에너지
압전 재료 – 가장 흔하지만 알려지지 않은 전력 원천
With new practical applications being developed every day, the piezoelectric industry is 예상대로 향후 3년 내에 약 410억 달러에 이를 것으로 보이며, 연간 복합 성장률은 거의 6%에 달합니다. 이 급성장은 현대 세계에서 고급 비정질 및 필름 기반 압전 폴리머의 추가 개발 및 구현을 가능하게 할 것입니다.
압전 재료란 무엇인가?
압전 재료는 힘을 전하로 변환함으로써 운동 에너지를 활용할 수 있게 해줍니다. 1880년 쿠리 형제에 의해 처음 정의된 이후, 압전 현상은 현대 기술에서 활용되는 기본 원리로 자리 잡았습니다.
압전 현상은 기계적 스트레스가 가해질 때 물질이 전하를 생성하는 능력을 의미합니다. 이 전하는 강제적인 비대칭에 의해 생성됩니다. 압전 재료에서는 양전하와 음전하가 서로 분리되면서도 대칭적인 배열을 유지합니다. 물질에 기계적 스트레스가 가해지면 이러한 대칭이 깨져 전하가 생성됩니다.
PVDF 베타 상.
이 재료의 또 다른 독특한 특성은 무작위적인 성질과 Weiss 도메인(외부 자기 영향 없이 자기적으로 정렬된 영역)의 존재입니다.
후에 이러한 동일한 재료가 전기 효과에 대한 직접적인 역특성을 보인다는 것이 발견되었습니다. 전하가 재료에 가해지면 재료 내부에서 반복 가능한 기계적 변형이 발생한다는 것이 밝혀졌습니다. 이 발견은 이러한 재료의 활용도를 크게 높였으며, 실제로 사용 가능한 경우의 수를 두 배로 늘렸습니다.
제조업체 및 혁신가
실제 적용 사례를 살펴보기 전에, 현대 전자 제품에 필수적인 다양한 제품에 압전 재료를 활용하는 선도 기업 세 곳을 소개합니다.
특히, Barron’s 분석가들은 현재 다음 주식들을 ‘보유’ 또는 ‘매수’로 평가하고 있습니다.
Stoneridge (SRI)
NYSE에 상장된 Stoneridge (SRI)는 현재 시점에서 지난 1년 동안 주가가 30% 이상 상승했습니다. COVID가 최고조에 달했을 때 매출이 타격을 받았지만, 2021년에는 약 20% 회복하여 7억 7천만 달러에 이르렀습니다.
Stoneridge는 5,000명 이상의 직원을 고용하고 있으며, 미시간 주에서 운영됩니다.
Methode Electronics (MEI)
NYSE에 상장된 Methode Electronics Inc.는 현재 시점에서 지난 1년 동안 주가가 거의 15% 상승했습니다. 지난 4년 동안 Methode Electronics는 매년 2.36%에서 10.13% 사이의 매출 성장을 지속했습니다. 2022년 매출은 11억 6천만 달러를 넘어섰습니다.
Methode Electronics는 7,000명 이상의 직원을 고용하고 있으며, 일리노이 주에서 운영됩니다.
Kimball Electronics Inc. (KE)
Nasdaq에 상장된 Kimball Electronics Inc.는 현재 시점에서 지난 1년 동안 주가가 32% 이상 상승했습니다. 위의 기업들이 2019-2020년에 어려움을 겪은 반면, Kimball Electronics는 지속적으로 매출 증가를 자랑했습니다. 2022년 매출은 13억 5천만 달러로, 전년 대비 4.47% 증가했습니다.
Kimball Electronics는 7,000명 이상의 직원을 고용하고 있으며, 인디애나 주에서 운영됩니다.
현대적 발전
전통적으로, 자연 발생 압전 물질이 효과를 보여주기 위해 사용되었습니다. 가장 흔히 선택된 재료는 석영이었습니다. 자연 발생 물질의 한계에 도달하자, 인공 세라믹이 인기 있는 선택이 되었습니다. 1952년에 설계된 현재도 가장 널리 사용되는 압전 세라믹 중 하나인 PZT(납 지르코네이트 티타네이트)는 제한된 변형, 취성, 높은 질량 밀도와 같은 단점으로 모든 적용에 이상적이지 않습니다.
1964년에 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드)가 개발되었습니다. PVDF는 반결정 구조를 가지고 있으며 석영보다 몇 배 높은 전하를 생성합니다. 이 인공 폴리머는 PZT의 많은 단점을 해결했지만, 자체적으로 고온에서의 압전 파괴와 열화와 같은 문제를 가지고 있습니다. 최근 기술 발전과 수요 증가로 인해 PZT와 PVDF는 한계에 다다른 것으로 보입니다.
2000년대 초반, GAIKER-IK4와 같은 연구기관들은 비정질 압전 폴리머라 불리는 물질을 개발하기 시작했습니다. 비정질 구조를 활용함으로써 물질은 훨씬 높은 온도를 견딜 수 있게 됩니다. 압전 효과가 고온에서 파괴되는 결정 구조에 의존하지 않기 때문에, 비정질 구조는 훨씬 더 견고한 폴리머를 만들게 됩니다.
