Part 3. 판타스틱 플라스마 월드

플라스마 엔지니어링 ➊ 저온 플라스마

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“플라스마는 판타스틱하다” 플라스마 엔지니어들은 흔히 플라스마가 기막히게 좋은 굉장한 물질 상태이며, 기상천외한 매력을 가지고 있다고 말한다. 이유는 이렇다. 플라스마는 그동안 기체를 사용하던 거의 모든 분야에 적용할 수 있으면서, 기체와 달리 전기장과 자기장으로 제어가 가능하다. 게다가 물질의 최소입자라는 원자를 원자핵과 전자로 한 번 더 쪼개서 따로따로 쓸 수 있다. 이 과정에서 빛도 나오고 화학반응을 활성화시키는 중성입자도 생긴다. 플라스마 엔지니어링은 이 모든 것들의 물리, 화학 반응을 조합한다. 그 활용 범위가 얼마나 넓어질지 현재로선 다 예측하기 어렵다.
 
 
재료의 변신을 돕는 플라스마

● 반도체


2년마다 반도체 성능이 2배로 발전한다는 ‘무어의 법칙’은 플라스마 덕분에 가능했다. 반도체 제작 공정에서 원료인 실리콘웨이퍼를 씻고(클리닝), 그 위에 전자회로를 깎고(에칭), 원하는 물질을 쌓는(증착) 과정의 80%는 플라스마를 이용하기 때문이다. 반도체에 나노미터 단위의 전기회로를 새기기 위해서는 정교한 ‘칼’이 필요한데, 아르곤, 헬륨과 같은 물질의 플라스마가 그 역할을 한다. 온도가 상온~1000℃인 저온 플라스마에 전기장을 가해 그 안에 있는 양이온을 가속시켜 실리콘웨이퍼의 원하는 위치에 원하는 방향으로 부딪히도록 조작한다. 양이온이 구멍을 파낸 곳에 전하를 일시적으로 저장할 수 있는 축전기(캐패시터) 물질을 넣으면 그것이 하나의 비트다. 이것을 ‘건식 공정’이라고 한다. 방향성이 없는 화학적 에칭으로는 불가능한, 나노미터 단위의 공정에 필수적인 기술이다.

● 기능성 운동복

기능이 뛰어난 운동복의 원단은 외부로부터는 방수가 잘 되면서(소수성) 옷 안쪽의 땀은 잘 배출하는(친수성) 특성을 가지고 있다. 여기에도 플라스마 기술이 있다. 물질이 플라스마 상태가 되면 원자들 중 일부가 양이온과 전자로 쪼개지고 일부는 중성입자(라디칼)가 된다(특히 온도가 낮은 저온 플라스마에서는 원자의 0.1%만 이온화되고 나머지는 중성입자로 남는다). 이 중성입자들은 대개 반응성이 크다. 섬유 표면에 닿으면 표면의 원자들과 먼저 화학결합을 일으켜 섬유 원자가 다른 물 분자와 결합하지 못하게 막는다. 이 방법을 통해 원단의 바깥 면을 방수처리한다.
 
● 자동차 코팅

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자동차의 번쩍이는 범퍼는 플라스마 코팅이 돼 있다. 부식이나 마모를 예방하기 위서다. 플라스마 코팅을 할 때는 온도가 수천℃까지 올라가는 열플라스마 토치를 사용한다. 깃털처럼 펄럭이는 플라스마 토치에 코팅하려는 금속이나 무기질 입자를 부으면, 플라스마 입자에 의해 금속 입자들이 빠른 속도로 가열되면서 자동차 표면에 달라붙는다. 플라스마 내부에 있는 반응성이 큰 중성입자들은 화학반응을 일으켜 코팅 물질이 차 표면에 더 단단하게 붙을 수 있도록 돕는다. 플라스마 코팅은 부품에도 적용할 수 있다. 포드자동차 연구혁신센터는 지난해 12월 엔진을 플라스마로 코팅해서 재사용하는 기술을 발표했다. 이는 최근에 선보인 신형 머스탱 쉘비 GT 350R과 같은 고성능 모델을 강화하기 위해 개발됐다.

