KR0130733B1 - 저온 플라즈마 발생용 방전장치 - Google Patents
저온 플라즈마 발생용 방전장치Info
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Classifications
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Abstract
본발명은 고전압 방전현상의 전기적, 물리적, 화학적 작용으로 오존을 발생시키거나, 유해환경오염가스를 처리 및 제거하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치에 관한 것이다.
인구의 증가와 산업의 발달에 따라 각종 유해환경오염가스의 방출량 또한 크게 증가하고 있으며, 종래에는 이들 유해환경오염가스를 주로 화학적인 방법으로 처리하였기 때문에 처리수의 재처리과정이 필요하고, 2차 유해물직이 생성되므로 경제성과 효율성이 매우 낮았으며 공간 방전, 고주파 연면방전, 고주파 표면방전 등에 의한 저온 플라즈마 발생장치가 일부 사용되었으나, 이 또한 효율성과 신뢰성이 낮아서 실용성이 없었다.
본발명은 상기의 종래의 문제점들을 해소하기 위하여 유전체의 표면과 방전전극 부근의 공간에서 부터 전극간의 방전공간에 이르기까지 강력한 코로나 방전이 동시에 발생되게 한 것으로서, 기준 전극 상에 비유전율이 높은 유전체를 설치하고 일정거리(w)이격된 유전체의 상부에 금속전극을 형성하되, 폭이 좁고 길이가 긴 방전용 세편(細片)전극을 적정간격으로 설치하므로서 유체상의 표면뿐만아니라 세편전극의 표면 및 연면에서도 저온 플라즈마가 발생되도록 하여 가스입구(27)로 부터 유입되는 유해가스를 처리하도록 하므로서 저온 플라즈마의 방전효율과 방전밀도를 대폭 증가시키고 또한 장치의 소비전력을 대폭 줄일 수 있도록 한 것이다.
Description
제1도는 종래 선대 원통형 방전장치의 단면 구성도.
제2도는 종래 고주파 연면 방전장치의 단면 구성도.
제3도는 종래 고주파 표면 방전장치의 단면 구성도.
제4도는 본 발명 저온 플라즈마 방전장치(가)의 단면 구성도.
제5도는 본 발명 저온 플라즈마 방전장치(가)의 사시도.
제6도는 본 발명 방전장치(가)의 특성 도표로서,
(a) 이격거리(w) 변화에 따른 최대 발생오존농도 특성도표.
(b) 이격거리(w)에 따른 단위 전력의 발생오존농도 특성도표.
제7도는 본 발명 다른 실시예(나)의 단면구성도.
제8도는 본 발명 또 다른 실시예(다)로서,
(a) 단면구성도
(b) 분해사시도
제9도는 본 발명 또 다른 실시예(라)의 단면 구성도.
제10도는 본 발명 또 다른 실시예(마)의 단면 구성도.
제11도는 본 발명에서 저온 플라즈마 발생시간을 설명하기 위한 펄스 파형도.
제12도는 본 발명 또 다른 실시예(바)의 단면 구성도.
제13도는 본 발명의 전극단자로 인가하는 교류 고주파 전원장치의 회로도.
제14도는 제13도의지점 출력파형도.
제15도는 제13도의 ⓐ 지점 출력파형도.
제16,17,20,21,23,25,27,28도는 본 발명 전원회로의 다른 실시예 회로도.
제18도는 제17도의지점 출력파형도.
제19도는 제17도의 ⓐ지점 출력파형도.
제22도는 종래 저온 플라즈마 발생장치용 전원회로도.
제24도는 제23도의 ⓨ지점 출력파형도.
제26도는 제25도의 Z, z' 지점 출력파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
가,나,다,라,마,바 : 저온 플라즈마 방전장치(PD)
27 : 가스입구 28 : 가스출구
29 : 케이스 30,46 : 방전공간
31,41,45,47,51,58 : 기준전극 32,40,44,48,50,61 : 유전체
33,43,54,59 : 세편전극 34 : 절연체
35,36,42,55,56 : 외부단자 37 : 하부전극
38 : 상부전극 49 : 내부전극
52 : 외부전극 53 : 공간부
70 : 교류전원부 71,75,79 : 고주파 고전압부
73,78 : 직류전원부 74 : 고주파 전원부
C,CP,CPA : 콘덴서 L,LP,LP1,LPA,LPB : 코일
IGBT : 스위칭 트랜지스터 TRIAC : 트라이악
amp : 교류증폭기 D : 다이오드
T : 트리거 T1,T2,R3,T4 : 변압기
OSC : 고주파 교류발진기
CPD : 저온 플라즈마 방전장치(PD)의 자체 정전용량
SG : 회전방전 간격
본 발명은 고전압 방전현상의 전기적, 물리적, 화학적 작용으로 오존을 발생시키거나 유해 환경오염 가스를 처리 및 제거하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치에 관한 것이다.
인구의 증가와 더불어 산업이 발달함에 따라 산화질소물(NOx, nitrogen oxides, x=1,2,3), 황산화물(SOx, Sulfur oxides), 탄소산화물(COx, carbon oxides), 휘발성 유기물(VOC, volatile organic compounds)등의 유해 환경오염 가스 방출량이 크게 증가하고 있으며, 이들로 인한 각종 공해가 큰 사회문제로 대두됨에 따라 국가마다 법적 기준치를 마련하여 엄격한 규제를 하고 있으며, 그 처리수단과 방법에 대해서는 많은 고심과 더불어 꾸준한 연구를 수행하고 있다.
