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최원호 교수, 플라즈마 공학 국제 최고 권위상 수상
우리 대학은 원자력및양자공학과 최원호 교수가 응용 플라즈마 과학 및 공학 분야의 세계적 권위 학회인 AEPSE 2025(Asian-European Conference on Plasma Surface Engineering)에서 ‘K-T Rie Award’ 수상자로 선정됐다고 5일 밝혔다.
AEPSE는 아시아(AJC-APSE,Asian Joint Committee for Applied Plasma Surface Engineering)와 유럽(EJC/PISE, European Joint Committee/Plasma Ion Surface Engineering)의 플라즈마 표면공학 연구자들이 참여하는 국제 학회로, 격년으로 개최되며 전 세계 연구자들이 최신 연구성과를 공유하는 대표 학술회의다.
이번에 최 교수가 수상한 K-T Rie Award는 독일에서 활동한 한국 출신 플라즈마 표면공학 석학인 ‘이경종(Kyong Tschong Rie) 교수’의 업적을 기리기 위해 2015년 제정된 상으로, 응용 플라즈마 과학·공학 발전에 두드러진 기여를 한 국제 연구자에게 2년마다 수여되는 권위 있는 학술상이다.
최원호 교수는 플라즈마–액체 계면에서 일어나는 물리·화학적 변화를 규명한 연구로 국제적 평가를 받아 왔다. 이를 위해 플라즈마 활성종 생성·에너지 전달 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 플라즈마 영상 진단기술(Plasma Imaging Diagnostics)을 개발해 계면 반응의 핵심 메커니즘을 밝힌 점이 높은 평가를 받았다.
또한 기초 성과를 기반으로 저온 플라즈마 기술을 의료 분야에 적용해 ‘플라즈맵(Plasmapp, 코스닥 상장)’ 창업을 이끌며 플라즈마 멸균기·바이오 플라즈마 제품 등 실용화 성과를 거뒀다.
우주 분야에서도 연구를 확장해 전기추진용 플라즈마 기술 기반의 홀추력기 개발 스타트업 ‘코스모비(Cosmo Bee)’를 학생들과 함께 설립했다. 해당 기술은 최근 누리호 4차 발사에서 플라즈마 홀추력기를 탑재한 큐브위성 개발로 이어지며 실제 우주기술 적용 성과로 확대되고 있다.
이와 함께 최 교수는 프랑스 남부 카다라슈(Cadarache)에 위치한 국제핵융합실험로 ITER 과학기술자문위원회에서 10년간 활동하고, 다수의 국제 학술지 편집위원 및 학회 조직위원장을 맡는 등 국내외 플라즈마 분야 연구의 흐름을 주도해 온 학술 리더십도 높게 인정받았다.
최 교수는 “K-T Rie 상을 수상하게 되어 영광이며, 이번 수상은 우리나라 플라즈마 연구의 국제 경쟁력을 다시 한번 인정받은 결과이자 KAIST의 융합 연구 환경 덕분”이라며 “앞으로 플라즈마 과학의 발전과 응용 확장에 더욱 힘쓰겠다”고 소감을 밝혔다.
2025.12.05 조회수 1088 -
K-HERO 큐브위성, 초소형 홀추력기 우주 검증 본격 착수
우리 대학은 한국형발사체 누리호 4차에 실려 우주로 향한 큐브위성 K-HERO(KAIST Hall Effect Rocket Orbiter)가 27일 정오 지상국과 첫 교신에 성공하며, AI 기반 초소형 홀추력기 우주 검증을 위한 본격적인 임무 준비에 돌입했다고 28일 밝혔다.
K-HERO에는 KAIST 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 AI 기반 설계기술로 개발한 150 W급 초소형 홀전기추력기가 탑재되어 있다. 이번 누리호 4차 발사에서 실린 12기의 큐브위성 중 홀추력기 우주 실증 임무를 수행하는 유일한 위성이다.
홀추력기는 전기에너지를 이용해 제논(Xe) 연료를 이온화하고 고속으로 분사해 추력을 얻는 고효율 전기추진 기술로, 연비(비추력)가 높고, 투입 전력 대비 추력 성능(약 60 mN/kW)이 높아서 대규모 위성군(예: SpaceX 스타링크)에서 심우주 탐사(NASA Psyche)에 이르기까지 널리 활용되는 핵심 기술이다.
기존에는 주로 중대형 플랫폼(GEO 위성)에 적용돼 왔으나, 초소형·소형위성에 탑재할 경량·고효율 소형 홀추력기 개발은 기술 난이도가 높은 도전적 과제로 꼽힌다.
연구팀은 복잡한 플라즈마 생성 및 전자기장 최적화 문제를 해결하기 위해 AI 기반 성능 예측 기법을 적용했다. 이를 통해 설계 반복 과정 단축, 실험 횟수 감소, 개발 기간·비용 절감이라는 뚜렷한 성과를 거두었으며, 이는 국내 초소형 전기추진 기술의 수준을 한 단계 끌어올리는 성취로 평가된다.
K-HERO는 27일 오전 4시경 미국 애리조나 SatNOGS 지상국에서 첫 비콘 신호가 확인됐고 이후 글로벌 지상국에서 10회 이상 신호 수신, 27일 정오 한국항공우주연구원(KARI) 지상국에서도 비콘 수신 성공을 통해 정상적인 궤도 안착과 초기 위성 상태 안정성이 검증되었다. 비콘 분석 결과, 위성 통신 안테나 4개도 성공적으로 전개된 것으로 확인됐다.
연구팀은 향후 양방향 교신을 통해 위성의 전력, 열 환경, 자세 안정성을 점검한 뒤, 홀추력기 우주 작동 시험을 순차적으로 진행할 계획이다.
