KR100462505B1 - 세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기 및 그제조 방법 - Google Patents

세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기 및 그제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹 박판을 사용한 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 디젤입자상물질 및 질소산화물을 제거하거나, 공기정화 및 살균용 오존을 발생시키는 장치에 있어서: 일정한 간격으로 적층되어 가스의 유동을 원활히 하는 세라믹 박판(11-14 ); 및 상기 세라믹 박판의 상측 혹은 하측에 금속 페이스트(paste) 도포하고 소성하여 만든 전극(15,16)을 형성하고, 소정의 교류/직류 전원(17)의 공급에 의하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 발명에 의하여 내구성이 확보된 플라즈마 반응기를 이용하여 안정된 플라즈마 반응을 지속적으로 얻을 수 있다.

Description

세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기 및 그 제조 방법{Plate-to-Plate Type Plasma Reactor Using Thin Ceramic Plates and Fabricating Method thereof}
본 발명은 차량 배출가스의 처리 그리고 공기정화 및 살균을 위한 오존발생에 사용되는 플라즈마 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 사용하는 배출가스 후처리 기술의 핵심이며, 산업/가정용 공기 정화기 및 살균용 오존발생 장치의 주요 부품인 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마 기술은 플랜트에서 배출되는 NOx, SOx의 제거 수단으로 1980년대 초부터 미국, 일본, 러시아, 이태리 등지에서 기존의 후처리 장치보다 낮은 설치비, 2차 오염의 억제, 악취 및 유해유기물의 제거 등의 장점 때문에 활발히 연구되어 현재 실용화 단계에 있다. 또한 집진기와 탈취장치, 표면 개질, 오수처리, 공기정화기, 오존발생기 등에 실제로 응용되고 있는 기술이다. 최근 플라즈마는 전술된 장점을 바탕으로 PDP TV나 자동차의 오염 배출물 저감장치에 활발하게 응용되고 있다.
전술된 응용분야에서 플라즈마를 안정적으로 운용하기 위해서는 표 1과 같은 플라즈마 반응기의 요구조건이 해결되어야 한다.
적용예항 목 자동차 후처리 관련 공기정화기 및 오존발생기
반응기 내구성 ◎ O
플라즈마 현상의 안정성/지속성 ◎ ◎
반응기 안정성 ◎ O
소요전력의 최소화 ◎ O
70%이상의 NO →NO2변환 ◎ -
◎ : 매우 양호, O : 양호.
판대판형 플라즈마 반응기에 대한 개념은 공지의 기술이나 상술된 요구조건을 만족시키기 위한 세부적인 기술 및 구현방법에 따라 매우 다양하게 파생될 수 있다.
본 발명과 관련된 국내외 공지의 기술을 살펴보면 다음과 같다.
미국 'Delphi'사가 판대판형 플라즈마 반응기를 자동차용 후처리 장치에 적용하였으며 특허를 통하여 판대판형 플라즈마 반응기의 전극부 제작에 관련된 부분을 소개하였다. 그러나 소요에너지, 내구성 및 성능면에서 아직도 많은 숙제를 가지고 있어 실제 적용까지는 상당한 시간이 필요할 것으로 보인다.
한편, '한국기계연구원' 등의 공동 특허 '평판형 다층 저온 플라즈마 반응기를 이용한 유해가스 처리장치'(등록번호:20-0274616)에, 판형 플라즈마 반응기를 이용한 엔진 후처리 시스템이 개시되어 있다.
즉, 도 6에서 보는 바와 같이, 정방형 또는 장방형의 덕트(40)가 "ㄱ"자 형상으로 구성되어 상기 덕트(40)의 상부에는 유입되는 가스유입구(1)와, 상기 가스유입구(1)의 후면에 설치되어 있으며 유입된 가스를 여과하는 에어필터(또는 집진장치)(10)와, 상기 에어필터(또는 집진장치)(10)의 후면에 설치되어 있고 상기 에어필터(또는 집진장치)(10)에서 여과된 가스를 흡입하는 흡기팬 또는 흡기구(20)와, 상기 흡기팬 또는 흡기구(20)의 후단에는 굴곡된 파이프나 덕트의 하부에 위치되어 있고 플라즈마를 발생시키며 방전 교류전원 공급장치(50)가 부착된 저온 플라즈마 반응기(30)와, 상기 저온 플라즈마 반응기(30)하부에 형성된 금속필터(60)와, 상기 금속필터(60)의 하부에 형성된 복수 개의 카트리지 형상의 촉매반응기(70)와, 상기 촉매반응기(70) 하부에 형성된 유입팬 또는 급기팬(80)과, 상기 유입팬 또는 급기팬(80) 일측면에 형성되어 가스를 배출하는 가스배출구(81)로 구성된 평판형 다층 저온 플라즈마 반응기를 이용한 유해가스 처리장치가 개시되어 있다.
