पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री: एक व्यापक लेकिन कम पहचानी गई तकनीक

नए व्यावहारिक अनुप्रयोग लगातार विकसित हो रहे हैं। MarketsandMarkets की 2022 की रिपोर्ट में पायज़ोइलेक्ट्रिक उपकरणों का बाजार बढ़ने का अनुमान लगाया गया था: 2022 के लगभग 30.8 अरब डॉलर से 2027 तक 41 अरब डॉलर, अर्थात लगभग 5.9% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि। यह पूर्वानुमान था, न कि 2023 के बाद तीन वर्षों में सुनिश्चित परिणाम। बढ़ती मांग नए अमॉर्फस और पतली फिल्म वाले पॉलिमरों के अनुसंधान को प्रोत्साहित कर सकती है।

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री क्या हैं?

क्यूरी भाइयों ने 1880 में प्रत्यक्ष पायज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज की। यह आज सेंसर और अनेक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में काम आता है।

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री यांत्रिक ऊर्जा के एक हिस्से को विद्युत प्रतिक्रिया में बदल सकती है। बल स्वयं ऊर्जा नहीं है; ऊर्जा का स्रोत सामग्री पर किया गया यांत्रिक कार्य है।

उपयुक्त सामग्री पर यांत्रिक तनाव लगाने से उसकी विद्युत ध्रुवण अवस्था बदलती है और सतहों पर आवेश उत्पन्न होता है। यह प्रभाव गैर-केंद्रसममित संरचना या दिशाबद्ध ध्रुवीय व्यवस्था से संबंधित है। केवल दबाने से हर सममित पदार्थ पायज़ोइलेक्ट्रिक नहीं बन जाता।

PVDF की बीटा अवस्था।

कुछ फेरोइलेक्ट्रिक पायज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थों में विद्युत ध्रुवण वाले डोमेन होते हैं; इन्हें चुंबकीय वीस डोमेन से अलग समझना चाहिए। क्वार्ट्ज फेरोइलेक्ट्रिक डोमेन के बिना भी पायज़ोइलेक्ट्रिक है। विद्युत ध्रुवण और चुंबकीय अभिविन्यास अलग गुण हैं।

विलोम पायज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव में विद्युत क्षेत्र लगाने पर सामग्री का आकार बदलता है। प्रत्यक्ष प्रभाव सेंसर और ऊर्जा संग्रहण में उपयोगी है, जबकि विलोम प्रभाव एक्ट्यूएटर और अल्ट्रासाउंड उत्पन्न करने में काम आता है। इससे उपयोग बढ़ते हैं; ऊर्जा अपने आप पैदा नहीं होती।

निर्माता और नवप्रवर्तक

अनुप्रयोगों से पहले लेख में शामिल तीन इलेक्ट्रॉनिक्स कंपनियों का परिचय दिया गया है। नीचे के वित्तीय आंकड़े पूरी कंपनियों के हैं; वे केवल पायज़ोइलेक्ट्रिक उत्पादों की बिक्री नहीं दर्शाते।

मूल लेख ने Barron’s में प्रकाशित विश्लेषकों की overweight और buy रेटिंग का उल्लेख किया था। ये क्रमशः पोर्टफोलियो में अधिक भार देने और खरीदने की ऐतिहासिक सिफारिशें थीं, वर्तमान रेटिंग या सुनिश्चित लाभ नहीं।

Stoneridge (SRI)

2023 की शुरुआत में लेख की ऐतिहासिक तुलना के अनुसार Stoneridge (NYSE: SRI) के शेयर पिछले वर्ष से 30% से अधिक बढ़े थे। महामारी के दौरान गिरावट के बाद 2021 का राजस्व 770.5 मिलियन डॉलर रहा, जबकि 2020 में 648 मिलियन डॉलर था—लगभग 18.9% वृद्धि।

2021 के अंत में लगभग 5,000 कर्मचारी थे और मुख्यालय नोवी, मिशिगन में था।

Methode Electronics (MEI)

NYSE पर सूचीबद्ध, Methode Electronics Inc. (MEI ) के शेयर लेख की ऐतिहासिक तुलना में पिछले वर्ष से लगभग 15% बढ़े थे। लेख ने पिछले चार वर्षों में 2.36–10.13% की वार्षिक राजस्व वृद्धि बताई थी। वित्त वर्ष 2022 का राजस्व 1,163.6 मिलियन डॉलर था, जबकि 2021 में 1,088 मिलियन डॉलर था।

