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마찰전기의 발생 원리를 세계 최초로 규명
우리 대학 물리학과 김용현 교수 연구팀이 수천 년 동안 해결되지 않은 난제 중의 난제로 알려진 마찰전기 발생 원리를 세계 최초로 규명했다고 26일 밝혔다.
김 교수 연구팀은 두 물질을 마찰시킬 때 경계면에서 발생하는 열에 의해 전하가 이동할 수 있다는 아이디어를 바탕으로 `제1 원리 전자구조 계산'과 `열전달 방정식'을 풀어 마찰전기의 미시적 작동원리를 찾아냈고, 기존에 알려진 실험적 사실을 정성적으로 기술할 수 있었을 뿐만 아니라 정량적으로도 이동 전하량을 설명해 낼 수 있었다. 기존에는 정량적으로 마찰전기를 설명할 수 있는 이론은 없었다.
마찰전기에 대한 새로운 이론은 최근 주목받고 있는 에너지 수확 기술 중의 하나인 마찰전기 나노 발전기(triboelectric nanogenerator, TENG) 효율의 혁신적 증대에 이바지할 것이며, 여러 실생활 및 반도체 산업에서 원하지 않는 문제를 일으키거나 터치스크린처럼 긍정적으로 사용되고 있는 정전기의 미시적 제어를 가능하게 할 것으로 기대된다.
물리학과 신의철 박사과정이 제1 저자로 참여하고 한국표준과학연구원 여호기 박사가 공동연구로 참여한 이번 연구는 1년여의 동료심사를 거쳐 미국물리학회 오픈엑세스 국제 학술지 `피지컬 리뷰 리서치 (Physical Review Research)' 5월 4권 2호에 지난 17일 출판됐다. (논문명 : Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity).
마찰전기는 2,600년 전 인류가 처음 `전기'를 인식하게 된 계기로 알려질 만큼 인류와 함께한 역사가 굉장히 오래된 현상이다. 최근에는 에너지 수확 기술 중 하나로 중요하게 여겨지고 있을 뿐만 아니라 코로나19의 감염을 막기 위한 마스크 그리고 공기 정화 기술로 광범위하게 사용되고 있다.
실생활에서도 번개나 정전기 등으로 매우 친숙한 자연현상이지만 지금까지 마찰전기의 발생을 정량적으로 설명할 수 있는 양자역학 이론이나 나노기술 이론은 없었다.
김용현 교수와 여호기 박사는 2014년 열전 영상 측정 기술을 개발하며 두 물질 간의 계면에 급격한 온도변화가 발생할 수 있다는 사실에 주목했다. 계면에 마찰에 의한 열이 발생하면 열전효과에 의해 전하가 이동할 수 있고, 마찰전기의 원리를 규명할 수 있는 실마리를 찾은 것으로 기대했다. 하지만 당시 2~3명의 박사과정 학생이 달려들어도 문제는 쉽게 해결되지 않았고, 7년여 만인 지금 대부분 난관을 해결하고 마침내 마찰전기의 비밀을 인류 최초로 맛볼 수 있었다.
연구팀은 마찰전기의 전하 이동 방향을 예측할 수 있는 `마찰전기 팩터(triboelectric factor)' 공식을 유도했으며 이를 이용해서 세계 최초의 이론 마찰 대전열을 구성했다. 마찰전기 팩터는 제벡 계수(단위 온도차에서 유도되는 전압), 밀도, 비열, 열전도도 등 물질 특성으로 구성돼 있다. 또한 마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압강하의 크기를 예측하는 `마찰전기 파워(triboelectric power)'라는 물리량 K도 연구팀이 최초로 제안했다.
마찰 대전열은 중학교 2학년 교과서에서 다루는 내용이었지만 2015년 개정 교육과정 교과서에서는 더이상 다루고 있지 않다. 기존의 경험적 방법으로 결정되는 마찰 대전열이 연구자마다 다른 결과를 보고하고 있어 부정확하다는 인식이 확산됐기 때문이다. 그러나 우리 연구팀이 미시적, 양자역학적으로 정의된 마찰전기 팩터를 이용해 정량적인 대전열을 최초로 구성했기 때문에 다시 교과서에 마찰 대전열이 실릴 수 있는 계기가 마련됐다.
