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KAIST, 플라즈마 기반 기체-액체 경계면 안정화 기술 개발

입력 : 2021.04.12 18:08

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[헬로티]


KAIST 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 기체를 이온화시킨 플라즈마가 기체와 액체 사이 경계면의 유체역학적 안정성을 증가시키는 것을 발견하고 이를 규명하는 데 성공했다고 4월 2일 밝혔다.


가정에서 사용하는 샤워기의 물줄기, 와인의 눈물, 갯벌 바닥의 물결무늬 등 불규칙한 패턴들에서 우리는 유체 경계면에서 나타나는 유체역학적 불안정성을 흔히 볼 수 있다.


컵에 담긴 주스의 표면 위에 빨대를 두고 숨을 약하게 불면 주스 표면이 보조개 형태로 오목하게 들어가는데, 이때 빨대를 더 강하게 불면 주스에 거품이 일고 물방울이 튀어 오르는 현상도 공기와 주스 사이 경계면의 불안정성 때문이다.


최원호 교수 연구팀은 헬륨 기체 제트를 고전압으로 이온화시켜 얻은 플라즈마를 물 표면에 분사시켰을 때 경계면이 일반적인 기체와 액체 사이의 경계면에서보다 훨씬 안정적으로 유지되는 것을 실험과 이론으로 밝혀냈다.


기체 제트 내에 플라즈마를 발생시키면 생성되는 1초당 수십 미터 속력의 전기바람으로 인해 물 표면에 가해지는 힘이 증가해서 물 표면이 더 깊이 파이게 되고, 이에 따라 물 표면이 불안정해져야 하는 조건임에도 불구하고 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.


일반적으로, 번개구름인 뇌운(雷雲) 속의 빗방울처럼 강한 전기장 환경에 놓인 액체에서는 표면의 불안정성이 증가한다. 불안정화의 대표적인 예로 전기방사에서 전기 유체역학적 불안정성의 결과로 나타나는 테일러 원뿔 현상이 있다.


최 교수 연구팀이 이번 실험에 활용한 플라즈마 제트에서는 ‘플라즈마 총알’로 불리는 고속의 이온화 파동과 전기바람이 발생하는데, 연구팀은 이들의 특성을 이용해 물 표면의 불안정성을 줄일 수 있었다.


연구팀이 활용한 플라즈마 제트는 최근 여러 학제간 연구 분야에 다양한 목적으로 활용되고 있다.


최원호 교수는 “이번 연구의 결과는 플라즈마에 대한 과학적 이해를 높이는 동시에 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대할 것”이라며, “플라즈마 의료, 생명, 농업, 식품, 화학 등 여러 분야의 기술 개발에 크게 기여할 것”이라고 말했다.


▲플라즈마 생성 유무에 따른 물 표면의 변화를 보여주는 실험 사진 <출처 : KAIST>

/조상록 기자(mandt@hellot.net)

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