마찰전기
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1. 개요
마찰전기는 두 물질이 접촉했다가 분리되거나 서로 마찰할 때 발생하는 현상으로, 정전기 및 전자 연구와 밀접하게 관련되어 있다. 기원전 600년경부터 알려진 이 현상은 호박을 문지르는 실험을 통해 관찰되었으며, 17세기 윌리엄 길버트의 연구를 통해 다양한 물질에서도 나타남이 밝혀졌다. 18세기에는 전하의 종류와 마찰전기열이 제시되었고, 19세기에는 마찰전기에 대한 체계적인 분석이 이루어졌다. 마찰전기의 발생 메커니즘은 일함수 차이, 전기-기계적 기여, 전하 이동, 비가역 열역학, 습도 등 다양한 요인에 의해 설명되며, 대전열을 통해 물질의 전하 획득 경향을 나타낸다. 마찰전기는 산업 현장에서 화재 및 폭발의 위험을 야기하는 한편, 센서, 에너지 수확, 항공기, 의료 분야 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 반도체 산업 발전에 중요한 기술로 여겨진다.
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| 마찰전기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 접촉 대전 |
| 관련 현상 | 정전기 방전 코닝 효과 |
| 원리 | |
| 원인 | 두 표면 간의 전자 이동 |
| 영향 요인 | 표면 거칠기 온도 변형률 재료의 특성 |
| 응용 | |
| 에너지 생산 | 마찰 전기 나노 발전기 |
| 산업 공정 | 정전 도장 전기 방사 분체 코팅 정전 분리 공기 여과 |
| 문제점 | |
| 산업 안전 | 정전기 방전으로 인한 화재 및 폭발 위험 전자 부품 손상 |
| 기타 | 먼지 부착 섬유 엉킴 |
2. 역사
마찰전기의 역사적 발전은 정전기 및 전자 자체에 대한 연구와 얽혀 있다. 마찰전기 및 정전기와 관련된 실험은 전자가 발견되기 전에 이루어졌다. ēlektron(ἤλεκτρον)이라는 이름은 그리스어로 호박을 의미하며,[7][8] 이는 기원전 585년경 탈레스에 의해 기록된 정전기적 대전과 관련이 있으며,[9] 그 이전에도 다른 사람들에 의해 기록되었을 가능성이 있다.[9][10] 접두사 ''''(마찰을 의미하는 그리스어)는 마찰학에서와 같이 미끄러짐, 마찰 및 관련 과정을 지칭한다.[11]
축 시대(기원전 8세기~3세기)부터 호박을 문질러 발생하는 정전기에 의한 물질의 인력과 자기성 물질의 인력은 유사하거나 동일한 것으로 여겨졌다.[8] 유럽뿐만 아니라 중국 등 다른 지역에서도 알려졌으며, 시리아 여성들은 직조에 호박 끈을 사용했고 대 플리니우스가 언급했듯이 마찰전기적 특성을 활용했다.[8][12]
중세 시대의 기록에도 마찰전기 현상에 대한 언급이 나타난다. 12세기 그리스 학자 테살로니키의 유스타티우스는 고트족의 왕인 볼리버가 몸에서 불꽃을 낼 수 있었다고 기록했다. 그는 또한 철학자가 옷을 입는 동안 옷에서 불꽃을 낼 수 있었다고 언급했는데, 이는 1759년 철학회보에서 발견될 수 있는 로버트 심머의 실크 스타킹 실험에 대한 보고와 유사하다.[13]
1600년, 윌리엄 길버트(William Gilbert (physician))는 《자석에 관하여》에서 호박 외에도 유황, 왁스, 유리와 같은 많은 물질이 문질러질 때 정전기를 생성할 수 있으며, 습기가 대전을 방지한다는 것을 발견했다.[13][15] 토마스 브라운 경은 금속이 마찰전기적 대전을 보이지 않는다는 점에 주목했는데, 이는 전하가 전도되어 사라졌기 때문일 것이다.[16] 1663년경, 오토 폰 게리케는 마찰전하 생성을 자동화하는 기계를 발명하여 더 많은 마찰전하를 생성하는 것을 훨씬 더 쉽게 만들었다. 이후 프랜시스 혹스비 2세가 제작한 정전기 발생기()와 같은 다른 정전기 발생기도 뒤따랐다.[13]
1730년대에 C. F. 뒤 페는 '유리질'과 '수지질'이라는 두 가지 유형의 전하가 있음을 지적했다.[18][19] 이 용어는 19세기 내내 사용되었으며, 1747년경 벤자민 프랭클린은 전기를 전기 유체의 과도하거나 부족한 상태로 설명하며 '양'과 '음'이라는 용어를 사용했다.[20]
요한 카를 빌케는 1757년 박사 학위 논문에서 다른 물질과 접촉하거나 미끄러질 때 전하 분극의 순서대로 물질을 나열한 *마찰전기열(triboelectric series)*을 발표했다.[21][22]
1834년 장 클로드 외젠 페클레는 재료, 압력 및 표면의 마찰과 같은 다양한 조건에서 마찰전기적 대전을 연구하여 마찰전기에 대한 최초의 체계적인 분석을 수행했다.[23] 1909년 오웬[24]과 1915년 존스[25]에 의해 추가적인 정량적 연구가 이루어졌으며, 1914년부터 1930년까지 쇼 교수의 그룹은 마찰전기 계열의 결함 언급, 열의 영향[26], 다양한 물질 분석 및 이상 현상 지적[65], 유리와 고체 원소[27], 고체 원소와 섬유 분석[28], 마찰전하와 마찰 측정, 공기 입자로 인한 대전 분석[29], 표면 변형과 이완의 역할 입증[30][31], 실리카를 사용한 마찰전기적 대전 조사[32] 등 실험적 지식의 기초를 놓았다.
