KR100479990B1 - 플라즈마 반응장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저소비전력으로 오존수, 알카리수, 산성수를 발생하고, 각종 유류(油類) 및 폐유(廢油)를 고부가가치의 제품으로 변환 또는 재활용이 가능하고, 휘발성 유기화합물이나 소각장 등에서 다량으로 배출되는 다이옥신 등을 처리하며, 반도체 공정, 냉각기의 냉각가스로 사용되는 지구온난화 물질인 CFC 계열의 난분해성의 물질을 비열 플라즈마로 처리하는 저소비전력형 고효율의 플라즈마 반응장치를 제공하기 위한 것으로서, 본 발명의 플라즈마 반응장치는 반응기내의 두 전극에 전압을 인가하는 것에 의해 물 또는 오일 또는 가스를 매질로 하여 방전을 일으키는 플라즈마 반응장치에 있어서, 평판형의 상유전체층 상에 형성된 돌기 형상의 제 1 전극들과, 상기 제 1 전극들과 대향되도록 형성된 평판형의 제 2 전극과, 상기 제 1 전극들과 대향하도록 상기 제 2 전극상에 형성된 평판형의 반응촉매층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 반응장치{Plasma reactor}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 오존수, 알카리수, 산성수를 발생하거나 각종 유류(油類) 및 폐유(廢油)를 고부가가치의 제품으로 변환 또는 재활용이 가능하게 하고, 휘발성유기화합물이나 소각장 등에서 다량으로 배출되는 다이옥신 등을 처리하며, 반도체 공정, 냉각기의 냉각가스로 사용되는 지구온난화 물질인 CFC(클로로 플루오르 카본) 계열의 난분해성의 물질을 비열 플라즈마로 처리하는 저소비전력형 고효율을 가지는 수중방전/유중방전/가스방전 겸용 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.
산업사회의 고도성장으로 말미암아 대기 및 수질 등의 생활 환경 오염이 점차 시급한 문제로 대두되고 있고 이에 따라 세계 각 국에서는 환경보호를 위해 규제와 행정지도가 이루어지고 있으며, 이러한 관점에서 환경 오염의 원인이 되는 오염 물질의 제거나 발생원의 저감을 위한 대책 마련이 시급한 실정에 있다.
그러함에도 불구하고, 아직까지도 합성세제의 사용은 여전히 증가하고 있는 추세에 있으며, 통계자료에 의하면, 1980년대 후반부터는 국내 합성세제 생산량이 비누 생산량을 앞질러 왔다고 보고되었다. 특히, 무분별하고 과도한 합성세제의 사용은 수질오염에 대한 많은 우려를 갖게 했으며, 최근에는 환경부하 감소 및 기능 향상에 따라 과거의 수질오염에 대한 우려가 상당히 해소되었음에도 불구하고 아직도 수질오염의 주원인으로 알려지고 있다.
따라서, 어떤 성질의 계면활성세제라도 수질오염 문제를 야기시키지 않으려면 반드시 배출된 하수들이 하수처리장에서 정화 처리된 후 자연 하천에 방류되어야 하지만 하수처리율이 아직도 미미한 상황에서 합성세제 등의 무분별한 사용으로 인해 하천에서의 거품 발생, 부영양화, 생분해 문제 등의 수질 오염을 피할 수 없는 것이 현실이다.
따라서, 합성세제 대신에 살균 세정액으로서 전해수를 이용하는 소위 무세제 세척방법이 제안된 바 있으며, 상기 무세제 세척은 전해질을 포함하는 물을 전기분해 하여 알칼리성 전해수의 단백질 제거작용 및 산성 전해수의 살균 작용을 이용한 것으로서, 종래의 약품이나 계면활성제를 대신할 것으로 주목받고 있다.
그러나 이러한 종류의 세제를 세탁이나 식기 세정 등의 용도에 적용할 경우, 적어도 종래의 계면활성제에 필적하던지 혹은 그 이상의 세정력을 구비하는 것이 전제되어야 하며, 어떠한 물성을 제어 요인으로 하여 세정제를 제조해야 하는지를 세정 매카니즘의 관점에서 구축할 필요가 있다.
