물리학과 첨단기술

머 리 말

열플라스마(Thermal plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자(원자 및 분자)로 구성된 부분이온화된 기체로, 국소열평형(Local Thermodynamic Equilibrium) 상태를 유지하여 구성입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라스마의 특성을 이용하여, 재래식 기술에서는 얻을 수 없는 다양하고 효율적이며 환경면에서 깨끗한 고온 열원이나 물리화학 반응로로 사용되어, 여러 산업분야에서 첨단기술에 활용되고 있다.^[1]

현재 열플라스마 기술에 대한 관심사는 크게 소재공정과 폐기물처리의 두 갈래로 나뉘어 그 개발이 진행되고 있다.^[2-4] 소재공정기술은 열플라스마를 이용한 고기능성 표면개질, 신물질 창출, 신소재 생산 및 가공 등에 활용되는, 플라스마 용사코팅, 플라스마 합성, 열플라스마 화학증착(TPCVD), 금속야금, 소재 고밀화, 물성분석, 절단용접 및 표면강화 등이 이에 속한다. 폐기물처리 기술도 일종의 소재공정으로 고온고열의 플라스마 소각로를 사용해서 생활 및 산업 폐기물을 열분해 또는 유리화 시켜 유해물질 파괴와 부피감량을 통해 공해문제를 해결하려는 환경기술로 석탄가스화도 이에 속하는 기술분야로 볼 수 있다.

이 공정들에 있어서 열플라스마 장치는 고온고열로 대상재료를 용융, 기화 시켜 물리적 상변화를 유발하는 열원의 역할을 하거나 생성시킨 이온, 들뜬 원자 및 분자 등과 같은 라디칼에 의해 화학반응을 촉진하는 화학반응로로서 작용하는 경우가 많다. 이와 같은 열플라스마 기술은 우리나라 산업의 근간을 이루고 있는 재료, 전기전자, 일반기계, 자동차, 항공, 조선, 제철제강, 섬유, 인쇄, 원자력, 전력, 화학, 의료, 환경 산업분야에 있어 한계기술 극복, 신기술 창출, 에너지이용 효율화, 생산성 향상, 공해 극소화, 경제성 제고에 핵심적인 역할을 할 수 있어서 다가오는 21세기에 매우 중요한 첨단기술로 부각될 수 있다.

지상에서 인공적으로 플라스마를 얻을 수 있는 가장 대표적인 방법인 아크, 글로우, 코로나 등의 기체전기방전은 Faraday, Maxwell, Townsend, Langmuir 등에서 시작되는 100년 이상의 물리현상에 대한 연구의 기반을 가지고 있으나, 대기압 중 아크에 의한 열플라스마 응용기술은 1960대부터 본격화되기 시작하여 생활 주변에서 주로 용접, 절단, 용사 등과 같은 소재가공 및 표면처리와 아크등, 대전력 스위치와 같은 전기기구에 활발하게 활용되었다. 그러나 1980년대 중반까지는 주로 경험에 의존하는 일상기술로 머물러 있었으나, 저압의 글로우 방전에 의한 비평형 플라스마 응용의 소재공정기술이 반도체 제조와 같은 고부가가치 산업에 기여하는 데에서 오는 자극과 초고온 완전전리 플라스마에 의한 핵융합발전 실용화 개발의 지연에서 오는 실망이 저온 플라스마 응용에 대한 관심으로 전환되었다. 이에 따라 열플라스마 관련 물리현상의 이해를 새롭게 하고 플라스마 발생과 제어에 대한 기초연구를 토대로 하여, 고효율, 고기능성, 고부가가치, 환경친화를 목표로 열플라스마 시스템과 공정의 최적화에 대한 기술개발이 다시 불붙기 시작하였다.

현재로는 열플라스마원과 공정의 제어, 최적화, 재현성 등에 있어서 과학 기술적 기초가 부족하여, 열플라스마 기술개발이 대부분 분석적이라기보다 경험에 의존하는 경우가 많아 지금까지 개발 속도가 매우 느렸다. 또한 열플라스마 자체에 내재되어 있는 물리적 성질의 다변성과 공정변수의 복잡성 때문에 플라스마 생성과 공정 대상물과의 상호작용에 대한 이해가 불완전하고 실험적 데이터가 불충분한 실정이다. 이에 따라 열플라스마 발생과 플라스마-물질간의 상호작용에 대한 모형해석을 통한 공정예측과 제어 및 최적화가 필요하고, 이 과정에서 요구되는 열플라스마 성질 관련 데이터의 산출과 공정과정의 확인을 위한 열플라스마 진단 계측이 뒷받침되어야 한다.

이 특집에서는 열플라스마 응용기술 전반에 걸쳐 나타나는 위에 언급한 문제들을 개괄적으로 이해하기 위하여 물리적인 관점에서 열플라스마의 생성방법, 특성, 모델링 및 계측을 먼저 살펴본 후, 열플라스마를 응용한 첨단기술 과제들을 개별적으로 간단히 소개한다.

