PLASMA 제 4 의상태 플라즈마의모든것 우주는거대한플라즈마실험실플라즈마는어디에나있다 생활속플라즈마 플라즈마엔지니어링저온 초고온플라즈마 국내연구의허브플라즈마기술연구센터
PLASMA CONTENTS 04 제 4 의상태 플라즈마 PART 1 제 4 의상태 플라즈마의모든것 Tip Box 플라즈마의역사와용어의등장 23 PART 5 [ 핵융합 ] 플라즈마엔지니어링 ➋ 초고온플라즈마 5-1 핵융합에너지속플라즈마 5-2 눈폭풍비밀풀면태양이뜬다 16 10 23 08 infographic 플라즈마는어디에나있다 28 INSIDE 10 14 16 PART 2 [ 우주 ] 우주는거대한플라즈마실험실 Tip Box 오로라관광지 PART 3 [ 산업 ] 생활속플라즈마 PART 4 [ 산업 ] 플라즈마엔지니어링 ➊ 저온플라즈마 4-1 재료의변신을돕는플라즈마 4-2 환경을지키는플라즈마 4-3 건강을가꾸는플라즈마 4-4 식탁위의플라즈마 1 플라즈마기술연구센터 2 플라즈마기반기술 본책자의주요콘텐츠는과학동화 2016년 4월호특집 플라즈마엔지니어링 에서발췌하였습니다. 4-5 빛을내는플라즈마 19 2 3 infographic 3 플라즈마원천기술 infographic 4 플라즈마융복합기술 infographic infographic 5 국가핵융합연구소 플라즈마물성밝혀응용연구토대만드는플라즈마기반기술 우수한플라즈마발생원이좋은제품을만들다 에너지는뜨겁게땅과물은깨끗하게하다 농장에서식탁까지활용되는 플라즈마농 식품융합기술
- E( 전기장 ) 원자 원자핵 ( 양이온 ) 전자 2가속 : 우르르몰려다니다 플라즈마입자들은전기장에따라움직이는데항상집단으로거동한다. 국소적으로양전하가모여전기장이세지면곧바로전자의집단이끌려가면서전체적으로중성상태가된다. 플라즈마를극성입자들로이뤄진 준중성 의기체로보는이유다. 자기장방향 (B) 원자 4 간식 + ( 외부원자 ) 먹고활성도 up! 원자핵과전자로분리되지않은원자가고온의전자와반응하면화학적활성도가높은중성입자 ( 라디칼 ) 가만들어진다. 라디칼은반응성이커화학반응의효율성을높인다. 섬유표면의물성을바꾸거나, 오염물질을분해하는등다양하게쓰인다 ( 원자는전기장이나자기장에의해이동하지않기때문에그림에서는별도로공급했다 ). 3자기장을만나면트위스트! 중성입자 ( 라디칼 ) 1출발! 플라즈마탄생! 유리구에기체를희박하게채우고중심에주파수가높은고압의교류전압을걸어주면기체가방전된다. 기체를이루던분자가원자, 원자핵, 전자로분리돼플라즈마상태가된다. 전류방향 플라즈마물성미끄럼틀 원자핵 전자 플라즈마에자기장을걸어주면, 플라즈마입자들이자기장방향을따라회전운동을한다 ( 그림에서는전류가흐르는전선을코일처럼감아서자기장을만들었다 ). 음전하를띤전자는반시계방향으로, 양전하를띤원자핵은시계방향으로회전한다. 토카막장치를이용한열핵융합실험에서플라즈마를토카막에가둘때이런특성을활용한다. 원자핵과전자, 중성입자로구성된플라즈마는기체와달리전기장과자기장에반응한다. 외부전자기장안에서화학적, 물리적으로다양한특성을보여주는플라즈마를중력장안에놓인놀이공원어트랙션에비유했다. 1 제 4 의상태 플라즈마의모든것 글나용수서울대원자핵공학과교수 우주의 99% 를가득채우고있는플라즈마는의외로발생조건이까다로워 19세기후반에야그존재가확인됐다. 처음으로플라즈마를 만들어낸 사람은 1879 년영국의화학자였던윌리엄크룩스경. 그는진공상태의방전관양끝에전극을달고전압을걸면, 기체와는다른 빛나는무언가 가생긴다는사실을알아냈다. 이것의이름을 플라즈마 라고부른건 1928 년미국의화학자어빙랭뮤어였다. 수은기체의방전을연구하던그는미국국립과학원회보 (PNAS) 에이온화된기체가양전하와음전하로균형을이루는영역을플라즈마라고정의했다. 까다로운플라즈마의조건 3가지 충분한에너지를가하게되면기체분자를이루고있는원자들이서로의연결고리를끊어분리되고, 심지어원자를구성하고있는원자핵과전자도서로분리되는전리현상이발생한다. 이처럼양전하를띤원자핵과음전하를띤전자가분리돼기체와다른특성을보이는상태를플라즈마라고한다. 플라즈마가되기위한첫번째조건은 집단적인거동 이다. 플라즈마입자들중 에서전자기장을걸어줄경우는물론이고, 걸어주지않더라도플라즈마내부입자들의자체움직임에의해서도국소적인전자기장이발생한다. 이힘에의해플라즈마는기체분자와다른거동을보인다. 예를들어어떤부분에국부적으로양전하가모여있다고하면, 그부분의전기장이일시적으로양의값으로증가해전자들이끌려오기시작한다. 5마지막어트랙션 : 핫 (hot) 하게놀자! 일러스트박장규 플라즈마는자기장에따라특정주파수로진동하고있다. 여기에같은주파수를가진파동을외부에서쏴주면공명이일어나면서플라즈마가가열된다. 핵융합실험에서플라즈마를가열, 가속하는원리중하나다. 플라즈마에대한가장쉬운설명은이렇다. 기체상태에 상당수는전하를띠고있다. 때문에외부 플라즈마의두번째조건은 준중성 상 4 5
플라즈마의역사 물리학에서는플라즈마를 상호작용하는하전입자의집단 이라고정의한다. 플라즈마가 연구되기시작한것은 1808 년아크등을개발한영국의화학자험프리데이비와 1830 년대전기아크와직류방전을연구한영국의물리 화학자마이클패러데이등에의해 서이다. 아크등은탄소전극사이에서방전을일으켜주위의공기가이온과전자로분 리되는플라즈마상태의아크방전을사용해빛을내는전등이다. 아크방전은기체속 에서생기는방전의일종으로, 전극사이에비교적낮은전압과큰전류를내보낼때전 극이가열되어전자를방출하며강렬한빛을내는현상이다. 음극과양극사이는고온 태다. 기체가에너지를받아분자에서원 도도가무한대에가깝다. 플라즈마진동과공명을일으켜플라즈 의플라즈마로연결되어큰전류가흐르게된다. 자, 그리고원자핵과전자로분리된다면 또한플라즈마상태의입자들은전기 마가가열된다. 실제로핵융합플라즈마 19 세기동안아크방전이나직류전기방전플라즈마는가스램프대체를위해활발 전체적으로양전하수와음전하수가비 장과자기장에반응하는특성을갖는다. 를가열하는원리중하나다. 히연구되었다. 1879 년영국의물리학자이자화학자인윌리엄크룩스는방전기체가 슷해중성상태를띨것을어렵지않게 양이온과전자는전기장을걸어주면가 마지막으로플라즈마는특유의화학 두드러진성질을지닌새로운상태인것을발견하고, 이를 제 4 의물질상태 라고표현 예측할수있다. 앞의집단적인거동과연 속돼에너지가높아지고, 자기장을걸어 적인특성을보인다. 초고온플라즈마 했다. 그는저온에있는고체물질에열을가하면녹아서액체로변하고, 열을더가하 결지어생각하면양전하가많이모인곳의전자기장을상쇄하기위해전자집단이이동하듯, 플라즈마입자들이국부적인전자기장을상쇄하기위해움직임으 주면자기장방향을따라회전운동을한다. 