Bahan Piezoelektrik – Sumber Daya Tidak Dikenal Paling Umum

Dengan perkembangan aplikasi praktis yang dikembangkan setiap hari, industri piezoelektrik diperkirakan akan mencapai sekitar $41 miliar dalam tiga tahun mendatang, dengan tingkat pertumbuhan tahunan sebesar hampir 6%. Kemajuan ini akan memungkinkan pengembangan dan implementasi lebih lanjut dari polimer piezoelektrik amorf dan film-based canggih di dunia modern.

Apa itu Bahan Piezoelektrik?

Bahan piezoelektrik memungkinkan kita untuk memanfaatkan energi kinetik, dengan mengubah gaya menjadi muatan listrik. Pertama kali didefinisikan oleh bersaudara Curie pada 1880, Piezoelektrik telah menjadi prinsip dasar yang dieksploitasi dalam teknologi modern.

Piezoelektrik mengacu pada kemampuan suatu zat untuk menghasilkan muatan listrik ketika stres mekanik diterapkan. Muatan listrik ini dihasilkan oleh asimetri yang dipaksa. Dalam bahan piezoelektrik, muatan positif dan negatif dipisahkan dari satu sama lain, tetapi tetap sejajar dalam pola simetris. Ketika stres mekanik diterapkan pada zat, simetri ini hilang, menghasilkan produksi muatan listrik.

Fase beta PVDF.

Sifat unik lain dari bahan ini adalah sifat acak dan keberadaan domain Weiss (terorientasi magnetik tanpa pengaruh magnetik eksternal).

Kemudian ditemukan bahwa bahan yang sama menunjukkan sifat invers langsung terhadap efek listrik. Ditemukan bahwa jika muatan listrik diterapkan pada bahan, deformasi mekanik yang dapat diulang akan terjadi dalam bahan. Penemuan ini memberikan utilitas besar pada bahan tersebut, karena pada dasarnya memperluas kemungkinan penggunaan mereka.

Pembuat dan Inovator

Sebelum kita membahas contoh kasus penggunaan nyata, berikut adalah tiga perusahaan terkemuka yang menggunakan bahan piezoelektrik dalam berbagai produk yang integral dalam elektronik modern.

Perlu diperhatikan bahwa analis untuk Barron’s saat ini memasukkan setiap saham berikut sebagai ‘over’ atau ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Terdaftar di NYSE, Stoneridge (SRI) telah melihat sahamnya meningkat nilainya selama setahun terakhir lebih dari 30% pada saat penulisan. Sementara pendapatan Stoneridge mengalami penurunan selama puncak COVID, 2021 menyaksikan rebound sekitar 20% menjadi $770M

Stoneridge mempekerjakan lebih dari 5.000 orang, dan beroperasi dari Negara Bagian Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Terdaftar di NYSE, Methode Electronics Inc. telah melihat sahamnya meningkat nilainya selama setahun terakhir sekitar 15% pada saat penulisan. Selama empat tahun terakhir, Methode Electronics telah berhasil terus meningkatkan pendapatannya antara 2,36% dan 10,13% setiap tahun. Untuk 2022, pendapatan mencapai $1,16M.

Methode Electronics mempekerjakan lebih dari 7.000 orang, dan beroperasi dari Negara Bagian Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Terdaftar di Nasdaq, Kimball Electronics Inc. telah melihat sahamnya meningkat nilainya selama setahun terakhir lebih dari 32% pada saat penulisan. Di mana perusahaan yang disebutkan di atas mengalami kesulitan dari 2019-2020, Kimball Electronics berhasil terus meningkatkan pendapatannya. Total $1,35M untuk 2022, ini menandai peningkatan sebesar 4,47% dibandingkan dengan 2021.

Kimball Electronics mempekerjakan lebih dari 7.000 orang, dan beroperasi dari Negara Bagian Indiana.

Pengembangan Modern

Secara tradisional, bahan piezoelektrik alami digunakan untuk mendemonstrasikan efek ini. Bahan paling umum yang digunakan adalah kuarsa. Ketika batas bahan alami tercapai, keramik buatan menjadi pilihan populer. Dirancang pada 1952, dan masih salah satu keramik piezoelektrik paling populer saat ini adalah PZT (zirkonat timbal titanat). Namun, dengan kelemahan seperti deformasi terbatas, kerapuhan, dan densitas massa tinggi, PZT tidak ideal untuk setiap aplikasi.

