KAIST, 인류 난제 '마찰전기 발생 원리' 세계 최초 규명

마찰전기 현상 근본적 이해 가능한 마찰 대전열 이론 제시

에너지 수확 기술 증대 및 정전기 미시적 제어 가능

마찰전기 나노 발전기 설계 기여, 국제학술지에 발표

[대전=뉴시스] 마찰전기 팩터로 정량화된 마찰 대전열 그래프. 마찰전기 팩터는 제벡계수, 밀도, 비열, 열전도도로 정의되며 이를 통해 밀도와 열전도도가 낮은 고분자 물질에서 마찰 대전이 잘 발생하는 이유를 알 수 있다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = KAIST는 물리학과 김용현 교수 연구팀이 그동안 풀리지 않던 마찰전기 발생 원리를 세계 최초로 규명했다고 26일 밝혔다.

김 교수팀은 두 물질을 마찰시킬 때 경계면에서 발생하는 열에 의해 전하가 이동할 수 있다는 전제를 바탕으로 마찰전기의 미시적 작동원리를 찾아내 기존 실험적 사실을 정상·정량적으로 설명해냈다.

KAIST 물리학과 신의철 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여하고 한국표준과학연구원 여호기 박사가 공동연구로 참여한 이번 연구는 동료심사를 거쳐 미국물리학회 오픈엑세스 국제 학술지 '피지컬 리뷰 리서치(Physical Review Research)' 5월 4권 2호에 지난 17일 출판됐다.

논문명: Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity.

마찰전기에 대한 인류의 인식은 매우 오래됐고 최근에는 에너지수확 기술 중 하나로 중요하게 여겨지고 있을 뿐만 아니라 코로나19의 감염을 막기 위한 마스크, 공기정화기술로 광범위하게 사용되고 있다.

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

김용현 교수와 여호기 박사는 지난 2014년 열전영상측정 기술을 개발하며 두 물질 간의 계면에 급격한 온도변화가 발생할 수 있다는 사실을 확인했다. 계면에 마찰에 의한 열이 발생하면 열전효과에 의해 전하가 이동할 수 있다.

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

 또한 마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압강하의 크기를 예측하는 '마찰전기 파워(triboelectric power)'라는 물리량(K)도 최초로 제안했다.

연구팀에 따르면 마찰전기는 크게 마찰열과 대전현상으로 정의된다. 상대적으로 움직이고 있는 물질 사이의 움직임이 저하되는 현상인 마찰과정에서는 저항에 해당하는 마찰력에 의해 운동에너지가 마찰열로 변환된다.

 또 계면 마찰열에 의해 물질 내의 온도분포에 변화가 발생하면 전자의 재분배에 의해 계면에 전압차이가 발생한다. 이런 계면 전압을 보상키 위해 전하가 움직여 대전현상이 완성된다는게 마찰전기 현상에 대한 설명이다.

김용현 교수는 "미시세계에서의 열전현상을 양자역학적으로 연구하고 있었기 때문에 인류의 난제인 마찰전기 문제를 해결할 수 있었다"며 "마찰전기에 대한 미시적 이해를 통해 고효율 마찰전기 나노 발전기를 물질수준에서 설계할 수 있게 됐고  실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되길 바란다"고 말했다.


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