'플라즈마 내 전기바람' 발생 주요 원리 규명

KAIST·전북대 공동 연구…"관련 응용 분야에 도움 기대"

왼쪽은 대기압 제트 플라즈마 촬영 이미지. 오른쪽에선 헬륨기체 흐름이 플라즈마 유무에 따라 변화하는 것을 볼 수 있다. 중성기체만 있을 때(왼쪽)와 플라즈마가 있을 때 헬륨기체 흐름이 다르다. [KAIST 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 최원호 물리학과 교수가 문세연 전북대 교수와 공동 연구를 통해 플라스마 내 중성 기체 흐름의 주요 원리를 규명했다고 19일 밝혔다.

전자나 이온과 중성입자 간 충돌에 따른 상호 작용은 지구 대기에서 일어나는 자연 현상의 기초 작용으로 알려졌다.

전기바람이라고도 일컫는 플라스마 내 중성 기체 흐름 역시 이 상호 작용을 통해 나온다.

전기바람은 전하를 띈 전자나 이온이 가속 후 중성 기체 입자와 충돌해 발생한다.

선풍기 날개 없이 공기 움직임을 일으키는 게 그 대표적인 응용 사례다.

최근에는 플라스마 기술을 적용해 트럭이나 선박에서 발생하는 공기저항을 감소시키는 연구가 활발히 진행 중이다.

풍력발전기 날개 표면 유체 분리 완화, 도로 터널 내 공기저항이나 미세먼지 축적 감소, 초고층 건물 풍진동 감소 같은 효과를 끌어내기 위해서다.

전기바람은 대기압 플라스마 내부 강한 전기장 공간에서 전자나 이온이 불균일하게 분포하면서 발생한다.

다만 정확한 발생 경위는 명확지 않아 유체 제어와 관련한 응용기술 성능 최적화에 한계가 있었다.

KAIST 최원호 교수(왼쪽)와 박상후 박사[KAIST 제공=연합뉴스]

연구팀은 대기압 플라스마를 이용해 전기바람 발생의 전기 유체역학적 원리를 밝히는 데 성공했다.

연구팀에 따르면 스트리머(전자와 이온이 혼합된 상태) 전파는 전기바람 발생에 큰 영향을 주지 못했다.

외려 그 이후 발생하는 공간전하 이동이 전기바람의 주요 원인으로 나타났다.

특정 플라스마에선 음이온이 아닌 전자가 전기바람 발생 핵심 요소라는 점을 확인했다고 연구팀은 덧붙였다.

실제 헬륨 플라스마에서는 최고 초속 4ｍ의 전기바람이 발생했는데, 이는 일반적인 태풍 속력의 4분의 1 정도다.

이 결과를 통해 전기바람 속력을 효율적으로 제어할 수 있는 기초 원리를 제공할 수 있을 것으로 연구팀은 전망했다.

대기압 헬륨 제트 플라스마 고전압 펄스 폭과 높이에 따른 전기바람 속력 변화 [KAIST 제공=연합뉴스]

최원호 교수는 "대기압 플라스마와 같이 약하게 이온화한 플라스마에서 전자나 이온과 중성입자 사이 상호 작용을 학문적으로 이해하는 데 유용한 기반이 될 것"이라며 "플라스마 유체 제어 분야를 확대하는 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다.

연구는 국가핵융합연구소 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업과 산업통상자원부 사업화연계기술개발사업 지원을 받아 수행했다.

박상후 박사가 1저자로 참여한 연구 논문은 지난달 25일 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판에 실렸다.

walden@yna.co.kr

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