밟으면 불이 들어오는 계단을 본 적이 있으신가요? 최근 다양한 장소에서 이런 계단을 발견할 수 있는데요. 어떤 계단의 경우에는 불이 켜지는 것뿐만 아니라, 불이 켜질 때마다 어려운 이웃에게 모금을 전달하는 시스템을 갖춰 사람들의 시선을 이끌고 있습니다. 특히 유동인구가 많은 지하철이나 광장에 이런 불이 켜지는 계단이 설치되어 있는 것을 발견할 수 있습니다. 이런 식으로 닿기만 해도 불이 들어오는 기기를 압전에너지 블록 또는 압전발전기라고 하는데요. 많은 분들이 압전발전기가 어떤 원리로 작동하고 있는지 궁금하실 것입니다. 그래서 지금부터 압전발전기에 대해 전격 해부해 보도록 하겠습니다!
압전발전의 #탄생
압전발전은 사람이 걸어 다니거나 발을 구를 때 나오는 에너지를 이용하여 전기를 생산하는 에너지 수확기술 중 하나로 압전 효과를 기본 원리로 하여 작동하고 있습니다. 여기서 압전효과란, 어떤 종류의 결정판에 일정한 방향으로 가해진 진동, 압력, 충격 등의 힘에 비례하여 양, 음의 전하가 발생되는 효과를 말하며 1880년 프랑스의 자크 퀴리(Jacque Curie)와 피에르 퀴리(Pierre Curie: 1859~1906) 형제에 의해 처음 발견되었습니다.
압전발전의 #필요성 및 의의
압전효과는 화석연료의 고갈과 이로 인한 에너지 가격 상승, 그리고 화석연료의 온실가스 배출로 인한 환경문제가 제기됨에 따라 크게 각광받고 있는데요. 이때 쓰이는 에너지 수확 기술(Energy Harvesting)은 주위에 가해지는 힘, 압력, 진동 같은 에너지를 우리가 사용 가능한 전기에너지로 변환해 주는 기술입니다. 이 기술은 전자제품이나 여러 기기들의 에너지 효율을 크게 향상 시킬 수 있을 뿐만 아니라 궁극적으로는 추가적인 에너지 공급 없이 주변의 에너지를 이용하여 독립적으로 구동이 가능하도록 해주는데요. 이러한 이유로 에너지 수확 기술이 신재생 에너지로써 각광을 받고 있으며 에너지 수확 방식 중 압전체를 활용한 압전 발전은 에너지 변환 효율이 크고 소형화 및 경량화가 가능하며 다양한 영역에서의 응용이 가능하다는 장점이 있기 때문에 주목할 만한 가치가 있답니다.
압전효과의 #종류
▲ 출처: http://otem2000.wixsite.com
압전효과는 크게 정압전효과와 역압전효과로 나누어 볼 수 있는데요. 먼저 정압전효과는 기계적인 힘에 의해 전압을 발생시키는 것으로, 압전 소자에 진동, 압력 등을 주면 그 출력 부분에서 전기 신호가 발생하는 현상을 말해요. 다른 말로 압전 직접 효과, 퀴리 효과라고도 불립니다. 역압전효과는 압전 소자의 외부에서 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변형을 일으키는 현상이에요. 흔히 말하는 압전효과는 이 두 현상을 합친 현상을 말한답니다.
압전발전기의 #이용 현황
압전효과는 가해진 힘의 세기에 따라 발생하는 전기량이 달라지는데요. 즉 가해진 힘의 크기가 클수록 많은 전기가 발전될 수 있습니다. 또한 압전소자 재료의 유연성, 탄성에 따라서도 전기량이 달라지기도 하는데요. 재료가 더 유연하고 고분자계일수록, 또한 고탄성일수록 발전할 수 있는 전기량은 더욱 많아질 수 있습니다. 매크로 스케일(Macroscale) 에너지 발전의 경우 현재 일본이나 유럽의 대학과 벤처기업 중심으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 주로 사람이 많이 지나다니는 지하철 개찰구나, 자동차 도로 등의 큰 움직임과 큰 하중이 가해지는 곳으로부터 에너지를 얻는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
압전효과는 발견 초기에는 전축의 울퉁불퉁한 홈의 미세한 움직임을 소리로 바꿔 주는 픽업으로도 사용되었으며 최근에는 스피커, 초음파 탐지기, 정확한 속도를 측정하는 속도계에도 이용되고 있습니다. 이 외에도 다양한 영역에서 활용도가 높아지고 있는 추세랍니다. 그렇다면 압전효과를 이용한 압전 발전기가 실생활에서 사용되는 대표적인 사례들을 알아볼까요?