시험 시에는 플라즈마 전류, 연료탱크 압력 변화, 열적 변화, 자기장 생성 특성, 작동 제어 알고리즘, 전력 공급 특성 등 핵심 데이터를 수집·분석해 60 W급 초소형 홀추력기의 우주 환경 성능을 본격적으로 검증하게 된다.
홀추력기는 1회 작동 시 약 1 mN(밀리뉴턴)급 추력을 1분간 발휘하는 실증 임무를 수행할 예정이다. 1 mN은 쉽게 말해 지상에서 포스트잇 종이 한 장을 들어올리는 힘에 해당한다.
하지만 우주에서는 진공이라 공기 저항이 거의 없고 중력이 작아서, 이렇게 미세한 힘이라도 지속적으로 작용하면 4 kg 정도인 K-HERO 위성의 속도나 궤도를 눈에 띄게 변화시킬 수 있어 실질적인 추진력으로 활용될 수 있다.
이번 홀추력기 개발에는 최원호 교수 연구팀이 설립한 전기추진 전문 스타트업 코스모비㈜(Cosmo Bee)도 적극 참여했다. 양 기관은 K-HERO 운용 경험을 기반으로 저전력 홀추력기 시스템 상용화, 초저궤도(VLEO)·심우주 탐사용 고효율 홀추력기 개발을 추진해 국내 소형위성 전기추진 산업 경쟁력 강화에 기여할 계획이다.
최원호 교수는 “이번 임무의 성공은 실험실의 기초 물리연구에서 시작된 플라즈마 전기추력기 기술이 우주 검증 단계까지 이른 뜻깊은 성과이며, 국내 소형위성 전기추력기 상용화의 중요한 전환점이 될 것”이라고 밝혔다.
이광형 KAIST 총장은 “K-HERO 임무는 KAIST가 축적해 온 우주기술 역량이 실제 우주에서 입증된 의미 있는 성과”라며 “AI 기반 전기추진기 기술을 통해 대한민국의 초소형·소형위성 경쟁력을 세계 수준으로 끌어올리겠다”고 말했다.
2025.11.28 조회수 3076 -
누리호에 오른 KAIST ‘K-HERO’..초소형 홀추력기 차세대 기술 우주에서 검증
우리 대학은 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 개발한 큐브위성 ‘K-HERO(케이-히어로, KAIST 홀추력기 시험위성, KAIST Hall Effect Rocket Orbiter)’가 오는 27일 새벽 전남 고흥 나로우주센터에서 발사되는 누리호 4차 발사체에 탑재돼 우주로 향할 예정이라고 26일 밝혔다.
이번 누리호 4차 발사는 한국항공우주연구원(KARI)에서 기술 이전을 받아 민간기업 한화에어로스페이스가 주관하는 첫 발사로, 국내 우주산업 전환의 의미 있는 장면이 될 전망이다. 주탑재체인 차세대중형위성 3호와 함께 산학연이 개발한 12기의 큐브위성이 실리며, K-HERO는 그 중 하나다.
K-HERO는 최원호 교수 연구팀이 KARI 주관 ‘2022 큐브위성 경연대회’ 기초위성 개발팀으로 선정되면서 개발이 본격화됐다.
기초위성은 본격적인 비행모델(FM) 제작에 앞서 설계와 핵심 부품이 우주환경에서 정상적으로 작동하는지 확인하는 기술 검증용 위성이다. 가로·세로 10cm, 높이 30cm, 무게 3.9kg의 3U 표준 큐브위성인 K-HERO는 발사체와의 안정성·전기 규격·인터페이스 조건을 모두 충족해 설계됐다.
K-HERO의 핵심 임무는 연구팀이 개발한 150 W급 초소형 위성용 홀추력기(Hall thruster)가 우주에서 실제로 작동하는지를 직접 검증하는 것이다.
홀추력기는 쉽게 말하면 ‘전기로 움직이는 우주용 엔진’이라고 할 수 있으며 전기를 이용해 위성을 천천히, 그러나 매우 효율적으로 움직이는 전기추진 엔진이다.
로켓처럼 연료를 많이 태워 순간적으로 큰 힘을 내는 방식이 아니라, 전기로 기체(제논)를 플라즈마 상태로 만들고 이를 뒤로 빠르게 내보내 위성을 밀어내는 방식으로 작동한다. 홀추력기는 연비가 높다는 장점 덕분에 소형·군집위성 시대의 핵심 기술로 꼽힌다.
홀추력기는 이미 20~30년 넘게 대형 위성과 심우주 탐사선에서 사용돼 온 검증된 기술이다. 하지만 크기와 전력 요구량이 커서 과거에는 대형 정지궤도(GEO) 통신·방송 위성에서 주로 운용되고 NASA·ESA의 심우주 탐사선에서도 장거리 비행을 위해 사용되었다.
최근 SpaceX 스타링크 위성군의 등장으로 소형·초소형 전기추력기에 대한 수요가 급증하였다. 이처럼 글로벌 우주산업이 군집위성 중심으로 변화하면서, ‘작고 효율 좋은 추력기’는 필수 기술이 되었다.
K-HERO는 국내 기술로 만든 초소형 홀추력기를 우주에서 직접 실증하는 첫 사례로, 국내 기술 경쟁력을 높이는 중요한 이정표가 될 전망이다.
최원호 교수 연구팀은 2003년 국내 최초로 홀추력기 연구를 시작해 플라즈마 물리 기반의 원천 기술을 확보했다. 이후 2013년 ‘KAIST 과학기술위성 3호’에 200W급 홀추력기를 성공적으로 탑재하며 기술의 실용성을 입증하였고, 이번에는 더 낮은 전력(30W)에서도 동작할 수 있도록 개선하여 초소형위성을 겨냥한 차세대 모델을 개발했다.
