과학기술정보통신부	보도자료

보도시점	2023. 6. 29.(목) 12:00 (2023. 6. 30.(금) 조간)	배포	2023. 6. 29.(목) 09:00

액체에서 발생하는 정전기 현상 세계최초 정립

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

과학기술정보통신부(장관 이종호, 이하 ‘과기정통부’)는 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.

* 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.

담당 부서	기초원천연구정책관	책임자	과 장	윤성훈	(044-202-4530)
	기초연구진흥과	담당자	주무관	허정현	(044-202-4537)
유관 기관	포항공과대학교	교신저자	교 수	김동성	(054-279-2843)
	기계공학과	제1저자	박 사	유동현	(054-279-2843)
	경희대학교	공동 교신저자	교 수	최동휘	(031-201-3694)
	기계공학과	공동 제1저자	대학원생	장순민	(031-201-5456)

논문 정보

□ 논문명

○ A liquid triboelectric series / Advanced Materials

□ 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.

용 어 설 명

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

연구 이야기

<작성 : 포항공과대학교 김동성 교수>

□ 연구 배경

정전기 현상(마찰대전 현상)은 두 물체사이에 마찰이 일어날 때, 두 물체 표면이 서로 반대 전하를 띄는 현상이다. 이 현상의 우열정도는 마찰대전열이라는 이름으로 널리 알려져 있고, 우리 실생활에서도 흔히 접할 수 있다. 기원전에 발견된 정전기 현상은 현재까지도 연구되고 있지만, 정량적인 수치로 정의하기 어려워 물체 간 상대적인 마찰대전열이 유일하게 정전기 현상을 기술하는 방법으로 사용되고 있다. 하지만 정전기 현상은 일상생활과 상당히 밀접하게 관련되어 있다. 예를 들어, 겨울철 정전기화재 및 정밀전자부품 파괴를 일으키는 원인으로 피해야할 요소로 알려져 있지만, 이와 반대로 이를 에너지 전원 공급장치 및 센서 등에 활용하려는 노력도 보고되고 있다. 현재까지 주로 고체와 고체 사이에서 발생하는 마찰대전현상이 관심을 받고 있었으나, 최근 고체와 액체 사이에서 발생하는 정전기 현상 또한 관심을 받기 시작하였다. 이는 고체와 액체의 마찰에 의한 잠재적 위험의 소지를 제공할 뿐만 아니라, 반대로 여러 분야에 활용할 수 있는 가능성이 있음을 시사한다. 하지만 현재까지도 액체의 정전기 현상을 기술할 수 있는 방법은 존재하지 않았었다.

본 연구에서는 액체의 마찰대전열을 세계 최초로 보고하는 한편, 이를 통해 고체와 액체 사이의 정전기 현상을 조절할 수 있는 가이드라인을 제공하고자 한다.

□ 연구 내용

ㅇ 본 연구진은 정전기 현상을 통해 발생하는 마찰 정전기를 감지할 수 있는 정밀한 측정장치를 개발하였다. 이 측정장치는 고체와 액체 사이의 마찰움직임, 접촉면적 등 여러 물리적 변인들의 조절을 통해서 액체 고유의 정전기 특성을 높은 신뢰도를 가지며 평가할 수 있다. 측정된 여러 액체들의 정전기 특성에 대해 그 우열정도를 바탕으로 ‘액체 마찰대전열’의 순서로 구분할 수 있었다. 액체 마찰대전열은 기존연구에서 보고되었던 전해질과 유기용매 뿐만 아니라, 산화제 및 당 알코올도 포함하여 광범위하게 구성되었다.

본 연구진은 액체 마찰대전열을 정립하는 과정 중에, 마찰대전열로부터 특정 액체의 화학조성에 따라 정전기 현상이 증진되거나 억제될 수 있음을 확인하였다. 예를 들어, 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 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로, 정전기로 인해 문제가 되는 표면 세정에 있어, 마찰대전을 감소시키는 액체를 통한 세척을 통해 표면에 입자가 부착되는 문제를 효과적으로 해결할 수 있었으며, 이와 반대로 마찰대전 특성을 향상시켜야 하는 에너지 수확장치에 적용하여 에너지 효율을 약 19 % 향상시킬 수 있었다.

