두 물질 접촉면의 온도차 전기를 만들다..한국 과학자들 마찰전기 발생 원리 최초 규명

KAIST 김용현 물리학과 교수팀..마찰전기 발전 가능성도 열려

털, 실크, 나일론, 금속, 고무, 플라스틱 등이 포함된 이론 마찰 대전열 개념도. KAIST 제공.

KAIST는 김용현 물리학과 교수 연구팀이 여호기 한국표준과학연구원 박사와 공동연구를 통해 난제로 알려진 마찰전기 발생 원리를 처음으로 규명했다고 26일 밝혔다. 

마찰전기의 미시적 작동원리를 찾아내 마찰전기 발생시 이동하는 전하량을 설명할 수 있는 이론을 내놓은 것이다. 최근 주목받는 에너지 수확 기술인 ‘마찰전기 나노 발전기’ 효율을 높이고 반도체 산업에서 마찰전기로 생기는 문제를 해결하는 데 도움을 줄 것으로 기대된다. 

마찰전기는 2600년 전 인류가 처음 ‘전기’를 인식하게 된 계기로 알려져 있다. 실생활에서도 번개나 정전기 등 친숙한 자연현상이지만 지금까지 마찰전기의 발생을 정량적으로 설명하는 이론은 없었다. 

연구팀은 앞서 2014년 두 물질의 온도차를 이용해 전기가 만들어지는 열전 현상을 영상으로 측정할 수 있는 기술을 개발하며 두 물질 간 계면에 급격한 온도 변화가 발생할 수 있다는 사실에 주목했다. 계면에 마찰에 의한 열이 발생하면 열전 효과에 의해 전하가 이동할 수 있고 마찰전기의 원리를 규명할 수 있는 실마리를 찾을 것으로 예상하고 7년만에 마찰전기의 발생 원리를 알아내는 데 성공했다. 

연구팀은 마찰전기의 전하 이동 방향을 예측할 수 있는 ‘마찰전기 팩터’ 공식을 유도해 이를 이용한 이론 마찰 대전열을 세계 최초로 구성했다. 마찰전기 팩터는 온도차로 유도되는 전압을 의미하는 ‘제벡 계수’와 미도, 비열, 열전도도 등 물질 특성으로 구성된다. 또 마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압 차이의 크기를 예측하는 ‘마찰전기 파워’라는 물리량도 처음으로 제안했다. 

연구자마다 다른 결과를 보고해 부정확하다는 인식으로 2015년 개정 교육과정 교과서에서 다루지 않는 ‘마찰 대전열’이 이번 연구로 다시 교과서에 실릴 수 있는 계기가 마련됐다는 평가다. 

김용현 교수는 “마찰전기에 대한 이해를 통해 고효율 마찰전기 나노 발전기를 설계할 수 있게 됐으며 실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 연구결과는 미국물리학회 오픈액세스 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 리서치’에 5월 17일 게재됐다. 

[김민수 기자 reborn@donga.com]