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2600년간 안풀린 '정전기의 비밀', 국내 연구진이 풀었다

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  • 김인한 기자
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  • 2022.05.26 13:39
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일상적 현상이지만 물리학계 최대 난제…韓연구진 첫 규명
원치 않는 정전기 '제어' 된다면…반도체 산업 획기적 발전

KAIST(한국과학기술원)가 마찰전기 발생 원리를 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 사진은 정전기 현상으로 이번 연구와는 무관. / 사진=게티이미지뱅크
KAIST(한국과학기술원)가 마찰전기 발생 원리를 세계 최초로 규명했다고 밝혔다. 사진은 정전기 현상으로 이번 연구와는 무관. / 사진=게티이미지뱅크
국내 연구진이 '마찰전기' 발생 원리를 규명하는 데 성공했다. 마찰전기는 서로 다른 두 물체가 부딪힐 때 정전기가 일어나는 현상이다. 이 전기는 누구나 일상에서 옷을 입거나 물건을 만질 때 경험하고 있지만 이론적으로 설명할 수는 없었다. 그러나 국내 연구진이 이런 경험적 가설을 정량적 이론으로 증명해낸 것이다.

KAIST(한국과학기술원)는 물리학과 김용현 교수와 신의철 박사, 여호기 한국표준과학연구원 박사가 '마찰전기 발생 원리를 세계 최초로 규명했다'고 26일 밝혔다. 이번 연구는 국제학술지 '피지컬 리뷰 리서치'에 게재됐다. 물리학계 논문은 평균 6개월 간 검증과 동료평가가 이뤄지는데, 이번 연구는 물리학계 획을 그을 수 있는 이론으로 평가돼 동료평가만 1년 이상이 걸렸다.

마찰전기는 인류가 2600년 전 처음 '전기'를 인식하게 된 계기였지만, 그 발생 원리는 물리학계 난제 중 난제로 여겨졌다. 실생활에서도 정전기 등은 친숙한 현상이지만 지금까지 마찰전기의 발생을 '정량적'으로 설명할 수 있는 이론은 없었다. 특히 경험적 가설을 통해 연구자마다 다른 결과를 보고하고 있어 2015년 이후 교과서에서도 사라졌다.

이에 연구팀은 2014년부터 8년여 간 관련 연구에 매진했다. 연구팀은 두 물질을 마찰시킬 때 경계면에서 발생하는 열에 의해 전하가 이동할 수 있다는 아이디어를 기반으로 연구를 진행했다. 열 전달 방정식과 물리학계 각종 이론을 풀었고, 결국 정량적으로 이동 전하량을 파악했다. 이를 통해 마찰전기의 발생원리를 찾아낸 것이다.

특히 연구팀은 이를 증명하기 위한 이론도 직접 만들었다. '마찰전기 팩터' 공식을 유도했고, 열전도도와 밀도 등으로 구분해 계산이 가능하도록 했다. 이를 통해 마찰전기로 발생시킬 수 있는 전압강하의 크기를 예측하는 '마찰전기 파워'라는 물리량 K도 연구팀이 최초 제안했다.

김용현 교수는 "미시세계에서의 열전현상을 양자역학적으로 연구하고 있었기 때문에 인류의 난제인 마찰전기 문제를 해결할 수 있는 행운이 따랐다"며 "이번 연구가 실생활이나 산업에서 정전기를 제어하는 데 널리 이용되길 바란다"고 밝혔다.

이번 연구는 향후 실생활과 반도체 산업에서 원치 않는 정전기 등을 제어하는 데 활용될 것으로 보인다. 또 에너지 수확 기술 중 하나인 '마찰전기 나노발전기'를 물질 수준에서 설계해 보다 높은 효율을 만들 것으로 전망된다.



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