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202201.21

"플라즈마로 널리 세상을 이롭게 하라"

KFE   
https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1349

산업 혁신은 기본, 환경 지키고 우주 개척하는 플라즈마 융합원천연구

2021년 국가연구개발 우수성과 100선 선정


플라즈마기술연구소 융복합기술연구부 구성원(일부)



플라즈마기술연구소 융합원천 기술이 2021년 국가연구개발 100선에 선정되는 쾌거를 이루었습니다. 기술 혁신을 거듭하며 산업 발전과 일상의 변화를 이끈 결실인데요. 우수성과 100선은 정부 지원으로 수행된 7만여 연구개발 과제 중 산학연 전문가 평가와 대국민 공개검증을 거쳐 최종 선정되는 만큼 그 의미가 더욱 특별합니다. 플라즈마 융합원천 기술은 4차 산업혁명은 물론 우주 개척에 도전하는 다양한 산업현장에서 혁신의 열쇠를 제공해 왔습니다. 산업의 쌀이라 불리는 반도체 제작 공정도 70% 이상이 플라즈마로 이루어집니다. 환경을 위협하는 이산화탄소 분해 및 악취 제거와 쓰레기 처리는 물론 인류의 삶의 질을 높이는 의료 바이오 기술 발전에도 기여했습니다. 플라즈마의 활약상, 어디까지 이어질까요?


최첨단 기술 확보로 각종 산업기술 독립 견인 및 사회문제 해결


플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 네 번째 상태를 뜻하는데요. 우주의 99% 이상은 플라즈마 상태로 존재합니다. 무한한 빛과 에너지의 원천인 태양, 밤하늘에 반짝이는 별들도 모두 플라즈마 상태입니다. 이처럼 전 우주적으로는 매우 흔하지만 지구 상에서 플라즈마 상태를 찾는 것은 쉽지 않은데요. 인류가 플라즈마 상태를 발견하고 독특한 특성을 활용한 응용 기술을 활용하기 시작한 것도 최근 몇 십년의 일입니다.


핵융합(연) 플라즈마기술연구소는 플라즈마 연구에 필요한 데이터 생산 및 새로운 형태의 플라즈마 발생원을 개발하고, 플라즈마 물질 반응을 제어해 차세대 산업 및 환경개선에 사용될 혁신적 기술을 개발하는 국내 유일의 플라즈마 기술 전문 연구 기관입니다.


“과학적으로는 새로운 방식의 플라즈마 발생원을 개발하고, 이전에는 활용하지 않던 정교한 수준의 플라즈마 물질 반응을 연구합니다. 이는 새로운 플라즈마 원천기술 개발로 이어져 기존 산업에 적용된 플라즈마 기술의 한계를 극복하거나, 새로운 분야에 적용하여 신산업을 모색하는 마중물이 되어줍니다.”


플라즈마기술연구소 최용섭 소장의 설명에 따르면 플라즈마 연구는 크게 기반기술, 원천기술, 융복합기술 연구로 나뉩니다. 기반기술은 플라즈마 물성 자체를 연구하며, 원천기술은 이를 바탕으로 새로운 플라즈마 발생원이나 공정기술을 만들어 냅니다. 또 원천기술은 다른 기술들과 융복합해 다양한 산업에 적용되지요. 즉, 플라즈마 원천기술을 활용해서 실제 산업에 적용되는 융복합기술로 만들어 내는 것이 플라즈마 융합원천 기술입니다.


플라즈마 원자층 연마장치


플라즈마기술연구소의 성과를 살펴볼까요? 지금까지 일본 등 일부 국가만 갖고 있던 인공위성​ 광학계 제작기술을 이제 우리도 확보하게 됐습니다. 흔히 규소라 불리는 실리콘 카바이드(SiC)는 우주산업에서 주목받는 소재입니다. 하지만 너무 단단한 탓에 기존의 기계 가공법으로는 가공이 매우 어려웠습니다. 플라즈마기술연구소는 초정밀 연마용 플라즈마 발생원 기술을 개발해 SiC 표면을 0.2nm(나노미터) 수준으로 연마하는 데 성공했습니다. 인공위성이나 로켓과 같은 우주기술은 각국의 미래전략산업이자 국방력과 직결되는 전략기술이기에 기술의 외부 공개가 엄격히 제한됩니다. 따라서 이번 성과는 최첨단 산업군의 자체 기술을 확보했다는 점에서 큰 의미가 있습니다.


