전기물리 연구그룹 주요기술

한국전기연구원 전기물리 연구그룹 이홍식 그룹장 마이크로 플라즈마 기술 마이크로 플라즈마란 말 그대로 마이크론 크기의 플라즈마를 지칭하는 말로 최근 기초적인 연구와 더불어 많은 응용이 기대되고 있는 분야이다. 특히 앞으로 더 많이 사용될 것으로 기대되는 플라즈마 디스플레이는 마이크로 플라즈마의 대표적인 응용 예라고 할 수 있다. 마이크로 플라즈마는 그 크기가 밀리미터 단위 이하의 플라즈마에서 나오는 빛이나 에너지 등을 이용하거나 화학적인 작용을 이용하는 등의 응용이 가능하다. 특히 이전의 플라즈마와는 달리 마이크로 플라즈마는 저압 진공 상태에서만이 아니라 고압 혹은 상압의 상태에서도 뜨겁지 않은 플라즈마의 생성이 가능하여 각종 무기물의 처리만이 아니라 유기물이나 생체에도 응용가능한 장점이 있다. 의료이용 기술로는 내시경 수술 및 살균, 지혈 작용과 더불어 세포 레벨의 작용에 대한 응용 등이 연구되어 지고 있다. 아래의 그림들은 생체 응용에 대한 연구가 진행되고 있는 마이크로 플라즈마의 모양이다. 플라즈마 이온주입 기술 플라즈마 이온주입 기술은 플라즈마 속에 위치한 시편에 음의 고전압 펄스를 인가하여 플라즈마 내에 존재하는 (+) 이온을 시편으로 가속시켜 시편의 표면에 주입시키는 방식으로 금속이나 플라스틱의 표면 특성을 향상시키거나 반도체 소자를 제작하는데 사용되는 기술이다. 빔라인 이온주입법과 달리 직선적인 공정이 아니므로 이온빔 소스 및 가속기가 따로 필요 없고 복잡한 형상의 시편의 표면처리에 용이한 장점이 있다. 플라즈마 이온주입법은 증착법과 같이 사용되어 증착되는 박막의 성능을 더 뛰어나게 하거나 박막과 모재간의 접착력을 향상시키는 데도 사용된다. 플라즈마 이온주입 장치는 크게 플라즈마 발생부가 포함된 진공 장치와 펄스 전원장치로 구성되어있다. 플라즈마 이온주입 장치 개발의 핵심 기술은 펄스 전원장치 제작 기술로 사용 목적에 따라 수 kV에서 백 kV 이상의 고전압이 사용되며 마이크로초 이하의 짧은 펄스 상승 시간을 필요로 한다. 특히 아크 발생 시 장치와 시편을 보호하기 위한 보호 회로는 장비의 신뢰성을 높이는데 필수적인 요소이다. 한국전기연구원에서는 200 kV 까지의 다양한 사양의 펄스 전원장치를 개발한 바 있다. 펄스 전원장치의 핵심 기술인 반도체 스위치 스택의 배열에 따라 제작할 수 있는 사양 범위가 넓으며 전압, 전류, 펄스 폭, 펄스 반복률 등의 다양한 파라미터 조절이 가능하다. 질소 이온주입 및 TiN 코팅 등을 통한 공구강과 마이크로 드릴비트 등의 표면 개질 특성 향상, 폴리머 표면의 금속막 코팅, 의료용 임플란트의 표면 처리, microelectronics 및 반도체 분야에의 응용 등이 연구되고 있다. 대전류 플라즈마 빔 발생기술 기초과학 뿐 만 아니라 산업사회에서 플라즈마 발생의 원천기술의 하나로서 이온화율이 높고 수백 암페어의 빔전류를 발생시키는 첨단기술이 요구되고 있다. 이러한 대전류의 발생을 위한 핵심부품으로 이차전자 방출계수가 높은 LaB6를 1800℃의 고온에서 적용하고, 발생장치의 구조물은 융점이 2500℃이상이 되는 텅스텐, 몰리브덴, 탄탈 등을 사용한다. 