또한, 세탁이나 식기 세정을 끝낸 후의 세정제를 함유한 폐수에 대해서도 어떠한 특별한 처리를 실시하지 않고도 그대로 생활 환경에 배수 가능할 정도의 취급성 즉, 폐수처리성이 우수해야 함은 말할 필요가 없다.
이와 같은 종래의 무세제 세척방법은 다양한 형태의 주파수를 갖는 전압 즉, 교류, 직류, 펄스를 두 전극에 인가하여 물의 절연내력을 파괴함으로써 전류가 흐르도록 하고, 이때 소비되는 전력으로 물을 분해하는 방식이다. 이때, 전압이 인가되는 전극은 백금이 주성분인데, 이는 물을 전기분해 하는 과정에서 발생한 오존이 강력한 산화력을 가지고 있기 때문에 수중에 침지되는 전극은 백금(또는 은)이 적당하기 때문이다.
그러나 상기와 같은 종래 무세제 세척은 물을 오존수, 알칼리수 및 산성수 등으로 만들기 위해 직접 전류를 물 속에 인가하는 방식이므로 물을 이온화시키기 보다는 물을 가열하는데 보다 많은 에너지가 소비되는 단점이 있고, 고에너지를 지속적으로 인가하는 경우 전극 마모가 심한 단점이 있으며, 이러한 전극 마모 현상은 물속에서 전극간의 직접 수방전에 기인한 전계 불평등으로 인해 더욱 심해지게 된다.
한편, 종래의 오일 처리는 평판형의 반응기에 교류, 직류, 펄스를 인가하는 형태로 전극면이 금속의 나선(螺線)전극으로 구성되며, 방전의 형태는 스트리머(Streamer)성 방전 형태로서, 글로우 방전(예: 형광등 내부의 방전)이 아니며 섬락(절연파괴)이 일어나기 바로 직전의 매우 불안전한 방전 현상을 이용한 것이다.
그러나 이러한 오일 처리 기술은 강한 스트리머에 의해 오일 분자량의 경량화는 다소 이룰 수 있으나, 탄화잔류물이 많이 남고, 방전 공간에서는 전계집중형 부분 방전이 일어나기 때문에 방전을 위한 전극의 마모가 심하다.
또한, 전극간에 직접 방전이 이루어지므로 오일이 절연물인 관계로 글로우 상태의 부드러운 방전이 일어나지 않고 바로 스트리머의 강한 방전이 형성되므로 전압의 변동폭을 조금만 주어도 바로 절연파괴로 이어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 저소비전력으로 오존수, 알카리수, 산성수를 발생하는 플라즈마 반응장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 각종 유류(油類) 및 폐유(廢油)를 고부가가치의 제품으로 변환 또는 재활용이 가능한 플라즈마 반응장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 휘발성 유기화합물이나 소각장 등에서 다량으로 배출되는 다이옥신 등을 처리하며, 반도체 공정, 냉각기의 냉각가스로 사용되는 지구온난화 물질인 CFC 계열의 난분해성의 물질을 비열 플라즈마로 처리하는 저소비전력형 고효율의 플라즈마 반응장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 반응장치는 반응기내의 두 전극에 전압을 인가하는 것에 의해 물 또는 오일 또는 가스를 매질로 하여 방전을 일으키는 플라즈마 반응장치에 있어서, 평판형의 상유전체층 상에 형성된 돌기 형상의 제 1 전극들과, 상기 제 1 전극들과 대향되도록 형성된 평판형의 제 2 전극과, 상기 제 1 전극들과 대향하도록 상기 제 2 전극상에 형성된 평판형의 반응촉매층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명의 플라즈마 반응장치는 방전시 전극의 표면에 국부적으로 발생하는 강한 스트리머 방전으로 인한 전극의 수명이 단축되는 것을 방지하고, 전계가 전극 전체에 골고루 분포될 수 있도록 하기 위한 것으로서, 방전시에 일어날 수 있는 전계 스트레스에 의한 전극마모를 최소화할 수 있도록 하는데 특징이 있다.
