크리스마스 멜로디 카드의 과학

안녕하세요? 국가과학기술위원회 블로그 기자단 2기 이다호라입니다.
오늘은 바로 크리스마스! 여러분도 어렸을 때 한번 쯤 크리스마스 멜로디 카드를 선물해보거나 받아보신 적이 있나요? 신나는 캐롤송에 크리스마스 기분이 물씬 나게 해주는 멜로디 카드에는 어떤 과학적인 원리가 숨어있을까요? 오늘은 크리스마스 멜로디 카드에 숨어있는 과학적인 원리에 대해 차근차근 알아보겠습니다.

http://www.flickr.com/photos/sansharma/4222873164 @San Sharma

크리스마스 멜로디 카드에서 캐롤송을 들을 수 있는 이유는 바로 두툼한 카드 안쪽에 숨겨져 있는 멜로디 칩 때문이라는 것은 모두들 알고 있으시죠?

http://www.flickr.com/photos/wfryer/990116281 @Wesley Fryer

이 멜로디 칩을 분해해보면 노래가 흘러나오는 500원 동전크기만한 구리판이 나옵니다. 이 구리판의 뒷면에는 어떤 물질이 발려 있는데요, 이것이 바로 ‘압전소자’입니다. 압전소자에서는 ‘압전효과’라는 특성을 관찰할 수 있는데요, 멜로디 카드 안에 들어있는 멜로디 칩은 압전효과를 이용한 압전스피커, 또는 피에조스피커입니다.

피에조 스피커 http://www.flickr.com/photos/mrigneous/3062913534/ josh kopel

압전효과는 물리적인 압력이나 충격 에너지를 전기에너지를 바꾸거나, 전기적인 에너지를 진동으로 바꾸는 특이한 성질을 말합니다. 여기서 압전소자는 압전효과를 지닌 소자로, 외부에서 힘이 가해지면 외부 에너지를 전기에너지로 바꿔주게 됩니다. 반대로 여기에 전압을 걸어주면 변형이나 변형력이 생기는 성질을 가지고 있습니다. 따라서 압전소자는 물리적인 변형으로 전기가 발생하는 ‘1차 압전효과’와 전기에너지로 물리적인 변형이 일어나는 ‘2차 압전효과’ 혹은 ‘역압전효과’를 보이는 것입니다.

압전소자로는 수정, 전기석, 로셀염 등이 이용되고 있는데요, 최근에는 티탄산바륨(BaTiO₃), 인산수소암모늄((NH4)2HPO4), 타르타르산에틸디아민 등의 인공 결정도 압전성이 뛰어나다는 것이 증명되어 활발히 쓰이고 있습니다.

압전효과는 1880년 피에르 퀴리(Pierre Curie, 1859~1906), 자크 퀴리(Jacques Curie, 1856~1941) 형제가 처음으로 발견하였습니다. 퀴리 형제는 특정한 물질에서 온도 변화가 생기면 전기가 발생하는 현상을 관찰하게 되었는데요, 이에 착안하여 몇 가지 물질에서 물리적인 변형을 가한 후 이를 전기적인 신호로 바꾸는 것을 성공시키면서 압전 효과가 세상에 알려지게 되었습니다.

그렇다면 이러한 압전 효과가 발생하는 이유는 무엇일까요? 압전효과가 발생하는 물질은 전기 쌍극자(electric dipole)의 특성을 가지고 있습니다. 자연계의 대부분 물질은 전체적으로 양의 전하량과 음의 전하량이 같기 때문에 전기적으로 중성을 나타냅니다. 하지만 결정구조의 단위로 볼 때 양의 전하와 음의 전하의 위치가 약간 어긋나있어, 원자나 분자 단위에서 그 주변에 전기장을 형성시키는데, 이를 전기 쌍극자라고 합니다.

이런 전기 쌍극자의 특성을 가진 물질에 물리적인 힘을 주게 되면, 결정 구조가 찌그러지면서 전하의 불균형이 일어나면서 주변의 전기장이 바뀌게 됩니다. 그리고 이로 인해 압전소자에 연결된 전기회로에 양 또는 음의 전기가 발생합니다. 이와 반대로 압전소자 회로에 전기를 가하면, 외부의 전기적 인력 혹은 척력에 의해 전기쌍극자의 균형이 깨지게 되어 물리적인 변형을 일으키게 됩니다.

