2개의 서로 다른 입자 무리로 구성된 유체역학 문제는 지난 수세기 동안 뉴턴을 포함한 많은 과학자들의 관심을 지속적으로 받아 온 연구 주제다. 전자나 이온과 중성입자 간의 충돌로 인한 상호작용은 지금도 지구나 금성의 대기에서 일어나는 여러 자연현상의 기초 작용이다. '전기바람(electric wind)', 즉 플라즈마내 중성기체 흐름은 이 같은 상호작용의 대표적인 결과물이다. 국내 연구팀이 이 전기바람의 주요 원리가 최초로 밝혔다. 

전기바람은 전하를 띈 전자나 이온이 가속 후 중성기체 입자와 충돌해 발생하는 중성기체의 흐름이다. 선풍기 날개와 같이 기계적인 움직임 없이 공기의 움직임을 일으킬 수 있는 방법이다. 기존의 팬을 대체할 수 있는 차세대 기술로 주목받는다. 최근 이 같은 플라즈마 기술을 적용해 트럭이나 선박에서 발생하는 공기저항을 줄여 연료 효율을 높이고 미세먼지 감소, 풍력발전기 날개 표면의 유체 분리(flow separation)의 완화, 도로 터널내 공기저항 및 미세먼지 축적 감소, 초고층 건물의 풍진동 감소와 같은 응용기술을 개발하려는 노력이 각국에서 활발하다.

대기압 플라즈마 내 전기장이 강하게 존재하는 공간에서 전자나 이온이 불균일하게 분포되면 전기바람이 발생한다. 하지만 전기바람의 주요 발생 원인은 아직도 뚜렷하게 밝혀지지 않아 유체 제어와 관련한 여러 응용분야에 적용하는데 걸림돌이 돼 왔다.

이런 가운데 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 최원호 교수가 전북대 문세연 교수와 공동연구를 통해 전기바람 발생의 전기 유체역학적 원리를 밝혀냈다. 전기 유체역학적 힘에 의한 스트리머 전파와 공간전하 이동의 효과를 정성적으로 비교하는 데 성공했다.

연구 결과 스트리머 전파는 전기바람 발생에 큰 영향을 주지 못하고 오히려 스트리머 전파 이후 발생하는 공간전하의 이동이 주요 원인임이 드러났다. 특정 플라즈마에서는 음이온이 아닌 전자가 전기바람 발생의 핵심 요소임도 확인됐다.

연구팀에 따르면 헬륨 플라즈마에서는 최고 초속 4m 속력의 전기바람이 발생했다. 이는 일반적인 태풍 속력의 4분의 1 정도다. 이 같은 연구 결과는 전기바람의 속력을 효율적으로 제어할 수 있는 기초 원리가 될 수 있을 것으로 보인다.

이번 연구는 하전입자와의 상호작용으로 인해 중성기체 흐름이 발생하는 원리를 실험을 통해 설명했다. 이에 대해 정확한 분석법과 설득력을 갖췄다는 평가가 나온다.

최 교수는 연구 결과에 대해 "대기압 플라즈마처럼 약하게 이온화된 플라즈마에서 나타나는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용을 학문적으로 이해하는 유용한 기반이 될 것"이라며 "산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대하고 다양한 활용을 가속화하는데도 큰 역할을 할 것"이라고 기대감을 밝혔다.

이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업과 산업통상자원부의 사업화연계기술개발사업(R&BD)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과를 담은 논문은 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 지난 1월 25일자 온라인판에 실렸다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

Copyright ⓒ 썩세스경제