열플라스마 관련 물리

1. 열플라스마 생성

플라스마 공정에 사용되는 열플라스마의 생성은 그림 1에 보인 바와 같이 대부분 직류 아크방전이나 고주파 유도결합(RF inductively coupled) 방전에 의해 이루어진다. 원리적으로는 모두 대상 기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의해 충분한 전하 입자가 생성되어 전기전도성을 갖는 절연파괴에 이르도록 하여, 고전류가 흐르는 아크 방전으로 플라스마 상태를 유지시킨다. 직류아크 토치는 두 전극사이에 직접 전장을 걸어주는 반면에, 유도결합 플라스마 토치는 전극없이 고주파 코일에 의한 자기장 변화로 생긴 유도 전기장을 사용하는 것이 다르다. 사용기체로는 Ar, He과 같은 불활성기체나 N₂, H₂, 공기가 보편적으로 많이 쓰이나 공정 종류에 따라서는 O₂, 수증기, 탄화수소기체(C_nH_m), 또는 화학공정에 따른 반응기체들이 혼합되기도 한다.

직류 아크 토치는 전극 모양과 배치에 따라 수 kW∼1 MW 급으로 막대형 음극이나 수십 kW∼10 MW급의 공동형(hollow) 전극을 사용하는 두 가지 형태로 크게 나눌 수 있다. 이들은 다시 토치 내부의 두 전극 사이이거나 또는 토치전극과 공정대상물을 한 전극으로 사용한 아크 방전방법에 따라 비이송식(non-transferred)과 이송식(transferred)으로 각각 나뉜다. 공정에서는 보통 50∼10,000 A 아크 전류와 0.1∼5 기압의 압력에서 운전하여 국부열평형 상태로 5,000∼20,000 K와 500∼2,000 m/s의 제트 불꽃을 발생시킨다. 이때 원하는 형상의 제어된 불꽃으로 안정화시키는 방법에 따라 전극 모양 배치와 함께 다양한 설계의 토치가 존재한다. 벽안정화(wall stabilization) 방법은 원통형 냉각관 안에 긴 아크 발생을 한정시키면, 아크 기둥이 관 벽쪽으로 치우치더라도 벽쪽으로의 열전도가 증가하여 온도 감소와 함께 전기전도도가 떨어져, 아크 기둥은 다시 원래의 평형 위치인 축쪽으로 되돌려져 안정화된다. 와류안정화(vortex stabilization)에서는 기체를 접선방향으로 주입하여 두 전극 사이에 와류를 형성시키면 원심력 차이에 의해 상대적으로 차가운 기체는 벽쪽으로, 뜨거운 기체는 아크 축으로 몰려 열적으로 잘 보호된 상태에서 아크 방전이 축을 따라 수축된 형태로 안정된다. 고전류의 흐름인 아크는 그 주변에 자연적으로 자기장이 발생되거나 또는 토치 외부에서 자기장을 걸어주면, 이 자기장과 아크 전류에 의한 Lorentz힘(j×B)에 의해 플라스마 유체의 항력(drag force)과 균형을 이루고 축 안쪽으로 향하는 힘에 의해 수축된 형태로 아크의 자기안정화(magnetic stabilization)를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 아크점(arc spot)이 전극 표면의 한점에 고정되지 않고 회전이 일어나서 전극물질의 침식이 완화되어 전극 수명을 연장시킬 수가 있다. 일반적으로 많은 열전자 방출과 높은 융점이 요구되는 막대형 음극은 W에 2 % 정도의 ThO₂이 첨가된 소재가 가장 많이 쓰이고 있으며, LaO₂, CeO₂, Y₂O₃, 또는 0.1 % LaB₆를 첨가시키기도 한다. 노즐 양극이나 공동형 전극으로는 열 및 전기 전도도가 좋은 고순도 무산소동이 주로 전극재료로 사용된다.

고주파 토치로는 축전결합(capacitively coupled)형이 변위전류에 의한 방전으로 열플라스마 발생에는 매우 높은 주파수를 요구하기 때문에, 대부분 자기유도결합형을 사용하고 있다. 유도결합 토치에서는 공기 또는 수냉각 수정관이나 세라믹관 원둘레에 3∼7회 정도의 유도코일을 감아 임피던스 정합회로를 통해 100 kHz∼100 MHz 범위의 고주파 전원에 연결하면, 이때 나타나는 시변 자기장에 의해 유기된 방위각방향 전장이 주입된 기체를 절연파괴 시킨 후 유도코일 전류와는 반대 방향의 원형 전류를 구동하여 방전을 유지시키면서 열플라스마를 생성한다. 플라스마의 높은 전기전도도와 고주파 자기장에 의한 껍질효과(skin effect) 때문에 유도된 전장분포와 결과적으로 나타나는 Ohmic 저항가열에 의한 플라스마 온도 분포는 첨두치가 축에서 벗어나 관 벽쪽으로 치우친 지름방향 분포를 가지고 환단면 껍질(annular shell) 형태의 불꽃을 나타내게 된다. 이는 직류아크 토치에서 볼 수 있었던 축에서 첨두치를 가지면서 지름 및 축방향으로 급격하게 감소하는 물매(gradient)를 가지는 집속된 제트 불꽃 모양과는 두드러진 차이를 나타낸다. 고주파 토치는 직류 아크 토치에 비해 낮은 전력(수∼200 kW)에서 운전하기 때문에 불꽃은 상대적으로 낮은 10,000 K 이하, 100 m/s 이하의 온도와 속도를 갖는 외형적으로 길쭉한 럭비 공 모양의 열플라스마가 생성되며, 단면적이 직류 플라스마 제트에 비해 40∼50배로 커서 상대적으로 온도 및 속도 변화 물매가 완만하고, 플라스마와의 반응물이 비교적 오랫동안 불꽃 속에 머무를 수 있어서 더 많은 운동량과 에너지를 플라스마로부터 전달받을 수 있다. 또한 다양한 기체, 액체, 고체

