정전기 발생 원리 최초 규명

나노 크기 표면 돌기가 구부러지면서 발생

대부분의 사람들은 머리에 풍선을 비벼대면 머리털이 돋고, 양말을 신고 카펫을 걸으면 작은 불꽃이 튀는 경험을 해 본 적이 있다. 스웨터를 벗을 때도 번쩍하는 전기가 발생한다.

누구나 이 정전기를 수시로 경험하지만, 정전기가 왜 생기는지에 대해서는 정확히 알지 못한다. 정전기를 처음 발견한 기록이 나온 지 2600년 만에 마침내 정전기가 어떻게 발생하는지 원리가 풀렸다.

미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 연구팀은 두 물체를 문지르면 두 물체의 표면에 있는 아주 작은 나노 사이즈의 돌출부가 구부려지면서 정전기가 발생한다는 것을 보여주는 새로운 모델을 개발했다.

정전기가 일어난 소녀의 머리카락 ⓒ Pixabay

정전기에 대한 새로운 이해는 정전기로 발생하는 전기를 모아 쓰거나, 정전기에 의한 잠재적 위험을 방지하는데 중요하게 이용될 수 있다.

노스웨스턴 대학 맥코믹 공과대학의 로렌스 마크스(Laurence Marks)교수와 크리스토퍼 미지 (Christopher Mizzi), 알렉스 린(Alex Lin)이 공동 집필한 이 연구 논문은 12일 ‘피지컬 리뷰 레터스’(Physical Review Letters) 저널에 발표됐다.

물질 표면의 작은 변형이 전압 발생

정전기가 처음 기록으로 나타난 것은 기원전 600년 전이다. 그리스 철학자 탈레스(Thales)는 호박에 털을 문질렀더니, 털에 먼지가 끌리는 것을 알아차렸다. 그 이후 모피뿐만 아니라 모든 절연체에서 정전기 충전을 유발한다는 것이 명백해졌지만, 과학적 원리가 밝혀진 것은 거의 없다.

모든 물질은 수많은 나노 크기의 작은 돌출부가 있는 거친 표면을 가지고 있다. 두 물질이 접촉하여 서로 비벼대면 이 미세한 작은 돌출부는 구부러지고 변형된다.

마크스 연구팀은 이러한 변형이 궁극적으로 정전기 충전을 유발하는 전압을 발생시킨다는 것을 발견했다. 이것을 ‘유전 효과’라고 하는데, 절연체 표면이 미세하게 구부려지면서 변형될 때 발생한다.

노스웨스턴 팀은 간단한 모델을 사용하여 문지르는 동안 구부러진 돌출부에서 발생하는 전압이 실제로 정전기를 유발하기에 충분히 크다는 것을 보여주었다. 이번 연구에서는 동일한 물질의 두 조각을 비빌 때 왜 전하가 생성되는지 등 여러 가지 실험적인 관측을 설명하고, 현저한 정확도로 실험적으로 측정한 전하를 예측한다.

연구팀은 나노 크기의 물질에서 마찰에 의해서 전기가 발생한다는 점을 몇 가지 실험으로 보여줬다. 연구팀은 마찰 중에 ±1-10V 또는 그 이상의 변전 전위차가 발생한다는 가설을 세웠다.

정전기가 일어나 스티로폼 조각을 뒤집어 쓴 고양이 ⓒ 위키피디아

이 가설은 미세한 스틱슬립 마찰 중에 일어나는 양극 충진, 이질적인 배전 효과, 유사 재료 간 충전 및 표면 전하 밀도 측정을 포함한 여러 실험 관측과 일치한다고 연구팀은 논문을 통해 발표했다.

정전기 모아 활용하는 법 나올 듯

마크스 교수는 “이번 발견은 마찰전기triboelectricity), 변전효과(flexoelectricity), 마찰이 불가분의 관계에 있음을 시사한다”고 말했다. 아울러 그는 “마찰전기 성능을 활용하면서 새로운 기술을 기능적으로 확장하는데 대한 많은 통찰력을 제공할 것”이라고 덧붙였다.