KAIST(총장 신성철)는 최원호 원자력및양자공학과 교수 연구팀이 약하게 이온화된 플라즈마에서 전자가 가열되는 구조와 제어 원리를 규명했다고 26일 밝혔다.

물질의 세 가지 상태인 고체·액체·기체와 더불어 '물질의 네 번째 상태'라 불리는 플라즈마는 표준 온도·압력(25℃·1기압) 상태에서는 자연적으로 존재하지 않는다. 하지만 인위적으로 기체에 에너지를 가하면 플라즈마 상태가 된다.

학계·산업계는 활용 목적과 조건에 맞춰 다양한 형태의 플라즈마 발생원을 개발해 사용하고 있다. 특히 대기압 플라즈마는 응용 가능 분야가 다양하고 활용도가 높아 학술적·산업적 활용성 측면에서 많은 관심을 받고 있다.

일반적으로 플라즈마 내의 다양한 화학적·물리적 반응은 전자로부터 시작되기 때문에 전자의 밀도와 온도의 시공간적 변화는 중요한 정보다. 플라즈마나 가속기 물리학 분야에서 자유 전자의 가열 여부는 과학자들의 관심을 지속적으로 받은 연구 주제다.

그러나 대기압 조건에서는 자유 전자와 중성기체의 충돌이 빈번하기 때문에 이온화된 플라즈마 내 자유 전자의 밀도와 온도를 측정하는 데에는 한계가 있다. 자유 전자의 가열 구조와 원리를 실험적으로 규명할 수 없었다.

또 전자 가열의 제어 방법과 주요 요인에 대한 정보가 부족해 플라즈마의 반응성과 활용성 개선이 제한적이었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 전자-중성입자 제동복사란 기술을 이용했다. 플라즈마 내 자유 전자의 밀도, 온도를 정확히 진단하고 이를 2차원으로 영상화하는 기술을 개발했다.

연구팀은 개발한 진단 기술을 이용해 대기압 플라즈마에서 수 나노초 단위로 자유 전자의 온도(에너지)를 측정해 전자가 에너지를 얻는 가열 과정의 시공간적 분포와 근본 원리를 밝혔다.

0.25~1기압 압력구간에서 전자 온도의 시공간적 분포 변화를 실험적으로 최초로 확인했다. 대기압이나 대기압보다 낮은 압력에서 전자가 에너지를 얻는 가열의 기본 원리를 규명했다.

최원호 교수는 "자유 전자와 중성입자의 충돌이 매우 빈번한 조건에서 발생하는 플라즈마에서의 전자 가열 원리를 학문적으로 이해하는 데 유용할 것"이라며 "이를 통해 경제적·산업적 활용 가능한 대기압 플라즈마 발생원을 개발하고 다양하게 활용하는데 큰 역할을 하길 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 박상후 연구교수가 1저자로 참여했고, 연구 결과는 국제 학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)'에 지난 5월 14일자와 이번달 5일자 온라인 판으로 게재됐다.