지난 수십 년간 대용량 플라즈마 빔 발생기술은 산업응용에서 재료의 증착공정장치의 재료증발 및 용융을 위한 요소기술로 사용되고 있다. 예를 들면 공구 표면의 하드코팅, 세정에 적용하여 제품의 장수명화, 표면조도의 개선, 증착물질의 밀착성 향상 등을 통하여 부가가치를 높이는 결과를 도출한다. 또한 최근 세간에 주목을 받는 벽걸이 TV (PDP)와 같이 대면적 증착공정이 필요한 분야에도 대전류 플라즈마 빔 발생장치를 적용하고 있다. 그런데 이러한 기술은 난이도가 높고, 적용하는 기술도 쉽지 않으므로 세계각국에서 기술적 장벽이 두터워 서로간에 경쟁이 치열한 분야이다. 그러므로 각국은 특허권으로 기술을 보호하고 있다. 이에 한국전기연구원에서도 대전류 플라즈마 빔 발생기술에 대한 독자적인 기술을 개발하여 특허권을 보유하고 있으며, 성능면에서도 세계최고 수준임을 실증실험을 통해 확인 하고 있다. 오존발생(무성방전)기술 한국전기연구원은 국내 최초로 오존무 분사장치를 성공적으로 개발하였다. 오존무 분사장치는 무성방전 기술을 채택하였으며, 방전관은 Pyrex glass인 유전체와 재질이 SUS인 전극으로 구성되어 있다. 그리고 전압장치에서 탭 조절로 기상오존농도가 가변이 되도록 하였고, 딜레이 타임머로 공기가 흡입된 후 고주파 전원장치가 동작되도록 하여 방전관의 수명을 극대화 시켰다. 이 오존은 밸브를 통해 이류체 미세 분사형 노즐(입자경:3~40㎛이하) 또는 호환성이 가능한 사이폰식 삼류체 미세 분사형 노즐에 연결되고, 용기에 담겨진 물과 내부에서 혼합하여 압축공기의 힘으로 액체를 분무하여 안개분사형태를 만든다. 분사장치부는 탈착이 가능하며 분사각도는 100°로서 사람이 운전할 때 통상적으로 이용할 수 있는 각도이며 무인 운전으로서 회전기를 이용해 조절함에 따라 360°도 회전이 가능하며 탈착이 가능하다. 이 오존무 분사장치의 이용분야는 치과질환의 치료 및 살균세척, 가정용 생활기구 탈취, 공장 지하실 및 위생업소의 실내 악취제거 및 어패류 분야이다. 대전류 펄스 발생 기술 펄스파워는 커패시터 또는 인덕터 등의 전기에너지 저장장치에 에너지를 저장하였다가 짧은 시간동안 에너지를 방출하여 파괴적인 효과를 얻는 기술을 말한다. 와이어 등의 가는 도체에 펄스 대전류가 흐르게 되면 와이어의 폭발로 인하여 GW에 이르는 큰 파워를 얻을 수 있다. 대전류 펄스에 의해서 발생하는 고온 고밀도 플라즈마를 이용하여 화약을 점화하여 화약의 연소특성을 향상시켜서 재래식 무기의 성능향상을 꾀하는 ETC Gun, 충격파를 이용하여 암반을 파괴하는 암반발파 등을 응용의 한 예로 들 수 있다. 펄스파워를 이용한 나노분말 제조기술 펄스파워 기술을 이용하여 직경 1mm 이하의 금속 와이어에 펄스 대전류를 인가하면 와이어는 매우 짧은 시간동안 (5~20usec)에 가열되어, 고체쭻액체쭻기체쭻플라즈마 상태로 변화한다. 이 과정을 전기폭발(wire explosion)이라고 부른다. 플라즈마 상태의 금속증기는 챔버 내부의 분위기 가스와의 충돌에 의해서 급속히 냉각되고, 응축과정을 통하여 입자화 한다. 이 급속한 냉각, 응축과정으로 인하여 100nm 이하의 나노입자가 생성된다. 기중 전기폭발법은 산화 및 질화물의 세라믹 나노분말 제조에 주로 이용되며, 액중 전기폭발법에 의해서는 분산성이 뛰어난 금속 나노분말의 제조가 가능하다. 