아울러, 상기 유해가스 처리장치에 사용되는 평판전극이 도 7에 도시되어 있다. 이를 좀더 상술하면, 전기적 절연성 및 유전성을 동시에 갖는 세라믹 재질의 2개의 세라믹 재질의 비전도성 평판(31a, 31b)과, 상기 세라믹 재질의 비전도성 평판(31a, 31b) 사이에 삽입되는 전도성 재질의 금속 박판(31c, 31d )으로 구성되어 있다. 복수개의 세라믹 평판전극은 그 일측에 전극판 삽입구가 마련되며 복수개의 평판전극은 전극판 삽입구가 이웃하는 평판전극의 전극판 삽입구와 서로 반대방향으로 엇갈리게 배열된다. 동일방향으로 배열된 각 전도성 재질의 금속 박판(31c)의 전도성 재질의 금속 박판 돌출부(31d)는 방전 교류 전원장치(50)의 일 한 단자에 동일하게 병렬 접속되는 구조를 갖는다.
그러나, 상기 종래의 플라즈마 반응기의 기본적인 반응기 원리는 세라믹 박판을 이용하고 있으나, 반응기의 핵심부분인 전극부의 제작방법, 전극과 전극사이의 간극을 만드는 방법 그리고 플라즈마 반응기의 운전영역 등에서 상기 한국 특허는 개념적인 특허로써 실제 수치적인 실시예를 수반하고 있지 못하고 있다. 또한,도 7에서 보듯이, 상기 종래의 평판전극은, 0.1-2 mm 두께의 비전도성 평판(31a, 31b) 내에 금속박판(31c)이 고온에서 용융되어 만들어지며, 유해가스가 흐르는 공간을 제공하기 위한 스페이서(32a, 32b)는 상기 평판 전극들과 추가 열처리에 의해 접합되는 구조로 이루어지므로 제조 공정이 복잡하고, 갭의 두께가 플라즈마 반응기의 효능을 전적으로 좌우하게 되는데 반해, 상기 종래기술의 경우에는 일단 반응기가 완성되면 추후 갭의 두께를 조절할 수 없게 되어 플라즈마 반응기의 효능을 떨어뜨릴 수 있고, 유지 및 보수에는 많은 어려움이 있었다.
아울러, 상기 목적을 충족시키기 위해서, 플라즈마 반응기는 지속적이고 안정적이며 원하는 강도의 플라즈마를 발생시켜야 할 뿐만 아니라 반응기의 내구성 역시 확보되어야 하나, 종래 반응기는 그러하지 못하였다.
본 발명은, 이상의 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 세라믹 박판을 사용한 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 제조 및 유지관리가 용이한, 디젤입자상물질 및 질소산화물을 제거하거나 공기정화 및 살균에 필요한 오존을 발생시키는 장치의 핵심요소인 플라즈마 반응기를 개발하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기의 개념도.
도 2는 본 발명의 저주파용 판대판형 플라즈마 반응기의 상세 구조도.
도 3은 본 발명의 고주파용 판대판형 플라즈마 반응기의 상세 구조도.
도 4는 본 발명의 플라즈마 발생기 내부에 형성된 플라즈마의 실제 모습을 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 흐름도.
도 6은 종래의 저온 플라즈마 반응기를 이용한 유해가스 처리장치의 개략도.
도 7은 도 6의 평판형 다층 저온 플라즈마 반응기의 평판전극의 상세도.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
11, 12, 13, 14, 21, 31, 31', 31", 31"' : 세라믹 박판
15, 16, 22, 32 : 금속 페이스트
23 : 스프링 24 : 슬라이딩 가이드
33 : 스페이서 17, 25, 34 : 전원
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위한 시스템의 구성으로는 용도에 따라 다음의 두 종류로 분류되는데, 먼저, 저주파 대역에서 운용되는 플라즈마 반응기는 세라믹 박판, 금속 페이스트(paste)를 도포하고 소성하여 만든 전극부, 세라믹판이 조립되는 슬라이딩 가이드, 세라믹 박판이 가이드에 밀착되게 하는 금속 스프링,그리고 전원장치 등으로 구성된다.