लेख में उस समय 7,000 से अधिक कर्मचारियों और इलिनोइस स्थित मुख्यालय का उल्लेख था।

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nasdaq पर सूचीबद्ध, Kimball Electronics Inc. (KE ) के शेयर ऐतिहासिक तुलना में पिछले वर्ष से 32% से अधिक बढ़े थे। राजस्व वित्त वर्ष 2020 के लगभग 1.20 अरब डॉलर से 2021 में 1.292 अरब और 2022 में 1.350 अरब डॉलर हुआ। 2022 की वृद्धि लगभग 4.47% थी। राजस्व वृद्धि को मुनाफे की समान वृद्धि नहीं समझना चाहिए।

लेख ने उस समय 7,000 से अधिक कर्मचारियों और इंडियाना स्थित मुख्यालय का उल्लेख किया था।

आधुनिक प्रगति

क्वार्ट्ज एक प्रसिद्ध प्राकृतिक पायज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थ है। विभिन्न जरूरतों के लिए कृत्रिम सिरेमिक भी विकसित किए गए। 1950 के दशक में विकसित PZT, यानी लेड ज़िरकोनेट टाइटेनेट, प्रबल प्रतिक्रिया देता है। हालांकि भंगुरता, उच्च घनत्व, सीमित विकृति और सीसे की मौजूदगी कुछ अनुप्रयोगों में बाधाएं हैं।

PVDF, यानी पॉलीविनाइलिडीन फ्लोराइड, अर्ध-स्फटिकीय पॉलिमर है। हीजी कवाई ने इसकी प्रबल पायज़ोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया 1969 में प्रकाशित की थी, 1964 में नहीं। प्रतिक्रिया ध्रुवीय अवस्था, अभिविन्यास और पोलिंग पर निर्भर करती है। कुछ गुणांक क्वार्ट्ज से अधिक हो सकते हैं, लेकिन यह हर माप या परिस्थिति पर लागू नहीं होता। PVDF सिरेमिक से अधिक लचीला है, पर तापमान और समय के साथ ध्रुवण कमजोर हो सकता है। PZT और PVDF पर अनुसंधान जारी है; उनकी सभी संभावनाएं समाप्त नहीं हुई हैं।

2000 के दशक में GAIKER-IK4 ने अधिक तापमान वाले अनुप्रयोगों के लिए पॉलीइमाइड जैसे अमॉर्फस ध्रुवीय पॉलिमरों पर शोध किया। अमॉर्फस पदार्थ में क्रिस्टल जैसी लंबी दूरी की आवर्ती व्यवस्था नहीं होती। यह अपने आप उच्च ताप सहनशीलता सुनिश्चित नहीं करता; रासायनिक संरचना और ध्रुवण की स्थिरता भी महत्वपूर्ण हैं।

हल्की, लचीली और टिकाऊ सामग्रियों का विकास इलेक्ट्रॉनिक्स और एयरोस्पेस के लिए उपयोगी है। हालांकि यहां लिंक किया गया Science अध्ययन अमॉर्फस पॉलिमरों पर नहीं, बल्कि ऑक्सीजन रिक्तियों के पुनर्विन्यास से केंद्रसममित ऑक्साइड में उत्पन्न विशाल पायज़ोइलेक्ट्रिक प्रतिक्रिया पर है।

मूल लेख के लगभग 150°C पर कार्यक्षमता खोने और 400°C पर क्षरण के आंकड़े सभी पॉलिमरों की सार्वभौमिक सीमाएं नहीं हैं। इन्हें विशिष्ट पदार्थ और परीक्षण परिस्थितियों के संदर्भ में जांचना चाहिए।

अन्य शोध दिशाओं में PVDF, उसके सहपॉलिमर और मिश्रित पदार्थ शामिल हैं। अमॉर्फस पॉलीइमाइड अलग पदार्थ परिवार है; सभी नए पॉलिमर PVDF और “PVT” से नहीं बनते। लक्ष्य उपयोगी गुणों को जोड़ना और कमियां घटाना है।

अमॉर्फस पॉलिमरों में कांच संक्रमण तापमान, अणुओं की गतिशीलता और विद्युत ध्रुवण की स्थिरता महत्वपूर्ण हैं। छोटी दूरी का क्रम स्थानीय स्थानिक व्यवस्था है, समय संबंधी क्रम नहीं। पॉलीइमाइड का अध्ययन उसके यांत्रिक, डाइइलेक्ट्रिक और तापीय गुणों के लिए होता है। पोलिंग के लिए उपयुक्त विद्युत क्षेत्र, तापमान और समय चाहिए; पॉलीइमाइड अकेले सभी अणुओं का अभिविन्यास सुनिश्चित नहीं करता।

