CWN(CHANGE WITH NEWS) - 기체와 액체 사이 경계면의 유체역학적 안정성을 책임질 새로운 기술, ′플라즈마 제트′

카이스트(KAIST) 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 기체와 액체 사이의 경계면의 안정성을 증가시키는 데에 플라즈마(Plasma)를 이용할 수 있다 주장하며 이를 규명하는 데 성공했다고 4월 2일 자로 밝혔다.

플라즈마는 높은 에너지를 받아 기체가 전자와 이온으로 분리된 전하를 띄는 상태를 말한다. 이는 반도체와 디스플레이 제조공정에서 핵심적인 역할을 한다. 이 밖에도 형광등, 네온사인, 공기청정기 등에서 사용 가능하다.

최원호 교수 연구팀은 고전압으로 이온화시킨 헬륨 기체 제트의 플라즈마를 물 표면에 분사시켰을 때, 기체와 액체 사이의 경계면이 안정적으로 유지되는 것을 발견했다. 플라즈마 제트를 활용하는 기초과학 응용 분야에 큰 도움을 줄 것으로 기대되고 있다.

액체와 기체 경계면 사이의 불안정성에 대한 예시를 들면 다음과 같다.

갯벌 바닥의 물결무늬, 샤워기의 물줄기 등은 우리 주변에서 흔하게 접할 수 있는 유체역학적 불안정성의 예이다.

또 다른 예로 뜨거운 커피를 불어 식힐 때, 세게 불면 물방울들이 사방으로 튀어 오르는 현상도 공기와 커피 경계면 사이의 불안정성 때문이다.

기체 제트의 분사 때문에 발생하는 액체 표면의 유체역학적 불안정성 증가를 안정화하는 방법에 대한 이해가 부족해 활용성을 높이는 데 한계가 있었다.

최원호 교수 연구팀은 강한 전기장으로 이온화시킨 기체 제트의 플라즈마의 특성을 이용하면 기체와 액체 사이의 경계면의 안정성을 향상할 수 있다는 것을 이론과 그에 대한 실험으로 밝혔다.

일반적으로 액체는 강한 전기장 환경에 놓이게 되면 표면의 불안정성이 증가하게 된다. 이에 대한 예로는 테일러 원뿔 현상(Plasma bullet)이 있다.

최원호 교수 연구팀이 이번 실험에서 사용한 플라즈마 제트에서는 '플라즈마 총알(Plasma bullet)'의 특성을 활용하여 물 표면의 불안정성을 감소시킬 수 있었다.

여기서 플라즈마 총알은 고속 이온화 파동과 전기바람을 말한다.

플라즈마의 발생으로 생기는 전기바람으로 인해 물 표면에 가해지는 힘이 증가하게 되고 물 표면이 깊이 파이게 되면서 표면의 불안정성이 증가해야하는 상황에서도 안정적으로 유지되는 것을 최원호 교수 연구팀은 실험적으로 확인했다.

[플라즈마 생성 유무에 따른 물 표면의 변화를 보여주는 실험 사진, 카이스트(KAIST) 제공]

최원호 교수 연구팀은 1초당 수십 킬로미터 속력으로 물 표면을 따라 이동하는 플라즈마 총알이 물 표면의 나란한 강한 전기장으로 인해 경계면이 안정적으로 유지됨을 최초로 밝혀냈다.

최원호 교수는 이번 실험을 토대로 플라즈마 유체 제어 분야가 확대되어 경제적 산업적 활용이 증가할 것으로 기대되며 후에 여러 분야의 기술 개발에 크게 기여할 것으로 기대된다는 입장을 밝혔다.

이번 연구 결과는 한국핵융합에너지연구원 박상후 박사가 제1 저자로 'Stabilization of liquid instabilities with ionized gas jets'의 논문명으로 국제 학술지 네이처(Nature)에 게재되어 있어 더 자세한 연구 과정과 결과를 살펴볼 수 있다.

[ⓒ CWN(CHANGE WITH NEWS). 무단전재-재배포 금지]