현재 이들 유해 환경오염 가스의 주된 처리수단으로서는 화학적 처리방법이 주로 사용되고 있는바, 황산화물(SOx)의 경우에는 습식 석회 석고법이 주로 사용되고 있으며, 질소산화물(NOx)의 경우에는 암모니아 접촉 환원법이 주로 사용되고 있으나, 이들은 경제성과 효율성이 비교적 낮아서 유해 환경오염 가스의 처리가 충분하지 못할 뿐 아니라 처리과정에서 사용된 처리수의 재처리가 필요하고, 또한 2차 유해물질이 발생되는 등의 문제점이 있었다.
근년에 들어 많은 연구성과들에 의해서 고전압 인가에 의한 부분방전(partial discharge) 즉, 저온 플라즈마 방전(nonthermal plasma discharge)이 유해 환경오염 가스인 NOx, SOx, COx, VOC 등을 적절히 처리하는 수단으로 이용될 수 있음이 확인되었으며, 화학적 처리방법들인 상기의 습식 석회 석고법이나 암모니아 접촉 환원법 대신에 저온 플라즈마를 유해 환경오염 가스의 처리수단으로 이용할 경우에는 한대의 저온 플라즈마 방전장치로서도 산화질소물(NOx)과 황산화물(SOx)을 동시에 처리할 수 있으며, 특히 건식이므로 처리수의 재처리 과정이 불필요하고 또한 2차 유해물질이 생성되지 아니하며 효율성이 높고 경제적이어서 전체적으로 30% 이상의 경비절감 효과가 있음이 입증된 바 있다.
이와 같은 많은 장점들이 있음에도 상기한 저온 플라즈마 방전장치가 유해 환경오염 가스의 처리용 수단으로서 실용화되지 못한 이유로는 이 기술이 최신기술이고 또한 효율성과 신뢰성이 높은 저온 플라즈마 방전장치의 미개발에 기인하고 있다.
종래의 전형적인 공간방전 형식의 저온 플라즈마 방전장치로는 선대원통형(線對圓筒形, 전극이 對向하는)전극장치 또는 선대판상(線對板狀) 전극장치가 있으나, 이는 제1도와 같이 가스입구(1)와 가스출구(2)가 형성된 좌,우 절연체(3)에 방전전극(4)과 접지 기준전극(5)이 지지되도록 설치하고, 전극의 각 단자(7)(8)로 직류 고전압을 인가하여 내부에 위치한 방전전극(4)의 표면으로 부터 수mm직경 이내의 공간(6)에 부분적으로 저온 플라즈마 방전(일명 코로나방전(corona discharge)이 발생되도록 한 것으로, 이 원리를 응용하는 대표적인 기기로는 전자복사기와 전기집진장치를 예로 들수 있다.
상기한 선대 원통형 저온 플라즈마 방전장치는 구조가 극히 간단한 장점은 있으나 장치가 대형화하면 방전공간(6)이 커지게 되고, 그에 비례하여 인가전압도 매우 높게 승압시켜야 하는 문제점이 있으며, 설사 인가전압을 상승시키고 또한 고성능의 전원장치를 사용하여 방전전극(4)의 표면으로 부터 수심㎜의 공간으로 폭넓은 방전이 이루어지게 하면 방전전극(4) 부근에 자연히 고온인 플라즈마 불꽃방전(arc discharge)상태로 진전되며, 상기 고온(高溫)에 의해 산소계 활성종(O, O2*, O3, OH, HO2, H2O2)의 수명이 대폭 단축되므로 인가전압을 일정전압 이상으로 상승 시킬 수 없게 되고 장치의 대형화가 곤란한 등의 문제점이 있다.
즉, 제1도와 같은 선대 원통구조의 전극장치에 전압을 인가하고 이 인가전압을 상승시키면, 면저 선전극의 표면 부근에 산소계 활성종을 유효하게 생성시키는 푸른색의 미약한 방전이 부분적으로 발생되며(이것을 부분방전 또는 코로나방전(corona discharge)이라고 함)점차 인가전압을 더욱 상승시키면 방전을 선표면상에서 공간으로 진전되어 나가나 선표면에서 방전은 강력해지며 1,000°K 이상의 고온 불꽃방전(火花放電, arc discharge)으로 진전되며, 이와 같은 고온에서는 산소계 활성종의 수명이 극히 짧아지기 때문이다.
상기한 선대 원통형 저온 플라즈마 방전장치의 단점을 보완한 것으로, 급준 펄스전압(급하게 상승되는 펄스전압)또는 극단 펄스전압(극히 짧은 펄스전압)을 발생시키는 회전 방전구에 의한 스위치 장치(rotating sparkgap)를 채용하여 제1도의 선대 원통형 전극간에 급준 또는 극단 펄스 전압(micro or sub-micro-second pulse voltage)을 인가함으로서 방전전극(4)의 표면으로 부터 수십㎜ 이상까지의 공간까지 저온 플라즈마 발생영역을 확장할 수 있도록 하였으나, 이는 급준 또는 극단펄스 발생을 위한 매우 고가의 고급 전원장치를 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 전형적인 고주파 연면방전형식의 저온 플라즈마 방전장치로는 제2도와 같이 가스입구(10)와 가스출구(11)가 형성된 케이스(12) 내에 일정두께(t)를 갖는 유전체(13)를 설치하고, 유전체(13)의 상,하 표면에 일정간격(s)과 일정폭(l)을 갖는 띠상(strip line)의 금속전극을 스크린 인쇄(screen print)하여 고온으로 소성(1,400℃∼1,600℃, sintering)한 방전전극(14)과 평판형상의 기준전극(15)을 각각 고착 시킨다음 전극의 단자(16)(17)로 교류 고주파 전원을 인가하면 방전전극(14)의 연면(沿面)에만 국한된 저온 플라즈마가 발생되어(연면방전) 유해 환경오염 가스가 처리되도록 한 것으로, 이와같은 장치는 국내 특허공고 제92-7084호 전계장치 및 그 제조방법으로 이미 공지된 바 있으며, 상기 장치에서 유전체(13)의 재질로는 열전도율이 비교적 양호한 알루미나 등을 많이 사용하므로 유전체(13)의 표면에 고착되는 방전 및 기준전극(14)(15)은 유전체(13)의 열팽창 계수와 비슷한 금속인 텅스텐을 사용하여 방전증에 발생하는 고열(100℃∼400℃)로 부터 유전체(13)의 균열이나, 변형 등이 방지되도록 하고 있으나, 전극으로 사용된 텅스텐이 고가이며 또한 유전체(13)의 표면에 스크린 인쇄한 다음 고온으로 소성(1,400℃∼1,600℃)하여 제조하였기 때문에 제작비가 매우 높아지는 단점이 있다.