अनुप्रयोग

स्थापित उपयोगों में लाइटर, क्वार्ट्ज घड़ियां और इंजन प्रबंधन के सेंसर शामिल हैं। सेंसर प्रत्यक्ष प्रभाव और एक्ट्यूएटर विलोम प्रभाव का उपयोग करते हैं। पॉलिमर हल्के और लचीले हो सकते हैं, जबकि सिरेमिक अक्सर अधिक प्रबल प्रतिक्रिया देते हैं। नए पदार्थ संभावनाएं बढ़ाते हैं, लेकिन हर उपयोग के लिए एक ही पदार्थ सर्वोत्तम नहीं है। नीचे स्थापित उपयोग और विकासाधीन विचार दोनों शामिल हैं।

मोबाइल और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स

ध्वनि और गति से ऊर्जा एकत्र करने पर शोध किया जा रहा है। सामान्य बातचीत में उपलब्ध ध्वनिक ऊर्जा बहुत कम होती है; इससे केवल बोलकर फोन चलाने का व्यावहारिक तरीका सिद्ध नहीं होता। कम बिजली खपत वाले सेंसर और पहनने योग्य उपकरणों की बैटरी को पूरक ऊर्जा देना अधिक यथार्थवादी लक्ष्य है।

पायज़ोइलेक्ट्रिक तत्व दशकों से माइक्रोफोन में ध्वनि दबाव को रिकॉर्डिंग के विद्युत संकेत में बदलते आए हैं। संकेत उत्पन्न करना फोन चार्ज करने लायक बिजली देना नहीं है। विलोम प्रभाव से ध्वनि भी उत्पन्न की जा सकती है।

कंपन और शोर का शमन

एक अन्य अनुप्रयोग पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का डैम्पिंग सिस्टम में उपयोग है। HEAD ने टेनिस रैकेट और स्की में ऐसी तकनीकें प्रस्तुत की हैं। डिजाइन के अनुसार सर्किट कंपन से बनी विद्युत ऊर्जा का अपव्यय कर सकता है या गति का विरोध करने के लिए एक्ट्यूएटर को नियंत्रित कर सकता है। अलग “विलोम पदार्थ” की आवश्यकता नहीं होती।

वाहनों, इमारतों और औद्योगिक उपकरणों में सक्रिय शोर और कंपन नियंत्रण पर शोध होता है। बिटकॉइन माइनिंग उपकरणों के आसपास के समुदायों ने पंखों और मशीनों के शोर की शिकायत की है। इससे यह सिद्ध नहीं होता कि प्रत्येक ऐसी सुविधा में पायज़ोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर लगे हैं। निष्क्रिय शमन पदार्थ यांत्रिक ऊर्जा को ऊष्मा में बदलते हैं; सभी केवल अनुनाद आवृत्ति घटाकर काम नहीं करते और सभी भारी या महंगे नहीं होते। पायज़ोइलेक्ट्रिक गुणों का उपयोग सक्रिय और अर्ध-सक्रिय समाधान संभव करता है। उनकी प्रभावशीलता डिजाइन और आवृत्ति सीमा पर निर्भर करती है।

सफाई समाधान

सफाई का एक विकासाधीन उदाहरण Solar PiezoClean की पारदर्शी पायज़ोइलेक्ट्रिक फिल्म है, जिसका उद्देश्य सौर पैनलों से धूल हटाना और पानी तथा रखरखाव की जरूरत घटाना है। यह 2023 में व्यापक वाणिज्यिक उपयोग का प्रमाण नहीं था।

बदलता विद्युत क्षेत्र फिल्म को कंपन कराता है। इससे धूल ढीली होकर गुरुत्वाकर्षण की मदद से हट सकती है। लक्ष्य पानी और श्रम बचाना तथा पैनल की उत्पादन क्षमता बनाए रखना है। परिणाम धूल, उसके चिपकने और संचालन की परिस्थितियों पर निर्भर करता है; हर तरह की गंदगी अपने आप नहीं हटती।

अधिक स्थापित उदाहरण आभूषण साफ करने वाले अल्ट्रासोनिक सफाई उपकरण हैं।

एयरोस्पेस

विमानों में पायज़ोइलेक्ट्रिक सेंसर विद्युत संकेतों से संरचनात्मक स्थिति और यांत्रिक तनाव की निगरानी कर सकते हैं। इससे सुरक्षा, आवश्यक स्थानों पर सुदृढ़ीकरण और अनावश्यक वजन घटाने में मदद मिल सकती है।

अंतरिक्ष तकनीक में ये एक्ट्यूएटर बहुत सटीक छोटी गतिविधियां नियंत्रित कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, सूक्ष्म वाल्व उपग्रह के माइक्रो-थ्रस्टर में प्रणोदक का प्रवाह नियंत्रित करते हैं। पायज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थ अपने आप प्रतिक्रिया-रहित प्रणोदन पैदा नहीं करता।

