1. 서 론

항공우주, 자동차 분야에서 능동 유동제어(AFC: Active Flow Control) 기술에 대한 수요가 많아지고 있다. 특히 항공 분야에서 기체나 유체의 유동 특성을 조절함으로써 압력감소, 내구성 향상, 소음 감소, 연료 효율 개선 등의 효과를 얻을 수 있어 관련 연구가 활발히 진행되고 있다^[1-4].

일반적으로 항공 분야에서 능동 유동제어를 위해 기계적 장치인 플랩(Flap)을 날개의 앞 혹은 뒤쪽 끝에 장착한다. 플랩은 이륙, 착륙, 기동 등 다양한 비행 상황에서 공력(Aerodynamic)을 제어한다. 그러나 플랩은 날개 크기의 한계가 있어 능동 유동제어 성능이 제한적이다. 그러므로 가볍고, 비교적 적은 비용으로 플랩을 보조해주는 능동 유동제어 장치가 필요하다^[5].

대표적인 능동 유동제어 장치로 표면 유전체 장벽 방전 (SDBD: Surface Dielectric Barrier Discharge)을 이용한 플라즈마 액추에이터가 있다. 플라즈마 액추에이터는 SDBD 시 발생하는 이온 풍을 이용하여 날개 표면의 유동을 조절함으로써 효율적인 유동제어를 가능하게 해주는 장치이다. 특히 기계적인 부품이 필요 없고, 낮은 소비전력, 빠른 반응성을 갖는다는 장점이 있다. 또한 발생하는 이온 풍속이 클수록 기류제어에 효과를 보인다. 그러나 SDBD를 이용한 플라즈마 액추에이터는 만들어 낼 수 있는 이온 풍속이 상대적으로 작아 소형무인항공기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle)와 같이 작은 기체에만 사용되고 있다^[6-9].

이러한 단점을 극복하기 위한 기존 SDBD 플라즈마 액추에이터 관련 연구는 방전 전극의 구조를 다단으로 구성하거나, 톱니 형상의 전극, 와이어 전극을 사용하는 것에만 집중되어 있다^[10-15]. 그러나 일반적인 평판형 전극이 아닌 메시형 전극을 사용하였을 때에 대한 연구가 미비한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 SDBD 플라즈마 액추에이터의 이온 풍속을 향상하기 위한 기초 연구로써 세 가지 격자 크기의 메시형 접지 전극을 사용하여 이온 풍속, 소비전력을 측정하고, 평판형 접지 전극과의 비교를 통해 실험적으로 분석하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1(a)는 표면 유전체 장벽 방전 실험을 위한 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 방전 전극으로는 알루미늄 재질의 평판 전극(40mm×10mm×0.1mm)을 사용했으며, 전력 소비를 절반으로 줄여 소비전력 대비 이온 풍속 향상하기 위해 접지 전극을 Kapton tape로 덮어 절연 처리를 하였다^[16]. 접지 전극으로 Fig. 2의 세 가지 격자 크기(0.5mm, 1mm, 2mm)의 메시형 접지 전극(40mm×25mm×0.1mm)과 알루미늄 재질의 평판 접지 전극(40mm×25mm×0.1mm)을 사용하였다. 방전 전극과 접지 전극을 엇갈리게 배치하고 전극과 전극 사이에 Pyrex 유리판(100mm×100mm×2.2mm)을 삽입하였다. 전압 인가를 위해 교류 전원장치의 출력을 변압기(220V/40kV, 60Hz)로 승압하여 10∼20kV까지 2kV 단위로 증가시키며 실험하였다. 전극 양단의 전압과 파형 측정을 위해 교류 고전압 프로브(P6015A, Tektronix)와 오실로스코프(TDS2024B, Tektronix)를 사용하였다. 이온 풍속의 경우 Fig. 1(b)에 표시된 접지 전극의 끝부분 중앙에서 높이 Y= 0∼3mm까지 1mm씩 측정 지점을 변경하였고, 열선식풍속계(Testo 425)를 이용하여 풍속을 측정하였다. 풍속은 10초 동안의 평균 풍속을 각 3회 측정하여 평균 내었다. 또한 소비전력 계산을 위한 Q-V 리사주 곡선(Lissajous curve)을 얻기 위해 측정 캐패시터(8.175nF)을 사용하였다. 모든 실험은 풍속에 영향을 미치지 않도록 외부 바람을 차단할 수 있는 실험챔버 내 공기(23±2℃, 35±2% RH) 중에서 실시하였다.

