생활 속의 압전효과와 안전

자동차, 가스레인지, 휴대전화, 가습기…. 우리 생활 곳곳에서 사용되고 있는 필수품들이다. 이들의 공통점은 뭘까. 압력을 가하면 전기가 나오고 전기를 흘리면 진동하는, 압전효과를 일으키는 ‘마법의 물질’ 압전체가 들어 있다는 점이다. 압전체는 어떻게 전기를 만들어낼까. 생활 속에 숨어 있는 압전효과의 원리를 알아보자. 

운전자 생명 구하는 에어백의 압전효과 원리

에어백은 안전벨트와 함께 가장 널리 쓰이는 차량 안전장치로, 센서가 충돌을 감지할 때 작동한다. 에어백은 사람이 눈을 깜 박이는 데 걸리는 시간(0.2초)보다도 더 짧은 시간(0.03초)에 반응한다. 에어백의 센서는 자동차의 충돌을 감지하면 0.03초 안에 에어백을 터트릴지의 여부를 판단해 다시 0.03초 안에 에 어백을 완전히 부풀린다. 에어백이 부풀어 오르는 빠르기를 속 도로 환산하면 시속 200~300㎞에 이른다.

에어백은 어떻게 눈 깜짝할 사이에 팽창할까. 이는 바로 에어 백의 가속도센서에 들어 있는 압전체의 압전효과 때문이다. 압 전효과는 외부에서 특정 물질에 압력과 진동(기계에너지)을 가하면 전기가 만들어지고, 전기를 흘리면 진동이 생기는 것을 말한다. 다시 말해 압전체를 매개로 기계적 에너지와 전기적 에너지가 상호 변환하는 작용이다. 압력이나 진동을 받아 전기 를 생성하는 물질을 압전체라고 한다. 압전체를 아주 잘 휠 수 38 자동차, 가스레인지, 휴대전화, 가습기…. 우리 생활 곳곳에서 사용되고 있는 필수품들이다. 이들의 공통점은 뭘까. 압력을 가하면 전기가 나오고 전기를 흘리면 진동하는, 압전효과를 일으키는 ‘마법의 물질’ 압전체가 들어 있다는 점이다. 압전체는 어떻게 전기를 만들어낼까. 생활 속에 숨어 있는 압전효과의 원리를 알아보자. 39 38 2013 November vol.291 있도록 얇게 만들면 자동차가 가속될 때 변형이 일어나는데, 이때 압전체에서 생긴 전압을 측정해 가속도를 알 수 있다. 이 런 가속도센서가 충돌사고를 감지해 에어백을 터트린다. 

에어백이 완전히 부푼 뒤에는 표면에 뚫려 있는 미세한 구 멍과 배기구로 질소기체가 순식간에 빠져나가, 탑승자가 에어 백에 부딪힐 때 받는 충격을 줄이고 질식사하는 일도 막는다. 그렇다면 이러한 안전기술을 뒷받침하는 압전효과는 누가 발 견했을까. 1880년 프랑스의 자크 퀴리와 피에르 퀴리 형제가 처음으로 압전효과를 발견했다. 그 후 프랑스의 랑주뱅이 이 현상을 이용하여 1917년에 수정초음파발생장치를 만들었고, 1931년에는 미국의 소여가 로셸염을 사용한 크리스털마이크 로폰을 발명했다. 

압전효과는 기계적인 변화를 전기적인 변화로 바꿀 수 있고, 반대로 전기적인 변화를 기계적인 변화로 바꿀 수 있기 때문에 매우 유용한 성질이다. 따라서 마이크로폰, 스피커, 초음파탐 지기, 수정시계의 진동자, 원거리 통신회로 등에 압전효과가 이용되고 있고, 최근에는 가스레인지부터 카메라, 휴대전화, 가습기까지 우리 생활 곳곳에 흔하게 사용되고 있다.

인체에 안전한 압전체 개발이 문제

우리가 사용하는 가스레인지의 점화 과정은 압전체를 이용한 압전효과의 대표적인 예다. 가스레인지에 불을 켜기 위해 손 잡이를 돌리거나 누르면 손잡이 안쪽 압전 점화기에 압력이 가 해져 전기스파크가 발생하게 된다. 이처럼 압전체에 압력, 진 동 같은 기계적 에너지를 가했을 때 전기가 발생하는 현상을 정(正)압전효과라 한다. 

최근엔 압전체를 이용해 전기에너지를 얻는 압전 발전 분야가 새로운 대안으로 각광받고 있다. 압전체를 이용한 에너지 하 베스팅(harvesting)은 주위의 버려지는 힘이나 압력, 진동 같 은 에너지를 우리가 사용가능한 전기에너지로 변환해 준다. 이 방식은 에너지 변환 효율이 크고 소형·경량화가 가능하다 는 장점 때문에 다양한 분야의 응용이 기대되고 있다. 예를 들어 압전 발전기를 군화에 부착하면 군인들이 걸어 다 닐 때의 진동을 이용, 무전기의 배터리를 충전할 수 있다. 이 기술은 현재 미국에서 연구가 진행 중인 것으로 알려졌다. 또 한 상·하수도에 부착된 센서가 물이 흐르는 수도관의 진동을 이용, 자체 발전해 전기 공급 없이 수도관의 상태를 메인 서버 로 전송할 수도 있다. 

하지만 현재 사용되고 있는 압전체 는 약 60% 이상의 납을 함유하고 있기 때문에 인체에 대한 안 전성의 관점에서 그 용도가 제한되고 있을 뿐 아니라, 신규 응 용 분야를 개척하는 데도 큰 걸림돌이 되고 있다. 따라서 납을 포함하지 않은 압전체 개발이 가장 시급하다.