College Of Engineering
서울공대 이야기

 

연구실

핵융합 및 플라즈마 응용 연구실 - FUSMA

(Fusion and Plasma Application Laboratory)

지도 교수

홍상희

실험실 구성

박사과정 7명

석사과정 3명

팀장: 김근수

박사과정: 김동욱, 김근수, 최신일, 이찬민, 남준석, 최수석, 김기민

석사과정: 한현선, 김종인, 윤의성

학부생 논문주제

1. Neutral Beam Injection을 이용한 토카막 플라즈마의 가열과 전류구동효과의 계산과 분석  

2. 엔탈피 탐침과 QMS를 이용한 비이송식 DC 플라즈마 토치의 극 구조에 따른 플라즈마 특성진단

3. 비이송식 막대 노즐형 직류 열플라즈마 발생기에서 방출분광분석법을 이용한 질소플라즈마 진단계측에 대한 연구  

4. KSTAR 토카막의 노심경계영역 통합 운전 모델링

5. 원자로 재료용 탄소나노튜브의 아크 플라즈마 합성 기술 개발

6. 엔탈피탐침법을 이용한 비이송식 직류 열플라즈마의 진단  

7. 자장밀폐 핵융합로의 노심 및 경계 영역 간의 자기모순이 없는 열 및 입자수송 모델 개발 및 이를 바탕으로 한 핵융합로 선진운전모드의 효율적인 제어기술 개발  

취업 현황

한국기초과학지원연구원(KBSI) 6명

국방과학연구소(ADD) 2명

기타 정부출연연구소 4명

삼성(전자, SDI, 코닝, 종합기술원, SDS) 7명

플라즈닉스 2명

하이닉스반도체 1명

한국수력원자력 1명

한국전력기술주식회사 1명

기타 기업 3명

해외 및 유학 10명

기타 3명

랩투어

담당 조교

및 해당연구실

이찬민 - 31동 105호 (7217)

랩투어 내용

연구실 및 연구내용 소개                : 5분

플라즈마 발생 시연                     : 10분

1. 연구실 소개

 본 연구실은 차세대 에너지원으로 기대되고 있는 핵융합 발전 기술과 그 기초가 되는 플라즈마 물리 및 다양한 플라즈마 응용 기술을 연구하고 있다. 핵융합 발전 기술은 핵융합의 원리와 플라즈마 물리학의 이해 및 대규모의 핵융합 장치 개발 기술의 결합에 기반하고 있다. 따라서 본 연구실은 핵융합 플라즈마의 물리적 현상 이해와 현재 건설하고 있는 KSTAR 장치의 제어 기술 개발을 위한 전산해석 연구를 수행하여 미래 핵융합 발전 상업화를 위한 고급 기술 확보에 노력하고 있다. 또한 깨끗한 환경 보전과 신소재 개발 등 다양한 첨단 기술 산업에 적용 가능한 플라즈마 공정 개발과 응용 연구도 수행하고 있다. 아크, 코로나, 유전체 장벽 방전 등을 이용한 다양한 플라즈마 발생원을 개발하여 왔고, 이를 이용한 나노분말, 나노튜브 등의 고기능성 신소재 합성, 배기 가스 정화 및 유해 폐기물의 처리, 재료 물성 개질 등의 연구를 수행하여 인류 미래의 지속가능한 발전이 요구하는 첨단 기술 개발 연구에 주력하고 있다.


최근 수행 연구과제

구 분

과  제  명

지원기관

연구기간

(부터 ~까지)

