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정전기
정전기(靜電氣, Static electricity)는 정지되어 있는 전하에 의해 일어나는 물리적 현상이다.
개요
정전기는 물체(주로 유전체)에 전하가 축적되어있는(대전된) 상태지만, 축적되어있는 전하 자체를 지칭하는 경우도 있다. 전하는 항상 전기장에 의한 효과와 자기장에 의한 효과를 가지지만, 정전기는 전기장에 의한 효과가 클 경우다. 오래전에 발견되어, 기원전 600년경에는 탈레스에 의한 마찰전기에 대한 기술이 존재하고 있다. 전지와 전자기유도가 발견되기 전까지 전기라고 하면 정전기를 가리키는 것이었다. 반대어로 동전기가 있지만, 보통의 전기가 곧 동전기이므로 별로 사용되지는 않는다. 흔히 마찰에 의해 대전된 전하를 정전기라고 부르는데, 본래는 마찰전기도 정전기 현상의 하나에 지나지 않는다. 예를 들어 압전효과도 정전기에 포함된다. 번개도 구름에 축적되어있던 정전기에 의해 발생하는 방전현상이다. 일상생활에서 정전기에 의한 방전을 접할 때 정전기가 발생했다고 하는데, 이것은 정전기에 의해 불꽃 방전이 일어났다고 하는 것이 보다 정확하다. 정전기는 방전이 일어나기 전에 마찰 등으로 생긴 물체에 축적되어있던 전하를 말하기 때문이다.
발생
가장 익숙한 종류의 정전기는 두 종류의 유전체의 마찰에 의해 발생한다. 유전체를 서로 마찰할 때 발생하는 정전기의 부호는 물체의 조합에 의해 결정된다. 조합하여 양전하를 띠는 물체는 오른쪽에, 음전하를 띠는 물체는 왼쪽에 가도록 나열하면 유전체를 일직선상에 나란히 나열할 수 있으며, 이 배열을 대전열이라고 한다. 대전의 극성은 대전열에서 서로 멀리 떨어진 물체와 조합될수록 높아진다.
생활 속의 정전기
건조한 겨울철에 털이 많은 스웨터를 벗다가 따끔한 정전기를 느낀 경험이 있을 것이다. 자동차에 열쇠를 꽂을 때 불꽃이 튀거나 금속으로 된 문고리를 잡다가 전기가 통한 일 등도 모두 정전기 때문에 일어나는 것이다. 습도가 낮은 날 털 카펫 위를 걸을 때에도 수만 볼트 의 정전기가 생길 수 있다. 그러나 정전기는 전압만 높을 뿐, 전류는 아주 짧은 순간 동안만 흐르기 때문에 정전기로 인해 큰 부상을 입는 경우는 극히 드물다.
정전기의 방지
방 안에서 정전기를 방지하기 위해서는 천연 소재로 만들어진 카펫을 사용하고 문의 금속 손잡이에 천연 섬유를 씌워 두어야 한다. 또한 컴퓨터에 정전기가 흐르면 내부에 이상이 생길 수 있으므로 케이스와 메인보드를 연결하는 나사가 접지 역할을 해 정전기를 방지한다. 그리고 금속 물체를 바로 잡지 말고 물체에 손 끝을 살짝 대어 정전기를 방전시킨 다음 물체를 잡으면 정전기의 피해를 어느 정도 줄일 수 있다.
정전기의 응용
우리가 불편하게만 생각하는 정전기를 공학적으로 응용한 대표적인 사례로 복사기가 있다. 전류에 의해 음전하를 띤 토너 입자들은 정전기에 의해 상이 비친 곳에만 달라붙게 된다. 이러한 원리를 이용하여 종이를 밀착시킨 다음 종이 뒤에서 강한 양전하를 쪼이면, 음전하의 토너 입자들이 종이쪽으로 다시 옮겨 붙게 되는 것이다. 이밖에, 공기 속의 먼지를 모으는 장치인 집진기 등도 정전기의 원리를 이용한 장치이다.
정전기 전기에너지원
전압이 수만 볼트(V)에 달해 번개와 맞먹는 정전기를 모아 전기에너지원으로 사용할 수 있을까? 사물의 진동이나 사람의 움직임, 빛, 열, 전자기파 등 일상생활에서 발생했다가 사라지는 에너지를 수확해 사용 가능한 에너지로 변환하는 것을 에너지 수확 기술이라고 한다. 그중에서도 서로 다른 물질이 접촉했다가 분리될 때 발생하는 전기 에너지, 즉 정전기를 수확하는 장치를 접촉대전 나노발전기라고 한다. 지금까지 접촉대전 나노발전기에 대한 연구는 지속적으로 이뤄져 왔지만, 정전기 에너지 수확 양이 소량에 불과하고, 마찰 순간에만 에너지가 발생해 상용화에 어려움이 있었다.
POSTECH(포항공대) 기계공학과 김동성 교수·통합과정 유동현씨 연구팀, 전자전기공학과 심재윤 교수·통합과정 이설민씨 연구팀은 황운봉 교수 연구팀, 경희대학교 최동휘 교수 연구팀과 공동연구를 통해 정전기를 전기에너지로 전환하는 '접촉대전(接觸帶電) 나노발전기'의 에너지 총량을 증가시킬 수 있는 새로운 제작방법을 제시, 이를 실제로 사용할 수 있는 전기에너지로 만들어 주는 변환회로 개발에 성공했다.
공동연구팀은 접촉대전 나노발전기의 에너지 총생산량을 늘리기 위한 전략으로 마찰력을 집중시킬 수 있도록 나노임프린팅 공정을 통해 수백 나노미터(㎚ = 10억분의 1ｍ) 수준의 표면구조를 제작, 동일한 마찰에서 정전기가 더 많이, 더 빨리 발생할 수 있도록 폴링 공정을 사용해 두 물질 간 전자 이동이 쉽게 일어나도록 했다.
나노임프린팅 공정이란 나노 금형을 고분자 필름과 함께 쌓아 올린 다음 열과 압력을 가해 나노 크기의 미세한 표면구조를 형성하는 방법이다. 폴링 공정은 높은 전압을 가해 마찰되는 물질 내부 분극의 방향을 바꿔줌으로써 분자구조를 규칙적으로 재배열한다. 공동연구팀은 이렇게 접촉대전 나노발전기를 통해 만들어진 ‘순간적이고 불안정한’ 전기에너지를 실질적으로 사용할 수 있는 안정된 에너지로 변환해주는 변환회로 제작에 성공했다. 이 변환회로 실험결과, 2.5 마이크로와트(μW)의 에너지가 입력됐을 때 70% 이상의 변환 효율을 기록했다. 연구팀은 이번에 제작된 변환회로를 사용하면 외부 전력의 공급 없이도 1.8V의 안정적인 전압을 확보할 수 있음을 처음으로 확인했다. 이는 온·습도계의 센서나 계산기 등을 구동할 수 있는 정도이다. 이번에 개발된 접촉대전 나노발전기 기술과 변환회로를 사용하면 정전기를 모아 생산하는 전기에너지의 양을 늘리고, 안정적인 에너지로 변환할 수 있다. 이것은 외부 전원 없이 센서를 구동 시켜야 하는 자가발전 시스템 개발에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.[1]
각주
- ↑ 김병석 기자, 〈정전기, 배터리에 저장해 사용한다〉, 《사이언스모니터》, 2020-01-30
참고자료
- 〈정전기〉, 《위키백과》
- 〈정전기〉, 《두산백과》
- 김병석 기자, 〈정전기, 배터리에 저장해 사용한다〉, 《사이언스모니터》, 2020-01-30
같이 보기
