액체에서 발생하는 정전기 현상 세계최초 정립

액체에서 발생하는 정전기 현상 세계최초 정립

- 액체가 보여주는 정전기 현상의 비밀을 파헤치다(Advanced Materials 지 게재)

과학기술정보통신부는 포항공과대학교 김동성 교수 연구팀과 경희대학교 최동휘 교수 연구팀이 액체 마찰 대전열*을 세계 최초로 정립했다고 밝혔다.

* 마찰 대전열(帶電列) : 어떤 물질이 접촉할 때 양의 전하로 대전되기 쉬운 물질을 순서대로 나열한 것

과기정통부 기초연구사업(중견연구 및 신진연구) 등의 지원으로 수행한 이번 연구 성과는 국제학술지「어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)」에 표지 논문으로 게재*(현지날짜 6.28.(수), 독일)되었다.

A Liquid Triboelectric Series (Adv. Mater. 26/2023) - Yoo - 2023 - Advanced Materials

* 논문명 : A liquid triboelectric series

정전기 현상(마찰대전 현상)은 두 물체사이에 마찰이 일어날 때, 두 물체 표면이 서로 반대 전하를 띄는 현상을 말하며, 마찰 대전열은 이 현상이 쉽게 발생하는 물질을 순서대로 나열한 것이다.

정전기 현상은 기원전에 발견되어 현재까지 연구하고 있지만 정량적인 수치로 정의하기 어렵기 때문에 물체 간에 상대적인 마찰대전 정도를 나타낸 마찰 대전열을 유일하게 정전기 현상을 기술하는 방법으로 사용하고 있다.

김동성 교수와 최동휘 교수는 실험실에서 정량의 액체를 운반하는 기구인 피펫(pipette)을 사용하던 중 실리콘 기름에 떨어진 액체 물방울이 알 수 없는 힘에 의해 예상과는 다르게 움직이는 것을 발견하였다.

이후 이 현상을 설명하기 위해 연구를 지속한 결과, 피펫팅 과정 중 일어나는 액체의 정전기 현상을 2013년에 세계 최초로 학계에 보고하였다.

이처럼 고체와 고체뿐만 아니라 고체와 액체 사이에서 발생하는 액체의 정전기 현상도 관심을 받기 시작했지만, 기존에 기술된 마찰 대전열은 고체물질에만 한정되어 있어 이를 기술할 수 있는 방법은 존재하지 않았다.

연구팀은 액체의 정전기 현상을 정밀하게 측정하여 액체 마찰 대전열을 기술하기 위해 일정한 전하를 가진 고체를 기준으로, 이와 액체 사이의 마찰 움직임, 접촉면적 등 여러 외적인 요소들을 통제한 측정방법을 제안하였다.

이와 같은 측정방법으로 22개 종류의 액체에 대해 마찰대전을 측정한 후, 그 정도에 따라 순서를 구분하였다. 이는 실험결과를 바탕으로 한 다양한 액체들의 정전기 현상을 정립한 세계 최초의 결과이다.

연구팀이 정립한 액체 마찰 대전열을 이용하면 필요한 목적에 맞는 액체를 선택하여 정전기 현상을 조절하는 것이 가능하다. 예를 들면, 에너지 수확장치 효율 향상이나 반도체 소자 표면 세정을 위한 액체선택 등에 높은 활용도가 기대된다.

김동성 교수는 “이번 연구성과는 액체의 정전기 특성을 바탕으로 액체 마찰 대전열을 정립한 첫 사례”라며 “본 연구결과를 시작으로 보다 다양한 액체들을 포함한 액체 마찰 대전열이 구성될 것으로 기대된다.”라고 의미를 밝혔다.

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논문 정보 

□ 논문명 

○ A liquid triboelectric series / Advanced Materials

A Liquid Triboelectric Series - Yoo - 2023 - Advanced Materials

(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202300699)

□ 저자 

○ 김동성 교수(교신저자/포항공과대학교), 최동휘 교수(공동 교신저자/경희대학교), 유동현 박사(공동 제1저자/포항공과대학교), 장순민 박사과정(공동 제1저자/경희대학교)

□ 내용 요약

○ 고체와 액체 사이와 마찰이 일어났을 때 발생하는 액체의 정전기 특성을 기술할 수 있는 액체 마찰대전열을 수립함.

○ 특정 액체의 화학조성에 따라 정전기 현상이 증진되거나 억제될 수 있음을 확인함. 액체가 더 많은 수의 탄화수소로 구성되거나 벤젠 고리 화합물을 함유할 때 정전기 특성은 감소하며, 더 많은 수의 하이드록실기(분자구조식이 -OH로 표시되는 작용기)로 구성될수록 정전기 특성이 증가하는 경향을 가짐.

○ 주어진 목적에 따라 정전기 현상을 조절할 수 있는 액체 선택 가능성을 제공하여, 액체의 정전기 특성과 밀접하게 연관된 다양한 분야 (에너지 수확, 표면 세정)에 높은 활용도가 기대됨.

- 용어 설명

1. 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials) 誌

○ 물리, 화학 분야 세계최고 권위 학술지(Impact Factor : 32.086)

2. 마찰대전열(triboelectric series)

○ 서로 마찰시켰을 때 전자를 잃기 쉬운 것부터 순서대로 세운 것

3. 액체의 정전기 특성(liquid triboelectric properties)

○ 액체가 고체 표면과 마찰이 일어날 때, 발생한 마찰 정전기의 크기