▲ 약전리 대기압 제트 플라즈마 사진. 전극이 양으로 또는 음으로 대전됨에 따라 플라즈마 내부구조가 크게 다르게 나타난다.

KAIST 최원호 교수와 전북대 문세연 교수가 공동 연구를 통해 전기 바람(Electric wind)이라 불리는 플라즈마 내 중성기체 흐름의 주요 원리를 규명했다.

이는 플라즈마 내 존재하는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용에 대한 기초 연구로 플라즈마를 이용하는 유체 제어기술 등 플라즈마 응용 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

중성입자와 하전입자가 공존하는 지구, 금성과 같은 행성의 대기에서 이 두 입자종 간의 상호작용은 각각의 동역학 및 성질에 큰 영향을 주는 것으로 보고되고 있다.

약하게 이온화된 기체 내에 전기장이 강하게 존재하는 공간에서 하전입자가 불균일하게 분포되어 있으면 전기바람이 발생하는데, 이는 하전입자와 중성입자의 충돌에 의해 발생하는 것으로 다양한 실용 공학에도 응용이 시도되고 있지만, 전기바람 발생의 구체적인 발생원리는 현재까지도 명확하게 밝혀진 바가 없어 응용기술의 성능 최적화에 한계가 있었다.

연구팀은 실험에서 약하게 이온화된 플라즈마인 대기압 플라즈마 제트를 이용하여 전기유체역학적 힘에 대한 스트리머 전파와 공간전하 이동의 효과를 정성적으로 비교하는데 성공했다.

또 전기바람의 발생에 스트리머의 전파는 큰 기여를 하지 못하고, 스트리머의 전파 후에 발생하는 공간전하의 이동이 주요 원인임을 밝혔으며, 특정 플라즈마에서는 음이온이 아닌 전자가 전기바람 발생의 핵심요소임을 확인했다.

헬륨 플라즈마에서는 최고 초속 4 m 속력의 전기바람이 형성되었으며 이는 태풍의 약 ¼의 바람속력에 해당한다.

최원호 교수는 “이번 결과는 대기압 플라즈마와 같이 약하게 이온화된 플라즈마에서 나타나는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용을 학문적으로 이해하는데 유용한 기반이 될 것”이라”며 “ 이를 통해 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체제어 분야를 확대하고 다양한 활용을 가속화하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.

박상후 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 25일자 온라인 판에 게재됐다.