즉, 본 발명의 플라즈마 반응장치는 두 전극 사이에 상유전체의 반응촉매층을 형성하여 방전시에 발생할 수 있는 전계 스트레스에 의한 전극의 마모를 최소화하면서 방전효율을 극대화하는데 특징이 있다.
또한, 두 전극 사이에 형성되는 상유전체의 크기를 최적화하여 방전시 발생할 수 있는 전계 스트레스에 의한 전극의 마모를 최소화하면서 방전효율을 극대화하는데 특징이 있다.
또한, 두 전극의 형상을 최적화하여 방전시에 일어날 수 있는 전계 스트레스에 의한 전극마모를 최소화하는데 특징이 있다.
또한, 전계 방향과 직각인 방향으로 자계를 인가하는 것에 의해 방전효율을 극대화하는데 특징이 있다.
이하, 본 발명의 플라즈마 반응장치를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제 1 실시예
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 반응장치의 내부 단면을 도시한 것이고, 도 1b는 그에 따른 사시도이다.
도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 반응장치는 유전체층(1) 상에 형성된 돌기 형상의 제 1 전극(3)들과, 상기 제 1 전극(3)들과 대향되도록 형성된 평판형의 방전촉매층(5)과, 상기 방전촉매층(5) 상에 형성된 제 2 전극(7)들을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 방전촉매층(5)은 상유전체나 강유전체 또는 표면에 산화티타늄(TiO2)과 같은 방전촉매 기능의 물질이 도포된 절연성 물질을 포함하며, 비정질 재질의 절연층과 결정성의 상유전체층이 순차적으로 적층된 구조이거나 비정질 재질의 절연층 또는 결정성의 상유전체층만으로 된 단층구조이어도 무방하다.
상기 방전촉매층(5)을 비정질 재질의 절연층으로 구성할 경우, 유전율이 수 내지 수백 정도의 비정질 재질의 완전 절연체인 유리, 석영, 파이렉스 및 ZrO2 계열의 물질이 바람직하다.
상기 돌기 형상의 제 1 전극(3)들은 유전체층 상에 일정한 간격을 두고 배치되며, 그 중 어느 한 전극에는 전압을 인가하기 위한 전원선(9)이 연결되며, 상기 제 1 전극(3)들의 형상은 침(針), 봉(峯), 구(毬) 등의 형상으로 형성할 수도 있다.
이와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 반응장치는 돌기 형상의 제 1 전극(3)들이 유전체층(1) 상에 형성되고, 제 1 전극(3)들 중 어느 한 전극에만 전원을 인가하더라도 상기 제 1 전극(3)들과 대향되게 배치된 반응촉매층(5)의 표면을 따라 전계가 확산되어 방전영역 전체를 플라즈마 방전 영역으로 만들 수 있으며, 상기 방전영역을 글로우 방전에서부터 아크방전까지 일으킬 수가 있다.
참고로, 도 2a 내지 2b는 전술한 제 1 실시예와 비교하여 반응촉매층(5)과 제 1 전극(3)들의 상부면이 서로 접촉되지 않고 소정의 이격거리를 가짐으로써 방전영역을 더욱 확대시키는 구조로서, 상기 이격 거리는 1~2mm가 적당하다.
한편, 도 3a 내지 3b는 제 1 전극(3)들과 대향되도록 상기 방전촉매층(5) 상에 유전체 구조물(11)들 또는 금속성의 전극을 추가로 형성한 구조이다. 여기서, 상기 유전체 구조물(11) 또는 금속성 전극의 형상은 제 1 전극(3)들의 형상과 동일한 형상을 갖되, 상기 제 1 전극(3)들과 유전체 구조물(11) 또는 금속성 전극들이 서로 접촉되거나 또는 도 4a 내지 4b에 도시한 바와 같이, 제 1 전극(3)과 유전체 구조물(11) 또는 금속성 전극이 서로 접촉되지 않고 소정의 이격 거리를 갖도록 구성하는 것이 가능하며, 이와 같은 구조는 더 많은 방전영역을 확보할 수 있다는 이점이 있다.
