어느 날 밤, 길을 걷던 친구 신발을 보고 깜짝 놀랐어요. 사람이 걷거나 뛸 때, 발바닥에는 힘이 꽤 세게 가해지는데, 그 힘을 이용해서 피에조 전기를 만들어내어 불빛이 나오게 해요.
피에조 전기란?
‘피에조’라는 말은 ‘누르다’는 뜻의 그리스어에서 왔어요. 말 그대로 누르면 전기가 생기는 특별한 물질이 있는 거예요! 평소에는 전기가 없지만, 꾹 누르거나 구부리면 그 안에서 작은 전기가 짜잔! 하고 생겨요. 마치 감자를 꽉 짜면 물이 나오듯, 압력을 주면 전기가 나오는 거죠.
피에조 신발의 원리
피에조 센서 또는 압전소자를 얇게 만들어 신발 안창에 넣어요. 그래서 아이가 걷거나 뛰면 발바닥이 눌리면서 그 안의 피에조 소자가 전기를 만들어내는 거예요. 전기가 생기면 무슨 일이 일어날까? 그 전기는 작은 불빛의 LED 전구를 켜는 데 사용돼요. LED는 전기를 조금만 줘도 환하게 빛나는 똑똑한 전구예요. 그래서 아이가 뛰거나 걷기만 해도 신발에서 반짝반짝 불빛이 켜지게 되는 거죠!
밤길에 보면, 아이의 발자국마다 빨간색, 파란색, 초록색 불이 번쩍번쩍 나타나요. 안전하고도 멋진 과학 기술이죠. 발광 신발은 그냥 재미만 있는 게 아니에요. 밤에 걸을 때 빛이 나니까, 운전자나 주변 사람들이 아이를 잘 볼 수 있어서 훨씬 안전하죠.
게다가 배터리를 따로 넣지 않아도 걸을 때 나오는 힘으로 전기를 만들기 때문에 환경도 생각한 기술이랍니다!
미래에는 어떻게 활용될까?
미래의 신발은 어떻게 될까? 앞으로는 이런 피에조 전기를 더 발전시켜서
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학생들이 운동장에서 뛰면 자동으로 학교 전기 충전,
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군인이 산에서 이동하면서 무전기 충전,
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산책하면서 휴대폰 배터리 충전
등이 가능할 것 같아요.
※ 피에조 원리
일정한 압전 물질에 기계적 힘(압력, 응력 등)을 가하면 전기를 발생시키거나, 반대로 전기를 가하면 물질이 기계적으로 변형되는 특성을 의미함. 이는 각각 압전 효과(Direct Piezoelectric Effect) 와 역압전 효과(Converse Piezoelectric Effect) 로 구분됨.
피에조 압전/역압전 효과
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압전 효과(정압전 효과): 외부 힘이나 압력에 의해 물질 내 양(+)·음(-) 전하 분포가 변화하여 전압이 생성됨 (예: 크리스탈 마이크, 압력 센서 등).
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역압전 효과: 물질에 전압(전기장)을 가하면 결정 구조가 변형(진동 또는 변위)됨 (예: 초음파 발생기, 피에조 모터, 잉크젯 프린터 헤드 등).
피에조 원리에 사용되는 재료는 석영, PZT(지르콘산 연 세라믹), PVDF(폴리머) 등이 대표적임. 각 재료는 감도, 내구성, 변위 범위 등의 특성이 달라 각각의 용도에 적합하게 사용됨.
요약하면, 기계적 에너지와 전기 에너지가 재료 내부의 전하 분포 변화에 따라 곧바로 상호 변환되는 현상이 피에조 원리임.
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