한편, 고주파 대역에서 운용되는 플라즈마 반응기는 세라믹 박판, 금속 페이스트(paste) 도포하고 소성하여 만든 전극부, 세라믹 판과 판사이의 스페이서(spacer), 그리고 전원장치 등으로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 세라믹 박판을 이용한 판대판형 플라즈마 반응기의 개념도이다. 두장의 세라믹 박판(11-14) 사이에 금속 페이스트(paste)를 도포하고 소성하여 전극(15,16)을 구성한 후, 일단의 전극들을 서로 마주보게 위치시킨다. 전극에 교류 혹은 직류펄스의 전원(17)을 공급하여 플라즈마를 발생시키며, 필요에 따라 전극을 적층으로 쌓아서 반응기의 전체 모습은 다층구조를 형성할 수 있다. 이때 음극과 양극이 번갈아서 위치하게 되는데 전원의 배선구조도 약간씩 달라질 수 있다. 서로 마주보고 있는 전극들 사이의 거리와 세라믹 박판의 두께는 플라즈마의 안정성, 입력 전력, 주파수 및 장치용도 등에 따라 0.1mm에서 수mm까지 변화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 세라믹 박판을 이용한 판대판형 저주파 플라즈마 반응기의 상세 구조도이다. 세라믹 박판(21) 사이에 금속 페이스트(paste)를 도포하고 소성하여 만든 전극(22)을 위치시키고, 전극들이 서로 마주보게 위치시킨다. 전극이 삽입된 세라믹 박판은 두 개 혹은 그 이상의 슬라이딩 가이드(24)에 끼워지게 되는데, 세라믹 박판의 조립 및 분해를 용이하게 하고 슬라이딩 가이드 내부에 세라믹 박판을 밀착시키기 위하여 스프링(23) 삽입한다. 이때 플라즈마 발생에 중요한 영향을 미치는 전극 사이의 간극은 슬라이딩 가이드의 레일 간격에 의해 조절된다. 아울러, 도 2에서는 슬라이딩 가이드(24)의 슬라이딩 홈의 상측 내면에 세라믹 박판(21)이 접하고 세라믹 박판(21)의 하측과 상기 슬라이딩 홈의 하측 내면이 판 스프링(23)에 의해 탄지되므로, 상기 박판이 슬라이딩 가이드에 견고하게 부착되며, 아울러 분해 및 결합이 용이하게 된다. 또한 전체 반응기의 크기는 전극을 적층하여 확대될 수 있다. 따라서 조립된 플라즈마 반응기에 전원(25)을 공급하면 판과 판 사이에서 플라즈마 현상이 일어나는데 처리 대상 가스는 점선으로 표시된 플라즈마 영역을 통과하면서 원하는 형태로 변화하게 된다. 전원인가시 주파수 대역은 500 Hz 이하에서 운전된다.
도 3은 본 발명의 세라믹 박판을 이용한 판대판형 고주파 플라즈마 반응기의 기본 구조도이다. 저주파 플라즈마 반응기와 마찬가지로 세라믹 박판(31, 31')(31", 31"') 사이에 금속 페이스트(paste)를 도포하고 소성하여 만든 전극(32)을 위치시키고 전극들이 서로 마주보게 한다. 고주파용 플라즈마 반응기는 저주파에 사용된 가이드와 유사한 역할을 하는 세라믹 재질의 스페이서(33)를 사용할 수도 있는데, 이 스페이서에 의하여 전극 사이의 간극이 조절된다. 저주파 반응기와 마찬가지로 전체 반응기의 크기는 전극을 적층하여 확대될 수 있고, 조립된 플라즈마 반응기에 전원(34)을 공급하면 판과 판 사이에서 플라즈마 현상이 일어나는데 처리 대상 가스는 점선으로 표시된 플라즈마 영역을 통과하면서 원하는 형태로 변화하게 된다. 물론 저주파 플라즈마 반응기에서와 같이 스페이서 대신에 슬라이딩 가이드를 사용할 수도 있다. 전원인가시 주파수 대역은 일례로 5 kHz 이상에서 운전된다.
뿐만 아니라, 플라즈마 반응기의 적용 용도에 따라 중간영역대의 주파수에서도 사용 가능하다.
도 4는 본 발명의 세라믹 박판을 이용한 판대판형 플라즈마 반응기를 사용하여 발생된 플라즈마를 나타내고 있다. 원통형 외부 구조안에 반응기를 위치시켰으며, 밝게 보이는 부분이 플라즈마 영역이고 진하게 보이는 부분이 전극부이다.
본 발명의 작용효과는 다음의 실시예에 의하여 더욱 명확해질 것이다.