완료

방사성 폐기물의 용융 고화처리를 위한 막대형 전극 구조의 이송식 아크 플라즈마 토치 개발

과학기술부

1999. 12 ~

2001. 08

완료

가청주파 DBD 플라즈마의 발생 및 운전조건에 따른 특성 규명

한국기계

연구원

2002. 05 ~

2002. 12

완료

원자로 재료용 탄소나노튜브의 아크 플라즈마 합성 기술 개발

과학기술부

2002. 07 ~

2004. 05

완료

전력산업용 나노분말 제조를 위한 초음속 열플라즈마 반응기 개발

산업자원부

2003. 12 ~

2004. 11

수행중

산업용 열플라즈마 발생기의 최적 설계제작 기술

과학기술부

2000. 06 ~

2005. 06

수행중

아크젯 열플라즈마를 이용한 고에너지 방사선 계측 장비용 다이아몬드 박막 증착 기술 개발

과학기술부

2004. 06 ~

2006. 03

수행중

대기압 플라즈마 발생 시스템의 전산모사

한국기초과학지원연구원

2004. 07 ~

2007. 06

수행중

KSTAR 플라즈마 제어계 및 고성능 운전시나리오 개발

한국기초과학지원연구원

2005. 02 ~

2006. 01

수행중

열플라즈마 기반 폐기물 처리 시스템 요소기술 개발

산업자원부

2005. 03 ~

2008. 02

2. 연구내용 소개


1) 열플라즈마 기술 개발

열플라즈마(Thermal Plasma)는 직류 아크나 고주파 유도결합 방전을 통하여 이온화된 기체로 1,000 ~ 20,000℃의 초고온, 100 ~ 2,000 m/s의 초고속의 특성을 가진다. 따라서 재래식 연소 과정을 통해 발생된 열유체에서는 얻을 수 없는 초고온, 대열용량, 다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마는, 신속한 반응과 단축된 가공 및 공정처리로 효율적이며 환경면에서 깨끗한 초고온 반응 열원으로 제공되어, 제조소재 및 환경 산업의 생산기반과 첨단 설비에 핵심이 되는 기술로 이용이 되고 있다. 본 연구실은 1990년부터 재료 물성의 획기적 향상을 위한 세라믹 용사용 열플라즈마 토치 개발 연구를 시작하였으며, 2000년에 국가지정연구실(National Research Lab.)로 지정되어 열플라즈마 특성 전산해석과 열플라즈마 토치 제작 및 플라즈마 특성 진단 연구를 수행하여, 다양한 응용 목적에 따른 최적의 열플라즈마 토치 개발 기술을 확보하였다. 또한 확보된 최적 열플라즈마 토치 제작 기술을 활용하여, 기계부품 가공, 보호피막 및 고기능성 표면개질, 탄소나노튜브 및 기능성 나노분말 합성, 유해 폐기물의 소각 용융 처리 등 다양한 플라즈마 응용 공정 개발 연구도 활발하게 진행하고 있다.



2) 핵융합 플라즈마 전산해석 연구

차세대 무한 에너지 공급원으로 기대되고 있는 핵융합 발전의 가장 유력한 방법은 연료가 되는 중수소 이온의 온도를 충분히 높여서 핵융합 반응을 일으키는 열핵융합 방식이다. 열핵융합 반응을 일으키기 위해서는 1억도 정도의 완전히 이온화된 극한의 플라즈마를 형성해야 하며, 따라서 이 과정에서 나타나는 플라즈마의 복잡한 물리적 현상을 해석하고 제어하는 것이 가장 중요한 과제이다. 본 연구실은 연구실 구성이후 오랜 기간 동안 핵융합 플라즈마의 전산 해석 연구를 수행하여, 핵융합 플라즈마의 발생과 유지, 핵융합 반응로 내부 다양한 입자들의 복잡한 플라즈마 거동 해석 등을 위한 전산코드를 개발하였으며, 이를 통하여 국내 초전도 핵융합 반응로 프로젝트인 KSTAR 개발에 필요한 핵심 자료를 제공하여 왔다. 최근에는, KSTAR 완공이후 곧 시작될 핵융합 반응 실험에 대비하여, KSTAR의 안정적인 운전을 위한 고성능 운전 시나리오 개발 연구를 본격화하고 있다. 이를 위하여 안정한 핵융합 운전 영역 확보와 향상된 운전 성능 달성에 필요한 플라즈마의 위치 및 모양 제어, MHD 불안정성 제어 기술을 개발하고 이를 KSTAR에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.


3) 상압 비평형 플라즈마 연구

일반적으로 저온 플라즈마는 반도체 제조, 금속 및 세라믹 박막제조, 물질합성 등 다양한 활용성을 가지고 있는데, 대부분 저압에서 생성된다. 상압 비평형 플라즈마는 대기압에서 저온의 플라즈마를 얻음으로써 진공유지, 처리물 장입과 관련된 장치 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 배연가스 처리 및 공기청정과 같이 활용 분야도 더 넓다. 상압 비평형 플라즈마는 펄스 코로나방전과 유전체 장벽방전으로 주로 발생되며, 본 연구실에서는 두 가지 상압 비평형 플라즈마에 대하여 방전원리와 특성을 규명하는 수치해석 및 진단 연구와 함께, 상압 비평형 플라즈마의 실질적인 활용을 위한 응용 연구를 수행하고 있다. 상압 비평형 플라즈마와 관련된 세부 연구 내용 및 대표적인 연구결과는 다음과 같다.


- 배연 정화처리를 위한 펄스 코로나방전 및 화학활성종 생성에 관한 수치모사

- 유전체 장벽의 배치가 DBD 에서 미치는 영향에 관한 수치해석적 연구

- 헬륨-산소 유전체 장벽 방전의 방전 모드변화에 대한 수치해석

- 유전체 장벽 방전의 필라멘트 모드에 대한 2차원 전산 모사

- 방출 분광법을 이용한 펄스 코로나 및 유전체 장벽 방전의 전자 에너지 측정

- DBD 플라즈마 표면 개질에 의한 활성탄의 흡착능 향상 기술 개발

- 유전체장벽 코로나 방전과 이를 이용한 NO/SO2 분해에 관한 실험적 연구

         펄스 코로나 방전에 대한 3차원 수치모사  유전체 장벽방전에 2차원 수치모사


             

유전체 장벽방전에 대한 실험적 진단 상압 비평형 플라즈마 처리에 의한 활성탄의 흡착능 향상

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