비규산염 세라믹 계열에서 산화물 세라믹에 관한 설명입니다. 즉, 금속과 비금속의 결합으로 이루어지는 세라믹에서 비금속으로 산소가 들어가 있죠. 산화물 세라믹들은 전기전자 분야에서 주로 소자나 부품이 올라가는 기판(substrate), 커패시터에 들어가는 유전체(dielectric), 그리고 응력과 전압을 상호 변화하는 압전체(piezoelectric) 그리고 센서용 재료 등으로 활발히 활용되고 있습니다. 그런데, 커패시터와 콘덴서의 차이는 무얼까? 커패시터는 이론적으로 정전용량만을 가지는 이상적인 소자, 콘덴서는 저항과 인덕턴스까지 존재하는 실제 기판에 부착하는 소자라고 하면 될까요? 학술적으로는 커패시터와 콘덴서를 구분하는 경향이 있지만 대부분의 전기 전자공학에서는 콘덴서를 커패시터와 구분하지 않으며 둘의 차이점은 없다고 봐도 무방합니다. 여하튼 산화물 세라믹에서 산화 알루미늄(알루미나, alumina)과 티탄산 바륨(barium titanate)을 대상으로 설명을 이어갑니다. 이들은 공히 결정질이며 비정질 재료들도 존재합니다.
산화 알루미늄은 알루미늄 원자 두개와 산소원자 세개가 이온 결합으로 이루어진 물질입니다. 알루미늄을 함유한 광석인 보크사이트로부터 알루미늄과 산소를 분리하기가 어려웠고, 그래서 산화 알루미늄은 한때 원소로 취급받았을만큼 알루미늄과 산소의 결합이 강하죠. 산화 알루미늄은 산업에서 알루미나로 부르며, 세라믹의 재료로 여러가지 산업재 생산에 사용되어 고강도, 내마모성, 절연특성 등이 좋습니다. 특히 흥미로운 점은 전기 전도도는 낮은 반면에 열 전도도는 비교적 높죠. 따라서 소자간 절연을 하면서도 소자 동작시 발생하는 열을 잘 제거할 수 있어서 전자 소자나 부품을 탑재하는 기판의 용도로 적합하며, 많이 사용되고 있습니다.
티탄산 바륨(barium titanate)은 커패시터, 콘덴서의 유전체로 사용합니다. 그리고 압전 물질이기도 하죠. 바륨 원자 한개, 티타늄 원자 한개, 그리고 산소 원자 세개가 모여 하나의 분자를 형성합니다. 이 결정의 단위 격자는 면심 입방과 체심 입방 구조가 혼합되어서 만들어지죠. 즉, 바륨 양이온들이 단순 입방 구조로 배치되면, 티타늄 양이온이 체심 입방체의 정가운데, 그리고 산소 음이온들이 면심, 즉 여섯개 면의 중심에 놓여지게 되죠. 페로브스카이트(perovskite) 구조의 일종이죠. 페로브스카이트는 1830년대에 러시아 우랄 산맥에서 발견된 광물에 붙여진 이름으로 러시아 광물학자 레프 페로브스키(Lev Perovski)의 이름을 따랐죠. 이후 티탄산 칼슘의 결정 구조가 밝혀지면서 같은 유형을 가진 물질들을 칭하는 용어로 사용됩니다. 즉, AMX(3)의 화학식을 가진 재료로 두 종류(A, M)의 양이온과 한 종류(X)의 음이온이 결합하여 A 양이온들은 단순 입방 격자의 각 꼭지점, M 이온은 체심 입방체의 정가운데, 그리고 X 음이온들은 면심, 즉 여섯개 면의 중심에 위치합니다.
티탄산 바륨은 강유전체(強誘電體, ferroelectrics), 즉 외부의 전기장이 없어도 분극 특성(자발 분극, spontaneous polarization)을 가지며 외부 전기장에 의하여 분극의 방향이 바뀔 수 있는 물질입니다. 상온에서는 정방정(tetragonal) 결정 구조를 가지며 티타늄 양이온이 산소 음이온들의 중심보다 약간 어긋나 있어서 자발 분극을 갖게 되며, 섭씨 120도 이상에서는 결정 구조가 입방정(cubic)으로 바뀌면서 자발 분극이 사라지게 되죠. 이와 같이 강유전성(ferroelectricity)을 잃어버리는 온도를 퀴리 온도(Curie temperature)라 하며, 상전이 온도에 해당합니다. 강유전(ferroelectric)이라는 용어는 강자성(ferromagnetic)이라는 용어에서부터 나왔습니다. Ferro-는 철(iron)을 뜻하는데 강유전성의 많은 현상들이 강자성 현상과 비슷하여 붙여진 이름이죠, 그래서 중국이나 싱가포르 등에서는 한국이나 일본에서 사용하는 강유전(強誘電)이라는 용어 대신에 Ferroelectric을 직역하여 철전(鐵電)이라는 용어를 사용합니다. 그러나 실제로 강유전체 재료들 중에서 철(Fe)이 포함된 재료는 거의 없죠.