에너지와 환경 문제의 해법으로 친환경재생에너지와 전기자동차의 보급이 확대되며 대용량연료전지 개발의 필요성이 더욱 높아지고 있는데요. 플라즈마기술연구소가 개발한 전자 싸이클로트론 공명(ECR) 플라즈마를 이용한 Carbon Nano Wall 슈퍼커패시터 복합전극은 빠른 시간에 합성이 가능할 뿐만 아니라 높은 정전용량을 자랑합니다. 융합원천 연구결과는 11편의 SCI 논문으로 출간됐으며, 14건의 특허 출원 및 10건을 등록 완료하며 과학적·산업적으로 성과를 입증하고 산업체에 바로 적용 가능한 가치 높은 기술로 평가받았습니다.


플라즈마 융합원천 기술의 잠재력은 물체의 성질을 변화시키는 능력에서 시작됩니다. 플라즈마를 만난 물체 표면은 원자 수준에서 화학적 성분의 변화를 일으키는데요. 플라즈마 표면처리 기술은 오래전부터 TV 제조용 유리 기판이나 필름 처리 등에 활용돼 왔습니다. 최근 연구진은 다량의 분말에도 플라즈마를 처리할 수 있는 기술을 개발했습니다. 물에 섞이지 않던 탄소 분말에 플라즈마를 처리하면 수중에서 상 분리가 발생하지 않아 제조 공정에서 쉽게 사용이 가능합니다. 별 모양의 금 나노입자를 만들 수 있는 플라즈마 전기화학 공법 개발하여 전도성 높은 인쇄용 전극으로 사용 가능성을 제시했습니다.


갈수록 심각해지는 지구온난화 문제 해결을 위한 활약도 두드러집니다. 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 이산화탄소를 분해하거나 액상 반응 플라즈마 발생원을 이용하여 이산화탄소를 타 화합물질로 변환하는 기술은 산업체에 기술이전 되어 상용화를 앞두고 있습니다. 또한 심각한 사회 문제인 악취와 폐기물 처리 기술도 선보였습니다.


이산화탄소 전환 수중방전시스템


 

깨끗한 지구를 지키기 위한 차세대 산업 혁신 플라즈마 핵심 기술 개발


“플라즈마 융합원천 기술은 정말 다양한 분야에서 사회·환경문제 해결과 경제적 가치를 창출하고 있습니다. 연구분야가 늘 새롭게 확장되어 혼란스러울 지경이죠. 오해는 금물입니다. 제가 말한 혼란은 플라즈마 융합원천 기술이 응용관점에서 다양하게 적용됨을 의미합니다. 플라즈마 관점에서 보면 플라즈마의 물성을 이용해 인간에게 유익한 일을 한다는 점에서는 매우 일관성 있는 연구입니다.”


20년 넘게 플라즈마 연구에 매진해 온 최용섭 소장에게도 플라즈마 융합원천 기술의 무궁한 가능성과 잠재력은 늘 경이롭습니다. 플라즈마기술연구소는 한정된 연구자원으로 최대 효과를 내기 위해 플라즈마 관련 산업의 흐름을 예측하고 가까운 미래에 필요한 플라즈마 발생원을 개발에 집중하고 있습니다. 특히 2021년부터 2026년까지는‘깨끗한 지구를 지키기 위한 차세대 산업 혁신 플라즈마 핵심 기술 개발’에 매진한다는 계획입니다.


이를 위해 먼저 플라즈마 물성을 자유롭게 구현할 수 있는 플라즈마 발생원 기술을 개발해 다양한 응용연구의 날개를 달아주고자 합니다. 기존 산업체에 적용됐던 플라즈마 발생원 기술을 더욱 개선해 한계를 뛰어넘게 해야 하고, 기존에 없던 새로운 플라즈마 발생원을 개발하여 새로운 응용 분야를 창출해야 합니다.