플라즈마상태입자들은서로상호작용하는과정에서빛을내기도한다. 전자가들뜬상태에서바닥상태로떨어지며 가이온간핵융합반응을일으키는것 이대표적이다. 또한플라즈마상태가기 체상태와혼합된 저온플라즈마 (cold plasma) 에서는양전하, 음전하로이온화 마이클패러데이는방전과내의전리기체 ( 플라즈마 ) 가보통의기체와는다른성질을가지고있다는사실을발견했다. Wikipedia 면증발하여기체로변화되며, 여기에열을더가하면각원자들이전자와양이온으로 분리되어 제 4 의물질상태 가된다고보았다. 그러나 1928 년미국의물리학자이자화 학자어빙랭뮤어는진정한의미의플라즈마란 자유하전입자인전자, 이온및중성입 자로구성되어있으며, 전기적으로는중성인성질을갖고있는상태 라고정의했다. 로써전체적으로전자의밀도와양이온 에너지를빛의형태로방출하기도하고, 된정도가낮아중성상태의원자가대부 의밀도가비슷해져중성이된다. 마지막조건은플라즈마가가진고유한진동이다. 아직이온화되지않은중성 양이온과전자가전기장에의해가속되거나자기장주위를회전하면서빛을낼때도있다. 분을차지한다. 저온플라즈마는양이온 ( 혹은원자 ) 의온도와전자의온도가열 평형을이루지않는중요한특성을갖는 물리학에서 플라즈마 라는용어가처음등장한것은 1928 년랭뮤어에의해서다. 원래플라즈마라는용어는생물학이나의학에서먼저널리쓰이고있었다. 랭뮤 플라즈마 용어의등장 입자들이충돌하는현상보다이진동이 플라즈마의또다른흥미로운물리적 다. 중성입자는수백, 양이온은수천 어는글로우방전으로만들어지는이온화된기체가특이한성질을나타내는것 두드러지게나타나야플라즈마라고할수있다. 쉽게말하면기체가에너지를받아원자핵과전자로분리되는데, 이때분리된것이충분히많다면플라즈마고 특성중하나는파동현상이다. 연못에돌을던지면표면에서물결파가전파해나가듯플라즈마에도무언가섭동을주면파동을발생시킨다. 수면파는연못가장자 의온도를갖는데비해전자는수만 의 온도를갖는다. 원자는고온의전자들과 반응해화학적으로활성도가높은중성 입자 ( 라디칼 ) 들을발생시킨다. 이입자들 에착안하여플라즈마라이름을붙였다. 글로우방전이란매우낮은압력에서기 체를채운방전관에전극을놓고높은전압을가하면, 전류가흐름에따라희미 한빛이발생하는상태를말한다. 플라즈마는그리스어로 틀에부어만들어지는 상태 를뜻한다. 당시그리스어에능통한랭뮤어가방전으로빛나는부분의모양 아크등은아크방전에의한발광또는전극의발광을이용하는방전등이다. Wikipedia 유의진동현상이나타날것이다. 역으로 리에닿으면더이상전파되지않고반사 은반응성이매우커화학반응을효율 이방전관의형태에따라변하는것을파악하고, 이를표현하기위해플라즈마라 에너지를유지하기때문에불가능했던여러공정을 분리되지않은것이많다면일반기체와 된다. 마찬가지로플라즈마도어떤상황 적으로만든다. 저온에서도화학반응을 는용어를선택한것으로예측된다. 가능케하였다. 특히 1970 년대이후플라즈마는산업 크게다를바없다. 에서는파동이전파되는것을차단하고 활성화시켜이온의화학적성질과함께 우주나자연에서만관찰되던플라즈마를실생활에응용하기시작한것은 19 체에서중요한역할을시작했으며, 최근에는반도체 반사시킨다. 대표적인예가전파통신이 이용할수있기때문에반도체제조나환 세기전기아크에서발생하는빛을광원으로사용하는아크등이등장하면서부터 제조공정뿐아니라환경, 에너지, 생명공학, 재료, 섬 천의얼굴 플라즈마 다. 지구대기권에존재하는전리층은태 경정화, 식품보존등다양한분야에쓰이 라고할수있다. 그러나효율성과편리성을갖춘백열전구의등장으로높은직류 유, 의학등다양한분야로적용되고있다. 위조건을만족하는플라즈마는전자기 양복사에너지로인해공기입자가이온 고있다. 전류를수송하여사용하는아크등은점점사라지게된다. 20 세기후반에이르러서는플라즈마에관한대부 적인특수성을띠고있다. 그첫번째로플 화돼있다. 전파는이런전리층에반사되 방전을시작으로플라즈마연구는 19 세기말원자물리학이발전하면서탄력 분의연구가핵융합과우주플라즈마분야로집중되 라즈마는마치금속처럼전기전도도가매우높다. 플라즈마상태에서는양이온과전자가분리돼있기때문에전류가쉽게흐른다 ( 전자가공기중에날아다니고있다고생각해보자!). 핵융합장치에서사용하는초고온의플라즈마의경우전기전 면서지구먼곳까지전달된다. 그밖에도플라즈마내에는다양한진동현상이존재한다. 플라즈마에자기장을걸어주면플라즈마가특정주파수로진동하는데, 이때같은주파수를가진파동을외부에서추가로쏘아줄경우기존의 나용수 ysna@snu.ac.kr 서울대원자핵공학과와동대학원을졸업하고독일뮌헨공대에서플라즈마물리학으로박사학위를받았다. 독일막스플랑크연구소와국가핵융합연구소를거쳐현재서울대원자핵공학과교수로재직중이다. 토카막핵융합로노심플라즈마의운전과제어를연구중이며, 핵융합의대중화에도관심이많다. 이터통합운전국제전문가자문그룹공동의장을맡고있다. 을받았는데, 1940 년대제 2 차세계대전을계기로레이더가개발되면서마이크로 파를이용해플라즈마를만들어낼수있게되었다. 1950 년대부터는핵융합연구 에플라즈마가이용되면서큰발전을이루고, 산업계에서는 1960 년까지플라즈 마에대한대부분의관심을가스방전레이저와램프개발에두었다가점차반도 체분야에서플라즈마를응용하기시작했다. 플라즈마는기체나액체상태보다 훨씬활발한반응을갖는재료를기판에공급할수있고, 내부는항상높은전기 었다. 20 세기초전기방전현상을규명하기위해시 작된플라즈마연구는 20 세기중반이후고진공 초 고온 초고주파기술등첨단극한기술의눈부신발전 을이루어냈다. 또한, 관련연구결과들이산업에응용 되면서플라즈마기술은 21 세기첨단산업기술중가 장중요한선도기술중하나로자리잡았다. 6 7
