Plasma actuator의 기초적인 개념을 이해해 봅시다. Plasma actuator에서 Active airflow control이라는 개념은 기체의 유동을 조절한다는 의미로, laminar-to-turbulent transition, separation, turbulence의 세 가지 현상을 필요에 맞게 향상시켜 air flow 가 일어나는 표면에서의 마찰에 의한 저항력을 줄여주는 방법입니다. 기계적인 방법으로는 복잡하고 상대적으로 무거우며 소음과 진동을 발생시킬 수 있으며 시간이 지나면 마모로 인한 기능 상실의 문제점이 대두되고 있습니다. 따라서 기상 상태를 접목해서 이러한 단점을 해소시키려는 연구가 항공역학 분야에서 활발합니다. Plasma actuator는 위의 이런 단점들에 대한 대응 기술로서, 항력을 줄이는 역할과 응답시간이 짧아 real-time control이 가능하다는 장점을 가지고 있으나, 에너지 효율이 떨어지고 항체와 접하는 기체의 물성을 변화시킨다는 문제점이 있습니다. 이는 물성의 변화에 따른 다양한 현상이 아직 완전히 이해되지 않았음을 의미합니다. ^[1]

 Plasma actuator는 DC 혹은 AC를 이용하여 기체 내에서 방전을 일으켜 생성되는 electric wind를 사용합니다. 여기서 생기는 힘을 EHD(Electro-Hydro-Dynamic) force라 하면 이를 이용해 기체를 가속시킬 수 있습니다. 일단 동체의 표면에서 방전이 일어나게 되면 근처의 기체의 일부는 플라즈마 상태 즉, 이온과 전자의 군이 생성됩니다. (생성 메커니즘은 본 게시판에 여러 번 소개가 되어 있으니 참고) 동체 표면에 형성되는 전기장에 의해서 가속되는 전자가 기체 분자와 충돌하여 이온화 하는 과정이며, 여기서 전기장으로 인해서 가속되는 이온의 운동량을 주변 기체의 중성입자와 충돌하여 전달됨으로 이온이 가속되는 방향으로 기체가 가속되게 됩니다. 

따라서, 1번 질문에 대한 답변과 같이 EHD force는 방전공간 내에서 전기장에 의해 가속 받는 하전 입자 중에 이온이 중성 입자와의 충돌을 통해 운동량을 전달해주기 때문에 발생하는 힘 입니다. 특히 중성입자의 평균 속력을 0이라 가정하면 전자와 양이온에 의한 EHD force는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. (실제 대기는 음이온도 형성하기 때문에 이를 고려해야 합니다.)^[2]

f_EHD=f_i+f_e=n_im_iv_imu_i+n_em_ev_emu_e

 ( v_sm : momentum exchange frequency, u_s: velocity)

준중성의 성질을 띄는 bulk 영역의 플라즈마에서는 같은 수의 입자에 같은 크기의 힘이 반대방향으로 작용하기 때문에 net momentum transfer는 0이 됩니다. 하지만 actuator의 인자인 플라즈마 경계 영역에서는 전자의 이동성(mobility, )이 이온에 비해 크고 상대적으로 빠르게 빠져나가 버리기 때문에 (전자는 주로 이온화에 기여합니다) 전자에 의한 momentum force term은 무시할 수 있습니다. 따라서 EHD force는 전자보다는 이온과의 충돌이 주요한 원인이 되어 질문에서 언급하신 전자의 역할과 이온의 역할은 서로 다른 역할을 하고 있음을 알 수 있습니다.

