환경개선에 쓰이는 저온 플라스마 기술


엄환섭



머리말

제우스 신이 타이탄 족을 물리치고 우주의 정복자가 될 때 큰 공헌을 한 프로메시우스가 불을 제우스로부터 훔쳐내어 인류에게 주었다. 이 일로 제우스의 미움을 받게되고 언젠가 제우스에게 체포되어 바위산 봉우리에 매달려 죽게 된 것을 제우스 아들인 헐큐리스가 구해주었다. 제우스의 속박에서 벗어난 프로메시우스는 인류를 다시 질병과 죽음의 상처로부터 구하여 준다. 호랑이 사자와 같은 야수에 비교할 때 아주 가냘프게 태어난 인간에게 불은 모진 겨울을 살아가게 해주는 등 우리의 부족한 점을 보완해 주는 대단히 중요한 것이었다. 인류의 문화가 불을 시발점으로 발전하면서, 인간은 점점 더 불에 중독이 되어 갔다. 이제 우리는 많은 것을 태워 지구의 대기를 오염하고 있다. 이산화탄소를 너무도 많이 방출하여 지구 온난화 현상이 유발되기도 하며 각종 오염물질 방출로 대기의 환경이 파괴되고 있다. 아마도 이러한 것을 예견한 제우스 신이 프로메시우스에게 화를 낸 것으로 생각된다. 그러나, 우리는 이제 불 없이는 더 이상 살 수 없다. 불은 인류문명의 상징이다.

현재 인류의 주된 에너지원이 불이다. 물질을 태우는 과정에 불이 생기며 바로 이 불이 가지고 있는 높은 온도를 에너지의 원천으로 사용하고 있다. 대부분의 불은 과학적으로 산화하는 현상이다. 산소가 태우려는 물질에 붙어 산화물질을 만들면서 에너지를 방출하는 현상이다. 지구 대기의 5분의 1이 산소다. 대기 중에 존재하는 산소는 분자 상태로 되어있다. 산소분자는 산소원자 두개가 분자결합을 하고 있는 것으로서 산소원자보다는 월등히 안전한 상태에 있다. 산소원자가 물질과 산화하는 반응은 분자가 산화하는 반응보다 엄청 빠르다. 예를 들어, 산소분자 속에서 메틸 알코올(methanol)이 탈 때[1]에 산화 방정식은

이며 반응상수 k는

이다. 기체의 온도 T가 절대온도 1300 K라면, 분자의 반응상수는 10－18이 된다. 산소원자 속에서 메틸 알코올이 타면, 방정식은

이며 반응상수 k는

이다. 기체의 온도가 T = 1300 K일 때, 산소원자 속에서 반응상수는 10－11이 된다. 다시 말해서, 기체의 온도가 T = 1300 K일 때에, 산소원자 속에서 메틸 알코올의 산화는 산소분자 속에서 보다 1천만배 빠르다. 기체의 온도가 내려가면 내려갈수록, 산소원자 속에서의 반응이 분자 속에서의 반응보다 상대적으로 더욱 더 빨라지는 것을 위의 두 반응상수에서 볼 수 있다. 산화반응 속도가 모든 것을 지배하는 것은 아니지만, 그래도 속도가 빠른 반응이 더욱 쉽게 산화를 할 것은 분명하다. 만일, 우리가 공기 중의 산소분자를 원자로 분리할 수만 있다면 물질을 태우는데 엄청난 효과를 거둘 것으로 예상된다. 일반적으로 하나의 산소분자를 두개의 산소원자로 분리하는 것은 쉬운 일이 아니다. 그러나 플라스마를 쓰면 쉽게 산소분자를 분리할 수 있다.