전자온도 (K) 10 10 펄서 우주플라즈마 : 극저온또는극고온, 극저밀도또는극고밀도의플라즈마. 우주의 99% 를채우고있다. 산업 ( 저온 열플라즈마 ): 원자의일부가원자핵과전자로분리되고일부는중성입자 ( 라디칼 ) 가된다. 온도와밀도에따라플라즈마특성이버라이어티하게달라진다. 핵융합 ( 초고온플라즈마 ) : 원자가대부분원자핵과전자로분리돼있어전기전도도가무한대에가깝다. 상대론적플라즈마 (relativistic plasmas) 플라즈마입자의속도가광속에가깝기때문에상대론적인고려가필요한상태. 일반적인플라즈마에비해막대한에너지를방출한다. 자기가둠핵융합 (MCF) 일반적인플라즈마 10 8 지구자기구 태양코로나 태양핵 10 6 태양풍 글로우방전 : 살균, 재료표면처리 유도결합플라즈마 (ICP) : 반도체제작 관성가둠핵융합 (ICF) 10 4 10 2 항성간공간 네온사인 플라즈마램프 미용레이저 불꽃 플라즈마입자의열운동을고려한상대적인밀도 번개 플라스몬 ( 금속내자유전자집단 ) : 광공학 레이저 양자플라즈마 백색왜성 (Quantum Plasmas) 플라즈마입자가핵융합을일으켜만들어내는에너지보다입자간커플링에의해만들어지는에너지가더큰상태. NASA, ESA, GIB, Colin(W), Awesomoman(W), NFRI, ITER, US Air Force(W), ESO, Wblanchard(W), PPPL, 슬로베니아류블랴나대 1 10 10 10 20 10 30 전자밀도 (n 0 /cm 3 ) [ Infographic ] 플라즈마는어디에나있다 플라즈마는크게세종류로나눌수있다. 태양이나오로라같이지구대기권밖에있는우주플라즈마, 공장이나실험실에서주로쓰는 산업플라즈마 ( 저온 열플라즈마 ), 핵융합반응을유도하는초고온플라즈마. 이것들이존재하는영역은온도가 1K에서 10 10 K까지, 밀도는 1개 /cm 3 에서 8 10 30 개 /cm 3 까지범위가아주넓다. 플라즈마엔지니어링을하기위해선환경조건에따라달라지는플라즈마의특성을잘이해하는것이중요하다. 9
2 우주는거대한플라즈마실험실 글이재진한국천문연구원태양우주환경그룹장 과학의진보는우주의난제를푸는과정에서시작되는경우가많다. 가령 태양에너지가어떻게진공인우주공간을지나지구까지전달되는가 를설명하기위해과학자들은태양과지구사이에어떤 물질 이존재할것이라고생각했다. 일명에테르가설이다. 아인슈타인은이런에테르가없어도빛에너지가전달될수있다는사실을처음으로알아냄으로써시간과공간이상대적이라는놀라운과학적진보를이뤄냈다. 그런데태양과지구사이의에너지전달에는아직풀리지않은퍼즐이남아있다. 태양에너지의 1% 는빛이아닌플라즈마라고불리는특별한상태로전달되는데, 그과정이밝혀지지않았기때문이다. 이 1% 의난제를해결하는과정에서인류는또한번의위대한과학적성취를경험하게될지도모른다. 우주의 99.99% 는플라즈마상태우주의거의모든물질은플라즈마상태로이뤄져있다. 우주에흩어진수많은별과그들사이를채우는성운, 블랙홀, 희박하긴하지만우주공간의입자가모두플라즈마상태다. 태양계에서는태양자체가거대한플라즈마덩어리다. 태양의중심에서는끊임없이수소에의한핵융합반응이일어난다. 이때온도가 1500 만K으로올라가내부수소들은모두플라즈마상태로존재한다. 초고온의플라즈마는태양표면에서고리나불꽃형태로폭발하듯뿜어져나온다. 우리가홍염, 플레어라고부르는것이다. 재밌는사실은플레어가발생하는태양대기가태양의표면보다온도가높다는점이다. 태양표면의플라즈마온도가 6000K인데그상층대기라고할수있는코로나의플라즈마온도는 100 만 ~200만K에이른다. 몇몇태양물리학자들은플라즈마가가진자기력에너지가열에너지로전환됐을가능성을제기하고있지만확실한해답은나오지않았다. 분명한건이같이독특한온도역전현상은코로나를이루는물질이플라즈마상태로존재하기때문에발생한다는것이다. 또이런높은온도덕분에코로나를구성하는물질이태양의중력을이기고초당수백t씩빠져나와태양풍이만들어진다. 태양풍은초속수백km의속도로이동하며 1억5000만km 떨어진지구에도도달한다. 태양풍플라즈마는전기적인성질을갖고있기때문에지구자기장에의해대부분튕겨나간다. 자기장이일종의보호막역할을하고있는셈이다. 지구자기장 에의해지배되는공간인지구자기권과그안쪽대기인전리권역시플라즈마로이뤄져있다. 플라즈마의작품, 오로라 이론적으로지구의자기장은태양에서온플라즈마의진행방향을바꿀뿐에너지를변화시키지는않는다. 따라서태양풍플라즈마의에너지가지구에전달되지않아야한다. 그러나실제태양풍은지구에수백 GW( 기가와트 ) 의에너지를전달하고있다. 이는마치배트 ( 태양풍플라즈마 ) 에닿지도않은야구공 ( 지구자기권플라즈마 ) 이홈런이되는것이나마찬가지다. 대표적인증거가오로라다. 오로라는지구자기권에존재하는플라즈마가태양풍의에 너지를전달받아가속된뒤, 자기장을따라지구로이동하는과정에서대기입자와충돌해빛을내는현상이다. 지상에서보면높은구름이빛을내는것처럼보이지만, 실제로는고도 100km 이상의대기권밖에서일어나고있다. 이런플라즈마입자들은평상시에도엷은띠형태로북극과남극주위를둘러싸고있다. 그러다태양풍의속도가빨라지면 ( 지구에전달되는에너지가세지면 ) 극지역에서적도지역으로이동하며아름다운빛자태를뽐낸다. 태양이강하게폭발하는시기에지구에전파교란이발생하는것도태양풍플라즈마의영향이다. 태양풍플라즈마는어떻게직접지구로들어오지않고도강력한에너지를전달할수있는걸까. 미국항공우주국 10 11 GIB
오로라관광지 오로라, 어디서봐야하나? 오로라는극지방에가까운이른바 오로라오발 이라고불리는위도 60~80 도지역으로가면볼수있다. 북유럽의노르 웨이트롬쇠, 아이슬란드, 그린란드, 그리고캐나다의옐로나이프, 화이트호스등이대표적인오로라관광지가있다. 스웨덴아비스코 (Abisko) 스웨덴북부아비스코국립공원은오로라의색감을뚜렷하게볼수있는곳으로, 사진작가들이많이찾는오로라뷰포인트이다. 11 월초나중순이가장오로라를잘관측할수있는시기이다. 노르웨이트롬쇠 (Tromso) 노르웨이의트롬쇠는오로라존중심에서오른쪽에위치하는도시로, 북유럽에서오로라를볼수있는최적의장소이다. 12 월부터 3월사이, 오후6시부터오전 1시까지가오로라를가장잘관측할수있다. Shutterstck (NASA) 은이문제를풀기위해 4 개의위 성군으로구성된지구자기권다중스케일 (Magnetospheric Multi-Scale, MMS) 위성 을지난해 3 월발사했다. MMS 위성은지구 주위를돌면서자기권플라즈마의밀도, 온 도, 자기장, 전기장을직접측정하고있다. 위성이 4 개나되는것은사면체꼴로대형 을만들면플라즈마에의해발생하는전류 를쉽게측정할수있기때문이다. NASA 는 2018 년에도솔라프로브플러스 (Solar Probe Plus) 라는태양플라즈마관 측위성을발사할계획이다. 이위성은지금 까지인류가시도한어떤탐사선보다태양 에가까이 (600 만 km) 접근해코로나를구 성하는플라즈마가어떻게에너지를얻는지 조사할예정이다. 아직준비단계지만한국 천문연구원에서도태양코로나관측기개 발을추진하고있으며, 여러개의작은위성 을이용해오로라를관측할계획을세우고 있다. 이처럼우주플라즈마를이해하기위해전 세계가경쟁적으로뛰어드는이유는우 주공간이거대한플라즈마실험실을만들 어주기때문이다. 지상에서는만들기어려 운플라즈마현상을직접측정함으로써별 의탄생과소멸을이해하고, 산업에응용되 는플라즈마지식을쌓아나간다는의미가 있다. 우주플라즈마가품고있는난제를풀 었을때우리는우주와인류에대해더큰 시야를가질수있을것이다. 우주플라즈 마를관측하고연구해야하는또하나의 이유다. 태양계와우주를가득채운플라즈마의신비를모션그래픽으로설명해드립니다. 