Mechanism of Contact Electrification

Young-Joon KO, Dong Woo LEE and Jonghoon JUNG

Contact electrification has been a well-known phenomenon since B.C. 300. However, the origin of triboelectric charge and the charge transfer mechanism are not well understood. To date, the thermionic emission model, Schottky model, flexoelectric model, and intermolecular force model have been proposed for the contact electrification in conductors, semiconductors, and insulators. This article briefly introduces several important research results on the simple-seeming, but baffling, topic of contact electrification.

들어가는 말

본 특집호에서는 마찰 대전과 관련된 최신 연구결과와 연구 동향을 소개하였다. 첫 번째 원고는 “마찰 대전 메커니즘 이해”라는 제목으로 과거부터 현재까지 마찰 대전현상이 어떻게 이해되고 있는지 논의하였다. 두 번째 원고는 “마찰 대전 표면 전하의 측정과 분석”이라는 제목으로 대전된 표면 전하를 측정하는 기술을 소개하고 표면 전하의 증폭기술과 응용 기술을 서술하였다. 세 번째 원고는 “마찰 대전 고분자 재료의 설계”라는 제목으로 재료적 관점에서 고성능 마찰 대전 나노 발전기의 설계에 대해 고찰하였다. 네 번째 원고는 “전기장 유도 2차 고조파 발생을 통한 캐리어 운동 및 마찰 전하 분포 프로빙”이라는 제목으로 2차 고조파 발생을 이용하여 캐리어 운동 및 마찰 전하 분포 프로빙 방법을 서술하였다.

한동안 고착상태에 빠져있던 마찰 대전에 대한 관심이 최근 들어 다시 증가하고 있다. 그 주된 이유는 우리 주변에 버려지고 있는 역학적 에너지를 수집하기 위한 마찰 발전기에 대한 관심 때문이다. 마찰 발전기의 효율을 증대하기 위해서는 마찰 대전 현상을 잘 이해하여야 하고 이를 위해 전 세계의 많은 연구진들이 경쟁적으로 연구하고 있다.

서 론

마찰 대전(Contact Electrification, 혹은 Triboelectrification)은 두 물체가 접촉 후 분리되었을 때, 두 물체의 표면이 각각 양과 음의 전하로 대전되는 현상을 말한다. BC 300년경부터 알려진 이 현상은, 겨울철 자주 발생하는 정전기, 사무실의 복사기와 같이 우리에게 매우 친숙하다.

단순해 보이는 마찰 대전 현상은 놀랍게도 현재까지 제대로 이해되지 않았다. 마찰 대전을 일으키는 원인이 무엇이고, 전하를 전달하는 메커니즘이 무엇인지 명확하지 않다. 1926년 Peter Shaw 박사가 기술한 바와 같이 이 연구는 간단해 보이지만 이해할 수 없으며, 현재 초기단계조차 지나지 못했다. 원문은 아래와 같다.

This class of research is simple-seeming. But those who have spent time on the subject will allow that it is very baffling; those who have not done so will at least remember that despite great efforts by physicists the subject has not yet passed the pioneer stage.1)

역사적으로 마찰 대전에 대한 이해 과정은 전기에 대한 이해와 궤적을 같이 한다. 몇 가지 중요한 결과를 기술하면, Pluto에 의해 마찰 대전 현상에 대해 최초로 기록이 되었으며(BC 300년), Gilbert에 의해 두 물체를 비볐을 때 대전이 되는 물질과 되지 않는 물질로 구분되었으며(1600년), du Fay에 의해 양의 부호를 갖는 전하와 음의 부호를 갖는 전하로 구분되었다(1733년). 그리고, Shaw에 의해 같은 물질을 비볐을 때에도 대전 현상이 일어남이 보고되었다(1928년).2)

마찰 대전에 대한 연구가 최근 들어 매우 활발하게 일어나고 있다. 그 주된 이유는 마찰 대전에 기반을 둔 마찰 발전기가 우리 주변에 버려지고 있는 다양한 역학적 에너지를 수확할 수 있는 새로운 디바이스로 각광을 받고 있기 때문이다.3) 역학적 에너지는 전자기 유도를 기반으로 하는 자석과 코일, 그리고 압전을 기반으로 하는 특정 유전체를 이용한 것이 거의 대부분이었다. 하지만, 미국 조지아공과대학교의 Zhong-Lin Wang 교수 그룹에서 발표한 논문에 의하면(2012년), 마찰 대전 디바이스는 깃털의 터치와 같은 매우 작은 크기의 역학적 진동에서도 매우 큰 전기 발생이 가능하다는 결과가 발표되었다.4)

Fig. 1. Power generation mechanism of triboelectric nanogenerator. (a) Contact, (b) receding, (c) equilibrium, and (d) approaching. Charge flows during (b) and (d) processes.