Fig. 1. Schematics of (a) plasma actuator and (b) experimental setup

Fig. 2. Type of ground electrode

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 3은 접지 전극의 형상별로 10∼20kV까지 2kV씩 증가시켰을 때의 이온 풍속을 나타낸 그래프이다. Fig. 3(a)는 Y=0mm에서 측정하였을 때의 이온 풍속을 나타낸 그래프이다. 평판형 접지 전극이 14∼16kV 구간에서 이온 풍속이 우세하였으나 그 이후 메시 2, 3 전극의 이온 풍속이 더 우세하다. 특히 20kV에서 메시 2, 3 전극의 이온 풍속이 각 1.26m/s, 1.01m/s로 평판형 접지 전극의 0.94m/s와 비교하여 각각 1.33배, 1.07배 더 강하게 나타났다.

Fig. 3. Distribution of ionic wind velocity by ground electrode geometry

Fig. 3(b)는 Y=1mm에서 측정하였을 때의 이온 풍속을 나타낸 그래프이다. 인가 전압 10∼20kV에서 메시 1의 이온 풍속이 가장 작았으며, 메시 2, 3 전극의 이온 풍속이 평판형 접지 전극보다 높았다. 18kV 미만에서는 메시 2 전극의 이온 풍속이 높았으나 그 이후 메시 3 전극의 이온 풍속이 최대 1.1m/s로 가장 높게 나타났다.

Fig. 3(c)는 Y=2mm에서 측정하였을 때의 이온 풍속을 나타낸 그래프이다. 메시 1 전극의 이온 풍속은 Y=1mm일 때와 같이 전 구간에서 가장 작았으며, 16kV 미만에서는 메시 3 전극의 이온 풍속이 높았으나 그 이후 메시 2 전극의 이온 풍속이 20kV일 때 0.6m/s로 가장 높게 나타났다.

Fig. 3(d)는 Y=3mm에서 측정하였을 때의 이온 풍속을 나타낸 그래프이다. 전체적으로 이온 풍속이 크게 감소하였으며, 메시 1 전극의 이온 풍속 또한 전 구간에서 가장 작았다. 16kV 미만에서는 메시 3 전극의 이온 풍속이 높았으나 16kV 이후 Y=0, 2mm일 때와 같이 메시 2 전극의 이온 풍속이 0.45m/s로 가장 높게 나타났다.

인가 전압 10kV일 때 평판형 접지 전극과 메시형 접지 전극의 이온 풍속은 큰 차이를 보이지 않았으나, 인가 전압이 증가할수록 메시형 접지 전극의 이온 풍속이 평판형 접지 전극을 역전함을 알 수 있다. 인가 전압 20kV일 때 Y=0, 1, 2, 3mm 조건에서 평판형 접지 전극보다 메시형 접지 전극2, 3의 이온 풍속이 높게 나타났다. 또한 메시 격자의 크기에 따라 이온 풍속이 평판형 접지 전극을 사용한 경우보다 작거나 크다는 것을 확인할 수 있다. 메시 격자의 크기가 0.5mm 일 때의 풍속은 14kV 이후 모든 구간에서 평판형 접지 전극보다 낮았으며, 메시 격자의 크기가 1mm일 때 Y=0mm에서 최대 풍속 1.26m/s를 보였다.

접지 전극의 형상에 따라 이온 풍속이 다른 이유는 메시형 접지 전극의 경우 평판형 접지 전극과 달리 전계가 집중되는 곳이 있고, 격자의 크기에 따라 집중되는 정도가 달라 방전 개시 전압에 차이를 보이기 때문이라고 판단된다^[17].

Fig. 4. Q-V Lissajous curves by ground electrode geometry at 20kV

Fig. 4는 20kV 인가 시 접지 전극의 형상별 Q-V 리사주 곡선이다. 방전 사이클은 리사주 곡선의 반시계 방향으로 충전과 방전이 반복되며 진행된다. 리사주 곡선의 면적은 SDBD 장치의 소비 에너지를 의미하며 아래의 식 (1)을 이용하여 소비 에너지 및 전력을 계산할 수 있다.

P : SDBD 장치 소비전력 [W],

E : SDBD 장치 소비 에너지 [J],

f : 주파수 [Hz], Cp : 측정 캐패시터의 정전용량 [F],

Va : 인가 전압 [V], Q : 전하량 [C]

Fig. 4에서 리사주 곡선의 인가 전압 대비 전하량이 급격하게 변하는 지점의 전압을 보면 방전 개시 전압을 알 수 있다. 평판형 접지 전극의 경우 6.6∼20kV에서 방전이 일어나고, -20∼-6.6kV에서 방전이 종료된 후 다시 일어나는 것을 확인할 수 있다. 메시형 접지 전극의 방전 개시 전압은 메시 1의 경우 5.3kV, 메시 2의 경우 4.7kV, 메시 3의 경우 3.5kV로 격자의 크기가 커질수록 방전 개시 전압은 3.5kV까지 낮아졌다.