20세기 초, 쇼 교수의 그룹은 마찰전기 계열의 결함을 언급하고, 열이 마찰전하에 미치는 영향[26], 다양한 물질의 마찰전기열 위치 분석 및 이상 현상[65] 등 광범위한 실험적 연구를 수행했다.[27][28][29][30][31][32] 1909년 오웬[24]과 1915년 존스[25]에 의해 추가적인 정량적 연구가 이루어졌다.
20세기 중반에는 고체 상태 변화, 밴드 휨[75], 양자 터널링, 쇼트키 장벽 효과[43][51] 등 고체 물리학 개념이 프랭크 필립 보든과 데이비드 테이버의 연구를 기반으로 마찰전기 현상 설명에 도입되었다.
2. 1. 고대와 중세
마찰전기 현상은 고대부터 알려져 있었다. 기원전 600년경 그리스의 철학자 탈레스는 호박을 문지르면 가벼운 물체를 끌어당기는 현상을 기록했다.[9] 축 시대(기원전 8세기~3세기)부터 호박을 문질러 발생하는 정전기에 의한 물질의 인력과 자기성 물질의 인력은 유사하거나 동일한 것으로 여겨졌다.[8] 이는 유럽뿐만 아니라 중국 등 다른 지역에서도 알려졌으며, 시리아 여성들은 직조에 호박 끈을 사용했고 대 플리니우스가 언급했듯이 마찰전기적 특성을 활용했다.[8][12]중세 시대의 기록에도 마찰전기 현상에 대한 언급이 나타난다. 12세기 그리스 학자 테살로니키의 유스타티우스는 고트족의 왕인 볼리버가 몸에서 불꽃을 낼 수 있었다고 기록했다. 그는 또한 철학자가 옷을 입는 동안 옷에서 불꽃을 낼 수 있었다고 언급했는데, 이는 1759년 철학회보에서 발견될 수 있는 로버트 심머의 실크 스타킹 실험에 대한 보고와 유사하다.[13]
2. 2. 근대 과학의 발전
1600년, 윌리엄 길버트(William Gilbert (physician))는 《자석에 관하여》에서 호박 외에도 유황, 왁스, 유리와 같은 많은 물질이 문질러질 때 정전기를 생성할 수 있으며, 습기가 대전을 방지한다는 것을 발견했다.[13][15] 토마스 브라운 경은 금속이 마찰전기적 대전을 보이지 않는다는 점에 주목했는데, 이는 전하가 전도되어 사라졌기 때문일 것이다.[16] 1663년경, 오토 폰 게리케는 마찰전하 생성을 자동화하는 기계를 발명하여 더 많은 마찰전하를 생성하는 것을 훨씬 더 쉽게 만들었다. 이후 프랜시스 혹스비 2세가 제작한 정전기 발생기()와 같은 다른 정전기 발생기도 뒤따랐다.[13]1730년대에 C. F. 뒤 페는 '유리질'과 '수지질'이라는 두 가지 유형의 전하가 있음을 지적했다.[18][19] 이 용어는 19세기 내내 사용되었으며, 1747년경 벤자민 프랭클린은 전기를 전기 유체의 과도하거나 부족한 상태로 설명하며 '양'과 '음'이라는 용어를 사용했다.[20]
요한 카를 빌케는 1757년 박사 학위 논문에서 다른 물질과 접촉하거나 미끄러질 때 전하 분극의 순서대로 물질을 나열한 *마찰전기열(triboelectric series)*을 발표했다.[21][22]
1834년 장 클로드 외젠 페클레는 재료, 압력 및 표면의 마찰과 같은 다양한 조건에서 마찰전기적 대전을 연구하여 마찰전기에 대한 최초의 체계적인 분석을 수행했다.[23] 1909년 오웬[24]과 1915년 존스[25]에 의해 추가적인 정량적 연구가 이루어졌으며, 1914년부터 1930년까지 쇼 교수의 그룹은 마찰전기 계열의 결함 언급, 열의 영향[26], 다양한 물질 분석 및 이상 현상 지적[65], 유리와 고체 원소[27], 고체 원소와 섬유 분석[28], 마찰전하와 마찰 측정, 공기 입자로 인한 대전 분석[29], 표면 변형과 이완의 역할 입증[30][31], 실리카를 사용한 마찰전기적 대전 조사[32] 등 실험적 지식의 기초를 놓았다.
