국내 연구진이 물에 플라즈마를 발생시켜 플라즈마처리수(水)를 만드는 과정에서 그동안 상세하게 알려지지 않았던 물과 플라즈마의 상호작용 원리를 밝히는 논문을 발표하여 주목받고 있다.

국가핵융합연구소(이하 핵융합(연), 소장 유석재)는 플라즈마기술연구센터의 김성봉 책임연구원(교신저자)과 윤성영 선임연구원(1저자) 등이 주도한 ‘핀-액체 교류 방전에서 플라즈마와 물 특성의 상호작용’에 관한 연구 성과가 저명 국제학술지인 ‘사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)’에 게재(온라인판, 8월 13일)되었다고 밝혔다.
※ 논문제목 : Mutual Interaction between Plasma Characteristics and Liquid Properties in AC-driven Pin-to-Liquid Discharge

물질의 4번째 상태라 불리는 플라즈마는 기체에 강한 전극 등을 가해 원자핵과 전자가 분리된 이온화 된 기체 상태를 말한다. 플라즈마는 반도체, 디스플레이 등 첨단산업 뿐 아니라 환경, 의료, 농·식품 등 다양한 산업 전반에 활용할 수 있어 관심이 높아지고 있는 분야이다.

그 중 플라즈마처리수는 수질 정화, 살균, 질소 비료 공급 등의 효과가 있어 이를 농식품 산업 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 플라즈마와 물 사이에서 일어나는 상호작용이 명확하게 규명되지 않아 실제 적용하는 데 한계가 있었다.

핵융합(연) 혁신기술연구부는 이번 연구를 통해 대기압플라즈마를 물에 접촉시켜 플라즈마처리수를 만드는 과정에서 전기장에 의한 물의 표면 형상 변화와 이에 따른 플라즈마 특성변화를 확인하고, 광학, 화학 진단과 수치해석을 통해 이를 정량적으로 비교하는 데 성공했다.

연구 결과에 따르면 물 분자는 극성을 띄고 있어 외부 전기장에 따라 형상이 변화되는데, 플라즈마로 물을 처리하는 경우 물의 표면장력이 감소하고 이로 인한 형상변화가 심화되었다.

또한, 이러한 물의 심화된 형상변화 및 전기전도도의 증가는 접촉하는 플라즈마의 특성도 바꿔놓는다는 사실을 확인했다. 일반 물에서는 비교적 기체온도가 낮은 글로우 플라즈마가 발생되지만, 플라즈마로 인해 성질이 변화된 플라즈마처리수에서는 전류밀도가 커지는 아크 플라즈마가 발생되는 것이다.

이러한 발생 플라즈마의 변화는 플라즈마와 물질 간의 반응을 통해 생성되는 화학종의 종류도 다르게 만든다. 화학종은 그 종류에 따라 특성이 달라져 정화, 살균 등 원하는 효과를 내는 플라즈마처리수를 만들기 위해서는 이번 연구 성과와 같은 플라즈마와 반응물질 간의 변화에 대한 이해가 필수적이다.

연구팀은 플라즈마와 물 간 상호작용에 대한 이해를 높인 이번 연구 결과를 바탕으로 플라즈마가 형성하는 화학종의 종류 및 양을 효율적으로 제어할 수 있는 기초 원리 제공이 가능해질 것으로 기대하고 있다.

핵융합(연) 유석재 소장은 “이번 연구 결과로 플라즈마 처리수 생성 장치 개발을 가속할 수 있게 되었다.”며, “빠른 시일 안에 농·식품 분야에서 플라즈마 기술을 상용화하여 농민의 현장 애로사항을 해결하고, 미래 농식품 분야에서 플라즈마 기술 기반의 신시장이 창출되기를 기대하고 있다.”고 밝혔다.