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    • 고속 유체 및 추진 분야에서의 플라즈마 연구 동향

         김채형 (한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부) / 2020-12-27 오후 12:38:09


    플라즈마는 1928년 미국 General Electrics사의 물리학자 Langumuir가 기체 방전을 연구하면서 처음으로 사용된 용어이다[1]. 기체 중에 이온과 전자가 동일하게 고밀도로 공유하고 있는 상태를 플라즈마라 정의하고 있다. 기체를 충분히 가열하면 원자, 분자가 이온과 전자로 분리되는데 이때 이온화된 기체의 양과 음전화가 같은 밀도로 되어 있기 때문에 플라즈마는 전기적으로 준중성 상태의 성질을 가진다. 또한 플라즈마는 덩어리로 이동하며, 전하가 존재하기 때문에 전기장에 가두거나 특정한 방향으로 이동이 가능하다. 이런 플라즈마는 형광등, 플라즈마 토치 절단이나 플라즈마 코팅 등 산업분야에서도 널리 사용되고 있으며, 플라즈마를 사용한 이온 추진 로켓 등의 연구가 진행되고 있다. 해당 리포트에서는 유동 제어, 추진체의 점화, 센서 등에 사용되고 있는 플라즈마 관련 기술의 최근 연구 동향에 대해 논하고자 한다.


    플라즈마는 고온의 가스 이온을 공급하기 때문에 고속의 유동이 흐르는 연소기의 점화원으로 사용되는 경우가 많다. 가장 기본적인 형태는 플라즈마제트 토치 형태이다. 필자가 일본 동북대학교에서 플라즈마제트 토치를 사용하여 초음속 연소 시험에 사용했던 플라즈마제트 토치는 Fig1과 같다.




    플라즈마제트 토치는 음극(cathode), 양극(anode)으로 구성되어 있으며 그 사이는 절연체(insulator)로 구성되어 있다. 양극이 위치하는 곳에서는 공급가스(feedstock)가 분출될 수 있도록 튜빙라인이 연결되어 있으며, 플라즈마 가스 분사시 주변 냉각을 위해 냉각수라인을 연결하였다. 연료의 점화를 위해서는 산소를 사용하는 게 좋지만 산소는 폭발위험이 있기에 질소를 사용하였다.




    질소는 N, O 라디컬(radial)로 해리되면서 NO 라디컬은 물과 반응하면서 OH 라디컬을 생성하고, 는 수소와 반응하여 OH 라디컬을 생성한다. 반응식과 같이 NO 라디컬은 수소와 공기의 점화 반응을 촉진하는 역할을 한다. 수소를 사용한 연소에서는 산화제와 수소가 반응하는 화염면에서 OH 라디컬의 농도가 높기 때문에 OH-PLIF(Planar Laser-induced Fluorescence)과 같은 레이저 계측을 통해 화염의 가시화가 가능하다.





    플라즈마제트 토치의 가스는 Fig 2와 같이 보라색을 띠며, 공급 가스의 점화를 위해 고압, 고전류가 필요하며 시험에 사용된 플라즈마제트 토치는 2.5~4.4 kW의 전원을 사용하였다.




    링크주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963817311136


    플라즈마제트 토치에 대해 자세히 알아보면 플라즈마 가스는 주로 내부 아크 기둥을 통해 가열이 되고 출구 노즐을 통해 고유동으로 분사가 된다[2]. 아크 기둥은 일반적으로 8000 K 정도되며, 전압이나 전류의 강도에 따라 변하게 된다. Phantom 제품의 고속 CCD 카메라(20000 fps)에 필터를 달아서 플라즈마 제트를 촬영하면 아크 기둥(arc column)을 확인할 수 있다.





    아크는 노즐 출구에서 나와 Fig 3과 같이 양극 면에 접지되며 고리 모양을 하고 있다.

    아크 기둥의 크기는 분사되는 가스에 의한 저항힘(drag force)으로 그 길이가 변하게 된다. 케로신과 공기 혼합 기체의 플라즈마 점화 특성을 보면 탄화수소계열(케로신)의 연소는 O와 CH 화학 분광 측정(chemiluminescence measurement)을 통해 점화 특성을 확인할 수 있다.






    해당 논문[2]에서는 화염의 화학 분광을 전압신호로 전환한 값과 고속 카메라로 측정한 영상[Fig 4]을 비교하여 점화 과정을 설명하고 있다.