2. 3. 현대의 연구
20세기 초, 쇼 교수의 그룹은 마찰전기 계열의 결함을 언급하고, 열이 마찰전하에 미치는 영향[26], 다양한 물질의 마찰전기열 위치 분석 및 이상 현상[65] 등 광범위한 실험적 연구를 수행했다.[27][28][29][30][31][32] 1909년 오웬[24]과 1915년 존스[25]에 의해 추가적인 정량적 연구가 이루어졌다. 마찰전기에 대한 최초의 체계적인 분석은 1834년 장 클로드 외젠 페클레의 연구로 여겨진다.[23]20세기 중반에는 고체 상태 변화, 밴드 휨[75], 양자 터널링, 쇼트키 장벽 효과[43][51] 등 고체 물리학 개념이 프랭크 필립 보든과 데이비드 테이버의 연구를 기반으로 마찰전기 현상 설명에 도입되었다.
3. 기본 특성
마찰전기는 두 물질이 접촉했다가 분리되거나 서로 미끄러질 때 발생한다. 예를 들어 플라스틱 펜을 면, 양모, 폴리에스터 또는 현대 의류에 사용되는 혼방 직물로 만들어진 셔츠 소매에 문지르면 펜은 전기를 띄게 된다.[33] 전기를 띤 펜은 1제곱센티미터 미만의 종이 조각을 끌어당겨 집어 올리고, 비슷한 전기를 띤 펜은 밀어낼 것이다. 전기를 띤 플라스틱 펜이 중성 무전하 종이 조각에 정전기적으로 인력하는 것은 종이에 유도된 쌍극자(dipole) 때문이다.[75]
마찰전기 효과는 예측 불가능할 수 있다.[34] 1910년 셀룰로오스 조각의 경우, 전하의 부호가 문지를 때 오목하거나 볼록하게 구부러지는지에 따라 달라진다는 것이 관찰되었다.[35] 1926년에는 동일한 재료 두 조각의 경우, "고무"에서 "문지른" 것으로의 전하 이동 부호가 시간에 따라 변경될 수 있다는 점이 지적되었다.[37]
마찰전기가 발생하는 세부 메커니즘은 2023년 현재 완전히 규명되지 않았다. 두 재료 간의 일함수(work function)(전자 친화도)의 차이가 전하 이동을 유발할 수 있다는 점이 제시되었으나,[41] 접촉 전위만으로는 많은 실험 결과를 설명하기 어렵다.[35][37][38][73] 표면은 접촉이 발생하는 많은 나노 스케일 돌기(Asperity (materials science))를 가지고 있으며,[51] 이는 마찰전기화에 대한 많은 접근 방식에서 고려되었다.[42]
마찰전기 발생 원인에 대한 경험적 연구는 19세기 말부터 시작되어 많은 정보가 축적되었지만,[24][25][26] 아직까지 그 근원, 혹은 근원들에 대한 완전한 과학적 합의는 이루어지지 않았다.[63][64]
몇 가지 주요 요인은 다음과 같다.
