아주대·전북대 ‘물리학 난제’ 마찰전기 대전열 규명

[이데일리 신하영 기자] 국내 연구진이 물리학계의 오랜 난제를 규명하는 데 성공했다.

사진=아주대 제공

아주대는 조성범(사진) 첨단신소재공학과 교수팀이 마찰전기 대전열이 시시각각 변화하는 메커니즘을 이론과 실험을 통해 규명해냈다고 30일 밝혔다. 이번 연구에는 조성범 아주대 교수와 정창규 전북대 교수가 교신저자로, 줄리오 파티(Giulio Fatti) 영국 임페리얼 칼리지 런던(Imperial College London) 박사가 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 저명 국제학술지(Physical Review Letters) 10월 20일자에 게재됐다.

마찰전기는 두 물체가 접촉할 때 한 물체는 양전하로 다른 한 물체는 음전하로 전기를 띄게 되는(대전, 帶電) 현상으로 이미 기원전 2500년 전에 발견됐다. 스웨터를 벗을 때 생기는 정전기나 금속으로 된 문고리를 잡을 때 생겨나는 정전기 같이 일상에서도 쉽게 접할 수 있다.

마찰전기는 특정 물체 사이에서만 생겨나는 것이 아니라 모든 물질 사이의 접촉에서 생겨난다. 심지어 액체와 고체, 기체와 기체에서도 관측된다. 번개에 축적되는 전하 역시 구름에 있는 물 분자 사이의 접촉에 의한 마찰전기다.

마찰전기에 대한 과학적 원리는 아직도 미지의 영역으로 남아있다. 약 500년 전부터 과학자들은 어떤 물질은 조금 더 양전하로, 또 다른 물질은 조금 더 음전하로 각각 대전되는 경향을 발견했으며 이를 ‘마찰전기 대전열’로 명명했다. 그러나 아직도 마찰전기 대전열이 어떤 원리로 결정되는지는 완벽하게 밝혀내지 못했다. 마찰전기가 재현되지 않는 물질도 존재하기 때문이다.

최근 학계에서는 일상에서 흔히 접하는 움직임을 전기 에너지로 활용하기 위해 에너지 하베스팅(energy harvesting technology) 기술에 관심을 가져왔다. 다만 마찰전기의 과학적 원리에 대한 불확실성 문제가 발목을 잡아온 것.

아주대 공동 연구팀은 이러한 난제를 규명하기 위해 양자역학 기반의 컴퓨터 시뮬레이션과 마찰전기 기반 전자소자를 제작, 전자·이온의 흐름을 연구했다. 그 결과 대부분의 물질에서 전자들이 한 물질로 옮겨갔다가 돌아오지 못하면서(갇힌 전하 이론) 마찰전기가 발생하는 것을 발견했으며, 이런 현상이 마찰전기 대전열의 경향성과 부합하는 것을 확인했다.

조성범 아주대 교수는 “이번 연구는 마찰전기에 대한 오랜 난제를 규명한 연구로 마찰전기를 이용한 여러 응용 소자들이 가지고 있는 신뢰성 문제를 해결할 수 있을 것”이라며 “그간 신뢰성 문제로 상용화가 어려웠던 초소형 사물인터넷(IoT) 기기와 생채 삽입형 소자 같은 마찰전기 에너지 수확 소자의 전원공급을 가능하게 해줄 것으로 기대한다”고 말했다. 한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 이공기초우수진진연구사업의 지원을 받아 수행됐다.