또한, 고주파 표면방전을 이용한 저온 플라즈마 방전장치의 전형적인 예로는 제3도와 같이 가스입구(18)와 가스출구(19)가 형성된 케이스(20)내에 판상의 기준전극(21)을 설치하고 기준전극(21)의 상부면에 경질 유리로 된 유전체(22)를 고착설치하고, 유전체(22)의 상부로 수 ㎜이격하여 평판전극(23)을 설치한 다음 두 전극의 단자(24)(25)로 교류 전압(26)을 인가하여 저온 플라즈마 방전이 이루어 지도록 한 것이 있으나, 이는 플라즈마의 방전이 경질유리의 표면에만 국한되어 발생되며 또한, 방전시에 발생되는 고온으로 인하여 경질유리의 표면이 용착되어 수명이 비교적 빨리 단축되므로 환경오염 가스의 처리장치로는 사용이 부적합하여 오존발생장치 용도로 한정되는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 유전체 표면상의 표면방전 현상과 방전전극 부근의 공간에서와 전극간의 방전공간에 이르기까지 강력한 코로나 방전현상을 동시에 발생하도록 하는 고효율 저온 플라즈마 발생장치를 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 금속재질의 기판전극 상에 비유전율이 높은 유전체를 설치하고, 이 유전체 상에 금속전극을 형성하되 종래의 무성방전형의 판상(板狀)이 아닌 폭이 좁고 길이가 긴 세편(細片, strip, line)전극을 적당한 간격으로 설치함으로서 유전체의 표면에서만 저온 플라즈마 방전이 이루어지는 제3도와 같은 종래의 무성방전(無聲放電)장치에 비하여 세편전극의 표면 및 연면에서도 저온 플라즈마 방전이 동시에 발생되게 하여 방전밀도를 높임은 물론 적정의 이격간격 설정으로 말미암아 방전·발생전압은 일부 상승되나 방전전류를 대폭 감소시킴으로서 소비전력을 감소시키고, 저온 플라즈마 방전의 효율은 대폭 증가시킬 수 있도록 하고, 또한 장치의 가스입구로 탈수된 건조공기(dry air)나 순수산소(pure oxygen)를 주입함으로서 오존발생장치로도 사용할 수 있도록 한 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
제4도는 본 발명 저온 플라즈마 방전장치(가)의 단면 구성도이고, 제5도는 제4도의 개략적인 사시도로서, 가스입구(27)와 가스출구(28)가 형성된 케이스(29) 내의 공간부에 평판상의 금속으로 된 기준전극(31)을 설치하고, 기준전극(31)의 상부표면에는 절연 내압(耐力)이 크고 열전도율이 좋으며, 비유전율이 높은 적정두께(t)의 판형 유전체(32)를 고착설치하고, 적정거리(w)로 이격(離隔)된 유전체(32)의 상부에 방전전극인 세편전극(細片電極:33)을 절연체(34)로 대향 설치하되, 세편전극(33)의 폭(1)을 세편전극 간의 간격(s) 및 세편전극(33)과 유전체(32)와의 이격거리(w)보다 좁게(s1, w1) 설치한다.
상기한 두 전극(31)(33)의 외부단자(35)(36)에 교류 고주파 고전압을 인가함으로서 종래의 무성방전형과 같이 유전체(32)의 표면상에서 저온 플라즈마 방전의 발생 뿐만 아니라 유전체(32)의 상부에 이격 위치하는 세편전극(33)의 연면 및 공간(30)으로도 유효한 저온 플라즈마 방전이 동시에 발생되게 한다.
제6도는 본 발명 방전장치(가)의 이격거리(w)변화에 따른 단위 전력당 오존발생농도 특성을 나타낸 것으로 (a)는 이격거리(w) 변화에 따른 최대 발생 오존농도 특성이고, (b)는 이격거리(w)에 따른 단위 전력당 발생 오존농도 특성으로 세편전극(33)과 유전체(32)간의 이격거리(w)를 적절히 설정함으로서 이격거리가 없는(w=0) 제2도에 도시한 종래장치보다 발생 오존농도 및 단위전력당 오존발생능력이 크게 향상됨을 보여준다. (도표에서 RH는 상대습도이고, 5LPM은 분당 5ℓ의 유체(공기) 이동량을 말한다.)
일반적으로 유해 환경오염 가스 처리를 위한 저온 플라즈마 방전의 전기적, 물리적, 화학적 작용(electrophysicochemical reaction)의 주된 작용력은 플라즈마 방전공간(30)에서 만들어지는 각종 활성종 즉, 산소계인 O, O2 *, O3, OH, HO2, H2O2와 기타 미량의 활성종 그리고 고 에너지의 이온류(주로 전자)에 의한 것이나, 상기한 산소계 활성종이 주된 오염가스를 처리하기 때문에 본 장치는 오존발생장치와 동일한 구조와 동작기구(動作機構)로 작동하므로 본 장치에서 발생되는 오존발생량으로 저온 플라즈마 방전장치로서의 성능을 그대로 평가해도 무리가 없게 된다.