<실시예 1>
본 발명의 실시예 중의 하나로써, 디젤엔진의 배출가스를 판대판형 저주파 플라즈마 반응기로 처리하여 NO에서 NO2로의 변환을 측정하였다. 상기 변환이 갖는 중요 의미는, 본 발명을 이용한 디젤 후처리 시스템을 고안할 경우 PM중의 'soot' 성분은 NO2와 활발히 반응하여 제거되고 또한 (주)블루플래닛에서 기 개발한 NOx제거 촉매도 NO2에 활성을 갖기 때문이다. 따라서 배출가스에 포함된 NO의 가능한 많은 양을 NO2로 변환하는 것이 플라즈마 반응기의 중요 역할이다.
실험대상 엔진은 현대자동차 산타페의 'common-rail'형 직접분사식 디젤(2.0L) 엔진으로, 다양한 운전조건에서 실험을 수행하였으며 결과를 표 2에 도시하였다. 사용된 플라즈마 반응기는 두께 0.5mm의 세라믹 박판(125x170mm)을 2mm의 간극으로 슬라이딩 가이드에 위치시키며, 평판형 스프링으로 고정하였다. 엔진속도가 빨라질수록 배출가스의 유량도 증가하고 따라서 플라즈마 반응기 단위 체적당 처리해야할 유량도 많아져서 NO2로의 변환효율이 감소함을 알 수 있다. 즉, 단위 유량당 공급되는 에너지밀도가 감소하기 때문에 변환효율이 다소 감소하지만 전체 운전영역에서 비교적 높고 고른 변환 효율을 보이고 있다.
표 2는 판대판형 저주파 플라즈마 발생기를 사용한 디젤 배출가스 처리 결과이다.
운전조건 NO →NO2변환 배출유량 주파수 입력에너지
rpm BMEP[bar] % LPM Hz W
1500 6 80 2900 250 600
2000 70 4800
2500 65 6500
<실시예 2>
본 발명의 또 다른 실시예로써, 실시예 1과 동일한 운전조건하에서 반응기를 고주파용으로 교체하여 실험을 수행하였고 결과를 표 3에 도시하였다. 사용된 플라즈마 반응기는 두께 1mm의 세라믹 박판(35x100mm)을 1.5mm의 간극으로 배치하여 구성된다. 실험결과는 대체적으로 실시예 1과 유사하나 변환효율이 다소 감소하는 경향을 보인다. 그러나 고주파용 반응기는 디젤입자상물질에 의한 오염이 없다는 장점을 가지고 있다.
표 3은 판대판형 고주파 플라즈마 발생기를 사용한 디젤 배출가스 처리 결과이다.
운전조건 NO →NO2변환 배출유량 주파수 입력에너지
rpm BMEP[bar] % LPM kHz W
1500 6 50 2900 9 600
2000 45 4800
2500 40 6500
<실시예 3>
본 발명의 또 다른 실시예로써, 판대판형 저주파 플라즈마 반응기를 사용하여 오존발생 장치를 구현해 보았다. 실험시 처리가스는 산소가스를 사용하였고, 반응기의 냉각을 위하여 압축공기(5bar, 200LPM)를 분사하였다. 두 가지 경우에 대해 실험을 수행하였으며 결과를 표 4에 도시하였다. 기존 오존 발생장치에 비하여 최소의 에너지 소비로 다량의 오존을 발생할 수 있었으며, 발생 오존의 농도를 미량부터 다량까지 손쉽게 조절할 수 있었다. 자동차 배출가스 처리의 경우와 유사하게 처리해야할 산소의 유량이 증가할수록 오존의 생성량이 다소 감소함을 알 수 있다.
표 4는, 판대판형 저주파 플라즈마 발생기를 사용한 오존 발생장치의 실험 결과이다.
처리가스 유량 O3생성량 주파수 입력에너지
LPM g/h Hz W
산소 3 4.8 250 36
5 2.7
따라서 본 발명에서 제시한 바와 같이 보다 안정적이고 우수한 효율의 플라즈마 장치를 이용함으로써, 디젤입자상물질 및 질소산화물을 제거하거나 혹은 공기정화 및 살균용 오존 발생을 보다 효과적으로 도모할 수 있다.
이제, 이상의 플라즈마 반응기의 제조방법을 도 5를 참조하여 설명한다.
