KR101174345B1 - 대기압 플라즈마 발생장치 - Google Patents

대기압 플라즈마 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 금속성 그물(Mesh)로 구성되는 고전압전극과 접지전극 사이에 다공성 유전체가 삽입되어 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키며 상기 고전압 전극으로 가스가 공급되도록 구성되어 상기 고전압 및 접지전극 사이, 더욱 바람직하게는 상기 고전압 및 접지 전극이 설치되는 다공성 유전체의 표면과 다공성 유전체의 내부 기공(Capillary),에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용한 공기오염물질 제거 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

Description

대기압 플라즈마 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}
본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키고 플라즈마 가스 공급에 의해 플라즈마가 발생되도록 하는 플라즈마 발생장치를 제공하는 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마 상태의 높은 반응성을 이용하여 금속이나 고분자 등을 표면 처리하는 기술은 잘 알려져 있다. 플라즈마는 진공 또는 대기압에서 발생될 수 있으며, 그 온도에 따라 평균온도가 수만 도에 달하고 이온화 정도가 높은 고온 플라즈마와 평균온도가 상온보다 약간 높고 이온화 정도가 미약한 저온 플라즈마로 구분된다.
저온 플라즈마는 다양한 가스 상태의 오염물질들을 비활성 또는 처리하기 쉬운 화학종들로 변환하는 성공적인 방법으로서 인정되고 있다. 저온 플라즈마에서의 화학 반응들은 주로 방전에 의해 생성되는 전자와 라디칼들과의 분자들의 상호작용에 의해 시작된다. 에너지 효율과 저온 플라즈마 응용의 선택성을 향상시키기 위해 저온 플라즈마와 촉매의 조합 사용이 증가하고 있다. 유전체, 자성체, 금속 산화물들이 촉매로서 사용되고 있고 이 들은 화학적으로 반응성이 높은 라디칼들의 형성을 향상시킨다.
플라즈마 반응기에서 촉매의 존재는 방전 모드와 전기적 특성에도 영향을 미치고 있다. 예를 들어, 높은 투자율(Permittivity)을 가지는 PbTiO3 또는 BaTiO3 펠렛들이 전극 사이에 채워지고 고전압에 인가되면 펠렛의 접촉점에서 전기장이 가장 세지고 방전이 시작된다. 방전은 대부분 접촉점에서 발생되고 상당히 많은 필라멘트, 마이크로방전으로 구성된다. 나노세컨드의 펄스폭을 가지는 필라멘트 마이크로방전들은 시공간적으로 불규칙하게 분포하며 인가전압이 증가할수록 그 수는 증가하고 인가전압의 주파수가 60Hz일지라도 발생되는 필라멘트 마이크로 방전의 주파수는 수 kHz에서 수백 kHz에 이른다.
일반적으로 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치는 첨부된 도 1에서 도시된 바와 같이, 상(上)전극(2) 표면에 유전체(6)를 부착시키고 하(下)전극(4)에 유전체(8)를 부착시켜 상기 유전체(6,8) 사이에 제공되는 공간으로 방전가스를 주입하여 플라즈마를 발생시킨다.
또한, 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치의 다른 구성은 상기 구성중 두 전극(2,4)에 부착된 유전체(6,8) 중에 하나가 생략된 형태도 가능하며 전극의 모양은 상기 도 1에서와 같이 판 전극이 사용될 수 있으며 동축 형태의 유전체장벽방전 플라즈마 장치도 사용된다.
상기 유전체장벽방전 플라즈마 장치에서 사용되는 유전체로는 석영, 알루미나, 강화유리, 고무, 실리콘, 폴리머, 마이카 등의 다양한 유전체가 사용된다.
