카이스트(KAIST) 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 약하게 이온화된 플라즈마(weakly ionized plasma)에서 전자가 가열되는 구조와 제어 원리를 밝혔다고 대학 측이 26일 전했다. 플라즈마 내 모든 반응이 전자에서 시작되므로 이번 연구결과는 플라즈마 활용의 폭을 넓히고 학문적 발전에 기여할 것으로 기대된다.

고체, 액체, 기체와 더불어 ‘물질의 네 번째 상태’라 불리는 플라즈마는 표준 온도 및 압력(25℃, 1기압) 상태에서는 자연적으로 존재하지 않지만 인위적으로 기체에 에너지를 가하면 플라즈마 상태가 된다.

학계 및 산업계는 활용 목적과 조건에 맞춰 다양한 형태의 플라즈마 발생원을 개발해 사용하고 있다. 특히 대기압 플라즈마는 응용 가능 분야가 다양하고 활용도가 높아 학술적, 산업적 측면에서 관심이 뜨겁다.

일반적으로 플라즈마 내의 다양한 화학적, 물리적 반응은 전자로부터 시작되기 때문에 전자의 밀도와 온도의 시공간적 변화는 아주 중요한 정보다. 그래서 플라즈마 및 가속기 물리학 분야에서 자유 전자의 가열 여부는 과학자들의 관심을 지속적으로 받은 연구 주제다.

그러나 대기압 조건에서는 자유 전자와 중성기체의 충돌이 잦으므로 이온화된 플라즈마 내 자유 전자의 밀도와 온도를 측정하는 데 한계가 있었고, 따라서 자유 전자의 가열 구조 및 원리를 실험적으로 규명할 수 없었다. 또 전자 가열의 제어 방법 및 주요 요인에 대한 정보가 부족해 플라즈마의 반응성과 활용성 개선이 제한적이었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 전자-중성입자 제동복사(electron-neutral bremsstrahlung)란 기술을 이용해 플라즈마 내 자유 전자의 밀도, 온도를 정확히 진단하고 이를 2차원으로 영상화하는 기술을 개발했다.

이어 이렇게 개발한 진단 기술로 대기압 플라즈마에서 수 나노초(10억분의 1초) 단위로 자유 전자의 온도(에너지)를 측정해 전자가 에너지를 얻는 가열 과정의 시공간적 분포 및 근본 원리를 밝히는 데 성공했다.

0.25~1기압 압력구간에서의 전자 온도의 시공간적 분포의 변화를 실험적으로 최초로 확인해 대기압 및 대기압보다 낮은 압력에서 전자가 에너지를 얻는 가열의 기본 원리를 규명했다.

최 교수는 이번 연구결과에 대해 “자유 전자와 중성입자의 충돌이 매우 빈번한 조건에서 발생하는 플라즈마에서의 전자 가열 원리를 학문적으로 이해하는 데 유용할 것”이라며 “이를 통해 경제적, 산업적 활용 가능한 대기압 플라즈마 발생원을 개발하고 다양하게 활용하는데 큰 역할을 하길 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과를 담은 논문((논문명: Electron information in single- and dual-frequency capacitive discharges at atmospheric pressure, Electron heating in rf capacitive discharges at atmospheric-to-subatmospheric pressures)은 국제학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 5월 14일자와 7월 5일자 온라인판에 잇따라 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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