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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 12235 -
휘어지는 물질에서 증폭된 광전기 효과 발견
양 찬 호 교수
우리 대학 물리학과 양찬호 교수 연구팀이 물질이 휘어질 때 광전기(光電氣) 효과가 증폭되는 것을 발견하고 그 원인을 규명했다.
이번 연구결과는 나노과학기술 분야 학술지 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’ 8월 31자 온라인 판에 게재됐다.
광전기 효과는 빛 에너지가 전기 에너지로 전환되는 현상으로 이 효과를 이용하면 온실가스 배출 없이 전기를 만들 수 있다. 따라서 전 세계적으로 안정적이고 저렴하며 효율이 높은 광전기 효과를 발생시키는 물질 및 구조를 찾는 연구가 활발히 진행되고 있다.
기존 태양광 소자들은 다른 물질을 붙이거나 P형-N형 반도체를 접합하는 등 두 개 이상의 물질을 이용하는 방식으로 광전기 효과를 일으켰다.
하지만 연구팀은 단일 물질에서도 휘어지는 변형이 발생했을 때 마치 두 물질의 경계면에서 광전기 효과가 일어나는 것과 흡사한 현상을 발견했다.
P형-N형 반도체 접합에서만 가능했던 전기장 생성이 단일 물질의 휘어짐으로도 가능함을 확인해 좀 더 효율적인 광전기 소자 제작이 기대된다.
물질의 일반적인 휘어짐으로는 얻을 수 있는 광전기 효과가 크지 않아 실용성이 없었다. 하지만 연구팀은 나노미터 크기의 구조까지 관찰해 물질이 자발적으로 매우 크게 휘는 구간을 발견했다.
그리고 수십 나노미터(1억분의 1미터)의 곡률(曲律)로 크게 휘어진 이 물질이 통상적인 물질에 비해 100배 증폭된 광전기 효과를 생성함을 규명했다.
광전기 효과가 증폭된 원인은 물질이 휘어질 때 발생하는 전기장에 있다. 물질이 빛을 받으면 원자에 묶여있던 전자가 잠깐 움직일 수 있는 상태가 되는데 일반적으로는 원자에 다시 속박된다.
하지만 물질이 휘어지는 구간에서는 전기장이 유의미한 강도로 세게 발생해 전자가 원자의 속박을 벗어나 외부로 빠져나와 전류가 흐를 수 있는 것이다.
특히 나노미터 규모의 미시적 구조에서는 물질이 크게 휘어진 상태가 흔하게 존재하기 때문에 연구팀의 규명은 작은 나노소자 연구에 유용할 것으로 예상된다.
또한 연구팀은 물질 표면의 전기기계적 성질을 10나노미터의 해상도로 이미지화할 수 있는 기술을 개발했다. 이 기술은 전기장 분포를 유추할 수 있어 다양한 나노스케일 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
양 교수는 “휘어진 정도가 큰 경우에 플렉소전기 현상의 비선형 움직임이 중요함을 제안했다.”며 “이러한 비선형 거동은 전기기계적 성질의 계보를 잇는 새로운 현상으로 학술적 가치가 높다”고 말했다.
이번 연구는 우리 대학 김용현 교수, 포항공대 조문호 교수, 오상호 교수, 포항 가속기연구소 구태영 박사, 재료연구소 최시영 박사 등과 공동으로 진행됐고, 한국연구재단의 중견연구자지원사업을 통해 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 물질이 휘어질 때 광전기 효과가 발생함을 나타낸 개념도
2015.09.15 조회수 11432 -
물질 간 온도차이로 전자구름 세계 첫 관찰
모든 물체는 매우 작은 알갱이인 원자로 이루어져 있다. 원자는 모든 무게를 함유하는 원자핵과 그 주변을 구름모양으로 둘러싼 상대적으로 매우 가벼운 전자로 구성돼 있다.
전자의 구름모양을 상온에서도 정확하게 관찰하는 새로운 전자현미경 기술이 국내 연구진에 의해 세계 최초로 개발됐다. 전자구름을 최초 관찰했던 주사터널링현미경 기술 이후 33년만이다.
KAIST(총장 강성모) 나노과학기술대학원 김용현 교수와 한국표준과학연구원 여호기 박사는 온도 차이를 이용해 전압을 발생시켜 선명한 원자의 영상은 물론 전자의 구름모양도 관찰할 수 있는 주사제벡현미경(SSM, Scanning Seebeck Microscope)을 개발했다.
연구 결과는 미국 물리학회가 발행하는 물리학분야 최고 권위지인 ‘피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)’ 1일자 온라인 판에 게재됐다.
상온에서도 매우 높은 해상도를 보여주는 주사제벡현미경은 그래핀·반도체의 결함을 원자단위까지 정확하게 관찰할 수 있어 이들 제품의 품질과 가격경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 또 주사제백현미경의 원리를 열전소재 연구에 활용하면 차세대 고효율 열전소재를 개발하는데 도움이 될 것으로 전망된다.
