पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री – सबसे सामान्य अज्ञात ऊर्जा स्रोत

With every day new practical applications being developed, the piezoelectric industry is अपेक्षित 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.

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री क्या हैं?

Piezoelectric materials allow for us to harness kinetic energy, by transforming force into an electric charge.  First defined by the Curie brothers in 1880, Piezoelectricity has become a fundamental principle exploited in modern technology.

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री हमें गतिज ऊर्जा को उपयोग करने की अनुमति देती हैं, बल को विद्युत चार्ज में बदलकर।  1880 में क्यूरी भाइयों द्वारा पहली बार परिभाषित, पायज़ोइलेक्ट्रिसिटी आधुनिक प्रौद्योगिकी में उपयोग किया जाने वाला एक मौलिक सिद्धांत बन गया है।

पायज़ोइलेक्ट्रिसिटी उस पदार्थ की क्षमता को दर्शाती है जो यांत्रिक तनाव लागू होने पर विद्युत चार्ज उत्पन्न करता है। यह विद्युत चार्ज बलपूर्वक असममितता द्वारा उत्पन्न होता है।  पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री में, सकारात्मक और नकारात्मक चार्ज एक-दूसरे से अलग हो जाते हैं, जबकि एक सममित पैटर्न में संरेखित रहते हैं।  जब पदार्थ पर यांत्रिक तनाव लागू किया जाता है, तो यह सममिति खो जाती है, जिससे विद्युत चार्ज का उत्पादन होता है।

PVDF बीटा चरण।

इन सामग्रियों की एक और विशिष्ट विशेषता उनका यादृच्छिक स्वभाव और वीस डोमेन्स की उपस्थिति है (बाहरी चुंबकीय प्रभाव बिना चुंबकीय रूप से उन्मुख)।

बाद में यह पता चला कि इन ही सामग्रियों ने विद्युत प्रभाव के प्रति एक प्रत्यक्ष उलटा गुण दिखाया। पाया गया कि यदि सामग्री पर विद्युत चार्ज लगाया जाता है, तो सामग्री के भीतर दोहरावदार यांत्रिक विकृति उत्पन्न होगी। इस खोज ने इन सामग्रियों को बड़ी उपयोगिता प्रदान की, क्योंकि इसने उनके संभावित उपयोग मामलों को मूल रूप से दोगुना कर दिया।

निर्माता और नवप्रवर्तक

वास्तविक दुनिया के उपयोग मामलों के उदाहरणों में जाने से पहले, नीचे तीन प्रमुख कंपनियों का उल्लेख किया गया है जो पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री को विभिन्न आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के अभिन्न उत्पादों में उपयोग करती हैं।
विशेष रूप से, Barron’s के विश्लेषकों ने वर्तमान में नीचे दी गई प्रत्येक स्टॉक को ‘ओवर’ या ‘बाय’ के रूप में सूचीबद्ध किया है।

Stoneridge (SRI)

NYSE पर सूचीबद्ध, Stoneridge (SRI) ने लेखन के समय पिछले वर्ष में अपने शेयरों के मूल्य में 30% से अधिक की वृद्धि देखी है। जबकि COVID के चरम के दौरान Stoneridge की आय पर असर पड़ा, 2021 में लगभग 20% की पुनरुद्धार के साथ $770M तक पहुंची।
Stoneridge 5,000 से अधिक कर्मचारियों को रोजगार देता है, और मिशिगन राज्य में स्थित है।

Methode Electronics (MEI)

NYSE पर सूचीबद्ध, Methode Electronics Inc. (MEI ) ने लेखन के समय पिछले वर्ष में अपने शेयरों के मूल्य में लगभग 15% की वृद्धि देखी है। पिछले 4 वर्षों में, Methode Electronics ने अपनी आय को प्रत्येक वर्ष 2.36% से 10.13% के बीच बढ़ाते रहने में सफल रहा है। 2022 में, आय $1.16B से अधिक रही।
Methode Electronics 7,000 से अधिक कर्मचारियों को रोजगार देता है, और इलिनोइस राज्य में स्थित है।

