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플라즈마

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201808.22

물과 플라즈마의 연결고리 밝히다.

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/842

 물질의 네 번째 상태라 불리는 플라즈마는 기체에 강한 전극 등을 가해 원자핵과 전자가 분리된 이온화 된 기체 상태를 말합니다. 플라즈마는 반도체, 디스플레이 등 첨단산업뿐 아니라 환경, 의료, 소재 등 다양한 산업 전반에 활용할 수 있어 관심이 높아지고 있는 분야인데요.

 

 국내 유일의 플라즈마 전문 연구기관인 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터는 특히 플라즈마 기술을 농식품 산업 전반에 활용하고자 하는 플라즈마 파밍(Farming) 기술 연구를 활발히 추진하며, 이를 통한 농가의 소득 증대 및 국민건강 증진을 위해 노력하고 있습니다.

 

'농장에서 식탁까지' 전주기에 포괄적으로 플라즈마기술을 적용하는 것을 '플라즈마 파밍(Plasma Farming)'이라고 한다.

 

 최근 플라즈마기술연구센터 연구진들은 농식품 산업 전반에 다양하게 활용 될 수 있는 플라즈마처리수(水)를 만드는 과정에서 그동안 상세하게 알려지지 않았던 물과 플라즈마의 상호작용 원리를 밝히는 데 성공해 학계의 주목을 받았습니다. 

 

 플라즈마처리수는 일반 물에 플라즈마를 반응시켜 만든 것으로 수질 정화, 살균, 질소 비료 공급 등의 효과가 있어, 이를 농식품 산업 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만 플라즈마와 물 사이에서 일어나는 상호작용이 명확하게 규명되지 않아 실제로 산업에 적용하기에는 한계가 있었는데요.

 

 플라즈마기술연구센터 혁신기술연구부 연구진은 대기압 플라즈마를 물에 접촉시켜 플라즈마처리수를 만드는 과정에서 전기장에 의한 물의 표면 형상변화와 이에 따른 플라즈마의 특성변화를 확인할 수 있었습니다.

 

물에 플라즈마 처리를 하면 표면장력이 (a)에서 (d)로 감소함에 따라 플라즈마 처리수 표면의 변형이 증가하는 모습

 

 연구 결과에 따르면 실제 물 분자의 경우 극성을 띄고 있어 외부 전기장에 따라 형상이 변화하는데, 플라즈마로 물을 처리하는 경우 물의 표면장력이 감소하여 형상변화가 심화되며, 전기전도도가 증가하였습니다.

 

 또한, 이러한 물의 특성변화는 물에 접촉하는 플라즈마의 특성도 바꿔놓는다는 사실도 확인할 수 있었습니다. 일반 물에서는 비교적 기체 온도가 낮은 글로우 플라즈마가 발생하지만, 플라즈마 처리를 통해 물이 플라즈마처리수가 되면 전류밀도가 커지는 아크 플라즈마가 발생했습니다.

 

 더욱 중요한 것은 이렇게 발생한 플라즈마가 변화한다는 것은 플라즈마와 물질 간의 반응을 통해 생성되는 화학종의 종류도 다르게 만든다는 것입니다. 화학종은 플라즈마처리수가 정화, 살균 등 각기 다른 효과를 내게 만드는 핵심으로 원하는 효과를 내는 플라즈마처리수를 만들기 위해서는 이번 연구 성과와 같은 플라즈마와 반응물질 간의 변화에 대한 이해가 필수입니다.

 

물의 표면장력이 (a)에서 (d)로 감소함에 따라 플라즈마가 한곳으로 쏠리는 현상이 발생하고 특성도 변한다. 

 

 연구진은 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 있습니다.

 

 이와 같은 연구 성과는 ‘핀-액체 교류 방전에서 플라즈마와 물 특성의 상호작용(Mutual Interaction between Plasma Characteristics and Liquid Properties in AC-driven Pin-to-Liquid Discharge)’이라는 제목의 논문으로 발표되어 지난 8월 13일 저명 국제학술지인 ‘사이언티픽 리포트’ 온라인판에 게재되었습니다.

 

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

 

연구 참여자들(왼쪽부터 전형원, 윤성영, 김성봉, 이창호, 유승민 연구원)

 

 혁신기술부 연구진은 그동안에도 플라즈마와 액체의 상호작용 연구 분야에서 우수한 결과를 국제 학술지에 지속적으로 보고해왔는데요. 우리나라를 비롯한 세계 곳곳의 나라에서 농식품에 플라즈마 기술을 적용하는 연구가 활발히 진행되고 있는 만큼, 앞으로도 우리의 연구진들이 건강한 먹거리를 위한 플라즈마-농식품 연구 분야에서 중요한 역할을 담당하길 기대합니다.

 

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