고대 그리스 철학자 데모크리토스는 물체를 쪼개고 쪼개다보면 더 이상 쪼갤 수 없는 입자를 만나게 된다고 주장했고 이 입자를 ‘원자’라고 이름 붙였다. 이후 많은 가설과 실험을 거쳐 1920년대 ‘전자는 파동’이라는 양자역학이 확립되었다. 이제 과학자들은 원자 내부에는 원자핵과 주위를 둘러싼 구름 모양의 전자가 존재한다고 믿는다.
이러한 전자의 구름 모양을 최초로 관측한 기술이 1981년 스위스 IBM에서 발명된 주사터널링현미경(STM, Scanning Tunneling Microscope)이고, 현재까지 전자구름을 관측할 수 있는 유일한 기술이었다. 이 발명의 공로로 비니히와 로러 박사는 1986년 노벨 물리학상을 받았다.
그러나 이 기술은 아주 작은 전기신호를 감지하기 위해 초정밀·극저온·무진동 환경이 요구되는 등 응용에 많은 제약이 있었다. 또 전압을 가해 전류를 측정하는 기존 방식은 전류가 흐르면서 원자핵을 둘러싸고 있는 전자구름에 영향을 주어 실제로는 왜곡된 형태를 보는 것이다.
연구팀은 기존 방식을 완전히 탈피, 한쪽에 열을 가해 두 물질의 온도차로 전압이 발생하는 ‘제벡효과’라는 물리현상을 활용했다.
연구팀은 관찰하고자 하는 그래핀을 약간 가열된 온도(37~57℃)에 두고 탐침은 상온(27℃)에 있도록 해 이로 인해 발생되는 전압을 측정했다. 그 결과 상온에서 전자구름이 물결치는 모양을 세계 최초로 관찰하는데 성공했다. 결함주변에서 전자가 물결치는 모양은 양자역학 현상의 주요 특징 중 하나이다.
더 나아가 연구팀은 원자수준 제벡효과로부터 전자구름이 관측되는 이론적 원리를 양자역학에 기초해 규명했으며, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 해석하는 기술도 확보했다.
김용현 교수는 “그동안 잘 알려져 있지 않은 나노 열물리 현상을 이해할 수 있는 기본 틀을 잡는데 성공했다”며 “주사제벡현미경 기술이 응집물질 표면연구의 중요한 새 도구로 자리 잡을 것”이라고 말했다.
여호기 박사는 “열과 전자의 상호작용을 이용하면 마치 기존 주사터널링현미경 기술에 자연적인 미분증폭기를 설치한 효과가 발생한다는 사실을 증명한 것”이이라며 “향후 기존 기술과 상호보완적으로 기능할 것”이라고 말했다.
한편, KAIST 나노과학기술대학원 김용현 교수와 한국표준과학연구원 여호기 박사가 공동으로 주도한 이번 연구는 KAIST 나노과학기술대학원 이의섭 석박통합과정 학생과 한국표준과학연구원 조상희 박사가 참여했고, 미래창조과학부 중견연구자지원사업 핵심연구와 글로벌프론티어사업, 신기술융합형성장동력사업의 지원 하에 수행되었다.
그림1. 주사제벡현미경의 개념도와 동작원리. 탐침과 샘플이 각각 다른 온도에 있고 이 때문에 전압이 발생한다.
그림2. 주사제벡현미경을 이용해 상온 그래핀에서 관측된 전자가 물결치는 모양.
2014.04.02 조회수 17042 -
꿈의 신소재
우리 학교 나노과학기술대학원 김용현 교수 연구팀과 인하대 물리화학부 박성진 교수 연구팀이 공동 참여한 나노그래핀의 화학구조 규명에 관한 논문이 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 2012년 1월호에 게재됐다.
국제적 권위지인 네이처(Nature)의 과학분야 자매지인 네이처 커뮤니케이션스에 게재된 논문은 분광학적인 방법을 사용해 나노그래핀 소재의 자세한 화학구조와 생성원리, 전기적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 분자단위가 나노그래핀 내에 존재함을 규명했다.
두 대학 공동연구팀은 이번 연구결과를 통해 나노그래핀의 구조와 특성을 근본적으로 이해할 수 있게 됐으며 배터리, 초고용량 축전지, 투명전극, 초경량 고강도 복합재료 등에 나노그래핀 소재를 이용할 수 있는 새로운 가능성을 열게 됐다고 평가했다.
나노그래핀 소재는 여러 응용 분야에 적용되고 있음에도 불구, 현재까지 자세한 분자구조와 생성원리, 전기적 특성의 원인 등이 규명되지 않아 성능 개선과 응용 목적에 맞춘 소재의 변형이 불가능했다.
2012.01.25 조회수 11726