상기 설명한 전극 구조의 유전체장벽방전 플라즈마 장치에서 물질의 표면처리는 그 처리 대상의 모양에 많은 제약을 받는다. 이런 피 처리물의 모양에 제약을 받지 않고 표면처리 할 수 있는 장치는 젯 형태로 전극 밖으로 플라즈마를 분출시키는 것이다. 또한 안정된 플라즈마를 얻을 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
본 발명에서는 다공성 유전체를 두 전극 사이에 삽입하여 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키며 상기 고전압 전극으로 가스가 공급되도록 구성되어 상기 고전압 및 접지전극 사이, 더욱 바람직하게는 상기 고전압 및 접지 전극이 설치되는 다공성 유전체의 표면과 다공성 유전체의 내부 기공에서 플라즈마가 발생되는 대기압 플라즈마 발생장치 및 이를 이용하여 공기 오염물질들이 플라즈마 방전이 발생되는 기공을 지나가도록 하여 높은 처리 효율을 달성하는 방법을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 특징에 따르면, 그물 모양의 고전압 전극; 수십 내지 수천 개의 기공을 가지며, 상기 고전압 전극에 밀착되어 설치되는 다공성 유전체; 상기 다공성 유전체(10)에 타 면에 밀착되어 설치되는 그물 모양의 접지 전극; 상기 그물모양의 고전압 전극이 그물 사이로 공기오염물질을 공급하는 가스 공급부; 상기 가스공급부를 통해 공급된 공기오염물질이 상기 다공성 유전체의 기공을 통해 상기 접지 전극의 그물 사이로 처리된 공기오염물질이 배출되는 가스 배출구; 및 상기 고전압 전극 및 상기 접지 전극 사이에 직류 또는 교류의 전원을 인가하는 전원공급장치를 포함하여 구성되는 대기압 플라즈마 발생장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 다공성 유전체는 알루미나, 석영, 지르코니아, 티타니아, 강화유리, 근청석, 물라이트, 산화마그네슘 또는 산화아연으로 구성된 산화화합물의 일구성 이상과 탄화규소을 혼합하여 이루어지거나, 산화화합물 및 탄화규소로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 다공성 유전체의 개개의 기공 크기가 수십 nm ~ 수백 ㎛ 범위를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 다공성 유전체의 기공도(Porosity)가 1 ~ 99vol%로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 고전압 전극이 바늘 형태의 전극으로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 전원공급장치가 교류 전원을 공급하는 경우, 상기 교류 전원의 주파수는 50Hz ~ 20kHz로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 공기오염물질은 공기 중에 희석된 휘발성 유기화합물, 황하수소, 암모니아, 머캡탄류, 포름알데하이드 및 그 혼합물로 구성되는 것이 바람직하다.
삭제
이상에 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생장치는 다공성 유전체의 표면 및 상기 다공성 유전체에 형성된 기공에 플라즈마 채널이 형성되어 공기오염물질이 수십 내지 수백 kHz의 마이크로방전에 접촉하여 높은 제거효율을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 기본적인 전극구조를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예로서, 도 2의 다른 전극 배열을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 플라즈마 발생장치의 전압 전류 파형을 보여주는 도면.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 일반적인 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 유전체장벽방전 플라즈마 장치는 상(上)전극(2) 표면에 유전체(6)를 부착시키고 하(下)전극(8)에 유전체(4)를 부착시켜 상기 유전체(6,8) 사이에 제공되는 공간으로 방전가스를 주입하여 플라즈마를 발생시킨다.
또 다른 장치의 구성은 두 전극(2,4)에 부착된 유전체(6,8) 중에 하나가 생략된 형태의 유전체장벽방전 플라즈마 장치도 가능하며 전극의 모양은 상기 도 1에서와 같이 판 전극이 사용될 수 있으며 동축 형태의 유전체장벽방전 플라즈마 장치도 사용된다. 유전체장벽방전 플라즈마 장치에서 사용되는 유전체로는 석영, 알루미나, 강화유리, 고무, 실리콘, 폴리머, 마이카 등의 다양한 유전체가 사용된다.