먼저, 세라믹 박판(31, 31', 31'', 31''') 표면을 에틸알콜로 세척한다(S1). 그리고, 세라믹 박판의 한쪽 면을 마스크로 덮은 후(S3), 전극 형성용 금속 페이스트를 도포한다(S5). 이후, 마스크를 제거한 후 약 600℃에서 1시간 가량 소성하여 전극(32, 32')을 형성한다(S7). 그리고 전극 표면에 전선을 접착하고(S9), 제1 및 제2 두 장의 세라믹 박판(31, 31')을 전극 표면이 마주보는 방향으로 겹쳐서 세라믹 페이스트로 접착한다(S11). 접착된 두 장의 세라믹 박판을 약 48시간 저온 건조 후, 350℃ 가량의 고온에서 1시간 가량 소성한다(S13). 이제 슬라이딩 가이드(24)에 스프링(23)을 삽입하고, 완성된 전극을 스프링이 삽입되어 있는 슬라이딩 가이드에 리드선이 어긋나는 방향으로 삽입한다(S17). 마지막으로, 최외곽 전극 바깥쪽 면에 내열성 매트를 끼워 넣고 덮개로 덮고 나서(S19), 인출된 리드선들을 겹쳐서 하나의 전극으로 만들어 전원에 접속한다(S21).
이상의 구성 및 작용에 따르면, 본 발명은 차량 배출가스의 처리 그리고 공기정화 및 살균을 위한 오존발생에 효과가 있는 조립 및 분해가 용이한 세라믹 박판을 이용한 플라즈마 반응기를 제공하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 플라즈마 반응기는 입자상물질 제거 측면에서 보면, 자동차 배출가스 NOx 성분 중 NO를 NO2로 변환시키므로써 'soot'을 산화시킬 수 있으며, 또한 NO2에 활성을 갖는 촉매를 장착시 탈질화(DeNOx)효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 장치는, 공기정화 및 살균을 위한 오존발생 측면에서 보면, 적은 에너지로 플라즈마를 발생시킬 뿐만 아니라, 플라즈마 발생시 제어가 용이하므로 따라서 안정적이고 지속적으로 오존을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야할 것이다.

Claims (4)

  1. 자동차 배출가스 처리와 공기정화 및 살균 등을 목적으로 하는 플라즈마 발생장치의 플라즈마 반응기에 있어서:
    금속 전극(22)이 삽입되는 세라믹 박판(21) ;
    상기 세라믹 박판이 삽입되는 슬라이딩 홈을 갖으며, 상기 전극 사이의 간극이 조절되도록 하는 슬라이딩 가이드(24); 및
    상기 세라믹 박판의 밀착 및 탈착의 용이성을 도모하기 위해 상기 세라믹 박판과 상기 슬라이딩 가이드의 슬라이딩 홈 사이에 삽입되는 탄지수단(23)으로 구성되고,
    교류전원 공급에 의하여 상기 전극을 통해 플라즈마 방전을 일으키는 것을 특징으로 하는 세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기.
  2. 자동차 배출가스 처리와 공기정화 및 살균 등을 목적으로 하는 플라즈마 발생장치의 플라즈마 반응기에 있어서:
    각각 제1 및 제2 세라믹 박판(31, 31'; 31'', 31''')으로 이루어지는 2 이상의 세라믹 박판조;
    상기 제1 및 제2 세라믹 박판 사이에 금속 페이스트(paste)를 도포하고 소성하여 만든 전극(22); 및
    상기 세라믹 박판조의 제2 세라믹 박판(31')과 이웃하는 세라믹 박판조의 제1 세라믹 박판(31'') 사이에 삽입되며, 상기 전극 사이의 간극을 조절하기 위한 스페이서(33)로 구성되고,
    교류전원 공급에 의하여 상기 전극을 통해 플라즈마 방전을 일으키는 것을 특징으로 하는 세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서
    상기 슬라이딩 가이드(24)나 상기 스페이서(33)에 의하여 상기 세라믹 박판 사이의 간극이 조절되는 것을 특징으로 하는 판대판형 플라즈마 반응기.
  4. 세라믹 박판(31, 31', 31'', 31''')의 한쪽 면을 마스킹하는 단계(S3);
    전극 형성용 금속 페이스트를 도포하고 마스크를 제거 후 고온 소성하여 전극(32, 32')을 형성하는 단계(S5, S7);
    제1 및 제2 두 장의 세라믹 박판(31, 31')을 전극 표면이 마주보는 방향으로 겹쳐서 세라믹 페이스트로 접착하는 단계(S11); 및
    접착된 두 장의 세라믹 박판을 고온 소성하는 단계(S13);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 세라믹 박판을 사용한 판대판형 플라즈마 반응기의 제조방법.
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