지구상의 대부분의 물질은 전기적으로 중성인 원자나 분자 상태로 되어있다. 특수한 상황에서 음전기를 띈 전자가 원자나 분자로부터 분리되어 양전기를 띈 이온과 혼돈상태로 섞여있는 것이 플라스마이다. 그래서, 플라스마는 고체, 액체, 기체에 이어 이온화된 제4의 물질상태로도 불린다. 공기를 이온화하여 플라스마를 만들면, 대량의 산소분자 이온이 생기는데 이 산소분자 이온은 플라스마 속에 섞여있는 전자를 만나서 재결합하려고 한다. 그런데 바로 이 결합 때, 전기적으로 중성인 산소분자로 되는 것이 아니고 두개의 산소원자로 되는 것이다. 이러한 현상을 분리 재결합이라고 한다. 태우려는 물질이 갓 생성된 산소원자들 주위에 있게되면 지체없이 산화하는 것이다. 그래서 공기 중의 산소분자 플라스마를 많이 만들면 산화가 잘 되며 매연이나 미처 타지 못한 물질이 없이 깨끗하게 消火되는 것이다. 깨끗이 소화하는 장치는 높은 온도를 제공하여 효율이 좋을 것으로 예상된다. 산소분자들이 플라스마 속의 전자들과 충돌을 하면 산소 원자로 분리되기도 하지만 어떤 것들은 높은 에너지 상태의 분자가 되기도 한다. 이러한 들뜬 에너지 상태의 산소 분자들은 역시 대단히 활발하게 다른 물질과 산화반응을 하게 된다. 그래서 공기 중의 산소분자 플라스마를 값싸게 만드는 방법을 찾아야 한다. 최근까지 실시된 기존의 연구에 의한 플라스마 발생 값은 엄청나게 비싸다. 따라서, 플라스마를 환경개선에 응용하는 연구는 대단히 미흡한 상태에 있었다. 대부분의 환경개선은 많은 양의 플라스마를 필요로 하기 때문이다. 우리는 이제 값싸고 쉽게 플라스마를 발생하는 장치를 개발해야만 하겠다.

전자파 플라스마

지난 30여년 동안, 플라스마를 이용한 화학반응이 많이 연구되고 있었다. 화학 처리나 기타 기체 반응을 연구하기 위해서 여러 종류의 활성입자(free radicals)를 생성하고 또한 기체 분자들을 들뜬상태로 만들 필요가 있다. 그런데, 최근에 발표된 미 상무성 특허[2]에 의하면, 전자파 방전은 손쉽게 플라스마를 만들 수 있고 이로 인하여 이러한 활성입자를 대량 생산할 수 있다는 것이다. 전자파를 이용하여 플라스마를 대기 중에서 발생시키면, 비록 플라스마 속의 전자의 에너지가 수만 도라 해도, 중성입자나 이온의 온도는 실온에 불과하다. 중성입자의 온도에 비하여 전자의 온도가 아주 높다는 것이다. 플라스마 속의 전자들은 중성입자들과 상호 작용하여 중성입자들을 들뜬 에너지 상태로 만들기도 하고 때로는 산소 원자와 같은 활성입자를 만들어 내기도 한다. 따라서, 대단히 효율적인 화학반응을 도출할 수가 있어 적은 에너지로 많은 양의 물질을 화학적으로 또는 생물학적으로 처리할 수 있는 것이다. 그래서, 전자파를 이용하여 대기 중에서 플라스마를 생성하는 장치 개발이 필요하다. 가장 손쉽게 시중에서 구입할 수 있는 전자파 발진 장치는 우리 가정에 있는 전자 레인지이다. 모든 전자 레인지 속에는 마그네트론이라는 전자파 발진 장치가 들어 있는데, 산업체에서 대량생산하기 때문에 값이 싸고 손쉽게 구입할 수 있는 것이 특징이다. 마그네트론에서 발진되는 전자파의 진동수는 2.45 GHz이며 전자파의 평균 파워는 1 킬로와트이다. 그런데, 이 마그네트론은 펄스로 가동되고 있으며 가장 높은 순간파워는 3.3 킬로와트가 되기도 한다. 바로 이 마그네트론에서 나오는 전자파를 이용하여 대기 중에서 플라스마를 발생하려는 연구[3,4]가 진행되고 있다. 전자파 플라스마 장치는 공장, 세탁소 등의 실내에 존재할 수 있는 여러 종류의 유독 물질을 제거하는 데에 사용되기도 한다. 공기 청정기로 사용될 수도 있다는 것이다. 뿐만 아니라, 대기를 오염하고 오존층을 파괴하는 공장에서 나오는 프레온 가스를 제거할 수도 있다. 더욱 발전하면, 자동차의 배기 통에서 나오는 모든 대기 오염물질을 제거할 수도 있을 것이다. 전장에서 독가스나 세균을 방어하는 화생방으로서도 사용할 수 있다.