- 두 재료 간의 일함수 차이.[42]
- 국소적인 곡률, 변형률 및 거칠기.[35][65][84]
- 미끄럼 과정에서 가해지는 힘, 입자가 충돌할 때의 속도, 그리고 크기.[3][49]
- 재료의 전자 구조와 두 접촉 재료의 결정학적 배향.[43]
- 표면 또는 계면 상태, 그리고 습도와 같은 환경적 요인.[43][42]
마찰[105]은 탄성 및 소성 변형, 포논 및 전자 여기, 그리고 접착과 같은 다양한 에너지 소산 과정으로 인한 저항력이다.[106]
전하 이동에도 마찰에 기여하는 에너지 항이 있다. 정지 마찰에서는 탄성 변형, 분극 및 표면 전하 간의 결합이 있으며, 이는 마찰력에 기여한다.[79] 미끄럼 마찰에서 돌기가 접촉하고[51] 전하 이동이 발생하면, 접촉이 해제될 때 일부 전하는 반환되고, 일부는 반환되지 않으며[108] 이는 거시적으로 관찰되는 마찰에 기여한다. 서로 다른 전하를 띤 돌기 사이의 저항하는 쿨롱 힘에 대한 증거가 있다.[109]
4. 메커니즘
19세기 말부터 시작된 초기 연구를 통해[24][25][26] 경험적으로 무엇이 마찰전기를 유발하는지에 대한 방대한 정보가 얻어졌다. 마찰전기에 대한 광범위한 실험 데이터가 있지만, 아직까지 그 근원[63][64], 혹은 아마도 근원들에 대한 완전한 과학적 합의는 이루어지지 않았다. 몇 가지 측면은 확립되었으며 전체적인 그림의 일부가 될 것이다.
- 두 재료 간의 일함수 차이.[42]
- 국소적인 곡률, 변형률 및 거칠기.[35][65][84]
- 미끄럼 과정에서 가해지는 힘, 입자가 충돌할 때의 속도, 그리고 크기.[3][49]
- 재료의 전자 구조와 두 접촉 재료의 결정학적 배향.[43]
- 표면 또는 계면 상태, 그리고 습도와 같은 환경적 요인.[43][42]
=== 일함수 차이 ===
모든 물질은 양성자 핵의 양의 정전기적 위치 에너지를 가지며, 이는 전자의 바다로 묘사되는 음의 정전기적 위치 에너지로 부분 상쇄된다.[75] 평균 위치 에너지는 양수이며, 이를 ''평균 내부 전위''(MIP)라고 한다. 물질마다 원자 종류와 밀집도가 다르므로 MIP도 다르다. 표면에서 전자는 진공으로 약간 흘러나오며,[75][76] 이는 표면에 쌍극자를 생성한다. 이 쌍극자와 MIP가 결합하여 전자가 물질을 빠져나가는 데 필요한 위치 에너지 장벽을 형성하며, 이를 일함수라고 한다.[75]
마찰전기열은 서로 다른 구성 요소가 서로 다른 일함수를 가지므로, 전자가 일함수가 작은 물질에서 큰 물질로 이동할 수 있다는 점으로 설명된다.[43] 두 물질 간의 전위차는 볼타 전위 또는 ''접촉 전위''라고 한다. 실험을 통해 금속 및 기타 물질에 대한 접촉 전위의 중요성이 입증되었다.[41] 그러나 표면 쌍극자는 모든 고체의 서로 다른 표면에 대해 다르기 때문에[75][76] 접촉 전위는 보편적인 매개변수가 아니다. 이것만으로는 20세기 초에 확립된 많은 결과를 설명할 수 없다.[36][37][35]
=== 전기-기계적 기여 ===
고체가 변형될 때 전기장이 생성될 수 있는데, 선형 변형으로 인해 발생하는 압전 효과와 변형의 미분에 따라 달라지는 플렉소전기 효과가 대표적이다.[51] 이 두 효과는 밀도 범함수 이론을 통해 측정 및 계산할 수 있다. 특히 플렉소전기 효과는 나노 규모에서 표면 거칠기가 미끄러지거나 접촉할 때 더 크게 나타날 수 있다.[51]
압전 효과와 마찰전기 사이의 연관성에 대한 연구가 활발하게 진행되었으나,[77][78] 압전 효과는 반전 대칭성을 갖지 않는 재료에서만 발생하기 때문에 일반적인 설명으로는 부족하다. 최근에는 모든 절연체와 반도체에서 발생하는 플렉소전기 효과가 마찰전기에 중요할 수 있다는 주장이 제기되었다.[57][79][80] 곡률 효과와 같은 실험 결과는 이 접근 방식으로 설명 가능하지만, 아직 자세한 연구가 더 필요하다.[81] Shaw와 Hanstock의 초기 연구[30] 및 Daniel Lacks 그룹의 연구에서도 변형의 중요성이 확인된다.[82][83][84]
=== 전하 이동 ===
마찰전기에서 전하를 운반하는 것이 전자 또는 이온 중 무엇인지에 대한 논쟁이 있다.[42] 하퍼는 두 가지 가능성을 모두 논의한 반면,[43] 윅은 전자 이동을 더 선호했다. 조지 M. 화이트사이즈는 이온 이동을 옹호하고,[91] 디아즈와 펜젤-알렉산더[92], 그리고 로렌스 D. 마크스는 둘 다 지지하며,[57][81] 다른 사람들은 전자만 지지하는[93] 등 오늘날까지 논쟁이 이어지고 있다.