형태의 반응물을

표 1. 열플라스마와 냉플라스마의 특성 비교
	Thermal Plasma	Cold Plasma
Generation	Arc discharge	Glow or Corona
Power supply	DC, AC, RF 10 - 500 V 1 - 10⁵ A	DC, AC, RF, MW 10 - 100 kV 10^-4- 10^-1 A
Temperature	T_e= T_i= T_g = 수 10³- 10⁵ K LTE High thermal capacity	T_e = 10⁴- 10⁵ K T_i = T_g = few 10³ K Non-Equilibrium Low thermal capacity
Plasma density	10¹⁶ - 10¹⁹ cm^-3	10⁸ - 10¹³ cm^-3
Pressure	10⁴ - 10⁶ Pa	10^-2 - 10² Pa (Glow) 10⁴ - 10⁵ Pa (Corona)
Uniformity	Medium	High (Glow) Low (Corona)
Major role	High-temperatue heat source	Physical or Chemical reactor

플라스마 내에 고르게 혼합할 수 있어 특히 화학반응로로서 이점이 많으나, 토치 열효율이 직류의 60∼85 %에 비해 훨씬 낮은 40∼50 %에 머무르는 단점이 있다.

직류토치와 고주파 유도결합토치를 직렬로 연결한 형태의 혼성토치는 온도 물매가 완만하면서 큰 부피의 플라스마 불꽃을 생성하며, 각각의 토치를 사용한 공정에서 오는 단점을 보완할 수 있어서, 혼성토치로 공정을 개선하려는 시도들도 있다. 최근에는 10 GHz까지의 마이크로파를 사용하여 0.1기압 이상에서 표면진행파 방전으로 국소열평형 특성을 나타내는 열플라스마 생성도 연구되고 있으나, 높은 손실 때문에 고출력의 마이크로파원이 요구되어 공정에 실용화되지는 못하고 있다.

2. 열플라스마 특성

핵융합 플라스마와 같이 이온과 전자로 완전 전리된 억도 내외의 고온 플라스마에 비해, 수천 수만도 정도의 저온 플라스마는 아직 이온화되지 않은 중성의 원자나 분자가 섞여 부분 전리된 상태로 있어서, 이들 입자 모두가 같은 온도를 유지하여 국부열평형(LTE)을 이루고 있는 열플라스마와, 높은 전자 온도에 비해 무거운 이온과 중성입자는 실온정도의 온도로 비평형(non-equilibrium) 상태의 적은 열용량을 가지고 있는 냉플라스마(cold plasma)로 다시 나눌 수 있다. 열플라스마를 냉플라스마와 비교하여, 발생방법, 전원, 온도, 밀도, 압력, 균일도, 공정용도를 표 1에 요약하여 놓았다.

열플라스마가 냉플라스마와 상대적으로 구별되는 가장 두드러진 특징은 최소한 0.1기압(10⁴Pa) 이상의 고압에서 LTE 상태를 이루고 있어서, 기체와 같은 온도를 갖는 전자의 밀도는 10¹⁶cm^－3이상을 유지하고 있는 점이다. 따라서 대기압(10⁵Pa)에서 아크방전으로 Ar 열플라스마를 생성하는 경우에 필요한 전장과 기체압력의 비는 E/P ≈ 1 V/m Pa 정도로 저전압, 고압에서 얻을 수 있는 반면에, 0.1 Pa 압력 하에 글로우 방전에 의한 비평형 플라스마는 E/P ≈ 10⁴V/m Pa로 고전압, 저압 조건에서 얻는다. 고밀도의 열플라스마에서는 전장에 의해 주로 가벼운 전자가 가속되어 중성입자와 잦은 충돌에 의해 에너지가 전달되어 모두 Maxwell-Boltzman 속도분포를 갖고 열평형에 이르나, Plank법칙은 적용되지 않아 LTE 상태로 정의한다. 전자충돌에 의한 이온화-재결합 평형에 대한 Gibbs 자유에너지 최소화로부터 일종의 질량작용법칙인 Saha식을 얻어 성분입자 밀도 간의 비를 나타낼 수 있고, Dalton의 분압법칙과 플라스마 기본성질인 준중성(quasineutrality) 조건을 이용하면 성분 입자들의 밀도나 이온화율을 구할 수 있다. 1기압 아래에서 N₂의 방전을 살펴보면, 10,000K 이상에서는 분자가 모두 해리되어 원자 상태로만 존재하고, 15,000K에서 질소 원자의 이온화가 최대로 되며, 20,000K이상에서는 사실상 원자, 분자가 거의 다 이온화되어 완전 전리된 상태로 100 %에 가까운 이온화율을 나타낸다.

