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플라즈마

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201610.11

SDBD 플라즈마와 오색번개

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/596

 

플라즈마는 거대 실험시설이 아니더라도 간단한 실험 장치를 통해 그 빛을 확인할 수 있다.
SDBD 플라즈마의 경우 전극의 모양에 따라 전체 플라즈마의 형상을 조절할 수 있고,
사용되는 가스의 종류를 선별하여 플라즈마의 색을 선택할 수도 있다.

 

 모든 플라즈마가 그럴 필요는 없지만 일반적으로 우리가 다루는 플라즈마는 모두 육안으로 확인할 수 있는 빛을 낸다. (우주의 모든 원자는 항상 전자기파를 방출한다.) 플라즈마 발생에 사용된 가스의 종류, 압력과 사용된 전원에 따라 플라즈마가 내는 빛의 색이나 형태가 매우 다양하다.

 

 이번에 소개할 면방전 플라즈마 발생원 (Surface Dielectric Barrier Discharge, SDBD)은  주로 항공기의 날개가 고각이 될 때 날개의 후류에 발생하는 난류를 제어하기 위한 플라즈마 Actuator로 많은 연구가 이루어져 왔다. 그 발생 원리와 제작이 매우 간단하기 때문에 저렴하게 실험 장치를 제작하고 연구할 수 있어 연구의 접근이 비교적 어렵지 않다. 

 

        ▲(좌) He(헬륨) 기체를 이용한 SDBD 플라즈마 / ▲(우) Ar(아르곤) 기체를 이용한 SDBD 플라즈마

 

 SDBD 플라즈마 발생 전극은 세라믹판과 같은 유전체 판의 양면에 면적, 형상 등이 다른 금속전극을 배치하고 있으며, 두 전극 사이에 전압을 인가하여 유전체의 표면에 형성되는 전기장을 통해 플라즈마를 발생시킬 수 있다. SDBD 전극에서 발생되는 플라즈마는 유전체면과 접하는 금속전극의 가장자리에서 노출된 유전체면 방향으로의 방사형으로 전파되는데, 여기에 전극의 모양에 따라 전체 플라즈마의 형상을 조절할 수 있고, 사용되는 가스의 종류를 선별하여 플라즈마의 색을 선택할 수도 있다.

 

 또한 가스의 종류와 사용되는 전압의 특성을 조절하면 플라즈마가 Glow 방전과 같이 전면에 고르게 발생되게 할 것인지 아니면 뇌우에서 번개가 치듯 여러 갈래의 방전채널을 가진 플라즈마를 발생시킬 것인지 등의 방전의 종류를 조절할 수 있다. 대기압 조건에서 SDBD 플라즈마를 발생시키는 경우에는 플라즈마 방전 채널 내의 하전입자들의 이동에 의하여 방전채널 주변에 Electric Wind라고 하는 유체 유동을 유발한다.

 

 SDBD 전극과 약간의 분말을 이용하여 플라즈마를 발생시키면 다양한 연출이 가능한 플라즈마 발생원을 제작할 수 있다. 유동생성 능력이 약하지만 밝고 화려만 Ar, He 기체와 밝기가 약하지만 유동생성 능력이 뛰어난 N2, SF6 기체를 적절한 비율로 혼합한 기체를 이용하여 플라즈마를 발생 시키면 밝기도 적당하고 분말의 유동도 유발할 수 있는 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

 

 ▲ 자가분말유동 SDBD 플라즈마

 

 비록 이번에는 제한된 시간과 자원으로 NFRI 로고를 새겨 넣은 홍보용 플라즈마 발생원을 제작하였지만 앞으로 더욱 재미있고 다양한 연출이 가능한 장치제작도 시도해 보고 싶다. 마치 조리법과 재료의 배합에 따라 맛과 향이 어떻게 달라지는지를 잘 아는 요리사가 새로운 요리를 만들어 내는 것처럼.

 

 

※해당 콘텐츠는 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터 석동찬 연구원이 작성하였습니다.

 

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