1. 서 론

전기추진은 전기 에너지를 이용하여 추진제를 이온과 플라즈마로 변환시키고 이를 가속하여 추력을 얻는 추진방식으로써, 전열 추진, 정전 플라즈마 추진, 홀 추진 등 다양한 방식이 있다.⁽¹⁾ 이러한 전기추진의 원리는 코로나 방전에 의해 발생하는 이온을 가속시켜 유체의 흐름을 생성하는 전기유체역학적(EHD: Electrohydrodynamics) 현상인 이온풍의 발생 원리와 발생 원리와 유사하다. 국외의 경우 이온풍을 추진 분야에 적용하기 위한 연구가 Christenson과 Moller에 의해 1967년부터 최초로 발표되었다.⁽²⁾ 이온풍을 이용한 추진은 기존의 프로펠러나 제트 엔진에 비하여 약한 추력 때문에 대형 항공기와 같은 거대 비행체의 추진 장치로써는 적용하기에는 어렵지만, 공기의 저항이 작은 고고도에서 운용되는 소형 무인 항공기의 추진 장치로의 적용 가능성이 검토되고 있다.⁽³⁾ 또한, 이온 리프터, 이온 엔진과 같이 이온풍의 추력과 관련된 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 특히 2018년 MIT Johnson Indoor Track에서 이온풍 단일 추진 비행체의 자유 비행 연구를 발표하여 이온풍 추진의 가능성을 제시하였다.^(4-6) 국내의 경우, 이온풍을 활용한 전자장치 및 발열 장치의 냉각, 전기집진, 유기용매 건조, 유체펌프 분야로의 연구는 활발히 이루어지고 있으나 이온풍의 추력과 관련된 연구는 미비한 실정이다.^(7,8)

본 연구에서는 이온풍을 이용한 전기추진 장치 연구를 위한 기초 연구로써 이온풍 발생 및 추력을 향상시키기 위하여 침대 링형 전극을 2단으로 구성하였다. 그리고 가속전극에 접지를 인가하던 기존 연구와 달리 이온을 더 효과적으로 가속시키기 위해 음 전압을 인가하여 이온풍의 추력 특성을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

그림 1은 코로나전극과 유도전극이 2단 직렬로 구성된 이온풍 발생장치에 가속전극 적용을 통한 이온풍 추력 특성을 알아보기 위한 실험장치 개략도를 나타낸 것이다. 방전전극은 불평등 전계에 의한 코로나 방전이 발생할 수 있는 침대 링(Needle-to-Ring) 구조로 구성되어 있고, 이온풍 발생을 극대화하기 위하여 동일한 구조를 2단 직렬로 구성하였다. 1차 유도전극(IE1)과 2차 코로나전극(CE2)의 간격은 IE1과 CE2 사이의 코로나 방전을 방지하면서 이온풍의 중첩 효과를 극대화하기 위하여 40.0 mm로 설정하였고 링형 가속전극(AE)은 2차 유도전극(IE2)에서 10.0 mm 후단에 설치하였다. 코로나전극으로는 스테인리스스틸 재질의 침형 전극(길이 5.0 mm, 곡률 반경 0.3 mm)을 사용하였고, 유도전극과 가속전극으로는 구리 재질의 링(외경 27.0 mm, 내경 25.0 mm) 형태로 제작되었다. 실험에 사용된 양(+) 전압 전원은 직류 고전압 전원(Spellman, SL600), 음 전압 전원은 고전압 발생장치(Ultravolt, 25A24-N30)를 사용하였으며, 양 전압은 5 kV부터 1 kV 단위로 증가시키며 인가하였고 AE에 인가되는 음 전압은 절연파괴 전압까지 2 kV씩 증가시키며 인가하였다. 코로나 방전에 의해 발생되는 코로나 전류는 유도 전극 하부에서 측정 저항(1kΩ), 서지어레스터, 디지털 멀티미터(73401, Yokogawa)를 이용하여 측정하였다. 실험장치에서 발생되는 이온풍속은 디지털 풍속계(425, Testo)를 가속전극으로부터 35.0 mm 후방에 설치하여 10초 동안의 평균 풍속을 3회 측정하여 평균값을 사용하였다. 모든 실험은 온․습도를 제어할 수 있고 풍속 측정에 영향을 미치는 외부 바람을 차단할 수 있는 실험챔버 내의 공기(20±2℃, 30±2% RH) 중에서 실시하였다.

