(과학 기술 10) '진동 센서'-지문 해설, 대비 18문제(2024 수능특강 적용 학습 기출 및 변형)

 

 

[01~06] 다음 글을 읽고 물음에 답하시오.

 

일반적으로 어떤 물체가 기준 위치에 대해 반복 운동을 할 때 그물체는 진동한다고 말하고 이러한 진동의 패턴이 반복되는 시간을 주기라고 한다. 1초 동안에 주기가 반복되는 횟수를 주파수라고 말하며, 단위는 헤르츠(Hz)를 사용한다. 일상생활이나 산업 현장에는 다양한 진동이 있다. 특히 산업 현장의 생산 설비에서 발생하는 진동은 제품의 수율*을 감소시킨다. 특히 초미세 공정이 요구되는 생산 공정에서는 진동으로 인한 불량품 비율의 증가와 생산 비용 증가 등의 문제를 야기하며 작업자에게도 큰 해를 입힐 수 있다. 따라서 진동을 감지하는 진동 센서 기술은 불량을 ⓐ막는 데 중요한 기술로 자리 잡고 있다.

 

진동 센서는 일반적으로 압전 효과를 이용한다. 압전 효과란 1880년 프랑스의 퀴리(Curie) 형제가 처음으로 발견한 것으로, 기계적인 외력이 재료에 가해져 재료가 기계적으로 변형되면 전압이 발생하는 경우와, 반대로 재료에 전압이 걸리면 기계적인 변형이 생기는 경우를 모두 아우르는 말이다. 외력으로 인한 재료의 변형으로 전기가 발생하는 것을 직접 효과 또는 1차 압전 효과라고 하며, 역으로 전기를 가하면 재료의 변형이 생기는 것을 역압전 효과 또는 2차 압전 효과라고 한다. 진동 센서는 직접 효과 또는 1차 압전 효과를 이용한다. 위의 <그림>을 ⓑ보면 압전 효과를 이해할 수 있다. <그림>은 압전 효과를 ⓒ나타내는 대표적인 압전 물질인 수정 결정의 모식도이다. <그림>과 같이 화살표 방향으로 힘을 가하여 수정 결정을 인장하거나 압축하면 (+) 이온과 (-) 이온의 상대적 위치의 변화로 전하의 쏠림 현상, 즉 분극 현상이 생겨 수정 결정에 전기장이 형성된다. 이처럼 변형에 따른 분극 현상으로 전기장이 생성되는 것이 압전 물질의 전기장 생성의 중요한 원리이다. 압전 물질의 인장 상황과 압축 상황에서의 전기장의 방향은 서로 반대이며 수정 결정의 변형 정도가 클수록 형성되는 전기장이 더 크게 형성된다. 이와 같은 압전 효과에 의해 생성된 전기장을 측정하는 것이 진동 센서의 원리이다. 진동 센서의 성능은 민감도로 나타낸다. 진동 센서의 민감도가 클수록 그 센서는 고성능 센서로 여겨진다.

 

 

 

[해설]

진동 센서

{해제}

진동 센서는 일반적으로 압전 효과를 이용하며 압전 효과란 외력으로 인한 재료 변형으로 전기가 발생하는 1차 압전 효과와 전기를 가하면 재료에 변형이 생기는 2차 압전 효과로 나눌 수 있다. 그리고 일반적인 진동 센서는 1차 압전 효과를 이용한다. 압전 물질의 대표적인 예로 수정 결정이 있는데 수정 결정의 축을 따라 인장하거나 압축하면 분극 현상이 생겨 수정 결정에 전기장이 형성된다. 이와 같은 압전 효과에 의해 생성된 전기장을 측정하는 것이 진동 센서의 원리이다. 진동센서의 성능은 민감도로 나타나는데 단위 압력당 생성된 전압으로 표현하는 것이 바람직하다. 최근에는 민감도가 우수한 거미 모방 진동 센서가 주목받고 있다. 거미 모방 진동 센서에 진동이 가해지면 백금 박막 간의 접촉 면적이 변하는데 일정 전압에서 진동이 커질수록 전기 저항이 커진다. 반도체 산업과 같이 초미세 구조를 만드는 공정에서 미세한 진동은 소자 불량의 원인이 되므로 우수한 진동 센서는 필수적이고 중요한 역할을 한다.

 

SMALL

 

 

{주제}

압전 효과와 이를 이용한 진동 센서

{구성}

•1문단: 진동의 정의와 산업 현장에서 진동의 문제점

•2문단: 압전 효과의 정의

•3문단: 압전 효과의 원리와 진동 센서의 민감도

•4문단: 거미 모방 진동 센서의 등장

•5문단: 성능이 우수한 진동 센서의 필요성

 

 

 

(과학 기술 10) '진동 센서'-지문 해설, 대비 18문제(2024 수능특강 적용 학습 기출 및 변형)

 

 

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