플라즈마는 강한 전기적 힘으로 인해 기체 분자가 이온과 전자로 나누어지는 상태를 띱니다. 특히 대기압 플라즈마는 대기 중 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 있죠. 다양한 분야에서 시도되는 플라즈마는 물과 밀접한 관련이 있습니다. 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 진행되고 있습니다.
그 중 수산기(-OH)는 대표적인 활성 산소종으로 물과 플라즈마 반응에서 가장 중요한 역할을 하는 물질입니다. 수산기는 산화력이 매우 커 여러 목적으로 활용이 시도되고 있으며, 박테리아 살균의 경우 기존의 살균법인 과산화수소나 오존을 사용할 때보다 수십에서 수백 배 효율이 높은 것으로 밝혀졌습니다. 수산기는 살균뿐 아니라, 수질 정화, 폐수 처리, 세척 등 환경 분야 및 멸균, 소독, 암세포 제거 등 의료 기술에서도 매우 높은 잠재력을 가지고 있습니다. 그러나 수산기는 대량으로 생성하기가 어렵고 생존 기간이 짧아 플라즈마 기술을 적극적으로 활용하는 데 한계가 있죠.
이런 가운데 KAIST 원자력및양자공학과 최원호 교수 연구팀이 대기압 플라즈마에서 수산기(OH radical)가 생성되는 원리를 규명하는 데 성공했습니다. 논문에 따르면 플라즈마 내에서 기존에 알려진 수산기의 생성 방식 외에 산화질소의 광분해에 의한 생성원리를 규명했다고 합니다.
광분해로 규명하다
대기압 플라즈마에 의한 수산기 생성의 경우 주로 공기 중의 수분이 플라즈마로 인해 분해되어 생성되는 것으로 알려져 있었습니다. 플라즈마의 효과를 장시간 유지시키는 방안으로 물을 플라즈마로 처리한 방전수 또는 플라즈마 처리수를 활용하는 것인데요.
연구팀은 이 경우 플라즈마에서 방출되는 자외선이 물에 녹아있는 과산화수소 및 아질산염을 광분해시켜 다량의 수산기가 만들어 진다는 사실을 본 연구를 통해 규명했습니다. 연구팀은 또한 플라즈마의 수처리 시 외부에서 추가적으로 자외선을 조사시켜 방전수 내의 수산기의 생성량을 크게 증가시킬 수 있음을 확인했습니다.
연구팀은 더불어 광분해를 촉진시켜 수산기의 생성량을 높이면서 동시에 제어하는 방법을 개발했습니다. 광분해 방법이란 플라즈마로 생성된 산화질소가 존재하는 물과 플라즈마에 자외선을 추가로 노출해 산화질소가 수산기로 분해되는 과정을 말하는데요. 연구팀이 개발한 광분해방법은 수산기의 생성 위치를 국한하지 않고, 자외선 노출 위치에 따라 제어할 수 있어 생존 기간이 짧다는 단점을 극복할 수 있습니다.
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 것"이라고 말했습니다.
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