마찰전기 발생하는 원리 알아냈다

[아이뉴스24 정종오 기자] 난제 중의 난제로 알려진 마찰전기의 발생 원리가 밝혀졌다.

카이스트(KAIST, 총장 이광형)는 물리학과 김용현 교수 연구팀이 수천 년 동안 해결되지 않은 난제 중의 난제로 알려진 마찰전기 발생 원리를 세계 최초로 규명했다고 26일 발표했다.

김 교수 연구팀은 두 물질을 마찰시킬 때 경계면에서 발생하는 열에 의해 전하가 이동할 수 있다는 아이디어를 바탕으로 ‘제1 원리 전자구조 계산’과 ‘열전달 방정식’을 풀어 마찰전기의 미시적 작동원리를 찾아냈다.

기존에 알려진 실험적 사실을 정성적으로 기술할 수 있었을 뿐만 아니라 정량적으로도 이동 전하량을 설명해 낼 수 있었다. 기존에는 정량적으로 마찰전기를 설명할 수 있는 이론은 없었다.

마찰전기에 대한 새로운 이론은 최근 주목받고 있는 에너지 수확 기술 중의 하나인 마찰전기 나노 발전기(triboelectric nanogenerator, TENG) 효율의 혁신적 증대에 이바지할 것으로 기대된다. 여러 실생활과 반도체 산업에서 원하지 않는 문제를 일으키거나 터치스크린처럼 긍정적으로 사용되고 있는 정전기의 미시적 제어를 가능하게 할 것으로 기대된다.

마찰전기는 2천600년 전 인류가 처음 ‘전기’를 인식하게 된 계기로 알려질 만큼 인류와 함께한 역사가 굉장히 오래된 현상이다. 최근에는 에너지 수확 기술 중 하나로 중요하게 여겨지고 있을 뿐만 아니라 코로나19의 감염을 막기 위한 마스크, 공기 정화 기술로 광범위하게 사용되고 있다.

실생활에서도 번개나 정전기 등으로 매우 친숙한 자연현상인데 지금까지 마찰전기의 발생을 정량적으로 설명할 수 있는 양자역학 이론이나 나노기술 이론은 없었다.

연구팀은 마찰전기의 전하 이동 방향을 예측할 수 있는 ‘마찰전기 팩터(triboelectric factor)’ 공식을 유도했다. 이를 이용해 세계 최초의 이론 마찰 대전열을 구성했다. 마찰전기 팩터는 제벡 계수(단위 온도차에서 유도되는 전압), 밀도, 비열, 열전도도 등 물질 특성으로 구성돼 있다.

마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압강하의 크기를 예측하는 ‘마찰전기 파워(triboelectric power)’라는 물리량 K도 연구팀이 최초로 제안했다.

김용현 교수는 “미시세계에서의 열전현상을 양자역학적으로 연구하고 있었기 때문에 인류의 난제인 마찰전기 문제를 해결할 수 있는 행운이 따랐다ˮ며 “마찰전기에 대한 미시적 이해를 통해 보다 고효율 마찰전기 나노 발전기를 물질 수준에서 설계할 수 있게 됐고 실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되기를 바란다ˮ고 말했다.

KAIST 물리학과 신의철 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여하고 한국표준과학연구원 여호기 박사가 공동연구로 참여한 이번 연구(논문명 : Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity).는 1년여의 동료심사를 거쳐 미국물리학회 오픈엑세스 국제 학술지 ‘피지컬 리뷰 리서치(Physical Review Research)’ 5월 4권 2호에 지난 17일 출판됐다.

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