전자파 발생 플라스마로 유독 물질이나 세균을 제거하는 과제에서 가장 중요한 부분은 효율적으로 대기 중에서 플라스마를 만드는 것이다. 그런데, 플라스마를 만들고자 하는 챔버 속에 전자파를 효율적으로 집어넣는 작업이 선행되어야 한다. 상기한 미국 특허를 이용하여 처음으로 전자파 플라스마를 챔버 속에서 1995년에 발생하였다. 그런데, 이 실험에서 전자파가 챔버 속에 들어가는 효율은 5 퍼센트에 불과하였다. 그러나, 발생된 플라스마가 특허에서 예상한대로 독가스와 유사한 유기물질을 95 퍼센트 이상 제거하는 것을 관찰하였다. 상기 특허를 이용하여 가정용 전자 레인지의 마그네트론으로 플라스마를 챔버 속에 발생시키는 실험이 1997년에 실시되었으며,[3] 이 실험에서는 약 70 퍼센트의 전자파가 챔버 속에 들어갔다. 그래서, 전자 레인지의 마그네트론에서 나오는 전자파로 플라스마를 성공적으로 발생할 수가 있었던 것이다. 이 실험에서 약 반 리터의 플라스마가 생성되었으며 역시 독가스와 유사한 유기 물질을 성공적으로 분해할 수 있었다. 예상했던 것처럼, 이 두 실험에서 나오는 배기가스의 온도는 실내 온도와 같았다. 플라스마로 처리되는 동안, 가스의 온도가 전연 올라가지 않았다는 것이다. 그러나, 이처럼 급진적인 발전을 했음에도 불구하고, 이러한 장치가 실용단계가 되려면 발생된 플라스마의 양을 현재보다 적어도 2배 이상으로 증가할 필요가 있는 것이다. 현재까지의 실험에 사용된 챔버는 간단한 원통형이었다. 이 장치가 실용단계로 되려면, 플라스마를 발생하는 챔버의 형태를 변화하여 Q값을 증가하거나, 또는 스파크 플러그 같은 새로운 장치를 부착하여 더 낮은 전자파의 파워로 플라스마를 점화하고 또한 유지할 필요가 있는 것이다.

고온의 챔버 속에서 전자파 플라스마 발생

앞의 실험에서 본 것처럼 전자파로 챔버 속에 플라스마를 발생하는 가장 중요한 작업은 효율적으로 필요한 양의 전자파를 챔버 속에 집어넣는 작업이다. 챔버의 모양과 크기를 잘 조정하면 공명에 의하여 많은 양의 전자파를 작은 부피에 넣을 수 있으나, 공명 조건을 만족시킨다는 것이 결코 쉬운 일이 아니다. 뿐만 아니라, 생성된 플라스마 부피가 작기 때문에 역시 값비싼 플라스마가 되기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 새로운 아이디어의 특허가 출원[5]되었다. 이 특허에 의하면 어떤 특정환경에서 전자파를 1백 퍼센트 챔버 속에 넣을 수 있고 플라스마를 발생하는 데에 드는 비용이 기존의 특허[2]에 의한 실험에 드는 비용보다는 월등히 적게 든다는 것이다.

