한국과학기술원(KAIST)은 물리학과 김용현 교수 연구팀이 수천 년 동안 해결되지 않은 난제 가운데 하나인 마찰전기 발생 원리를 규명했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 두 물질을 마찰시킬 때 경계면에서 발생하는 열에 의해 전하가 이동할 수 있다는 아이디어를 바탕으로 마찰전기의 작동원리를 찾아냈다.

마찰전기와 관련한 가장 대표적인 두 가지 현상이 마찰열과 전기적 성질을 띠는 대전현상인데, 연구팀은 마찰전기를 '마찰열에 따른 대전현상'으로 설명하기 위해 미시적 열전효과(열과 전기의 상관 현상)에 주목했다.

계면 마찰열로 물질 내 온도분포에 변화가 생기면 전자의 재분배 때문에 계면에 전압 차이가 발생한다.

이러한 계면 전압을 보상하기 위해 전하가 움직이면서 발생하는 대전현상 때문에 마찰전기가 나타난다는 것이다.

연구팀은 마찰전기의 전하 이동 방향을 예측할 수 있는 '마찰전기 팩터'(triboelectric factor) 공식을 유도했고, 이를 이용해 세계 최초의 이론 마찰 대전열을 구성했다고 설명했다.

대전열은 종류가 다른 두 물질이 마찰·압력으로 접촉할 때 양의 전하로 대전되기 쉬운 물질 순서로 나열한 것이다.

마찰전기 팩터는 제벡 계수(단위 온도 차에서 유도되는 전압)·밀도·비열·열전도도 등 물질 특성으로 구성됐다.

이어 마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압강하 크기를 예측하는 '마찰전기 파워'(triboelectric power)라는 물리량 K도 제안했다.

마찰전기는 2천600년 전 인류가 처음 전기를 인식하게 된 계기로 알려질 만큼 인류와 함께한 역사가 굉장히 오래된 현상이지만, 지금까지 마찰전기 발생을 정량적으로 설명할 수 있는 양자역학 이론이나 나노기술 이론은 없었다.

김용현 교수는 "최근 마찰전기는 에너지 수확 기술 가운데 하나로 중요하게 여겨질 뿐만 아니라 코로나19 감염을 막기 위한 마스크·공기 정화 기술로 광범위하게 사용된다"며 "이번 연구가 실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되기를 바란다"고 말했다.

이번 연구 결과는 1년여간 동료 심사를 거쳐 미국물리학회 오픈액세스 국제 학술지인 '피지컬 리뷰 리서치'에 지난 17일 실렸다.