물질의 상태 중 기체는 높은 온도에서 에너지를 가해주면 전자, 이온, 그리고 원자, 분자들로 존재하게 되는데, 이 상태를 플라즈마라고 한다. 플라즈마는 기체가 전자와 이온으로 분리돼 전기적으로 중성을 띠는 새로운 물질이다. 고체·액체·기체에 이어 ‘제4의 물질의 상태’라고도 불린다.
플라즈마는 물리·화학·소재·열공학·항공역학 등이 융합된 기술로, 기초・첨단 연구 분야에 필수적인 원천기술이다. 우리 주변에서는 반도체·디스플레이·신소재·에너지·우주·항공 등 다양한 분야에 활용되고 있다. 플라즈마를 응용한 제품시장이 전 세계 400~500조 원대에 이르고, 국내도 정부차원에서 이를 활용한 뿌리기술, 소재부품기술 육성에 많은 예산을 투입중이다.
지난 달 전북 완주군 과학산업단지 내에 개소한 전북대 고온플라즈마 응용연구센터는 플라즈마 활용 연구와 소재부품 산업화를 촉진시키기 위해 만들어졌다. 소재강국 실현을 위한 기반으로 활용하기 위해 전북도와 정부, 대학이 약 400억 원을 투자한 세계 5번째 규모의 대학연구소다. 1000평이 넘는 전용부지, 전문장비와 인력을 보유한 센터가 문을 연 만큼 고온 플라즈마 기술이 필요한 분야에 적극 활용된다면 극한 환경 분야의 첨단기술 확보에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

소재분야 적용에 유리한 고온플라즈마
전북대 고온플라즈마 응용연구센터가 보유한 고온 플라즈마 기술은 고열으로 입자의 화학반응성을 높여 재료를 용융하거나 기화시켜 물리적 변화를 가져오는 원리다. 대체로 고온, 고강도 공정이 필수적인 소재・부품, 에너지・환경, 원자력, 항공・우주 등 고기능성 분야에 적용되고 있다.
센터 내 고온 플라즈마 장비를 활용하면, 나노입자 생성 또는 나노구조의 막 생성을 고속으로 달성/단결정의 빠른 성장과 입자의 구상화/고융점 세라믹스 소결/단일성분 및 복합세라믹・금속-세라믹 복합재료 등의 빠른 성막 등 다양한 적용이 가능하다.
최근 유럽에서는 최고급 스포츠카의 엔진 연소기 내부에 냉각을 돕는 코팅으로 연료효율을 높이는 기술이 활용중이다. 일본과 국내에서도 관련 연구가 진행되는 등 고온플라즈마를 기반으로 한 연구들이 활발하다. 소재분야 역시 연료전지나 ESS, 반도체, 가스터빈, 엔진, 각종 발전소, 핵융합 개발 등 여러 산업에 활용되고 있는데, 센터 구축 초기부터 삼성전기를 비롯한 소재전문 기업들의 문의가 많은 것도 이 때문이다.
홍봉근 단장은 “일반적으로 디스플레이나 반도체 등 전자소자 기술혁신을 위해 소재의 나노화가 중요한데, 이를 실현하는 가장 간단한 방법이 고온플라즈마 기술이다. 실제로 금속류 구조재에 세라믹류 열방어 재료를 코팅하는데 많이 쓰이고 있다”며 “산화물, 내열부품, 초고강도 합금 등 고온, 고강도 소재인 세라믹 분야역시 센터 활용을 통해 다양한 연구과 테스트에 접근할 수 있다”고 설명했다.

극한환경에 최적화된 고성능 장비 다수 보유
고온플라즈마 응용연구센터는 다양한 세라믹 소재의 제조공정 장비 및 특성 분석 장비를 갖추고 있다. 특히 다목적 연구용 60kW RF플라즈마 장비와 pilot급 나노분말 합성용 200kW RF(ICP) 플라즈마 장비는 고온 고열량이 가능해 재래식 방법으로는 만들기 힘든 고기능성 세라믹 나노소재를 제조하기에 적합하다. 이런 플라즈마 코팅장비, 진공플라즈마 장비, 고온・내열재료 시험을 위한 0.4~2.4MW플라즈마 장비 등 고온 플라즈마 장비 외에도 전후처리 장치, FESEM, 3차원표면분석장비 시스템이 모두 갖춰져 있어 한자리에서 모든 결과를 빠르고 간단하게 얻을 수 있다.
홍봉근 단장은 “서울이나 경기권에서도 이런 장비들을 모두 구비한 곳은 드물며 관련 연구인력도 확보돼 있다”며 “산업이 고도화될수록 전자・에너지부품소재에서 나노 세라믹 적용비율이 높아지고 있어 관련 업계와 연구진들이 우리 센터를 잘 활용했으면 한다”고 전했다.
덧붙여 “플라즈마 응용분야는 첨단산업에 속한다. 빠르게 변화하는 환경에 따라 수요 맞춤형으로 장비를 계속 보완해나갈 계획이며, 새로운 산업 요구에 맞는 연구와 기술을 서포트 하는 기관으로 성장 해 나갈 것”이라고 밝혔다.
백진기자 baekjin24@naver.com

장비에 대한 설명중인 홍봉근 단장.