이 특허는 다음과 같은 간단한 물리적인 현상에 기인한 것이다. 챔버 속에 플라스마를 발생하는 데 드는 전자파의 출력 P는 챔버 속의 기체입자의 밀도 n의 자승에 비례한다는 것이다. 다시 말하면, P ∝ n2라는 수식으로 표시할 수 있다. 그런데, 주어진 압력에서 기체입자의 밀도는 온도 T에 반비례한다. 다시 말하면, n ∝ 1/T라고 표시된다. 따라서, 플라스마 발생에 필요한 전자파의 출력은 온도의 자승에 반비례한다. P ∝ 1/T2, 이 수식에서 보는 것과 같이, 챔버의 온도가 높으면 높을수록 플라스마를 발생하는 데에 필요한 전자파의 출력은 급격히 적어지는 것을 알 수 있다. 예를 들어 섭씨 27도에서 1 리터의 플라스마를 만드는데 2.5 킬로와트의 전자파가 필요하다고 한다면 섭씨 1227도의 챔버 속에서는 25분의 1인 1백와트의 출력으로 1 리터의 플라스마를 만들 수 있다는 것이다. 실온인 섭씨 27도는 절대온도 300도이며 섭씨 1227도는 절대온도 1500도로서 실온의 5배이다. 다른 각도에서 고찰하면, 실온에서 1리터의 플라스마를 발생하는데 드는 2.5 킬로와트의 출력으로 섭씨 1227도에서는 25 리터의 플라스마를 만들 수 있다는 것이다. 그리고 25 리터의 챔버는 부피가 커서 쉽게 전자파를 넣을 수 있다는 이점이 있다. 예컨대, 마그네트론에서 나오는 전자파의 진동수는 2.45 GHz로서 전자파의 파장이 약 10센티미터이다. 이와 같은 크기의 파장을 가진 전자파를 1 리터의 용기에 넣는 것은 컵에 여러 개의 정구공을 넣는 것과 같아서 무척 어렵다. 넣을 때마다, 정구공이 퉁겨 나오기 때문이다. 그러나, 부피가 큰 양동이에 여러 개의 정구공을 넣는 일은 훨씬 쉬워진다. 던져 넣는 모든 공들을 양동이에 가둘 수 있기 때문이다. 그래서, 전자파를 1백 퍼센트 모두 챔버 속에 넣을 수 있다.

지구상에는 얼마나 많은 연소장치가 있는가. 화력 발전소, 쓰레기 소각장, 각종 공장에서 사용되고 있는 연소장치, 이러한 장치들의 공통적인 점은 고온의 연소 챔버가 있다는 것이다. 그리고 바로 이러한 연소장치에서 대기를 오염시키는 각종 오염물질이 쏟아지고 있다. 예를 들어, 공장 굴뚝에서 나오는 매연의 많은 부분이 완전 연소되지 못한 탄소 알맹이들이다. 연소 장치 속에 플라스마를 발생하여 산소분자들을 들뜬상태로 만들거나 또는 산소 원자와 같은 활성입자들을 만들어내면, 탄소 알맹이들이 완전연소 되어 매연이 줄어들 뿐만 아니라 완전연소를 통하여 이와 같은 연소장치의 효율이 더욱 증대될 것이다. 대부분의 연소 물질은 탄화수소로서 절연체들이다. 연소장치에 입사된 전자파는 절연체를 무사통과하고 화염 불꽃 속에 들어있는 전자들을 자극하여 더욱더 플라스마를 쉽게 발생하기도 한다.

전자파로 고온의 챔버 속에서 발생된 플라스마의 또 하나 과학적으로 흥미로운 현상은 전자들의 온도가 더 올라갈 수도 있다는 것이다. 플라스마 속의 전자의 온도는 기존하는 전장의 크기에 비례하며 기체입자의 밀도에 반비례한다. 챔버 속의 온도가 높으면 높을수록 밀도가 작아지기 때문에 전자의 온도가 올라갈 수 밖에 없다. 플라스마 속의 전자의 온도가 높으면 더욱 쉽게 산소분자를 들뜬상태로 만들기 때문에 산화현상을 촉진하게 된다.