1. 압전소자를 이용한 도쿄역의 발전마루
비록 적은 양이지만 다수의 사람들이 끊임없이 움직이는 철도역이나 지하철 환승 통로에 적용하면 큰 에너지를 얻을 수 있는데요. 일본 도쿄역에는 승객이 밟고 지나가면 발전이 되는 계단, 즉 발전 마루가 있습니다. 한마디로 말하자면 사람들이 밟고 지나가는 지하철역 바닥에서 전기를 얻는 것인데요. 이는 압력을 전기로 바꾸는 압전소자를 이용한 것으로, 개발자인 게이오 대학의 타케후지 요시야스 교수는 스피커가 전기를 진동으로 바꾸는 것에 착안하여 스피커 뒷판에 들어가는 압전소자를 활용하였습니다.
2. 압전 발전 도로 시스템
압전 발전 도로 시스템은 압전 소자를 누르고 통과하는 자동차의 물리적인 변화로부터 전력을 생산하는 것입니다. 이 장치는 교통량에 따라 발생하는 에너지를 저장할 수 있는 전자카드를 탑재하여 도로 표면 사이에 삽입한 것인데요. 이 시스템은 일반적으로 아스팔트층으로 덮여 있지만, 콘크리트와 복합 콘크리트 및 아스팔트에서도 적용이 가능하답니다.
3. 비상용 휴대폰 충전기
휴대폰에 압전소자가 들어가면 배터리가 방전되었을 때 전기를 생산할 수 있어요. 압전소자에 추를 달아 휴대폰에 집어넣으면 휴대폰을 흔들 때마다 추가 압전소자에 충격을 가해 전기를 얻을 수 있답니다.
4. 전기 라이터
▲ 출처: http://www.spectrose.com
사실 압전 소자의 가장 잘 알려진 응용분야는 전기 라이터에요. 라이터를 켜기 위해, '딸깍'하고 엄지로 스프링 버튼을 누르면, 라이터 내부의 작은 망치가 압전소자를 때리게 돼요. 이때 압전소자에서 발생한 높은 전압의 전기가 미리 만들어 둔 전기회로 내 작은 간극에 스파크를 발생시킨답니다. 이 스파크를 이용해 가스를 점화시키는 것이 전기 라이터의 원리랍니다.
5. 건전지가 필요 없는 리모콘
TV 채널을 돌릴 때 리모컨이나 스위치에는 전파나 전기신호가 발생하여 해당하는 기능 작동의 방아쇠 역할을 하게 됩니다. 압전효과의 원리를 이 과정에 적용시키면, 인간이 리모컨이나 스위치에 가하는 운동에너지를 압전소자에 전달하고, 압전소자가 전파나 전기신호를 발생시키기에 충분한 전기에너지를 얻어낼 수 있도록 하는 것입니다. 즉, 리모컨 안에 심은 압전체를 이용해 버튼을 누를 때의 압력을 전기에너지로 변환할 수 있는 것입니다. 실제로 필립스는 2001년 건전지가 필요 없는 TV 리모컨을 개발하여 국제전자제품 박람회에 선보이기도 했답니다.
6. 전기 제품을 가동할 수 있는 압전 섬유
▲ 출처: http://www.digikey.com
미국에서는 압전효과와 나노기술을 결합해 입고 다니기만 해도 전기가 발생하는 압전섬유를 개발했어요. 또한 국내에서도 유사한 기술이 개발되었는데요. 바로 압전효과를 이용한 투명 플렉서블 나노 전력 발전소자를 개발했습니다. 작고 섬세하며 휘어지기 때문에 의류에 장착하면 별도의 충전기 없이도 의복을 이용해 전기 제품을 가동할 수 있으며, 이 소자를 휴대폰 화면에 장착하게 되면 손가락으로 누른 위치에서 전력이 발생하기 때문에 충전 없이 사용 가능한 휴대폰 개발도 가능해진답니다.
7. 필름 스피커
압전효과는 필름 스피커의 핵심 기술이에요. 필름에 압력을 가하면 판의 양면에 음양의 전하가 나타나고 외부 전기장이 가해지면 분자 간 거리가 감소해 두께가 진동하는 압전효과를 이용한 필름 스피커가 이미 국내 기술로 개발되었답니다. 또한, 최근에는 고급 카메라의 줌렌즈에 응용되어 미세하게 자동 초점을 맞추는 데도 사용되고 있어요. 무거운 모터를 달 수 없는 휴대폰 카메라에 줌렌즈 기능을 가능케 한 것도 바로 압전효과랍니다.
압전효과는 신재생에너지 개발과 소형 전자제품의 충전방식에 큰 변화를 가져다줄 것으로 예상되고 있는데요. 우리가 생활하면서 발생되는 운동에너지가 지금까지는 아무런 의미 없이 소모되고 있었지만, 압전발전기를 통해 유용한 에너지로 변환되고 있습니다. 이제는 우리가 걷는 발걸음, 버튼을 누르는 손가락, 활동을 위해 움직이는 신체 활동이 모두 전기에너지로 활용될 날이 머지않은 것 같은데요. 여러분도 주변에 새롭게 등장하는 압전발전기에 기대를 해보시기 바랍니다.
* 이 콘텐츠의 모든 저작권은 한화케미칼 공식 블로그 케미칼드림에 있습니다.