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하루 종일 열심히 일을 하다 보면 기운이 하나도 없어서 움직여야 하지만 몸이 말을 안 듣는 경우가 종종 있습니다. 이때 초콜릿을 조금 먹게 되면 이상하게도 몸에 기운이 솟아나게 되죠. 몸을 움직이는 데에 꼭 필요한 연료인 포도당이 부족하면 기운이 없는 현상이 나타나게 되는데 초콜릿을 먹으면 부족한 포도당이 순간적으로 보충되어서 기운이 불끈불끈 나게 되는 것입니다. 그래서 장시간 동안 움직여야 하는 등산이나 자전거 여행과 같은 운동은 몸 속의 당분이 부족할 경우가 생기기 때문에 초콜릿과 같이 당분이 많은 음식을 가져가기도 합니다.


한 가지 재미있는 사실은 포도당에 숨어있는 화학에너지를 우리가 움직일 때 필요한 운동에너지로 바꿀 수 있다는 점입니다. 그런데 알고 보면 이러한 에너지의 전환은 우리 생활에서 많이 이용되고 있습니다. 예를 들어서 풍력 발전기는 바람이 회전 날개를 돌려서 생기는 운동에너지가 전기에너지로 바뀌는 것이고 손발이 시린 겨울에 많이 사용하는 전기 난로는 전기에너지를 열에너지로 바꾸는 것입니다. 또 자동차는 휘발유의 화학에너지를 운동에너지로 바꾸는 과정을 거쳐서 도로 위를 쌩~하고 달리는 것입니다.


이런 에너지 전환 중에 아주 특별한 경우가 하나 있는데, 바로 압력을 전기에너지로 바꾸는 과정입니다. 압력은 누르는 힘을 말하는 데요, 누르는 힘을 이용해 어떻게 전기에너지를 만들 수 있을까요? 압전소자라는 물질을 쓰면 이 과정은 식은 죽 먹기라고 하는데 압전소자는 무엇이길래 이러한 일을 할 수 있을까요?

이러한 궁금증을 해결하고자 오늘 케미칼 A to Z에서는 누르면 전기를 만들어 주는 압전소자에 대해서 알아보도록 하겠습니다.




딸깍딸깍하는 소리와 함께 누르면 불이 화르르 나오는 라이터는 정말 신기합니다. 라이터 속을 잘 살펴 보아도 분명히 건전지는 없는데, 불을 붙일 때 보면 어디선가 스파크가 타닥하고 생깁니다. 알고 보면 그 속에 압전소자가 있어서 이렇게 스파크를 발생시키는 것입니다.


이렇게 압전소자라는 이름은 생소하지만 생각보다 가까운 곳에서 우리가 사용하고 있는데요, 최초로 압전소자를 발견한 사람은 퀴리형제입니다. 1880년 피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859~1906), 자크 퀴리(Jacques Curie, 1856~1941) 형제는 압전소자들로 전기에너지를 만들 수 있다는 사실을 알게 됩니다. (참고로 이 두 분 중 피에르 퀴리는 우리가 잘 알고 있는 퀴리부인의 남편이랍니다. ^^)



그런데 이러한 압전소자들은 어떻게 압력을 전기에너지로 바꿀수 있는 것일까요?

압전효과를 낼 수 있는 압전소자들은 결정이라는 형태를 이루고 있습니다. 결정은 원자나 분자들이 규칙적으로 배열하여서 균일한 형태의 모양을 이루고 있는 것을 말하는데, 대표적으로 우리가 음식의 간을 할 때 사용하는 소금도 결정을 이루고 있습니다. 나트륨이온(Na+)과 염화이온(Cl-)이 규칙적으로 반복되는 소금은 자세히 보면 정육면체 모양의 결정을 이루고 있습니다. 이렇게 결정을 이루는 물질들은 전기적으로 중성을 나타내고 있는데요, 자세히 보게 되면 양전하를 가지고 있는 입자와 음전하를 가지고 있는 입자가 규칙적으로 배열되면서 전체적으로 중성을 가지게 됩니다.


그러나 자연계에는 이렇게 전기적으로 중성이 아닌 결정들도 있으니 이들이 압전소자가 되는 물질들입니다. 세부적으로 다른 결정들처럼 규칙적인 것은 똑같지만 전체적으로 보게 되면 결정 내에 양전하를 가지는 입자의 위치와 음전하를 가지고 있는 입자 위치가 어긋나서 마치 건전지처럼 한쪽이 플러스 한쪽 마이너스 형태가 되게 됩니다. 이때 압력을 가해주게 되면 결정을 이루고 있는 입자들의 위치가 바뀌면서 전기에너지를 발생하게 되는 것입니다.




