마찰전기 나노 발전기와 여러 실생활 등에서도 사용될 것
마찰 대전열, 다시 교과서 실릴 수 있어
(내외방송=정지원 기자) 수천 년 동안 해결되지 않은 난제인 '마찰전기 발생 원리'가 우리나라에서 규명됐다.
KAIST는 26일 "김용현 물리학과 교수 연구팀이 두 물질을 마찰시킬 때 경계면에서 발생하는 열에 의해 전하가 이동할 수 있다는 아이디어를 바탕으로 '제1원리 전자구조 계산'과 '열전달 방정식'을 풀어 마찰전기의 작동원리를 찾아냈다"고 밝혔다.
마찰전기에 대한 새로운 이론은 최근 주목받고 있는 에너지 수확 기술 중 하나인 마찰전기 나노 발전기 효율을 혁신적으로 증대할 것으로 예상된다.
이외에도 여러 실생활과 반도체 산업에서 원하지 않는 문제를 일으키거나 터치스크린처럼 긍정적으로 사용되고 있는 정전기의 미시적 제어를 가능하게 할 것으로 기대된다.
마찰전기는 2600년 전에 인류가 처음 전기를 인식하게 된 계기로 알려졌을 만큼 인류와 함께한 역사가 오래됐다.
최근에는 에너지 수확 기술 중 하나로 중요하게 여겨질뿐만 아니라 코로나19 감염을 막기 위한 마스크, 공기 정화 기술로도 광범위하게 사용되고 있다.
실생활에서도 번개나 정전기 등 매우 친숙한 자연현상으로 인식되고 있지만, 지금까지 마찰전기의 발생 원리를 설명할 수 있는 양자역학이나 나노기술 이론은 없었다.
연구팀은 마찰전기의 전하 이동 방향을 예측할 수 있는 '마찰전기 팩터' 공식을 유도했으며 이를 이용해 세계 최초로 마찰 대전열 이론을 구성했다.
마찰전기 팩터는 ▲제벡 계수(단위 온도차에서 유도되는 전압) ▲밀도 ▲비열 ▲열전도도 등의 특성으로 구성돼있다.
뿐만 아니라 연구팀은 마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압강하의 크기를 예측하는 '마찰전기 파워'라는 물리량 K도 최초로 제안했다.
연구팀이 마찰전기 팩터를 이용해 정량적인 대전열(물체를 마찰시킬 때 양전기와 음전기를 띠는 물질을 순서대로 나열)을 최초로 구성했기 때문에 다시 교과서에서 마찰 대전열이 실릴 수 있을 것으로 보인다.
마찰 대전열은 연구자마다 다른 결과를 보고하고 있어 2015년 개정 교육과정 교과서에는 다루지 않았다.
김 교수는 "오랫동안 포기하지 않고 매달려 준 학생들과 동료들에게 감사하다"며 "마찰전기에 대한 이해를 통해 고효율 마찰전기 나노 발전기를 설계할 수 있게 됐으며 실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되기를 바란다"고 말했다.
이 연구는 ▲한국연구재단의 자율운영 중점연구소 지원산업 ▲SRC 이공분야기초연구사업 ▲미래소재디스커버리사업 ▲KAIST의 그랜드 챌린지 30 사업의 지원을 받아 수행됐고, 관련 기술은 국내 특허출원을 완료했다.
신의철 KAIST 물리학과 박사과정 연구원이 제1저자로 참여하고 여호기 한국표준과학연구원 박사가 공동연구로 참여한 이번 연구는 미국물리학회 오픈엑세스 국제 학술지 '피지컬 리뷰 리서치'에 지난 17일 출판됐다(논문명: Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoeletricity).