=== 비가역 열역학 ===
20세기 후반, 보리스 데르야긴이 이끄는 소련 학파는 마찰전기 현상과 관련된 트리볼루미네선스 현상이 근본적으로 비가역 과정이라고 주장했다.[94] UCLA의 세스 푸터만과 그의 연구진 또한 데르야긴과 비슷한 관점을 옹호했다.[95][96]
2020년, 이론 물리학자 로버트 알리키와 알레한드로 젠킨스는 마찰전기를 근본적으로 비가역적인 과정으로 보는 이론을 발표했다.[54] 이들은 서로 미끄러지는 두 물질 내의 전자들이 서로 다른 속도를 가지며, 이는 비평형 열역학 상태를 만들어낸다고 주장했다. 양자역학적 효과는 이러한 불균형으로 인해 한 물질에서 다른 물질로 전자가 펌핑되며,[54] 이는 보존에 대해 야코프 젤도비치가 처음 기술한 회전 초방사의 페르미온 유사체이다.[54] 전자는 양방향으로 펌핑되지만, 두 표면의 전위차에 약간의 차이가 있으면 순전하가 발생할 수 있다.[54] 알리키와 젠킨스는 이러한 비가역적 펌핑이 마찰전기 효과가 기전력을 생성하는 방식을 이해하는 데 필요하다고 주장한다.[54][97]
=== 습도 ===
일반적으로 습도(공기 중의 수분)가 증가하면 마찰전기 대전의 크기는 감소한다.[98] 이 효과의 크기는 접촉하는 물질에 따라 크게 다르며, 대전 감소는 10배 이상에서 습도에 거의 의존하지 않는 범위까지 다양하다.[99] 일부 실험에서는 극도로 건조한 조건에 비해 중간 정도의 습도에서 대전이 증가하고, 그 후 더 높은 습도에서 감소하는 현상을 발견했다.[100]
가장 널리 퍼진 설명은 습도가 높을수록 접촉하는 물질의 표면에 더 많은 물이 흡착되어 표면 전도율이 높아진다는 것이다.[101][102] 높은 전도율은 접촉이 떨어질 때 더 큰 전하 생성 및 재결합을 가능하게 하여, 전하 이동을 줄인다.[101][103][104]
습도 효과에 대한 또 다른 설명은 건조한 조건에서 습도가 증가함에 따라 전하 이동이 증가하는 경우를 고려한다. 습도 증가는 접촉하는 물질 사이에 이온 이동을 촉진하는 물 다리를 형성할 수 있다.[100]
4. 1. 일함수 차이
모든 물질은 양성자 핵의 양의 정전기적 위치 에너지를 가지며, 이는 전자의 바다로 묘사되는 음의 정전기적 위치 에너지로 부분 상쇄된다.[75] 평균 위치 에너지는 양수이며, 이를 ''평균 내부 전위''(MIP)라고 한다. 물질마다 원자 종류와 밀집도가 다르므로 MIP도 다르다. 표면에서 전자는 진공으로 약간 흘러나오며,[75][76] 이는 표면에 쌍극자를 생성한다. 이 쌍극자와 MIP가 결합하여 전자가 물질을 빠져나가는 데 필요한 위치 에너지 장벽을 형성하며, 이를 일함수라고 한다.[75]마찰전기열은 서로 다른 구성 요소가 서로 다른 일함수를 가지므로, 전자가 일함수가 작은 물질에서 큰 물질로 이동할 수 있다는 점으로 설명된다.[43] 두 물질 간의 전위차는 볼타 전위 또는 ''접촉 전위''라고 한다. 실험을 통해 금속 및 기타 물질에 대한 접촉 전위의 중요성이 입증되었다.[41] 그러나 표면 쌍극자는 모든 고체의 서로 다른 표면에 대해 다르기 때문에[75][76] 접촉 전위는 보편적인 매개변수가 아니다. 이것만으로는 20세기 초에 확립된 많은 결과를 설명할 수 없다.[36][37][35]
4. 2. 전기-기계적 기여