열플라스마의 열역학적 성질인 질량밀도, 유체속도, 온도, 엔탈피 등은 질량, 운동량, 에너지 보존을 나타내는 자기유체역학(MHD)식으로부터 해석적으로 찾거나 플라스마 진단을 통해 실험적으로 측정한다. 그 외에 내부에너지, 열용량, 엔트로피, Helmholtz 함수, Gibbs 함수 등은 앞서의 성질과 분배함수(partition function)로부터 계산해낼 수 있다. 플라스마 유체의 밀도, 속도, 온도와 전위의 불균일한 분포는 물매의 반대 방향으로 입자, 운동량, 에너지, 전하의 수송을 유발한다. 이러한 수송현상은 각각 Fick, 점성력, Fourier, Ohm의 법칙으로 표현되며, 이에 대응되는 확산계수, 점성계수, 열전도도, 전기전도도가 열플라스마의 수송특성을 나타내게 된다. 그러나 이러한 수송계수들을 결정하기 위해서는, 입자간의 충돌현상에 대한충분한 이해를 바탕으로 한 충돌 단면적들을 알아야 하는데, 이론적으로 이를 기술하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라 실험 측정 데이터도 현재로서는 한정되어 있다. 더구나 혼합기체 플라스마나 LTE 상태에서 벗어나 있는 열플라스마 불꽃 가장자리에서는 더구나 정확한 수송계수값을 알기가 어려워, 신뢰성있는 수송계수에 대한 데이터베이스의 구축이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

열플라스마는 또한 입자간의 충돌 때문에 나타나는 들뜬 입자, 재결합 현상, 제동복사 등으로 특성 분광선이나 연속 복사선을 방출하여 매우 밝은 빛과 자외선을 발산하고 있다. 지금까지 이러한 열플라스마 복사선에 대해서 광학적으로 성기다고(optically thin) 취급하여, 복사에너지가 플라스마 내에 흡수되지 않고 통과하는 대표적인 열손실 메카니즘으로 다루어졌고, 분광분석에 의한 열플라스마 온도, 밀도 등의 측정에 유용하게 이용되고 있다. 그러나 압력의 증가와 더불어 복사선의 흡수 효과가 커지며 광학적으로 짙어져서(thick), Ar의 경우에 10⁷Pa, 20,000 K 이상에서는 흑체복사체로서의 특성을 나타낼 수 있다는 연구들이 있다.

직류 플라스마 토치에서 분출되는 열플라스마 제트는, 토치 내부의 음극과 양극 사이의 아크 방전과 주입기체와의 상호작용으로 플라스마 기둥(column)이 형성되고, 이것이 토치 외부로 확장된 결과이다. 음극으로부터의 전자방출 메카니즘은 아직까지도 논란의 대상으로 정확히 밝혀지지는 않았지만, 수많은 음극점(cathode spots)으로 나타나는 장방출(field emission)과 이에 수반되는 음극가열에 의한 3,000∼4,000 K에서의 열전자 방출인 것으로 알려져 있다. 음극점은 10 Ռm 이하의 반경과 10^－6sec 이하의 짧은 수명을 가지고 있으나, 연속적인 발생으로 음극주위를 빠르게 움직이는 다량의 음극점들로 아크 뿌리(arc root)를 형성하게 되며, 10⁶ - 10⁸A/cm²의 전류밀도, 10⁷V/cm의 전장의 세기, 10⁶W/cm²의 열다발이 나타난다. 결과적으로 이 강력한 아크 전류와 전자력이 펌핑 작용을 하여 수백 m/s의 유속을 갖는 음극 제트를 유발하여 플라스마 기둥으로 전개된 것이다. 원통이나 노즐 형태로 된 양극에서는 차가운 양극벽 근처의 경계층 영향을 받아 플라스마 기둥이 가늘게 수축되며, 아크 기체의 성분과 주입방법, 양극직경, 아크전류 크기에 따라 그 형태가 결정된다. 양극벽 근처의 경계층이 부분적으로 충분히 가열될 때 플라스마 기둥은 불안정해져 벽표면으로 아크가 국부적으로 미세하게 튀어서(strike) 이것이 신장되면, 플라스마 기둥의 불안정한 난류지역과 양극 벽면 사이에서 절연파괴가 일어나 양극에서 또 다른 아크뿌리가 형성되는 'restrike mode'가 나타나게 된다. 이 결과로 50 %의 전압 강하와 함께 50 %의 전력이 플라스마 기체 내에서 소모되면서 열팽창이 배가되어 플라스마 기둥이 출구 쪽으로 밀려 끊어진다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 열플라스마 제트는 restrike mode의 반복에 의한 플라스마 기둥의 밀어내기 연속으로 볼 수 있으며,^[3-5] 이러한 요동(fluctuation)의 빈도는 수∼20 kHz에 달하나, 우리는 이러한 빠른 난류(turbulence) 현상을 시각적으로 감지할 수 없기 때문에 토치에서 분출되는 열플라스마가 안정된 층류(laminar)를 이루는 불꽃 제트 형태로 관측하는 것이다. (a)-(c)에서는 양극 아크뿌리의 생성 후 플라스마 기둥의 성장과 더불어 플라스마 제트 불꽃의 방출이 일어나고 (d)에서 다시 restrike mode에 의해 새로운 아크뿌리 발생과 함께 플라스마 기둥이 분리되는 것을 보여준다.^[3,5]

3. 열플라스마 모델링 및 진단계측

열플라스마와 그 공정에 있어서 관련 시스템과 변수들이 매우 복잡하고 서로 연관이 되어 있기 때문에, 모델링과 계측은 대부분 단순화된 기하학적 모델이나 한정된 변수에 대하여 수행되고 있다. 특히 이론적인 모델링은 해석적 방법으로는 실제 시스템과 공정에 관한 정확한 정보를 제공할 수 없기 때문에, 전산 모델링을 통한 수치해석으로 열플라스마 내에서 일어나는 아크와 기체간의 상호작용, 유체역학적 성질, 난류현상, 주변기체의 혼합 영향, 플라스마-주입입자 간의 상호작용, 혼합 기체 간의 화학반응에 관한 예측과 실험 해석을 주로 하면서 시스템 설계와 최적 공정변수 산출에 활용하고 있다.