 
환경을 지키는 플라스마

● 소각 장치

생활 쓰레기 소각장은 도시의 큰 골칫거리다. 대부분의 주민들이 자신의 동네에 소각장을 짓는 걸 격렬히 반대하기 때문이다. 소각 과정에서 다이옥신과 같은 여러 가지 발암물질 기체가 만들어진다는 것이 이유다.

생활 쓰레기 물질을 완전히 분해하기 위해서는 소각로 내부 온도를 2000℃ 이상 높여야 하는데, 일반 소각로는 온도를 2000℃ 이상 올리지 못한다. 온도가 어중간할 때는 오히려 타지 않고 남은 물질들끼리 화학반응을 일으켜 유해한 물질이 만들어질 수 있다. 그러나 열플라스마를 이용하면 소각로의 온도를 1만℃까지도 올릴 수 있다. 플라스마 자체의 온도가 높은 데다, 플라스마 상태의 입자들이 주변 공기 입자와 충돌하면서 온도를 한층 더 끌어올린다. 문제는 가격이다. 생활 쓰레기를 매립하는 비용이 보통 1t 당 4만~5만 원이라면, 일반 소각은 12만~15만 원, 플라스마 소각은 17만 원이 든다. 경제성이 없으니 포기할지, 미래를 위해 연구에 투자할지 선택은 우리의 몫이다.
 
● 방사성폐기물 처리

핵발전소에서 사용한 의복과 장갑 같은 중저준위폐기물은 전용드럼에 담아 지하동굴에 보관한다. 그러나 저장할 수 있는 용량이 한계가 있는 데다, 오랜 시간이 지난 뒤에 방사성 물질이 지하수 등에 침출될 수 있다. 플라스마가 여기에도 해결책을 제안했다. 고온의 열플라스마로 중저준위폐기물을 소각해 방사성핵종만 남긴 뒤(플라스마 소각), 이것을 플라스마로 녹인 유리계열의 물질로 코팅해서 전용드럼에 담아 버리는 ‘플라스마 유리화’ 방법이다. 유리로 코팅된 방사성폐기물은 녹거나 샐 염려가 없다(유리 물질을 녹이는 일은 열플라스마로만 할 수 있다). 아직 연구단계지만 수년 내 실제로 적용될 전망이다.
 
● 공기·물 정화기

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플라스마는 공기 중의 바이러스나 미세먼지와 같은 오염물질을 제거하는 데도 쓸 수 있다(흔히 말하는 음이온 공기 정화기도 여기에 해당된다). 원리는 간단하다. 플라스마입자들을 공기 중의 오염물질과 부딪히게 하면 된다. 플라스마 입자는 보통 큰 에너지를 가지고 있기 때문에 물질을 분해할 수 있다. 플라스마의 이런 기능은 자동차 배기장치, 담배의 필터 등에 다양하게 쓸 수 있다.

최근에는 플라스마 입자를 물속에서 활용하는 연구도 진행 중이다. 국가핵융합연구소는 2014년 수중 모세관 플라스마 장치를 개발했다. 이 장치는 수조의 물속에 작은 기포를 만들고 그것을 플라스마 상태로 만든다(얼핏 탄산수 제조기처럼 보인다!). 수중 플라스마는 물속 오염물질을 분해할 수 있고, 양이온과 전자로 폐기물에 녹아있는 극성을 띤 희귀금속을 걸러낼 수도 있다. 해수를 담수로 바꾸는 전처리용 장치에도 활용될 전망이다.

건강을 가꾸는 플라스마

● 치아 미백·기미 치료

치아 미백, 임플란트 표면 개질, 기미 제거 등 기존에 레이저로 하던 시술을 최근에는 플라스마가 대신하고 있다. 피부의 기미는 수소와 탄소로 이뤄져 있는데, 여기에 플라스마를 쪼이면 플라스마 내부의 반응성이 큰 중성입자가 수소와 결합한다. 남은 탄소는 공기 중의 산소와 결합해 이산화탄소 형태로 날아가 버리고, 결과적으로 기미가 분해된다.

