Mga Material na Piezoelectric – Ang Pinakakaraniwang Hindi Kilalang Pinagmumulan ng Enerhiya

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

Ano ang mga Material na Piezoelectric?

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.

Ang piezoelectricity ay tumutukoy sa kakayahan ng isang substansiya na lumikha ng electrical charge kapag nailapat ang mekanikal na stress. Ang electrical charge na ito ay nabubuo dahil sa pinilit na asymmetry. Sa mga material na piezoelectric, ang positibo at negatibong charge ay pinaghiwalay mula sa isa’t isa, habang nananatiling nakaayos sa isang symmetrical na pattern. Kapag inilapat ang mekanikal na stress sa substansiya, nawawala ang symmetry na ito, na nagreresulta sa paglikha ng isang electric charge.

PVDF beta phase.

Isa pang natatanging katangian ng mga material ay ang random na kalikasan at presensya ng Weiss domains (magnetically oriented walang external magnetic influence).

Nadiskubre kalaunan na ang mga parehong material ay nagpapakita ng direktang inverse na katangian sa electric effect. Natuklasan na kung mag-apply ng electric charge sa material, magaganap ang paulit-ulit na mekanikal na deformation sa loob ng material. Ang pagtuklas na ito ay nagbigay ng malaking gamit sa mga material na ito, dahil halos doble ang kanilang posibleng mga use-case.

Mga Tagagawa at Inobador

Bago tayo sumisid sa mga halimbawa ng totoong paggamit, narito ang tatlong nangungunang kumpanya na gumagamit ng mga material na piezoelectric sa iba’t ibang produkto na mahalaga sa modernong electronics.

Kapansin-pansin, itinuturing ng mga analyst ng Barron’s ang bawat isa sa mga sumusunod na stock bilang ‘over’ o ‘buy’.

Stoneridge (SRI)

Nakarehistro sa NYSE, ang Stoneridge (SRI) ay nakakita ng pagtaas ng halaga ng kanilang mga shares sa nakaraang taon ng higit sa 30% sa oras ng pagsulat. Habang ang kita ng Stoneridge ay naapektuhan noong kasagsagan ng COVID, ang 2021 ay nakaranas ng halos 20% rebound sa $770M.

Ang Stoneridge ay may mahigit 5,000 empleyado, at nagpapatakbo mula sa Estado ng Michigan.

Methode Electronics (MEI)

Nakarehistro sa NYSE, ang Methode Electronics Inc. (MEI ) ay nakakita ng pagtaas ng halaga ng kanilang shares sa nakaraang taon ng halos 15% sa oras ng pagsulat. Sa nakaraang 4 na taon, nagawang patuloy na palakihin ng Methode Electronics ang kanilang kita sa pagitan ng 2.36% at 10.13% bawat taon. Para sa 2022, ang kita ay umabot sa $1.16B.

Ang Methode Electronics ay may mahigit 7,000 empleyado, at nagpapatakbo mula sa Estado ng Illinois.

Kimball Electronics Inc. (KE)

Nakarehistro sa Nasdaq, ang Kimball Electronics Inc. (KE ) ay nakakita ng pagtaas ng halaga ng kanilang shares sa nakaraang taon ng higit sa 32% sa oras ng pagsulat. Kung saan nahirapan ang mga kumpanyang nabanggit sa itaas mula 2019-2020, nagpatuloy ang Kimball Electronics na magpakita ng pagtaas ng kita. Umabot sa $1.35B para sa 2022, na nagmamarka ng 4.47% pagtaas kumpara sa 2021.

Ang Kimball Electronics ay may mahigit 7,000 empleyado, at nagpapatakbo mula sa Estado ng Indiana.

Mga Makabagong Pag-unlad

Tradisyonal, ang mga natural na piezoelectric na sangkap ay ginamit upang ipakita ang epekto. Kadalasan, ang piniling materyal ay quartz. Nang maabot ang limitasyon ng mga natural na sangkap, ang mga gawa ng tao na ceramic ang naging popular na pagpipilian. Dinisenyo noong 1952, at isa pa rin sa pinakapopular na piezoelectric ceramic ngayon ay ang PZT (lead zirconate titanate). Gayunpaman, dahil sa mga kahinaan tulad ng limitadong deformation, pagiging marupok, at mataas na mass density, ang PZT ay hindi perpekto para sa lahat ng aplikasyon.

