottaa kuvantamista verisuonten sisällä.  Tämä tapahtuu ultraäänitransduuttoreiden avulla, jotka on rakennettu piezoelektrisistä yksikristalleista.

Piezoelektrisiä materiaaleja käytetään myös tietyissä hammaslääkintälaitteissa.  Samankaltaisesti kuin yllä kuvattu SolarClean:n puhdistusratkaisu, tämä laite perustuu ultraääniaaltoihin, jotka syntyvät soveltamalla sähkövirtaa piezoelektrisiin materiaaleihin, puhdistaen ja poistaen plakin hampailta.

Sonari

Sonar (Sound Navigation and Ranging) -järjestelmiä voidaan käyttää kuvantamiseen tai viestintään.  Kuvantamisen esimerkkejä ovat merenpohjan topografinen kartoitus tai jokapäiväiset kalastuslaitteet.  Viestintä puolestaan toteutetaan ääniaaltojen luomisella.  Kaikki nämä prosessit mahdollistetaan piezoelektristen transduktoreiden avulla.

Vaikka sonar kehitettiin yli 100 vuotta sitten, se jatkaa tärkeän roolin ylläpitämistä tänä päivänä.  Viimeisin laajalle levinnyt esimerkki on sen käyttö itseajavissa autoissa, jotka tyypillisesti hyödyntävät yhdistelmää sonarista, LIDARista ja radasta ympäristön seuraamiseen ja tulkitsemiseen.

Energian kerääminen

Lopuksi erittäin kiehtova sovellus olisi laajamittainen energian tuotanto.  Piezoelektrisiä polymeereja kehitetään sijoitettavaksi vilkkaasti liikennöidyille alueille, kuten erilaisiin tehtaisiin, urheilukentille, rautatieasemiin ja muualle ympäri maailmaa.  1 cm³ kvartsinpala pystyy tuottamaan jopa 4 500 V sähköä, kun siihen kohdistetaan 175 lb (noin 79 kg) voimaa.  Kun jokainen askel näissä asemissa tuottaa sähköä, on mahdollista kerätä valtavia määriä päivittäin, mikä lisää merkittävästi rakennuksen tehokkuutta ja sähkökustannuksia.

Jalkaliikenteen lisäksi monet ovat kuvitelleet tulevaisuutta, jossa teitä on upotettu tällaisilla materiaaleilla, jolloin autot aiheuttavat fyysistä voimaa ja näin syntyy sähköä katuvalojen ja -kylttien virittämiseen.

Kun nämä yhdistetään, tulevaisuuden teknologiat, kuten Electreonin kehittämä langaton auton lataus ja Pavegenin tarjoamat virtalähteet, toivottavasti mahdollistavat joskus pienemmät akustoot autot, sekä paljon tehokkaamman ja puhtaamman tavan pitää sähköautot ladattuina.

Lopullinen sana

Kaiken kaikkiaan piezoelektristen materiaalien potentiaali on vasta alkanut toteutua.  Valosähköiset vaikutukset, jotka mahdollistavat aurinkoenergian, löydettiin 1800‑luvun puolivälissä, ja ne ovat vasta nyt tulleet käytännöllisiksi laajamittaisessa käytössä.  Piezoelektriset materiaalit eivät ole poikkeus, ja kun tutkimus- ja kehitystyö näiden materiaalien parissa jatkuu, tehokkuus ja kestävyys paranevat samassa tahdissa.  Nykyaikaiset tieteelliset edistysaskeleet mahdollistavat nyt vasta energialähteen täyden potentiaalin ymmärtämisen tai toteuttamisen, ja tässä luetellut käyttötapaukset (sähkön tuotanto, äänen vaimennus, sonar, anturit, toimilaitteet jne.) ovat vain muutama esimerkki lukemattomista mahdollisuuksista.