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nasdaq पर सूचीबद्ध, Kimball Electronics Inc. (KE ) ने लेखन के समय पिछले वर्ष में अपने शेयरों के मूल्य में 32% से अधिक की वृद्धि देखी है। जहाँ ऊपर सूचीबद्ध कंपनियों को 2019-2020 में कठिनाइयों का सामना करना पड़ा, Kimball Electronics ने निरंतर बढ़ती आय का दावा किया। 2022 में कुल $1.35B, जो 2021 की तुलना में 4.47% की वृद्धि दर्शाता है।
Kimball Electronics 7,000 से अधिक कर्मचारियों को रोजगार देता है, और इंडियाना राज्य में स्थित है।

आधुनिक प्रगति

परम्परागत रूप से, प्राकृतिक रूप से मिलने वाले पायज़ोइलेक्ट्रिक पदार्थों का उपयोग प्रभाव को प्रदर्शित करने के लिए किया जाता था। सबसे आम तौर पर, चुनी गई सामग्री क्वार्ट्ज थी। जब प्राकृतिक पदार्थों की सीमाएँ पहुँच गईं, तो मानव निर्मित सिरेमिक लोकप्रिय विकल्प बन गए। 1952 में डिज़ाइन किया गया, और आज भी सबसे लोकप्रिय पायज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में से एक PZT (लीड ज़िरकोनेट टाइटेनेट) है। हालांकि, सीमित विकृति, नाजुकता, और उच्च द्रव्यमान घनत्व जैसी कमियों के कारण, PZT हर अनुप्रयोग के लिए आदर्श नहीं है।
1964 में PVDF (पॉली विनाइलिडीन फ्लोराइड) विकसित किया गया। PVDF का अर्ध-स्फटिकीय संरचना है और यह क्वार्ट्ज की तुलना में कई गुना अधिक चार्ज उत्पन्न करता है। जबकि इस मानव निर्मित पॉलिमर ने PZT की कई कमियों को दूर किया, इसके अपने कुछ मुद्दे थे – उच्च तापमान पर पायज़ोइलेक्ट्रिक टूटना, और क्षरण। हालिया तकनीकी प्रगति और बढ़ती मांगों के साथ, PZT और PVDF अपनी सीमाओं तक पहुँच चुके हो सकते हैं।
2000 के शुरुआती वर्षों में, GAIKER-IK4 जैसे संस्थानों ने अमॉर्फस पायज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर विकसित करना शुरू किया। अमॉर्फस संरचना का उपयोग करके, पदार्थ बहुत उच्च तापमान सहन कर सकता है। क्योंकि पायज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव क्रिस्टलीय संरचना पर निर्भर नहीं होते जो उच्च तापमान पर टूट जाती है, अमॉर्फस संरचनाएँ अधिक कठोर पॉलिमर बनाती हैं।
इन अमॉर्फस पॉलिमरों को विकसित किया जा रहा है क्योंकि वे अधिक स्तर की विकृति, बड़े वजन में कमी, और अधिक कठोरता प्रदान करते हैं। इस उपलब्धि से, इन सामग्रियों के उपयोग क्षेत्रों में अब एयरोस्पेस और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का समावेश संभव हो गया है। विकसित हो रहे नए अमॉर्फस पायज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर और फिल्में उपयोग के दौरान लगभग 150°C और उससे अधिक तापमान पर विफल हो जाएँगी। पदार्थ का क्षरण लगभग 400°C पर होगा। जबकि यह उनके उपयोग को अत्यधिक परिस्थितियों में सीमित कर सकता है, अधिकांश अनुप्रयोग उचित सीमा में आते हैं।
कई नई पदार्थों की तरह, इन पॉलिमरों को PVDF और PVT को मूलभूत के रूप में उपयोग करके विकसित किया जा रहा है। प्रत्येक सामग्री की सकारात्मक विशेषताओं को बनाए रखने और जितनी संभव हो उतनी कमियों को समाप्त करने का प्रयास किया जा रहा है। यद्यपि ये उत्पाद नए पॉलिमर हैं, वे वर्तमान कार्यशील मॉडलों पर आधारित हैं।
अमॉर्फस संरचना का उपयोग करके, इष्टतम कांचीय संक्रमण तापमान पर व्यापक परीक्षण करना आवश्यक है। यह मान सीधे उस सामग्री की पायज़ोइलेक्ट्रिक गुणों की शक्ति से जुड़ा है जो वह धारण करेगी। अमॉर्फस संरचना लघु दूरी क्रम पर निर्भर करती है पायज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव उत्पन्न करने के लिए, जबकि क्रिस्टलीय संरचनाओं में दीर्घ दूरी क्रम देखा जाता है। इसके अतिरिक्त, कई लोग सामग्री की संरचना में पॉलीइमाइड को शामिल करने का चयन कर रहे हैं क्योंकि उनके यांत्रिक, डाइइलेक्ट्रिक, और थर्मल गुण होते हैं, और पॉलीइमाइड अणुओं की स्थिति की परवाह किए बिना पोलिंग सुनिश्चित करता है।

