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Jul 15, 2023

세라믹 소재에서 입증된 초고압전 성능

2022년 5월 18일 작성자: Jamie

2022년 5월 18일

작성자: Jamie Oberdick, 펜실베니아 주립대학교

기계적 에너지를 전기 에너지로 또는 그 반대로 변환하는 압전 재료의 능력은 로봇 공학에서 통신, 센서에 이르기까지 다양한 응용 분야에 유용합니다. Penn State와 Michigan Technological University의 연구팀에 따르면, 초고성능 압전 세라믹을 만들기 위한 새로운 설계 전략은 이러한 재료를 훨씬 더 유익하게 사용할 수 있는 기회를 열어준다고 합니다.

오랫동안 압전 다결정 세라믹은 단결정에 비해 제한된 압전 반응을 보여왔습니다. 저널 고급 과학. "다결정 세라믹 재료의 압전 크기를 제한하는 많은 메커니즘이 있습니다. 이 논문에서 우리는 세라믹에 대해 일반적으로 예상되는 것보다 몇 배 더 높은 압전 계수의 크기를 향상시킬 수 있는 새로운 메커니즘을 보여줍니다."

재료의 압전 반응 수준을 나타내는 압전 계수는 뉴턴당 피코쿨롱 단위로 측정됩니다.

Priya는 "우리는 뉴턴당 2,000피코쿨롱에 가까운 수준을 달성했는데, 이는 상당한 발전입니다. 왜냐하면 다결정 세라믹에서는 이 크기가 항상 뉴턴당 약 1,000피코쿨롬으로 제한되어 있었기 때문입니다"라고 Priya는 말했습니다. "2,000은 도자기 업계에서 도달할 수 없는 목표로 간주되었으므로 그 숫자를 달성하는 것은 매우 극적입니다."

새로운 메커니즘을 발견하는 길은 '압전 상수의 크기를 제어하는 ​​요소는 무엇인가?'라는 질문에서 시작되었습니다. 압전 상수는 적용된 힘의 단위(뉴턴당 피코쿨롬)에 의해 생성된 전하이며, 이는 원자에서 중규모까지 발생하는 효과에 따라 달라집니다.

"우리는 반응을 제한하거나 제어하는 ​​기본 매개변수의 거의 원자 규모의 몇 가지 기본 효과가 무엇인지 궁금했습니다." 프리야가 말했다. "길이 척도를 연결하기 위해 다양한 모델링 기술을 결합한 Michigan Tech에서 개발한 다중 척도 모델을 사용하여 우리는 두 가지 현상에 대해 매우 상세한 조사를 수행했습니다."

하나는 화학적 이질성인데, 이는 물질의 서로 다른 원소의 원자가 나노 규모에서 어떻게 분포되어 있는지를 설명합니다. 서로 다른 원자 위치와 이들이 차지하는 위치가 압전 반응에 중요하기 때문에 이는 중요합니다. 두 번째는 이방성, 즉 결정학적 방향의 영향입니다. 이는 재료의 압전 특성이 특정 결정학적 방향을 따라 더 높기 때문에 중요합니다.

"재료가 입방체와 같다고 상상해 보십시오. 입방체에는 서로 다른 축, 정면 대각선 및 몸체 대각선이 있으므로 압전 반응은 이러한 모든 방향에 걸쳐 변합니다."라고 미시간 기술 대학 재료 과학 및 공학 교수 Yu U. Wang은 말합니다. 대학이 말했다. "그래서 우리는 특정 결정학적 축을 따라 세라믹 재료의 모든 입자를 정렬함으로써 매우 높은 압전 반응을 얻을 수 있음을 보여줍니다. 우리는 세라믹 재료에서 매우 높은 양의 국지적 이질성과 매우 높은 입자 방향을 생성했습니다. 이 두 가지 기본 제어 매개변수의 조합은 세라믹의 높은 압전 반응을 가져왔습니다."

연구진은 세라믹에 희토류 원소인 유로퓸을 소량 첨가하면 유로퓨움이 입방 격자의 모서리를 차지한다는 사실을 발견했습니다. 이는 높은 압전 반응에 필요한 재료의 화학적 이질성을 생성합니다. 연구진은 결정립의 99%를 방향을 지정함으로써 반응을 더욱 증폭시킬 수 있었습니다.

이 두 가지 효과의 조합은 이전에 연구된 적이 없다고 재료 과학 및 공학 부교수이자 본 연구의 주요 저자인 Yongke Yan에 따르면.