이번 K-HERO 개발에는 최 교수 연구팀의 실험실 창업기업 코스모비(주)도 참여하여 기술 상용화 기반을 더욱 강화했다.
최원호 교수는 “K-HERO를 시작으로 국내에서도 전기추력기를 탑재한 소형위성이 본격적으로 늘어날 것이다. 이번에 검증되는 홀추력기는 저궤도 군집 감시정찰 위성, 6G 통신위성, 초저궤도 고해상도 위성, 소행성 탐사선 등 다양한 임무에 활용될 수 있다.”라고 말했다.
이광형 총장은 “K-HERO 발사는 KAIST의 전기추력 기술을 초소형위성 플랫폼에서 다시 한 번 우주에서 직접 검증하게 될 뜻깊은 기회로, 국내 소형위성 기술 경쟁력을 한 단계 더 높일 중요한 전환점이 될 것이다. KAIST는 앞으로도 우리나라 우주기술 발전을 위해 지속적으로 기여하겠다”고 밝혔다.
2025.11.26 조회수 3008 -
AI로 우주용 전기추력기 개발·고성능 예측
홀추력기는 스페이스X의 스타링크(Starlink) 군집위성이나 NASA의 사이키(Psyche) 소행성 탐사선 등과 같은 여러 고난이도 우주 임무에 활용되는, 플라즈마*를 이용한 고효율 추진 장치로, 핵심적인 우주기술 중 하나다. KAIST 연구진이 인공지능 기법을 사용해 개발한 큐브위성용 홀추력기를 올해 11월에 예정된 누리호 4차 발사에서 큐브위성인 K-HERO에 탑재돼 우주에서 성능 검증을 진행할 예정이라고 밝혔다.
*플라즈마(plasma)는 기체가 높은 에너지로 가열되어 전하를 띄는 이온과 전자로 분리된 물질의 네 가지 상태 중 하나로 우주 전기추진 뿐만 아니라 반도체 및 디스플레이 제조공정과 살균장치 등에 널리 활용되고 있다.
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 인공위성이나 우주탐사선의 엔진인 홀 전기 추력기(홀추력기, Hall thruster)의 추력 성능을 높은 정확도로 예측할 수 있는 인공지능 기법을 개발했다고 3일 밝혔다.
홀추력기는 연비가 높아 적은 추진제(연료)를 사용하고도 위성이나 우주선을 크게 가속할 수 있으며, 소모 전력 대비 큰 추력을 발생시킬 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로, 추진제 절약이 중요한 우주 환경에서 군집위성의 편대비행 유지, 우주쓰레기 감축을 위한 궤도이탈 기동, 혜성이나 화성 탐사와 같은 심우주 탐사를 위한 추진력 제공 등 다양한 임무에 폭넓게 활용되고 있다.
최근 뉴스페이스 시대에 접어들어 우주산업이 확장됨에 따라 우주 임무가 다양해지고 있고 이에 맞는 홀추력기 수요가 증가하고 있다. 각각의 고유한 임무에 최적화된 고효율 홀추력기를 신속하게 개발하기 위해서는 설계단계에서부터 추력기의 성능을 정확하게 예측하는 기법이 필수적이다.
그러나 기존의 방식들은 홀추력기 내에서 복잡하게 일어나는 플라즈마 현상을 정밀하게 다루지 못하거나, 특정 조건에 한정돼, 성능 예측 정확도가 낮은 한계가 있었다.
연구팀은 홀추력기의 설계, 제작, 시험의 반복 작업에 걸리는 시간과 비용을 획기적으로 줄이는 인공지능을 기반으로 한 정확도가 높은 추력기 성능 예측기법을 개발했다.
2003년부터 국내에서 전기추력기 개발 연구를 처음으로 시작해 관련 연구개발을 주도하고 있는 최원호 교수팀은 자체적으로 개발한 전기추력기 전산 해석 도구를 활용해 생성한 18,000개의 홀추력기 학습데이터를 기반으로 인공신경망 앙상블 구조를 도입해 추력 성능 예측에 적용했다.
양질의 학습데이터를 확보하기 위해 개발된 전산 해석 도구는 플라즈마 물리 현상과 추력 성능을 모델링한다. 전산 해석 도구의 정확성은, 연구팀이 국내 최초로 개발한 10개의 홀추력기로 수행된 100여 개의 실험 데이터와 비교해 평균오차가 10% 이내로 정확도가 높은 것으로 검증됐다.
학습된 인공신경망 앙상블 모델은 홀추력기의 설계 변수에 따라 높은 정확도로 단지 수초 내로 짧은 시간 안에 추력기 성능을 예측할 수 있는 디지털트윈 모델로 작동한다.
특히 기존에 알려진 스케일링 법칙으로는 분석하기 어려웠던 연료 유량이나 자기장과 같은 설계 변수에 따른 추력과 방전전류와 같은 성능지표 변화를 상세히 분석할 수 있다.
연구팀은 이번에 개발한 인공신경망 모델이 자체 개발한 700W급 및 1kW급 홀추력기에서 평균오차 5% 이내, 미 공군연구소에서 개발한 5kW급 고전력 홀추력기에 대해 평균오차 9% 이내의 정확도를 보여주었다. 이번 연구로 개발한 인공지능 예측기법이 다양한 전력 크기의 홀추력기에 폭넓게 적용할 수 있는 것을 입증했다.