마찰 발전기는 [그림 1]과 같이, 두 물체가 접촉하고 떨어질 때, 각각의 물체에 대전된 전하가 외부로 흘러 전류가 발생하는 원리를 이용한 것이다. 외부에서 가해준 역학적 에너지 대비 생성된 전기 에너지의 비, 즉 에너지 발생효율을 결정하는 가장 중요한 요인 중의 하나는 마찰 대전에 의해 생성된 전하량이다. 그러므로, 마찰 대전 현상을 이해하는 것은 대전 현상에 대한 미시적인 메커니즘 이해 및 효율적인 전기 에너지 생산 디바이스에 대한 가이드라인을 제공해줄 수 있을 것이다.

마찰 대전의 근원과 전하 전달 메커니즘

마찰 대전과 관련하여 가장 이해하기 힘든 부분은 마찰대전의 근원과 전하 전달 메커니즘이다. 마찰 대전이 일어나는 물질은 도체부터 반도체, 부도체까지 매우 다양하기 때문에 모든 물질을 통합적으로 이해할 수 있는 설명보다는 각각의 물체에서 나타나는 현상을 설명하기 위한 연구로 진행되어 왔다.

Fig. 2. Electron transfer model through work-function differences for metal-metal contact.

도체와 도체 사이에서 일어나는 마찰 대전은 일반적으로 전자의 일함수 차이로 설명되어 왔다.5) [그림 2]처럼, 도체는 잘 정의된 일함수를 가지고 있으므로, 두 물체의 접촉 시 페르미 레벨의 정렬에 의해 일함수가 작은 물질의 전자가 일함수가 큰 물질로 이동하여 두 물체가 다른 부호의 전하로 대전되는 것을 설명한다.

도체와 반도체, 도체와 부도체 사이에 일어나는 마찰 대전 근원에 대해서는 다양한 모델이 제안되고 있다. 반도체, 부도체의 경우 마찰열과 표면 전위에 의해, 접촉 시 전자가 반도체 혹은 부도체의 표면 에너지 레벨로의 이동하는 것으로 설명되기도 한다.6) 한편, 금속인 금(Au)과 부도체인 폴리머(PDMS)를 접촉시켰을 때, 금 표면 위에 움직이지 않는 이온이 관측되어, 전자 이외에도 이온이 마찰 대전에 기여한다는 것이 발표되었다.7)

부도체와 부도체 사이의 마찰 대전의 경우 더욱 다양한 모델이 제안되고 있다. 주로, 전자 대신 이온 혹은 물질의 이동으로 대전 현상을 설명하고 있다. 쉽게 이온화되는 분자로 구성된 표면을 가진 부도체의 경우, 접촉-분리에 의해 이온이 한 물질에서 다른 물질로 전달될 수 있다.8) 쉽게 이온화되지 않는 분자로 구성된 표면을 가진 부도체의 경우, 공기 중에 있는 수분이 H+와 OH-로 분리되어 전달될 수 있다고 설명하고 있다.9) 접촉하는 부도체 표면을 산과 염기로 처리하였을 경우, 전하의 이동 방향이 바뀌는 결과로 위 설명을 반증하였다. 하지만, 공기 중과 비슷한 대전 현상이 매우 높은 진공도와 오일 안에서도 일어남이 보고된 이후, 수분의 이온에 대한 전하 전달 메커니즘이 차츰 의문을 받고 있는 추세이다.10) 한편, 부도체와 부도체 사이의 마찰 대전의 경우 접촉-분리 시, 전하를 띠고 있는 물질 조각(material fragment)이 한 물질에서 다른 물질로 이동한 것이 관측되었다.11) 이는 전자와 이온 이외에도, 물질 이동에 의해서 대전이 일어날 수 있음을 반증하는 것이다.

이외에, 두 표면의 접촉은 화학적 결합의 변형 및 분리를 일으킬 수 있고, 새로운 표면을 노출할 수 있기 때문에 전하 전달에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 접촉 힘,12) 스트레인,13) 그리고 표면 거칠기에 따라 전달되는 전하의 종류 및 이동 방향이 바뀌는 것이 보고되었다.14)

마찰 대전 기원에 대한 최신 연구결과

최근 마찰 대전과 마찰 발전에 대한 관심이 높아지면서, 마찰 대전의 메커니즘을 설명하는 다양한 논문들이 발표되고 있다. 대표적인 연구 결과는 아래와 같다.

1. 열전자 방출 모델(Thermionic Emission Model)

Fig. 3. The measured and simulated data of the Ti-SiO₂ triboelectric nanogenerators. (a) Short-circuit triboelectric charge at 413 K. (b) Plot of current density against inverse of temperature [Adapted with permission from Ref. 15. Copyright 2018 John Wiley and Sons].