□ 기대 효과

ㅇ기존에 탈이온수 혹은 전해질과 고체 표면 사이에서 한정적으로 보고되었던 정전기 현상 연구와 달리, 본 연구에서는 유기용매, 산화제, 당 알코올과 같은 다양한 종류의 액체들과 고체 표면 사이의 정전기 현상을 보고하는 한편, 이를 통해 세계최초로 ‘액체 마찰대전열’을 정립했다는 것에 의의가 있다. 본 연구 결과를 시작으로 보다 다양한 액체들을 포함한 액체 마찰대전열이 구성되어 갈 것으로 기대된다. 나아가 본 연구의 액체 마찰대전열을 통해 주어진 목적에 따라 정전기 현상을 조절할 수 있는 액체 선택 가능성을 제공하여, 에너지 수확장치의 효율 향상 및 정전기 억제를 통한 표면 오염 방지 등에 널리 활용 가능할 것으로 예상된다.

그 림 설 명

[그림 1] Advanced Materials 저널에 선정된 Front cover

액체의 정전기 특성이 특정 화학조성에 따라 증진되거나 억제될 수 있음을 보여주는 그림으로, 주어진 목적에 따라 정전기 현상을 조절할 수 있는 액체 선택 가능성을 제공하는 연구 의의를 시사함.

※ 그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김동성 교수

Reprinted with permission from Advanced Materials

[그림 2] 본 연구에서 세계 최초로 정립한 액체 마찰대전열

각 액체가 고체 표면과 마찰이 일어났을 때 발생한 마찰 정전기의 크기를 액체의 정전기 특성으로 정의하여 그 크기에 따라 나열한 마찰대전열. (+)에 가까울수록 마찰 정전기의 크기가 커지며, (-)에 가까울수록 마찰 정전기의 크기가 작아짐.

※ 그림설명 및 그림제공 : 포항공과대학교 김동성 교수

연구자 이력사항

<김동성 기계공학과 교수, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과

○ 전 화 : 054-279-2843

2. 학력

○ 2001-2005 박사, 포항공과대학교 기계공학과 박사

○ 1999-2001 석사, 포항공과대학교 기계공학과 석사

○ 1995-1999 학사, 포항공과대학교 기계공학과 학사

3. 경력사항

○ 2020 – 현재  한국차세대과학기술 한림원 공학부 회원

○ 2018 – 현재  포항공과대학교 무은재 석좌교수

○ 2019 – 현재  포항공과대학교 기계공학과 교수

○ 2014 – 2019  포항공과대학교 기계공학과 부교수

○ 2010 – 2014  포항공과대학교 기계공학과 조교수

○ 2006 – 2010  중앙대학교 기계공학과 전임강사, 조교수

4. 기타 정보

○ 전공분야 : 정밀공학 분야 나노 생산/제조, 바이오, 의료 및 에너지 하베스팅

○ 2023~현재 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 개인기초연구사업(중견후속연구)

○ 2020~현재 : 산업통상자원부·한국산업기술평가관리원 산업기술알키미스트프로젝트

○ 2020~현재 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 나노소재기술개발사업

○ 2019~현재 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 바이오의료기술개발사업

<최동휘 경희대학교 기계공학과 교수, 교신저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 경희대학교 기계공학과

○ 전 화 : 031-201-3694

2. 학력

○ 2010-2016 박사, 포항공과대학교 기계공학과 박사

○ 2006-2010 학사, 포항공과대학교 기계공학과 학사

3. 경력사항

○ 2016 – 2018	포항공과대학교 기계공학과 연구교수

○ 2017 – 2018	Northwestern University, Postdoctoral Visiting Scholar

○ 2018 – 현재	경희대학교 기계공학과 조교수

4. 기타 정보

○ 전공분야 : 에너지 하베스팅, 자가 발전 센서, 고분자 재료가공

○ 2022~현재 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 개인기초연구사업 (우수신진연구)

<유동현 포항공과대학교 기계공학과, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 포항공과대학교 기계공학과

○ 전 화 : 054-279-2843

2. 학력

○ 2015-2021 석/박사 통합, 포항공과대학교 기계공학과 박사

○ 2011-2015 학사, 포항공과대학교 기계공학과 학사

3. 경력사항

○ 2021 - 현재 포항공과대학교 기계공학과 박사후 연구원

○ 2022 - 현재 일리노이대학교 어바나-샴페인 기계공학과 방문 연구원

4. 기타 정보

○ 전공분야 : 생체 모방 금속/고분자 생산기술

○ 2021~현재 : 과학기술정보통신부·한국연구재단 개인기초연구사업(개인연구사업)

<장순민 경희대학교 기계공학과, 제1저자>

1. 인적사항

○ 소 속 : 경희대학교 기계공학과

○ 전 화 : 031-201-5456

2. 학력

○ 2021-  박사과정 재학중

○ 2019-2021 석사, 경희대학교 기계공학과 석사

○ 2014-2019 학사, 경희대학교 기계공학과 학사

3. 기타 정보

○ 전공분야 : 액체-고체 계면 대전현상