उपयोग‑केस

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के पिछले और वर्तमान अनुप्रयोगों में कई अनदेखी वस्तुएँ शामिल हैं जैसे लाइटर, क्वार्ट्ज घड़ियाँ और यहाँ तक कि इंजन प्रबंधन प्रणाली। वर्तमान में उनका सबसे सामान्य उपयोग सेंसर और एक्ट्यूएटर में है। जबकि उपयुक्त पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों को इन उपयोग मामलों में लागू किया गया है, भविष्य के अनुप्रयोगों को अधिक बहुमुखी सामग्री की आवश्यकता है। सौभाग्य से, विकसित हो रहे पायज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर वही हैं – बहुमुखी। सामग्री विज्ञान की हमारी समझ में निरंतर प्रगति और उनके प्रत्यक्ष उलटे प्रभाव दिखाने की क्षमता के साथ, जिन अनुप्रयोगों में उनका उपयोग किया जा सकता है उनकी संख्या लगातार बढ़ रही है। कुछ रोचक वर्तमान और संभावित भविष्य के उपयोग मामलों में शामिल हैं,

मोबाइल और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स

टॉक‑पावर्ड सेल फ़ोन और पहनने योग्य उपकरण। ध्वनि तरंगों के कारण माइक्रोफ़ोन के भीतर उत्पन्न दबाव का उपयोग करके, पायज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर आशा है कि एक दिन फोन चलाने के लिए पर्याप्त शक्ति उत्पन्न कर सकेंगे। जबकि यह संभावना कम है कि यह अवधारणा निकट भविष्य में बैटरी की आवश्यकता को पूरी तरह समाप्त कर देगी, यह कम‑ड्रेन पहनने योग्य स्मार्ट डिवाइसों में बैटरी जीवन को बढ़ाने की संभावना बनाती है।
यह उल्लेखनीय है कि पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग लगभग 100 वर्षों से माइक्रोफ़ोन में किया जा रहा है। हालांकि इनका अंतिम लक्ष्य डिवाइस को चार्ज करना नहीं है, ये अनुप्रयोग ध्वनि तरंगों को बिजली में परिवर्तित करने की अनुमति देते हैं, जिससे रिकॉर्डिंग और प्लेबैक को लागत‑प्रभावी तरीके से किया जा सके।

डैम्पिंग सिस्टम

एक अन्य अनुप्रयोग पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों का डैम्पिंग सिस्टम में उपयोग है। HEAD जैसी कंपनियों ने इस विचार को अपने टेनिस रैकेट और स्की में कंपन को अवशोषित/डैम्प करने के प्रयास में शामिल किया है। जब रैकेट या स्की पर प्रभाव पड़ता है, तो उत्पन्न विद्युत संकेत को एक प्रतिलोम सामग्री को भेजकर प्रतिकूल बल प्रदान किया जाता है। इससे एक प्रभावी डैम्पिंग सिस्टम बनता है।
इसी अवधारणा को कारों, घरों, और खतरनाक कार्यस्थलों में शोर और कंपन को कम करने के लिए लागू किया जा रहा है। एक उदाहरण बिटकॉइन माइनिंग फार्म है। न केवल कंपन इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को दीर्घकालिक रूप से नुकसान पहुंचाते हैं, बल्कि इन संचालन के आसपास के समुदायों ने शिकायत की है कि ASIC उपकरणों के उपयोग से उत्पन्न शोर और कंपन। कई समान परिस्थितियों में, पायज़ो‑आधारित एक्ट्यूएटर इन प्रभावों को कम करने के समाधान के रूप में उपयोग किए जाते हैं। कारों, घरों और मशीनरी में उत्पन्न ध्वनि तरंगों को सामग्री के दोलन द्वारा उत्पन्न किया जाता है, जिसे पारंपरिक तरीकों जैसे चिपकने वाले डैम्पिंग सामग्री से भी समाप्त या कम किया जा सकता है। ये सामग्री निष्क्रिय रूप से काम करती हैं, बहुत भारी और महंगी होती हैं। वे आमतौर पर सामग्री की अनुनाद आवृत्ति को कम करके काम करती हैं। Exploiting पायज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमरों के गुण इस समस्या को हल करते हैं, ऊपर वर्णित अधिक सक्रिय और गतिशील दृष्टिकोण अपनाकर।

