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03.29 (금)

"앗, 따가워!"···마찰전기 발생 원리, 수천 년 만에 KAIST가 풀어

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[김미정 기자]
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수천 년 동안 아무도 풀지 못한 난제인 마찰전기 발생 원리가 풀렸다. 카이스트(총장 이광형)가 김용현 물리학과 교수 연구팀이 마찰전기 발생 원리를 세계에서 처음 규명했다고 26일 밝혔다. 김용현 교수 연구팀은 마찰열로 인한 열전효과를 통해 발생 원리를 설명했다. 향후 터치스크린에서 발생하는 정전기 미시적 제어에 도움 될 전망이다.

마찰전기는 실생활에서 정전기나 번개처럼 매우 익숙한 자연현상이다. 2600년 전 인류가 처음 '전기'를 인식하게 된 계기로 알려질 만큼 역사적으로도 오래됐다. 그러나 지금까지 마찰전기 발생 원리를 정량적으로 설명할 수 있는 양자역학 이론이나 나노기술 이론은 없었다.

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김용현 교수는 여호기 박사와 2014년 열전 영상 측정 기술을 개발해 두 물질 간 계면에 급격한 온도 변화가 발생할 수 있다는 사실에 주목했다. 열전효과에 의해 전하가 이동할 수 있고, 마찰전기 원리를 알아낼 수 있는 실마리를 찾은 것으로 봤다.

그러나 당시 문제는 쉽게 해결되지 않았다. 지속적 연구 결과 7년 후인 지금 대부분 난관을 풀고 마찰전기의 비밀을 처음으로 밝혀낼 수 있었다.

김 교수 연구팀은 마찰전기 전하 이동 방향을 예측할 수 있는 '마찰전기 팩터(triboelectric factor)' 공식을 유도했다. 이를 통해 이론 마찰 대전열을 구성했다. 마찰전기 팩터는 단위 온도차에서 유도되는 전압, 밀도, 비열, 열전도도 등 물질 특성으로 이뤄졌다.

마찰전기로 만들 수 있는 전압강하 크기를 예측하는 '마찰전기 파워(triboelectric power)'라는 물리량 K도 연구팀이 처음으로 제안했다. 김 교수 연구팀이 미시적, 양자역학적으로 정의된 마찰전기 팩터를 이용해 정량적인 대전열을 최초로 구성한 셈이다.

마찰전기에 대한 새로운 이론은 최근 주목받고 있는 에너지 수확 기술 중 하나인 '마찰전기 나노 발전기(TENG, Triboelectric nanogenerator) 효율성을 높일 수 있다. 또 반도체 산업에서 원하지 않는 문제를 일으키거나 터치스크린처럼 긍정적으로 사용되고 있는 정전기의 미시적 제어에 도움 될 전망이다.

김용현 교수는 "마찰전기에 대한 미시적 이해를 통해 보다 고효율 마찰전기 나노 발전기를 물질 수준에서 설계할 수 있게 됐다"며 "실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되길 바란다"고 밝혔다.

신의철 KAIST 물리학과 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여하고 여호기 한국표준과학연구원 박사가 공동연구로 참여한 이번 연구는 미국물리학회 오픈엑세스 국제 학술지 `피지컬 리뷰 리서치 (Physical Review Research)' 5월 4권 2호에 지난 17일 출판됐다. 논문명은 'Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity' 다.

이번 연구는 한국연구재단 자율운영 중점연구소 지원사업, SRC 이공분야기초연구사업, 미래소재디스커버리사업, 카이스트의 최장 30년까지 지원하는 그랜드챌린지 30 사업 지원을 받아 수행했다. 관련 기술은 국내 특허출원도 마쳤다.

AI타임스 김미정 기자 kimj7521@aitimes.com

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