- 원자력硏, 학계 난제인 플라즈마 내 더스트(Dust) 입자 운동 원리 규명 -

- 네이처 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’에 연구결과 게재 -

  □ 플라즈마란 기체 상태의 물질에 높은 에너지가 가해져 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태를 말한다. 기체에서 비롯되나 물리적 성질이 완전히 다르기 때문에 고체, 액체, 기체와 더불어 ‘제 4의 물질 상태’로 불린다.

    ㅇ 플라즈마 내 미세먼지 입자를 제거하는 것은 매우 중요하다. 오늘 날 첨단 전자기기에 쓰이는 반도체 소자를 만들기 위해서는 ‘반도체 공정 플라즈마’라 불리는 공정 과정을 반드시 거치는데, 플라즈마를 이용하면 10nm(나노미터. 1nm=10억분의 1m) 수준까지 제조 공정이 가능하다. 이 때문에 반도체 소자의 소형화와 정밀도 향상에 직결되는 기술로 인정받는다.

    ㅇ 그런데 반도체 공정 과정 중 플라즈마 내 미세먼지 입자가 유입될 경우 공정 중인 웨이퍼에 착상될 위험이 있으며, 만에 하나 착상될 경우에는 제품폐기 등 경제적 손실이 발생한다. 이 때문에 미세먼지 입자의 운동 원리를 연구하는 것은 이 같은 위험을 제거하는 출발점이기도 하다.

  □ 플라즈마 내 미세먼지 입자 제거에 근간이 되는 ‘더스트(dust) 입자 운동 원리’를 국내 연구진이 규명해냈다. 한국원자력연구원은 원자력데이터센터 채길병 박사가 플라즈마 상태에서 더스트 입자를 생성시킨 후, 이들의 소용돌이 운동과 정렬 현상을 규명하는데 성공하여 해당 성과가 세계적 학술지인 네이처의 자매지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’ 에 게재됐다고 10월 21일 밝혔다.

  □ 채 박사는 실험을 통해 비구형 더스트 입자들이 플라즈마 내부에서 발생하는 전기장과 이온의 흐름에 의해 소용돌이치는 현상과 이후 해당 입자들이 정전기적 상호작용을 통해 정렬 및 자전 운동하는 것을 발견해냈다. 이번 연구는 극저온 플라즈마 발생장치를 통해 비구형·프랙탈 모양의 얼음 더스트 입자를 생성하고 관찰함으로써 플라즈마 상태의 우주 대기와 유사한 환경에서 진행되었다는 점에서 큰 의의를 갖는다.

    ㅇ 플라즈마에 존재하는 더스트 입자는 대부분 비구형이나, 학계의 많은 이론들이 계산상의 편의를 위해 이를 구형으로 가정하고 있다. 이러한 차이는 실제 입자 운동 관찰 결과와 수리적 계산의 차이가 해소되지 않는 학계 난제의 원인으로 지목돼 왔다.

    ㅇ 비구형 더스트 입자의 소용돌이 현상은 이제껏 학계에 보고된 바가 없으며 채길병 박사의 이번 연구를 통해 운동 현상과 원리가 최초로 규명되었다. 또한, 이론적으로 구형 더스트 입자에선 관찰이 불가능한 자전 운동에 대해 실제 비구형 입자를 토대로 관찰에 성공하여 플라즈마 내 미세먼지의 운동 원리를 실제에 가깝게 입증해낸 것으로 평가받는다.

  □ 한국원자력연구원 채길병 박사는 “이번 연구는 학계에서 통용되던 구형 더스트 입자 가설의 오류를 증명하고, 비구형 입자 형태를 적용하는 것이 타당함을 입증한 것”이라며, “플라즈마 내 미세먼지의 운동 원리를 학문적으로 규명한 이번 성과를 바탕으로, 향후 플라즈마 공정 과정에서 발생하는 미세먼지를 제어하는 등의 기술적 성과 창출을 위한 융합 연구와 플라즈마 상태의 극한환경 연구 주제인 우주과학 분야에 도전할 계획이다.”라고 말했다.

※ 붙임1

​극저온 플라즈마 발생장치 사진 1부.

비구형·프랙탈 얼음 더스트입자 사진 1부.

※붙임2 : 채길병 박사 이력