전산 모델링에서는 LET를 전제로 한 2차원 MHD 모형과 난류효과를 고려한 k-ㄅ 모형을 주로 채택하여 열역학적 성질들을 찾아내고 있으며, 이들은 측정결과와 비교적 잘 일치하고 있다. 예를 들어 그림 3은 비이송식 직류 아크 토치의 내부와 외부에서 분사되는 열플라스마의 온도와 속도 분포를 수치모사로 찾은 것이다.^[6] 그러나 엄밀한 의미에서 열플라스마는 난류이기 때문에 이런 시간 평균값으로서의 여러 성질들은 열플라스마 공정을 완벽하게 기술하기에는 불충분하며, 최근에는 큰 난류요동 효과를 찾기 위한 3차원의 대형 전산코드 개발을 시도하고 있으나 아직 해결과제로 남아 있다. 또한 0.1기압 이하에서 운전되는 플라스마 제트나 전극과 불꽃 가장자리의 경계층에서는 LTE가 아닌 비평형 상태이기 때문에, 이러한 효과를 고려한 수치모사가 진행 중에 있으며, 아크가 전위의 최저점에서 시작된다는 Steenbeck 최소원리를 도입하여, 양극에서의 정확한 아크뿌리 위치를 결정하여 수치해석 결과의 정밀성을 높이고 있다.

열플라스마 용사, 합성, 분해, 화학증착(CVD) 등과 같은 소재공정에서는 분말입자나 반응기체가 여러 가지 상으로 플라스마와 혼합된 형태로 존재하면서 이들 간에 운동량과 에너지를 교환하여, 고속 용융입자의 분사나 기상상태에서 화학반응에 의한 새로운 산물이 생성된다. 플라스마-입자 상호작용이나 플라스마 화학반응에 관한 전산 모델링은 이러한 과정의 결과로 나타나는 물리 화학적 변수들과 현상을 설명해 준다. 이때 입자와 기체가 공간적으로 급한 물매를 가지고 혼합된 열플라스마의 경우, 열역학적 성질, 수송계수, 화학 반응율을 어떻게 정확하게 수치해석에 반영하느냐가 실험이나 공정 데이터와 잘 들어맞는 결과를 얻어내는 관건이 된다.

열플라스마의 온도, 밀도, 엔탈피 등의 분포는 물론 주입분말의 온도, 속도, 상변화 등에 관한 정확한 진단 측정은, 열플라스마처럼 4,000 K/mm의 급격한 온도물매, 강렬한 복사선 세기, 높은 열다발, 20 kHz에 이르는 요동의 난류 성질로 인해 매우 복잡하고 어려운 실험 중의 하나이다. 다른 저온 및 고온 플라스마 진단에서 흔히 채택하고 있는 탐침법, 열플라스마와 분말입자로부터의 복사선을 이용한 분광법, 고주파나 레이저를 입사시켜 투과, 흡수, 반사, 산란의 반응을 측정하는 기법이 역시 열플라스마 계측에도 사용되나,^[4-7] 자세한 진단기법의 설명은 지면 관계상 생략하고 대상 측정변수에 따라 흔히 사용되고 있는 측정법을 몇가지만 열거하겠다.

Langmuir 탐침법으로 단일, 이중, Mach 탐침을 각각 사용하여 전자온도, 밀도, 유속을 측정할 수 있고, 엔탈피 탐침으로는 열플라스마의 국부적인 열함유량, 유속, 온도를 알 수 있다. 일반적으로 온도분포는 방출 분광분석법으로 Abel 변환을 통해 결정하고, 이외에 CARS나 Rayleigh와 Thomson 산란법이 이용되기도 한다. 최근에는 10^－4∼10^－5sec의 샤터 속도를 갖는 비데오 카메라를 사용하여 플라스마 제트 요동현상과 분사입자 거동을 관측하기도 하고, 초음파 분광측정으로 아크 뿌리의 움직임이나, shadow graphy나 Schlieren 사진법으로 급작스런 난류전개를 탐지하기도 하며, 컴퓨터 단층촬영(tomography) 기법을 도입해서 3차원 형상을 찾는 시도들도 있다. 분사입자의 속도와 크기의 계측은 레이저 간섭법, 레이저 도플러 속도계(LDA), 비행시간법(TOF)인 레이저 2초점법(L2F)이 있고, 입자 표면 온도는 2색 고속고온계로 보통 측정한다.

