충격파는 보통의 음속보다도 빠르게 전파되는, 공기 중에 생긴 급속한 압축파. 화약이 폭발하거나 물체가 초음속으로 날아갈 때 생긴다. 1000분의 1에서 100만 분의 1초의 짧은 시간 동안 최댓값에 이르고 소멸하는 전류. 벼락이 떨어질 때의 전류 따위를 이른다. 즉, 강한 충격에 의해 발생하는 파동을 말하는 것으로 압력, 온도, 밀도의 큰 변화를 수반하는 진폭이 큰 압축파를 말한다.
체외충격파 치료는 몸 밖에서 인위적으로 충격파를 발생시켜 체내에 기계적인 자극을 가하면서 몸속의 만성질환을 치료한다. 체외충격파는 다양한 질환 치료에 쓰이고 있으며, 테니스 엘보, 골프 엘보 등의 각종 관절 질환, 발에 발생하는 족저근막염, 아킬레스 건염, 근육통, 석회질 건염뿐만 아니라 콩팥이나 요관결석 등을 치료하는 데에도 쓰인다.
압전 효과
초음파가 인체 내부로 방출되면 인체 조직이 미세하게 진동하면서 여러 가지 의학적 현상이 동반된다. 인체 조직에 진동을 이용하여 인체 세포를 활성화하거나 파괴하고, 조직 간 반사 특성을 이용하여 영상 진단이 가능하다. 또한 도플러 효과를 이용하여 심장, 태아 등의 진단도 가능하다.
전자 유도 현상
전자 유도 현상은 다이나믹 스피커와 같은 방식으로 자기장의 전자가 받는 힘(로렌츠의 힘)을 이용한다.
주파수가 높은 영역에서는 효율이 낮아 최근에는 잘 사용하지 않는다.
자왜 현상
페라이트 구조물에 코일을 감아 전류를 흘리면 물리적 성질이나 구조물의 공진에 의해 결정되는 고유 진동수가 발생하여 음파를 발생시키는데, 이러한 현상을 자왜 현상이라고 한다.
압전 효과
압전 효과는 압전 소자에 외부에서 압력이 인가되면 전하가 발생되는 정효과(아래 그림1)와 반대로 전압을 인가하면 변형이 발생하는 역효과(아래 그림2)로 구분할 수 있다.
압전 소자는 수정, 롯셀염 등의 천연 물질과 티탄산바륨(BaTiO3), 또는 티탄산연(PbZrTiO3, PZT)등이 있으나 최근에는 특성이 가장 좋은 PZT를 주로 사용한다.
압전 정효과 ( 그림 1 )
압전 역효과 ( 그림 2 )
압전 특성
거의 모든 고체 물질은 결정 구조를 가지고 있으며. 32개의 결정군 중에서 20개의 비대칭 그룹의 전기적 부도체 특성을 갖는 결정은 압전 특성이 있다. 이 중 10개의 군은 자발 분극이 존재하는 초전성(Pyroelectric ; 온도가 변하면 분극이 생기는 특성) 결정이며, 전계에 의해 분극의 방향이 바뀌는 것을 강유전성이라고 하는데 압전 현상은 강유전성의 결정 체에 존재한다.
강유전체의 대표적인 결정구조를 아래 그림으로 표현하였다.
Ti/Zr 이온이 육면체의 중심에 있고 꼭짓점에 Pb, 6개 면 중심에 산소가 있는 구조이다.(Perovskite 구조) 이런 재료를 PZT라고 하며 가장 대표적인 압전 재료이다. 이는 상온에서는 그림의 우측과 같이 Ti/Zr 이온이 정확히 중심에 위치하지 않고 약간 위쪽에 위치한다. 이로 인해 쌍극자(dipole)가 존재하게 되며 전계를 인가하면 쌍극자의 신축이 발생되어 압전 특성이 나타난다. 이런 특성이 있기 때문에 압전의 정효과 및 역효과가 존재할 수 있다.
큐리 온도(PZT의 경우 약 330℃) 이상에서는 좌측 그림과 같이 정 중앙에 위치하게 되어 압전 특성을 잃는다. 압전 현상을 정량적으로 수식화하는 데는 전기-기계 변환 인자를 통하여 표시할 수 있는 압전 방정식을 활용하는데, 이는 좀 복잡해지므로 여기에서는 생략하겠다.
분극
PZT와 같은 강유전체는 소결(sintering)을 통한 고상 반응으로 한 덩어리가 되어 결정을 이루게 되어 아래 좌측 그림과 같은 상태의 dipole 배치를 갖는다.
여기에 강한 DC 전계를 인가하면 dipole이 전계 방향으로 정렬되어 아래 중앙 그림과 같은 상태가 된다. 이후 외부 전계를 제거하여도 아래 우측 그림과 같이 잔류 분극이 존재하기 때문에 이 강유전체는 비로소 압전 특성을 갖게 된다. 이런 과정을 분극이라 한다.
