KAIST, 플라즈마 내 전자 가열 원리 규명...플라즈마 활용도 높여

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국내 연구진이 약전리 플라즈마 제어에 반드시 필요한 '전자 가열 원리' 규명에 성공했다. 이번 연구성과는 플라즈마 활용에 필요한 기반 정보를 제공해 산업현장에서 맞춤형 플라즈마를 구현하는데 크게 기여할 전망이다.

KAIST(총장 신성철)은 최원호 원자력 및 양자공학과 교수팀이 약하게 이온화한 '약전리 플라즈마' 내 전자 상태를 정확하게 진단하는 2차원 영상화 기술을 개발, 전자 가열 원리를 파악하데 성공했다고 26일 밝혔다.

플라즈마 파장에서 얻은 제동복사와 전자가 보이는 시공간 온도 변화
<플라즈마 파장에서 얻은 제동복사와 전자가 보이는 시공간 온도 변화>

플라즈마는 중성기체가 방전을 겪으며 전자와 이온으로 분리된 상태다. 전자가 에너지를 얻는 '전자 가열'로 생성된다. 이 가운데 약전리 플라즈마는 기체 일부만 전자 및 이온으로 분리돼 중성기체와 함께 존재하는 형태다. 에너지가 상대적으로 작아 반도체나 디스플레이 공정에 사용한다.

하지만 약전리 플라즈마는 전자 가열의 원리를 파악하기 어렵다. 플라즈마 내 전자 밀도나 온도 값을 파악해야 하는데 중성기체 압력, 공간전하 밀도, 전기장 분포의 영향으로 정확한 값을 얻을 수 없었다.

연구팀은 약전리 플라즈마 내 전자 밀도 및 온도 영상화 기술을 개발해 문제를 해결했다. '전자-중성입자 제동복사' 기술을 활용했다. 전자-중성입자 제동복사 기술을 이용하면 전자와 중성기체 입자가 접근할 때 발생하는 빛을 측정해 본래 전자가 가진 에너지 평균값을 추정할 수 있다. 전자 수와 밀도도 파악할 수 있다.

최원호 KAIST 원자력 및 양자공학과 교수(사진 왼쪽), 박상후 연구교수(오른쪽)
<최원호 KAIST 원자력 및 양자공학과 교수(사진 왼쪽), 박상후 연구교수(오른쪽)>

연구팀은 이번 연구 성과가 사용자가 원하는 플라즈마를 생성·제어하는 기반이 된다고 설명했다. 전자에 대한 정보를 파악하고 이를 제어해 플라즈마 밀도와 에너지 및 발생 화학종을 조절할 수 있다.

최원호 교수는 “플라즈마 전자 가열 원리를 학문적으로 이용하는데 유용한 기반을 마련했다”며 “새로운 플라즈마 발생원을 개발하고 활용하는데 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com