이재진 jjlee@kasi.re.kr KAIST 물리학과를졸업하고동대학원에서박사학위를받았다. 미국 UC 버클리우주과학랩에서연구원으로일했고현재는한국천문연구원에서태양우주환경그룹장을맡고있다. 인공위성을이용한우주플라즈마관측및자료분석에관한연구를주로하고있으며, 우주환경변화가인간생활에미치는영향에많은관심을가지고있다. 캐나다옐로나이프 (Yellowknife) 구름이적은대륙성기후, 평야지역, 빛의공해가적은어두운 하늘. 오로라를볼수있는필수조건이모두갖춰진곳이다. NASA 가선정한오로라를가장잘볼수있는지역으로, 이 곳에 3 일만머물면 95% 는오로라를관측할수있다고한다. 11 월 ~4 월까지가오로라관찰이가장잘되는시기이다. 아이슬랜드레이캬비크 (Reykjavik) 지구의가장북쪽에위치한나라, 아이슬랜드레이캬비크. 아이슬랜드의오로라는빙하와어우러져더욱아름다운빛 을뽑낸다. 대도시의불빛이드물어다른국가에비해오로 라를관측하기비교적쉽다. 11 월부터 3 월이오로라시즌으 로오로라를가장잘볼수있는시기이다. 알레스카페어뱅크스 (Fairbanks) 미국알래스카중심부에위치한페어뱅크스에서는오로라시즌은 10 월말부터 4 월까지구름한점없는맑은날이지속되어오로라 를볼수있는가능성이높은시기이다. 치나핫스프링에위치한전 망대가최고의뷰포인트이다. 12 13
3 [ 산업 ] 생활속플라즈마 플라즈마에대한연구가활발해지고, 우리생활속곳곳에서플라즈마응용기술이적용되면서조금만눈여겨보면플라즈마를곳곳에서발견할수있다. 우리가사용하는제품들중에플라즈마가오래전부터적용되어왔던제품은 디스플레이 이다. PDP, LED 등우리가자주들어왔던디스플레이기술들은바로빛을내는플라즈마의특징을이용하여구현한기술들이다. 그밖에도디스플레이가적용되는모든가전제품들, 즉핸드폰, 모니터등도결국은플라즈마기술이적용된제품들이며, 플라즈마의좋은예시였던 형광등 을대체하고있는 LED 조명역시디스플레이와마찬가지로플라즈마가적 용되는대표적인사례라볼수있다. PDP, LED 등다른이름으로꽁꽁숨어있었지만그속에는언제나플라즈마가있었다는사실! 이외에도, 책상위의램프, 플라즈마공기청정기, 플라즈마표면처리를거친유리창, 플라즈마처리섬유등생각지도못한곳곳에서플라즈마는우리생활을변화시키고있다. 이처럼, 플라즈마응용기술은우리주변의다양한분야에적용되고있다. 플라즈마기술을통해최첨단미래신기술의발전을선도할수있을뿐만아니라온실가스, 유해오염물등을처리하여환경을정화하는데도활용되는등플라즈마응용기술은현재세계적으로표방하는녹색기술과도잘맞아그중요성이더욱커지고있다. 1 집에서찾을수있는플라즈마 2 야외ㆍ사무실에서찾을수있는플라즈마 플라즈마사용한태양전지 플라즈마표면처리된유리판 NEON 플라즈마램프 플라즈마사용한 LED 플라즈마코팅된항공기엔진 플라즈마오존처리장치 LCD 플라즈마를사용한반도체제조 플라즈마텔레비전 플라즈마 CVD 를사용하여제작한안경 플라즈마표면처리된컨테이너 플라즈마피부미용 플라즈마치아미백 플라즈마를사용한수소연료전지 플라즈마연소장치 플라즈마의료처리 플라즈마처리된섬유 플라즈마머플러 플라즈마헤드램프 약 플라즈마공기정화 플라즈마이온주입된인공관절 플라즈마신발제조 플라즈마레이저를사용한의류재단 14 15
4 플라즈마엔지니어링 ➊ 저온플라즈마 판타스틱플라즈마월드 플라즈마는판타스틱하다 플라즈마엔지니어들은흔히플라즈마가기막히게좋은굉장한물질상태이 며, 기상천외한매력을가지고있다고말한다. 이유는이렇다. 플라즈마는그동안기체를사용하던거의모 든분야에적용할수있으면서, 기체와달리전기장과자기장으로제어가가능하다. 게다가물질의최소입 자라는원자를원자핵과전자로한번더쪼개서따로따로쓸수있다. 이과정에서빛도나오고화학반응 을활성화시키는중성입자도생긴다. 플라즈마엔지니어링은이모든것들의물리, 화학반응을조합한다. 그활용범위가얼마나넓어질지현재로선다예측하기어렵다. 글이영혜기자 도움김곤호서울대원자핵공학과교수, 유석재국가핵융합연구소 (NFRI) 선임단장 재료의변신을돕는플라즈마 반도체 2년마다반도체성능이 2배로발전한다는 무어의법칙 은플라즈마덕분에가능했다. 반도체제작공정에서원료인실리콘웨이퍼를씻고 ( 클리닝 ), 그위에전자회로를깎고 ( 에칭 ), 원하는물질을쌓는 ( 증착 ) 과정의 80% 는플라즈마를이용하기때문이다. 반도체에나노미터단위의전기회로를새기기위해서는정교한 칼 이필요한데, 아르곤, 헬륨과같은물질의플라즈마가그역할을한다. 온도가상온 ~1000 인저온플라즈 zircotec.com 마에전기장을가해그안에있는양이온을 가속시켜실리콘웨이퍼의원하는위치에원 하는방향으로부딪히도록조작한다. 양이온이구멍을파낸곳에전하를일시적으로저장할수있는축전기 ( 캐패시터 ) 물질을넣 자동차범퍼나엔진과같은부품은내구성을높이기위해표면을열플라즈마로코팅한다. 수천 에이르는뜨거운플라즈마에금속분말을뿌리면금속입자가가열, 가속되면서표면에단단하게달라붙는다. 으면그것이하나의비트다. 이것을 건식공 정 이라고한다. 방향성이없는화학적에칭 자동차코팅 으로는불가능한, 나노미터단위의공정에 자동차의번쩍이는범퍼는플라즈마코팅이 필수적인기술이다. 돼있다. 부식이나마모를예방하기위서다. 플라즈마코팅을할때는온도가수천 까 기능성운동복 지올라가는열플라즈마토치를사용한다. 기능이뛰어난운동복의원단은외부로부터 깃털처럼펄럭이는플라즈마토치에코팅하 는방수가잘되면서 ( 소수성 ) 옷안쪽의땀은 려는금속이나무기질입자를부으면, 플라 잘배출하는 ( 친수성 ) 특성을가지고있다. 여 즈마입자에의해금속입자들이빠른속도 기에도플라즈마기술이있다. 물질이플라즈 로가열되면서자동차표면에달라붙는다. 마상태가되면원자들중일부가양이온과 플라즈마내부에있는반응성이큰중성입 전자로쪼개지고일부는중성입자 ( 라디칼 ) 가 자들은화학반응을일으켜코팅물질이차 된다 ( 특히온도가낮은저온플라즈마에서는 표면에더단단하게붙을수있도록돕는 원자의 0.1% 만이온화되고나머지는중성입 다. 플라즈마코팅은부품에도적용할수있 일상생활에녹아있는플라즈마기술을모션그래픽으로설명해드립니다. GIB, Tuner tom 자로남는다 ). 이중성입자들은대개반응성이크다. 섬유표면에닿으면표면의원자들과먼저화학결합을일으켜섬유원자가다른물분자와결합하지못하게막는다. 이방법을통해원단의바깥면을방수처리한다. 다. 포드자동차연구혁신센터는지난해 12 월엔진을플라즈마로코팅해서재사용하 는기술을발표했다. 이는최근에선보인신 형머스탱쉘비 GT 350R 과같은고성능모 델을강화하기위해개발됐다. 16 17