플라스마 원리를 이용한 피부미용기기도 개발됐다. 피부 아래 콜라겐층을 저온 플라스마 속 입자로 자극해 콜라겐 세포들이 불어나도록 하는 원리다. 기기 제조업체에서는 이것을 사용하면 피부의 흡수력이 증대돼 ‘화장이 잘 받는다’고까지 광고하고 있다. 과학적 실험을 통한 객관적인 효과 검증이 숙제로 남아있다.
 
● 디스크 분해 의료장비

김곤호 서울대 원자핵공학과 교수팀은 이상헌 고려대 의대 교수팀과 함께 플라스마를 이용해 디스크(추간판) 탈출증 환부를 제거할 수 있는 장치를 2010년 개발했다. 플라스마를 생성할 수 있는 두 개의 전극을 튀어나온 추간판 가까이 삽입하고 전압을 걸면 높은 열과 수증기가 만들어 진다. 이때 수증기가 플라스마 상태가 되면서 수산화 이온과 활성도가 큰 중성입자가 나온다. 연구팀은 이것으로 마치 오염물질을 분해하듯 튀어나온 추간판을 분해시켰다(doi: 10.1088/0963-0252/21/5/055017). 기존에도 레이저나 전기를 이용해 태우는 기술이 있었지만 온도가 300~400℃에 불과했다. 타고 남은 재가 몸속에 남아 2차 감염을 일으킬 위험도 있었다. 하지만 이온과 중성입자를 이용하면 추간판을 완전히 분해하면서 마지막엔 물 분자만 만들어져 안전하다. 가까운 미래에는 플라스마가 암 세포 치료에도 활용될 계획이다. 플라스마를 발생시키는 내시경으로 몸속의 암 세포를 분해시키거나, 플라스마와 함께 나오는 빛(자외선)을 암 세포에 쪼이는 방법 등 다양한 연구가 이뤄지고 있다.

식탁 위의 플라스마

● 농작물 씨앗 처리

예로부터 조상들은 번개가 많이 치는 늪지대에서 식물이 잘 자란다는 사실을 알고 있었다. 이는 플라스마로 설명할 수 있다. 번개가 치면 아주 짧은 시간 동안 공기가 플라스마 상태가 되는데, 이때 질소가 질산 이온이나 아질산 이온 형태로 식물에 고정된다. 이는 천연 비료의 원료가 된다. 최근에는 이런 원리를 실제 농식물 발아에 활용하기도 한다. 국가핵융합연구소는 플라스마 장치로 질산 이온과 아질산 이온 등을 포함한 방전수를 만들어 농식물에 공급하고, 비료 효과로 농식물의 생장을 촉진할 수 있는지 연구 중이다.

한편 플라스마로 콩이나 오이, 토마토 같은 종자의 발아와 생장을 촉진하기도 한다. 고추나 오이 종자의 씨앗에 저온 플라스마를 쪼일 경우, 발아율과 생장률이 증가한다는 연구결과가 많다. 플라스마 처리한 씨앗을 처리하지 않은 것과 비교한 결과, 병원균에 저항성을 가지는 유전자 및 단백질이 더 발현되는 것으로 조사됐다(doi: 10.1038/srep05859).

● 농식품 살균

공기, 물 정화에 쓰이는 플라스마의 살균 기능을 먹거리에도 적용한다. 수증기를 방전시켜 플라스마 상태로 만들면 수산화이온이 만들어지는데, 반응성이 매우 커서 소독약 역할을 한다(과산화수소와 같은 원리다).

탄소와 수소로 구성된 박테리아와 수산화 이온이 만나면 수산화 이온과 수소가 결합하면서 박테리아가 분해된다. 수소와 결합한 수산화 이온은 물 분자로 증발하기 때문에 살균 후에 농약처럼 잔류하는 물질이 없다는 게 장점이다.
 