이러한 비정질 폴리머는 개발되고 있는데, 이는 더 높은 변형 수준, 큰 중량 감소, 그리고 더 큰 내구성을 제공하기 때문입니다. 이를 달성함으로써 재료의 적용 분야는 이제 항공우주 및 전자 장치를 포함하게 되었습니다. 새롭게 개발되는 비정질 압전 폴리머와 필름은 사용 중 약 150°C 이상의 온도에서 고장이 발생하고, 약 400°C에서 물질이 열화됩니다. 이는 극한 조건에서의 사용을 제한할 수 있지만, 대부분의 적용은 적절한 범위 내에 있습니다.
많은 새로운 물질과 마찬가지로, 이 폴리머들은 PVDF와 PVT를 기본으로 하여 개발되고 있습니다. 각 재료의 장점을 유지하면서 가능한 많은 단점을 없애려는 시도입니다. 이러한 제품은 새로운 폴리머이지만 현재 작동 중인 모델을 기반으로 설계되었습니다.
비정질 구조를 활용하면 최적의 유리 전이 온도에 대한 광범위한 테스트가 필요합니다. 이 값은 재료가 가질 압전 특성의 강도와 직접적으로 연결됩니다. 비정질 구조는 결정 구조에서 보이는 장거리 질서 대신 단거리 질서를 이용해 압전 효과를 생성합니다. 또한, 많은 경우 기계적, 유전적, 열적 특성 때문에 폴리이미드를 재료 구조에 통합하고 있으며, 폴리이미드는 분자 위치와 관계없이 분극을 보장합니다.
활용 사례
과거와 현재의 압전 재료 활용 사례에는 라이터, 석영 시계, 엔진 관리 시스템 등 눈에 띄지 않는 많은 제품이 포함됩니다. 현재 가장 일반적인 용도는 센서와 액추에이터입니다. 이러한 용도에 적합한 압전 재료가 적용되어 왔지만, 미래의 적용은 보다 다재다능한 재료를 요구합니다. 다행히도 개발 중인 압전 폴리머는 바로 그런 다재다능함을 가지고 있습니다. 재료 과학에 대한 이해와 직접적인 역효과를 나타내는 능력이 지속적으로 발전함에 따라, 활용 가능한 응용 분야는 계속 늘어나고 있습니다. 현재와 잠재적인 흥미로운 적용 사례는 다음과 같습니다,
모바일 및 웨어러블 전자기기
통화 전원으로 구동되는 휴대폰과 웨어러블 기기. 마이크 내에서 소리 파동에 의해 발생하는 압력을 활용하면 압전 폴리머가 언젠가 휴대폰을 구동할 충분한 전력을 생성할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이 개념이 곧 배터리의 필요성을 완전히 없앨 가능성은 낮지만, 저전력 웨어러블 스마트 기기의 배터리 수명을 연장할 가능성을 제공합니다.
압전 재료는 현재 약 100년 동안 마이크에 사용되어 왔다는 점을 언급할 가치가 있습니다. 장치를 충전하는 것이 최종 목표라기보다는, 이러한 응용은 소리 파동을 전기로 변환하여 비용 효율적인 방식으로 녹음 및 재생에 활용할 수 있게 합니다.
감쇠 시스템
또 다른 적용 사례는 압전 재료를 감쇠 시스템에 사용하는 것입니다. HEAD와 같은 기업은 테니스 라켓과 스키에 이 아이디어를 도입하여 진동을 흡수/감쇠하려고 합니다. 라켓이나 스키에 충격이 가해지면, 생성된 전기 신호를 반대 방향의 재료에 전달하여 반대 힘을 제공함으로써 상호 효과를 활용합니다. 이는 효과적인 감쇠 시스템을 구현합니다.
이와 동일한 개념이 자동차, 주택 및 위험한 작업 환경에서의 소음 및 진동 감소에도 적용되고 있습니다. 예를 들어 비트코인 채굴 농장이 있습니다. 진동은 전자 장비에 장기적으로 해로울 뿐만 아니라, ASIC 장치 사용으로 인한 소음과 진동에 대해 주변 지역 사회가 불만을 제기한 사례도 있습니다. 많은 유사 상황에서 압전 기반 액추에이터가 이러한 효과를 감쇠하는 솔루션으로 사용됩니다. 자동차, 주택 및 기계에서 발생하는 소리 파동은 재료가 진동함으로써 발생하는데, 전통적인 접착제 감쇠 재료와 같은 방법으로도 이 소음을 제거하거나 최소화할 수 있습니다. 그러나 이러한 재료는 수동적으로 작동하며 무겁고 비용이 많이 듭니다. 일반적으로 재료의 공진 주파수를 낮추는 방식으로 작동합니다. 활용 압전 폴리머의 특성은 위에서 설명한 보다 능동적이고 동적인 접근 방식을 취함으로써 이 문제를 해결합니다.