환경을지키는플라즈마 했다. 고온의열플라즈마로중저준위폐기물을소각해방사성핵종만남긴뒤 ( 플라즈마소각 ), 이것을플라즈마로녹인유리계열의물질로코팅해서전용드럼에담아버리 자들을공기중의오염물질과부딪히게하면된다. 플라즈마입자는보통큰에너지를가지고있기때문에물질을분해할수있다. 플라즈마의이런기능은자동차배기장치, NFRI 건강을가꾸는플라즈마 플라즈마원리를이용한피부미용기기도개발됐다. 피부아래콜라겐층을저온플라즈마속입자로자극해콜라겐세포들이불어나도록하는원리다. 기기제조업체에서는 는 플라즈마유리화 방법이다. 유리로코팅 담배의필터등에다양하게쓸수있다. 이것을사용하면피부의흡수력이증대돼 소각장치 된방사성폐기물은녹거나샐염려가없다 최근에는플라즈마입자를물속에서활용 치아미백 기미치료 화장이잘받는다 고까지광고하고있다. 과 생활쓰레기소각장은도시의큰골칫거리 ( 유리물질을녹이는일은열플라즈마로만 하는연구도진행중이다. 국가핵융합연구소 치아미백, 임플란트표면개질, 기미제거 학적실험을통한객관적인효과검증이숙 다. 대부분의주민들이자신의동네에소각 할수있다 ). 아직연구단계지만수년내실 는 2014 년수중모세관플라즈마장치를개 등기존에레이저로하던시술을최근에는 제로남아있다. 장을짓는걸격렬히반대하기때문이다. 소 제로적용될전망이다. 발했다. 이장치는수조의물속에작은기포 플라즈마가대신하고있다. 피부의기미는 각과정에서다이옥신과같은여러가지발 를만들고그것을플라즈마상태로만든다 수소와탄소로이뤄져있는데, 여기에플라 디스크분해의료장비 암물질기체가만들어진다는것이이유다. 공기 물정화기 ( 얼핏탄산수제조기처럼보인다!). 수중플라 즈마를쪼이면플라즈마내부의반응성이 김곤호서울대원자핵공학과교수팀은이 생활쓰레기물질을완전히분해하기위 플라즈마는공기중의바이러스나미세먼지 즈마는물속오염물질을분해할수있고, 양 큰중성입자가수소와결합한다. 남은탄소 상헌고려대의대교수팀과함께플라즈 해서는소각로내부온도를 2000 이상높 여야하는데, 일반소각로는온도를 2000 이상올리지못한다. 온도가어중간할때는 와같은오염물질을제거하는데도쓸수있다 ( 흔히말하는음이온공기정화기도여기에해당된다 ). 원리는간단하다. 플라즈마입 이온과전자로폐기물에녹아있는극성을띤희귀금속을걸러낼수도있다. 해수를담수로바꾸는전처리용장치에도활용될전망이다. 세라믹구를방전시키면물질의일부가플라즈마상태가되면서양이온과전자, 중성입자가방출된다. 이들은활성화에너지가높아서공기중의오염물질과부딪혀분해시킨다. 는공기중의산소와결합해이산화탄소형 태로날아가버리고, 결과적으로기미가분 해된다. 마를이용해디스크 ( 추간판 ) 탈출증환부를제거할수있는장치를 2010년개발했다. 플라즈마를생성할수있는두개의전 오히려타지않고남은물질들끼리화학반 극을튀어나온추간판가까이삽입하고전 응을일으켜유해한물질이만들어질수있 압을걸면높은열과수증기가만들어진다. 다. 그러나열플라즈마를이용하면소각로 이때수증기가플라즈마상태가되면서수 의온도를 1 만 까지도올릴수있다. 플라 산화이온과활성도가큰중성입자가나온 즈마자체의온도가높은데다, 플라즈마상 다. 연구팀은이것으로마치오염물질을분 태의입자들이주변공기입자와충돌하면 해하듯튀어나온추간판을분해시켰다 (doi: 서온도를한층더끌어올린다. 문제는가격 10.1088/0963-0252/21/5/055017). 기존 이다. 생활쓰레기를매립하는비용이보통 에도레이저나전기를이용해태우는기술 1t 당 4 만 ~5 만원이라면, 일반소각은 12 만 이있었지만온도가 300~400 에불과했 ~15 만원, 플라즈마소각은 17 만원이든 다. 타고남은재가몸속에남아 2 차감염을 다. 경제성이없으니포기할지, 미래를위해 일으킬위험도있었다. 하지만이온과중성 연구에투자할지선택은우리의몫이다. 입자를이용하면추간판을완전히분해하면 서마지막엔물분자만만들어져안전하다. 방사성폐기물처리 가까운미래에는플라즈마가암세포치료 핵발전소에서사용한의복과장갑같은중 에도활용될계획이다. 플라즈마를발생시 저준위폐기물은전용드럼에담아지하동굴 키는내시경으로몸속의암세포를분해시 에보관한다. 그러나저장할수있는용량 키거나, 플라즈마와함께나오는빛 ( 자외선 ) 이한계가있는데다, 오랜시간이지난뒤 을암세포에쪼이는방법등다양한연구가 에방사성물질이지하수등에침출될수 있다. 플라즈마가여기에도해결책을제안 동아일보, GIB 이뤄지고있다. 18 19
식탁위의플라즈마 NFRI 20 GIB 농작물씨앗처리예로부터조상들은번개가많이치는늪지대에서식물이잘자란다는사실을알고있었다. 이는플라즈마로설명할수있다. 번개가치면아주짧은시간동안공기가플라즈마상태가되는데, 이때질소가질산이온이나아질산이온형태로식물에고정된다. 이는천연비료의원료가된다. 최근에는이런원리를실제농식물발아에활용하기도한다. 국가핵융합연구소는플라즈마장치로질산이온과아질산이온등을포함한방전수를만들어농식물에공급하고, 비료효과로농식물의생장을촉진할수있는지연구중이다. 한편플라즈마로콩이나오이, 토마토같은종자의발아와생장을촉진하기도한다. 고추나오이종자의씨앗에저온플라즈마를쪼일경우, 발아율과생장률이증가한다는연구결과가많다. 플라즈마처리한씨앗을처리하지않은것과비교한결과, 병원균에저항성을가지는유전자및단백질이더발현되는것으로조사됐다 (doi: 10.1038/ srep05859). 농식품살균공기, 물정화에쓰이는플라즈마의살균기능을먹거리에도적용한다. 수증기를방전시켜플라즈마상태로만들면수산화이온이만들어지는데, 반응성이매우커서소독약역할을한다 ( 과산화수소와같은원리다 ). 저온플라즈마는농식품분야에서도다양하게쓰인다. 각각식물의생장 (➊), 농식품살균 (➋), 저장 (➌) 에활용되는사례다. 탄소와수소로구성된박테리아와수산화 이온이만나면수산화이온과수소가결합 하면서박테리아가분해된다. 수소와결합한 수산화이온은물분자로증발하기때문에 살균후에농약처럼잔류하는물질이없다는 게장점이다. 농식품저장 감귤, 딸기등의과일을동남아지역에수출 할때가장큰문제는부패다. 과일을 4 이 하의온도로신선하게운반해도검역과정에 1 2 3 서포장을열면따뜻하고습한공기가과일 표면에닿아부패가시작되기때문이다. 이 때플라즈마가해결책이될수있다. 플라즈 마로처리해진공포장하는방법이다. 실험 결과딸기에플라즈마를쪼인뒤헬륨가스 로포장한경우, 일반진공포장을했을때보 다곰팡이균의번식이훨씬적은것으로나 타났다. 운반온도도조금높일수있어포장 온도를낮추는데드는에너지를절약하는 효과도있었다. 21