Noong 1964, nadevelop ang PVDF (poly vinylidene fluoride). Ang PVDF ay may semi-crystalline na istruktura at lumilikha ng mga charge na ilang beses na mas malaki kaysa sa quartz. Bagaman ang polymer na ito ay tinugunan ang marami sa mga kahinaan ng PZT, mayroon din itong sarili nitong mga problema – piezoelectric breakdowns sa mataas na temperatura, at pagkasira. Sa kamakailang pag-unlad ng teknolohiya at tumataas na pangangailangan, maaaring naabot na ng PZT at PVDF ang kanilang mga limitasyon.

Sa unang bahagi ng 2000s, ang mga institusyon tulad ng GAIKER-IK4 ay nagsimulang mag-develop ng tinatawag na amorphous piezoelectric polymers. Sa pamamagitan ng paggamit ng amorphous na istruktura, mas mataas na temperatura ang kayang tiisin ng substansiya. Dahil ang piezoelectric effects ay hindi nakasalalay sa crystalline structure na nabubuwag sa mas mataas na temperatura, ang amorphous na mga istruktura ay nagreresulta sa mas matibay na polymer.

Ang mga amorphous polymer na ito ay de-develop dahil nag-aalok sila ng mas mataas na antas ng deformation, malaking pagbawas ng timbang, at mas matibay. Sa pamamagitan ng pag-abot nito, ang larangan ng mga aplikasyon para sa mga material ay nagpapahintulot na isama ang aerospace at mga electronic device. Sa mga bagong amorphous piezoelectric polymer at film na dine-develop, ang pagkasira sa paggamit ay mangyayari sa temperatura na humigit-kumulang 150°C pataas. Ang pagkasira ng substansiya ay mangyayari sa humigit-kumulang 400°C. Bagaman maaaring limitahan nito ang paggamit sa matinding kondisyon, ang karamihan ng mga aplikasyon ay nasa angkop na saklaw.

Katulad ng maraming bagong sangkap, ang mga polymer na ito ay dine-develop gamit ang PVDF at PVT bilang batayan. Sinusubukang panatilihin ang mga positibong katangian mula sa bawat material habang inaalis ang maraming kahinaan hangga’t maaari. Bagaman ang mga produktong ito ay mas bagong polymer, ito ay batay sa kasalukuyang gumaganang mga modelo.

Sa pamamagitan ng paggamit ng amorphous na istruktura, kailangang magsagawa ng masusing pagsubok sa optimum vitreous transition temperatures. Ang halagang ito ay direktang konektado sa lakas ng piezoelectric properties na taglay ng material. Ang amorphous na istruktura ay nagpapakita at umaasa sa short range order upang lumikha ng piezoelectric effect, sa halip na long range order na makikita sa crystalline structures. Bukod dito, marami ang pumipili na isama ang polyimides sa istruktura ng mga material dahil sa kanilang mechanical, dielectric, at thermal properties, kung saan tinitiyak ng polyimides ang poling ng mga molekula kahit ano pa man ang kanilang posisyon.

Mga Use-Case

Ang mga nakaraang at kasalukuyang aplikasyon ng mga material na piezoelectric ay kinabibilangan ng maraming hindi halatang bagay tulad ng mga lighter, quartz na orasan, at maging ang mga engine management system. Ang pinakakaraniwang gamit nila sa kasalukuyan ay sa mga sensor at actuator. Bagaman ang angkop na mga material na piezoelectric ay naipataw para sa mga use case na ito, ang mga hinaharap na aplikasyon ay nangangailangan ng mas versatile na material. Sa kabutihang palad, ang mga nade-develop na piezoelectric polymer ay talagang ganoon – versatile. Sa patuloy na pag-unlad ng ating pag-unawa sa material science, at ang kanilang kakayahang magpakita ng direktang inverse effects, ang bilang ng mga aplikasyon kung saan sila magagamit ay patuloy na tumataas. Ilan sa mga kawili-wiling kasalukuyan at posibleng hinaharap na aplikasyon ay kinabibilangan ng,

Mobile at Wearable na Elektronika

Mga teleponong pinapagana ng usapan at mga wearable device. Sa pamamagitan ng paggamit ng pressure na nilikha sa loob ng mikropono dahil sa sound waves, ang mga piezoelectric polymer ay maaaring balang araw makalikha ng sapat na enerhiya para magamit ang telepono. Bagaman hindi malamang na ang konseptong ito ay ganap na aalisin ang pangangailangan ng baterya sa lalong madaling panahon, ito ay nagbubukas ng posibilidad na pahabain ang buhay ng baterya sa mga low-drain na wearable smart device.