열플라스마 공정기술

1. 플라스마 용사(Plasma Spraying)

플라스마 용사에 의한 코팅 기술은 열플라스마 제트 속에 10∼100 Ռm 크기의 분말을 주입, 용융시켜 초고속으로 모재 위에 분사하여 급냉응고에 의한 주로 기계적 결합력으로 금속 모재 표면에 용착시켜 적층하거나 충진하는 방법이다. 다른 화염 용사와 같은 방법으로는 도저히 얻을 수 없는 15,000 K에 가까운 초고온을 플라스마 토치로부터 얻을 수 있어서, 특히 고융점의 W, Mo 같은 금속과 세라믹의 코팅에는 필수적이며 유일한 용사기법이다. 따라서 피막재의 재료특성을 살려 내마모, 내부식, 내열 및 열장벽, 초경, 내산화, 절연, 마찰특성, 방열, 생체기능, 내방사성의 특성을 나타내는 고기능성 소재를 생산해 낼 수 있다. 또한 CVD나 PVD 등 다른 코팅 방법에 비해 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 in-situ로 쉽게 코팅할 수 있을 뿐만 아니라, 부품의 결함, 파열, 마모, 훼손 부위의 재생과 수리, 공차 조정 등에 사용됨으로써 경비절감과 수명연장 효과도 동시에 얻는데 매우 중요한 기여를 하고 있다.

직류 비이송식 토치가 등장한 1950년대 이후에 플라스마 용사는 응용 기술이 정착되어 폭발적인 성장을 거듭하였고, 최근에는 항공기 가스터빈의 핵심부품을 비롯한 각종 산업의 기계부품과 장비의 표면 기능성 강화 보호피막 기술에서부터 공학 구조재의 성형 기술에 이르기까지, 항공우주, 전력, 자동차, 화학, 섬유제지, 원자력, 군수, 의료, 전기전자 등의 다양한 산업분야에서 활용되고 있다. 그림 4는 자동차 엔진 부품에 플라스마 용사 코팅이 활용되는 예를 보여준다.^[8] 미국, 캐나다 등의 북미지역 시장의 30∼40 %는 항공기 가스터빈의 고부가가치 제품으로 팬, 압축기, 터빈 등의 5,500 부품에 대한 열장벽, 공차조정, 내마모 밀봉 코팅이 주 대상으로, 1995년의 거래액이 10억 달러를 초과했으며 2000년에는 18억에 달할 것으로 전망하고 있다.

플라스마 용사에 상업적으로 사용되는 토치는 대개 30∼80 kW급의 직류 비이송식 아크 토치로 Ar과 H₂가 4:1 정도로 섞인 60 l/min 내외의 혼합기체 열플라스마인 경우가 많으며, 시간당 3∼5 kg의 분말을 주입하여 50∼60 %의 부착효율로 수백 Ռm∼50 mm 두께의 고밀도 고부착력의 피막을 얻는다. 대부분 대기압의 분위기에서 상압용사(APS) 공정으로 작업하기 때문에, 분사과정에서 주변 공기가 플라스마 제트 불꽃 내에 혼입되어 결과적으로 기공도가 높고 부착율이 약해지며, 피막재에 따라 산화물 또는 질화물이 형성되어 불순물이 섞인 코팅을 얻을 수도 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 공기 접촉 차단 목적으로 불꽃 주위를 감싸는 불활성 shroud 기체를 분사하는 용사방법이나 진공 플라스마용사(VPS)의 기법이 개발되었다. VPS의 경우, 0.1기압 내외의 압력이 유지되는 진공용기 내에서 초음속의 플라스마 제트로 용사를 하여, 기공도를 0.5 % 이하로 낮춘 고밀도 고순도의 고품질 피막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 플라스마 제트 소음 및 자외선과 용착 안된 분사분말 등 공해요인을 밀폐된 진공용기 내로 한정시키는 환경 측면에서 유리한 점도 동시에 가지고 있으나, 진공설비에 따른 투자비의 부담이 증가된다.

최근에는 이송식 토치를 PTA (Plasma Transferred Arc) 표면강화에도 이용하고 있는데, 모재를 양극으로 하여 열플라스마로 형성된 표면의 용융풀 내에 강화 합금 분말을 주입하여 용융냉각시키면 강철이나 주철의 표면 강도가 획기적으로 개선된다. 고주파 토치는 직류 토치에 비해 열플라스마의 온도와 속도가 낮고, 이동이 자유스럽지 못하기 때문에 용사 목적으로는 별로 활용되지 않는다.

2. 초미세분말 합성(Ultrafine Powde Synthesis)

직류, 고주파, 또는 직류-고주파 혼성 토치의 열플라스마 내로 분말 및 액상의 precursor를 주입하여 완전 기화시켜 기상상태로 만들고 반응기체를 혼입시키면, 그들 사이에 화학 반응이 일어나고 그 반응 산물의 핵생성과 성장을 돕기 위해 냉각기체로 급냉(quenching)을 시키면, 0.1 Ռm 이하의 초미세분말로 질화물, 탄화물, 산화물 등의 세라믹을 합성할 수 있다. 예를 들면 Al 분말과 N₂기체로부터 Si₃N₄, W과 CH₄에 의한 WC, Mg와 O₂에서 MgO의 초미세분말을 열플라스마 환경에서 합성하여 얻는다.