सफाई समाधान

पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के उपयोग मामलों की बहुमुखीता को दर्शाने के लिए, Solar PiezoClean जैसी कंपनियों द्वारा किए जा रहे कार्य पर विचार करें। इस मामले में, कंपनी सौर पैनलों को पायज़ोइलेक्ट्रिक फिल्म से कोट कर रही है। इसका उद्देश्य सौर पैनलों को साफ रखने के लिए कम रखरखाव वाला तरीका प्रदान करना है – जो इष्टतम दक्षता सुनिश्चित करने की कुंजी है।
यह प्रक्रिया फिल्म पर विद्युत चार्ज लागू करने में शामिल है, जिससे वह एक विशिष्ट आवृत्ति और पिच पर दोलन करती है, जिससे धूल और गंदगी गुरुत्वाकर्षण की मदद से आसानी से गिर जाती है। इसका अर्थ है पानी और श्रम की बचत, जबकि कोटेड पैनलों की आयु और दक्षता बढ़ती है। यह एक सरल, लेकिन चतुर समाधान है एक समस्या के लिए जो सौर स्थापना के बढ़ने के साथ बढ़ती जा रही है।
ऐसे तरीके से पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के अधिक सामान्य कार्यान्वयन में अल्ट्रासोनिक सफाई उपकरण जैसे आभूषण क्लीनर शामिल हैं।

एयरोस्पेस

पहले हमने एयरोस्पेस क्षेत्र में पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों के उपयोग का उल्लेख किया था। यहाँ, विमान इन सामग्रियों का उपयोग संरचनात्मक अखंडता और तनावकों की निगरानी के लिए उत्पन्न विद्युत चार्ज की माप के माध्यम से कर सकते हैं – एक उपयोग मामला जो न केवल सुरक्षा बढ़ाता है, बल्कि इंजीनियरों को आवश्यक स्थानों पर वजन घटाने और संरचनाओं को मजबूत करने की अनुमति देकर अधिक दक्षता भी प्रदान करता है।
हमारे वायुमंडल से परे, पायज़ोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर कई उपग्रहों में उपयोग किए जाते हैं। अत्यधिक सटीकता के साथ कार्य करने की क्षमता इन एक्ट्यूएटर को माइक्रो‑थ्रस्टर बनाने की अनुमति देती है, जो उपग्रह की सही स्थिति निर्धारण में सक्षम होते हैं।

हेल्थकेयर डायग्नोस्टिक टूल्स

जैसे-जैसे हम छोटे‑छोटे उपकरण बनाने में सक्षम होते जा रहे हैं, हम अब हेल्थकेयर में विभिन्न डायग्नोस्टिक टूल्स में पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का उपयोग कर रहे हैं। इसका एक उदाहरण इंट्रावास्कुलर अल्ट्रासाउंड (IVUS) है। IVUS एक प्रक्रिया है जो छोटे प्रोब को रक्त वाहिकाओं के भीतर से इमेजिंग उत्पन्न करने की अनुमति देती है। यह पायज़ोइलेक्ट्रिक सिंगल क्रिस्टल से निर्मित अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर के उपयोग से किया जाता है।
पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री कुछ दंत उपकरणों में भी उपयोग की जाती है। ऊपर वर्णित SolarClean द्वारा उपयोग किए गए सफाई समाधान के समान, यह उपकरण पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री पर विद्युत धारा लागू करके उत्पन्न अल्ट्रासोनिक तरंगों पर निर्भर करता है, जो दाँतों से प्लाक को साफ/हटाने में मदद करता है।