상기 설명한 전극 구조의 유전체장벽방전 플라즈마 장치에서 물질의 표면처리는 그 처리 대상의 모양에 많은 제약을 받는다. 이런 피 처리물의 모양에 제약을 받지 않고 표면처리 할 수 있는 장치는 젯 형태로 전극 밖으로 플라즈마를 분출시키는 것이다. 또한 안정된 플라즈마를 얻을 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
도 2는 본 발명에 대기압 플라즈마 발생장치의 기본이 되는 전극구조 배열을 도시한 도면으로서, 그 세부 구성을 살펴보면,
본 발명의 다공성 유전체(10)를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 전극배열 방법은 다양하게 할 수 있다. 도 2에서 상기 다공성 유전체(10)는 두 전극(12,14) 사이에 설치될 수 있으며 단위 면적(cm2) 당 수십 개에서 수천 개의 기공을 가지며 개개의 기공 사이즈는 수십 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(μm)가 되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 두 전극(12, 14)은 그물 모양으로 형성되어 수십 내지 수천 개의 기공을 가지는 상기 다공성 유전체(10)의 일 면에 밀착되는 고전압 전극(12)과 상기 다공성 유전체(10)의 타 면에 밀착되어 설치되는 그물 모양의 접지 전극(14)으로 구분된다.
상기 다공성 유전체(10)를 구성하는 재질은 알루미나, 산화규소, 근청석(Cordierite), 물라이트(Mullite), 지르코니아, 티타니아, 산화마그네슘, 산화아연(Zinc oxide) 등의 산화화합물과 탄화규소 또는 산화화합물의 구성물질과 탄화규소의 2가지 이상의 물질을 혼합하여 구성될 수 있다. 상기 전극(12,14)은 텅스텐, 몰리브덴, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 탄소 등으로 이루어지는 것이 바람직하며, 그 외의 금속 재질로 구성될 수 있음은 물론이다.
더욱 바람직하게는 상기 전극(12,14)은 상기 금속 재질의 그물(Mesh)로 구성된다. 그러므로, 상기 전극(12,14)은 가스 공급부 및 배출부로서 작용된다.
즉, 상기 그물 모양의 고전압 전극(12)이 그물 사이로 공기오염물질(16)을 공급하는 가스 공급부와, 상기 가스 공급부를 통해 공급된 공기오염물질(16)이 상기 다공성 유전체(10)의 기공을 통해 상기 접지 전극(14)의 그물 사이로 처리된 공기오염물질이 배출되는 가스 배출구로서 작용하게 된다.
한편, 상기 공기오염물질(16)은 공기 중에 희석된 휘발성 유기화합물, 황하수소, 암모니아, 머캡탄류, 포름알데하이드 및 그 혼합물로 구성된 것을 본 발명의 플라즈마 발생장치를 통해 가스 배출구로 배출되도록 구성된다.
또한, 도면에 설명되어 있는 것과 같이 가스가 배출되는 상기 전극(14)은 접지되어 진다.
상기 전극(12,14)은 고전압 전원공급장치(20)에 연결되며 상기 전원공급장치(20)는 50Hz에서 20kHz의 주파수를 가지는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성된 플라즈마 반응기에서 방전가스는 미세한 기공을 통해 흐르며 각각의 기공에서 미세한 방전(Microdischarge) 채널이 형성된다.
이러한 다공성의 유전체가 구비된 플라즈마 반응기를 이용하여 공기오염물질(16)을 처리할 경우, 플라즈마와 유해가스와의 반응시간이 증가하고 상기 공기오염물질(16)이 미세방전에 직접 접촉하기 때문에 높은 분해효율을 달성할 수 있어 깨끗한 공기 또는 처리하기 쉬운 가스(18)로 배출된다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예로서, 대기압 플라즈마 발생장치의 다른 전극 배열을 도시한 도면으로서, 그 세부 구성을 살펴보면, 도 2의 고전압 전극(12)은 바늘 모양의 전극(22)으로 대체될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 바늘 전극(22)은 다수개의 전극으로 구성되며 개개의 바늘 전극은 상기 다공성 유전체(10)와 동일한 거리를 유지하는 것이 바람직하다. 상기 바늘 전극(22)은 금속성의 지지체(24)에 지지된다.
이때, 바늘 형태의 전극(22)이 고전압 전극(12)으로 사용될 때, 상기 다공성 유전체(10)의 표면과 상기 바늘 전극(22)의 단부와의 거리가 형성되어 방전 공간이 구비되도록 구성된다.
