결정체에서 전기를 짜내는 방법|아쉬위니 바라툴라(Ashiwini Bharathula)

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공상과학소설 이야기처럼 들리겠지만 만약 여러분이 설탕결정에 압력을 가하면 전기가 생겨납니다. 설탕은 압전성을 가지고 있어 간단한 결정이 작은 건전지의 역할을 할 수 있습니다. Ashwini Bharathula 는 압전물질들이 압력이나 음파, 여타 진동과 같은 기계적에너지를 전력으로 또 전력을 기계적 에너지로 바꾸는지 설명합니다.

강의 - Ashwini Bharathula
애니메이션 - Karrot Animation.

이것은 설탕 덩어리입니다.

여기에 압력을 가하면 설탕 덩어리는
전기를 만들어냅니다.

어떻게 이런 간단한 결정체가
작은 건전지처럼 행동하는 걸까요?

그 이유는 설탕이
압전물질이기 때문입니다.

압전물질은 압력, 음파, 진동과 같은
기계적 힘을 전력으로 바꿔주고

역으로 전력 또한
기계적 힘으로 바꿔줄 수 있습니다.

이러한 현상은 1880년 물리학자 피에르 퀴리,
자크 퀴리 형제에 의해 발견되었습니다.

그들은 특정 물질의
얇은 조각에 압력을 가하면

조각 양면에 각각 양전하와 음전하가
생긴다는 것을 발견했습니다.

이러한 전위차 또는 전압은
압력을 받는 결정체가

마치 배터리처럼 회로에 전류를
흐르게 할 수 있다는 것을 의미합니다.

이 또한 역으로도 성립합니다.

결정에 전류를 흐르게 하면
결정의 모양이 변합니다.

이렇게 기계적 에너지를
전기적 에너지로,

전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꿀 수
있다는 것은 놀라웠습니다.

하지만 이러한 발견은 몇 십년간
그다지 주목받지 못했습니다.

이것이 1차 세계대전 당시 독일의 잠수함 탐지를 위해
수중 음파 탐지기로 처음 쓰였습니다.

소나 송신기에 있는
압전성을 띈 석영 결정은

교류 전압을 받으면 진동을 발생시켜
물속으로 초음파를 쏘는데 사용되었습니다.

초음파가 대상에 부딪힌 뒤 반사되어
돌아오기까지 걸리는 시간을 측정해

대상이 얼마나 멀리있는지
파악할 수 있었습니다.

기계적 힘을 전기적 힘으로
바꾸는 경우를 생각해보면

박수를 쳐 켜고 끌 수 있는
전등을 생각하면 됩니다.

박수를 치면 음파가 공기를 지나
압전성 부품에 도달해 이를 진동시키면

전류가 흐르기 시작하게 하는
전압이 발생해 LED등이 켜집니다.

물론 전류를 계속 흐르게 하는
전원은 따로 존재 합니다.

그렇다면 왜 어떤 물질은
압전성을 띄는 것일까요?

답은 두 가지 요소로
설명할 수 있습니다.

물질의 원자 구조와
그 안의 부분 전하입니다.

많은 물질은 결정구조를 갖고 있는데

원자와 이온들이 규칙적인 3차원 배열을
가지고 있다는 것을 말합니다.

이러한 패턴은 반복되는
단위구조로 분리할 수 있습니다.

대부분의 비압전성 결정 물질은 단위 구조 안의 원자들이
중앙을 중심으로 대칭을 이루고 있습니다.

하치만 몇몇 결정 물질은
대칭이 아니어서

압전성을 띌 수 있습니다.

석영을 예로 들면,

석영은 규소와 산소로 이루어져있는데

산소는 약한 음전하를,
규소는 약한 양전하를 띄어,

각 연결 고리는 전극이
분리된 쌍극자가 됩니다.

보통 쌍극자들은 서로의 전하를 상쇄해서

결과적으로 단위 구조 전체적으로
전위차는 없습니다.

하지만 석영 결정이
한 방향으로 압축되면

원자 구조의 모양이 변합니다.

그 결과 전하 분포의 대칭이 깨져서

쌍극자들이 서로를 상쇄하지 못합니다.

이렇게 압력을 받은
단위 구조들은 한 면엔 음전하를

다른 한 면에는 양전하를 띄게 됩니다.

이런 전위차가 물질 전체에 걸쳐 나타나면

물질의 반대 면에 각각 전극이 생기고

그 결과 전류를 흐르게 할 수 있는
전압이 발생합니다.

압전성을 가진 물질들은 다양한
원자 구조를 가지고 있을 수 있습니다.

하지만 그 구조가 대칭의
중심점이 없다는 공통점을 가집니다.

그리고 결정체에 가해지는
압력이 크면 클수록

더 큰 전압이 생성됩니다.

결정체를 당기면 전압은
반대 방향으로 생겨

전류가 반대 방향으로 흐르게 됩니다.

여러분이 생각하는 것보다
압전성을 가진 물질은 많습니다.

DNA, 뼈, 비단 등

이 물질들은 모두 기계적 힘을
전기적 힘으로 바꿀 수 있습니다.

과학자들은 다양한 압전 물질을 합성해내

의료영상기기에서 잉크젯 프린터까지
그것들을 다양하게 활용하고 있습니다.

시계 내부 석영 결정의 규칙적인 진동을 만들어내
시계가 움직이게 하는 것 역시 같은 원리입니다.

생일 축하 카드의 스피커,

라이터 가스에 불을 붙이는
스파크도 마찬가지이고요.

전기의 수요는 많고
기계적 에너지는 풍부하기 때문에

압전성 물질을 이용한 발전 장치는
점점 늘어날 것입니다.

이미 승객들의 걸음으로 개찰구와 전광판에 전원을
공급하는 이용하는 기차역도 있습니다.

또 사람들의 스텝으로
조명을 밝히는 클럽도 있습니다.

농구 선수들이 열심히 뛰어 다니면서
득점판을 밝힐 수 있지 않을까요?

아니면 걸어다니면서 전자기기를
충전할 수도 있을 것입니다.

압전 물질을 이용한 다른
아이디어는 무엇이 있을까요?