마찰에너지

마찰에너지는 마찰에 의해 생기는 에너지를 말한다.

물질이 다른 물질의 표면 위를 미끄러져 갈 때 마찰력에 의해서 물질이 가진 운동 에너지가 열로 변환되며, 외부에서 에너지가 공급되지 않는 한 운동 에너지는 0으로 줄어든다. 즉 물체가 멈춘다. 마찰력에 의해 물질의 표면은 마모된다.

어렸을 때 플라스틱 책받침을 머리카락에 여러 차례 문지른 후 머리 위로 천천히 들어올리면 머리카락이 따라 올라오는 것을 경험했을 것이다. 플라스틱 책받침으로 머리카락을 문지르면 마찰로 인한 에너지가 발생하여 머리카락에 있던 전자의 일부가 플라스틱 쪽으로 이동한다. 전자는 음전하를 가지고 있으므로 책받침은 음전하로 대전되고 전자를 잃은 머리카락은 양전하로 대전된다. 이때 서로 다른 전하는 끌어당기는 성질이 있으므로 책받침과 머리카락은 달라 붙는다.

연구 사례

마찰전기 발전기

자연에서 버려지는 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환해 사용하는 '에너지 하베스팅 기술'은 소형 전자기기의 전원 공급 문제를 근본적으로 해결한 방법으로 제시되고 있다. 특히 서로 다른 물질이 스치면서 생기는 마찰전기를 에너지로 바꾸는 기술(마찰대전 에너지화)이 주목받는다.

마찰대전의 에너지화 기술은 매우 초기 단계이지만, 다양한 소재와 구조가 개발되고 마찰대전 메커니즘이 규명되면서 대전률이 최대화되고 있다. 이를 통해 에너지 하베스팅 기술 분야 중에서 실현 가능성이 매우 클 것으로 판단되는 기술이다.

UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 백정민 교수팀은 에너지 및 화학공학부의 양창덕 교수팀과 공동으로 고분자 두 종류를 결합한 신소재와 금속 전극을 마찰시켜 전기를 생산하는 고효율 마찰전기 발전기를 개발했다.

마찰전기 발전기는 두 물체가 스칠 때 만들어지는 전하 불균형을 이용해 전기를 만든다. 서로 다른 물체가 접촉하면 각 물체에 있는 음전하와 양전하가 이동하기 때문에 두 물체가 분리될 때 각 물체에 전하 불균형이 생긴다. 이런 전하 불균형 때문에 전자가 이동하게 되는데, 이것이 곧 전류다. 마찰전기 발전기는 이 전류를 수확하는 장치라고 보면 된다.

마찰전기 발전기는 양전하를 모으는 '금속 전극'과 음전하를 모으는 '고분자 유전체'로 이뤄진다. 백정민-양창덕 교수팀은 이번 연구에서 유전체로 쓰이는 고분자의 특성을 변화시켜 전기 출력 효율을 높이는 방법을 찾았다.

연구진은 우선 PVDF(polyvinylidend difluoride)라는 고분자를 기본 물질로 사용했다. PVDF는 눌렀을 때 양전하와 음전하가 양쪽으로 나란히 나눠 배열되는 전기적 성질인 유전성이 강한 물질이다. 이런 특징 덕분에 기존에도 센서와 배터리 장치에 유용하게 사용됐다.

마찰전기 나노발전기

제주대 해양시스템공학과 배진호 교수(BK+ 빅데이터 기반해양융합전문인력사업단장) 연구팀은 직경 6 μm(마이크로미터) 이하의 셀룰로스 입자(cellulose particles)와 빠르게 친환경 분해가 되는 젤라틴 캡슐(gelatin capsule)을 이용한 마찰전기 나노발전 소자를 개발했다.

마찰전기 나노발전기란 두 물체가 접촉 혹은 마찰 시 발생하는 대전 현상을 이용해 역학적 에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 장치로 소자마다 마찰이 일어날 수 있는 한두 방향의 동작에서만 에너지 수확이 가능하다.

이러한 제한된 동작에서만 에너지 수확이 가능한 마찰전기 나노발전소자의 한계를 극복하고자 배진호 교수팀은 셀룰로스 입자가 젤라틴 캡슐 안에서 자유롭게 운동하며 젤라틴 벽에 부딪치는 순간 마찰전기를 생산할 수 있음을 최초로 규명했고, 이를 입자 마찰전기 나노발전기라고 했다. 이 연구는 임의의 방향에서 작은 힘에서도 쉽게 매우 작은 입자들이 움직이기 때문에 모든 방향에서 전기 에너지를 생산할 수 있다는 것이다.

제작된 마찰전기 나노발전소자는 1개의 캡슐소자가 5.488 mW의 전기를 생산하고, 16개의 캡슐을 병렬로 연결했을 때 70 mW의 전기를 생산한다. 특히 에너지 효율은 최대 74.35%로 매우 우수하다. 이번에 개발된 나노발전소자는 휴대용 웨어러블 전자기기들이 일정한 방향이 아닌 무작위로(Random) 움직이기 때문에 더욱 효율적인 웨어러블 보조전원으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고자료

• 〈마찰력〉, 《나무위키》
• 〈마찰전기〉, 《두산백과》
• 조상윤 기자, 〈모든 동작에서 발생한 마찰을 전기에너지로 생산〉, 《한라일보》, 2022-06-15
• 박현진 기자, 〈출력 20배 높인 ‘마찰전기 발전기’ 기술 나왔다〉, 《세미나투데이》, 2017-05-29

같이 보기

• 마찰
• 마찰계수
• 대전
• 발전기

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