빛을내는플라즈마 야구장조명탑최근 LG전자가 LG트윈스 2군시설인이천스포츠콤플렉스에 PLS( 플라즈마라이팅시스템 ) 조명탑을설치했다. 물질이플라즈마상태가되면원자가양이온과전자로분리되면서전자가에너지를얻어여기 ( 들뜬 ) 상태가된다. 이중일부는곧에너지를잃고원래 KSTAR 플라즈마 GIB, NASA JPL, 월트디즈니컴퍼니코리아 상태로되돌아가는데, 이과정에서일정한 파장의전자기파가나온다. 플라즈마조명과 대형플라즈마디스플레이, 레이저등은모 두이같은원리를이용한것이다. 플라즈마조명은다른인공광원과달리 태양과흡사한연속적인빛을낸다. 플라즈 마속에양이온과전자가무수히많다보니, 이온화돼있던전자가에너지를잃고양이온 과결합하거나, 다른입자들과부딪혀빛을 내는일이연속해서일어나기때문이다. 만 들어진빛은다양한파장대를가지고있다. 이것이야구장에쓰이면선수들은야간에 도공을좀더선명하게볼수있다. 아르곤 을원료로하는플라즈마는녹색파장대역 의빛이많이나오기때문에잔디를더선명 한녹색으로, 공을더뚜렷한흰색으로구분 하는데도도움이된다. 가속기와이온추진엔진 플라즈마에서양이온이나전자만따로빼내 빔 (beam) 처럼사용할수도있다. 대표적인 것이입자가속기다. 입자가속기는플라즈 마에전기장과자기장을걸어원하는입자 를빔형태로걸러낸다. 걸러진입자를가속 시켜다른물질에쪼이면그물질의물리량 과구성물질등을알아낼수있다. 입자가속기기술은미래형우주로켓인 이온추진로켓에활용할수있다. 이온추진 엔진의원리는양이온가속기의원리와동일 하다. 가스형원료를플라즈마상태로만든 뒤, 양이온을걸러내불꽃처럼뿜어낸다. 우 주에액체, 고체연료를무겁게싣고올라갈 필요가없다. 이온의운동에너지가크기때 문에밀도를적절히높이면무중력상태에서 플라즈마상태에서이온또는전자만걸러내사용할수있다. 양이온만빼내가속하면엔진과같은추진체를만들수있다. NASA JPL 는충분한추진력을낼수있다. 현재는인공 위성등이궤도를수정할때플라즈마추력 기를사용하고있다. 광선검 최근개봉한영화 스타워즈 : 깨어난포스 에등장하는광선검을재현할수있는기술 로도현재로선플라즈마가가장유력하다. 강력한전원장치와길고가느다란필라멘 트로칼모양의플라즈마발생장치를만드 는것이다. 전원을켜면필라멘트가밝아지면 서주변기체가플라즈마상태가되는데, 높 은온도에에너지가커서마치칼처럼물건 을자를수있다 ( 필라멘트주변에플라즈마 가유지되는시간이번개처럼짧고, 물건이 잘리는데는그보다긴시간이걸리기때문 에구현하기가굉장히힘들것이다 ). 주변기 체를어떤것을사용하느냐에따라플라즈 마의색깔도바꿀수있다. 예를들어제다이 기사들이사용하는녹색광선검은염소, 전 편의악당시스가쓰는붉은색광선검은헬 륨플라즈마를사용하면된다. 5 플라즈마엔지니어링 ❷ 초고온플라즈마핵융합에너지속플라즈마 D 형플라즈마션 태양과같이스스로빛을내는별들은핵융합반응을통해에너지 를발생시킨다. 별들의중심은수천만 이상의초고온플라즈마 상태인데이러한상태에서는수소와같은가벼운원자핵들이융 합해무거운헬륨원자핵으로바뀌는핵융합반응이일어난다. 하지만지구는태양처럼핵융합반응이일어날수있는초고온 고압상태의환경이아니기때문에핵융합에너지를얻기위해서 는자기장을이용해태양과같은환경을인공적으로조성해주는 핵융합장치를만들어야한다. 핵융합장치는태양에서와같이핵 융합이일어날수있는환경을만들어 인공태양 이라불리기도 한다. 핵융합장치는핵융합연료인중수소와삼중수소를플라즈 마상태로만들고자기장을이용해초고온의플라즈마가벽에닿 지않게가두고유지 제어하여핵융합반응이지속적으로일어나 도록만들어진장치이다. 다시말하면, 지구에서태양과같은핵융합에너지를얻기위해 서는태양의중심보다더뜨거운 1 억 이상초고온플라즈마를 만들고, 핵융합이지속되도록유지시켜야한다. 플라즈마연구는 핵융합에너지연구에있어서가장핵심적인부분이라할수있다. 22 23
너지가플라즈마의확산에의한에너지손 게도이것은지난겨울우리나라에한파와 실보다커야한다 (αn 2 T 2 βnt/τ E ). 비례상수 눈폭풍을불러온대기의움직임과쌍둥이 α, β 를결정하는자세한물리적기작들을 처럼닮았다. 포함해서식을유도하면, 지속적인핵융합 지구대기의온도는위도에따라불연속 반응을달성하기위해서는충분히높은온 적으로바뀐다 ( 위도가얼마간높아져도온 도와밀도의플라즈마를최대한오랫동안 도변화가거의없다가갑자기온도가낮아 감금해야한다는사실을알수있다. 지고, 이같은일이반복된다 ). 이는지구를 그러나현재까지핵융합플라즈마실험 동서로가로지르는형태의제트기류가위 에서는감금시간이예상보다도매우짧게 도대마다공기덩어리를분리하고있기때 측정됐다. 물리학자들은이것이초고온플 문이다. 제트기류가약해지면북극에감금 라즈마의난류가에너지를비정상적으로 돼있던차가운공기덩어리가난류의형태 수송하기때문인것으로보고있다. 좁은 로위도가낮은지역으로퍼져나온다. 겨 공간에갇힌초고온플라즈마는열역학적 울철대대적인한파의원인이다. 으로표현하자면엔트로피가매우낮은상 제트기류와연동된대기의난류는토카 태다. 자연은다양한수단을동원해이것 막장치에감금된초고온플라즈마의난류 의엔트로피를높여가는데이때동원되는 와매우유사하다 ( 아래그림 ). 자전하는행 수단은난류다. 감금시간을늘리기위해서 성표면에서 v 의속도로움직이는대기는 는이런난류를어떻게억제하는가가관건 v Ω 의전향력을받는다. 토카막장치내 이다. 부의초고온플라즈마가 v 의속도로움직 플라즈마난류와눈폭풍은쌍둥이? 이는경우에는플라즈마를감금하는자기 ITER Volker Steger 토카막장치와같이강한자기장을사용해 서플라즈마를감금하는경우, 여기서발생 하는난류에는독특한특징이있다. 흥미롭 장 B 에의한 v B 의로렌츠힘을받게된 다. 이때자기장방향의벡터 B 를지구의자 전축방향벡터 Ω 로바꾸면, 두힘은사실 상같은형태의힘이라는것을알수있다. 눈폭풍비밀풀면태양이뜬다 글권재민국가핵융합연구소 (NFRI) 선행기술연구센터책임연구원 플라즈마의개념이정립된건 19세기후반이지만, 응용기술이발전하기시작한시점은그로부터수십년이지난 1960년대부터다. 수소폭탄개발에성공한선진국들이이를에너지원으로이용하기위해핵융합연구에뛰어들었기때문이다. 핵융합반 관건은플라즈마감금시간핵융합반응의에너지는플라즈마입자들이충돌하며발생한다. 플라즈마의밀도와온도가높을수록에너지가크다 ( 밀도와온도가각각 n, T인플라즈마가있을때, 핵융합반응으로얻는에너지는 n 2 T 2 에비례한다 ). 그러나좁은공간에감금된 ( 즉밀도가높은 ) 플라즈마는주변으로확산하려는 Ω N 지구자전 B 응을일으키기위해서는물질을플라즈마상태로만들어원자핵과전자를떼어놓아야한다. 그리고핵과핵이잘부딪치도록 1 억 C 이상가열한뒤가둬놔야한다. 1억 C 로끓으며요동치는플라즈마를감금하고제어하는기술은이가운데서도가장 핫 성질을띤다. 플라즈마가주변으로흩어지는데걸리는시간척도를에너지 감금시간 (τ E ) 이라하는데, 플라즈마의확산에따라주변으로잃어버리는에너지는온도에비례하고감금시간에반비례한다 (nt/τ E ). 핵융합반응을지속적으로일으키기위 지구를북극위에서바라본모습 전향력에의해휘어진대기의움직임 Ω ( 자전축방향 ) B ( 자기장방향 ) v : 대기의흐름방향 토카막장치를자른단면 로렌츠힘에의해휘어진플라즈마의움직임 v : 플라즈마의흐름방향 24 (hot) 한기술이다. 해서는핵융합반응에의해서생성되는에 v Ω : 전향력의방향 v B: 로렌츠힘의방향 25