첨단 소각장치 개발

태우려는 물질 중에 쇠나 유리같이 잘 타지 않는 것들이 섞여 있을 때는 이런 것을 녹여 버릴 수 있는 높은 온도가 필요하다. 보통방법으로 섭씨 2천도 내지 3천도를 올리는 것은 무척 어려우나 플라스마를 쓰면 아주 쉽게 해결된다. 한 예로서, 플라스마 토치에서 나오는 불꽃은 쉽게 섭씨 칠팔 천도를 얻을 수 있다. 토치 불꽃은 방전된 플라스마를 함유하고 있는데, 플라스마의 전자나 이온의 온도는 통상 섭씨 만도다. 이런 입자들이 공기입자들과 섞여있으면서 에너지를 전달하여 공기입자들의 온도를 높여주는 것이다. 어떤 물질이고 토치 불꽃에 접하면 금방 녹아버린다. 최근에, 환경오염을 제거하기 위한 소각장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 미해상전술 연구소의 선박연구부도 쓰레기 첨단 소각장치[6-8]를 연구하고 있다. 현재는 배에서 나오는 대부분의 고체 쓰레기를 바다에 버리고 있으나, 국제 규약 때문에 조만간 쓰레기를 소각할 수 있는 장치를 배에 장착해야할 것으로 예상된다. 그림 1은 군함에 장착하게 될 소각장치의 모형도이다. 배에서 나오는 대부분의 쓰레기는 탄화수소 화합물이지만 유리, 쇠, 알루미늄 등이 꽤 들어있다. 그래서, 플라스마 토치를 이용한 소각장치가 필요하다. 이러한 소각장치는 도시의 쓰레기를 처리하는 데에도 적합할 것으로 생각된다. 특히 우리 나라와 같이 작은 국토에 인구가 밀집된 거주환경에서는 절대로 필요할 것으로 생각된다. 요사이, 지역사회간에 쓰레기 거부 반응이 더욱 거세지고 있는데, 이러한 사업은 상호 화목을 도모하며 우리 생활주거지를 개선하는 좋은 계기가 될 것으로 생각한다. 그래서, 간편하고 가벼우며 효율이 높고 완전연소하는 첨단 소각장치를 개발해야 한다고 생각한다. 새로이 개발될 소각장치는 아마도 플라스마 토치를 이용하게 될 것이다. 첨가하여 고온의 가스에서 플라스마를 또한 발생[1,5]할 필요가 있다. 여기에 발생된 플라스마는 쓰레기의 소각을 도울 뿐만 아니라 소각 중에 발생할 수도 있는 각종 오염물질을 제거하는 데에도 중추적인 역할을 할 것이다. 고온의 챔버 속에서 전자파를 이용하여 플라스마를 발생하면, 플라스마 토치와 더불어 소각기의 효율증대를 극대화하게 될 것이다.