최원호 교수는 “연구팀에서 개발한 인공지능 기반 성능 예측기법은 정확도가 높아 인공위성과 우주선의 엔진인 홀추력기의 추력성능 분석과 고효율 저전력 홀추력기 개발에 이미 활용되고 있다. 이 인공지능 기법은 홀추력기 뿐만 아니라 반도체, 표면 처리 및 코팅 등 다양한 산업에서 활용되는 이온빔 소스의 연구개발에도 접목될 수 있다”라고 밝혔다.
또한, 최교수는 “연구팀의 실험실 창업기업으로 전기추진 전문기업인 코스모비㈜와 함께 인공지능 기법을 사용해 개발한 큐브위성용 홀추력기는 올해 11월에 예정된 누리호 4차 발사에서 3U(30x10x10 cm) 큐브위성인 K-HERO에 탑재돼 우주에서 성능 검증을 진행할 예정”이라고 설명했다.
원자력및양자공학과(우주탐사공학학제전공) 박재홍 박사과정 학생이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제적으로 저명한 인공지능 다학제 학술지인 ‘어드밴스드 인텔리전트 시스템(Advanced Intelligent Systems)’에 2024년 12월 25일에 온라인 게재됐으며, 저널 표지논문(front cover)으로 채택돼 혁신성을 인정받았다.
이번 연구는 한국연구재단 스페이스파이오니어사업(200mN급 고추력 전기추진시스템 개발)의 지원을 받아 수행됐다.
(논문 제목: Predicting Performance of Hall Effect Ion Source Using Machine Learning, DOI: https://doi.org/10.1002/aisy.202400555)
2025.02.03 조회수 9921 -
최원호 교수 연구팀, 2022년 큐브위성 경연대회 기초위성분야 최종 선정
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 한국항공우주연구원이 주관한 ‘2022 큐브위성 경연대회’에서 기초위성분야에 최종 선정됐다고 19일 밝혔다. 특히 이번 대회에서 항공우주공학과 윤효상 교수 연구팀도 함께 선정되어 KAIST는 복수의 팀이 선정되는 쾌거를 이뤘다.
이번 대회 선정팀은 큐브위성 개발비용(기초위성 3억원/고급위성 7.5억원)과 발사 기회(누리호 4차 발사, 2025년 예정)를 제공받게 되며 항우연으로부터 위성 설계 검토, 우주환경시험 등 큐브위성 제작에 필요한 각종 기술을 지원받게 된다.
최 교수 연구팀이 개발하는 위성의 이름은 K-HERO(KAIST Hall Effect Rocket Orbiter)로 초소형위성용 홀추력기의 궤도 검증을 목표로 한다. 홀추력기는 위성 전기추력기의 일종으로 궤도 조정, 군집비행 등의 위성 기동에 필수적인 기술이다.
최 교수 연구팀은 지난 20여 년간 약 20여 종의 홀추력기(50-2,000 W급) 연구개발을 수행하며 국내 전기추력기 연구를 선도하고 있다. 특히 최 교수 연구팀이 개발한 10 mN급 홀추력기는 2013년 발사된 과학기술위성 3호에 탑재되어 임무를 수행한 바 있다.
연구팀은 이번 임무를 통해 큐브위성용 홀추력기의 상용화에 성공한다면 전 세계적으로 증가하고 있는 큐브위성용 추력기 수요에 대응할 수 있을 것이며 국내 큐브위성 업계의 경쟁력 제고에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔다.
2022.12.20 조회수 9127 -
㈜플라즈맵, KAIST 클리닉에 자체개발 의료기기 기증
㈜플라즈맵이 우리 대학에 수술기기의 저온 멸균 솔루션 제품을 기증했다.
지난 12일 본관 제2회의실에서 열린 기부약정식에는 임유봉 ㈜플라즈맵 대표와 최원호 원자력및양자공학과 교수와 이광형 총장이 참석했다.
㈜플라즈맵은 우리 대학 창업원에서 지원하여 코스닥에 상장한 첫 창업기업이다. 임유봉 대표이사는 KAIST 물리학과 졸업생으로 박사과정 재학 중이던 2015년 KAIST의 사업화도약과제(KAIST End-run project)의 지원을 받아 최원호 교수의 플라즈마 기술 고도화 연구를 성공적으로 수행하며 창업했다.
이후, 플라즈마 기술을 적용한 의료, 이차전지, 헬스케어 등 다양한 분야로 사업을 확대했다. 2018년 유럽 의료기기 인증과 함께 수출 중심의 매출을 이뤄내고 있으며, 2020년부터 매출이 매년 2배 이상 증가하는 기업으로 성장하고 있다.
㈜플라즈맵에서 기증한 제품은 수술기기의 저온 멸균 솔루션인 스터링크(STERLINK)와 액티링크(ACTILINK)로 KAIST 클리닉 치과에서 활용할 예정이다.
임유봉 대표는 “KAIST 기술이전으로 확보한 원천기술을 바탕으로 차별화된 제품을 개발해 빠르게 성장할 수 있었다”며, “글로벌 의료기기 시장에서 최고가 되겠다”는 포부를 밝혔다.
이광형 총장은 “(주)플라즈맵의 코스닥 상장은 KAIST 실험실 창업의 모범사례로 딥테크는 물론 일상생활에서도 유용하게 사용할 수 있는 다양한 혁신 제품을 개발해 세계적으로 발전해나가길 바란다 ”고 말했다.
2022.12.19 조회수 4996 -
플라즈마 제트 기초 기술 개발
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 기체를 이온화시킨 *플라즈마가 기체와 액체 사이 경계면의 유체역학적 안정성을 증가시키는 것을 최초로 발견하고 이를 규명하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.
