How to squeeze electricity out of crystals - Ashwini Bharathula

검토: Jihyeon J. Kim

This is a crystal of sugar.

이것은 설탕 덩어리입니다.

If you press on it, it will actually generate its own electricity.

여기에 압력을 가하면 설탕 덩어리는 전기를 만들어냅니다.

How can this simple crystal act like a tiny power source?

어떻게 이런 간단한 결정체가 작은 건전지처럼 행동하는 걸까요?

Because sugar is piezoelectric.

그 이유는 설탕이 압전물질이기 때문입니다.

Piezoelectric materials turn mechanical stress,

압전물질은 압력, 음파, 진동과 같은 기계적 힘을 전력으로 바꿔주고

like pressure,

sound waves,

and other vibrations

역으로 전력 또한 기계적 힘으로 바꿔줄 수 있습니다.

into electricity and vice versa.

This odd phenomenon was first discovered

이러한 현상은 1880년 물리학자 피에르 퀴리, 자크 퀴리 형제에 의해 발견되었습니다.

by the physicist Pierre Curie and his brother Jacques in 1880.

They discovered that if they compressed thin slices of certain crystals,

그들은 특정 물질의 얇은 조각에 압력을 가하면

positive and negative charges would appear on opposite faces.

조각 양면에 각각 양전하와 음전하가 생긴다는 것을 발견했습니다.

이러한 전위차 또는 전압은 압력을 받는 결정체가

This difference in charge, or voltage,

meant that the compressed crystal could drive current through a circuit,

마치 배터리처럼 회로에 전류를 흐르게 할 수 있다는 것을 의미합니다.

like a battery.

이 또한 역으로도 성립합니다.

And it worked the other way around, too.

Running electricity through these crystals made them change shape.

결정에 전류를 흐르게 하면 결정의 모양이 변합니다.

Both of these results,

이렇게 기계적 에너지를 전기적 에너지로,

turning mechanical energy into electrical,

and electrical energy into mechanical,

전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꿀 수 있다는 것은 놀라웠습니다.

were remarkable.

But the discovery went uncelebrated for several decades.

하지만 이러한 발견은 몇 십년간 그다지 주목받지 못했습니다.

이것이 1차 세계대전 당시 독일의 잠수함 탐지를 위해 수중 음파 탐지기로 처음 쓰였습니다.

The first practical application was in sonar instruments

used to detect German submarines during World War I.

Piezoelectric quartz crystals in the sonar's transmitter

소나 송신기에 있는 압전성을 띈 석영 결정은

vibrated when they were subjected to alternating voltage.

교류 전압을 받으면 진동을 발생시켜 물속으로 초음파를 쏘는데 사용되었습니다.

That sent ultrasound waves through the water.

Measuring how long it took these waves to bounce back from an object

초음파가 대상에 부딪힌 뒤 반사되어 돌아오기까지 걸리는 시간을 측정해

대상이 얼마나 멀리있는지 파악할 수 있었습니다.

revealed how far away it was.

For the opposite transformation,

기계적 힘을 전기적 힘으로 바꾸는 경우를 생각해보면

converting mechanical energy to electrical,

consider the lights that turn on when you clap.

박수를 쳐 켜고 끌 수 있는 전등을 생각하면 됩니다.

Clapping your hands send sound vibrations through the air

박수를 치면 음파가 공기를 지나 압전성 부품에 도달해 이를 진동시키면

and causes the piezo element to bend back and forth.

전류가 흐르기 시작하게 하는 전압이 발생해 LED등이 켜집니다.

This creates a voltage that can drive enough current to light up the LEDs,

though it's conventional sources of electricity that keep them on.

물론 전류를 계속 흐르게 하는 전원은 따로 존재 합니다.

So what makes a material piezoelectric?

그렇다면 왜 어떤 물질은 압전성을 띄는 것일까요?

The answer depends on two factors:

답은 두 가지 요소로 설명할 수 있습니다.

the materials atomic structure,

물질의 원자 구조와 그 안의 부분 전하입니다.

and how electric charge is distributed within it.

Many materials are crystalline,

많은 물질은 결정구조를 갖고 있는데

meaning they're made of atoms or ions

원자와 이온들이 규칙적인 3차원 배열을 가지고 있다는 것을 말합니다.

arranged in an orderly three-dimensional pattern.

이러한 패턴은 반복되는 단위구조로 분리할 수 있습니다.

That pattern has a building block called a unit cell

that repeats over and over.

In most non-piezoelectric crystalline materials,

대부분의 비압전성 결정 물질은 단위 구조 안의 원자들이 중앙을 중심으로 대칭을 이루고 있습니다.

the atoms in their unit cells are distributed symmetrically

around a central point.

