チタン酸ジルコン酸鉛

チタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の概要

チタン酸ジルコン酸[鉛]は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶からなる三元系金属酸化物です。1952年、東京工業大学において高木豊氏、白根元氏、沢口悦郎氏らの研究グループによって発見されました。組成式はPb(Zrx,Ti1-x)O3で表され、xの値によって結晶構造や特性が変化します。特にxが約0.525の近傍では、正方晶と菱面体晶のモルフォトロピック相境界が存在し、この組成比において最高の圧電特性を示すことが知られています。

PZTの優れた特性

PZTは、ペロブスカイト型結晶構造を有し、その結晶構造が圧電効果、誘電率、強誘電性といった優れた特性の発現に大きく寄与しています。

圧電性: 機械的な力を加えると電気を発生し、逆に電圧を加えると変形する性質です。この圧電効果はPZTにおいて非常に大きく、アクチュエータやセンサーなどへの応用が可能です。
誘電率: 電場に対する分極のしやすさを示す指標であり、PZTは高い誘電率を示します。コンデンサなどの電子部品への応用が期待されます。
強誘電性: 電場を取り除いても分極が残り、電気分極の向きを反転させることができる性質です。強誘電体メモリ(FeRAM)への応用研究が盛んに行われています。

PZTの用途

PZTの優れた特性を活かした用途は多岐に渡ります。

アクチュエータ: 電圧を加えることで変形させることで、精密な位置制御を行うデバイスに使用されます。インクジェットプリンターのヘッドや、精密機械の駆動部などに応用されています。
センサー: 圧力や加速度などの物理量を電気信号に変換するデバイスに使用されます。各種センサ、超音波診断装置などに使用されています。
振動吸収材: PZTは振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができるため、振動吸収材としても利用されます。
* 強誘電体メモリ(FeRAM): 強誘電体の分極反転を利用した不揮発性メモリです。高速動作、低消費電力といった特徴があり、今後の発展が期待されています。

RoHS指令とPZT

PZTは鉛を含むため、RoHS指令（特定有害物質の使用制限指令）の対象物質となります。しかし、現在においてはPZTに匹敵する圧電特性を有する代替材料が存在しないため、RoHS指令の適用除外となっています。今後の技術革新により、鉛を含まない代替材料の開発が期待されていますが、現状ではPZTの有用性、必要性が非常に高いと言えます。

まとめ

チタン酸ジルコン酸[鉛]は、その優れた圧電性、誘電率、強誘電性から、アクチュエータ、センサー、振動吸収材、強誘電体メモリなど様々な分野で活用されている重要な物質です。鉛を含有するという課題はありますが、代替材料の開発が進むまでは、その優れた特性から今後も広く利用されていくものと考えられます。今後の研究開発によって、より高性能で環境に配慮した材料の開発が期待されます。

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