상기 접지 전극(14)과 지지체(24)에 지지된 바늘전극(22)은 고전압 전원공급장치(20)에 연결되며 상기 접지 전극(14)은 접지되어 진다. 상기 전원공급장치(20)는 50Hz에서 20kHz의 주파수를 가지는 것이 바람직하다.
이와 같은 전극 배열에서 상기 공기오염물질(16)은 상기 지지체(24)에 구비된 가스 채널(26)을 통해 흐르게 된다. 상기 가스채널(26)은 상기 지지체(24)에 구비된 상기 공기오염물질(16) 가스가 지나갈 수 있는 통로이다.
또한, 바늘 전극(22)은 속이 빈 캐필러리 전극으로 대체되도록 구성될 수 있다. 상기 바늘 전극(22)이 속이 빈 캐필러리 전극으로 대체될 경우, 상기 공기오염물질(16) 가스가 상기 가스채널(26)을 통해 지나가지 않고 직접적으로 속이 빈 캐필러리로 통과하게 된다.
<실시예 1>
도 4는 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 형성시 전압 및 전류 파형을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 도 4(a)는 방전 전의 전형적인 60Hz 정현파 소스 파형을 보여주고 있다. 도 4(b)는 공기 플라즈마가 다공성 유전체에 형성될 때 측정한 파형을 보여주고 있다. 이 때 사용한 다공성 유전체의 기공 사이즈는 250㎛, 기공율은 50vol% 였다. 도 4(b)에 삽입된 확대 이미지에서 톱니파 모양의 전압 펄스가 생성되고 거의 제로로 전압이 떨어질 때, 전류 펄스가 발생된다. 이는 다공성 유전체에서 발생하는 미세방전에 기인하며 반주기에서의 전압 펄스의 주파수는 수 백 kHz에 도달한다. 그러므로, 이는 60Hz 만큼 낮은 주파수 전원으로부터 수백 kHz 전원을 사용하는 것과 같은 의미를 갖는다. 순간적인 전류 펄스 값이 1 내지 2 암페어(A)까지 도달하지만 그 평균값은 수십 미리암페어(mA)이다. 그러므로, 실제적으로 플라즈마에 소비되는 전력은 수십 와트(W) 미만이다.
10: 다공성 유전체 12 : 고전압 전극
14 : 접지 전극 16 : 공기오염물질
20 : 전원공급장치 22 : 바늘 전극
24 : 지지체 26 : 가스채널

Claims (8)

  1. 그물 모양의 고전압 전극(12); 수십 내지 수천 개의 기공을 가지며, 상기 고전압 전극(12)에 밀착되어 설치되는 다공성 유전체(10); 상기 다공성 유전체(10)에 타 면에 밀착되어 설치되는 그물 모양의 접지 전극(14); 상기 그물모양의 고전압 전극(12)이 그물 사이로 공기오염물질(16)을 공급하는 가스 공급부; 상기 가스공급부를 통해 공급된 공기오염물질이 상기 다공성 유전체(10)의 기공을 통해 상기 접지 전극(14)의 그물 사이로 처리된 공기오염물질(16)이 배출되는 가스 배출구; 및 상기 고전압 전극(12) 및 상기 접지 전극(14) 사이에 직류 또는 교류의 전원을 인가하는 전원공급장치를 포함하여 구성되는 대기압 플라즈마 발생장치에 있어서,
    상기 다공성 유전체는 알루미나, 석영, 지르코니아, 티타니아, 강화유리, 근청석, 물라이트, 산화마그네슘 또는 산화아연으로 구성된 산화화합물의 일구성 이상과 탄화규소을 혼합하여 이루어지거나, 산화화합물 및 탄화규소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 유전체의 기공도(Porosity)가 1 ~ 99vol%인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고전압 전극이 바늘 형태의 전극인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 공기오염물질은 공기 중에 희석된 휘발성 유기화합물, 황하수소, 암모니아, 머캡탄류, 포름알데하이드 및 그 혼합물로 구성된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  8. 삭제
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