3. 실험결과 및 고찰

그림 2는 가속전극에 인가된 음 전압($V_{AE}$)에 따른 $I_{C}$ ― $V_{a}$와 $I_{AE}$ ― $V_{a}$ ($I_{C}$ : $I_{IE1}$ + $I_{IE2}$, $I_{AE}$ : AE 측정전류, $V_{a}$ : 양 전압) 특성을 나타낸 것이다. 코로나 전류가 측정되기 시작한 코로나 개시전압은 약 4.5 kV였으며, 양 전압이 14 kV 이상, 음 전압이 -12 kV 이상 인가되었을 때 절연파괴가 발생하였다.

그림 2(a)에서 AE에 인가되는 음 전압 크기가 커질수록 코로나 전류 $I_{C}$가 감소하는데, 특히 IE2에서 측정된 코로나 전류 $I_{IE2}$이 IE1에서 측정된 코로나 전류 $I_{IE1}$에 비해 더 많이 감소하였다. 이는 IE1은 AE와의 거리가 충분히 멀기 때문에 큰 영향이 없지만 IE2는 AE와의 거리가 가까워 AE의 영향을 받아 IE2에 트랩 되지 않고 AE로 향하는 이온량이 증가하였기 때문이다. 이는 그림 2(b)에서 음 전압의 크기가 작을 때는 AE에서 측정된 전류 $I_{AE}$의 증가량이 $I_{IE2}$의 감소량과 거의 일치하는 것으로 설명할 수 있다. 다만, 음 전압의 크기가 커짐에 따라 AE로 향하는 이온량이 증가하는것 뿐만 아니라 CE2와 AE 사이에 직접적인 코로나 방전이 발생하면서 $I_{AE}$가 급격히 증가하였다.

그림 3은 AE에 인가된 음 전압($V_{AE}$)에 따른 이온풍속($U_{W}$)와 이온풍의 추력(T) 특성을 나타낸 것이다. 직렬 다단 구성의 이온풍 발생장치에서 $U_{W}$는 다음의 식 (1)과 같다.^(9,10)

$U_{W}$ : 이온풍속 [m/s], K, C, $\alpha$ : 상수, n : 직렬 단수,

$V_{a}$ : 양 전압 [V], $V_{0}$ : 코로나 개시 전압 [V]

식 (1)에서 $U_{W}$는 직렬 다단 수의 제곱근과 양 전압에 비례한다. 그림 3(a)에서 $U_{W}$는 $V_{a}$에 선형적인 비례 관계를 보이기 때문에 상수 $\alpha$가 약 2에 가까운 값을 가지는 것으로 추정할 수 있다. 이는 X. Meng의 코로나 전류와 인가전압 간의 특성 연구에서 $\alpha$의 범위가 1.5$\sim$2.0이라 한 것과 부합한다.⁽¹¹⁾ 그리고 AE에 인가되는 음 전압의 크기에 관계없이 $U_{W}$와 $V_{a}$는 선형적 비례 관계를 유지한다.

이온풍은 코로나 방전으로 생성된 이온과 중성기체분자의 충돌로 발생하는 유체의 흐름이므로 T는 유체의 추력 계산식을 통해 계산할 수 있으며, 계산식은 다음의 식 (2)와 같다.⁽¹²⁾

T : 이온풍 추력 [N], $\rho$ : 유체의 밀도 [kg/$m^{3}$],

Q : 이온풍량 [$m^{3}$/s], A : 단면적 [$m^{2}$]

식 (2)에서 유체의 밀도 $\rho$는 공기의 밀도로서 약 1.18의 값을 가지는 상수이며, A는 이온풍 발생장치의 단면적이므로 상수이다. 따라서 그림 3(b)와 같이 T는 $U_{W}$의 제곱에 비례함을 알 수 있다. AE에 음 전압을 인가하는 것이 이온풍 추력에 미치는 영향을 보면 CE1과 CE2에 14 kV가 인가되고 AE에 음 전압을 인가하지 않았을 때의 최대 추력은 약 1.44 mN로 계산되었고, 음 전압이 -12 kV 인가되었을 때 최대 추력은 약 2.49 mN로 계산되어 추력이 약 72.9% 향상되었다.