즉, 이와 같은 활성종(주로 산소계 활성종)을 효율적으로 생성하기 위해서는 저온 플라즈마 방전공간의 크기에 따라 필요한 방전 에너지는 4∼20eV 정도가 적합하며, 본 장치는 활성종 증의 가장 큰 효과를 발생시키는 오존이 가장 효과적으로 생성될 수 있는 정도의 높은 에너지(4∼20eV)를 잘 발생시키는 장치이기 때문이다.
상기에서 언급한 오존의 산화력은 자연계에서는 불소 다음이고, 염소의 7배나 되어 살균, 탈취, 표백작용이 매우 강력하여 상.하수처리 및 폐수처리는 물론 식품의 살균 및 보관 등에 매우 유효하게 사용할 수 있음은 공지의 사실이다.
한편, 제2도에 도시한 종래의 연면방전형 장치와 앞서 기술한 본 발명 방전장치(가)의 플라즈마 방전특성은 거의 동일시 되나, 연면방전형 장치는 유전체(13)의 표면에 방전전극(14)이 접하여 고착되어 있으므로 이들 서로 간에 이격거리(w)가 없는(w=0) 상태이며, 따라서 방전시 발생하는 고열(100℃∼400℃)에 의한 유전체(13)의 변형, 균열, 파손등을 방지하기 위하여 전극 제조시 방전전극(14)과 유전체(13)간의 결합력 향상을 위하여 접합금속(qlue metal)을 설치해야 한다.
또한, 방전전극(14)의 재질을 유전체(13)의 열팽창 계수와 비슷하고 가격이 비싼 텅스텐 분말을 유전체(13)의 표면에 스크린 인쇄하고, 또한 이를 고온으로 소성(1,400℃∼1,600℃)하여 제조해야 하기 때문에 제조가격이 매우 상승되는 문제점이 있는 반면에 본 발명에서는 높은 에너지 전자나 오존의 산화력에 의한 전극 손상율이 매우 적은 금속전극(예 stainlesssus 304, alumium titanium 등)이 방전용 세편전극(33)으로 사용되고 지지 절연체(34)에 의해서 세편전극(33)이 유전체(32)로 부터 적정 이격거리(w)를 갖기 때문에 발열이 되어도 서로 접촉되어 있지 않으므로 유전체에 거의 손상을 주지 않는 잇점이 있고, 고가의 텅스텐 분말을 스크린 인쇄할 필요성과 고온으로 소성할 필요성이 없어지므로 제조단가가 크게 절감되는 잇점이 있으며, 또한 제6도와 같이 저온 플라즈마 성능을 나타내는 최고 발생 오존농도 및 단위 전력당 오존발생효율도 더 높아지는 장점이 있다.
제7도는 본 발명 저온 플라즈마 발생용 방전장치(가)의 다른 실시예의 방전장치(나)로서, 세편전극(33)의 상부에 기준전극(31)과 유전체(32)로된 하부전극(37)과 동일한 구성의 상부전극(38)을 대칭되게 설치하여 세편전극(33)의 상부공간(39)에서도 동일한 상태의 저온 플라즈마가 발생하도록 한 것이다.
즉, 세편전극(33)의 상부에 방전공간(39)이 형성되도록 유전체(40)를 적정거리(w)로 이격설치하고, 유전체(40)의 상부 표면에는 판상의 기준전극(41)을 고착설치한 다음 세편전극의 단자(35)와 세편전극(33)의 상,하로 대칭 위치하는 유도전극의 외부단자(42)로 전원을 인가함으로써 세편전극(33)의 연면은 물론 상,하부 공간(30)(39)에서도 저온 플라즈마 방전이 동시에 발생되도록 하여 처리용량을 크게 한 것이다.
제8도는 본 발명 또 다른 실시예의 원통형 저온 플라즈마 발생용 방전장치(다)의 단면구성도 및 사시도로, 제4도의 저온 플라즈마 발생용 방전장치(가)의 효율성을 높이기 위하여 동심원 상태로 원통구조화 한 것이다.
즉, 세편전극(33)과 유전체(32)와 기준전극(31)의 각 단면형상이 모두 동심원 상태인 원통형 세편전극(43)과 원통형 유전체(44)와 원통형 기준전극(45)화 함으로서 방전공간(46)으로 저온 플라즈마의 발생량을 대폭 증대시킬 수 있고, 장치의 형상이 원통형상이므로 온풍기나 공기조화기 및 보일러 등의 연도 내부나 소각로 등의 연통 내부에 설치하기가 용이해진다.
제9도는 원통형 저온 플라즈마 발생용 방전장치(다)의 전극과 유전체를 이중형(二重形)으로 구성하여 저온 플라즈마가 고밀도로 발생되도록 한 본 발명의 또 다른 실시예의 하나인 이중 원통형 저온 플라즈마 발생용 방전장치(라)이다.
즉, 원통형상인 외부전극(52)의 외부에 기준전극(51)과 유전체(50)을 고착설치하고, 원통형상인 내부전극(49)의 외면에 유전체(48)와 기준전극(47)을 고착설치하고, 원통형상인 외부전극(52)을 일정크기의 공간부(53)를 형성하여 유전체(48)(50)가 서로 대향하도록 하고, 상기한 공간부(53)의 중앙에는 방전전극인 원통형상의 세편전극(54)을 설치하여 공간부(53)가 양분되도록 한 다음 전극의 외부단자(55)(56)로 전원을 인가함으로서 세편전극(54)의 연면은 물론 양분된 공간부(53)로도 저온 플라즈마가 각각 발생되도록 한 것으로, 고밀도의 저온 플라즈마 발생에 적용할 수 있다.
