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과학수업 | 압력을 가하면 스파크가 번쩍
과학수업 | 압력을 가하면 스파크가 번쩍
  • 서승범 차장 | 사진 김해진 기자
  • 승인 2015.04.28 13:45
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압전 효과·피에조 효과

요즘 나오는 가스스토브는 대부분 점화플러그가 달려 있다. 직접 불을 붙이는 수동 방식과 달리 가스 밸브를 적당히 열고 ‘딸깍’ 버튼을 누르면 불꽃이 튀면서 가스에 불이 붙는다. 오늘 과학수업은 ‘딸깍 누르면 불꽃이 튄다’ 부분에 대한 이야기다.

▲ 가스스토브에 달린 점화장치. 버튼을 누르면 압전 효과에 의해 전기에너지를 발생시킨다.

포털 사이트에서 ‘압전 효과’를 찾아보니 ‘기계적인 압력을 가하면 전압이 발생하고 전압을 가하면 기계적인 변형이 발생하는 현상’이라고 되어 있다. 동어반복처럼 보인다. 좀더 친절하게 풀어보자. 특정한 광물에 특정한 축을 따라 잡아당기거나tension 누르면compression 그 힘에 의해 광물의 결정 구조가 찌그러진다. 동시에 양이온과 음이온의 상대적인 위치가 바뀌게 된다. 이온의 위치 변화에 따라 결정체의 겉면에는 전기장이 형성된다. 요컨대 압력에 의한 물리적인 에너지가 전기 에너지로 변한다는 얘기다. 압전 효과를 영어로 피에조 효과Piezoelectric effect라고 한다. 피에조란 ‘압력에 의해 발생한 전기’라는 뜻이다.

라이터 중에서 톱니바퀴 같은 것을 돌려 마찰에 의해 불꽃을 일으키는 방식 말고 누르면 딸깍 소리와 함께 불이 켜지는 라이터는 압전 효과를 이용한 것이고, 집에서 사용하는 가스레인지 역시 조절 레버를 돌리면 마지막에 딸깍 소리와 함께 점화가 된다.

책상 서랍을 뒤져 압전 효과를 이용하는 라이터를 하나 찾았다. 내부가 궁금해 니퍼로 플라스틱 케이스를 깼더니 사진과 같은 점화플러그가 나왔다. 금색의 금속을 누르면 마지막 순간에 주황색 피복 안의 전선에서 다른 간극으로 전기가 흐른다.

▲ 압전식 라이터에서 꺼낸 점화 장치. 검은색 버튼을 누르면 주황색 전선 끝에서 스파크가 발생한다.

압전 효과로 만들어진 전기 에너지가 꼭 점화에만 쓰이는 건 아니다. 자동차 에어백은 차가 충돌할 때 터지는데 이때도 압전 효과가 적용된다. 충격에 의해 차가 갑자기 멈추면 관성의 법칙에 의해 에어백 안의 충돌센서가 압전체에 압력을 가한다. 압전체는 전류를 발생시켜 흘려보내고 이 전류가 압축가스와 만나 일종의 폭발 비슷한 것을 하면 에어백이 순식간에 부풀어 오른다.

압전 효과가 처음 쓰인 건 잠수함이라고 한다. 심해에서 앞을 볼 수 없었던 까닭에 음파를 이용해 장애물을 파악했다. 아군이 발생시킨 음파가 장애물 혹은 적을 만나 돌아올 때 음파가 만들어내는 신호를 탐지해야 했다. 제1차 세계대전 중이던 1917년 프랑스 과학자들이 압전소자를 이용한 센서를 만든 것으로 알려졌다. 지금은 다양한 분야에서 압전 효과를 사용하는데 특히 마이크나 스피커 등 소리를 이용하는 분야에서 더욱 활발하다. 소리란 성대를 진동시켜 내고 고막이 진동을 느껴 듣는 것이기 때문이다.

압전 효과는 1880년 프랑스 물리학자 자크 큐리와 피에르 큐리 형제가 발견했다. 우리가 아는 퀴리 부인은 피에르 퀴리의 부인이다. 어디 압전소자뿐일까, 사람도 마찬가지다. 감당할 수 없는 압력에는 스파크가 튀기 마련이다.


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