고 펄스 출력에 의한 폐수처리

폐수 속에 들어있는 각종 오염물질은 박테리아와 같은 미생물을 이용하여 분해하고 또는 소화하므로서 제거할 수가 있다. 그러나, 이러한 오염물질을 먹고 불어난 미생물을 제거하거나 파괴하지 않고는 물이 완전히 정화되지 않는다. 박테리아와 같은 미생물은 오염물질을 소화하고 번식하여 더 이상 먹을 오염물질이 없으면 미래를 도모하기 위하여 포낭을 뒤집어쓰고 깊은 잠에 들어간다. 이러한 박테리아는 쉽게 제거할 수가 없다. 전자빔을 쐬어서 박테리아를 죽이기도 한다. 그러나, 박테리아가 전자빔으로 죽을 지라도, 그 박테리아 내부에 있는 세포질은 여전히 포낭 속에 갇혀 있어서, 박테리이만 모아 압력을 가하여 탈수를 한다해도 잘되지 않는다. 박테리아의 포낭을 깰 방법이 있어야 한다. 그 한 좋은 예가 고 전압 고출력 전기 시스템을 이용하는 것이다. Rise time과 Fall time이 빠른 고 전위 펄스를 두 전극에 보내면서 전극 사이로 박테리아가 들어있는 물을 통과시키면 전장의 급격한 변화 때문에 박테리아의 세포껍질이 과격한 진동을 하게되고 이로 인하여 세포벽이 깨지게 된다. 그러면 그 세포내의 내용물이 물 속으로 흘러나오게 되어 쉽게 박테리아를 탈수할 수 있게 된다. 더 효과적인 방법은 두 전극 사이에 박테리아가 들어있는 물을 보낼 때에 공기 방울도 함께 보낸다. 공기방울이 섞여있는 물이 흐르는 동안 높은 전위가 두 전극에 나타나면 강한 전장이 물과 공기 방울 속에 유도된다. 그런데, 물의 유전율은 80이고 공기의 유전율은 1이기 때문에 물 속보다는 공기 방울 속에 더욱 강한 전장이 유도된다. 이로 인하여 공기 방울 속에서 방전[9]이 일어나게 되고 이 방전으로 인하여 플라스마가 발생하며 그 속의 기체가 높은 온도로 데워진다. 방울 속 온도가 급격히 올라가면 Shock Wave를 만들면서 팽창하게 되는데, 이 Shock Wave가 물속을 전파해 갈 때 주위에 있는 박테리아의 세포벽을 깨게 되어 세포는 죽고 세포 속의 물질은 흘러나오게 된다. 이와 같이, 박테리아와 고출력 전기 펄스가 폐수처리에 획기적인 새로운 방법을 제시하기도 한다. 미국에 있는 Scientific Utilization, Inc (SUI)라는 회사가 이 방법을 사용하여 상당한 효과를 얻었다. 그림 2는 SUI회사가 사용하고 있는 폐수처리 장치이다.

오존 발생과 응용

무더운 여름, 공해가 심한 날에 오존 주의보나 오존 경보 등을 들을 때에는 오존이 우리 건강을 해치는 주범처럼 느껴진다. 그러나, 이러한 일들은 오존이 제자리를 지키지 못한고 엉뚱한 곳에 나타나기 때문에 일어나는 현상이다. 오존은 우리가 살아가는데 없어서는 안될 중요한 물질 중의 하나이다. 예를 들어, 대기 상층권에 있는 오존층이 완전히 파괴된다면 지구상의 모든 생명은 졸지에 사라지고 만다. 실제로 오존이 일상생활에 대단히 많이 쓰이고 있다. 그래서, 만일 오존을 값싸게 만들어 낼 수만 있다면 우리 삶의 환경을 개선할 뿐만 아니라 여러 가지 산업에도 이용될 수 있다. 지구 대기 중에 있는 산소는 분자 형태로 존재한다. 산소 원자 2개가 결합하여 분자를 형성한다. 화학적으로 대단히 안전하다. 오존은 산소 원자 3개가 결합을 이루고 있는 상태이다. 그래서, 과외로 하나 더 붙어있는 산소 원자 때문에 상당히 불안한 분자 결합이며 기회만 있으면 과외의 산소원자를 떼어 내려고 한다. 이 때문에 다른 물질과 쉽게 산화하게 된다. 이러한 이유로 오존은 미생물을 파괴하여 살균작용을 할 수가 있다. 오존은 일반적으로 전기 방전[10]에 의하여 만들어 낼 수 있다. 다시 말해서, 산소 플라스마를 많이 만들어 내면, 플라스마 속에 존재하는 산소원자가 산소 분자와 결합하여 오존을 만들어 낸다. 만일 값싸고 손쉽게 산소 플라스마를 만들어 낼 수가 있다면, 우리는 또한 값싸고 손쉽게 오존도 만들어 낼 수가 있을 것이다. 그러나, 오존합성은 반응로 내의 온도에 영향을 받게 되므로 플라스마 발생과 오존합성의 가장 효율적인 조건을 찾는 것은 대단히 중요한 과제가 되겠다. 전자파를 사용하여 개발[2-4]하는 상온 1기압 플라스마 발생장치는 휴대용 오존 발생장치를 만드는데 결정적인 역할을 하게 될 것이며, 고출력 전자파 발진장치를 사용한다면 오존을 대량생산하여 상수원 또는 수영장 등에서 살균목적으로 사용할 수도 있을 것이다. 물 속에서 전기 방전을 하여 오존을 만들어 낼 수도 있다. 상기한 폐수처리[9]에서 언급한 것처럼, 두 전극 사이에 고전압 고출력 펄스를 보내고 공기 방울 대신에 산소 방울을 보내면 산소방울 속에서 방전이 일어나게 되면서 오존이 생성된다. 이때 생성된 오존은 직접 물속에 들어있는 미생물을 살균하는 역할도 하게 될 것이다. 저온 플라스마를 이용하여 값싸고 효율적인 오존 발생기술을 개발하고 오존이 필요한 곳에 적절하게 응용할 수 있다면 환경개선에 많은 도움을 줄 것이다.