이상 각각의 저온 플라즈마 방전장치(가, 나, 다, 라)를 제작함에 있어서, 기준전극(31,41,45,47,51,58)은 산소계 활성종에 강한 알루미늄(Al)이나 스텐레스(stainless steel)등이 적합하며, 필요에 따라 즉, 장치가 커지는 경우에는 방열판을 부착하거나, 또는 내부에 공냉 또는 수냉통로를 형성하여 강제 냉각시킴이 효과적이다.
또한, 유전체는 전기적 절연내압(絶緣耐力)이 높고, 열전도율이 높으면서 기계적 강도가 높은 것이 요구되며, 경질유리, 석영, 산화 알루미늄(alumina), 산화질코늄(zilconia), 산화철(Fe2O3)등의 세라믹(ceramics)재질이 가장 효과가 있는 것으로 실험결과 나타났다.
특히 열전도성이 매우 높아서 방열효과가 우수한 알루미늄(alumium)판의 표면을 양극산화(anodizing)하거나, 화학적으로 산화처리하거나, 또는 그 표면에 유전체인 알루미나를 증착 또는 도포 형성시킴으로서 기준전극(31,41,45,47,51,58)과 유전체(32,40,44,48,50,61)를 용이하게 일체화 할수 있으며 유전체 상에서 발생되는 열은 알루미늄판으로 전달되어 방열되므로서 초고밀도 저온 방전 플라즈마 발생장치를 제조할 수 있게 된다.
이와 같은 양극산화법이나 화학적인 산화처리법으로는 기술이 미비하여 현재로서는 아직 치밀한 알루미나층을 형성할 수 없을 뿐 아니라 알루미나 유전체의 두께(t)를 두껍게 할수 없는 관계로 높은 전압을 인가할 수 없기 때문에 인가전압이 비교적 낮은 초소형이나 소형의 저온 플라즈마 발생용 방전장치에는 매우 효과적으로 사용할 수 있으며, 이와 같은 초소형장치나 소형장치의 경우 그 제조법으로는 반도체 소자(예: transistor, IC 등) 제조방법을 그대로 적용할 수 없기 때문에 대량생산과 장치의 규격 및 정밀도가 매우 높아지므로 제조비가 저렴하고 신뢰성이 높은 장치를 만들 수 있게 한다.
그러나, 장래 기술발달로 치밀하고 두꺼운 알루미나층 형성이 가능하면 더욱 효과적인 저온 플라즈마 장치를 본 발명으로 제조할 수 있게된다.
그리고, 알루미늄판의 표면에 양극 산화막을 형성하는 대신에 반도체 제조기법을 이용하여 반도체 재료(silicon, germanium, 기타 반도체)를 표면에 산화하여 유전체막(SiO2, GeO2)이 형성되도록 하거나 또는 다른 산화물을 인쇄 또는 증착하여 사용할 수도 있으나, 이 경우에도 종래의 반도체소자 제조장치를 그대로 이용할 수 있고 고신뢰성을 갖는 초소형의 저온 플라즈마 방전장치를 제조할 수 있으나, 비싼 반도체 재료의 사용과 제조단가를 줄이는 것이 필요하다.
한편, 제1도의 선대 원통형 저온 플라즈마 발생용 방전장치는 구조가 간단한 장점은 있으나 방전효율이나 처리능력을 높이기 위하여 대형화하면 전극의 인가전압도 상승시켜야 하며, 고급 전원장치를 사용하고 또한 인가전압을 상승시키더라도 저온 플라즈마의 발생공간이 확장된 방전공간에 비례하지 않고(방전전극의 표면으로 부터 수십mm 이내의 공간에서 발생), 방전전극(4)의 부근은 오히려 고온 플라즈마인 불꽃방전(arc discharge)으로 진전되어 산소계 활성종의 수명을 대폭 단축시키게 되므로 효율이 크게 낮아지는 문제점이 있으며 인가전압을 일정값 이상으로 올릴수 없는 문제점이 있는 것은 전술한 바와 같다.
이와 같은 문제점은 제1도의 선대 원통형 저온 플라즈마 발생용 방전장치의 방전전극(4) 대신에 제4도에 의한 본 발명의 장치(가)로 대치함으로서 용이하게 해결할 수 있다.
즉, 인가되는 펄스전압만으로 방전전극(4)에서 저온 플라즈마가 발생하도록 하기 위해서는 매우 높은 펄스전압의 상승시간 즉 급준펄스(fast rising time pulse, t110-7초)가 요구될 뿐 아니라, 또한 생성된 저온 플라즈마를 확산시키기 위해서는 적정의 펄스 지속시간(pulse duration time, th10-6초)이 요구되나, 제1도의 선대 원통 전극장치의 경우 제11도의 펄스 파형도와 같이 방전전극(4)에서 플라즈마가 발생되기 위해서는 우존전자(casual electron)의 통계적 존재시간(ts=수10-7초)과 우존전자의 방전발생을 위한 가속시간(tf=수10-7초) 즉, 일정시간 이상 지연(t110-6)된 긴 펄스 반복시간(tp=수10-6)이 소요된다.
따라서, 유해 오염가스 처리에 필요한 각종 활성종이 생성되는 방전전극(4) 부근에서 활성종이 생성된 후에도 방전이 지속되어 활성종이 열분해 작용이 일어나므로 효율을 크게 저감시키는 문제점이 있는 것이나, 본 발명 장치(마)를 사용하면 이미 초기전자가 방전전극(33)부근에 생성되어 있기 때문에 통계적 존재시간(ts)이 필요없어지며, 또한 펄스지속시간(전압반감시간:th)을 크게 줄일 수 있기 때문(th10-7초)에 전력효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 저온 플라즈마가 생성되는 방전공간(30)에서의 온도를 상승시키지 않기 때문에 생성활성종의 존재수명을 크게 상승시키는 장점도 있게 되므로 고효율성의 저온 플라즈마 발생장치가 되는 것이다.