한국전기연구원에서는 수년간에 걸친 연구를 통하여 상용화 수준으로 기술을 개발하였으며, 은 나노분말 제조기술을 기업체에 기술이전 하였다. 유도반발 전자력을 이용한 액츄에이터 개발 코일에 펄스전류가 흐르게 되면 펄스형 자기장에 의해서 도체에 와전류가 유기되고, 코일의 전류와 도체의 와전류는 서로 반발하는 힘을 발생시킨다. 이 반발력은 포화하는 특성이 없고 전류의 변화율에 비례하므로 물체의 초기가속에 유리하다. 이와 같은 특성은 차단기 조작부로서 이용이 가능하고, 미사일의 초기 발사, 레일건과 결합한 전자 포 및 전자성형 등에 적용할 수 있다. 대출력 초광대역 전자파 발생장치 개발 대출력 초광대역 전자파(Ultra-wide band microwave)는 최첨단 전자전용 전자파 발생기, 지하탐사 레이더용 전자파원, 전자장비의 EMI 시험용 source, 대기압 저온 플라즈마 발생 등의 응용이 가능하다. 이 기술의 핵심은 수백 picosecond의 매우 빠른 상승시간을 갖으며, 펄스폭이 수 nanosecond 정도의 초고압(수백 kV) 펄스를 발생시키고, 안테나를 통하여 자유공간으로 방사시키는 것이다. 초고주파 기술 테라헤르츠파는 0.1-10 THz 주파수 (1THz=1012 Hz) 범위의 전자기파를 지칭하는데 이는 파장으로는 30-3000 μm, 광자 에너지로는 0.4~40 meV에 해당한다. 테라헤르츠파는 마이크로파와 적외선 사이에 놓여 있어 기존의 전파와 광 영역 사이에 위치하는데, 일반적으로 사용되는 전자기술과 광학기술로는 접근하기 어려워 전자기 스펙트럼 중 가장 접근하기 어려운 영역(THz Gap이라고 불림)의 하나라고 알려져 있다. 그러나 최근 소형 저가격의 펨토초 레이저의 상용화로 극초단, 고휘도의 테라헤르츠파 발생기술이 가속화 되고 있다. 테라헤르츠 기술은 의료, 바이오, 보안, 국방, 환경, 우주 및 통신 등과 같은 다양한 고부가가치 서비스 및 첨단 산업 부문에서 관심을 갖고 있을 만큼 매력적인 연구 분야로 성장하고 있다. 한국전기연구원에서는 미래 원천기술 확보를 목표로 지난 2년간 테라헤르츠파 발생 및 측정 그리고 기초 응용연구를 수행하여 국내 THz 기술을 선도하며 향후 THz 기술의 본격적 산업화를 위한 초석을 다지고 있다. 마이크로파 기술 주로 파장의 길이가 cm 스케일의 전자기파 발생 및 이용에 관연 연구를 수행하고 있다. 산업용 건조, 해동, 가열, 재료 가공, 조명 등 다양한 응용 기술에 활용되고 있는 산업용 고출력 마그네트론은 일부 선진국에서만 기술이 개발되어 있어 국내 마이크로웨이브 산업 발전을 저해하고 있다. 한국전기연구원은 915MHz 5kW 급 산업용 마그네트론을 자체적으로 개발함으로써 국내기술의 경쟁 가능성을 입증하였다. 현재 915MHz 30kW 급 산업용 마그네트론을 국내 기업과 같이 개발 중이며 이 마그네트론을 이용한 대용량 식품해동, 슬러지 건조, 세라믹 소결 등 각종 응용기술 개발을 수행하고 있어 국내자체 기술을 통한 산업용 마이크로파 기술 발전을 선도하고 있다. 마이크로파를 이용한 폐타이어 열분해 기술과 디젤 엔진 매연 필터 재생 기술은 특허 획득 또는 기업체 기술이전 등을 통해 산업에 응용할 준비를 하고 있다.