☞ 플라즈마(Plasma): 기체가 높은 에너지로 가열돼 전하를 띄는 전자와 이온으로 분리된 상태를 말한다. 반도체와 디스플레이 제조공정에 핵심적인 역할을 하며, 형광등 내부나 네온사인, 공기청정기 등에서 접할 수 있다.
최 교수 연구팀은 헬륨 기체 제트를 고전압으로 이온화시켜 얻은 플라즈마를 물 표면에 분사시켰을 때, 일반적인 기체와 액체 사이의 경계면에서보다 경계면이 훨씬 안정적으로 유지되는 것을 발견했다. 이는 자연에 존재하는 약하게 이온화된 기체와 액체 사이의 상호작용에 관한 이해를 넓히고, 플라즈마 제트를 활용하는 기초과학․응용 분야에 크게 도움이 될 것으로 기대된다.
한국핵융합에너지연구원 박상후 박사(우리 대학 물리학과 박사졸업)가 제1 저자로, 최 교수가 교신저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 `네이처(Nature)' 4월 1일 字에 게재됐다. (논문명: Stabilization of liquid instabilities with ionized gas jets)
가정에서 사용하는 샤워기의 물줄기, 와인의 눈물, 갯벌 바닥의 물결무늬 등 불규칙한 패턴들에서 우리는 유체 경계면에서 나타나는 유체역학적 불안정성을 흔히 볼 수 있다.
컵에 담긴 주스의 표면 위에 빨대를 두고 숨을 약하게 불면 주스 표면이 보조개 형태로 오목하게 들어가는데, 이때 빨대를 더 강하게 불면 주스에 거품이 일고 물방울이 튀어 오르는 현상도 공기와 주스 사이 경계면의 불안정성 때문이다.
한편 제트 형태의 기체를 액체 표면에 분사시키는 구조는 여러 과학 및 산업 기술에서 활발히 쓰이고 있으며, 여러 흥미로운 물리화학적 현상이 발생해 학문적으로도 지속적인 관심을 받고 있다.
그러나 앞서 예를 든 것과 같이, 기체 제트가 분사되는 액체 표면에서 유체역학적 불안정성이 증가하는 현상과 이를 안정화하는 방법에 대한 이해가 부족해, 관심은 높은데도 불구하고 활용성을 높이는 데 한계가 있었다.
최원호 교수 연구팀은 기체 제트를 강한 전기장으로 이온화시켜 만든 플라즈마의 특성을 이용하면 기체와 액체 사이 경계면의 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 실험과 이론으로 밝혀냈다.
일반적으로, 번개구름인 뇌운(雷雲) 속의 빗방울처럼 강한 전기장 환경에 놓인 액체에서는 표면의 불안정성이 증가한다. 불안정화의 대표적인 예로 전기방사(electrospinning)에서 전기 유체역학적 불안정성(electrohydrodynamic instability)의 결과로 나타나는 테일러 원뿔(Taylor cone) 현상이 있다.
최 교수 연구팀이 이번 실험에 활용한 플라즈마 제트에서는 `플라즈마 총알(plasma bullet)'로 불리는 고속의 이온화 파동과 전기바람(electric wind)이 발생하는데, 연구팀은 이들의 특성을 이용해 물 표면의 불안정성을 줄일 수 있었다.
기체 제트 내에 플라즈마를 발생시키면 생성되는 1초당 수십 미터 속력의 전기바람으로 인해 물 표면에 가해지는 힘이 증가해서 물 표면이 더 깊이 파이게 되고, 이에 따라 물 표면이 불안정해져야 하는 조건임에도 불구하고 안정적으로 유지되는 것을 연구팀은 실험적으로 확인했다.
연구팀은 플라즈마-물 이론 모델을 정립해, 물의 표면을 따라 1초당 수십 킬로미터 속력으로 이동하는 플라즈마 총알이 물 표면에 나란한 방향으로 일으키는 강한 전기장으로 인해 물 표면이 안정적으로 유지됨을 최초로 규명했다.
연구팀이 활용한 플라즈마 제트는 최근 여러 학제간 연구 분야에 다양한 목적으로 활용되고 있다.
최원호 교수는 "이번 연구의 결과는 플라즈마에 대한 과학적 이해를 높이는 동시에, 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체 제어 분야를 확대할 것ˮ이라며, "플라즈마 의료, 생명, 농업, 식품, 화학 등 여러 분야의 기술 개발에 크게 기여할 것이다ˮ 라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 개인연구지원사업(우수신진연구)과 KAIST High-Risk and High-Return 프로젝트의 지원을 받아 수행됐다. 또한, 우리 대학 기계공학과 김형수 교수와 배충식 교수의 학술적인 지원을 받아 진행됐다.
2021.04.02 조회수 94673 -
최원호 교수, 플라즈마에 의한 수산기(OH radical) 생성원리 규명
〈 박주영 박사, 최원호 교수, 박상후 박사 〉
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 대기압 플라즈마에서 수산기(OH radical)가 생성되는 원리를 규명하는 데 성공했다.
박상후 박사, 박주영 박사과정 학생이 공동 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’ 7월 8일 자 온라인판에 게재됐다 (논문명: Origin of Hydroxyl Radicals in a Weakly Ionized Plasma-Facing Liquid).
플라즈마란 강한 전기적 힘으로 인해 기체 분자가 이온과 전자로 나누어지는 상태를 말한다. 특히 대기압 플라즈마는 대기 중에 여러 형태로 플라즈마 효과 및 2차 생성물을 방출하는 장점이 있어 살균, 정화, 탈취 등 에너지 및 환경 분야부터 생의학 분야까지 다양한 연구 및 산업 분야에 활용되고 있다.
