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물과 플라즈마 간 상호작용 원리 밝혔다

핵융합연, 농식품 산업 활용···플라즈마처리수 개발 가속화
4000V의 동일 전압을 인가했을 때 표면장력이 (a)에서 (d)로 감소함에 따라 플라즈마가 한곳으로 쏠리는 현상이 발생되고 특성이 변한다.<사진=국가핵융합연구소>4000V의 동일 전압을 인가했을 때 표면장력이 (a)에서 (d)로 감소함에 따라 플라즈마가 한곳으로 쏠리는 현상이 발생되고 특성이 변한다.<사진=국가핵융합연구소>

국내 연구팀이 물에 플라즈마를 발생시켜 플라즈마처리수(水)를 만드는 과정에서 그동안 상세하게 알려지지 않았던 물과 플라즈마의 상호작용 원리를 밝혔다.

국가핵융합연구소(소장 유석재)는 김성봉 플라즈마기술연구센터 책임연구원과 윤성영 선임연구원 연구팀이 물과 플라즈마의 상호작용으로 나타나는 특성변화를 확인하고 이를 정량화했다고 22일 밝혔다.

물질의 4번째 상태라 불리는 플라즈마는 기체에 강한 전극 등을 가해 원자핵과 전자가 분리된 이온화 된 기체 상태를 말한다. 플라즈마는 반도체, 디스플레이, 환경, 의료, 농·식품 등 다양한 산업 전반에 활용된다.

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

연구팀은 대기압플라즈마를 물에 접촉시켜 플라즈마처리수를 만드는 과정에서 전기장에 의한 물의 표면 형상 변화와 이에 따른 플라즈마 특성변화를 확인했다. 광학·화학 진단과 수치해석을 통해 이를 정량화했다.

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

이런 변화는 플라즈마 특성 자체에도 영향을 미친다. 보통의 물과 반응하는 플라즈마는 기체온도가 비교적 낮은 '글로우 플라즈마'지만, 이미 어느정도 플라즈마 처리가 된 물은 상호작용 플라즈마를 '아크 플라즈마'로 바꾼다. 플라즈마가 생성하는 화학종도 변화시킨다.

연구팀은 플라즈마가 형성하는 화학종의 종류·양을 효율적으로 제어할 수 있는 기초 원리 제공이 가능해질 것으로 기대하고 있다.

유석재 소장은 "빠른 시일 안에 농·식품 분야에서 플라즈마 기술을 상용화해 농민의 현장 애로사항을 해결할 것"이라며 "미래 농식품 분야에서 플라즈마 기술 기반의 신시장이 창출되기를 기대한다"고 말했다.

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)'에 13일 자로 게재됐다.
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