이렇게 꾹 눌러주면 전기에너지를 발생시키는 압전소자는 어디에 쓰이고 있을까요?

앞에서 말했던 것처럼 가장 쉽게 찾을 수 있는 것은 전기 라이터에서 부싯돌을 대신해서 사용하는 경우가 있습니다. 그러나 최초로 사용한 예는 잠수함입니다. 바다 속에서 이동하는 잠수함은 배와는 다르게 앞을 볼 수 있는 방법이 없습니다. 그래서 음파를 이용해서 앞에 있는 장애물을 파악하는 소나(Sonar)라고 하는 장비를 이용하여서 앞을 보게 되는데, 발생된 음파가 장애물을 맞고 돌아올 때 음파가 만들어내는 신호를 탐지하는 센서가 필요했습니다. 그래서 1차 대전 중이던 1917년에 프랑스 과학자들이 이 센서를 만들기 위해서 압전소자를 이용하였다고 알려져 있습니다.



그 이후에 다양한 곳에서 응용되고 있는데요, 특히 소리를 감지하는 센서에 많이 사용되고 있습니다. 우리가 소리를 내는 것은 성대가 진동해서 만들어 내는 것인데 소리를 듣는 것도 이 진동이 고막으로 전달되어서 듣게 됩니다. 만약 소리의 진동이 압전소자에 전달되면 전기에너지가 발생되어서 기계로 소리를 감지할 수 있게 됩니다. 그래서 마이크도 이러한 원리를 이용해 제작되고 있습니다. 


그런데 압전소자는 압력을 전기에너지로 만들 수 있지만 반대로 전기에너지를 압력, 즉 진동으로도 만들 수 있습니다. 그래서 압전소자의 이런 성질을 이용할 경우 스피커를 만들 수 있는데요, 최근에는 압전효과를 가지는 고분자 필름을 만들게 되면서 겉으로 보기에는 투명한 필름이지만 전기신호만 보내주면 스피커가 되는 신기한 물질을 개발하기도 하였습니다.




최근에는 친환경적으로 에너지를 생산하는 것이 전 세계적인 이슈이기에 한화케미칼에서도 지구를 푸르게 하는 에너지 생산과 관련하여 많은 관심을 가지고 연구를 하고 있습니다. 태양전지와 같은 분야가 특히 그러한데요, 오늘의 주제인 압전소자도 친환경적으로 에너지를 생산할 수 있는 물질입니다.


압력을 이용해서 전기에너지를 만들기 때문에 그 과정에서 석탄이나 석유와 같은 화석연료와 달리 환경오염물질 배출이 없어 새로운 에너지 원으로 관심을 받고 있습니다. 그렇다면 어디에 사용해야 압전소자를 효율적으로 사용할 수 있을까요?



태양의 빛이나 바람을 이용한 발전에 경우 대량의 전기에너지를 생산할 수 있지만 압전소자의 경우 이러한 대량 발전이 힘든 것이 사실입니다. 하지만 압전소자는 남아서 버려지는 에너지를 다시 모아 사용하는 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 형태로 이용할 수 있습니다.


예를 들어서 사람들이 많이 걸어 다니는 인도에 이러한 압전소자를 설치할 경우, 사람들이 걸으면서 누르는 압력에 의해서 전기에너지를 생산할 수 있습니다. 또 자동차가 다니는 도로에 압전소자를 사용할 경우 가로등이나 신호등과 같은 시설에 사용할 에너지를 모을 수 있습니다.


그러나 이러한 것이 현실화 되기 위해서는 압력을 전기에너지로 바꾸는 효율이 지금보다는 더욱 높아져야 하는데요, 최근에 국내 연구진에 의해 개발된 압전소자에 경우 기존의 압전소자 물질보다 최대 36배의 효율을 보이고 있다고 합니다. 그래서 구부리는 방법만으로도 LED전등을 켤 수 있는 전기를 생산한다고 하니 정말 놀라운 것 같아요.


지금까지 압전소자에 대해서 알아보았는데요, 압력을 전기에너지로 바꿔주는 놀라운 물질인 압전소자처럼 오늘은 특정 에너지를 다른 형태의 에너지로 바꿔주는 것은 무엇이 있는지 찾아보는 것은 어떨까요?



- 참고문헌 –

한화케미칼 http://hcc.hanwha.co.kr

한화케미칼 블로그 http://www.chemidream.com/

압전결정소자, 한국과학기술정보연구원

압전소자를 이용한 에너지 하베스팅 시스템, 이성욱 외 5명

소리 진동도 전기로 전환 가능…고효율 압전소자 개발, JTBC 차진용기자,

http://news.jtbc.co.kr/article/article.aspx?news_id=NB10087695




Posted by 한화솔루션/케미칼

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  1. 2014.08.13 03:03  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

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