Introduction

유동을 제어하는 방법은 크게 수동적인 방법과 능동적인 방법으로 나눌 수 있다. 수동적인 방법에는 기하학적 형상 변경이나 부가장치 부착 방식 등이 있으나 중량 증가, 소음, 진동발생과 같은 문제점들을 지니고 있다. 반면, 능동적인 방법은 유동 제어 대상체의 내부에 장치를 설치하여 유동조건에 맞게 대상체를 변형하거나 분출/흡입과 같은 다양한 작동을 하여 수동적인 방법들의 문제점을 보완한 방식이다. 그러나 능동적인 방법도 외부동력 요구 및 사용 시간의 제약이 발생하는 단점이 있다. 이러한 관점에서 플라즈마 작동기는 능동제어에 수반되는 단점을 보완시킨 장치로서 유동 제어 분야에서 다양하게 연구되고 있다.⁽¹⁾

플라즈마는 국부적으로 전기적인 극성을 가지며 중성입자, 이온, 전자로 구성된 이온화된 기체가 존재하는 상태를 말하며, 전도체의 특성을 가지고 자기장을 발생시킨다. 이것은 고체, 액체, 기체와 구분되는 물질로 제 4의 물질이라고 불리기도 한다.

DBD (Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 작동기의 기본 구동원리는 작동기를 통한 공기의 국부적인 이온화와 전극 배치에 의해 생성된 전기장의 조합으로 인해 생성되는 체적력을 이용한다. 플라즈마 작동기는 간격이 있는 두 개의 전극에 고전압의 교류전원이 공급될 때 방전에 의해 전극 사이에 생성되는 플라즈마를 이용하는 장치이다. 플라즈마 작동기는 두 개의 전극으로 구성되어 있기 때문에 구조적으로 단순하여 대상체에 설치하는 과정에 있어 용이성을 가지고 있다. 또한 작동기의 소형화가 가능하기 때문에 경계층 내의 유동제어에 손쉽게 응용 될 수 있다. 또한 플라즈마 작동기는 다른 장치들에 비해 소비전력이 적고, 빠른 응답특성을 통해 실시간 제어가 가능하다는 장점이 있다.⁽²⁾ 그 외에도 먼지 흡착에 의한 오염이 잘 되지 않으며 방전전극 배치에 따라 표면 전체에서 방전을 일으킬 수 있다. 또한, 방전전극은 다양한 형태의 패턴으로 설계가 가능하다.⁽³⁾

Corke 등⁽⁴⁾은 단일 DBD 플라즈마 작동기를 이용하여 공력향상을 위한 설계를 제시하였고, 플라즈마 작동기의 성능을 극대화 할 수 있는 접근법을 제안하였다. DBD 플라즈마 작동기의 성능을 결정하는 변수들에는 여러 가지가 있는데, 그 중 가장 주요한 변수로 알려진 입력 신호에 따른 요인에는 전압과 주파수, 방전파형이 있다. Forte 등⁽⁵⁾과 Thomas 등⁽⁶⁾은 전압과 주파수에 관한 연구를 통하여 두 변수가 플라즈마 작동기 성능과 밀접하게 관련이 있음을 보였다. 또한 플라즈마 작동기의 배치와 개수가 다중 플라즈마 작동기에 미치는 영향을 실험적으로 고찰하였다. Opaits 등⁽⁷⁾은 파형을 특성화하고 플라즈마와의 매칭을 최적화하기 위해, 임의의 임피던스 부하를 갖는 짧은 펄스 계산을 위한 수치 코드를 개발하여 새로운 파형을 제안하고, 그에 대한 장점을 실험적으로 입증하였다.

입력신호에 따른 요인 외에도 플라즈마 작동기를 구성하는 유전체와 전극의 재료와 형상, 배치 등도 DBD 플라즈마 작동기 성능에 큰 영향을 미친다. Lee 등⁽²⁾은 전극의 두께, 크기, 재료에 따른 영향을 실험적으로 수행하였고, Enloe 등⁽⁸⁾은 전압과 전극의 크기가 DBD 플라즈마 작동기 성능에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. Yun 등⁽⁹⁾은 전극의 배치 간격, 전극의 폭, 전극 길이에 관한 변수연구도 진행하였다. 그 외에 유전체의 영향에 대한 연구로 Forte 등⁽⁵⁾ 은 유전체 두께에 관한 연구를 진행하였고, Lee 등⁽²⁾, Forte 등⁽⁵⁾과 Thomas 등⁽⁶⁾은 유전체 재료에 따른 플라즈마 작동기에 관한 연구를 진행하였다.

DBD 플라즈마 작동기의 응용과 운용에 관한 몇몇 연구들이 수행되었으나, 플라즈마 작동기의 성능에 대한 변수연구는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 입력전압의 세기와 노출전극의 형상 변화가 DBD 플라즈마 작동기에 의한 유도유동 속도에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 실험에 사용된 노출전극은 다섯가지 형상이 고려되었으며, 인가전압의 크기와 노출전극의 형상에 따른 유도유동의 속도는 열선유속계로 측정하였다.

본 연구에서는 유동의 능동제어를 위해 사용되는 DBD 플라즈마 작동기의 성능향상을 위한 변수연구를 실험적으로 수행하였다. 실험에서 고려된 DBD 플라즈마 작동기의 성능변수로는 노출전극의 형상과 인가전압을 선정하였으며, 각각 다섯 가지 전극형상과 네 개의 인가전압에 따른 유도유동의 유속을 측정하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

• 1) DBD 플라즈마 작동기에 인가되는 전압의 크기가 증가할수록 전극형상에 관계없이 유도유동의 유속은 증가하였다. 이는 전압의 크기가 생성된 플라즈마의 강도와 더불어 전극 주변의 공기의 이온화에 직접적인 영향을 미치기 때문이다. 한편, 인가전압의 크기가 증가함에 따라 소모전력 또한 증가하였다.
• 2) 동일한 전압조건에서 노출전극의 형상에 따라 각각 다른 유도유동의 유속이 측정되었다. 직사각형이나 둥근 물결 형상일 때보다 큰 톱니나 작은 톱니, 날카로운 물결과 같이 끝단이 날카로운 형상일 때 대체로 성능이 우수한 것으로 측정되었다. 그러나 인가전압의 크기가 증가할수록 전극형상에 따른 유도유동의 유속의 차이는 점차 감소하였다.

아울러 DBD 플라즈마 작동기의 성능에 영향을 미치는 여러 가지 인자들에 대하여 해석적 연구가 수행된다면, DBD 플라즈마의 발생 메커니즘에 대한 상세분석은 물론 인자들에 대한 최적화를 통하여 DBD 플라즈마 작동기의 성능을 보다 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.