▲ 두 물체가 ‘접근’하면 기계적 에너지에 의해 전하가 금속에서 유전체로 이동. ‘접촉’이 되면 두 물질의 페르미 준위는 평형에 이른다. 두 물체가 ‘후퇴’할 때 활성전하가 금속으로 되돌아가게 되고, 잔류전하가 유전체에 남게 된다.

국내 연구진이 기존에 알려진바와 반대로 세라믹 소재 마찰전기의 크기가 에너지 장벽 크기와 정비례한다는 새로운 관점을 제시해 에너지하베스터 소재 적용의 기준을 새롭게 제시할 것으로 기대되고 있다.

한국세라믹기술원(원장 정연길) 조성범·고현석 박사와 전북대학교(총장 김동원) 정창규 교수 공동연구팀은 최근 에너지 장벽의 크기가 마찰전기의 전하량에 더 큰 영향을 미치는 것을 입증했다고 30일 밝혔다.

마찰전기는 2,500년 전 그 존재가 처음 보고됐으며 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.
 
이에 연구팀은 세라믹 소재의 마찰전기 이론을 규명하고자 마찰전기 생성과정을 ‘접근-접촉-후퇴’ 3단계로 나누어 검증을 한 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 것이라고 생각했다. 그러나 실험결과는 정반대로 에너지 장벽이 클수록 큰 마찰전기가 측정됐다.
                
이는 물체에 있던 전자가 접촉 단계에는 에너지 장벽을 뛰어 넘어갔으나 후퇴 단계에서 에너지 장벽에 막혀 원래 자리로 되돌아가지 못하는 것을 확인했다. 결국, 돌아가지 못하고 남아있는 전자의 양이 많을수록 마찰전기가 더 강해지므로 에너지 장벽의 크기가 마찰전기의 전하량에 더 큰 영향을 미치는 것을 입증했다.
              
반면, 접근 단계에서 발생하는 에너지로 인하여 전자는 에너지 장벽의 크기와는 상관없이 항상 뛰어넘을 수 있어 접촉시에 에너지 장벽은 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 확인됐다.
              
세라믹기술원 조성범 박사는 “마찰전기의 원리에 대한 기존 통념과 상반되는 새로운 관점”이며 “향후 마찰전기 에너지하베스터 소재 선정에 있어 새로운 척도를 제공할 것으로 기대된다”라고 말했다.
              
한편, 이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 이공분야 기초연구사업, 산업통상자원부 i-ceramic 등의 지원을 통해 수행되었으며, 미국화학회 (American Chemical Society)에서 발행하는 에너지레터(ACS Energy Letter) 2021년 8월호에 게재됐다.