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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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내일은 바로 고대하고 고대하던, 크리스마스 이브! 토요일이긴 하지만, 오늘 저녁 눈이 내릴 수도 있다는 반가운 소식이 들려오고 있어 세상은 기대감으로 들썩이고 있습니다. 오늘 눈이 내리면, 올해는 화이트 크리스마스가 되는 건가요? 만약 눈이 내리지 않는다고 해도, 온라인 속에서는 화이트 크리스마스를 맞이할 수 있을 것 같습니다. 바로 구글의 특별한 크리스마스 선물을 통해서 말이죠!

let it snow!!!
어떻게 온라인 속에서 화이트 크리스마스를 맞이할 수 있는지 궁금하시다고요? 그렇다면, 지금 당장 구글 검색창에 'let it snow'를 검색해보세요! 화면이 전환됨과 동시에 인터넷 창에 눈이 내리기 시작하고, 마치 성에가 낀 듯 모니터가 뿌옇게 변하는 모습을 보실 수 있답니다. 특히 성에가 잔뜩 낀 화면을 마우스로 문지르면 김이 서린 창문에 글씨를 쓰는 듯한 효과도 볼 수 있어요. (2012.1.10. 현재 구글에서 이 기능은 작동을 안하네요. 대신 'tilt', 'do a barrel roll'를 검색해보세요^^)

let it snow를 검색하자 눈이 내리기 시작합니다


잠시 후, 인터넷 창이 점점 흐려지며 성에가 끼기 시작하네요.

자, 그럼 이제 이 성에를 없앨 수 있는 방법을 알려드릴게요!
저~기 위에! 검색창 오른쪽에 Defrost(성에를 제거하다) 버튼 보이시나요? 이 버튼을 꾸욱~ 누르시면 성에가 제거된 깨끗한 화면을 보실 수 있어요.

검색창 오른쪽에 파란색 defrost 버튼을 눌러주세요

이외에도 'tilt', 'do a barrel roll' 등을 검색하면 각 키워드에 맞는 특별한 효과를 보실 수 있답니다^^ 우선 ‘tilt’ 라고 검색하면 화면이 살짝 기울어진 모습을 볼 수 있고요, ‘do a barrel roll’을 검색하면 화면이 돌아가는 모습을 볼 수 있어요.

'tilt'를 검색한 모습. 화면이 오른쪽으로 살짝 기울어졌다.


'do a barrel roll' 을 검색한 모습. 화면이 시계방향으로 돌기 시작한다.

사실 그동안 구글은 검색창에 다양한 이스터에그(Easter egg;프로그램 개발자들의 숨겨진 장난)가 있어 네티즌들 사이에서 화제가 되기도 했는데요, 이스터 에그에 대해 잠깐 알아보고 넘어가도록 하겠습니다.

‘이스터에그’는 '부활절 달걀'을 뜻합니다. 교회에서는 부활절 날 삶은 달걀을 나눠주는데, 가끔 장난기 있는 사람들이 삶은 달걀 대신 생달걀을 나눠주기도 했었답니다. 이는 삶은 달걀인 줄 알고 깨 먹으려던 사람들에게 놀람과 즐거움의 선사하기 위해서였다는데요, 프로그래머들 역시 이와 같은 생각으로 사용자들에게 색다른 즐거움을 선사하기 위해 이스터에그를 만들었습니다. 최초의 이스터 에그1977년에 아타리 2600이란 게임기에서 발견되었는데요, 지금은 프로그램 외에도 하드웨어, 홈페이지 등 다양한 곳에서 발견할 수 있답니다. 

어쨌거나 이번 ‘이스터에그’는 구글의 깜짝 크리스마스 선물이라고도 할 수 있는데요, 아쉽게도 익스플로러에서는 실행이 되지 않으니 ‘크롬’이나 ‘파이어 폭스’를 이용하셔야 합니다. 크롬의 경우, ‘let it snow’를 검색하면 우선 눈이 내리기 시작하다가 점점 성에가 끼는 모습을 볼 수 있고요, 파이어 폭스에서는 바로 성에가 끼는 모습부터 보실 수 있다고 하네요.

참, ‘let it snow’는 유명한 캐롤송이기도 하죠? 그래서 마지막으로 ‘let it snow’ 음악을 들려드리며 마무리 지을까 합니다. 모두들, 행복한 성탄절 되세요!

Merry Christmas~ Happy new year!!!

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