코로나 방전 플라스마로 대기오염 정화

지난 7월 초순에 미국 에너지성 주최로 디젤엔진 배기물 정화에 관한 Workshop이 미국 Maine주의 Castine이라는 곳에서 개최되었다. 디젤엔진에서 방출되� � 산화질소, 아황산 가스 그리고 매연을 제거하기 위한 다양한 연구발표가 있었다. 예 를 들어, 여러 종류의 연료를 섞어 사용하거나, 또는 배기가스의 일부를 다시 연소 실로 유입시키어 오염물질을 감소하는 것들이었다. 그 중에서도 특히 중요한 것은 코로나 방전을 이용한 정화방법이었다. 코로나 방전에서 나오는 저온 플라스마를 이용하면 매연이 대부분 사라질 뿐만 아니라, 산화질소나 아황산 가스를 제거하는 효율도 다른 방법에 비하여 월등히 좋았다. 그러나, 현재 사용되고 있는 코로나 방전의 연구[11,12]에 의하면, 현재 방법들은 너무나 높은 전압을 필요로 하며 플라스마 발생 효율이 아주 낮다는 것이다. 플라스마를 발생하는 데에 너무나 많은 비용이 든다. 다시 말하여 실용화하기에는 경제성이 미흡하다는 것이다. 만일 방전 전위를 3분의 1로 낮출 수 있을 뿐만 아니라 방전에 요구되는 전기 에너지를 10분의 1로 줄일 수가 있다면 경제성을 월등하게 향상시킬 수 있다는 것이다. 고출력 고전위 펄스 시스템은 일반적으로 부피가 대단히 크다. 그래서, 전위 값을 내리면, 시스템의 크기가 급격히 작아지는 특성이 있다. 따라서, 전위 값을 내리면 장비 값을 엄청나게 줄일 수도 있다는 것이다. 그리고 장비가 간편하고 가벼워서 쉽게 부착할 수도 있는 것이다. 선진국과 더불어, 우리나라에서도 코로나 방전을 여러 곳에서 연구하고 있고, 방전에서 나온 플라스마로 오염물질을 제거하는 연구가 한창 진행되고 있으나, 가장 중요한 이슈는 플라스마 발생에 소요되는 비용의 절감이다. 코로나 방전을 하여 플라스마를 발생하는 궁극적인 목적은 매연을 제거함과 동시에 산화질소나 아황산 가스등을 제거하려는 것이다. 가스 화학반응을 통하여 이러한 물질들을 플라스마 속에서 제거해야 한다. 일반적으로 가스 화학반응은 기체의 화학적 조건에 영향을 받게 된다. 이러한 물질들을 가장 효율적으로 제거할 수 있는 조건을 찾아내는 것은 또한 이 연구의 중심과제가 될 것이다. 탈황 탈질 그리고 매연문제는 비단 자동차나 디젤엔진에만 국한된 것은 아니다. 이러한 대기오염 물질은 역시 공장이나 여러 산업기관에서 연소하는 과정 중에 항시 방출되고 있다. 그래서, 이 문제는, 예를 들어, 포항 제철소에서도 해결해야할 중요한 한 과제로 남아있는 것이다. 코로나 플라스마를 값싸고 손쉽게 생산하여 대기오염의 주범들을 효율적으로 제거하는 것이 이 연구의 중심과제가 되겠다.

