The creation of electric wind due to the electrohydrodynamic force

<Nature Communications>

https://www.nature.com/articles/s41467-017-02766-9

최원호 교수 연구팀이 Jožef Stefan Institute의 U. Cvelbar 교수, 전북대 문세연 교수와 함께 약하게 이온화된 플라즈마 내 전기유체역학적(ElectroHydroDynamic) 중성기체 흐름의 주요 원리를 실험을 통해 성공적으로 규명하였다.

이는 대기압 플라즈마와 같이 약하게 이온화된 플라즈마(weakly ionized plasmas) 내 하전입자와 중성입자 사이의 상호작용에 대한 기초 연구자료로서, 플라즈마를 이용하는 유체 제어 기술 등 플라즈마 응용 기술발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

박상후 포닥이 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)의 1월 25일자 온라인 판에 게재됐다.

약하게 이온화된 플라즈마는 공기, 헬륨, 질소, 산소 등의 기체가 이온화되어 전자와 이온과 같은 하전입자와 중성입자로 구성된 물질의 상태를 말한다.

두 개의 다른 입자군으로 구성된 유체역학 문제는 뉴턴을 포함하여 수세기 동안 많은 과학자들의 관심을 받아온 지속적인 연구 주제이며 물리학 외의 여러 분야의 전문가들도 관심을 기울인 주제이다. 이 중, 전자와 이온 같은 하전입자와 전하를 띄지 않는 중성입자 간의 충돌로 인한 운동량 및 에너지 교환 작용은 약하게 이온화된 기체를 포함한 여러 자연현상의 기초 작용으로 흔히 알려져 있다.

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

하전입자와 중성입자 사이의 상호작용은 다양한 실용 공학에도 활발히 응용이 되고 있으며, 약 이온화된 기체나 이온성 용액과 같이 전기적으로 대전된 유체에서 나타나는 전기유체역학적 힘을 이용하는 전기풍(electric wind)이 대표적인 예이다.

대기압 약전리 플라즈마 내의 전기장이 강하게 존재하는 공간에서 하전입자가 불균일하게 분포되어 있으면 전기풍이 발생하는데, 전기풍의 발생 원인으로 스트리머 방전(streamer discharge) 혹은 플라즈마 탄환(plasma bullet)의 전파와 공간전하의 이동 중에서 어느 것이 더 큰 역할을 하는지 밝혀지지 않았다.

또한 양극 방향성(anode-directed or negative)과 음극 방향성(cathode-directed or positive) 스트리머 방전에서 전기풍 발생의 차이 및 구체적인 발생 원리는 현재까지도 명확하게 밝혀진 바가 없어 응용기술의 성능 최적화에 한계가 있었다.

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

연구팀은 전기풍의 발생에 있어서 스트리머의 전파는 큰 기여를 하지 못하고, 스트리머의 전파 후에 발생하는 공간전하의 이동이 큰 역할을 하는 것을 본 연구를 통해 밝혔으며, 음극 방향성 플라즈마에서는 음이온이 아닌 전자가 전기풍 발생의 핵심요소임을 규명하였다.

특히 본 논문의 심사위원들은 “하전입자와의 상호작용으로 인해 중성기체 흐름이 발생하는 메커니즘을 실험을 통해 설명하는 최초의 논문이며, 정확한 분석법과 설득력 있는 내용을 갖추고 있다”라고 평가한 바 있다.

최원호 교수는 “본 연구결과는 대기압 플라즈마와 같이 약하게 이온화된 플라즈마에서 나타나는 하전입자와 중성입자 사이의 상호작용을 이해하는데 유용한 기반이 되고, 이를 통해 행성 대기의 흐름을 이해하거나, 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대하고 다양한 활용을 가속시키는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.

최근에는 트럭 및 선박의 유체 제어를 통한 공기저항 감소, 풍력발전기 날개 표면의 유체 분리(flow separation) 완화, 도로 터널 내 공기저항 및 미세먼지 축적 감소, 초고층 건물의 풍진동 감소 등에 플라즈마 유체 제어 응용기술이 세계적으로 활발히 시도되고 있어, 본 연구결과는 머지않아 여러 유체 제어 분야에 폭넓게 사용될 것으로 전망되고 있다.

이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업과 산업통상자원부의 사업화연계기술개발사업(R&BD)의 지원을 받아 수행되었다.

그림 1. 대기압 제트 플라즈마 촬영 이미지. (오른쪽) 헬륨기체 흐름이 플라즈마 유무에 따라 크게 변화하는 것을 볼 수 있다.

 그림 2. 대기압 헬륨 제트 플라즈마의 고전압 펄스 폭 및 높이에 따른 전기풍 속력의 변화

그림 3. 약전리 대기압 제트 플라즈마 사진. 전극이 양으로 또는 음으로 대전됨에 따라 플라즈마 내부구조가 크게 다르게 나타난다.

그림 4. (a) 전극이 양으로 대전된 플라즈마의 스트리머 방전, (b) 공간 자유전자, (c) 공간 자유이온으로 인한 전기유체역학적 힘의 발생 원리 모식도