    화학 분광 신호 그래프[Fig 5]를 보면 1.3 ms 에서 O 신호가 보이기 시작하면서 7 ms까지 안정적인 값을 보인다. O 신호값은 10 ms에서 최고값을 보이며, CH 신호값은 7 ms에서 증가하기 시작하면서 15 ms에서 최고값을 보인다. 여기서 O 신호가 측정되는 지점에서 점화가 되는 지점인 CH 최고값까지의 시간이 점화 지연 시간(ignition delay time)이 된다. 고속 카메라 촬영 이미지에서도 7 ms에서 주황색의 화염이 일정하게 유동이 흐르는 방향으로 발달하면서 15 ms에서는 화면을 가득 채우는 것을 확인할 수 있다.




    링크주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963819323041


    해당 논문[3]은 플라즈마제트 토치보다는 DBD(Dielectric barrier discharge, 배리어 유전체 방전) 방식의 플라즈마 점화를 사용한 연소에 대한 연구결과를 제시하고 있다. 플라즈마제트 토치는 높은 전기 출력(고전류)이 필요하며 플라즈마 제트의 강한 소음과 함께 강한 분사압은 주 유동 간섭이 큰 편이다. 이에 반해 DBD 방식의 플라즈마는 조용한 방전이라고 불리며 낮은 전력으로 안정적인 방전을 통한 플라즈마장(plasma field)구성이 가능한 장점이 있다.





    해당 논문[3]은 일반 환형 가스터빈 엔진의 공기 입구 쪽에 100 Hz~1000 Hz 주파수, 최대 출력 500 W의 DBD 플라즈마 발생장치[Fig 6]를 설치하여 엔진의 성능에 어떤 영향을 미치는 데에 논하고 있다.

    DBD 플라즈마는 Fig 6처럼 2쌍의 날개(vane)로 구성되어 있다. 각 날개는 양극과 음극으로 금속은 구리를 사용하였으며, 유전체 층(dielectric layer)은 쿼츠를 사용하였다. 날개 쪽에는 cascade를 두어 난류 유동이 발생하게 하였다. 두 날개의 간격은 약 10 mm로 유전체 사이 플라즈마에는 활성 입자(active particle)와 자유 라디컬(free radical)이 포함되어 있다. 전류를 흘리게 되면 두 유전체 사이에는 보라색의 플라즈마가 형성이 된다. 유입된 공기는 DBD 플라즈마를 통해 해리가 되는데 이중 대부분의 산소 원자는 로 재결합이 되며 유지되는 시간도 연소기에 도달할 만큼 충분하기 때문에 특히 와 같은 활성 입자는 연소 반응을 증진시키게 된다.


    일반적으로 연소효율은 연료가 가지고 있는 열량 대비 실제 발열량 비로 표현이 되며, 연소에 의한 온도비로 계산이 가능하다. DBD 플라즈마의 공급 전압을 높일수록 입구 온도는 증가하며 연소 성능도 증가한다.






    특히 연료 과농(0.8) 조건에서 연소 효율과 온도 증가의 폭이 증가하는 것을 볼 수 있는데, 이는 DBD 플라즈마의 주된 목적이 입구 온도 증가와 활성입자 생성이기 때문이다. 따라서 같은 입구 조건에서 연료량이 많을수록 DBD 플라즈마를 통해 공급되는 활성입자와 반응하는 연료량이 증가하기 때문으로 사료된다. 이론 당량비 조건(a=1)에서는 연소기 내부에서 활발한 연소가 일어나지만 연료량이 감소(lean fuel)하면서 연소기 후단에서 화염이 꺼지는(flameout) 것을 Fig 7에서 확인할 수 있다.




    링크주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963820307513


    터빈 머신(turbomachinery)이나 초음속 연소 엔진의 경우, 고속 회전을 하는 고속 유동장 내부의 매우 좁은 공간에 센서를 장착하여 고주파, 고정밀의 센서 측정이 필요하다. 일반적인 고주파 센서의 경우 100 kHz 내외의 측정범위를 가진다. 해당 논문[4]은 DBD(dielectric barrier discharge)를 응용한 플라즈마 센서에 관한 내용이다. 플라즈마 센서의 기본적인 작동원리를 설명하면 높은 전압을 흘려 공기를 이온화 시키면 전자와 활성이온들이 그룹을 형성하고 방전입자들의 밀도가 정해진다. 여기서 공기 압력을 변화시키게 되면 방전입자들도 변하게 되며, 전기 임피던스에도 영향을 미치게 된다. 따라서 공급 전류를 일정하게 유지한다면 주변 압력에 따라 전극 사이의 전압도 변하게 된다. 이와 같은 원리를 토대로 해당 논문[4]에서는 공기 압력에 따른 전압변화를 측정하여 센서의 반응도와 정확도를 비교하고 있다.