चिकित्सा के उपकरण

इंट्रावास्कुलर अल्ट्रासाउंड (IVUS) में कैथेटर का छोटा अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर रक्त वाहिकाओं के अंदर और उनकी दीवारों की छवियां बनाता है, जैसे कोरोनरी और परिधीय धमनियों में। डिजाइन के अनुसार सिरेमिक या एकल क्रिस्टल जैसे पायज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थ अल्ट्रासाउंड भेज और प्राप्त कर सकते हैं; सभी उपकरण केवल एकल क्रिस्टल पर निर्भर नहीं हैं।

दंत चिकित्सा के पायज़ोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक उपकरण विद्युत रूप से उत्पन्न कंपन से दांतों की पथरी और अन्य जमाव हटाते हैं। यह सौर पैनल की सफाई से अलग अनुप्रयोग है, हालांकि दोनों में विद्युत-यांत्रिक परिवर्तन होता है।

सोनार

सोनार का उपयोग पानी के भीतर इमेजिंग और संचार के लिए होता है। समुद्र तल का मानचित्रण और मछलियां खोजने वाले उपकरण इसके उदाहरण हैं। पायज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर ध्वनि तरंगें भेज सकते हैं तथा प्रतिध्वनि या संदेश संकेत प्राप्त कर सकते हैं।

सोनार का इतिहास सौ वर्ष से अधिक पुराना है। संबंधित अनुप्रयोग पार्किंग और ड्राइविंग सहायता के कम दूरी वाले अल्ट्रासोनिक सेंसर हैं। वाहन के अनुसार इनके साथ कैमरे, रडार या लिडार हो सकते हैं; सभी स्वचालित वाहन एक ही सेंसर संयोजन नहीं अपनाते।

यांत्रिक ऊर्जा का संग्रहण

कारखानों, खेल मैदानों, स्टेशनों और व्यस्त स्थानों में कदमों तथा कंपन से ऊर्जा संग्रहण पर शोध होता है। मूल लेख ने 1 cm³ आयतन वाले क्वार्ट्ज नमूने पर 175 पाउंड बल, यानी लगभग 780 न्यूटन, लगाने से 4,500 वोल्ट तक का उदाहरण दिया था। यह सार्वभौमिक उत्पादन दावा नहीं है: वोल्टेज ज्यामिति, दिशा, भार और सर्किट पर निर्भर करता है। वोल्ट ऊर्जा या शक्ति की इकाई नहीं है। ऊंचे खुले-सर्किट वोल्टेज के साथ बहुत कम आवेश हो सकता है; इससे भवन की बिजली जरूरत का बड़ा हिस्सा पूरा होने का निष्कर्ष नहीं निकलता।

सड़कों में ऊर्जा संग्रहण का प्रस्ताव प्रकाश और सेंसर जैसे छोटे भारों के लिए भी है। ऊर्जा गति और विकृति से आती है; अतिरिक्त प्रतिरोध वाहन की ऊर्जा खपत बढ़ा सकता है। यह मुफ्त ऊर्जा नहीं है।

Electreon द्वारा विकसित वायरलेस वाहन चार्जिंग विद्युत आपूर्ति और प्रेरण द्वारा ऊर्जा स्थानांतरण का उपयोग करती है, सड़क के दबाव से मिलने वाली मुफ्त बिजली का नहीं। दूसरी ओर, Pavegen अपनी फर्श प्रणाली में विद्युतचुंबकीय जनरेटर इस्तेमाल करती है, पायज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थ नहीं। कंपनी प्रति कदम लगभग 2–4 जूल बताती है, जो छोटे भार और संवादात्मक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी है। यह इलेक्ट्रिक वाहनों की मुख्य चार्जिंग ऊर्जा बदलने का प्रमाण नहीं है। उपयुक्त मार्गों पर गतिशील वायरलेस चार्जिंग से छोटी बैटरी संभव हो सकती है, लेकिन वह अलग तकनीक है।

अंतिम शब्द

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री सेंसर, एक्ट्यूएटर, अल्ट्रासाउंड और कंपन शमन में स्थापित है। नई संरचनाएं प्रदर्शन और टिकाऊपन बढ़ा सकती हैं। फोटोवोल्टाइक प्रभाव 1839 में खोजा गया था और उसके व्यावहारिक उपयोग दशकों से विकसित हुए हैं; वे केवल अब उपयोगी नहीं बने हैं। इसी तरह पायज़ोइलेक्ट्रिक अनुसंधान विभिन्न परिपक्वता और पैमाने वाले अनुप्रयोगों को आगे बढ़ाता है। ऊर्जा संग्रहण में बिजली उपलब्ध यांत्रिक ऊर्जा से आती है। यहां दिए गए उदाहरण इस व्यापक क्षेत्र का केवल एक हिस्सा हैं।