잠수함의 초음파 신호 탐지기로 사용된 압전소자http://www.flickr.com/photos/pnnl/7128881017/ @PNNL - Pacific Northwest National Laboratory

압전 소자는 1917년 1차 세계대전 중 프랑스의 과학자들이 개발한 초음파 잠수함 탐지기에서 가장 먼저 사용되었습니다. 탐지기에서 초음파 신호를 발생시킨 후, 압전소자를 이용해 이 신호가 잠수함 등 수중 물체에 부딪혔다가 되돌아오는 것을 탐지하게 되었습니다.

크리스마스 멜로디 카드에 쓰이는 멜로디칩 뿐만 아니라 우리 생활 속에서도 압전 소자를 이용한 장치를 찾아볼 수 있습니다. 압전소자는 소리로부터 전달되는 미세한 압력신호를 감지해서 전기적인 신호를 발생시킬 만큼 민감하기 때문에, 이를 이용해 음성신호를 전기신호로 변환시켜주는 마이크로 활용이 가능합니다.

가스레인지에도 사용되는 압전소자http://www.flickr.com/photos/smull/111008435/ @&y

또한 전기라이터나 가스레인지에 전기 스파크를 일으켜 불을 붙이는 장치도 압전의 원리를 이용한 것입니다. 라이터를 켤 때 스프링버튼을 누르면, 라이터 내부의 작은 망치가 압전소자를 때리게 되면서 전기가 발생하게 되고, 이때 발생한 스파크(spark)로 가스를 점화시키게 됩니다.

압전소자가 사용되는 잉크젯 프린터의 분사기http://www.flickr.com/photos/steveonjava/8170383741/ @steveonjava


이밖에도 군사용 음파탐지 센서, 의료용 또는 산업용 비파괴검사(Non-destructive testing) 센서 등에도 적용되며, 잉크젯 프린터의 분사기, 디젤 자동차의 연료 분사기, 엑스레이 셔터 등의 소형의 정밀기계에도 다양하게 활용되고 있습니다. 그동안은 미세한 변형을 측정하기 어려웠는데, 압전소자를 이용해서 측정과 기록이 쉬운 전기 신호로 바꿔주고, 반대로 미세한 전기 신호를 원하는 만큼의 정밀한 물리력으로 변환시켜줄 수 있게 되었습니다.

크리스마스 멜로디 카드에 숨겨진 과학적 원리 ‘압전효과’에 대한 오늘의 이야기, 재미있게 읽으셨나요? 압전효과의 특성을 이용하여 다양한 분야에서 쓰일 수 있으니 앞으로도 유심히 지켜봐주세요. 그럼 다음 기사에서 만나겠습니다. 즐거운 크리스마스 보내세요.

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굿가이(Goodguy)

우리 생활 속 과학이야기

매일 쓰고 있는 교통 카드, 그 원리는?

여러분은 하루에 몇 번이나 카드를 이용하시나요? 등교나 출근 등을 하기 위해 교통카드로 대중교통을 이용하거나, 어떤 물건을 사기 위해 카드로 계산을 하는 것 모두 포함해서 말입니다. 지하철이나 버스를 이용하면 하루에만 벌써 두 번, 점심을 먹거나 무언가를 살 때도 포함하면 우리가 하루에 카드를 꺼내는 횟수는 적지 않습니다. 카드의 생활화가 보편화된 것이죠. 우리는 카드의 편리함 덕분에 현금을 들고 다닐 필요가 없어졌으며 이용내역 또한 데이터로 저장되기 때문에 차후에 카드 사용처를 쉽게 확인할 수 있습니다.

헌데, 너무나 당연하게 사용하고 있는 카드와 단말기의 원리는 과연 무엇일까요? 또, 왜 대중교통의 요금을 지불할 때에는 단말기에 대고 그 외에는 카드를 긁어서 요금을 지불할까요? 이를 알아보기에 앞서! 먼저 ‘카드’에 대해 알아봅시다.

신분당선 노선 중 판교역의 교통카드 단말기

우리가 사용하는 카드는 IC카드입니다. IC카드(Integrated Circuit Card)는 마그네틱(Magnetic Stripe Card)의 기능과 보안성을 보완하기 위해 등장했습니다. 마그네틱 카드는 자기 테이프의 원리를 카드에 응용한 것으로, 자기 테이프를 카드에 붙이고, 테이프 표면에 있는 자성 물질의 특성을 변화시켜 데이터를 전달하는 방식입니다. 마그네틱 카드는 앞서 말한 접촉식 카드이기 때문에 내구성이 낮으며 많은 정보를 담지 못하는 단점이 있었습니다. 특히, 자석과 접촉하면 정보가 없어지거나 변형되기도 하여 불편이 이만저만이 아니었습니다.

