국내 연구진이 물에 플라즈마를 발생시켜 플라즈마처리수(水)를 만드는 과정에서 그동안 알려지지 않았던 물과 플라즈마의 상호작용 원리를 밝혀냈습니다. 이는 향후 농식품 산업에 활용가능한 플라즈마 처리수 개발을 가속화 할 전망입니다.
물질의 4번째 상태라고 불리는 플라즈마는 기체에 강한 전극을 가해 원자핵과 전자가 분리된 이온화된 기체상태를 말합니다. 플라즈마는 반도체, 디스플레이 등 첨단산업 뿐 아니라 환경, 의료, 농·식품 등의 다양한 산업에 전반적으로 활용도가 높아 주목받습니다. 특히 플라즈마처리수(水)는 수질정화와 살균, 질소 비료 공급 등의 효과 덕분에 농식품 분야에 활용하기 위한 연구가 활발한데요. 하지만 플라즈마와 물 사이에서 일어나는 상호작용이 명확하게 규명되지 않았다는 점이 상용화의 한계였습니다.
국가핵융합연구소의 플라즈마 기술연구센터 김성봉 책임연구원과 윤성영 선임연구원이 주도한 이번 연구는 이 한계점을 극복한 연구입니다. 플라즈마와 물 사이의 상호작용을 규명해 냈는데요. 연구팀은 대기압 플라즈마를 물에 접촉시켜 플라즈마 처리수를 만드는 과정에서 전기장으로 인한 물의 표면 형상변화과 이에 따른 플라즈마의 특성변화를 연구했습니다. 그리고 광학·화학적 진단과 수치해석을 통해 정량적으로 비교하는데 성공했습니다.
연구팀에 따르면, 물 분자는 극성을 띠고 있어 외부 전기장에 따라 형상이 변하게 되는데, 플라즈마로 물을 처리하는 경우 물의 표면장력이 감소하고 이 때문에 형상 변화가 일어난다는 겁니다. 또한 이러한 물의 심화된 형상변화와 전기전도도의 증가는 접촉하는 플라즈마의 특성도 바꿔놓는다는 사실을 발견했습니다. 일반적으로 물에서는 비교적 기체 온도가 낮은 글로우 플라즈마가 발생되지만, 플라즈마로 인해 성질이 변화된 플라즈마처리수(水)에서는 전류 밀도가 커지는 아크 플라즈마가 발생된다고 합니다.
이러한 발생 플라즈마의 변화는 플라즈마와 물질 간의 반응을 통해 생성되는 화학종의 종류도 다르게 만든다고 합니다. 화학종은 그 종류에 따라 특성이 달라지기 때문에 정화와 살균 등에서 원하는 효과를 낼 수 있는 플라즈마처리수를 만들기 위해서는 플라즈마와 반응물질 간의 변화에 대한 연구가 꼭 필요했습니다.
연구팀은 이번 연구결과를 바탕으로 플라즈마가 형성하는 화학종의 종류 및 양을 효율적으로 제어하는 기초원리를 제공하리라고 기대합니다. 핵융합연구소 유석재 소장은 "이번 연구결과로 플라즈마 처리수 생성 장치 개발을 가속화 할 수 있게 됐다"며 "빠른 시일 안에 농·식품 분야에서 플라즈마 기술을 상용화해 이 기술을 기반으로한 새로운 시장이 창출되기 바란다"고 전했습니다. 이 연구는 <사이언티픽 리포트>에 게재됐습니다.