Xu 등은 금속과 부도체 사이의 마찰 대전을 전자가 열전자 방출 모델에 의해 전달되기 때문으로 설명하였다.15) [그림 3]에 보인 바와 같이, Ti-SiO₂, Ti-Al₂O₃ 결정을 상온에서 마찰시킨 후 고온에서 마찰 전하의 거동을 시간에 따라 관측하였다. 각각의 온도에서 시간에 따른 마찰 전하의 거동을 적절히 근사한 열전자 방출 모델로 피팅하여 0.8 eV 크기의 포텐셜 배리어(potential barrier)가 존재하고 이로 인해, 마찰 대전이 유지됨을 설명하였다.

2. 쇼트키 모델(Schottky Model)

Fig. 4. (a) Plot of the triboelectric power density as a function of temperature. (b) Picture of the actual ion distribution and the net charge distribution [Adapted with permission from Ref. 16. Copyright 2018 The author(s)].

Olsen 등은 마찰 전하의 온도 의존성을 설명하기 위해, 간단한 이론적인 모델을 제시하였다.16) [그림 4]에 보여준 바와 같이, 마찰하는 두 물체를 에너지 갭이 존재하는 이준위계(Two-level system)로 근사하고 각각의 에너지 레벨에 존재하는 이온의 수가 볼쯔만 분포를 따른다고 가정하였다. 계산 결과, 온도에 따른 전력은 \(\small(1+e^{‒E/k_B T})^2\)에 비례함을 보였고, 일부 데이터를 잘 설명하였다. 하지만, 온도에 따른 전력의 변화를 일으키는 근본 원인에 대해서는 설명하지 못하였다.

3. 변전효과 모델(Flexoelectric Effect Model)

Fig. 5. Electric potential difference along the surface of the deformed body for indentation and pull-off [Ref. 17, reprinted figure with permission from RNP/21/FEB/035971].

Mazzi 등은 나노 스케일에서의 마찰 대전 현상을 변전효과로 설명하였다.17) 두 물체의 접촉과 분리는 필연적으로 시료에 탄성 및 소성 변형(elastic and plastic deformation)을 일으키므로, 스트레인의 구배(gradient) 또한 유발할 수 있다. [그림 5]에 보여준 바와 같이, 물체를 누를 때와 뗄 때, 가한 힘의 반대 방향으로 스트레인의 구배가 생기고 이로 인해 전위차가 다르게 발생할 수 있다. 즉, 누를 때는 누른 힘의 크기의 1/3승에 비례하는 전위가 그리고 뗄 때는 부착 에너지 크기의 1/3승에 비례하는 전위가 발생한다. 계산 결과 대략 1‒10 V의 전압이 생길 것으로 예측하였고 이는 실험 데이터와 일부 일치한다.

4. 분자간 힘 모델(Intermolecular Force Model)

Sutka 등은 부도체-부도체 물질 사이의 마찰 대전은 해당 물질의 분자 내 힘(intramolecular force)과 접촉 계면에서의 부착력(adhesion force)에 의해서 조절될 수 있다는 연구결과를 발표하였다.18) [그림 6]은 열가소성 폴리머의 모듈러스(modulus)에 따른 표면전하를 보인 것으로, 낮은 모듈러스의 물질에서 큰 마찰 전하가 유도되는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 6은 분리응력(separation stress)에 따라 마찰 전하가 커진다는 것을 보여주고 있다. 즉, 큰 마찰 전하가 생성되기 위해서는 매우 강한 표면 부착과 낮은 응집 에너지(cohesive energy)가 필요하다는 것을 의미한다. 미시적으로는 접촉-분리 시, 공유결합의 분열(breaking)에 의해 접촉하는 두 물질 간에 교환이 일어나 대전이 되는 것으로 설명하였다.

Fig. 6. (a) Correlation between the modulus of polymer materials and surface charge. (b) Relation between the charge and separation stress required when the contacting force before separation step gradually increased for PDMS. [Adapted with permission from Ref. 18. Copyright 2019 Royal Society of Chemistry]

맺음말

앞서 말한 바와 같이, 마찰 대전은 아주 오래된 물리 현상이지만 이의 근본 원인과 메커니즘에 대해 제대로 된 이해가 부족하다. 도체, 반도체, 부도체를 모두 설명할 수 있는 연구 결과보다는 개별 물질을 설명할 수 있는 연구 결과들이 주를 이루었다. 최근, 시료 합성, 측정 방법, 이론 계산의 발전에 따라 마찰 대전에 대한 이해가 점점 더 깊어지고 있다. 마찰 대전과 같이 복잡한 현상을 이해하기 위해서는 체계적인 시료 합성, 열적-, 광학적-, 나노 스케일특성 분석, 그리고 밀도 범함수 이론 계산이 종합적으로 필요하다.