Pada 1964 PVDF (poly vinylidene fluoride) dikembangkan. PVDF memiliki struktur semi-kristal dan menghasilkan muatan beberapa kali lebih besar daripada kuarsa. Meskipun polimer buatan ini mengatasi banyak kelemahan PZT, ia memiliki kelemahan tersendiri – kerusakan piezoelektrik pada suhu tinggi, dan degradasi. Dengan kemajuan teknologi dan permintaan yang meningkat, PZT dan PVDF mungkin telah mencapai batasnya.

Pada awal 2000-an, lembaga seperti GAIKER-IK4 mulai mengembangkan apa yang dikenal sebagai polimer piezoelektrik amorf. Dengan menggunakan struktur amorf, suhu yang lebih tinggi dapat ditoleransi oleh bahan. Karena efek piezoelektrik tidak bergantung pada struktur kristal yang rusak pada suhu yang lebih tinggi, struktur amorf membuat polimer lebih tahan lama.

Polimer amorf ini sedang dikembangkan karena mereka menawarkan tingkat deformasi yang lebih tinggi, pengurangan berat besar, dan kekuatan yang lebih besar. Dengan mencapai ini, bidang aplikasi bahan ini sekarang memungkinkan integrasi perangkat elektronik dan aerospace. Dengan polimer piezoelektrik amorf dan film yang sedang dikembangkan, kegagalan selama penggunaan akan terjadi pada suhu sekitar 150°C dan lebih tinggi. Degradasi bahan akan terjadi pada suhu sekitar 400°C. Meskipun ini mungkin membatasi penggunaannya dalam kondisi ekstrem, sebagian besar aplikasi jatuh dalam kisaran yang tepat.

Seperti banyak bahan baru, polimer ini dikembangkan dengan menggunakan PVDF dan PVT sebagai dasar. Mencoba untuk mempertahankan atribut positif dari setiap bahan sambil menghilangkan kelemahan sebanyak mungkin. Meskipun produk ini merupakan polimer baru, mereka dimodelkan setelah model kerja saat ini.

Dengan menggunakan struktur amorf, pengujian ekstensif harus dilakukan pada suhu transisi vitreous optimum. Nilai ini terkait langsung dengan kekuatan sifat piezoelektrik yang dimiliki bahan. Struktur amorf menunjukkan dan bergantung pada urutan jangka pendek untuk menghasilkan efek piezoelektrik, bukan urutan jangka panjang seperti yang terlihat pada struktur kristal. Selain itu, banyak yang memilih untuk menggabungkan poliamida ke dalam struktur bahan karena sifat mekanik, dielektrik, dan termal, dengan poliamida memastikan pengorientasian molekul terlepas dari posisi mereka.

Kasus Penggunaan

Aplikasi masa lalu dan saat ini dari bahan piezoelektrik termasuk banyak item yang tidak mencolok seperti korek api, jam kuarsa, dan bahkan sistem manajemen mesin. Penggunaan paling umum untuk mereka saat ini akan menjadi sensor dan aktuator. Sementara bahan piezoelektrik yang sesuai telah diterapkan untuk kasus penggunaan ini, aplikasi masa depan memerlukan bahan yang lebih serbaguna. Beruntungnya, polimer piezoelektrik yang sedang dikembangkan sangat serbaguna. Dengan kemajuan terus-menerus dalam pemahaman kita tentang ilmu bahan, dan kemampuan mereka untuk menampilkan efek invers langsung, jumlah aplikasi di mana mereka dapat digunakan terus meningkat. Beberapa aplikasi menarik saat ini dan potensial di masa depan termasuk,

Elektronik Bergerak dan Pakai

Telepon seluler yang diaktifkan dengan suara dan perangkat yang dapat dikenakan. Dengan menggunakan tekanan yang diciptakan dalam mikrofon karena gelombang suara, polimer piezoelektrik dapat menghasilkan cukup daya yang dibutuhkan untuk menggunakan telepon. Meskipun tidak mungkin konsep ini akan menghilangkan kebutuhan akan baterai sepenuhnya dalam waktu dekat, ini menciptakan kemungkinan perpanjangan umur baterai pada perangkat yang dapat dikenakan dengan konsumsi daya rendah.