김용현 교수는 "미시세계에서의 열전현상을 양자역학적으로 연구하고 있었기 때문에 인류의 난제인 마찰전기 문제를 해결할 수 있는 행운이 따랐고, 오랫동안 포기하지 않고 매달려 준 학생들과 동료들에게 감사하다ˮ 라며 "마찰전기에 대한 미시적 이해를 통해, 보다 고효율 마찰전기 나노 발전기를 물질 수준에서 설계할 수 있게 됐으며, 실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되기를 바란다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 자율운영 중점연구소 지원사업, SRC 이공분야기초연구사업, 미래소재디스커버리사업, 그리고 KAIST의 최장 30년까지 지원하는 그랜드 챌린지 30 사업의 지원을 받아 수행됐고, 관련 기술은 국내 특허출원이 완료됐다.
2022.05.26 조회수 12237 -
오일권, 유승화 교수, 전기로 물의 움직임을 자유롭게 제어하는 기술 개발
우리 대학 기계공학과 오일원, 유승화 교수 공동 연구팀이 그래핀이 코팅된 미세 금속 그물망을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 자유롭게 제어하는 기술을 개발했다.
연구팀은 그래핀이 코팅된 마이크로미터(100만분의 1미터) 단위 틈의 금속 그물망에 갇힌 물을 전기장을 가해 투과시키거나, 표면에 놓인 물방울의 모양을 바꾸는 등 ‘전기습윤현상(전기장이 젖음성을 바꾸는 현상)’을 이용해 물의 움직임과 흐름을 전기로 제어하는 방식의 기술을 개발해 수(水)처리 장치에서의 다양한 활용 가능성을 제시했다.
이번 연구결과는 네이처 자매지 네이처 커뮤니케이션즈 10월 31일자에 게재됐다.(논문명 : Graphene-coated meshes for electro-active flow control devices utilizing two antagonistic functions of repellency and permeability)
표면청소, 방수표면, 제습공조, 부식방지, 저항감소 등 다양한 수처리에 적용 가능한 액체 거동 제어 장치의 개발이 요구되고 있다. 그러나 기존의 표면 젖음성 조절과 부식 방지 연구들은 표면의 굴곡이나 화학적인 코팅에 의존하였기 때문에 표면의 젖음성을 제어할 수 없었다.
전기습윤현상을 이용하면 액체의 움직임과 흐름을 조작할 수 있게 돼 발수성 소재의 표면을 젖게 하거나 흡수성 소재의 표면에 물이 스며들지 않게 제어가 가능하다.
연구팀은 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용하여 전기습윤현상에 기반한 액체거동기술을 개발했다. 순수한 물 혹은 이온성 액체 방울을 그래핀 그물망 전극의 표면에 위치시키고 구리판을 또 다른 전극으로 사용해 전압을 인가 시 액체방울 모양이 가역적으로 변화함을 보였다.
이는 정전기력 (electrostatic force)이 물 분자의 정렬 혹은 이온의 이동을 유도하여 액체방울이 전기장 방향으로 늘어나 생긴 현상이다.
그래핀의 소수성(hydrophobicity)으로 인해 일반적으로는 그래핀이 코팅된 그물망에는 물이 투과되지 못한다. 하지만 전기장을 가할 때 물에 작용하는 정전기힘과 그물망 틈 사이에 작용하는 모세관힘의 상호작용에 기반한 젖음성 조절 메커니즘을 규명해 이를 바탕으로 그물망 바깥쪽에 높은 전기장을 인가하면 안쪽의 액체가 비가역적으로 그물망을 투과하여 이동함을 보여, 전기로 그물망의 발수성과 투수성을 능동적으로 제어가 가능함을 보였다.
이를 이용해 그래핀 그물망으로 가둔 물탱크의 물을 전기를 가해 내보내는 장치나 물방울을 층층이 위치한 그래핀 그물망들의 가장 위에서 아래로 전기를 이용해 이동시키는 장치 등을 개발했다. 실험결과 그래핀 코팅이 금속의 부식을 막아 수처리 환경에서도 장시간 사용이 가능했다.
이 연구는 그래핀이 코팅된 금속재질의 그물망을 전극으로 사용하여 액체의 모양과 흐름을 능동적으로 제어할 수 있는 기술을 개발한 것이다.
전기장을 가하여 자유롭게 젖음성을 조절할 수 있는 내부식성* 그물소재로 필요에 따라 물의 흐름을 막거나 통과시키는 제어장치를 제작하여 다양한 미세유체 장치, 방습 및 제습 장치, 차세대 수(水) 처리장치, 혹은 물에 대한 마찰저항 조절이 필요한 선박과 플랜트 등에 사용할 수 있다. 이들 분야에서 요구되는 액체의 정확한 거동제어와 소형화, 장시간 사용 등의 기능을 갖춘 소재/소자의 원천 기술로의 적용이 기대된다.
