힘껏 눌렀을 뿐인데 번개가 친다고? 돌멩이(수정)를 찌그러뜨려 전기를 쥐어짜는 '압전 효과'

서론: 배터리 없는 불꽃의 미스터리

담배를 피우거나 고기를 구울 때 쓰는 일회용 라이터나 가스버너(휴대용 가스레인지)를 떠올려 봅시다. 버튼을 손가락으로 꾹 누르거나 손잡이를 돌리면 '딸깍!' 하는 경쾌한 소리와 함께 시퍼런 전기 불꽃(스파크)이 파박! 하고 튑니다. 그 불꽃에 가스가 닿아 불이 확 타오르죠.

그런데 이상하지 않습니까? 분명 라이터 안에는 건전지(배터리)가 단 한 개도 들어있지 않습니다. 모터가 쌩쌩 돌아서 전기를 만드는(발전기) 구조도 아닙니다. 도대체 무엇이 배터리 하나 없이 내 손가락의 누르는 힘만으로 수천 볼트짜리 찌릿한 인공 번개(불꽃)를 허공에 쏘아 올린 걸까요?

본론: 돌멩이의 멱살을 잡아 전자를 토하게 만들다

이 신기한 현상의 비밀은 라이터 버튼 바로 밑에 숨어있는 아주 작고 까만 돌멩이(압전 소자) 하나와, 1880년 프랑스의 피에르 퀴리 형제(마리 퀴리의 남편)가 발견한 위대한 물리학, **'압전 효과(Piezoelectric effect, 壓電)'**에 숨어있습니다. 말 그대로 누를 압(壓) 자를 써서, 꾹 누르면 전기(電)가 튀어나온다는 뜻입니다.

1. 안정적인 크리스탈(수정)의 평화로운 상태

석영(수정, Quartz)이나 특수한 세라믹 같은 광물질을 현미경으로 엄청나게 확대해서 까보면, 그 안의 원자(플러스(+)와 마이너스(-) 전기 알갱이들)가 육각형이나 정육면체 모양으로 아주 반듯하고 예쁘게 줄을 서서 꽉 묶여 있습니다.

• 평소에는 (+)와 (-)가 서로 정확한 간격으로 마주 보며 완벽한 균형(평형)을 이루고 있습니다.
• 겉에서 보면 전기가 전혀 흐르지 않는 얌전한 돌멩이에 불과합니다.

2. 퍽! 때리면 깨지는 전기의 균형

이제 라이터 버튼을 '딸깍' 누릅니다. 라이터 안에는 아주 조그마한 스프링과 쇠망치가 들어있습니다. 버튼을 누르는 순간 쇠망치가 용수철처럼 팍 튕겨 나가 까만색 돌멩이(압전 소자)의 대가리를 미친 듯이 강하게 '퍽!' 하고 후려칩니다.

• 엄청난 타격(물리적 압력)을 받은 돌멩이는 찰나의 순간 옆으로 살짝 찌그러집니다(변형).
• 돌멩이가 찌그러지는 순간, 돌멩이 속에 예쁘게 줄 서 있던 (+)와 (-) 원자들의 밸런스가 와장창 무너져 내립니다.
• 억눌린 (+) 전하들은 위쪽으로 쏠려 몰리고, (-) 전하(전자)들은 아래쪽으로 미친 듯이 도망쳐 몰려갑니다. 한쪽은 엄청난 플러스 극이 되고 한쪽은 마이너스 극이 되며 돌멩이 양끝에 수천 볼트(V)에 달하는 끔찍한 전압(전기적 차이)이 순간적으로 폭발해 버립니다.

3. 갈 곳 없는 전자의 탈출 (스파크)

돌멩이 끝에 미친 듯이 몰려든 수만 개의 마이너스(-) 전자들은 좁아터져서 밖으로 도망치고 싶어 미칠 지경입니다. 이때 라이터 쇳덩어리(전선)를 타고 올라가 공기 중으로 툭 튀어나와 반대편 쇠붙이를 향해 공기를 찢으며 번개처럼 훅 날아갑니다(방전 현상). 이때 번쩍! 하고 눈에 보이는 파란빛이 바로 전자들이 공기 분자와 부딪히며 내는 빛, 즉 **'스파크(전기 불꽃)'**입니다. 당신의 손가락 악력이 0.1초 만에 돌멩이의 멱살을 쥐어짜 내어 수천 볼트의 번개를 강제로 뿜어낸 셈입니다.

결론: 춤추는 돌멩이, 압전의 무한한 변신

재밌는 사실은 이 압전 효과를 반대로 써먹을 수도 있다는 것입니다. (역 압전 효과) 돌멩이를 누르면 전기가 나오지만, 반대로 돌멩이에 전기를 찌릿찌릿 흘려보내면 어떻게 될까요? 돌멩이가 스스로 덜덜덜 팽창했다 수축했다 하며 미친 듯이 춤을 춥니다(떨립니다).

• 스마트폰이나 컴퓨터의 메인보드 안에는 아주 얇은 수정(Quartz) 조각이 들어있습니다. 배터리에서 전기를 흘려주면 이 돌멩이가 1초에 무려 3만 2천 번을 일정한 박자로 미세하게 덜덜덜 떱니다. 그 진동 박자를 시계의 1초로 쪼개어 계산하는 것이 바로 세상에서 가장 얇고 정확한 시계인 **'쿼츠 시계(전자시계)'**입니다.
• 임산부의 뱃속 아기를 보는 초음파 기계도, 전기 충격으로 돌멩이를 덜덜덜 떨게 만들어서 나오는 소리 파동(초음파)을 쏘아 몸속을 스캔하는 것입니다.

우리는 발밑에 굴러다니는 단단하고 차가운 돌멩이를 짓누르고 괴롭혀서 번개를 뽑아내고, 전기로 간지럼을 태워 춤을 추게 만들며 현대 문명의 톱니바퀴로 완벽하게 써먹고 있습니다.