● 농식품 저장

감귤, 딸기 등의 과일을 동남아 지역에 수출할 때 가장 큰 문제는 부패다. 과일을 4℃NFRI이하의 온도로 신선하게 운반해도 검역 과정에서 포장을 열면 따뜻하고 습한 공기가 과일 표면에 닿아 부패가 시작되기 때문이다. 이때 플라스마가 해결책이 될 수 있다. 플라스마로 처리해 진공 포장하는 방법이다. 실험결과 딸기에 플라스마를 쪼인 뒤 헬륨 가스로 포장한 경우, 일반 진공 포장을 했을 때보다 곰팡이균의 번식이 훨씬 적은 것으로 나타났다. 운반 온도도 조금 높일 수 있어 포장 온도를 낮추는 데 드는 에너지를 절약하는 효과도 있었다.


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“플라스마 엔지니어링은 이론보다 열정”

플라스마가 실제 산업에 사용되는 모습을 두 눈으로 보고 싶었다. 이왕이면 잘 알려지지 않은 새로운 분야이길 원했다. 그렇게 찾아간 곳이 열플라스마 가공업체 ‘플라즈닉스’였다. 2월 12일, 인천 남동공단 43B-3L 건물을 찾았다. 10명 남짓의 연구원들과 백광현 플라즈닉스 대표가 기자를 반갑게 맞았다.

Q 공장 1층에 기계가 가득하던데요.


열플라스마를 이용해서 새로운 나노 구조 물질을 만들어내는 기계들입니다. 저흰 주로 1만℃ 영역대의 열플라스마를 쓰는데요. 이걸로 어떤 물질이든 기체로 만들 수 있습니다. 기체가 된 원료를 적절히 잘 냉각시키면 원자가 하나씩 붙으면서 나노 물질이 스스로 조립됩니다. 냉각되는 속도를 조절하고 화학 물질을 첨가해 원하는 표면 특성을 가진 나노 물질을 얻어내는 것이 저희가 하는 일입니다. 그밖에 열플라스마로 실리콘을 기체로 바꿔서 방사성 저준위폐기물을 유리로 코팅하는 기술도 연구하고 있습니다(90쪽 참조_환경을 지키는 플라스마).
 
Q 만들어진 나노 물질은 어떻게 쓰이나요?

저희는 주로 이차전지를 만드는 업체와 협업하고 있습니다. 에너지 저장 특성이 좋은(충전이 오래 가는) 나노 구조의 새로운 배터리 물질을 만드는 거죠. 그런데 솔직히 말해 아직까지 나노 물질 자체가 산업에 많이 쓰이고 있는 건 아닙니다. 연구하는 쪽과 이론을 적용하는 쪽의 협업이 좀 부족한 것 같습니다. 당연히 돈도 안 됩니다(웃음).

Q 플라스마 기업인데 화학 쪽 일이 더 많은 것 같아요.

학부 때 원자핵공학과에서 플라스마를 공부했기 때문에 이 분야로 창업을 했지만 플라스마 이론을 접어둔 진 꽤 오래됐습니다(웃음). 플라스마를 실제 산업에 적용하려면 플라스마의 물성을 이해하는 것도 중요하지만, 플라스마가 만든 결과물이 이후에 어떤 화학적 특성을 갖는지 아는 것이 굉장히 중요합니다. 플라스마를 화학 또는 기계, 항공우주공학과 결합하는 실력이 앞으로 더 중요해질 거라고 봅니다.

Q 잘 알려지지 않은 플라스마를 주제로 중소기업을 운영하는 데 어려움은 없나요?

2001년 회사를 처음 창업했는데, 되돌아보면 새로운 분야를 개척한다는 건 가장 큰 어려움인 동시에 가장 큰 동력이었습니다. 레퍼런스가 없다는 건 우리가 레퍼런스가 될 수 있다는 뜻이기도 하니까요. 연구원을 뽑는 것도 문제 없습니다. 플라스마 엔지니어링은 이론으로 풀어야 하는 문제보다 열정으로 풀어야 하는 문제가 훨씬 많습니다. 일본에서는 대학 교수뿐만 아니라, 자기 일에 미친 회사원이 노벨상을 받기도 하잖아요. 큰 회사는 아닐지 몰라도 재밌게 미쳐 일할 수 있는 회사를 만들 자신은 있습니다.