초미세분말은 직경이 수십∼수백 nm 단위로 체적 특성이 감소되고 표면적(수십∼수백 m²/g)이 상대적으로 매우 커서, 표면 특성에 의해 새롭게 나타나는 물리화학적 성질로 인해 특이한 물성 변화가 나타나므로, 세라믹의 소결 및 박막 제조의 원료분말이나 큰 계면활성을 이용한 촉매로서 사용된다. 재래식 합성법에 비해 플라스마 합성에서는 열플라스마가 고온 고열량을 가지고 있으며 열전달 속도가 빨라 피열 물체의 급속 가열에 의한 기상 변화를 신속히 할 수 있고, 전자, 이온, 원자 등과 같은 라디칼들이 많아 화학반응율이 높으며, 실험조건 및 공정 분위기 제어와 오염 방지가 용이하여, 고순도의 초미세분말을 대량으로 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다.

3. 열플라스마 화학증착(TPCVD)

TPCVD는 앞서의 플라스마 합성과 유사하나, 잘 혼합된 기상의 precursor와 반응기체들이 플라스마 불꽃 끝의 비평형 영역을 지나 냉각 모재판 표면에서 화학반응에 의한 핵생성 및 성장으로 고밀도의 균질한 결정을 갖는 고품질의 합성 피막을 만든다. 용사 코팅에서 용융입자의 모재 충돌에 의한 급냉응고의 물리적인 과정으로 얻는 피막과는 구별되는 화학적인 과정의 산물이다. 또한 대기압에 가까운 높은 압력에서 시행되기 때문에, 재래식의 화학증착(CVD)이나 저압의 글로우 플라스마를 이용한 PECVD에 비해 높은 증착율을 얻을 수 있고 공정 제어가 편리한 장점이 있다. 고주파 토치가 불꽃 영역이 크고 속도나 에너지 밀도가 이 공정에 적합하기 때문에 직류 아크토치에 비해 많이 사용된다. 그림 5에 H₂와 CH₄를 반응기체로 한 직류 아크토치에서의 다이아몬드 코팅과 Y, Ba, Cu의 질화물을 증류수에 섞어 고주파 플라스마 내로 분무시켜 초전도체 후막을 제조하는 예를 보이고 있다. 특히 값싼 방법으로 다이아몬드 코팅을 얻을 수 있기 때문에, 선반, 절단기, 드릴 등의 공작기구에 초경 코팅을 하여 반영구적인 수명을 유지할 수 있고, 실리콘을 대치하여 높은 열전도성을 가진 다이아몬드가 고부가가치의 반도체 소재 생산에 초전도체 후막과 함께 사용될 수 있어 TPCVD가 최근에 특히 각광을 받고 있다.

4. 열분해에 의한 폐기물처리 및 석탄가스화

다양한 기체의 열플라스마는 높은 온도와 열용량으로 인해 유기화합물을 열분해시켜 C, C_nH_m, CO, H₂와 같은 화학적으로 안정된 화합물과 연소가스로 열분해 시킬 수 있고, 무기화합물은 용융시킨 후 아주 미세한 물질로 분해하여 고형체로 유리화 시킬 수 있다. 따라서 대상물이 유해폐기물이나 석탄인 경우에 열분해에 의한 연소가스 생산으로 정화와 재활용을 기할 수 있고, 유리화를 통해 비여과성 형태로 부피를 획기적으로 줄일 수 있어서 환경문제 해결 측면에서 열플라스마 이용이 매력있는 처리기술일 수 밖에 없다.

5. 유도결합플라스마(ICP) 재료분석

고주파에 의한 유도결합플라스마 내에 미지의 물질을 주입하여 이때 방출되는 분광선이나 사중극으로 분리해낸 이온을 사용하여, 방출분광분석(ICP-OES)이나 질량분석법(ICP-MS)으로 극미량의 원소를 정성정량적으로 검출하는 방법은 이미 오래 전부터 재료분석 분야에서 널리 이용되어 왔다. 극미량으로도 정밀 정량분석이 가능하고 신속하게 다원소 분석과 동위원소 존재비를 측정할 수 있는 장점이 있어서, 환경, 의료, 생화학, 지질학, 산업체, 식품 등에서 광범위하게 쓰이는 기술이다. 원자력 분야에서는 환경 중에 극미량으로 존재하는 장반감기 인공 방사성핵종의 방사능 감시를 통해 원자력 시설 주변감시와 방사능 오염 조기탐지에 이용되고, 방사성 동위원소비 측정에 의한 방사성핵종의 기원을 파악하는 수단으로 활용될 수 있다.

그림 6. 열플라스마 아크 용융 시스템의 중저준위 방사성 폐기물 처리 흐름도.