고체가 변형될 때 전기장이 생성될 수 있는데, 선형 변형으로 인해 발생하는 압전 효과와 변형의 미분에 따라 달라지는 플렉소전기 효과가 대표적이다.[51] 이 두 효과는 밀도 범함수 이론을 통해 측정 및 계산할 수 있다. 특히 플렉소전기 효과는 나노 규모에서 표면 거칠기가 미끄러지거나 접촉할 때 더 크게 나타날 수 있다.[51]압전 효과와 마찰전기 사이의 연관성에 대한 연구가 활발하게 진행되었으나,[77][78] 압전 효과는 반전 대칭성을 갖지 않는 재료에서만 발생하기 때문에 일반적인 설명으로는 부족하다. 최근에는 모든 절연체와 반도체에서 발생하는 플렉소전기 효과가 마찰전기에 중요할 수 있다는 주장이 제기되었다.[57][79][80] 곡률 효과와 같은 실험 결과는 이 접근 방식으로 설명 가능하지만, 아직 자세한 연구가 더 필요하다.[81] Shaw와 Hanstock의 초기 연구[30] 및 Daniel Lacks 그룹의 연구에서도 변형의 중요성이 확인된다.[82][83][84]
4. 3. 전하 이동
마찰전기에서 전하를 운반하는 것이 전자 또는 이온 중 무엇인지에 대한 논쟁이 있다.[42] 하퍼는 두 가지 가능성을 모두 논의한 반면,[43] 윅은 전자 이동을 더 선호했다. 조지 M. 화이트사이즈는 이온 이동을 옹호하고,[91] 디아즈와 펜젤-알렉산더[92], 그리고 로렌스 D. 마크스는 둘 다 지지하며,[57][81] 다른 사람들은 전자만 지지하는[93] 등 오늘날까지 논쟁이 이어지고 있다.4. 4. 비가역 열역학
20세기 후반, 보리스 데르야긴이 이끄는 소련 학파는 마찰전기 현상과 관련된 트리볼루미네선스 현상이 근본적으로 비가역 과정이라고 주장했다.[94] UCLA의 세스 푸터만과 그의 연구진 또한 데르야긴과 비슷한 관점을 옹호했다.[95][96]2020년, 이론 물리학자 로버트 알리키와 알레한드로 젠킨스는 마찰전기를 근본적으로 비가역적인 과정으로 보는 이론을 발표했다.[54] 이들은 서로 미끄러지는 두 물질 내의 전자들이 서로 다른 속도를 가지며, 이는 비평형 열역학 상태를 만들어낸다고 주장했다. 양자역학적 효과는 이러한 불균형으로 인해 한 물질에서 다른 물질로 전자가 펌핑되며,[54] 이는 보존에 대해 야코프 젤도비치가 처음 기술한 회전 초방사의 페르미온 유사체이다.[54] 전자는 양방향으로 펌핑되지만, 두 표면의 전위차에 약간의 차이가 있으면 순전하가 발생할 수 있다.[54] 알리키와 젠킨스는 이러한 비가역적 펌핑이 마찰전기 효과가 기전력을 생성하는 방식을 이해하는 데 필요하다고 주장한다.[54][97]
4. 5. 습도
일반적으로 습도(공기 중의 수분)가 증가하면 마찰전기 대전의 크기는 감소한다.[98] 이 효과의 크기는 접촉하는 물질에 따라 크게 다르며, 대전 감소는 10배 이상에서 습도에 거의 의존하지 않는 범위까지 다양하다.[99] 일부 실험에서는 극도로 건조한 조건에 비해 중간 정도의 습도에서 대전이 증가하고, 그 후 더 높은 습도에서 감소하는 현상을 발견했다.[100]가장 널리 퍼진 설명은 습도가 높을수록 접촉하는 물질의 표면에 더 많은 물이 흡착되어 표면 전도율이 높아진다는 것이다.[101][102] 높은 전도율은 접촉이 떨어질 때 더 큰 전하 생성 및 재결합을 가능하게 하여, 전하 이동을 줄인다.[101][103][104]
습도 효과에 대한 또 다른 설명은 건조한 조건에서 습도가 증가함에 따라 전하 이동이 증가하는 경우를 고려한다. 습도 증가는 접촉하는 물질 사이에 이온 이동을 촉진하는 물 다리를 형성할 수 있다.[100]
5. 대전열 (Triboelectric Series)
'''대전열'''(帶電列, triboelectric series)은 두 물체를 마찰했을 때, (+) 전하를 띠기 쉬운 물질을 상위에, (-) 전하를 띠기 쉬운 물질을 하위에 나열한 서열 표이다.[21][22] 마찰하는 재료가 대전열 상에서 더 멀리 떨어져 있을수록 더 많은 전하가 이동한다. 요한 칼 빌케는 1757년 처음으로 대전열을 발표했다. 이후 Shaw[65]와 Henniker[66]는 천연 및 합성 폴리머를 포함하여 대전열을 확장했고, 표면 및 환경 조건에 따라 서열이 달라짐을 확인했다.
