측정된 파장의 제동복사 및 전자 온도의 시공간적 변화
[대전=일요신문]육군영기자 = KAIST원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 약하게 이온화된 플라즈마(weakly ionized plasma)에서 전자가 가열되는 구조와 제어 원리를 규명하는데 성공했다.
플라즈마란 고체, 액체, 기체 다음의 제4의 상태로 알려져 있는 물질의 상태로, 네온사인이나 형광등이 대표적이다.
플라즈마는 표준 온도 및 압력에는 자연적으로 존재하지 않으나 인위적으로 기체에 에너지를 가하면 플라즈마 상태가 된다.
최근 학계 및 산업계에서는 다양한 형태의 플라즈마 발생원을 개발해 학술적, 산업적 측면에서 많은 관심을 받고 있다.
최원호 교수와 박상후 연구교수
그러나 지금까지 플라즈마의 활용성 개선이 제한적이었다.
플라즈마가 대기압 조건에서는 자유전자의 중성기체의 충돌이 빈번하여 이온화된 플라즈마 내 밀도와 온도를 측정하기에는 한계가 있어 자유전자의 가열구조 및 원리를 실험으로 규명할 수 없었기 때문이다.
연구팀은 문제 해결을 위해 전자-중성입자 제동복사(electron-neutral bremsstrahlung)란 기술을 이용해 플라즈마 내 자유 전자의 밀도, 온도를 정확히 진단하고 이를 2차원으로 영상화하는 기술을 개발했다. 연구팀은 개발한 진단 기술을 이용해 대기압 플라즈마에서 수 나노초(10억분의 1초) 단위로 자유 전자의 온도(에너지)를 측정해 전자가 에너지를 얻는 가열 과정의 시공간적 분포 및 근본 원리를 밝히는 데 성공했다.
0.25~1기압 압력구간에서의 전자 온도의 시공간적 분포의 변화를 실험적으로 최초로 확인해 대기압 및 대기압보다 낮은 압력에서 전자가 에너지를 얻는 가열의 기본 원리를 규명했다. 이는 대기압 플라즈마 내에 존재하는 자유 전자에 대한 기초 연구 자료로 기존 플라즈마의 활용 및 응용 가능성을 높이는 등 플라즈마 물리학 및 응용기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
최원호 교수는 이 연구 결과는 자유 전자와 중성입자의 충돌이 매우 빈번한 조건에서 발생하는 플라즈마에서의 전자 가열 원리를 학문적으로 이해하는 데 유용할 것이라며 이를 통해 경제적, 산업적 활용 가능한 대기압 플라즈마 발생원을 개발하고 다양하게 활용하는데 큰 역할을 하길 기대한다고 말했다.
박상후 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)5월 14일자와 7월 5일자 온라인 판에 연달아 게재됐다. (논문명 : 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 가열)
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