역(力)으로 전기를 생산한다, 압전소자!

 어린이들이 신고 다니는 운동화 중에 걸을 때마다 뒤꿈치 부분에서 불빛이 번쩍번쩍 들어오는 것이 있고 나 역시도 어렸을 때 신어봤던 기억이 있다. 이러한 신발은 어떤 원리를 이용해서 만들어질까? 바로 압력을 전기 에너지로 바꿔 주는 압전 소자를 이용한 것이다. 한마디로 압전 소자 (piezoelectric effect element)는 외부로부터 압력이나 충격을 받으면 전압이 발생하는 소자이다.

 

＃압전소자란?

 

[그림 1. 압전효과의 원리]

 

출처 :  (CC)Mael Guennou - Titzeff at Wikipedia.org

 압전 소자는 피에조라는 사람이 개발하여 피에조 전기 소자라고도 불린다. 즉, 해당 소재에 압축 또는 인장과 같은 기계적 변화를 가하면 전기적인 신호가 발생하는 1차 압전효과가 일어나고 거꾸로 전기적인 신호를 가하면 기계적인 변화가 발생하는 2차 압전효과 또는 역압전 효과가 일어난다. 1차 압전효과는 1880년 피에르 퀴리(퀴리 부인의 남편) , 자크 퀴리 형제에 의해서 알려지게 되고 2차 압전효과는 1881년 가브리엘 리프칸에 의해 수학적으로 추론되게 되고 다시 퀴리 형제에 의해 압전 결정의 전기 신호에 의한 변화값이 계산 가능해지고 압전 상수가 도출된다.

 

[사진 1. 전기 라이터의 점화]

출처 : sxc.hu

 대표적으로 가장 잘 알려진 압전 효과를 응용한 것은 전기 라이터이다. 라이터를 켜기 위해 엄지 손가락으로 스프링 버튼을 누르면 라이터 내부의 작은 망치가 압전 소자를 때리게 되고 이 때 압전 소자에서 발생한 높은 전압의 전기가 미리 만들어 둔 전기 회로 내 간극에 스파크를 발생시키게 되고 스파크를 이용해 가스를 점화시킨다.

 

＃압전효과의 원리는?

[그림 2. 티탄산바륨(BaTiO3) 결정격자]

출처 : navercast

 자연계 대부분의 물질은 전체적으로 양과 음의 전하량이 같아 전기적으로 중성을 나타내지만 결정 구조의 단위로 보면 양의 전하와 음의 전하의 위치가 약간 어긋나 있어, 주변에 전기장을 형성시키는 경우가 있는데 이를 전기쌍극자(electric dipole)라고 한다. 즉, 각 이온들의 전기적인 비대칭성이 전기쌍극자 효과를 일으키고 물리적인 외부 응력을 받으면 분자 혹은 이온이 상태변화가 발생하여 주변의 전기장이 바뀌게 된다. 이러한 원리를 통해 압전 소자에 연결된 전기 회로에는 전기가 발생한다.

 

＃압전소자의 활용 방안

[그림 3. 압전 에너지 이용]

출처 : http://blog.naver.com/i0s/220330085229

 압전소자는 압력을 가하면 전기가 발생되기 때문에 여러 분야에서 활용될 수 있고 발전할 수 있다. 

 

1. 고속도로를 발전소로?

[사진 2. 고속도로를 발전소로 만드는 기술 도식도]

출처 : http://cafe.naver.com/iloveroad/6799

 고속도로를 발전소로 만드는 기술인 "도로교통 미활용 에너지 이용을 위한 압전 에너지 하베스터 개발과 실증" 은 압전 소자를 도로에 설치하여 차량 통행으로 발생하는 압력을 전력으로 전환하여 저장해 전력원으로 활용하는 기술이다. 즉, 압력, 충격, 진동과 같은 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 친환경 발전 시스템인 것이다.

 

2. 마이크

[사진 3. 마이크]

출처 : 한화케미칼 리포트

 압전소자는 소리를 감지하는 센서에도 많이 사용된다. 소리를 내는 것도 결국 진동이 만들어내는 것이므로 소리의 진동이 압전소자에 전달되면 전기 에너지가 발생하여 기계로 소리를 감지할 수 있고 이러한 원리로 마이크가 제작되고 있다. 또한 역압전 효과를 통하여 전기 에너지를 진동(압력)으로 만들 수 있고 이러한 성질로 스피커도 제작할 수 있다.

 

3. 에어백

[사진 4. 에어백]

출처 : 전기안전공사 블로그

 차량이 갑자기 감속시, 관성의 원리로 에어백 안에 있는 충돌 센서가 압전체에 압력을 가하여 전류가 흘려 보내지고 이 전류가 압축되었던 가스와 만나 에어백 안에서 폭발을 하게 되어 에어백이 부풀려지게 된다. 이 때 압전체가 전류를 흘려 보내는 속도가 매우 신속하기 때문에 빠르게 부풀려진 에어백이 차량과 사람간의 충격을 완화시켜 사고를 예방한다. 최근에는 압력을 감지하는 기술이 다양하게 이루어져 사고를 예방하기 위해 더 많은 노력이 이루어지고 있다.

 

 즉, 압전소자는 압력을 가하면 전기를 생산할 수 있기 때문에 이 외에도 많은 곳에 사용될 수 있고 앞으로 발전 방안도 무궁무진하다고 생각된다. 특히 지구온난화, 화석연료의 고갈과 문제점으로 인해 신재생 에너지가 많이 대두되고 있는 시점에서 압전소자 또한 친환경적인 에너지 전환 방식으로 많은 사람들의 관심을 받고 있다. 압전 효과로 인해 얻어진 전력을 에너지 하베스팅 기술로 저장하여 독립적인 전력원으로 사용할 수도 있고 에너지 변환 효율이 크기 때문에 에너지 효율을 크게 향상시킬 수도 있는 가능성을 가지고 있다. 넓은 응용 범위를 가지고 있고 소형화 및 경량화가 가능하기 때문에 압전소자는 높은 가치를 가지고 있고 많은 사람들이 주목하고 있는 추세이다.