INSIDE 지구대기와토카막내부의핵융합플라즈 원형으로휘감으며만들어지는경우 ( 아래 LBL 플라즈마기술연구센터 마가매우유사한힘과물리법칙의지배를 오른쪽 ) 난류가억제되고에너지감금시간 받으며움직이고있다는뜻이다. 이늘어나핵융합성능이증가하게된다. 최근의핵융합연구는이런지그재그형 난류를없앨방법은? 태의플라즈마흐름을제어할수있는다 초고온플라즈마의난류를없애는것은 60 년넘게핵융합연구를이어오는데중요한이정표가됐다. 특히실험적으로돌파구를연것이 1982년독일 ASDEX 토카막에서발견된 H-모드플라즈마 다. H-모드는난류는낮고에너지감금시간은긴고성능핵융합플라즈마다. 핵융합연구자들은 H-모 양한수단을개발하고, 이를활용해고성능플라즈마운전모드를달성하는데많은노력을기울이고있다. 특히미래핵융합장치인이터 (ITER) 가완공될때를대비해우리나라의 KSTAR 를비롯한다양한핵융합장치에서플라즈마난류를제어하는연구가진행되고있다. KSTAR 는 ITER와동일한재 토카막장치내플라즈마의난류를컴퓨터로시뮬레이션한모습. 100 만분의 1 초단위로유동이달라진다. 이런난류의특성을이해해야플라즈마감금시간을늘릴수있다. 태양으로부터전해져오는아름다운빛의향연처럼새로운가능성을그리는플라즈마기술은창조경제의토대가됩니다. 드가만들어질때플라즈마의흐름이대기 질의초전도자석을사용하고, 장치제작의 의공기흐름을차단하는제트기류와유사해진다는사실을알아냈다. 더불어이런플라즈마의흐름을조절하면난류의크기와그에따른에너지감금시간을조절할수있다는것을실험을통해밝혔다. 실제로핵융합플라즈마난류의흐름을슈퍼컴퓨터를이용해시뮬레이션해보면 정밀도가뛰어나자기장오차가매우낮다. 덕분에난류를제어하는기술을매우정교하게실험할수있다. KSTAR에는난류의구조를정밀하게측정할수있는세계에서가장앞선진단장치가적용됐다. 모든연구들이그렇지만핵융합연구는도전과실패가반복되는지난한과정의연 있음이드러나는순간이좋은예일것이다. 가까운미래에는이런비밀들이더많이밝 혀져핵융합을실현시키고자하는우리의 도전에빛을던져주길희망한다. 국내유일의플라즈마연구기관인플라즈마기술연구센터는국내외플라즈마연구의허브및선도연구기관으로서의역할을수행하고나노분야, IT 분야, 친환경분야, 바이오분야등산업전반에걸쳐활용되고있는플라즈마원천기술및응용기술의확보등새로운플라즈마기술분야개척을위해노력하고있습니다. 또한, 플라즈마기술의산업화촉진을통해신산업창출및국내산업의고부가가치화에기여할뿐만아니라중소 중견기업육성지원을통해산업생태계 난류의형태가중심부로부터뻗어나온구 속이다. 그러나혼돈과불면의시간끝에는 활성화를추진하고나아가상용화 R&D 역량강화에도힘쓰고있습니다. 조를갖는경우 ( 아래왼쪽 ) 에너지감금시간 반드시모든것들이명확하고투명하게보 이짧다는것을알수있다. 반면플라즈마 이는순간이온다. 핵융합플라즈마가전혀 의흐름이제트기류처럼토카막의단면을 관계없어보이는자연현상과깊이연결돼 플라즈마의흐름 권재민 jmkwon74@nfri.re.kr KAIST 에서물리학박사학위를받았다. 미국프린스턴플라즈마연구소에서박사후연구원을거치고현재국가핵융합연구소에서근무중이다. 핵융합플라즈마난류이론과시뮬레이션을주로연구하고있으며응용수학, 천체플라즈마, 대기과학등과의학제간연구에도관심이많다. 26 27
INSIDE 국가핵융합연구소플라즈마기술연구센터 플라즈마기술연구센터는국내유일의정부출연 플라즈마기술전문연구기관입니다. 미션 - 국내 외플라즈마기술연구의허브및선도연구기관역할수행 - 플라즈마원천기술의확보및창의적실용기술개발 - 플라즈마기술기반의지방 R&D 역량강화및핵심우수인력육성 주요연구분야 플라즈마 기반기술 창조형원천기술연구개발을위한핵심기반기술필요 플라즈마물성 DB 및해석기술연구플랫폼개발 플라즈마모델링및시뮬레이션 플라즈마진단및특성평가연구 플라즈마 원천기술 신개념의혁신적인플라즈마기술수요를충족하기위한 창조형원천기술연구개발필요 신개념플라즈마발생원연구개발 국가성장동력에필요한원천연구역량강화 플라즈마융복합기술중소기업을위한 R&D 지원 첨단산업발전과에너지및환경문제가심각해짐에따라혁신적인플라즈마융복합기술필요 미래선도플라즈마농식품융합기술개발 반도체, 디스플레이, 에너지, 환경, 신소재, 의료, 농식품등플라즈마응용기술개발플라즈마기술기반전체 R&D 해결지원과외부기관과의연계및해결서비스제공 중소기업지원통합센터운영통한중소 중견기업애로기술해결 보유연구장비및인력지원, 기술이전등인프라를활용한맞춤형 R&D 기술지원 중소 중견기업지원을위한플라즈마기술수요조사실시및교류회 28 29
INSIDE 플라즈마물성밝혀응용연구토대만드는플라즈마기반기술 플라즈마로청정연료를만들고환경을개선합니다. 플라즈마기술은핵융합에너지뿐아니라환경, 가공, 디스플레이, 바이오, 의료등산업전반에서활용되고있다. 이처럼다양한플라즈마응용기술개발을위해서는먼저활용하고자하는플라즈마구성물질의이온이나활성종의종류와양등을파악하는플라즈마기반연구가필요하다. 기반기술이응용기술로발전하기까지 플라즈마생성가스의충돌물성 데이터연구 플라즈마진단기술 개발을통해진단데이터확보 데이터최적화모듈을통해 플라즈마물성데이터최적화 플라즈마해석시뮬레이터개발 플라즈마공정과기술해석을통한 플라즈마응용기술기반구축 플라즈마기반기술이란? 다양한플라즈마응용기술개발을위해서는먼저활용하고 자하는플라즈마구성물질의이온이나활성종의종류와 양등을파악하는플라즈마기반기술이필요하다. 플라즈 마기반기술은플라즈마발생메커니즘을이해하고기술 활용의결과를예측할수있도록연구플랫폼을개발하는 것이다. 플라즈마는전기를생산하고조명, 디스플레이생산에도이용됩니다. 플라즈마는농축산식품처리에이용됩니다. 플라즈마활용분야가다양한만큼연구개발과정에서예측 하지못했던상황이종종발행하는데, 이때연구자들에게방 향을제시해줄수있는요소중하나가플라즈마해석기술 이다. 컴퓨터기술과플라즈마이론의발전으로플라즈마시 뮬레이션기술이비약적으로발달했으며, 이를통해플라즈 마발생원을해석하는것이가능해졌다. 30 31
