스페인 카탈루냐 나노과학나노기술연구소(ICN2), 중국 시안교통대, 미국 스토니브룩대로 구성된 국제공동연구팀이, 아주 평범한 얼음이 '플렉소 일렉트릭 효과'를 가진다는 것을 세계 최초로 밝혀냈는데, 이것은 즉, 얼음에는 구부리면 전기가 발생하는 성질이 있다는 것을 의미한다.
물질에 힘을 가해 전기를 발생시키는 현상으로 '압전 효과'가 잘 알려져 있지만, 이것은 수정 등의 특정 물질에 압력을 가하면 전하가 생긴다는 현상으로, 가까운 곳에서는 라이터의 착화석 등에 이용되고 있다.
그리고, 플렉소 일렉트릭 효과는 재료를 변형시킴으로써 전기 분극을 유기시키는 현상인데, 물 분자(H2O)는 전기적인 편향(극성)을 가지지만, 우리가 평소에 보는 얼음 결정은 전체적으로 그 극성을 서로 무마하는 구조로 되어 있기 때문에, 압력을 가해도 전기를 발생시키는 압전 효과를 나타내지 않는다. 한편, 플렉소 일렉트릭 효과는 물질의 대칭성에 의하지 않으므로, 어떤 물질에도 보편적으로 일어날 수 있다. 연구팀은 이 점에 착안해 지금까지 알려지지 않았던 얼음의 플렉소 일렉트릭 효과를 측정하기 위한 실험을 실시.
연구팀은 우선, 초순수를 금 또는 백금으로 코팅한 알루미늄박 2장 사이에 끼워, 약 -20℃(253K)에서 얼려, 두께 1.8mm에서 2.2mm 정도의 '얼음 콘덴서'를 제작. 그리고 이 얼음콘덴서를 동적점탄성측정장치(DMA)에 설치하여 삼점굽힘에 의해 주기적인 변형을 주었다.
이때, 중앙부분의 처짐(변형량)을 변위센서로, 굽힘에 의해 발생한 미소한 전하를 차지앰프로 증폭하여 측정하고, 양자를 오실로스코프로 동기화하였고, 이 데이터를 통해 얼음의 휘는 정도와, 그로 인해 생긴 전기적인 분극의 관계를 해석했다.
굽힘에 의한 전기 발생 용이성을 나타내는 지표인 플렉소일렉트릭 계수를 산출한 결과, 얼음의 플렉소일렉트릭 계수는 센서 등에도 사용되는 세라믹스와 맞먹는 수치임을 알 수 있었으며, 248K(-25℃)보다 높은 온도가 되면, 얼음 표면이 완전히 녹는 녹는 녹는점보다 낮은 온도에서 액체와 같은 성질을 지닌 '유사액체층(QLL)'이 나타나기 시작해, 플렉소 일렉트릭 효과가 급격히 강해지고 얼음이 쉽게 변형되는 모습이 포착됐다.
또, 온도를 203K(-70℃) 이하로 낮추자, 플렉소 일렉트릭 효과가 다시 상승하기 시작해, 약 160K(-113℃)에서 정점을 보였는데, 연구의 공저자이자 ICN2의 연구자인 웬진 씨는 "우리는 얼음이 -113℃ 이하의 온도에서 그 표면에 강한 강유전성 층을 갖는 것을 발견했습니다"라고 설명.
강유전성이란, 외부에서 전기장을 걸지 않아도 자발적으로 전기적인 분극을 가지며, 그 방향을 외부 전기장에서 반전시킬 수 있는 성질로, 보통 얼음 내부는 강유전성을 보이지 않지만, 이 현상은 얼음 표면 수 10나노미터의 아주 얇은 표층에서만 일어나는 '표면 강유전성'이라고 연구팀은 결론지었다.
그 후, 연구팀은 전극의 금속을 변경해 검증을 실시했는데, 역시 얼음 표면에 강유전성이 유발되고 있음이 강하게 시사됐다는 것. 연구팀은 이를 통해 얼음이 -70℃ 이하라는 저온 하에서는 강유전성, -25℃ 이상의 온도 하에서는 플렉소 일렉트릭 효과라는 두 가지 다른 방법으로 전기를 발생시킬 수 있다고 주장하고 있다.
이 연구 성과로부터 얻을 수 있는 지견의 하나가, 번개의 발생 메카니즘으로, 뇌운 안에서는 작은 얼음 입자가 충돌을 반복함으로써 전하가 분리되어 뇌방전에 이르는 거대한 전위차가 발생한다고 생각되고 있다. 그러나 압전성을 가지지 않는 얼음이 왜 충돌에 의해 대전되는지는 오랜 수수께끼였다.
연구팀은 구름 속에서 일어나는 얼음 알갱이 충돌을 모델링해, 플렉소 일렉트릭 효과에 의해 발생하는 전하량을 계산했더니, 충돌 시 얼음 알갱이가 크게 변형되어 큰 전위차를 발생시키는 것으로 나타났다.
아래 그림의 왼쪽은, Graupel과 얼음 입자(Ice)의 충돌을 그린 모식도. 충돌로 인해 전하 분리가 일어나 Graupel은 마이너스로, 얼음 입자는 플러스로 내전. 중앙은 충돌 순간에 플렉소 일렉트릭 효과에 의해 생기는 전위차를 시뮬레이션한 결과로, 오른쪽 그래프에서는 시뮬레이션의 예측치(핑크색)와 과거 실험 데이터(점)를 비교하고 있다. 연구팀은 예측치가 과거 실험에서 보고된 충돌당 전하 이동량과 "매우 잘 일치했다"고 보고하면서, "우리 연구 결과에서 플렉소 일렉트릭 효과로 번개를 일으키는 메커니즘을 설명할 수 있는 가능성이 시사됐다"고 말하고 있다.
연구팀은 또, 이번 발견을 응용함으로써 한랭지에서 얼음을 재료로 발전소자를 제조할 수 있을지도 모른다는 기대도 하고 있다.