전북대학교(총장 김동원) 정창규 교수 및 임영원 대학원생 연구팀이 세라믹 산화물 소재에서 발생되는 마찰전기 원리에 대한 새로운 이론을 입증했다고 13일 밝혔다.
이번 연구 성과는 미국화학회의 ACS Energy Letters (IF=23.101) 8월호에 게재됐다.
마찰전기 현상은 무려 2500여년 경 부터 탈레스 등의 고대 그리스의 과학자들에 의해 존재가 보고됐으며, 현대에 와서는 그 원리가 프린터, 집진기, 마스크 등 상업적 분야에도 적용되고 있다.
최근에는 터치 센서, 에너지 발전장치 등 최신 응용소자에 대한 연구도 진행되고 있다. 하지만 여러 종류 물질의 대전 경향성은 대부분 실험적 결과에만 의존하고 있으며, 이론적인 이해는 많이 결여되어 있는 실정이다.
이를 정량화하기 위한 다양한 연구와 가설들이 존재하지만, 특히 세라믹 소재의 경우 이론적 복잡성, 실험적 어려움 등으로 인해 그 원리에 대한 규명이 거의 이뤄지지 않고 있다.
연구팀은 두 물질 사이의 정전기적 에너지 장벽(Electrostatic Barrier)이 마찰전기 신호 출력과 상관관계가 있음을 확인했다.
그런데 장벽이 크면 마찰전기가 줄어들 것이라는 기존 가설과는 반대로, 오히려 마찰전기 전하의 양이 더 증가하는 현상을 발견했다.
연구팀은 이 이유를 밝혀내기 위해 한국세라믹기술원 조성범 박사팀과의 협력연구를 통해 제일원리계산 시뮬레이션으로 이론 모델 검증에 착수했다.
결과적으로 연구팀은 두 물질이 접촉하는 순간 전달되는 전하의 양보다는, 두 물질이 분리되는 직전까지 원래의 물질로 되돌아가는 전하의 양이 정전기 장벽과 더 밀접한 관계가 있으며, 최종 마찰전기 크기에 더 큰 영향을 미치는 것을 입증했다.
전북대학교 정창규 교수는 “활발한 마찰전기 관련 연구에서 비교적 소외되어 왔던 세라믹 소재의 쾌거”라며 “향후 에너지하베스팅, 센서, 반도체소자 유전체 등의 소재 선정에 중요한 척도를 제공할 수 있을 것이라 기대한다”고 연구 의의를 설명했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구 우수신진연구자 사업 및 4단계 BK21 사업(전북대 수소에너지 융복합기술 혁신인재양성사업단, 단장 유동진), 및 복수의 한국세라믹기술원의 사업 지원을 받아 수행됐다.