    플라즈마 센서는 이온화된 기체 원자를 사용하기에 통상적으로 고주파 센서의 반응기에 사용하는 물질의 질량을 무시할 수 있다. 따라서 일반적인 고주파 센서보다 높은 주파수를 측정할 수 있으며, 플라즈마 센서는 얇은 전극 간극만 있으면 되기 때문에 매우 협소한 공간에서도 센서 장착이 가능하다는 이점이 있다.


    기존의 연구에서는 플라즈마 센서가 2 MHz 주파수 측정과 펄스 폭굉 엔진(PDE, pulse detonation engine), 회전 폭굉 엔진(RDE, rotating detonation engine)의 고온(2760 도)의 환경 적용가능성을 제시하고 있다.






    플라즈마 센서의 플라즈마는 Fig 8과 같이 음극(cathode)쪽에는 음글로우(negative glow, 푸른색)가 형성되며, 양극(anode)에는 양 기둥(positive column, 보라색)이 형성되며 가운데는 Faraday 어둠공간이 존재한다.





    여기서 전류나 공기압력이 변화하게 되면 양 기둥이 변화게 되면서 전류의 변화가 생긴다. 시험 결과에서 보면 Fig 9와 같이 압력에 따라 전압이 일정한 기울기를 보이는 것을 볼 수 있으며, 전류값에 따라서도 압력에 따른 전압 기울기가 변하는 것을 볼 수 있다.





    Fig 10에서처럼 저주파 (220 Hz) 사인곡선 형태의 압력을 입력했을 경우 압전방식의 상용센서(Endevco)와 플라즈마 센서의 진폭과 주파수가 일치하는 것을 확인할 수 있다. 항공기가 추운 날씨에 습기가 많거나 눈비가 오고 있을 때 운항하게 되면 항공기의 날개나 동체에 결빙이 일어나며 얼음은 시간이 지남에 따라 쌓이게 된다. 특히 날개에 쌓이는 얼음은 유동박리(flow separation)를 유발하거나 불안전한 난류의 발생으로 항력 증가의 원인이 되어 항공기의 전체 성능을 저하시키게 된다.

    이와 같은 결빙을 막는 방법으로 열선을 설치하여 해동시키거나 방수/결빙 방지용 코팅 물질을 덮는 방법들이 있다. 하지만 열선의 경우 화재의 위험이 있고, 코팅 물질의 경우 항공기의 극한 환경 (고속 유동, 물에 의한 산화 등)에서 내구성이 떨어지는 단점이 있다. 결빙을 막기 위한 방법으로 DBD(유전체 방전, dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치를 사용하는 방법이 활발히 진행되고 있다. 양극(positive electrode)은 유전체 외부에 노출되어 있으며, 음극(negative electrode)은 유전체 내부에 위치한다.

    플라즈마가 양극에 형성이 되어 새로운 고온의 경계층을 형성하면서 외부 유동은 플라즈마를 따라 흐르게 된다.






    링크주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963820310075


    해당 논문[5]에서는 NACA0012을 사용하여 전극을 유동 방향(streamwise), 에어포일(airfoil) 스팬(spanwise) 방향에 따른 얼음 방지 특성에 대해 서술하고 있다.





    고속 적외선 열화상 이미지를 측정하여 해당 실험의 정량적 요소를 보이고 있다. 냉각 장치가 설치된 풍동에서 물을 분사하는 형식으로 에어포일의 냉각 시험이 진행되었으며, 유동 속도는 40 m/s, 온도는 –5℃이다. 전극의 배열에 따른 열화상 이미지를 보게 되면, Fig 11에서처럼 스팬 방향 배열은 열영역이 서로 상충 되는 구간이 존재하며 스팬 길이만큼만 열 영향을 미친다.

    유동 방향으로 전극을 배열한 경우에는 각 전극의 열영역이 전극의 간격만큼 확장되기 때문에 열영향 영역은 스팬 방향 배열에 비해 상대적으로 증가하게 된다.