오일권 교수는 “이 연구는 기존 연구에서 나타났던 금속의 부식 현상 및 물이 젖는 정도를 조절할 수 없었던 문제를 그래핀이 코팅된 그물망 구조로 극복하면서 마이크로 수준에서 액체의 움직임과 젖음성을 제어할 수 있는 방법을 개발한 것이다. 방습 및 제습, 미세유체, 해수 담수화, 차세대 수(水) 처리 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 그래핀 매쉬의 제조 방법 및 기능성 길항 액체 제어 기술의 도식도
그림2. 비가역적 액츄에이션 모드(irreversible actuation mode)와 기능성 길항 액체 제어장치(functionally antagonistic active flow devices)
2016.11.16 조회수 13983 -
스마트폰 질병진단 원천기술 개발
- 신개념의 생체분자 검출기술로 휴대용 체외진단 분야에 획기적 원천기술- 화학분야 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미’ 1월호(16일자) 표지논문 선정
스마트폰으로도 질병을 진단하는 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
우리 학교 생명화학공학과 박현규 교수 연구팀이 스마트폰을 비롯한 휴대용 개인기기에 널리 이용되고 있는 정전기방식의 터치스크린을 이용해 생체분자를 검출하는 원천기술을 세계 최초로 개발하는 데 성공했다.
앞으로 병원에 가지 않고도 스마트폰을 가지고 간단한 질병을 진단하는 시대가 열릴 것으로 기대된다.
최근 스마트폰과 같은 휴대용 전자기기에 적용되는 정전기방식의 터치스크린은 일반적으로 손가락의 접촉을 통해 발생하는 터치스크린 표면의 정전용량 변화를 감지해 작업을 수행하도록 설계돼 있다.
연구팀은 DNA가 자체의 정전용량을 가지고 있으며, 농도에 따라 정전용량이 변화한다는 사실에 착안해 정전기방식의 터치스크린을 생체분자 검출에 활용할 수 있을 것이라고 예상했다.
이를 규명하기 위해 연구팀은 대표적인 생체분자인 DNA를 터치스크린 위에 가하고 정전용량 변화량을 감지했다. 실험결과 터치스크린을 이용해 DNA의 유무와 농도를 정확하게 검출할 수 있었다.이 결과에 따라 DNA뿐만 아니라 세포, 단백질, 핵산, 등 대부분의 생체분자가 정전용량을 갖고 있기 때문에 다양한 생체물질의 검출에도 활용될 수 있다는 가능성을 제시했다는 게 이 기술의 큰 특징이다.
박현규 교수는 “모바일 기기 등에 입력장치로만 이용해 왔던 터치스크린으로 생체 분자 등의 분석에 이용할 수 있음을 세계 최초로 입증한 결과”라며 “이 원천기술을 이용해 앞으로 터치스크린 기반의 스마트폰 또는 태블릿 PC 등을 이용해 개인이 질병을 진단하는 시대가 올 것”이라고 말했다.
이와 함께 논문의 제1저자인 원병연 연구조교수는 “현재는 생체분자의 유무 또는 농도만 측정 가능한 단계이며, 앞으로 특정 생체분자를 선택적으로 검출할 수 있는 기술을 개발해 가까운 시일 내에 상용화에 주력할 것”이라고 덧붙였다.
한편, 이번 연구는 지식경제부가 시행하는 ‘산업원천기술개발사업’으로 수행됐으며, 연구의 중요성을 인정받아 화학 분야의 세계적 학술지 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition)’ 1월호(16일자) 표지논문으로 선정됐다.
그림1. 터치스크린을 이용한 생체 분자 검출 시스템 모식도 (앙게반테 케미 논문 표지). 휴대용 모바일 기기의 입력장치인 터치스크린 위에서 세포, 단백실, 핵산, 소분자 등의 생체 분자를 검출할 수 있다.
그림2. 정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 surface capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 여러 지점을 동시에 접촉했을 때 접촉점의 시료 농도에 따라 터치 신호의 위치가 변하는 원리를 이용한 방법. 동시에 두 개의 미지 시료의 농도를 측정할 수 있다.
그림3. 정전용량 터치스크린 방식의 한가지인 projected capacitive touchscreen을 이용한 시스템 모식도. 현재 스마트폰 등에 쓰이는 터치스크린 방식으로서, 터치스크린 표면 내부에 여러 라인의 전극이 패턴되어 있어, 각 전극의 정전용량 변화를 각각 측정함으로써 여러 접촉 시료의 농도를 동시에 검출할 수 있다.
2012.01.16 조회수 18329