좀더 구체적으로 기술하면 제10도의 평판광간격형(平板廣間隔形) 플라즈마 방전장치(마)와 같이 본 발명 장치(가)의 상부 방전전극(33) 상단에 비교적 큰 간격의 일정 공간간격(Sa)을 이격하여 금속 유도전극(58)을 설치하고, 방전 세편전극(33)에 대하여 정(正,)의 극단 펄스전압(fast rising positive sub-micron pulse voltage)을 인가함으로서 방전전극(33)의 연면 상에 형성된 플라즈마 중의 부이온(負 ion)만을 공간간격(Sa)에서 급속히 가속시키고, 공간간격(Sa)중의 유해 오염가스를 적절히 처리할 수 있게 되는 것이다.
이때, 부이온의 대부분을 차지하는 전자(electrons)는 단위 체적당의 전하량이 부이온 가스분자(negative gas molecules)에 비해 극히 크기 때문(1015배정도)에 인가 펄스전압(V)에 의해 쉽게 가속되어 큰 에너지(4∼20eV정도)를 갖게 할수 있으므로 전력효율이 높으면서도 공간간격(Sa)중에서 폭넓은 저온 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.
제12도는 원통형 광간격형 저온 플라즈마 발생용 방전장치(바)로서 제10도의 평판형 전극(31, 33, 58)과 평판형 유전체(32)를 각각 원통형 전극(58, 59, 60)과 원통형 유전체(61)로 각각 구성하여 유도전극(58)을 중심으로 원통형 유전체(61)와 원통형 세편전극(59)과 원통형 금속 유도전극(60)이 크고 작은 동심원이 되도록 한 것으로 소형 고밀도화 한 것이다.
한편, 저온 플라즈마 장치의 경우에는 유해가스 처리능력이 있는 산소계 활성종을 비롯한 모든 활성종들이 가능하면 많이 필요하나 오존발생장치의 경우에 필요한 것은 산소활성종(O, O2 *, O2, O3)만이 요구되는 점이 다른 점이다.
따라서, 본 발명 장치(가,나,다,라,마,바)는 그대로 오존발생장치로서도 사용할 수 있게 된다.
이러한 경우에는 다만 오존을 비롯한 각종 산소활성종의 생성과 수명을 증대시키기 위해서는 습기가 제거된 탈수 건조공기(dry air)나 또는 순수산소(pure O2)만을 가스입구(27)에 각각 인입시키는 것이 필요할 뿐이다. 이는 원리적으로 오존발생장치의 오존생성기구(ozone generation mechanism)가 저온 플라즈마를 가장 잘 생성시키는 스트리머성 코로나 방전(streamer corona discharge)을 사용하며, 이때의 발생에너지 크기(4∼20eV)가 오존생성도에도 가장 유효한 정도인 것은 동일하기 때문이다.
이와 같은 본 발명의 방전장치(가,나,다,라,마,바)가 적절하고 유효하게 작동되기 위해서는 적절한 파형과 주파수를 갖는 전원장치가 필요하게 된다. 종래형인 제1도의 경우에는 주로 직류(DC)전원이 사용되어 왔으며, 최근에 들어 제22도와 같이 모터에 의해 회전되는 회전방전구를 이용한 회전방전간격(rotating spark gap, SG)이 적용되기 시작되고 있다.
왜냐하면, 이와 같은 장치로 유해 환경가스를 처리하는 경우 유해가스가 장치의 전공간에서 처리되도록 하기 위해서는 저온 플라즈마가 장치의 전공간에서 발생되어 유해 환경가스를 처리함이 바람직하나, 직류 전원인가의 경우에는 근원적으로 저온 플라즈마 방전영역이 방전선 상의 수mm 정도로 좁고 인가전압을 높여서 방전영역을 증대시키면 방전이 안정되지 못한 문제점이 있다.
또한, 회전 방전장치를 사용하는 경우 펄스 입상시간(pulse rising time)이 매우 빨라서 전자만을 급속히 가속할 수 있기 때문에 저온 플라즈마 방전영역을 수 10mm까지 증대 시킬 수는 있으나, 전원장치의 가격이 비싸고 회전방전구의 방전전극이 방전시의 온도 및 충격에 의한 손상으로 말미암아 수명에 문제가 있으며, 또한 모터의 기계적 회전에 의해서 방전주파수가 결정되기 때문에 방전주파수를 수100Hz 이상으로 상승시킬 수 없기 때문에 효율을 높일 수 없는 문제점이 있는 것이다.
따라서, 효율이 높지 못하며 전력의 조절도 곤란하게 된다. 그러나 이와 같은 문제점은 반도체 스위칭 소자(semiconductor switching device, HF transistor, triac, SCR, IGBT)와 LC발진기를 이용하면 쉽게 해결할 수 있다.
즉, 콘덴서(C)와 코일(L)로 구성된 LC회로에 순간적으로 전압을 인가하면 콘덴서(C)와 코일(L)간에 교대로 전하(전력)를 충방전(充放電)되어 교번전압이 나타나게 되며, 이때의 출력전압(V)과 주파수(f)는 다음식과 같이 나타나는 것은 공지의 사실이다. (V:전체전압, VL:코일양단전압, Vc:콘덴서 양단전압, L:코일인턱턴스, C:콘덴서용량, di:순간전류, dt:순간시간, f:주파수)
따라서, 인가전류(i 또는 전압)를 가변시키거나, 콘덴서(C) 및 코일(L)의 값을 가변시키면 필요한 출력전압과 주파수로의 조절이 가능하며, 또한 반도체 소자로 작동(ON 그리고 OFF) 시킴으로서 수명이 반영구적으로 되는 장점이 있다.
