석탄과 석유처럼 우리가 의존해 온 주요 에너지원은 언젠가 고갈될 수밖에 없습니다. 과학자들은 수십 년 후 지구가 전기 없는 행성이 될 수 있다고 예측했고, 그렇게 되면 우리가 당연하게 여기던 모든 시스템과 기술이 멈춰 버립니다. 무엇보다 인터넷조차 영원히 끊길 수 있다는 경고였습니다. 그래서 인터넷이 모든 기술 발전의 중심이 되기 한참 전부터 과학자들은 대체 에너지 개발에 착수했습니다.
현재 많은 대체 에너지원은 이미 상업용 발전소 수준으로 성장했지만, 일부는 아직 실험실에서 가능성과 실용성을 검증받고 있는 단계입니다. 그중에서도 아직 본격적인 산업화에 이르지 못한 에너지원이 바로 압전(壓電) 현상, 즉 압전 결정을 이용해 만들어내는 '압전 발전'입니다.
압전 결정이란?
압전 효과(piezoelectric effect)는 1880년 프랑스의 물리학자 형제인 피에르 쿠리(Pierre Curie)와 폴자크 쿠리(Paul-Jacques Curie)가 석영(quartz), 전기석(tourmaline), 로셸염(Rochelle salt, 타르타르산 칼륨나트륨) 결정에서 처음 발견했습니다. 명칭은 그리스어 '피제인(Piezein)', 즉 '누른다'라는 뜻에서 유래했습니다.
결정을 압축하거나 비틀거나 변형시켰을 때 전하를 띠게 되면, 그 결정을 압전성 결정이라고 부릅니다. 이러한 성질 덕분에 전기적 진동과 기계적 진동 사이를 손쉽게 변환할 수 있습니다.
석영은 이 특성을 잘 보여주며 매우 안정적입니다. 석영 결정에 외부 힘을 가하면 결정 표면에 걸리는 전압이 달라지는데, 이 변화를 측정하면 소리나 진동의 크기를 알아낼 수 있습니다.
압전이란 무엇인가?
석영 같은 특정 결정을 누르면 결정 내부로 전류가 흐릅니다. 반대로 같은 결정에 전기를 흘려주면 결정이 진동하며 스스로 수축과 팽창을 반복합니다.
기술적으로 정의하면 다음과 같습니다.
'압전(압전 효과)이란 결정에 기계적 응력, 즉 누르는 힘을 가했을 때 결정 양면 사이에 전위, 다시 말해 전압이 나타나는 현상을 말합니다.'
압전 효과는 어떻게 발생하는가?
압전 효과를 얻으려면 천연 석영 결정을 두께가 균일한 직사각형 또는 타원형의 얇은 판 형태로 절단해야 합니다. 각 결정에는 세 종류의 축이 존재합니다. 광축(optical axis), 서로 120도 각도를 이루는 세 개의 전기 축(OX1, OX2, OX3), 그리고 역시 120도 간격인 세 개의 기계 축(OY1, OY2, OY3)입니다. 기계 축은 전기 축과 직각을 이룹니다. 응용 목적에 맞는 결정의 성질을 좌우하는 요소는 다음과 같습니다.
- 천연 석영 결정에서 웨이퍼를 절단하는 각도
- 판의 두께
- 판의 크기
- 장착 방식
X축(전기 축) 방향으로 전기적 응력을 가하면 해당 X축에 수직인 Y축 방향으로 기계적 변형이 생깁니다. 반대로 Y축 방향으로 기계적 변형을 주면, Y축과 직각을 이루는 X축에 수직인 결정 면에 전하가 발생합니다.
역압전 효과(Inverse Piezoelectric Effect)
압전 효과는 그 반대 방향으로도 일어날 수 있으며, 이를 '역압전 효과'라고 합니다. 전압을 인가하면 압전 결정이 수축하거나 팽창하게 되는데, 이 원리를 활용하면 음파를 생성·방출하는 장치를 만들 수 있습니다. 대표적인 예로 휴대용 기기에 들어 있는 스피커나 부저(buzzer)를 들 수 있습니다.
압전의 장점
- 높은 주파수 응답 – 매우 빠른 속도로 변하는 물리량도 쉽게 감지할 수 있습니다.
- 우수한 과도 응답 – 마이크로초 단위의 순간적인 현상까지 감지하며 선형적인 출력을 제공합니다.
- 높은 출력 – 전자 회로에서 측정하기 좋은 수준의 출력을 냅니다.
- 작은 크기 – 매우 작고 견고한 구조로 되어 있어 다양한 환경에 적합합니다.
- 가공 용이성 – 티탄산바륨과 석영은 원하는 형태로 가공할 수 있고, 유전율이 커서 결정 축의 방향을 선택적으로 조절할 수 있습니다.
압전의 단점
- 낮은 출력 – 출력이 작아 외부 전자 회로를 추가로 연결해야 합니다.
- 고임피던스 케이블 필요 – 미세한 전하로 동작하기 때문에 전기적 인터페이스에 고임피던스 케이블이 요구됩니다.
- 습도 민감성 – 상대 습도가 85% 이상으로 올라가거나 35% 이하로 내려가면 출력에 영향을 받습니다. 이 경우 왁스나 고분자 재료로 코팅해야 합니다.
- 성형의 어려움 – 충분한 강도를 유지하면서 원하는 형태로 결정을 가공하기가 까다롭습니다.
- 정적 측정에 부적합 – 정적인 조건에서의 측정에는 적합하지 않으며, 결정 온도 변화에 따라 출력이 달라질 수 있습니다.
압전 트랜스듀서의 종류
- 석영(Quartz)
- 로셸염(Rochelle Salt)
- 극성 처리된 티탄산바륨(Polarized Barium Titanate)
- 인산이수소암모늄(Ammonium Dihydrogen Phosphate)
- 황산리튬(Lithium Sulphate)
- 주석산에틸렌디아민(Ethylene Diamine Tartrate)
- 뼛속의 콜라겐(Collagen)
- 일반 설탕(Sugar)
역학적 에너지(압력이나 운동)를 전기 신호로, 혹은 그 반대로 변환해야 하는 상황은 우리 생활 곳곳에 있습니다. 압전 트랜스듀서는 이러한 변환에 딱 맞는 장치로, 다음과 같이 폭넓게 활용되고 있습니다.
- 초음파 장비 – 압전 트랜스듀서는 전기 에너지를 극도로 빠른 기계적 진동으로 변환합니다. 이 진동은 사람의 귀로 들을 수 없는 초음파를 만들어 내며, 영상 스캐닝·세척 등 다양한 분야에서 사용됩니다.
- 가속도계 – 우수한 주파수 응답 덕분에 가속도 센서로 널리 쓰이며, 중력가속도당 약 1~30mV 수준의 출력을 제공합니다.
- 동적 측정 – 급격하게 변하는 물리량 측정에 적합합니다. 정적인 조건에서는 전위가 유지되지 않기 때문에, 주로 표면 거칠기 측정, 가속도계, 진동 픽업(vibration pickup) 등에 활용됩니다.
- 자동차 엔진 노킹 감지 – 자동차 업계에서는 엔진 블록 내부의 노킹(비정상 연소)을 감지하는 데 압전 트랜스듀서를 사용합니다.
압전 기술을 본격적인 발전 방식으로 활용하기 위한 연구는 지금도 계속되고 있습니다. 다음 글에서는 압전 결정을 활용해 가정에서도 에너지를 만들 수 있는 방법들을 살펴보겠습니다.