    유동방향으로 설치한 플라즈마의 경우 Fig 12와 같이 후단에서 재응결 되는 얼음이 형성되는 영역(runback ice formation)이 줄어드는 효과가 발생한다. 또한 외부 노츨 전극의 폭이 큰 것을 몇 개 설치하는 것보다 전극의 폭을 줄이고 여러 개의 전극을 설치하는 게 효율이 좋았다. 그 이유는 전극이 생산하는 플라즈마는 제한적인데 여러 개의 전극을 설치함으로써 플라즈마가 상호작용으로 플라즈마 영역이 증가하기 때문이다. 해당 논문[5]에서는 폭 4 mm, 6 개의 전극을 유동방향으로 배열한 경우가 가장 좋은 후단 결빙 방지 성능을 보이고 있다.





    링크주소: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1270963818307983


    플라즈마를 사용한 이온 추진기는 사용하는 추진제에 따라 다른 특성을 보이는데, 해당 논문[6]은 고체 추진제(Teflon)에 대한 삭마 펄스 플라즈마 추진기(APPT, Ablative pulsed plasma thruster)의 이론적 해석을 위한 기초 실험 자료를 제시하고 있다.





    APPT의 기본 원리는 Fig 13과 같이 콘덴서(capacitor)를 충전하여 스파크 플러그(spark plug)로 초기 방전을 하게 되면 고체 추진제 표면에서 삭마가 일어나며 적은 양의 이온화된 가스가 형성이 된다.


    이때 가스와 플라즈마의 혼합 기체는 낮은 전도성을 지니며 전극 사이의 저항은 약간 증가하게 된다. 콘덴서에 충전된 에너지가 방전이 되면서 방전 전류는 증가하며 플라즈마와 혼합된 이온화 가스의 형성도 증가하며 전도도(conductivity)는 증가하면서 전극과 회로의 저항은 급 감소하면서 외부 전극의 저항 크기 차는 증가하게 된다.

    플라즈마로 인해 형성된 전자와 중성 입자는 추진체 표면과 충돌하면서 많은 이온화된 가스를 생산한다. 플라즈마의 인덕턴스(inductance) 간섭으로 진동하는 특성을 보이며, 전극의 전기 회로로 인해 전자기장(electromagnetic field)이 형성되며 Lorentz 힘에 의해 플라즈마 가스는 노즐 출구로 분출된다. APPT는 다른 이온 추진기에 비해 구조가 간단하다고 안정성이 높다는 장점이 있지만 성능은 공급되는 에너지에 비해 효율이 10-40%로 낮다는 단점이 있다






    해당 논문[6]은 APPT의 정량적 평가를 위한 지표로 Fig 14의 APPT 시험 모델을 사용하여 단일 점화 과정에서 측정된 전압의 상변화값을 토대로 APPT의 성능을 평가할 수 있는 기본 자료를 제시하고 있다.

    해당 논문[6]에서는 방전 전압이 증가할수록 플라즈마도 많이 생산되지만 보다 많은 에너지가 플라즈마 생산에 사용되다 보니 오히려 인덕턴스와 상지연(phase delay)이 커지는 것을 확인할 수 있다.

    또한 생산된 플라즈마를 방출시키는 가속화 에너지(accelerated energy)도 급격히 증가하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 방전 전압을 높인다고 해서 플라즈마 기체가 많이 만들어지는 것도 아니며 기체의 방출 속도가 증가하지 않는 것을 확인할 수 있으며, APPT의 성능 평가 지표로 추진제 사용 효율(propellant utilization efficiency)이라는 값을 제시하고 있다.






    Fig 15에서 보면 콘덴서 용량은 같은 공급 전압에서 추진제 사용 효율을 높이지만 공급 전압을 높인다고 해서 추진제 사용 효율이 비례해서 증가하지 않는 것을 볼 수 있다.

    플라즈마는 전기적으로 준중성이면서 전자기장에서 제어가 가능하다는 이점으로 유동 제어, 점화, 추진기 등 그 활용 범위는 넓은 편이다. 하지만 플라즈마를 생성하기 위한 전기 회로의 구성(특히 공급 전압의 주파수)에 민감하게 반응하며 고전압이 필요하다는 단점으로 플라즈마의 활용을 위해서는 해결해야 할 과제가 많은 편이다. 플라즈마를 유체역학이나 연소분야에서 사용한 연구는 최근에 시작되었으며 아직까지 기초연구 수준에서 진행되고 있지만 플라즈마가 가지는 장점이 더 크기 때문에 보다 복잡해지고 극한의 환경에서 작동해야 하는 항공우주 분야에서의 활용도는 더 넓어지고 보다 많은 연구들이 진행될 것으로 사료된다.







     

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