6. 플라스마 금속야금

소모성 흑연 전극을 사용한 전기 아크로를 철의 용융이나 제련에 사용하기 시작한 것은 거의 100년에 가까운 역사를 가지고 있으나, 최근에는 비소모성 전극 주위에 Ar같은 불활성 기체를 흘려주면서 직류 또는 교류 아크 열플라스마로 수십 MW까지 얻어내는 비이송식 또는 이송식 플라스마로가 상업적으로 운용되고 있다. 따라서 종래 아크로에 비해 용융 효율이 높고, 전극물질의 침식에 의한 불순물 오염의 걱정이 없으며, 높은 압력의 분위기 가스를 제어하면서 용융이 이루어져 산화 오염이 줄어들고, 높은 증기압으로 구성물질의 손실을 최소화하여 생산 수율이 높고, 아크의 불안정성이나 소음이 상대적으로 적으며, 간편하게 장치를 구성하여 전기 이용율을 최대화할 수 있는 장점을 플라스마로가 가지고 있다. 이러한 플라스마로는 재래식 용광로에서는 성형하기 어려운 특수 금속과 합금의 용해, 정련에 이용되고, 원광으로부터 순수 금속이나 합금의 추출, 금속의 재용융 및 가열에 쓰인다. 그러나 시간당 30 ton 이상의 경제성 있는 제강 능력을 갖기 위해서는 100 MW에 가까운 플라스마로의 용량이 요구되어, 다중의 토치 배열 운전이나 전극 크기에 제약을 받는 비소모성 전극 대신 대형 공동형 흑연 전극을 사용한 토치의 운용에 대한 연구개발 노력이 진행되고 있다.

7. 플라스마 절단 및 용접

아크, TIC, MIG 용접기나 플라스마 절단기는 아크 플라스마의 고온고열로 대상 금속을 국부적으로 용융시켜 이를 이용한 장치로, 우리 주변에서 일반 산업의 장치나 설비의 제작 및 해체에 전통적으로 널리 쓰이고 있는 기술이다. TIG (tungsten inert gas) 용접은 비소모성 W 전극과 금속모재 전극 사이에 아크를 발생시키면서 그 주변에 불활성 기체를 흘려 모재 용융금속을 주변공기에 의한 산화 오염을 막으면서 고화 접합시키는 반면에, MIG(metal inert gas) 용접은 소모성 금속 전극을 사용하여 아크로 녹여 접합부분을 채워서 용접하는 것이 다르다. 절단기의 아크 플라스마는 높은 열다발을 갖고 더욱 집속된 형태로 발생시켜 용융된 모재금속을 날려버려 빈 상태를 만들어 절단의 효과를 얻는다.

최근에는 컴퓨터 프로그램으로 로봇트에 의한 자동공정으로 복잡한 형상의 대상물을 정교하게 자동적으로 용접, 절단 처리하는 기법들이 실용화되었다. 또한 고강도 고융점의 재료를 대상으로 한 원자로 제작은 물론, 해체시 방사성 물질이 주변 환경으로 흩어지는 것을 방지하기 위해서 수중에서 작업 가능한 아크나 플라스마 토치를 원자로 폐로에 활용하는 연구를 하고 있다.

맺음말

이상에서 살펴본 바와 같이 열플라스마와 관련하여 그 발생방법, 열역학적 및 수송 특성, 전극에서의 아크 거동과 난류현상, 고주파 결합, 아크와 기체 상호작용, 플라스마-물질 상호작용 및 화학반응 등의 복잡한 물리적 현상이 내재해 있으며, 이를 예측하고 실험해석을 하기 위한 모델링과 진단 계측이 기본적으로 전자기학, 유체역학, 원자물리, 열통계역학, 응집물리, 화학, 전산과학 등 기초과학의 이해에 바탕을 두고 있음을 알았다. 또한 열플라스마 응용 소재공정기술이 이러한 기초과학의 토대 위에 재료공학, 표면공학, 전기전자공학, 기계공학, 화학공학, 산업공정제어 등의 기술적 문제가 복합되어 있는 다양한 학문과 공학의 학제간 종합과학의 성격을 가지고 있고, 제어 불가능한 열플라스마 자체의 다변성과 공정에 관여하는 과다한 운전 및 공정 변수와 재현성 부족으로, 그 기술개발이 경험에 많이 의존하고 시행착오가 많으며 발전이 느려 과학적 측면 뿐만 아니라 한편으로는 예술적인 감각도 요구하는 것을 엿볼 수 있었다.

그러함에도 불구하고, 깨끗하며 빠른 반응으로 쉽게 일어나고, 다양한 플라스마원으로 에너지를 효율적으로 이용하면서 공정단계를 단축시킬 수 있는 열플라스마 공정기술이 첨단소재 개발과 환경문제 해결의 무한한 잠재력을 가지고 있다는 것을 파악하였다. 따라서 한계에 다다르고 해결책을 찾지 못하는 재래식 기술이나 공정의 돌파구를 열플라스마 공정기법이 제공할 수 있는 가능성을 알았다. 이러한 역할 수행의 성공을 위해서는 아직 해결되지 않은 아크 열플라스마 생성 및 거동에 대한 정확한 이론 규명, 실제 시스템에 가까운 모형에 대한 전산해석, 정밀계측을 통한 열플라스마 특성 및 수송 성질과 공정실험을 통한 최적 공정변수값에 관한 광범위한 신뢰성 있는 데이터베이스의 구축, 시스템 제어 및 공정의 자동화가 필수적으로 요구되어, 물리학도와 관련 공학도들의 많은 기여를 기대해 본다.

참 고 문 헌

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[9] 최현구, 물리학과 첨단기술 6(3), 35 (1997).

홍상희 교수는 미국 Colorado State University에서 플라스마공학으로 Ph.D. 학위를 받은 후, 동 대학에서 연구조교수를 거쳐 현재 서울대학교 원자핵공학과 교수로 재직 중이다.
(hongsh@plaza.snu.ac.kr)