INSIDE 플라즈마원천기술플라즈마원천기술이란? 우수한플라즈마발생원이좋은제품을만든다 응용분야에최적화된발생장치개발하는진공플라즈마요소기술 새로운방식의혁신적인플라즈마기술수요를충족하기위해서는창조형원천기술연구개발이필요하고, 이를위해서는다양하고새로운방식으로최적화된플라즈마발생원연구개발이필요하다. 플라즈마기술연구센터에서는중성입자빔발생원, 마이크로파플라 즈마발생원, 대기압플라즈마발생원, 바이오플라즈마발생원, 고전하이온빔발생원, 중성자발생원, 양전자발생원등다양한플라즈마발생원을연구개발해왔으며, 각각의산업분야에최적화된진공플라즈마발생원이개발되는과정을그림으로소개한다. 01 플라즈마발생원아이템도출 ICP, CCP, ECR 등응용분야에최적화된발생원의종류를선정 04 플라즈마발생원설계제작 3D 설계프로그램을이용해절연막증착장비, 다중이온빔발생장치등플라즈마발생부설계 제작 3 : 00 02 플라즈마발생원컨셉디자인 실제발생원제작에앞서밑그림을그리며계산으로검토 100v 200v 300v 05 플라즈마진단 플라즈마밀도, 온도, 균일도등공정에적합한플라즈마발생여부측정 평가 03 플라즈마발생원시뮬레이션 진공플라즈마발생에필요한전기장, 자기장등의요소를시뮬레이션프로그램으로해석 06 플라즈마공정검증 실제공정적용및분석장비를통해목적구현가능성검증 32 33
INSIDE 플라즈마융복합기술 에너지는뜨겁게 땅과물은깨끗하게 스팀플라즈마로저급탄의 고급 변신 3000 이상의고온을내는스팀플라즈마가저급탄 * 과바이오메스 ( 쌀겨, 팜등 ) 를에너지원으로가스화하는기술이다. 이는친환경발전기술인 PA- IGCC( 플라즈마응용가스화복합발전 ) 건설의핵심기술이기도하다. * 석탄량의 60% 를차지하지만효율이낮아사용하지않는다 핵융합대표파생기술인플라즈마가지구환경을이롭게한다? 실제연구단계를거쳐실용화를앞두고있는 플라즈마환경제어기술 3 가지를만나보자. 플라즈마저급탄가스화기술 모바일 오염토양복원기 나가신다기름이나중금속에오염된토양을정화하는장치다. 흙을굴착해컨베이어로이송하고플라즈마화염발생기를이용해오염물질을제거, 원래위치에돌려놓는다. 이동장치에싣고다니면서청소기처럼빨아들일수있어편리하다. 플라즈마융복합기술이란? 첨단산업발전과에너지및환경문제가심각해짐에따라혁신적인플라즈마융복합기술이대두되고있다. 이를위해반도체, 디스플레이, 에너지, 환경, 신소재, 의료, 농 식품등의다양하고새로운산업분야로활용범위를확대하는플라즈마융복합기술연구개발이추진되고있다. 플라즈마기술연구센터에서는실리콘양자점태양전지제조기술, 플라즈마석탄가스화기술, 수소생산및 2차전지요소기술이나연료전지개발등플라즈마를활용한 에너지생산저장효율향상 을가능하게하는융복합기술연구를수행한다. 또한기름으로오염된토양을복원한다거나, 해수 담수처리에응용되며, 유해가스및자동차배기가스처리에도활용되는 플라즈마처리환경개선분야 연구도추진하고있어앞으로플라즈마는다양한환경오염물질의정화처리에응용되어더욱각광받을것이다. 오염토양복원기술 플라즈마활용수처리기술 수처리산업의 기대주 오염된물속의오염물질을플라즈에접촉또는플라즈마로부터발생되는활성라이칼들을이용해처리하는장치. 플라즈마수중방전원리를이용한다. 오 폐수정화와살균작업을동시에할수있어물의안전성을크게높이고, 처리시간과공정을단축시킬수있다. 하폐수처리, 해수담수화등에활용된다. 34 35
INSIDE 플라즈마융복합기술 농장에서식탁까지활용되는 플라즈마농 식품융합기술 플라즈마농식품포장재 농식품신선도유지를위한 기능성포장재제조 저장 유통 전세계적으로기후변화와식품안전성에대한관심이급증하는가운데플라즈마기술이농식품분야에서의활용가능성을인정받으면서다양한응용기술개발로이어지고있다. 국내유일플라즈마기술연구센터에서는농장에서식탁에활용되는농식품전주기에걸쳐적용가능한실생활플라즈마기술개발을본격적으로추진하고있다. 농장에서 ICT 기반플라즈마냉장고 스마트포장재를활용한신선도정보제공 대기압플라즈마를설치한컨테이너 컨테이너안에대기압플라즈마설치하여활성가스를이용한살균 농식품신선도유지를위한유해미생물살균및숙성억제 유통과정에서생성되는숙성억제 플라즈마병해충제어장치 식탁까지 플라즈마액체비료 수증플라즈마식품클리너 잔류농약제거 신선과채류유해미생물살균 플라즈마조리도구 플라즈마살균기술로 식품조리도구안전성확보 플라즈마종자인큐베이터 종자소독제를대체한 대기, 토양, 물환경 친환경적식물 살균기술로농식물 채선을위한살균 병해충관리 종자발아생리촉진 농장에서식탁까지플라즈마농식품융합기술로안전하고건강한밥상을만날수있습니다! 36 37
INSIDE 국가핵융합연구소 National Fusion Research Institute 설립목적 핵융합에너지연구개발의선도연구기관으로서 핵융합에너지분야의새로운탐구, 기술선도, 개발및보급 미래를밝히는무한에너지, 깨끗한세상을만드는청정에너지, 핵융합에너지입니다. 주요기능 KSTAR 운영을통한세계수준의핵융합연구능력을확보 ITER 국내전담기구역할수행과기술이전 핵융합연구인력양성및핵융합발전로건설을위한첨단. 원천기술연구 핵융합관련파생기술을활용한첨단신산업창출에기여 최근인류는화석연료의과다사용으로여러가지문제에직면하게되었습니다. 탄소배출량증가와그에따른기상이변, 자원고갈및에너지자원의가격급등으로인류의미래가위협받고있습니다. 지구와인류의영속적인미래를위해지속가능한에너지의개발은더이상미룰수없는과제가되었습니다. 이에 1994 년에발효된 UN 기후변화협약은지구온난화를막기위하여각국의이산화탄소배출절감을의무사항으로규정하고있으며, 현재선진국가에서는이산화탄소의배출을줄일수있는기술개발이활발하게진행되고있습니다. 특히탄소배출량을획기적으로절감할수있는새로운에너지개발에전력을기울이고있으며, 우리나라처럼에너지자원이부족한국가에서는대체에너지개발이꼭필요하다고할수있습니다. 지금우리에게필요한미래에너지는온실가스를배출하지않는깨끗한에너지이자유해물질유출등의문제가없는안전한에너지입니다. 또한효율성이좋고자원의한계가없는무한에너지이며, 국가간분쟁으로부터자유로운평화에너지입니다. Vision/ 비전 에너지자립과기후변화대응을선도하는세계수준의핵융합연구개발중심기관 연구분야 KSTAR (2007 년주장치완공 ) 핵융합상용화를위한장기적연구수행 ITER (2020 년주장치완공 ) DEMO (2030 년건설완료 ) 파생기술연구수행 플라즈마응용및 핵융합파생기술연구 핵융합에너지가바로미래에너지입니다. 38 39
QR 코드를스캔하시면 NFRI 에관한더많은정보를보실수있습니다. Like the shimmering rays light beaming down from the sun 대전광역시유성구과학로 169-148 TEL. 042)879-6000 www.nfri.re.kr 제작 : 2016. 5