But some crystalline materials don't possess a center of symmetry

하치만 몇몇 결정 물질은 대칭이 아니어서

making them candidates for piezoelectricity.

압전성을 띌 수 있습니다.

석영을 예로 들면,

Let's look at quartz,

a piezoelectric material made of silicon and oxygen.

석영은 규소와 산소로 이루어져있는데

The oxygens have a slight negative charge and silicons have a slight positive,

산소는 약한 음전하를, 규소는 약한 양전하를 띄어,

creating a separation of charge,

각 연결 고리는 전극이 분리된 쌍극자가 됩니다.

or a dipole along each bond.

Normally, these dipoles cancel each other out,

보통 쌍극자들은 서로의 전하를 상쇄해서

so there's no net separation of charge in the unit cell.

결과적으로 단위 구조 전체적으로 전위차는 없습니다.

But if a quartz crystal is squeezed along a certain direction,

하지만 석영 결정이 한 방향으로 압축되면

the atoms shift.

원자 구조의 모양이 변합니다.

Because of the resulting asymmetry in charge distribution,

그 결과 전하 분포의 대칭이 깨져서

the dipoles no longer cancel each other out.

쌍극자들이 서로를 상쇄하지 못합니다.

The stretched cell ends up with a net negative charge on one side

이렇게 압력을 받은 단위 구조들은 한 면엔 음전하를

and a net positive on the other.

다른 한 면에는 양전하를 띄게 됩니다.

This charge imbalance is repeated all the way through the material,

이런 전위차가 물질 전체에 걸쳐 나타나면

and opposite charges collect on opposite faces of the crystal.

물질의 반대 면에 각각 전극이 생기고

This results in a voltage that can drive electricity through a circuit.

그 결과 전류를 흐르게 할 수 있는 전압이 발생합니다.

Piezoelectric materials can have different structures.

압전성을 가진 물질들은 다양한 원자 구조를 가지고 있을 수 있습니다.

But what they all have in common is unit cells which lack a center of symmetry.

하지만 그 구조가 대칭의 중심점이 없다는 공통점을 가집니다.

And the stronger the compression on piezoelectric materials,

그리고 결정체에 가해지는 압력이 크면 클수록

the larger the voltage generated.

더 큰 전압이 생성됩니다.

Stretch the crystal, instead, and the voltage will switch,

결정체를 당기면 전압은 반대 방향으로 생겨

making current flow the other way.

전류가 반대 방향으로 흐르게 됩니다.

여러분이 생각하는 것보다 압전성을 가진 물질은 많습니다.

More materials are piezoelectric than you might think.

DNA,

DNA, 뼈, 비단 등

bone,

and silk

이 물질들은 모두 기계적 힘을 전기적 힘으로 바꿀 수 있습니다.

all have this ability to turn mechanical energy into electrical.

과학자들은 다양한 압전 물질을 합성해내

Scientists have created a variety of synthetic piezoelectric materials

and found applications for them in everything from medical imaging

의료영상기기에서 잉크젯 프린터까지 그것들을 다양하게 활용하고 있습니다.

to ink jet printers.

Piezoelectricity is responsible for the rhythmic oscillations

시계 내부 석영 결정의 규칙적인 진동을 만들어내 시계가 움직이게 하는 것 역시 같은 원리입니다.

of the quartz crystals that keep watches running on time,

the speakers of musical birthday cards,

생일 축하 카드의 스피커,

and the spark that ignites the gas in some barbecue grill lighters

라이터 가스에 불을 붙이는 스파크도 마찬가지이고요.

when you flick the switch.

전기의 수요는 많고 기계적 에너지는 풍부하기 때문에

And piezoelectric devices may become even more common

since electricity is in high demand and mechanical energy is abundant.

압전성 물질을 이용한 발전 장치는 점점 늘어날 것입니다.

There are already train stations that use passengers' footsteps

이미 승객들의 걸음으로 개찰구와 전광판에 전원을 공급하는 이용하는 기차역도 있습니다.

to power the ticket gates and displays

and a dance club where piezoelectricity helps power the lights.

또 사람들의 스텝으로 조명을 밝히는 클럽도 있습니다.

Could basketball players running back and forth power the scoreboard?

농구 선수들이 열심히 뛰어 다니면서 득점판을 밝힐 수 있지 않을까요?

Or might walking down the street charge your electronic devices?

아니면 걸어다니면서 전자기기를 충전할 수도 있을 것입니다.

What's next for piezoelectricity?

압전 물질을 이용한 다른 아이디어는 무엇이 있을까요?