빛을 내는 플라스마

● 야구장 조명탑

최근 LG전자가 LG트윈스 2군 시설인 이천 스포츠 콤플렉스에 PLS(플라즈마 라이팅 시스템) 조명탑을 설치했다. 물질이 플라스마 상태가 되면 원자가 양이온과 전자로 분리되면서 전자가 에너지를 얻어 여기(들뜬) 상태가 된다. 이중 일부는 곧 에너지를 잃고 원래 상태로 되돌아 가는데, 이 과정에서 일정한 파장의 전자기파가 나온다. 플라스마 조명과 대형 플라스마 디스플레이, 레이저 등은 모두 이 같은 원리를 이용한 것이다.

플라스마 조명은 다른 인공 광원과 달리 태양과 흡사한 연속적인 빛을 낸다. 플라스마 속에 양이온과 전자가 무수히 많다보니, 이온화돼 있던 전자가 에너지를 잃고 양이온과 결합하거나, 다른 입자들과 부딪혀 빛을 내는 일이 연속해서 일어나기 때문이다. 만들어진 빛은 다양한 파장대를 가지고 있다.

이것이 야구장에 쓰이면 선수들은 야간에도 공을 좀 더 선명하게 볼 수 있다. 아르곤을 원료로 하는 플라스마는 녹색파장 대역의 빛이 많이 나오기 때문에 잔디를 더 선명한 녹색으로, 공을 더 뚜렷한 흰색으로 구분하는 데도 도움이 된다.

● 가속기와 이온 추진 엔진

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플라스마에서 양이온이나 전자만 따로 빼내 ‘빔(beam)’처럼 사용할 수도 있다. 대표적인 것이 입자 가속기다. 입자 가속기는 플라스마에 전기장과 자기장을 걸어 원하는 입자를 빔 형태로 걸러낸다. 걸러진 입자를 가속시켜 다른 물질에 쪼이면 그 물질의 물리량과 구성 물질 등을 알아낼 수 있다.

입자 가속기 기술은 미래형 우주 로켓인 이온 추진 로켓에 활용할 수 있다. 이온 추진 엔진의 원리는 양이온 가속기의 원리와 동일하다. 가스형 원료를 플라스마 상태로 만든 뒤, 양이온을 걸러내 불꽃처럼 뿜어낸다. 우주에 액체, 고체 연료를 무겁게 싣고 올라갈 필요가 없다. 이온의 운동에너지가 크기 때문에 밀도를 적절히 높이면 무중력 상태에서는 충분한 추진력을 낼 수 있다. 현재는 인공위성 등이 궤도를 수정할 때 플라스마 추력기를 사용하고 있다.

● 광선검

최근 개봉한 영화 ‘스타워즈 : 깨어난 포스’에 등장하는 광선검을 재현할 수 있는 기술로도 현재로선 플라스마가 가장 유력하다. 강력한 전원 장치와 길고 가느다란 필라멘트로 칼 모양의 플라스마 발생 장치를 만드는 것이다. 전원을 켜면 필라멘트가 밝아지면서 주변 기체가 플라스마 상태가 되는데, 높은 온도에 에너지가 커서 마치 칼처럼 물건을 자를 수 있다(필라멘트 주변에 플라스마가 유지되는 시간이 번개처럼 짧고, 물건이 잘리는 데는 그보다 긴 시간이 걸리기 때문에 구현하기가 굉장히 힘들 것이다). 주변 기체를 어떤 것을 사용하느냐에 따라 플라스마의 색깔도 바꿀 수 있다. 예를 들어 제다이 기사들이 사용하는 녹색 광선검은 염소, 전편의 악당 시스가 쓰는 붉은색 광선검은 헬륨 플라스마를 사용하면 된다.



▼관련기사를 계속 보시려면?

Intro. 플라스마 엔지니어링
Part 1. ‘제4의 상태’ 플라스마의 모든 것
Part 2. 우주는 거대한 플라스마 실험실
[ Infographic ] 플라스마는 어디에나 있다
Part3. 판타스틱 플라스마 월드
Part 4. 눈 폭풍 비밀 풀면 태양이 뜬다

글 : 이영혜 기자
도움 : 김곤호 서울대 원자핵공학과 교수
도움 : 유석재 국가핵융합연구소(NFRI) 선임단장
과학동아 2016년 04호


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