Perlu diperhatikan bahwa bahan piezoelektrik telah digunakan dalam mikrofon selama hampir 100 tahun sekarang. Namun, bukan tujuan akhirnya adalah untuk mengisi daya perangkat, aplikasi ini memungkinkan konversi gelombang suara menjadi listrik untuk keperluan perekaman dan pemutaran dengan cara yang efektif biaya.

Sistem Peredam

Aplikasi lain adalah penggunaan bahan piezoelektrik dalam sistem peredam. Perusahaan seperti HEAD telah mengintegrasikan ide ini ke dalam raket tenis dan ski untuk menyerap/mengurangi getaran. Ketika dampak terjadi pada raket atau ski, efek resiprokal dihantarkan oleh mengirim sinyal listrik yang dihasilkan ke bahan invers, menyediakan gaya yang berlawanan. Ini menghasilkan sistem peredam yang efektif.

Konsep yang sama diterapkan pada pengurangan kebisingan dan getaran di mobil, rumah, dan lingkungan kerja berbahaya. Salah satu contoh lingkungan seperti itu adalah pertambangan Bitcoin. Tidak hanya getaran merusak peralatan elektronik dalam jangka panjang, ada beberapa contoh komunitas sekitar di mana operasi ini berlangsung mengeluh tentang kebisingan dan getaran yang dihasilkan dari penggunaan perangkat ASIC. Dalam banyak skenario serupa, aktuator berbasis piezo digunakan sebagai solusi untuk mengurangi efek ini. Dengan gelombang suara yang dihasilkan di mobil, rumah, dan mesin oleh bahan yang bergetar, kebisingan ini juga dapat dihilangkan, atau setidaknya dikurangi, dengan metode tradisional seperti bahan peredam adhesif. Bahan ini bekerja secara pasif, dan sangat berat dan mahal. Mereka biasanya bekerja dengan menurunkan frekuensi resonansi bahan. Menggunakan sifat bahan piezoelektrik memecahkan masalah ini dengan mengambil pendekatan aktif dan dinamis seperti yang dijelaskan di atas.

Larutan Pembersih

Untuk menunjukkan betapa serbagunanya kasus penggunaan bahan piezoelektrik, pertimbangkan pekerjaan yang dilakukan oleh perusahaan seperti Solar PiezoClean. Dalam hal ini, perusahaan tersebut melapisi panel surya dengan film piezoelektrik. Tujuannya adalah untuk menawarkan cara perawatan rendah untuk menjaga panel surya tetap bersih – kunci untuk memastikan efisiensi optimal.

Proses ini melibatkan penerapan muatan listrik pada film, yang kemudian bergetar pada frekuensi dan nada tertentu yang memungkinkan debu dan kotoran untuk jatuh dengan bantuan gravitasi. Apa yang semua ini berarti adalah penghematan air dan tenaga kerja, sementara meningkatkan umur panjang dan efisiensi panel yang dilapisi. Solusi sederhana, tetapi brilian, untuk masalah yang hanya tumbuh ketika instalasi surya menjadi lebih umum.

Implementasi lebih umum dari bahan piezoelektrik dengan cara seperti ini termasuk perangkat pembersih ultrasonik seperti pembersih perhiasan.

Aerospace

Sebelumnya kita menyebutkan penggunaan bahan piezoelektrik dalam sektor aerospace. Di sini, pesawat dapat menggunakan bahan tersebut untuk memantau integritas struktural dan stresor melalui pengukuran muatan listrik yang dihasilkan – kasus penggunaan yang dapat memungkinkan tidak hanya peningkatan keamanan, tetapi juga efisiensi yang lebih besar dengan memungkinkan insinyur untuk secara bersamaan mengurangi berat dan memperkuat struktur di mana diperlukan.