중린 왕 그룹은 물질의 마찰전기 전하 밀도를 측정하여 다른 마찰전기열을 제안했다. 이들은 고정된 온도, 압력 및 습도 조건에서 글로브 박스 내 액체 수은을 기준으로 물질의 마찰전기 전하 밀도를 측정했다.[67][68]
하지만 대전열은 마찰 조건, 혼입 물질, 산화물 등 다양한 요인에 의해 영향을 받으므로 엄밀하게 결정하기 어렵다. 실제로 대전열은 너무 단순하고 신뢰할 수 없다는 것이 알려져 있다.[43][42][69] 물질 A는 B와 마찰될 때 양전하를 띠고, B는 C와 마찰될 때 양전하를 띠며, C는 A와 마찰될 때 양전하를 띠는 경우가 많다.[26][70] 또한 동일한 물질의 두 조각 간의 접촉으로 인해 대전이 발생하는 경우도 많으며,[71][72][73] 이는 국부적인 굽힘(플렉소전기)으로부터의 전기장의 결과로 모델링되었다.[57][81][74]
| (+) 전하 |
|---|
| 공기 |
| 사람의 피부 |
| 가죽 |
| 토끼의 모피 |
| 유리 |
| 사람의 머리카락 |
| 나일론 |
| 울 |
| 납 |
| 고양이의 모피 |
| 견 |
| 알루미늄 |
| 종이 |
| 면 |
| 강철 |
| 목재 |
| 호박 |
| 경질 고무 |
| 니켈, 구리 |
| 황동, 은 |
| 금, 백금 |
| 폴리에스터 |
| 폴리에틸렌 (셀로판 테이프 등) |
| 폴리프로필렌 |
| 비닐 (폴리염화 비닐) |
| 규소 |
| 테프론 (폴리테트라플루오로에틸렌) |
| (-) 전하 |
6. 응용 및 문제점
마찰전기는 산업 분야에서 여러 문제를 야기한다. 가솔린과 같은 가연성 액체 또는 연료를 운반하는 비전도성 파이프는 파이프 벽에 마찰 전하를 축적시켜 최대 90 kV의 전위를 발생시킬 수 있다.[136] 산업 현장의 공압 수송 시스템에서는 마찰 전하로 인해 화재가 발생할 수 있다.[137]
선박에서는 화물과 파이프라인의 접촉, 하역 중, 증기 파이프의 흐름 및 세척 기계의 물 분사로 인해 위험한 하전이 발생할 수 있어[138] 항해사를 대상으로 하는 위험 예방 교육이 이루어진다.[139]
미국 당국은 거의 모든 산업 시설에서 미립자 먼지 배출량을 측정하도록 요구하고 있다. 이에 따라, 1997년 미국 환경 보호청은 마찰전기식 직물 필터 백 누출 감지 시스템에 대한 지침을 발표하는 등[140] 마찰전기를 기반으로 하는 다양한 센서가 활용되며, 상업용 센서를 마찰전기 먼지 감지에 사용할 수 있다.[141]
가연성 화학 물질을 채우는 동안 화학 탱크 근처의 레일을 닦으면 화학 물질에 불을 붙이는 스파크가 발생할 수 있는데, 이는 2017년 폭발의 원인이 되어 1명이 사망하고 많은 부상자가 발생하기도 하였다.[142]
상업적인 분말 처리 과정[3][125][126] 또는 먼지 폭풍과 같은 자연적인 과정에서 마찰전하 이동이 발생할 수 있다.[127][128][5] 적당한 바람 조건에서 최대 160kV/m의 전기장이 존재할 수 있으며, 이는 중력과 거의 같은 크기의 쿨롱 힘으로 이어진다.[129] 공기가 존재할 필요는 없으며, 예를 들어 공기가 없는 행성에서 상당한 전하가 발생할 수 있다.[130]
제약 분말 및 기타 상업용 분말의 경우, 재료 및 투여량의 품질 관리를 위해 마찰대전의 제어가 필요하다. 정전기 방전은 또한 곡물 엘리베이터에서 분진 폭발의 위험[131], 폭발성 분말을 저장하는 장소[132] 및 기타 여러 경우에 특히 위험하다.[133] 마찰전기 분말 분리는 서로 다른 생체 고분자와 같은 분말을 분리하는 방법으로 논의되어 왔다.[134] 여기서 원리는 분말에 대한 일반적인 개념인 정전기 분리를 위해 서로 다른 정도의 전하를 이용할 수 있다는 것이다.[135]
고양이를 쓰다듬는 것 외에도 마찰전기를 활용하거나 우려되는 현대 기술 분야는 다양하다.[143] 항공기는 공기와의 마찰로 인해 전하가 축적될 수 있어 정전기 방전기를 통해 전하를 제거한다.[143] 헬리콥터 블레이드 역시 빠른 움직임으로 마찰 대전되어 최대 200kV의 전압이 발생할 수 있다.[145]
행성 형성 과정에서 먼지나 작은 입자의 응집은 마찰 대전과 관련이 있다.[6][146] 일회용 의료 보호복은 마찰 대전 관련 규정을 충족해야 하며,[147] 우주선은 통신 간섭을 일으킬 수 있는 마찰 전하 축적을 방지해야 한다.[148]
마찰전기 나노발전기는 기계적 에너지를 전기로 변환하는 에너지 수확 장치이다.[149] 의료 케이블이나 수중 전기 음향 변환기에서도 마찰전기 잡음이 발생할 수 있다.[150][151] 차량 타이어는 카본 블랙을 첨가하여 정전기 충격을 방지하며, 방전 스트랩을 사용하기도 한다.[152][153]
대한민국에서는 반도체 산업의 발전과 함께 정전기 제어 기술이 중요해지고 있으며, 이는 국가 경쟁력을 좌우하는 요소로 여겨진다.