सोनार

सोनार (साउंड नेविगेशन एंड रेंजिंग) सिस्टम इमेजिंग या संचार के लिए उपयोग किए जा सकते हैं। इमेजिंग के उदाहरणों में समुद्र तल का स्थलाकृतिक मानचित्रण या दैनिक फिशफ़ाइंडर शामिल हैं। वहीं संचार ध्वनि तरंगों के निर्माण के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। इन सभी प्रक्रियाओं को पायज़ोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर के उपयोग से संभव बनाया जाता है।
हालांकि यह 100 साल से अधिक पहले विकसित किया गया था, सोनार आज भी एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इसका सबसे हालिया व्यापक उदाहरण स्व-चालित कारों में इसका कार्यान्वयन है, जो आमतौर पर सोनार, लिडार और रडार के संयोजन का उपयोग करके आसपास के वातावरण को ट्रैक और समझते हैं।

ऊर्जा संग्रहण

अंत में, एक बहुत ही रोचक अनुप्रयोग बड़े पैमाने पर ऊर्जा उत्पादन होगा। पायज़ोइलेक्ट्रिक पॉलिमर को उच्च ट्रैफ़िक क्षेत्रों में स्थापित करने के लिए विकसित किया जा रहा है, जिसमें विभिन्न कारखाने, खेल मैदान, ट्रेन स्टेशन और दुनिया भर में अन्य स्थान शामिल हैं। 1cm³ क्वार्ट्ज का टुकड़ा 175 पाउंड बल लागू होने पर लगभग 4,500V बिजली उत्पन्न कर सकता है। ऐसे स्टेशनों में प्रत्येक कदम इस बिजली को उत्पन्न करता है, जिससे दैनिक रूप से उत्पन्न बड़ी मात्रा को संग्रहित करने की संभावना है – जिससे भवन की दक्षता और बिजली लागत में काफी वृद्धि होगी।
पैदल यातायात से परे, कई लोगों ने भविष्य की कल्पना की है जिसमें सड़कों में ऐसी सामग्री एम्बेड की जाए, जिससे कारों द्वारा लगाए गए शारीरिक बल से बिजली उत्पन्न हो और यह स्ट्रीट लाइट और संकेतों को चलाने के लिए उपयोग हो।
जब इन्हें मिलाया जाता है, तो Electreon द्वारा विकसित वायरलेस कार चार्जिंग जैसी भविष्य की तकनीकें, और Pavegen जैसी कंपनियों द्वारा पावर्ड सतहें, आशा है कि एक दिन वाहनों में बैटरी आकार को कम करने और इलेक्ट्रिक वाहनों को चार्ज रखने का एक अधिक कुशल और स्वच्छ तरीका प्रदान करेंगी।

अंतिम शब्द

समग्र रूप से, पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्रियों की संभावनाएँ अभी-अभी समझी जानी शुरू हुई हैं। सौर ऊर्जा को संभव बनाने वाले फोटोवोल्टाइक प्रभाव मध्य 1800 के दशक में खोजे गए थे, और अब वे व्यापक उपयोग के लिए व्यावहारिक हो रहे हैं। पायज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री भी अलग नहीं हैं, और जैसे-जैसे इन सामग्रियों पर अनुसंधान और विकास जारी है, दक्षता और टिकाऊपन में वृद्धि भी साथ में आती है। आधुनिक वैज्ञानिक प्रगति अब हमें इस ऊर्जा स्रोत की पूरी संभावनाओं को समझने या कम से कम महसूस करने की अनुमति दे रही है, जहाँ यहाँ सूचीबद्ध उपयोग‑केस (बिजली उत्पादन, ध्वनि डैम्पिंग, सोनार, सेंसर, एक्ट्यूएटर आदि) अनगिनत संभावनाओं में से केवल कुछ ही हैं।