연구주제도 살펴볼까요? 먼저 유해물질 배출 없는 폐기물 처리를 위해 온난화 영향 없는 플라즈마 폐기물 분해 시스템 개발과 플라즈마-촉매 일체형 시스템을 활용한 에너지 생산 공정 개발에 도전할 계획입니다. 전력반도체 고효율화를 위한 다이아몬드 기판 성막용 플라즈마 장비 핵심 기술 개발도 주요 목표인데요. 6인치(Φ150) 이상, D/G 100 이상, 균일도 15% 이내 고품질 다이아몬드 박막 성막용 대면적 플라즈마 발생원을 개발해 첨단산업 경쟁력 강화에 일조한다는 포부입니다. 또한 분체공정 자원 낭비 절감을 위해 기존의 습식공정 대체를 위한 분체 표면처리용 플라즈마 발생원 및 공정기술을 개발하고, 플라즈마 용사 코팅 소재 내구성 향상을 위한 플라즈마 분체 처리 기술을 확보할 방침입니다.


플라즈마 폐기물 가스화 장치


 

기초연구 넘어 실증연구, 기술사업화 통해 산업발전과 국민의 삶의 질 향상


플라즈마 응용연구도 세계 정상급입니다. 플라즈마 융합원천 기술이 실제 산업현장에 적용되고 국가 경쟁력 강화로 이어지기까지, 기초연구를 넘어 실증연구, 기술사업화를 향한 연구원들의 열정과 노력이 이룬 산물입니다. 또한 해당 기술의 가능성을 잘 아는 연구자가 성공에 확신을 갖고 직접 연구원 창업에 도전하기도 합니다. 플라즈마기술연구소가 그간 진행한 총 5의 기술이전의 선급 기술료가 6.24억 원에 달하며, 투입되는 연구비 대비 기술료 수익은 24.8%에 이릅니다. 이는 산업화형 출연연 6개 평균 5%보다 월등히 높은 비율입니다.


연구원들은 본연의 연구업무와 기술사업화 연구도 동시에 수행하기 때문에 모두가 일당백이 되어야 하는데요. 최용섭 소장은 “개발한 기술이 실제 산업현장에서 쓰이고 도움이 되는 것을 보면 보람이 매우 크기에, 힘들지만 모두들 잘 해내왔다”며 격려했습니다. 2022년을 시작하는 융합원천 기술 연구의 계획은 무엇일까요?


“우리의 연구는 세상을 이롭게 하는 것입니다. 거창하게 이야기하면 홍익인간의 구현입니다. 평가의 잣대에 맞추어서 목표를 정하고 그것을 달성하기 위해 사람을 희생시키는 연구가 아닌, 함께하는 사람들과 사회에 실제로 도움이 되는 연구를 수행하고자 합니다. 구성원 각자의 생각은 다르지만, 서로를 인정하고 최선을 다하는 문화를 이어가겠습니다.”


최용섭 소장은 연구 목표 달성에 앞서 팀 간, 부서 간의 장벽을 허물어 세상에 꼭 필요한 플라즈마 기술을 만드는 조직을 이루고 싶다는 바람을 전했습니다. 플라즈마는 워낙 쓰임이 다양한 까닭에 연구주제 역시 방대해 소통이 어느 때보다 중요하다는 설명입니다.


“시간이 지날수록 ‘진심’과‘진짜’는 드러나기 마련입니다. 조만간 우리가 개발한 기술이 천배 만배 이상의 가치로 돌아올 것으로 확신합니다.”


플라즈마가의 잠재력을 더욱 활발히 발굴하고 산업 발전의 무궁한 가능성을 증명해나가는 플라즈마기술연구소! 세상을 널리 이롭게 하는 혁신 기술을 개발한다는 강한 믿음과 열정이 있기에 플라즈마 융합원천 기술은 어제보다 오늘이, 오늘보다 내일이 더욱 기대됩니다.


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