2-3번 질문은 동체나 기체 날개 표면 등과 같은 도체 표면이나 부도체 표면에 플라즈마를 생성시킬 방법에 대한 질문입니다. 여러 번 소개한 바와 같이 플라즈마는 전기장에서 가속된 전자의 충돌로 인한 이온화 반응으로 만들어집니다. 만일 전극 사이에 형성된 전기장 path를 따라서 계속해서 플라즈마가 만들어지고 있다면 그 path 내에는 전기 전도도가 매우 커지게 되고, 이는 회로 상으로 short 상태가 됩니다. Short 상태가 되면 (합선이 되면) 전극에 인가된 전력이 모두 해당 회로로 흐르는 현상이 만들어져서 점점 큰 전류가 흐르게 됩니다. 이 상태가 유지된다면 이는 아크 방전이라는 상황이며 플라즈마 접점의 전극 표면은 녹게 됩니다. 우리가 원하는 것은 플라즈마를 적절히 만들고 전극의 표면을 상하지 않게 하는 방법이면 좋을 것으로, 이를 위해서는 과전류가 흐르지 못하게 인가 전력을 주기적으로 on/off 하는 방법과 전극에 큰 저항을 달아서 전류가 흐르지 못하게 하는 방법이 있겠습니다. 전력을 on/off 하는 방법은 펄스라 하면 순간적으로 전력을 크게 인가하는 데는 유리합니다. 아울러 후자인 저항을 크게 하는 방법 중에 하나는 전극을 도체에서 부도체로 만드는 방법입니다. 두 개의 전극 모두 부도체로 만들어 쓸 수 있으면 이렇게 부도체 전극에 펄스를 사용하여 방전시키는 방법을 Dielectric Barrier Discharge (DBD: 유전체 격벽 방전) 이라 합니다. 즉 DBD는 두 개의 평행한 금속 전극 사이에 유전체로 전극을 가로막는 형태의 방전 장치 입니다. 따라서 DC를 걸어주게 되면 유전체로 인해 전류가 흐를 수 없어 방전이 일어날 수는 있는데 유지되지 못합니다. 반면 AC의 경우에는 극성을 계속 바꿔주기 때문에 방전이 유지될 수 있습니다. DBD는 유전체 층을 이용함으로써 여러 장점을 가집니다. 질문에서 말한 것과 같이 아크 방전으로의 천이를 피할 수 있어 연속된 작업이 가능하게 합니다. 또한, 유전체 표면에 전하를 쌓고 이를 방전에 활용하게 됩니다. (memory effect) 전기장을 걸어주었을 때 유전체에 전하가 쌓이게 되면 외부전기장을 방해하는 방향으로 전기장을 형성시키게 됩니다. 만일 전하가 쌓인 직후 양극과 음극이 바뀌게 되면 외부 전기장과 유전체의 전하가 같은 방향의 전기장을 형성하여 인가해주는 전기장보다 더 큰 전기장을 공기 중에 인가해 줄 수 있게 됩니다. 따라서 유전체가 없을 때는 DC 펄스를 이용하고, 유전체가 있을 경우에는 AC 혹은 RF를 이용하여 보다 효율적으로 플라즈마를 만들 수 있습니다. 대부분의 actuator는 AC 를 인가하고, 동체 표면에 두 개의 전극을 엇갈리게 설치하여 옆의 전극 사이에서 플라즈마를 생성시키는 방법을 이용하고 있어 actuator에서 DBD 방전 메커니즘에 대한 연구가 필요할 것입니다. 

참고 논문

[1]      J. P. Boeuf, Y. Lagmich, T. Unfer, T. Callegari, and L. C. Pitchford, “Electrohydrodynamic force in dielectric barrier discharge plasma actuators,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 40, no. 3, pp. 652–662, 2007.

[2]      E. Moreau, “Airflow control by non-thermal plasma actuators,” J. Phys. D. Appl. Phys., vol. 40, no. 3, pp. 605–636, 2007.

간단히 답을 찾기 보다는 개념적으로 이해가 필요한 부분이 있어 보입니다. 같은 캠퍼스, 항공대학교 대학원에 계시는 '최희환교수님'을 찾아 뵙고 지도를 받우면 보다 정확한 방향으로 연구를 개시할 수 있을 것입니다. 도움이 되었기를 바랍니다.