그림 4는 AE에 인가되는 음 전압 크기에 따른 추력효율($η_{T}$)과 에너지효율($η_{E}$)을 나타낸 것이고, 실험에서 사용한 이온풍 발생장치에 인가된 전력 P, $η_{T}$와 $η_{E}$는 각각 다음의 식 (3)~(5)로 계산할 수 있다.⁽⁹⁾

P : 인가전력 [W], $I_{C}$ : 코로나 전류 [A],

$V_{AE}$ : 음 전압 [V], $I_{AE}$ : AE 측정전류 [A],

$η_{T}$ : 추력효율 [%], $η_{E}$ : 에너지 효율 [%],

$\dot m$ : 유체의 유량 [kg/s]

그림 4(a)는 $V_{AE}$인가에 따른 P를 식 (3)으로 계산하여 나타낸 것이다. $V_{a}$가 12 kV 이상이고 $V_{AE}$가 -2 kV에서 -8 kV 구간에서는 $V_{AE}$가 증가함에 따른 $I_{C}$의 감소량과 $V_{AE}$의 증가량이 거의 비슷하여 P의 차이가 미미하다. 그러나 -10 ~ -12 kV 구간에서는 CE2와 AE 사이의 직접적인 코로나 방전이 발생하여 $I_{AE}$가 급격히 증가함에 따라 P가 증가한다.

그림 4(b)는 $V_{AE}$ 인가에 따른 P 대비 T의 효율을 식 (4)를 통해 계산하여 나타낸 것이다. P는 $V_{a}$의 세제곱에 비례하고 T는 $V_{a}$의 제곱에 비례하기 때문에 $\eta_{T}$는 $V_{a}$가 증가함에 따라 감소한다. $η_{T}$는 $V_{a}$가 5 ~ 6 kV, $V_{AE}$가 -4 ~ -8 kV에서 1%이상의 높은 값을 가지는 반면 그림 3(b)에서 해당 구간의 T가 0.5 mN 이하로 매우 작기 때문에 높은 T와 $η_{T}$를 모두 만족하는 적절한 $V_{a}$와 $V_{AE}$를 찾는 것이 어려울 것으로 판단된다.

C. Kim은 이온풍 발생 효율을 P 대비 이온풍의 운동에너지로 계산하는 식 (5)를 제시하였고, 그림 4(c)는 식 (5)를 통해 계산한 $η_{E}$를 나타낸 것이다. $η_{E}$는 $η_{T}$와 달리 $V_{a}$의 증가에 따른 효율 감소량이 작고, $V_{AE}$가 증가할수록 높은 효율을 가지는 경향을 보인다. 최대 T를 가지는 조건에서 $η_{E}$의 감소량이 $η_{T}$보다 작기 때문에 높은 T와 $η_{E}$를 충족하는 조건을 찾기 수월할 것으로 생각된다. 이러한 특성을 고려한다면 추후 이온풍 추진 장치의 성능평가나 최적 운전조건을 산출할 때 $η_{T}$보다 $η_{E}$를 T와 함께 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 2단 직렬 전극과 음 전압을 인가한 링형 가속전극을 적용한 이온풍 발생장치의 추력 특성을 실험적으로 수행하여, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 가속전극에 인가되는 음 전압의 크기가 증가함에 따라 유도전극에서 측정되는 코로나 전류는 감소하고 코로나 전류의 감소량만큼 가속전극에서 측정되는 전류가 증가하였다.

2) 이온풍속은 양 전압에 선형적으로 비례하는 경향을 보였으며, 가속전극에 인가되는 음 전압이 증가하면 이온풍속도 증가하였으며 이에 따라 이온풍의 추력은 최대 72.9% 증가하였다.

3) 최대 추력을 가지는 조건에서 추력효율은 급감하는데 비해 에너지효율은 감소폭이 작기 때문에 이온풍 추진 장치의 추력 특성을 분석할 때 추력과 에너지효율이 적용됨을 확인하였다.

향후 연구에서는 2단 이상의 다단 구조와 mesh형 가속전극 적용을 통한 이온풍 추력 강화 방안을 모색 할 것이다. 그리고 추력 측정 실험을 수행하여 최대 추력 및 최대 에너지 효율을 만족하는 조건을 찾음으로써 본 연구의 한계점을 보완할 예정이다. 본 연구는 현재 우주산업에서 적용하고 있는 전기추진을 대기권 내에서 구현할 수 있는 이온풍 추진에 대한 연구로써 독자적인 이온풍 추진 기술을 보유하기 위한 기초 연구가 될 수 있을 것이다.