Dapat tandaan na ang mga material na piezoelectric ay ginamit sa mga mikropono sa halos 100 taon na ngayon. Sa halip na ang panghuling layunin ay i-charge ang isang device, ang mga aplikasyon na ito ay nagpapahintulot sa conversion ng soundwaves sa kuryente para sa layunin ng pag-record at playback sa isang cost-effective na paraan.

Mga Sistema ng Dampening

Isa pang aplikasyon ay ang paggamit ng mga material na piezoelectric sa mga sistema ng dampening. Ang mga kumpanya tulad ng HEAD ay isinama ang ideyang ito sa kanilang mga tennis racket at ski upang sumipsip/mabawasan ang vibrations. Kapag naganap ang impact sa racket o ski, ang reciprocal effect ay kinukuha sa pamamagitan ng pagpapadala ng electric signal na nalikha sa isang inverse material na nagbibigay ng kabaligtarang puwersa. Ito ay nagreresulta sa isang epektibong sistema ng dampening.

Ang parehong konsepto ay inilalapat sa pag-reduce ng ingay at vibration sa mga sasakyan, tahanan, at sa mga mapanganib na kapaligiran sa trabaho. Isang halimbawa ng ganitong kapaligiran ay ang mga Bitcoin mining farm. Hindi lamang nakakasama ang vibrations sa elektronikong kagamitan sa katagalan, may mga pagkakataon din na ang mga nakapaligid na komunidad kung saan nagaganap ang mga operasyon ay nagreklamo tungkol sa ingay at vibrations na nagmumula sa paggamit ng mga ASIC device. Sa maraming katulad na senaryo, ginagamit ang piezo-based actuators bilang solusyon upang i-dampen ang bawat isa sa mga epekto. Sa mga sound wave na nililikha sa mga sasakyan, tahanan, at makinarya ng mga materyales na nagre-reverberate, ang ingay na ito ay maaari ring alisin, o kahit na mabawasan, gamit ang tradisyonal na mga pamamaraan tulad ng adhesive dampening material. Ang mga materyales na ito ay gumagana nang pasibo, at napakabigat at mahal. Karaniwan silang gumagana sa pamamagitan ng pagpapababa ng resonant frequency ng materyal. Ang pag-exploit ng mga katangian ng piezoelectric polymer ay nilulutas ang problemang ito sa pamamagitan ng pagkuha ng mas aktibo at dynamic na pamamaraan na inilarawan sa itaas.

Mga Solusyon sa Paglilinis

Upang ipakita kung gaano ka-versatile ang mga use case para sa mga material na piezoelectric, isaalang-alang ang trabaho ng mga kumpanya tulad ng Solar PiezoClean. Sa kasong ito, nilalagyan ng coating ang mga solar panel ng isang piezoelectric film. Ang layunin ay mag-alok ng low maintenance na paraan upang panatilihing malinis ang mga solar panel – isang susi upang matiyak ang optimal na kahusayan.

Ang prosesong ito ay kinabibilangan ng pag-apply ng electric charge sa film, na pagkatapos ay nag-vibrate sa isang tiyak na frequency at pitch na nagpapahintulot sa alikabok at dumi na basta bumagsak gamit ang tulong ng gravity. Ang ibig sabihin nito ay pagtitipid sa tubig at lakas-paggawa, habang pinahaba ang buhay at kahusayan ng mga coated panel. Isang simpleng, ngunit matalinong solusyon sa problemang patuloy na lumalaki habang ang mga solar installation ay nagiging mas laganap.

Mas karaniwang mga implementasyon ng mga material na piezoelectric sa ganitong paraan ay kinabibilangan ng ultrasonic cleaning device tulad ng mga jewelry cleaner.

Aerospace

Kanina ay binanggit natin ang paggamit ng mga material na piezoelectric sa sektor ng aerospace. Dito, maaaring gamitin ng mga eroplano ang mga material na ito upang subaybayan ang structural integrity at mga stressor sa pamamagitan ng pagsukat ng mga electric charge na nalikha – isang use case na maaaring magbigay hindi lamang ng mas mataas na kaligtasan, kundi pati na rin ng mas malaking kahusayan sa pamamagitan ng pagpapahintulot sa mga inhinyero na sabay na bawasan ang timbang at palakasin ang mga istruktura kung kinakailangan.

Lumampas sa ating atmospera, at ginagamit ang mga piezoelectric actuator sa maraming satelayt. Ang kakayahang mag-operate nang may napakatingkad na precision ay nagbibigay-daan sa mga actuator na ito na gumawa ng micro-thrusters na kayang magposisyon ng satelayt nang tama.