맺는 말

앞에서 기술한 바와 같이 저온 플라스마를 써서 환경을 개선하려는 연구가 이제 막 시작하였다. 핵융합 연구를 하면서 실험실에서 본격적으로 플라스마를 만들게 되었다. 지난 30여년 동안 엄청난 연구비가 핵융합 연구에 소요되었으며, 이 연구는 또한 대단히 순수하고 섬세한 조건을 만족하는 플라스마를 요구하고 값이 엄청나게 비싼 것이 특징이다. 최근에는 컴퓨터 칩을 개발하고 대량생산하는 공정에 저온 플라스마를 사용하고 있다. 이때 사용되는 플라스마 역시 대단히 까다로운 조건을 만족해야만 하기 때문에 발생하는 데에 많은 비용이 들고 있다. 그래서, 우리는 관념적으로 플라스마는 값이 비싼 물질로 간주하고 있다. 위에서 기술한 예에서 보는 것처럼, 저온 플라스마는 미래의 환경개선에 획기적인 기여를 하게 될 것이다. 핵융합 연구나 플라스마 프로세싱 기술을 통해서 배운 것처럼 우리는 값비싼 플라스마를 비싸게 발생하는 방법은 알고 있다. 그러나, 많은 양의 플라스마가 환경개선에 이용될 것을 고려한다면, 플라스마를 값싸게 대량생산하는 방법을 터득해야만 하겠다. 환경개선에 이용될 플라스마는 결코 까다로운 조건을 만족할 필요는 없다. 다만 1기압에서 쉽게 대량생산할 수만 있으면 족하다. 대기 중에 있는 산소분자를 들뜬상태로 만들거나 또는 산소원자로 분리하면 되기 때문이다. 다가오는 21세기는 유전공학, 에너지 기술 그리고 환경과학의 시대라고 한다. 이제는 차세대의 에너지와 환경 기술에 중추적인 역할을 할 저온 플라스마를 값싸고 손쉽게 그리고 대량 생산할 수 있는 기술을 확보해야 될 때라고 생각한다.

참 고 문 헌

[1] H. S. Uhm, J. Accelerator and Plasma Research 1, 50 (1997) and the references therein.

[2] H. S. Uhm, US Patent #5468356, Nov. 21 (1995).

[3] D. J. Lee and T. E. Ruden, 97 IEEE International Conference on Plasma Science, 290 (1997).

[4] T. E. Ruden and D. J. Lee, 98 IEEE International Conference on Plsama Science, 179 (1998).

[5] H. S. Uhm, Contamination Control of Emission Discharge, Navy Case #77696, Submited for US Patent (1996).

[6] E. E. Nolting, D. S. Vaughters, J. W. Cofield, M. J. Pechulis and C. M. Kelly, 97 International Conference on Incineration and Thermal Treatment Technologies, 553 (1997).

[7] H. S. Uhm, J. W. Cofiled, E. E. Nolting and A. K. Gupta, 97 International Conference on Incineration and Thermal Treatment Technologies, 795 (1997).

[8] R. V. Richard, E. Keating, J. Dentler, J. W. Cofield, E. E. Nolting, M. J. Pechulis, D. A. Shifler, D. S. Vaughters and C. Wong, 97 International Conference on Incineration and Thermal Treatment Technologies, 75 (1997).

[9] Pulse Power Enhancement of Anaerobic Digestion, Tech. Report, Scientific Utilization, Inc., September (1996).

[10] Ozonators, Tech. Report, Ozone Research & Equipment Corporation (1991).

[11] H. S. Uhm and W. M. Lee, Phys. Lett. A 234, 372 (1997).

[12] H. S. Uhm and W. M. Lee, Phys. Plasmas 4, 3117 (1997).


엄환섭 교수는 1976년 메릴랜드 대학에서 플라스마로 이학박사 학위를 취득한 후, 메릴랜드 대학 물리학과에서 연구교수(플라스마 기초연구)로, 미해상 전술연구소에서 연구위원으로 재직하였으며, 현재 아주대학교 물리학과 교수로 재직 중이다. (hsuhm@madang.ajou.ac.kr)