플라즈마에서 전자가 가열되는 구조와 제어 원리 규명

KAIST 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀

최원호 박상후 교수

KAIST 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 약하게 이온화된 플라즈마(weakly ionized plasma)에서 전자가 가열되는 구조와 제어 원리를 규명하는데 성공했다.

이 연구에서는 대기압과 그보다 낮은 압력에서 발생한 플라즈마에서 자유 전자가 에너지를 얻는 기본 원리를 밝히고, 플라즈마의 반응성 및 활용성 개선에 기반이 되는 전자 가열의 제어 방법에 대한 근본 원리를 제공했다.

대기압 조건에서는 자유 전자와 중성기체의 충돌이 빈번하기 때문에 이온화된 플라즈마 내 자유 전자의 밀도와 온도를 측정하는 데에는 한계가 있어 자유 전자의 가열 구조 및 원리를 실험적으로 규명할 수 없었다.

또한 전자 가열의 제어 방법 및 주요 요인에 대한 정보가 부족해 플라즈마의 반응성과 활용성 개선이 제한적이었다.

연구팀은 이를 해결하고자 전자-중성입자 제동복사(electron-neutral bremsstrahlung)를 기반으로 하는 전자 진단 기술을 이용해 플라즈마 내 자유 전자의 밀도, 온도를 정확히 진단하고 이를 2차원으로 영상화하는 기술을 개발했고, 본 실험에서 대기압 플라즈마에서 수 나노초(10억분의 1초) 단위로 자유 전자의 온도(에너지)를 측정하여, 전자가 에너지를 얻는 가열 과정의 시공간적 분포 및 근본 원리를 밝히는 데 성공했다.

0.25~1기압 압력구간에서의 전자 온도의 시공간적 분포의 변화를 실험으로는 최초로 확인한 사례로 대기압과 대기압보다 낮은 압력에서 전자가 에너지를 얻는 가열의 기본 메커니즘을 규명했다.

이 연구는 자유 전자와 중성입자의 충돌이 매우 빈번한 조건에서 발생하는 플라즈마에서의 전자 가열 원리를 학문적으로 이해하는 데 유용한 기반이 되고, 이를 통해 경제적, 산업적 활용 가능한 대기압 플라즈마 발생원을 개발하고 다양하게 활용하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

단일 및 이중 주파수로 구동하는 플라즈마에서 측정된 514.5 nm 파장의 제동복사 및 전자 온도의 시공간적 변화. 이중 주파수를 통한 전자 가열이 선택적으로 억제(suppression)되는 것을 확인할 수 있다.

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

최 교수는 “이 연구 결과는 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.

박상후 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 5월14일자와 7월5일자 온라인 판에 Electron information in single- and dual-frequency capacitive discharges at atmospheric pressure, 단일 및 이중 주파수 대기압 플라즈마의 전자 정보 / Electron heating in rf capacitive discharges at atmospheric-to-subatmospheric pressures, 대기압과 대기압보다 낮은 압력에서 라디오 주파수 플라즈마 내의 전자 가열이라는 제목으로 연달아 게재됐다.