그래서 등장한 것이 바로 IC카드! IC카드는 반도체 기반의 집적회로를 내장한 것이 큰 특징입니다. 작은 컴퓨터를 붙여놓았다고 생각하면 이해하기 편한데, IC카드는 자석과 접촉해도 데이터의 손상이 없으며 보안성과 내구성도 우수하며 다양한 기능을 포함할 수 있습니다.

IC카드는 정보를 전달하는 방식에 따라 접촉식과 비접촉식으로 구분됩니다. 접촉식 카드는 리더기와 카드의 사이에 물리적인 접촉을 하여 정보를 전달합니다. 잦은 접촉에 의해 전기적 충격이나 손상이 있을 수 있으나 많은 정보를 처리하는 분야 즉, 신용카드나 현금 카드에 많이 사용됩니다. 비접촉식 카드는 무선 주파수 신호(RF : Radio Frequency, 라디오파와 같은 전파)를 이용해 단말기와 카드 사이에 물리적 접촉 없이 정보를 전달합니다. 신속하게 정보를 전달하기 때문에 교통카드에 많이 쓰이고 있습니다.

비접촉식 카드는 다시 두 가지 방식으로 나뉩니다. 카드 자체적으로 전파를 보내는 방식과 단말기에서 카드로 전파를 보내는 방식이 그것인데요, 전자의 방식일 경우 전파의 강도가 상대적으로 강해 거리가 멀어도 카드 사용이 가능한 반면, 후자의 방식은 카드와 단말기가 가까이 있어야 정보교환이 가능합니다.

IC칩

그럼 여기서 교통카드의 원리에 대해 조금 더 자세하게 알아보겠습니다. 지하철이나 버스를 이용할 때 교통카드를 단말기에 완전히 부착되지 않아도 카드가 인식되는 것을 볼 수 있는데 그 이유는 ‘무선주파수인식(RFID, Radio Frequency Identification)’의 원리 때문입니다. 무선주파수인식이란, 무선주파수를 이용해 정보를 인식하고 필요한 작업을 수행하는 기술입니다. 이 기술은 태그, 리더, 안테나로 구성되는데, 카드에 태그가 붙어 있어 관련 정보를 가지고 있고, 리더로 하여금 안테나를 통하여 정보를 읽도록 합니다.

카드에는 전류가 흐르지 않는 상태에서 단말기에 다가갈 경우 전류가 흘러 인식하는데. 바로 여기서 ‘전자유도 현상’이 일어났기 때문입니다. 단말기는 교류가 흐르고 있는 상태에서 계속 변화하는 자기장을 내보냅니다. 여기에 카드를 대면 IC칩과 코일에 의해 카드 내부에 유도전류가 흐릅니다. 이것이 전자유도 현상입니다. 교통카드 안에 IC칩과 연결된 전선이 여러 번 감겨 있습니다. 이 유도전류는 버스카드 내부에 있는 콘덴서(축전지)에 모아져 반도체칩이 이 전류를 이용해 작동하게 되는 것입니다. 그리고 칩에는 단말기와 주고받은 정보가 입력되는데, 요금 정보와 더불어 환승에 필요한 시간 관련 정보도 같이 기록됩니다.

전자유도현상


그럼 카드의 모양이나 굵기에 따라 인식이 되거나 혹은 안되지 않을까? 카드의 구조는 카드 주변에 많은 코일이 감겨 있고 안에 IC 칩이 있습니다. 코일의 감김 횟수가 일정해야 제대로 된 인식이 가능합니다. 카드에 있는 코일의 감김의 굵기가 거의 일정하기 때문에 카드 자체의 굵기와는 상관없이 인식합니다. 하지만 카드 형태의 모양이 달라지면 인식이 잘 안 될 수 있습니다. 예전 한 때, 교통카드를 녹여 칩과 전선을 자신이 원하는 모양으로 변형하여 사용하는 것이 유행했었습니다만, 그렇게 하면 전선을 둘러싸는 면적이 줄어들어 카드에 유도되는 전기가 약해집니다. 그래서 모양을 변형시킨 제품들은 단말기에 인식이 잘 안 될 수 있습니다.

불과 10여 년 전 버스를 타기 위해 동전 지갑을 들고 다니던 때가 생각납니다. 저는 초등학생 시절이라 50원과 10원짜리도 들고 다니기 일쑤였는데요, 이제는 카드 한 장으로 요금 결제와 환승까지 되다니 격세지감을 느낍니다. 앞으로는 또 어떤 기술들이 우리를 놀라게 할까요?


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