다양한 분야에서 시도되는 플라즈마는 물과 밀접한 관련이 있다. 물을 플라즈마로 처리한 방전수를 만들어 농업용수 및 살균수로 사용하기도 하고, 생의학 분야에서도 70%가 수분으로 구성된 인체에 활용하기 위해 플라즈마와 물의 반응에 대해 끊임없이 연구가 진행된다.
그중 수산기는 대표적인 활성 산소종으로, 물과 플라즈마의 반응에서 가장 중요한 역할을 하는 물질이다.
수산기는 산화력이 매우 커 여러 목적으로 활용이 시도되고 있으며, 박테리아 살균의 경우 기존의 살균법인 과산화수소나 오존을 사용할 때보다 수십에서 수백 배 효율이 높은 것으로 2018년 최원호 교수 연구팀에서 밝힌 바 있다.
수산기는 살균뿐 아니라, 수질 정화, 폐수 처리, 세척 등 환경 분야 및 멸균, 소독, 암세포 제거 등 의료 기술에서도 매우 높은 잠재력을 가지고 있다.
그러나 수산기는 대량으로 생성하기가 어렵고 생존 기간이 짧아 플라즈마 기술을 적극적으로 활용하는 데 한계가 있다.
연구팀은 문제 해결을 위해 플라즈마 내에서 기존에 알려진 수산기의 생성 방식 외에 산화질소의 광분해에 의한 생성원리를 규명했다. 더불어 광분해를 촉진시켜 수산기의 생성량을 높이면서 동시에 제어하는 방법을 개발했다.
광분해 방법이란 플라즈마로 생성된 산화질소가 존재하는 물과 플라즈마에 자외선을 추가로 노출해 산화질소가 수산기로 분해되는 과정을 말한다. 연구팀이 개발한 광분해방법은 수산기의 생성 위치를 국한하지 않고, 자외선 노출 위치에 따라 제어할 수 있어 생존 기간이 짧다는 단점을 극복할 수 있다.
최원호 교수는 “이번 연구를 통해 플라즈마 기술에 대한 과학적 이해를 넓히면서 효율적인 플라즈마 기술의 제어 방법을 제시함으로써 농업, 식품, 바이오 의학 등 다양한 분야에 플라즈마 기술이 적극적으로 접목될 수 있는 기반을 마련할 것이다”라고 말했다.
이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도 플라즈마-농식품 융합기술 개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 플라즈마 처리수(PTW)에서 pH와 과산화수소, 아질산염 비율에 따른 수산기 반응 경로
그림2. 대기압 플라즈마 사진 및 수산기 생성경로
2019.08.16 조회수 22892 -
최원호 교수, 박상후 연구교수, 어드밴시스 인 피직스 엑스 초청 리뷰논문 게재
〈 최원호 교수, 박상후 연구교수 〉
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수와 박상후 연구교수가 국제 학술지 ‘어드밴시스 인 피직스 엑스(Advances in Physics: X)’ 10월 23일자에 초청 리뷰논문을 게재했다. 모(母) 학술지인 ‘어드밴시스 인 피직스(Advances in Physics)’의 피인용 지수는 2017년 기준 30.917로 물리학 분야에서 최고의 리뷰 학술지로 인정받고 있다.
초청 리뷰논문은 학술지 편집장으로부터 초청받은 세계적 석학들이 해당 분야의 전반적인 연구 내용을 총 정리하는 논문이다. 어드밴시스 인 피직스 엑스는 2016년에 첫 출판된 학술지로 학문의 경계를 뛰어넘어 물리학 외 다른 학문 분야까지 영향력이 있는 연구에 대한 내용을 출판하고 있다. 현재까지 모(母) 학술지를 포함해 우리나라 물리학자의 제1저자 및 교신저자로서 초청 리뷰논문 게재는 이번이 처음이다.
최원호 교수는 지난30년 이상 저온 대기압 플라즈마부터 고온 핵융합 플라즈마까지 플라즈마 물리의 여러 난제 해결 연구에 매진해 왔으며, 이와 더불어 최첨단 플라즈마 진단계 및 플라즈마 응용 기술을 개발해 왔다.
최근에는 3년 전 창업한 교내 창업 기업인 플라즈맵(Plasmapp, 대표 임유봉 박사과정)을 통해 의료용 플라즈마 멸균 기술 등 다양한 플라즈마 기술의 실용화에 힘쓰고 있다. 기초연구부터 실용화 연구에까지 이와 같은 플라즈마 기술 발전의 공로를 국제적으로 인정받아, 대기압 플라즈마 전자의 진단과 특성조사에 관한 리뷰논문을 게재했다.
대기압에서 플라즈마를 발생시키면 자유전자와 중성기체 입자 사이의 충돌이 매우 빈번하게 일어나는 약하게 이온화된 플라즈마가 된다. 이러한 플라즈마 내에 존재하는 전자는 플라즈마 내에서 여러 물리적 및 화학적 반응을 지배하는 중요한 역할을 한다. 전자의 밀도 및 온도를 시공간적으로 정확하게 진단하는 것은 난이도가 높아 지금까지 큰 어려움이 있었고, 이러한 진단의 어려움 때문에 전자의 가열 구조 및 원리를 실험적으로 규명하는데 한계가 있었다.
최원호 교수 연구팀은 전자에 의한 중성입자 제동복사(electron-neutral bremsstrahlung) 원리를 이용해 플라즈마 내 자유전자의 밀도와 온도를 정확히 진단하고, 이를 2차원으로 영상화 하는 기술을 개발했으며 이 기술은 최근 학계의 주목을 받고 있다.
연구팀은 개발된 진단기술을 이용해 대기압 플라즈마에서 자유전자의 가열 구조 및 근본 원리를 밝히고, 특정 플라즈마에서 전자가열 구조의 시공간적 대칭성 소멸을 최초로 확인하는 등 현재까지 실험적으로 확인할 수 없었던 여러 전자 가열 원리를 규명했다.