최대 전하량은 평판형 접지 전극의 경우 294nC, 메시 1의 경우 341nC, 메시 2의 경우 376nC, 메시 3의 경우 392nC이다. 최대 전하량은 평판형보다 메시형이 더 컸으며, 격자의 크기가 커질수록 최대 392nC까지 증가하였다.

평판형 접지 전극보다 메시형 접지 전극에서의 방전 개시 전압이 낮으며, 최대 전하량은 메시형 접지 전극을 사용하는 경우 더 크게 나타났다.

Fig. 5. Power consumption and average ionic wind velocity for each electrode at 20kV

Fig. 5는 인가 전압 20kV일 때 접지 전극 형상별 SDBD 장치의 소비전력과 Y=0, 1, 2, 3 mm에서의 평균풍속 그래프이다. 동일한 조건에서 평판형 접지 전극을 사용하는 경우 0.56W로 가장 낮은 소비전력을 보였다. 메시형 접지 전극의 소비전력은 메시 1의 경우 0.72W, 메시 2의 경우 0.84W, 메시 3의 경우 0.85W로 격자의 크기가 커질수록 소비전력 또한 최대 0.85W로 증가하였다. 이는 메시형 전극이 평판형 전극과 달리 격자 패턴을 갖기 때문이다. 메시형 접지 전극은 전계가 균등하게 분산되지 않고 집중되는 포인트가 많아 전계의 강도가 높아지게 된다. 그로 인해 더 낮은 방전 개시 전압을 갖고 방전 지속시간이 길어지게 되기 때문에 소비전력이 증가한다고 판단된다^[17].

일반적으로 이온 풍속은 SDBD 장치의 전력 소비에 따라 증가한다^[18]. 그러나 Fig. 5의 각 접지 전극의 소비전력과 이온 풍속 그래프를 보면 인가 전압 20kV 조건에서 메시 2의 소비전력이 0.84W로 메시 3보다 0.01W 작으나, 메시 2의 평균 이온 풍속이 0.82m/s이므로 메시 3의 평균 이온 풍속보다 0.04m/s 우세하다. 따라서 소비전력 대비 이온 풍속을 고려하면 메시 2가 적절한 격자 크기를 갖는다고 볼 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 SDBD 플라즈마 액추에이터의 이온 풍속을 향상하기 위한 기초 연구로써 세 가지 격자 크기의 메시형 접지 전극을 사용하여 이온 풍속, 소모전력을 측정하여 평판형 접지 전극과의 비교를 통해 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) SDBD 발생 시 인가 전압 10kV일 때 Y=0, 1, 2, 3mm에서 평판형 접지 전극과 메시형 접지 전극의 이온 풍속은 큰 차이가 없었으나, 인가 전압 20kV, Y=0mm에서 측정된 평판형 접지 전극에서의 이온 풍속(0.94m/s)보다 격자 크기 1mm, 2mm의 메시형 접지 전극을 사용했을 때의 이온 풍속(1.26m./s, 1.01m./s)이 우세하다. Y=0, 1, 2, 3mm에서 인가 전압 16kV 이후부터 메시 2, 3의 풍속이 평판형 접지 전극보다 우세하며, 격자 크기 0.5mm의 메시 1의 경우 인가 전압 10∼20kV에서 이온 풍속이 가장 낮게 나타났다.

2) 메시형 접지 전극의 방전 개시 전압은 격자 크기가 커질수록 4.6kV, 4.0kV, 3.5kV 순으로 작아졌으며, 평판형 접지 전극의 방전 개시 전압이 6.6kV로 가장 높았다.

3) 20kV인가 시 리사주 곡선의 면적을 통해 계산한 SDBD 장치의 소비전력은 평판형 접지 전극이 가장 작았으며, 메시의 격자가 커질수록 증가하였다. 생성되는 전하량 또한 소비전력 관계와 같은 경향을 보였다.

4) 메시형 접지 전극의 격자 패턴은 평판형 접지 전극에 비해 전계가 집중되는 포인트가 많아 더 낮은 방전 개시 전압을 가져 방전이 일찍 시작된다고 판단된다. 방전이 일찍 시작되면 방전이 지속되는 시간이 늘어나 소비전력이 증가한다고 볼 수 있다.

향후 연구에서는 접지 전극 형상에 따른 이온 풍속과 소비전력의 변화를 다양한 격자 크기와 형상의 전극에서 측정할 뿐만 아니라, 여러 가지 인가 전압의 파형에 따른 이온 풍속과 소비전력의 변화 또한 연구할 예정이다. 본 연구 결과는 SDBD 장치를 이용한 능동 유동제어 장치 연구의 기초자료로써 활용될 수 있을 것이다.