Mga Diagnostic Tool sa Pangangalagang Pangkalusugan

Habang patuloy na humuhusay ang ating kakayahan na lumikha ng mas maliit at mas maliit na mga device, gumagamit na tayo ng mga material na piezoelectric sa iba’t ibang diagnostic tool sa pangangalagang pangkalusugan. Isang halimbawa nito ay ang Intravascular Ultrasound (IVUS). Ang IVUS ay isang proseso na nagpapahintulot sa maliliit na probe na lumikha ng imaging mula sa loob ng mga daluyan ng dugo. Ginagawa ito sa pamamagitan ng paggamit ng ultrasound transducer na gawa sa piezoelectric single crystal.

Ang mga material na piezoelectric ay ginagamit din sa ilang kagamitan sa dentistry. Katulad ng cleaning solution na ginagamit ng SolarClean na inilarawan sa itaas, ang kagamitang ito ay umaasa sa ultrasonic wave, na nilikha sa pamamagitan ng pag-apply ng electrical current sa mga material na piezoelectric, upang linisin/tanggalin ang plak sa ngipin.

Sonar

Ang mga Sonar (Sound Navigation and Ranging) system ay maaaring gamitin para magbigay ng imaging, o para sa komunikasyon. Ang mga halimbawa ng imaging ay kinabibilangan ng topographic mapping ng dagat na sahig, o pang-araw-araw na fishfinder. Samantala, ang komunikasyon ay maaaring makamit sa pamamagitan ng paglikha ng sound wave. Ang bawat isa sa mga prosesong ito ay posible dahil sa paggamit ng piezoelectric transducer.

Bagaman nadevelop ito higit 100 taon na ang nakalilipas, patuloy na ginagampanan ng Sonar ang mahalagang papel ngayon. Ang pinakabagong malawak na halimbawa nito ay ang implementasyon nito sa mga self-driving na sasakyan, na karaniwang gumagamit ng kombinasyon ng Sonar, LIDAR, at radar upang subaybayan at intindihin ang paligid.

Pagkuha ng Enerhiya

Sa huli, isang napaka-kawili-wiling aplikasyon ay ang malakihang produksyon ng enerhiya. Ang mga piezoelectric polymer ay dine-develop upang ilagay sa mga high traffic na lugar, kabilang ang iba’t ibang pabrika, sports field, istasyon ng tren, at marami pang iba sa buong mundo. Ang isang piraso ng quartz na 1cm³ ay kayang mag-produce ng hanggang 4,500V ng kuryente kapag nailapat ang 175lbs na puwersa. Sa bawat hakbang na tumama sa sahig sa mga istasyong ito na lumilikha ng kuryente, may potensyal na makuha ang napakalaking dami nito araw-araw – na lubos na nagpapataas ng kahusayan at nagbabawas ng gastos sa kuryente para sa gusali.

Higit pa sa foot traffic, marami ang nag-imagine ng isang hinaharap kung saan ang mga kalsada ay may embed na ganitong mga material, na lumilikha ng kuryente upang paganahin ang mga street light at signage habang ang mga sasakyan ay naglalapat ng pisikal na puwersa dito.

Kapag pinagsama, ang mga hinaharap na teknolohiya tulad ng wireless car charging na dine-develop ng Electreon, at mga powered surface ng mga kumpanya tulad ng Pavegen, ay sana balang araw ay magpapahintulot sa mas maliit na sukat ng baterya sa mga sasakyan, at isang mas epektibo at malinis na paraan upang panatilihing naka-charge ang mga electric vehicle.

Huling Salita

Sa pangkalahatan, ang potensyal ng mga material na piezoelectric ay nagsisimula pa lamang matanto. Ang mga photovoltaic effect na nagpapahintulot sa Solar energy ay nadiskubre noong kalagitnaan ng 1800s, at ngayon lamang nagiging praktikal para sa malawakang paggamit. Ang mga material na piezoelectric ay hindi naiiba, at habang nagpapatuloy ang pananaliksik at pag-develop sa mga material na ito, ang pagtaas ng kahusayan at tibay ay sumusunod. Ang mga makabagong siyentipikong pag-unlad ay ngayon lamang nagbibigay-daan sa atin na matanto, o kahit maintindihan, ang buong potensyal ng pinagmumulan na ito para sa enerhiya, kung saan ang mga use-case na nakalista dito (paglikha ng kuryente, sound dampening, sonar, sensors, actuators, atbp) ay ilan lamang sa napakaraming posibilidad.