Melangkah melampaui atmosfer kita, aktuator piezoelektrik digunakan dalam banyak satelit. Kemampuan untuk beroperasi dengan presisi ekstrem memungkinkan aktuator tersebut untuk membuat thruster mikro yang mampu melakukan posisi satelit yang tepat.

Alat Diagnostik Kesehatan

Ketika kemampuan kita untuk membuat perangkat yang lebih kecil dan lebih kecil meningkat, kita sekarang menggunakan bahan piezoelektrik dalam berbagai alat diagnostik dalam kesehatan. Contoh dari ini adalah Ultrasonografi Intravaskular (IVUS). IVUS adalah proses yang memungkinkan probe kecil untuk menghasilkan citra dari dalam pembuluh darah. Ini dilakukan melalui penggunaan transduser ultrasonik yang dibangun dengan kristal tunggal piezoelektrik.

Bahan piezoelektrik juga digunakan dalam peralatan kedokteran gigi tertentu. Serupa dengan larutan pembersih yang digunakan oleh SolarClean seperti yang dijelaskan di atas, peralatan ini bergantung pada gelombang ultrasonik, yang dihasilkan dengan menerapkan arus listrik pada bahan piezoelektrik, untuk membersihkan/menghilangkan plak dari gigi.

Sonar

Sistem Sonar (Sound Navigation and Ranging) dapat digunakan untuk menyediakan citra, atau untuk komunikasi. Contoh citra termasuk pemetaan topografi dasar laut, atau pencari ikan sehari-hari. Sementara komunikasi dapat dicapai melalui pembuatan gelombang suara. Proses ini semua dimungkinkan melalui penggunaan transduser piezoelektrik.

Meskipun dikembangkan lebih dari 100 tahun yang lalu, Sonar terus memainkan peran penting saat ini. Contoh terbaru dan paling luas dari ini akan menjadi implementasinya dalam mobil self-driving, yang biasanya menggunakan kombinasi Sonar, LIDAR, dan radar untuk melacak dan menafsirkan lingkungan sekitar.

Pengumpulan Energi

Terakhir, aplikasi yang sangat menarik akan menjadi produksi energi skala besar. Polimer piezoelektrik sedang dikembangkan untuk ditempatkan di area lalu lintas tinggi, termasuk berbagai pabrik, lapangan olahraga, stasiun kereta, dan banyak lagi di seluruh dunia. Sebuah potongan 1cm³ kuarsa dapat menghasilkan hingga 4.500V listrik ketika 175lbs gaya diterapkan. Dengan setiap langkah yang mengenai tanah di stasiun seperti itu menciptakan listrik ini, ada potensi untuk memanfaatkan jumlah besar sebagai itu diciptakan setiap hari – sangat meningkatkan efisiensi dan biaya listrik untuk bangunan.

Melampaui lalu lintas kaki, banyak orang telah membayangkan masa depan di mana jalan raya dilengkapi dengan bahan seperti itu, menciptakan listrik untuk memasok lampu jalan dan tanda-tanda sebagai mobil menekan gaya fisik pada mereka.

Ketika digabungkan, teknologi masa depan seperti pengisian nirkabel mobil yang dikembangkan oleh Electreon, dan permukaan yang diberdayakan oleh perusahaan seperti Pavegen, akan berharap suatu hari nanti memungkinkan ukuran baterai yang lebih kecil di kendaraan, dan cara yang lebih efisien dan bersih untuk menjaga kendaraan listrik tetap terisi.

Kata Terakhir

Secara keseluruhan, potensi bahan piezoelektrik baru saja mulai terwujud. Efek fotovoltaik yang membuat energi surya memungkinkan ditemukan pada pertengahan 1800-an, dan baru sekarang menjadi praktis untuk penggunaan yang luas. Bahan piezoelektrik tidak berbeda, dan ketika penelitian dan pengembangan bahan ini terus, peningkatan efisiensi dan ketahanan mengikuti. Kemajuan ilmiah modern hanya sekarang memungkinkan kita untuk memahami, atau setidaknya memahami, potensi penuh sumber daya ini untuk energi, dengan kasus penggunaan yang terdaftar di sini (generasi listrik, peredaman suara, sonar, sensor, aktuator, dll.) menjadi hanya beberapa contoh dari kemungkinan yang tak terhitung jumlahnya.