제13도는 이상과 같은 일반적인 원리를 이용하여 발명한 교류인가 전원장치 회로의 개략도로서, 변압기(T2)로 된 교류전원부(70)와 반도체 소자, LC 발진기, 고전압 변압기(T2)로 된 고주파 고전압부(71)로 이루어져 있으며, 교류(AC) 전압을 변압기(T1)를 통해 적정전압으로 승압하여 반도체 소자(triac, SCR 또는 IGBT)를 트리거(T)하여 작동시키면 반도체 소자의 출력단에 제14도와 같은 출력파형(A)이 발생하게 되고, 이 출력파형(A)을 LC 발진기인 콘덴서(Cp)와 고전압 변압기(T2)의 일차 코일(Lp)에 인가하면 교번전압파형으로 변형되고 고전압 변압기(T2)에 의해 승합되면서 고주파 고전압부(71)의 출력단자 ⓐ로 제15도와 같은 저온 플라즈마 방전에 매우 유효한 고주파 출력파형(a)이 얻어지게 된다.
제13도의 전원장치는 전술한 장점이 있기 때문에 소형이나 저농도 저온 플라즈마 발생용으로는 사용할 수는 있으나, 기본 주파수가 60Hz인 교류(AC) 전압을 사용하기 때문에 근원적으로 출력주파수를 초고주파로 상승시키기에는 한계가 있다.
제16도는 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 반도체 소자(triac 또는 SCR)의 작동위상을 적절히 조절할 수 있는 트리거 장치(trggering device, T)를 사용하면 공급전력도 용이하게 조절할 수 있으며, 적절한 마이콤(micro computer)을 사용하면 더욱 편리하며 이와같은 장치는 공지의 기술이므로 적절히 선택 사용하면 될 것이다.
즉, 변압기(T1)로 된 교류전원부(70)와 브릿지 다이오드(D) 및 평활용 콘덴서(C)로 된 직류전원부(73)와 발진기(OSC) 및 교류증폭기(amp)로 된 고주파 전원부(74)와, 반도체 소자, LC발진기, 고전압 변압기(T2)로 된 고주파 고전압부(71)로 구성되며, 반도체소자(triac)에 인가되는 주파수를 60Hz에서부터 20KHz까지 또는 그 이상의 주파수로 상승시킬 수 있도록 고주파 교류발진기(oscillator, OSC)와 고주파 교류증폭기(HF AC amplfier, amp)를 설치함으로서 반도체 소자(triac)의 출력 주파수를 60Hz(A)에서 수십KHz로 상승시킬 수 있게 된다.
이때 교류증폭기(amp)로는 출력주파수가 20KHz까지 용이하게 출력되는 적정 출력전압의 오디오 증폭기(audio amp)를 사용하면 편리하며, 20KHz이상의 주파수가 출력되는 고주파 증폭기를 별도로 제작하여 사용할 수도 있다.
제17도는 제16도의 고주파 전원회로의 다른 실시예로서, 변압기(T1)로 된 교류전원부(70)와 브릿지 다이오드(D)와 평활용 코일(L), 평활용 콘덴서(C)로 된 직류전원부(73) 및 반도체 소자, LC발진기(Cp, Lp)고전압 변압기(T2)로 된 고주파 고전압부(75)로 이루어져 있으며, 고주파 고전압부(75)에 제16도의 고주파 교류발진기(OSC)와 고주파 교류증폭기(amp)의 역할을 동시에 수행할 수 있는 반도체 소자(isolated gate bipolar transistor, IGBT)를 사용함으로서 장치가 간단해짐은 물론 전원장치의 가격을 크게 절감할 수 있으나, 반도체 소자(IGBT)의 출력부() 출력전압이 제18도와 같이 구형파(B, square wave)로 되기 때문에 고전압부(ⓑ)의 출력파형(b)이 제19도와 같은 감폭현상(damping phenomena)를 일으키는 문제점이 있으며, 주파수가 높은 경우에는 감폭현상이 상대적으로 적어지기 때문에 매우 유효하게 사용될 수 있다.
제20도는 제17도의 다른 실시예의 하나로, 고주파 고전압부(75)의 LC 발진기에서 외부 콘덴서(Cp) 대신에 저온 플라즈마 방전장치(PD)의 자체 정전용량(대향 한 전극과 유전체에 의해서 생성된 정전용량(CPD)을 사용하고 발진용 코일(Lp)도 변압기의 일차 코일이 아닌 코일(Lp1)을 사용함으로서 제조경비를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있기 때문에 인가 고전압이 수KV 이하의 초소형 저온 플라즈마 방전장치(가)용으로서 적합한 것이다 .
제21도는 제17도의 다른 실시예의 하나로서, 본 발명의 고밀도 저온 플라즈마 장치(나,다,라,바)용으로서 적합한 것으로 고주파 고전압부(75)에 대출력 및 양방향 출력을 낼수 있는 대형 고전압 변압기(T3)를 사용한 대출력 고전압 고추파 전원장치의 일예를 나타낸 것이다.
이상의 고주파 교류전원을 발생하는 장치들(제13도, 제16도, 제17도, 제20도, 그리고 제21도)은 모두 반도체 스위칭 소자(triac, SCR, IGBT)를 사용하기 때문에 출력 주파수는 반도체 스위칭 소자의 최고 출력 주파수에 의해 제한되며, 현재까지 개발된 것으로는 수㎒ 이상의 출력 주파수로 상승시키는 것을 불가능하다.
