2,500년 동안 풀리지 않은 마찰전기 난제 규명

- 마찰전기의 원리에 대한 기존 통념과 상반되는 새로운 관점 제시

한국세라믹기술원(원장 정연길)은 조성범·고현석 박사와 정창규 전북대학교 교수 공동연구팀이 최근 세라믹 소재의 마찰전기의 원리에 대한 새로운 관점을 규명했다고 8월 30일 밝혔다.
  마찰전기는 2,500년 전 그 존재가 처음 보고되었으며 그 원리는 프린터, 집진기, 마스크 등 상업적으로도 널리 활용되어 왔으나 물질의 양극과 음극으로 분류되는 현상은 이론적 이해 없이 대부분 실험의 결과에만 의존을 해왔다. 이를 정량화하기 위해 다양한 가설들이 존재하지만, 세라믹 소재는 이론적 복잡성과 실험의 어려움 때문에 알려진 바가 없다.
  연구팀은 세라믹 소재의 마찰전기 이론을 규명하고자 마찰전기 생성과정을 ‘접근-접촉-후퇴’ 3단계로 나누어 검증한 결과 마찰전기의 크기를 결정하는 요소에 대한 비밀을 풀었다. 마찰전기가 커지기 위해서는 전자의 양이 중요하다는 가설에 따라 마주치는 두 물체 사이의 보이지 않는 에너지 장벽이 낮을수록 마찰전기의 양이 클 것으로 생각했다. 그러나 실험결과는 정반대로 에너지 장벽이 클수록 큰 마찰전기가 측정되었다. 이는 물체에 있던 전자가 접촉 단계에는 에너지 장벽을 뛰어 넘어갔으나 후퇴 단계에서 에너지 장벽에 막혀 원래 자리로 되돌아가지 못하는 것을 확인하였다. 결국, 돌아가지 못하고 남아있는 전자의 양이 많을수록 마찰전기가 더 강해지므로 에너지 장벽의 크기가 마찰전기의 전하량에 더 큰 영향을 미치는 것을 입증하였다. 반면, 접근 단계에서 발생하는 에너지로 인하여 전자는 에너지 장벽의 크기와는 상관없이 항상 뛰어넘을 수 있어 접촉 시에 에너지 장벽은 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 확인되었다.
  한국세라믹기술원 조성범 박사는 “마찰전기의 원리에 대한 기존 통념과 상반되는 새로운 관점”이며 “향후 마찰전기 에너지하베스터 소재 선정에 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 기대된다”라고 말했다.
  이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업, 산업통상자원부 i-ceramic 등의 지원을 통해 수행되었다. 연구 결과는 미국화학회(American Chemical Society)에서 발행하는 에너지레터(ACS Energy Letter) 2021년 8월호에 게재됐다.

[그림 1] 마찰전기 에너지 수확 소자 개요도와 두 물질 계면의 전하 분포 모식도.
일반적인 마찰전기 에너지 수확 소자는 두 개의 물질과 전극판형으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 상단 금속과 하단전극 위에 유전체를 올린 소자를 사용하였다. 금속으로는 Au를, 유전체로는 Al2O3, MgO, LaAlO3, SrTiO3, TiO2를 사용하였고 금속은 음(-)으로, 유전체는 양(+)으로 대전되었다.

[그림 2] ‘역류-잔류전하’모델의 원리 개요도.
두 물체가 ‘접근’하면 기계적 에너지에 의해 전하가 금속에서 유전체로 이동. ‘접촉’이 되면 두 물질의 페르미 준위는 평형에 이름. 두 물체가 ‘후퇴’할 때 활성전하가 금속으로 되돌아가게 되고, 잔류전하가 유전체에 남게 됨.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2021년 10월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>