6. 1. 분말 처리
상업적인 분말 처리 과정[3][125][126] 또는 먼지 폭풍과 같은 자연적인 과정에서 마찰전하 이동이 발생할 수 있다.[127][128][5] 적당한 바람 조건에서 최대 160kV/m의 전기장이 존재할 수 있으며, 이는 중력과 거의 같은 크기의 쿨롱 힘으로 이어진다.[129] 공기가 존재할 필요는 없으며, 예를 들어 공기가 없는 행성에서 상당한 전하가 발생할 수 있다.[130]제약 분말 및 기타 상업용 분말의 경우, 재료 및 투여량의 품질 관리를 위해 마찰대전의 제어가 필요하다. 정전기 방전은 또한 곡물 엘리베이터에서 분진 폭발의 위험[131], 폭발성 분말을 저장하는 장소[132] 및 기타 여러 경우에 특히 위험하다.[133] 마찰전기 분말 분리는 서로 다른 생체 고분자와 같은 분말을 분리하는 방법으로 논의되어 왔다.[134] 여기서 원리는 분말에 대한 일반적인 개념인 정전기 분리를 위해 서로 다른 정도의 전하를 이용할 수 있다는 것이다.[135]
6. 2. 산업 현장
마찰전기는 산업 현장에서 여러 문제를 야기한다. 가솔린과 같은 가연성 액체 또는 연료를 운반하는 비전도성 파이프는 파이프 벽에 마찰 전하를 축적시켜 최대 90 kV의 전위를 발생시킬 수 있다.[136] 산업 현장의 공압 수송 시스템에서는 마찰 전하로 인해 화재가 발생할 수 있다.[137]
선박에서는 화물과 파이프라인의 접촉, 하역 중, 증기 파이프의 흐름 및 세척 기계의 물 분사로 인해 위험한 하전이 발생할 수 있어[138] 항해사를 대상으로 하는 위험 예방 교육이 이루어진다.[139]
미국 당국은 거의 모든 산업 시설에서 미립자 먼지 배출량을 측정하도록 요구하고 있다. 이에 따라, 1997년 미국 환경 보호청은 마찰전기식 직물 필터 백 누출 감지 시스템에 대한 지침을 발표하는 등[140] 마찰전기를 기반으로 하는 다양한 센서가 활용되며, 상업용 센서를 마찰전기 먼지 감지에 사용할 수 있다.[141]
가연성 화학 물질을 채우는 동안 화학 탱크 근처의 레일을 닦으면 화학 물질에 불을 붙이는 스파크가 발생할 수 있는데, 이는 2017년 폭발의 원인이 되어 1명이 사망하고 많은 부상자가 발생하기도 하였다.[142]
6. 3. 기타
고양이를 쓰다듬는 것 외에도 마찰전기를 활용하거나 우려되는 현대 기술 분야는 다양하다.[143] 항공기는 공기와의 마찰로 인해 전하가 축적될 수 있어 정전기 방전기를 통해 전하를 제거한다.[143] 헬리콥터 블레이드 역시 빠른 움직임으로 마찰 대전되어 최대 200kV의 전압이 발생할 수 있다.[145]
행성 형성 과정에서 먼지나 작은 입자의 응집은 마찰 대전과 관련이 있다.[6][146] 일회용 의료 보호복은 마찰 대전 관련 규정을 충족해야 하며,[147] 우주선은 통신 간섭을 일으킬 수 있는 마찰 전하 축적을 방지해야 한다.[148]
마찰전기 나노발전기는 기계적 에너지를 전기로 변환하는 에너지 수확 장치이다.[149] 의료 케이블이나 수중 전기 음향 변환기에서도 마찰전기 잡음이 발생할 수 있다.[150][151] 차량 타이어는 카본 블랙을 첨가하여 정전기 충격을 방지하며, 방전 스트랩을 사용하기도 한다.[152][153]
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