이와 같은 문제점은 회전방전간격(rotating spark gap, SG)을 사용함으로서만 해결이 가능하며 제22도는 회전방전간격을 사용한 극단펄스 전압발생장치(submicron pulse generator)의 일례를 나타낸 것이다.
그러나 이와같은 회전방전간격을 사용한 극단 펄스전압 발생장치의 출전압은 제24도의 출력파형(Y)와 같이 정(正) 또는 부(負)펄스(positive or nagative pulse)만을 출력하여 본 발명에 필요한 교번펄스(예 제24도의 y)를 발생하지 못하기 때문에 제22도의 종래 전원장치를 그대로 본 발명의 저온 플라즈마 발생용 방전장치의 전원으로는 사용이 불가능한 것이다.
그러나 제22도의 종래형 펄스 발생장치의 출력단에 펄스발생용 콘덴서(CPA)와 고전압 변압기(T4)의 일차코일(LPA)을 설치하여 제23도와 같이 형성시킴으로서 제24도(y)와 같이 본 발명에 매우 유용하게 사용할 수 있는 극단주파수 펄스전압의 출력파형(y)을 얻을 수 있게 된다.
한편, 제25도의 경우는 기본 원리적으로는 제23도의 것과 동일하나, 다만 회전방전간격(SG)를 부하(PD)와 병렬로 설치한 것으로 입력단(Z)의 출력전압파형은 제26도(Z)와 같으나, 출력단자(z')의 출력전압은 제26도(z')와 같이 유효한 극단펄스를 얻을 수 있게 된다.
이와 같이 회전방전간격(SG)를 사용함으로서 제24도 및 제26도의 교번펄스(y, z')에서 보듯이 회전방전간격의 출력파형(Y, Z)보다 더 폭이 좁은 극단주파수를 얻을 수 있게 되어서 전술한바와 같이 전자(electron)만을 순간적으로 가속시켜서 저온 플라즈마를 매우 효과적으로 생성시키는 고에너지(4∼20eV)의 활성전자 형성을 용이하게 할 뿐만아니라 또한 이온 등을 가속시킴으로서 말미암아 발생되는 발열현상을 크게 억제함으로 생성된 활성종의 수명을 크게 연장시킬수 있는 장점도 있게 되는 것이다.
미설명부호 (62)는 세편전극의 연결부, (PD)는 본발명에 각각 사용된 저온 플라즈마 발생장치인 nonthermal plasma device의 약어이고, (76)은 교류전원부, (78)은 정류평활부, (79)는 고주파 고전압부, (G)는 접지이다.
이상과 같은 극단 교번펄스 전원(아)은 고전압 변압기(T4)의 이차측 코일에 적당한 중간단자를 설치함으로서 본 발명의 고밀도형 저온 플라즈마 방전장치(나,다,라,바)에도 그대로 사용할 수 있게 된다.
제23도의 경우는 회전방전간격(SG)이 펄스형성 콘덴서(CPA)와 펄스 형성 코일(LPA)에 직렬로 설치되어 있으나, 이는 제25도의 극단펄스 장치와 같이 회전방전간격(SG)이 펄스형성 콘덴서(CPA)에 병렬로 설치할 수 있으며 이때의 출력파형은 제26도와 같이 나타나며 이렇게 하여 사용할 수도 있게 된다.
한편, 제20도의 경우, 고전압 변압기를 사용하지 않고 별도의 펄스형성용 코일(LP1)을 설치하고, 펄스형성 콘덴서는 저온 플라즈마 방전장치 자체의 정전용량(CPD)을 사용할 수도 있음을 보여 주었다.
이상과 같은 원리를 회전방전간격 장치에도 그대로 적용한 것이 제27도 및 제28도의 장치로서, 제27도는 직렬형을 나타내고 제28도는 병렬형을 나타내며, 극단 펄스전압이 비교적 낮은 경우에는 매우 경제적인 장점이 있게 된다.
이상에서와 같이 본 발명은 방전전극으로 무성방전형 판형이 아닌 폭이 좁고 길이가 긴 세편전극을 사용하고 또한 유전체로 부터 일정거리 이격되어 있으므로 방전시의 고열로 인한 유전체의 파손, 균일 등의 없으며 제작비가 저렴하고 제작이 용이하며 동작의 신뢰성과 유해가스의 처리 및 오존발생 효율성이 높게 되는 등의 효과가 있는 것이다.
Claims (6)
- 가스입구(27)와 가스출구(28)가 형성된 케이스(29)내에 기판전극(31)을 설치하고, 기판전극(31)의 상부표면에 유전체(32)를 고착설치하고, 유전체(32)의 상부에 전극폭(1)이 좁고 길이가 긴 세편전극(33)을 적정거리(w)로 이격되게 절연체(34)로 고정하고, 전극의 외부단자(35)(36)에 전원회로의 교류 고주파전압을 인가함을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치.
- 제1항에 있어서, 세편전극(33)으로부터 일정거리(Sa) 이격된 상부에 금속 유도전극(42)을 설치함을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치.
- 제1항에 있어서, 세편전극(33)의 전극폭(1)을 전극간격(s)이나 이격거리(w)보다 크게 형성함을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치.
- 제1항에 있어서, 가스입구(27)에 탈수된 건조공기나 순수산소만을 인입하여 오존발생장치로 사용함을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치.
- 제1항에 있어서, 전극의 외부단자(35)(36)로 교류 고주파 고전압을 인가하는 전원회로는 반도체 스위칭소자(SCR, triac, IGBT), 트리거장치(T), LC 발진기(Cp)(Lp), 고전압 변압기(T2)(T3)로 된 고주파 고전압부(71)(75)로 구성함을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치.
- 제5항에 있어서, LC 발진기의 펄스 형성코일(Lp)은 고전압 변압기(T2)의 일차코일을 이용함을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생용 방전장치.
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