최 교수는 “소재와 환경분야 뿐만 아니라 최근의 의학, 바이오, 농식품 분야를 위한 활용 가능성 때문에 대기압 플라즈마 연구는 세계적으로 각광을 받고 있으며, 대기압 플라즈마 내에서 일어나는 여러 물리적 및 화학적 현상을 좌지우지하는 전자의 특성을 정확하게 진단하고 이해하는 일은 과학적 측면에서도 중요성이 크다”며 “대기압 플라즈마 전자의 진단과 특성연구에 관한 논문을 세계 저명 저널에 리뷰논문으로 초청받은 것은 그간의 연구 성과에 대해 인정받은 결과라 생각하고, 본 논문은 대기압 플라즈마의 산업적 활용에도 기본이 되는 자료가 될 것이다”고 말했다.
2018.10.25 조회수 10548 -
최원호 교수, 플라즈마 내 전자의 가열 원리 규명
〈 최원호 교수, 박상후 연구교수〉
우리 대학 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 약하게 이온화된 플라즈마(weakly ionized plasma)에서 전자가 가열되는 구조와 제어 원리를 규명하는데 성공했다.
플라즈마 내의 모든 반응이 전자로부터 시작된다는 점으로 볼 때 전자의 가열 원리를 규명함으로써 플라즈마를 더욱 자유롭고 다양하게 활용할 수 있을 것으로 예상된다.
이는 대기압 플라즈마 내에 존재하는 자유 전자에 대한 기초 연구 자료로 기존 플라즈마의 활용 및 응용 가능성을 높이는 등 플라즈마 물리학 및 응용기술 발전에 크게 기여할 것으로 기대된다.
박상후 연구교수가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’5월 14일자와 7월 5일자 온라인 판에 연달아 게재됐다. (논문명 : Electron information in single- and dual-frequency capacitive discharges at atmospheric pressure, 단일 및 이중 주파수 대기압 플라즈마의 전자 정보 / Electron heating in rf capacitive discharges at atmospheric-to-subatmospheric pressures, 대기압과 대기압보다 낮은 압력에서 라디오 주파수 플라즈마 내의 전자 가열)
물질의 세 가지 상태인 고체, 액체, 기체와 더불어 ‘물질의 네 번째 상태’라 불리는 플라즈마는 표준 온도 및 압력(25 ℃, 1 기압)의 상태에서는 자연적으로 존재하지 않으나 인위적으로 기체에 에너지를 가하면 플라즈마 상태가 된다.
학계 및 산업계는 활용 목적과 조건에 맞춰 다양한 형태의 플라즈마 발생원을 개발해 사용하고 있다. 특히 대기압 플라즈마는 응용 가능 분야가 다양하고 활용도가 높아 학술적, 산업적 활용성 측면에서 많은 관심을 받고 있다.
일반적으로 플라즈마 내의 다양한 화학적, 물리적 반응은 전자로부터 시작되기 때문에 전자의 밀도와 온도의 시공간적 변화는 아주 중요한 정보이다. 플라즈마 및 가속기 물리학 분야에서 자유 전자의 가열 여부는 과학자들의 관심을 지속적으로 받은 연구 주제이다.
그러나 대기압 조건에서는 자유 전자와 중성기체의 충돌이 빈번하기 때문에 이온화된 플라즈마 내 자유 전자의 밀도와 온도를 측정하는 데에는 한계가 있어 자유 전자의 가열 구조 및 원리를 실험적으로 규명할 수 없었다.
또한 전자 가열의 제어 방법 및 주요 요인에 대한 정보가 부족해 플라즈마의 반응성과 활용성 개선이 제한적이었다.
연구팀은 문제 해결을 위해 전자-중성입자 제동복사(electron-neutral bremsstrahlung)란 기술을 이용해 플라즈마 내 자유 전자의 밀도, 온도를 정확히 진단하고 이를 2차원으로 영상화하는 기술을 개발했다.
연구팀은 개발한 진단 기술을 이용해 대기압 플라즈마에서 수 나노초(10억분의 1초) 단위로 자유 전자의 온도(에너지)를 측정해 전자가 에너지를 얻는 가열 과정의 시공간적 분포 및 근본 원리를 밝히는 데 성공했다.
0.25~1기압 압력구간에서의 전자 온도의 시공간적 분포의 변화를 실험적으로 최초로 확인해 대기압 및 대기압보다 낮은 압력에서 전자가 에너지를 얻는 가열의 기본 원리를 규명했다.
최 교수는 “이 연구 결과는 자유 전자와 중성입자의 충돌이 매우 빈번한 조건에서 발생하는 플라즈마에서의 전자 가열 원리를 학문적으로 이해하는 데 유용할 것이다”며 “이를 통해 경제적, 산업적 활용 가능한 대기압 플라즈마 발생원을 개발하고 다양하게 활용하는데 큰 역할을 하길 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 측정된 파장의 제동복사 및 전자 온도의 시공간적 변화
그림2. 단일 및 이중 주파수로 구동하는 플라즈마에서 측정된 제동복사 및 전자 온도의 시공간적 변화
2018.07.26 조회수 20973 -
박재선 석박사통합과정, 모나코-ITER 박사후연구원 펠로우십 선정
〈 박 재 선 석박사통합과정〉
우리 대학 물리학과 박재선 석박사통합과정(지도교수 : 원자력및양자공학과 최원호 교수)이 모나코-ITER 박사후연구원 펠로우십(Principality of Monaco/ITER Postdoctoral Fellowships)에 최종 선정됐다.