한편, 강유전체는 강자성체와 비슷한 이력 곡선(Hysteresis loop)을 외부 전기장, E에 따른 분극값, P의 변화를 나타낸 그래프에서 보여줍니다. 설령 상온에서 강유전체이더라도 각각의 영역(Ferroelectric domain)들로 이루어져 있어 외부 전기장이 없을 경우에는 평균값, 0을 가지게 되죠. 외부 전기장이 증가하면서 이에 따른 영역들이 늘어나고 따라서 분극값이 증가하며, 일정한 전기장값에 이르면 분극값이 포화되면서 외부 전기장에 따른 선형적인 증가만 나타납니다. 이 때의 분극값을 포화 분극(saturation polarization, Ps)이라고 하죠. 다시 전기장을 감소시켜 전기장값을 0에 이르게 하더라도 분극값이 0으로 돌아가지 않고 일정한 값을 가지며, 이는 잔류 분극(remanent polarization, Pr)에 해당합니다. 분극값이 0이 되기 위해서는 전기장을 반대 방향으로 더 인가해주어야 하며, 이 때의 전기장값이 항 전기장(Coercive field, Ec)입니다. 전기장을 반대 방향으로 전기장을 더 증가시키면 역시 대칭형으로 분극값이 포화되되며, 다시 원래의 방향으로 전기장을 인가해 주면 포화 분극이 될 때 하나의 폐곡선(closed loop)을 이루게 되죠. 이러한 이력 곡선은 강자성체의 경우와 매우 유사하며 강유전체를 나타내는 가장 대표적인 특징입니다.
전기장이 인가되면 강유전체인 티탄산 바륨의 각 분자(분극 도메인)들이 전기장 방향에 따라 배열이 시작되고 전기장의 크기에 따라 분극의 정도가 변화합니다. 즉, 포화 전기장일 경우 모든 도메인들이 전기장에 따라 분극화되는 포화 분극이 일어나고, 이후 전기장이 0으로 없어지더라도 일부 도메인들은 잔류 분극으로 남아있으며, 전기장을 반대 방향으로 항 전기장까지 인가하여야만 도메인들의 절반이 반대 분극을 가져 상호 상쇄가 됨으로써 전체 분극은 0이 됩니다. 전기장을 인가하기 전의 무작위(random) 분극 상태로 돌아오기 위해서는 반대 전기장을 인가하여야만 하는 것이죠. 그리고 반대 전기장을 더욱 증가시키면 모든 분극 도메인들이 반대, 즉 대칭형 분극이 일어나면서 역시 포화 분극이 일어나고, 이와 같은 과정을 반복하면서 전기장과 분극 간의 이력 곡선이 얻어집니다. 이러한 강유전성 및 이력 곡선 현상은 커패시터의 용량을 증가시키는데 큰 역할을 하며, 이는 뒤를 이어서 설명하고자 합니다.
다음으로, 압전 특성입니다. 압전(壓電, piezo-electric)의 ‘piezo’란 용어는 그리스의 ‘누른다’는 뜻을 가진 ‘piezein’에서 유래한 말이며, 'piezo-electric'은 응력이 가해지면 전기(전압) 발생한다는 뜻입니다. 역으로 전압(전기)을 인가하면 응력에 따른 변형이 일어나고, 전압을 변화시키면 진동도 만들 수 있죠. 이러한 압전 현상, 특히 응력에 의해 전압을 발생시키는 1차 압전 효과는 1880년 프랑스의 퀴리 형제(Jacque and Pierre Curie)가 처음 발견하였습니다. 그리고 이듬해에 가브리엘 리프만이 응력과 변형에 의해 전압이 발생하는 2차 압전 효과를 발견하였죠.
원리를 살펴보면 지구상에 존재하는 대부분의 물질은 양 전하량과 음 전하량이 같기 때문에 중성을 띄게 됩니다. 하지만 양전하와 음전하의 위치가 어긋나게 되면 전기장이 형성되는데 이를 ‘전기 쌍극자’라고 합니다. 이러한 전기쌍극자를 가진 물질에 외부의 압력이 가해지면 이미 어긋나있는 두 분자 혹은 이온들 위치나 배치가 바뀌게 되고, 결정 구조가 찌그러지면서 전기 쌍극자의 크기도 달라져서 전기장의 변화가 일어납니다. 이러한 압전 효과는 티탄산 바륨과 같이 대칭 중심이 없는 결정족에서 주로 나타나며, 기계적인 응력만으로도 분극이 발생하는데 이는 압전 효과의 원인이 되죠. 또한 압전성 결정에 전계를 인가하면 기계적인 변형이 발생하며 전계의 방향을 반대로 하면 변형의 방향도 변화합니다.
가스레인지, 라이터, 심지어 카메라 줌 렌즈까지 이 모든 것에는 ‘압전 효과’가 적용되고 있습니다. 압전 효과는 ‘1차 압전 효과’와 ‘2차 압전 효과’로 나뉘어 설명할 수 있는데 ‘1차 압전 효과’란, 물체에 힘을 가하여 순간에 전압을 일으키고, 그 전압으로 인해 전기적인 신호가 발생하는 것이며, ‘2차 압전 효과(역압전 효과)’는 전기적인 신호를 가했을 때 발생하는 기계적인 변화를 뜻합니다. ‘압전효과’는 발견 초기에 전축 홈의 미세한 움직임을 소리로 바꿔주는 픽업으로 사용됐으며 현재까지도 스피커, 초음파 탐지기, 속도계 등 정밀하고 섬세한 작업에 응용되고 있습니다.
압전효과가 우리 일상 생활에서 사용되는 대표적인 예로 가스레인지 점화 과정을 들 수 있습니다. 가스레인지에 불을 붙이기 위해서는 점화 스위치를 비틀거나 누르게 되죠? 이 때 압력이 가해져 전기가 만들어지고 불이 붙는 것입니다. 라이터도 형태는 다르지만 원리는 같죠. 라이터 내부에 설치된 압전소자에 엄지로 누르는 힘이 가해지며 전압이 발생하며 이로 인하여 좁은 전극간에 스파크가 일어나고 그 불꽃으로 가스가 점화됩니다.
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