청소 솔루션
압전 재료의 활용 사례가 얼마나 다재다능한지 보여주기 위해 Solar PiezoClean과 같은 기업이 수행하고 있는 작업을 살펴보겠습니다. 이 경우, 회사는 태양광 패널에 압전 필름을 코팅하고 있습니다. 목적은 유지 보수가 적은 방법으로 태양광 패널을 깨끗하게 유지하여 최적의 효율성을 보장하는 것입니다.
이 과정은 필름에 전하를 가해 특정 주파수와 피치로 진동시키며, 이를 통해 먼지와 오염물이 중력의 도움으로 떨어지게 합니다. 이는 물과 인력 비용을 절감하고 코팅된 패널의 수명과 효율성을 높이는 것을 의미합니다. 태양광 설치가 보편화됨에 따라 커지는 문제에 대한 간단하지만 기발한 해결책입니다.
이와 같은 방식으로 압전 재료를 활용한 보다 일반적인 구현으로는 보석 세척기와 같은 초음파 세척 장치가 있습니다.
항공우주
앞서 항공우주 분야에서 압전 재료의 사용에 대해 언급했습니다. 여기서 항공기는 전하 생성량을 측정하여 구조적 무결성과 스트레스를 모니터링할 수 있습니다. 이는 안전성을 높일 뿐만 아니라, 엔지니어가 필요에 따라 무게를 줄이고 구조를 강화함으로써 효율성을 향상시킬 수 있는 활용 사례입니다.
대기권을 넘어, 압전 액추에이터는 많은 위성에 사용됩니다. 극도의 정밀도로 작동할 수 있는 능력은 이러한 액추에이터가 위성의 정확한 위치 조정을 가능하게 하는 마이크로 추진 장치를 만들 수 있게 합니다.
헬스케어 진단 도구
점점 더 작은 장치를 만들 수 있게 되면서, 우리는 현재 헬스케어 분야의 다양한 진단 도구에 압전 재료를 사용하고 있습니다. 그 예가 혈관내 초음파(IVUS)입니다. IVUS는 작은 프로브가 혈관 내부에서 이미지를 생성하도록 하는 과정으로, 압전 단결정으로 만든 초음파 트랜스듀서를 사용합니다.
압전 재료는 특정 치과 장비에도 사용됩니다. 앞서 언급한 SolarClean의 청소 솔루션과 유사하게, 이 장비는 압전 재료에 전류를 가해 초음파를 발생시켜 치아의 플라그를 청소/제거합니다.
소나
소나(Sound Navigation and Ranging) 시스템은 이미징이나 통신에 사용될 수 있습니다. 이미징 예시로는 해저 지형 매핑이나 일상적인 어군 탐지기가 있습니다. 통신은 음파 생성으로 이루어집니다. 이러한 모든 과정은 압전 트랜스듀서를 사용함으로써 가능해집니다.
100년 이상 전에 개발되었음에도 불구하고, 소나는 오늘날에도 중요한 역할을 지속하고 있습니다. 최근 널리 적용된 사례는 자율 주행 자동차에의 구현으로, 일반적으로 소나, 라이다, 레이더를 결합해 주변을 추적하고 해석합니다.
에너지 수확
마지막으로, 매우 흥미로운 적용 사례는 대규모 에너지 생산입니다. 압전 폴리머는 전 세계의 공장, 운동장, 기차역 등 고인구 밀집 지역에 설치하기 위해 개발되고 있습니다. 1cm3 크기의 석영 조각은 175파운드(약 79kg)의 힘이 가해질 때 최대 4,500V의 전기를 생산할 수 있습니다. 이러한 역에서 발걸음마다 전기가 생성되므로, 매일 생성되는 대량의 전기를 활용할 수 있어 건물의 효율성과 전기 비용을 크게 향상시킬 수 있습니다.
보행자 트래픽을 넘어, 많은 사람들은 도로에 이러한 재료를 삽입해 차량이 물리적 힘을 가할 때 전기를 생성하여 가로등과 표지판에 전력을 공급하는 미래를 상상하고 있습니다.
이와 같은 기술이 결합되면, Electreon이 개발 중인 무선 차량 충전 및 Pavegen과 같은 기업의 전력 공급 표면과 같은 미래 기술은 언젠가 차량의 배터리 크기를 줄이고 전기차를 보다 효율적이고 청정하게 충전할 수 있게 할 것입니다.
마무리
전반적으로, 압전 재료의 잠재력은 이제 막 실현되기 시작했습니다. 태양 에너지를 가능하게 하는 광전 효과는 1800년대 중반에 발견되었으며, 현재야 비로소 광범위한 실용화 단계에 이르고 있습니다. 압전 재료도 마찬가지이며, 이들에 대한 연구와 개발이 지속됨에 따라 효율성과 내구성이 함께 향상되고 있습니다. 현대 과학의 발전은 이제야 이 에너지 원천의 전체 잠재력을 실현하거나 최소한 이해할 수 있게 해주고 있으며, 여기서 언급된 활용 사례(전기 생산, 소음 감쇠, 소나, 센서, 액추에이터 등)는 무수히 많은 가능성 중 일부에 불과합니다.