모나코-ITER 박사후연구원 펠로우십은 ITER에서 근무할 박사후연구자들을 지원하기 위한 프로그램으로 2008년 1월 모나코 공국과 ITER 국제기구 사이에 체결된 후 매 2년마다 전 세계에서 총 5명만 선발하는 경쟁력 높은 프로그램이다.
선발된 박사후연구원은 2년 동안 ITER 국제기구에 근무하며 분야를 선도하는 뛰어난 핵융합 연구자들과 협업하며 연구 과제를 수행하게 된다.
1985년에 처음 시작된 국제열핵융합로(ITER) 프로젝트는 핵융합에너지 개발을 위한 공동연구를 목적으로 현재 대한민국, 유럽연합, 미국, 중국, 일본, 러시아, 인도의 총 7개 회원국이 금액을 분담해 참여하는 초거대 규모의 과학 프로젝트이다.
우리나라는 ITER 장치의 총 건설비용(약 200억 유로)의 9.1%를 부담하고 있다. ITER 핵융합실험로는 프랑스 남부 프로방스 알프코트다쥐르(provence-alpes-côte d'azur) 지역 약 42헥타르의 부지에 2025년 최초 플라즈마 발생을 목표로 건설 중이고, 현재 세계 각국 약 800여 명의 인력이 함께 근무하고 있다.
선발된 박사후연구원은 ITER에서 근무하는 동안 국제공무원 신분을 인정받아 다양한 혜택을 받게 된다. 박재선 학생은 2019년 초부터 ITER에서 근무를 시작할 예정이다.
2018.05.02 조회수 17067 -
최원호 교수, 전기바람 발생 원리 규명
우리 대학 물리학과 최원호 교수가 전북대 문세연 교수와의 공동 연구를 통해 전기 바람(Electric wind)이라 불리는 플라즈마 내 중성기체 흐름의 주요 원리를 규명했다.
이는 플라즈마 내 존재하는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용에 대한 기초 연구로 플라즈마를 이용하는 유체 제어기술 등 플라즈마 응용 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다.
박상후 박사가 1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 1월 25일자 온라인 판에 게재됐다.
두 개의 서로 다른 입자 무리로 구성된 유체역학 문제는 수세기 동안 뉴턴을 포함한 많은 과학자들의 관심을 지속적으로 받아 온 연구주제이다.
전자나 이온과 중성입자 간의 충돌로 인한 상호작용은 지구나 금성의 대기에서도 일어나는 여러 자연현상의 기초 작용으로 흔히 알려져 있다. 플라즈마에서의 전기바람은 이 상호작용을 통해 나온 결과의 대표적인 예다.
전기바람이란 전하를 띈 전자나 이온이 가속 후 중성기체 입자와 충돌해 발생하는 중성기체의 흐름을 말한다. 선풍기 날개와 같이 기계적인 움직임 없이 공기의 움직임을 일으킬 수 있는 방법으로 기존의 팬을 대체할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다.
최근에는 이와 같은 플라즈마 기술을 적용해 트럭 및 선박에서 발생하는 공기저항을 감소시켜 연료효율의 증가와 미세먼지 발생 감소, 풍력발전기 날개 표면의 유체 분리(flow separation)의 완화, 도로 터널 내 공기저항 및 미세먼지 축적 감소, 초고층 건물의 풍진동 감소와 같은 응용기술 개발이 여러 나라에서 활발히 시도되고 있다.
대기압 플라즈마 내에 전기장이 강하게 존재하는 공간에서 전자나 이온이 불균일하게 분포되면 전기바람이 발생한다. 전기바람의 주요 발생 원인은 현재까지도 명확하게 밝혀지지 않아 유체 제어와 관련한 여러 응용분야에 적용하는데 어려움이 있었다.
연구팀은 대기압 플라즈마를 이용해 전기바람 발생의 전기 유체역학적 원리를 밝히는데 성공했다. 전기 유체역학적 힘에 의한 스트리머 전파와 공간전하 이동의 효과를 정성적으로 비교하는 데 성공했다.
연구팀은 스트리머 전파는 전기바람 발생에 큰 영향을 주지 못하고 오히려 스트리머 전파 이후 발생하는 공간전하의 이동이 주요 원인임을 밝혔다. 특정 플라즈마에서는 음이온이 아닌 전자가 전기바람 발생의 핵심 요소임을 확인했다.
또한 헬륨 플라즈마에서 최고 초속 4m 속력의 전기바람이 발생했는데 이는 일반적인 태풍 속력의 4분의 1 정도이다. 이러한 결과를 통해 전기바람의 속력을 효율적으로 제어할 수 있는 기초 원리를 제공할 수 있을 것으로 보인다.
이번 연구는 하전입자와의 상호작용으로 인해 중성기체 흐름이 발생하는 원리를 실험을 통해 설명했고 정확한 분석법과 설득력을 갖췄다는 평을 받는다.
최 교수는 “이번 결과는 대기압 플라즈마와 같이 약하게 이온화된 플라즈마에서 나타나는 전자나 이온과 중성입자 사이의 상호작용을 학문적으로 이해하는데 유용한 기반이 될 것이다”며 “ 이를 통해 경제적이고 산업적 활용이 가능한 플라즈마 유체제어 분야를 확대하고 다양한 활용을 가속화하는데 큰 역할을 할 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 국가핵융합연구소의 미래선도플라즈마-농식품융합기술개발사업과 산업통상자원부의 사업화연계기술개발사업(R&BD)의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 약전리 대기압 제트 플라즈마 사진
그림2. 대기압 헬륨 제트 플라즈마의 고전압 펄스 폭 및 높이에 따른 전기바람 속력의 변화
2018.02.19 조회수 28427