[2023 과학의 날] '핵융합연' 미래 첨단기술 원천 '플라즈마' 기술분야 개척 선봉장

대전 본원 핵융합에너지, 군산 연구소는 혁신기술 담당
폐기물 처리부터 소독제 대체까지... 생활 곳곳서 맹활약

플라즈마. 이전에는 낯설게만 느껴졌던 '플라즈마'라는 단어가 최근 우리 생활 곳곳에서 심심치 않게 발견하곤 한다. 국가 첨단기술 경쟁력의 지표인 반도체 기술에서, 또는 실내의 공기 질을 개선하는 공기청정기에서도 플라즈마라는 단어를 사용하고 있다.

한국핵융합에너지연구원(원장 유석재) 본원이 위치한 대전에서는 초고온의 플라즈마를 활용한 핵융합에너지 개발을 주력하고 있으며, 전북 군산에 소재한 플라즈마기술연구소는 플라즈마 기술이 다양한 산업에 효과적으로 활용될 수 있도록 데이터 생산부터 발생원 개발 등 플라즈마 혁신 기술 개발을 담당하고 있다.

전북 군산에 소재한 플라즈마기술연구소.

▲플라즈마란=흔히 플라즈마는 물질의 네 번째 상태로 불린다. 얼음에 열(에너지)을 가하면 액체 상태를 거쳐 기체 상태가 된다. 기체 상태에 계속해서 에너지를 주입하면 원자를 구성하는 원자핵과 전자가 서로 분리되며, 이온화된 기체 상태가 되는데 이를 '플라즈마'라고 한다. 플라즈마가 일반 기체와 다른 점은 원자핵과 전자가 분리돼 있어 자기장의 영향을 받으며, 빛을 내거나 다른 물질의 성질을 변화시킬 수 있다는 점이 있다. 이러한 플라즈마의 고유한 특성을 활용하면 반도체, 의료, 미용, 환경, 농식품 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능한 '약방의 감초' 같은 기술이 탄생하게 된다.

▲학계·산업계의 든든한 조력자=플라즈마 기술을 산업 현장에 잘 적용하기 위해서는 플라즈마와 다른 물질과의 상호작용으로 발생하는 물리·화학적 변화에 대한 정보 및 다양한 변수에 대한 데이터를 확보하는 것이 매우 중요하다.

국가 참조 표준 데이터 센터 1호로 지정되기도 한 플라즈마기술연구소 플라즈마불성데이터센터는 지난 2006년부터 플라즈마 관련 물성 데이터의 수집과 측정, 평가를 통해 플라즈마 물성 참조표준을 개발 및 보급하고 있다. 플라즈마 물성 참조표준은 플라즈마를 산업에 적용시키는 일종의 활용 가이드라인으로 플라즈마를 구성하는 전자·이온·원자·분자들의 물성값을 과학적으로 분석·평가해 공인한 값을 말한다.

플라즈마기술연구소는 현재까지 약 980여 건의 참조표준을 개발하는 데 성공해 관련 학계 및 산업계의 든든한 지원을 하고 있다. 이렇게 확보한 표준 데이터들은 향후 개발되는 플라즈마 관련 기술의 완성도를 높이고, 산업 현장에서 요구하는 다양한 기술 수요에 대해 신속한 대응을 이끌어내는 등 우리나라 산업 기술력을 높이는 데 기여하고 있다.

▲일상 곳곳에서 활약하는 플라즈마 기술=이외에도 플라즈마 기술이 주목받는 분야는 환경이다. 하루에도 수만 t씩 발생하는 폐기물들을 처리하면서도 동시에 우리에게 유익한 자원을 만들어내는 기술이 플라즈마를 통해 탄생할 예정이다.

플라즈마를 이용해 폐기물을 처리하는 플라즈마 가스화 기술은 1만℃ 이상의 고온의 플라즈마로 폐기물 내 유기물들을 열분해해 단위 분자인 수소, 일산화탄소 등으로 쪼개어 가스화하는 기술이다. 처리 과정에서 대기오염물질을 발생시키지 않고 깨끗한 합성가스를 생산해 수소로 만들거나 발전에도 활용 가능하기 때문에 매우 친환경적이다. 또한, 폐기물 성분 중에서 일부 가스화되지 않는 성분들은 유리화해서 순환 골재로도 재활용이 가능해 폐기물이 자원이 되는 '일석이조' 효과를 거둔다.

꿈 같은 기술임에도 불구하고 기존에는 경제성 문제로 실제 산업에 적용되는 데 장애물이 있었다. 하지만, 플라즈마 기술 혁신을 통한 경제성 향상 및 다양한 기업들과의 협력을 통해 상용화를 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

▲알코올 대신 소독제 역할 가능성=환경 이외에도 우리의 일상생활과 더욱 가까운 곳에서 플라즈마의 활약은 계속된다. 지난해에는 플라즈마를 활용해 알코올 소독제를 대체할 수 있는 기술을 확보하기도 했다.

알코올 소독제는 살균·항균 효과가 매우 탁월해 기나긴 코로나19 상황에서 마스크와 함께 감염병 확산을 막아주는 일등공신이었다. 하지만 지속적으로 사용할 경우, 피부에 자극을 주게 돼 건강에 악영향을 미치는 등 또 다른 복병이 발생했다.

이에 따라 우수한 효과와 안정성을 동시에 갖춘 소독제의 필요성이 대두됐고, 플라즈마기술연구소에서는 플라즈마 연구를 통해 새로운 소독제 개발의 가능성을 발견하는 데 성공했다. 플라즈마 발생 과정에서는 '라디칼'이라는 것이 발생하는데 라디칼과 물을 합성한 라디칼수가 피부를 손상시키지 않으면서도 기존의 알코올 및 과산화수소 소독제와 동일 수준 이상의 살균 및 항균 효과가 있음을 입증한 것이다. 해당 원리를 이용하면 피부 소독제 외에도 살균·항균이 필요한 다양한 분야에 응용이 가능해 플라즈마 라디칼수가 우리 생활 속에서 어떤 활약을 하게 될지 많은 기대가 모이고 있다.

행융합에너지연 관계자는 "플라즈마 기술은 공기, 물, 토양의 정화와 같은 환경개선 분야, 농식품의 생산성·저장성 증대, 바이오 소재 개발과 같은 바이오 분야 등 다양한 곳에서 융복합적으로 적용할 수 있다"면서 "앞으로도 플라즈마기술연구소는 산업체 전반에 활용되는 플라즈마 기술의 활약을 위해 플라즈마 원천 기술을 확보하고 새로운 플라즈마 기술 분야를 개척하기 위해 노력할 것"이라고 전했다.
김흥수 기자 soooo0825@