제 2 실시예
본 발명의 제 2 실시예는 평판형의 두 전극을 서로 대향되게 설치하고, 상기 두 전극 사이에 펠렛형의 상유전체을 형성한 경우이다.
실제로, 두 전극 사이에 형성되는 펠렛형의 상유전체는 두 전극간의 방전 효율을 극대화시키기 위한 방전촉매층으로서, 강유전체를 사용하지 않고 유전율이 수십에서 수백에 이르는 상유전체를 사용하더라도 강유전체를 사용하는 것과 동일한 방전효율을 얻을 수가 있다.
즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 두 전극(미도시) 사이에 펠렛형의 상유전체(100)를 형성한 경우, 최대 전계 강도는 도면에 나타난 바와 같이, 0.116E+08(volt/m)이며, 상기 두 전극 사이에 강유전체(200)를 형성한 경우의 최대 전계 강도는 도 6에 도시된 바와 같이, 0.121E+08(volt/m)임을 알 수 있는 바, 상유전체(100)의 펠렛을 사용하더라도 고가이며 펠렛 형상으로 제조하기가 어려운 강유전체(200)를 사용하는 것과 거의 동일한 전계 강도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
또한, 강유전체(200)를 사용하지 않고 상유전체(100)를 사용하는 대신에 상기 상유전체(100)로 구성된 펠렛의 크기를 조절하면 강유전체(200)를 사용하는 것과 같은 동일한 전계 강도를 얻을 수가 있는데, 이를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 7a 내지 도 7c는 두 전극 사이에 형성된 상유전체로 구성된 펠렛의 크기를 1mm, 3mm, 5mm로 증가시킨 플라즈마 반응장치의 내부 단면도이다.
여기서, 상기 펠렛은 유전율이 100인 상유전체로 형성하고, 두 전극간의 간격을 20mm으로 설정하였으며, 이때의 펠렛의 크기별 등전위선을 도 8a 내지 8c에 도시하였다.
도 8a 내지 8c로부터, 펠렛의 크기가 5mm 전후에서 이웃하는 펠렛간에 전위가 포화되는 경향이 나타남을 알 수 있으며, 전계 또한 펠렛의 크기가 1mm일 때에는 0.260E+07(volt/m)인 반면에, 5mm일 때에는 0.106E+08(volt/m)임을 알 수 있는 바, 두 전극간의 간격이 20mm일 경우 그 사이에 형성되는 상유전체로 구성된 펠렛의 크기는 5mm 전후 즉, 3~5mm 범위가 가장 적당하며 넓게는 2~10mm의 범위가 적당함을 알 수 있다.
한편, 도 9a 내지 9b는 상기 두 전극 사이에 형성되는 상유전체의 형상을 펠렛 형상이 아닌 마름모 형상으로 형성한 경우인데, 방전시 매질의 처리량 측면에서는 도 9a의 구조가 바람직하고, 전계 강도를 증가시킨다는 측면에서 볼 때에는 도 9b의 구조가 바람직하다. 이는 상기 마름모 형태의 상유전체의 면적이 넓을수록 전계가 강해지기 때문이다.
한편, 도 10a는 유전율이 100인 상유전체를 마름모 형태로 구성한 경우의 전계 분포를 도시한 것이고, 도 10b는 유전율이 30000인 강유전체를 마름모 형태로 구성한 경우의 전계 분포를 도시한 것이다.
상기 도 10a 및 10b로부터 알 수 있듯이, 마름모의 크기가 동일하고 두 전극간의 간격이 동일 할 경우, 유전율이 30000에 달하는 강유전체를 사용하지 않고 상기 강유전체에 비해 유전율이 300배나 작은 상유전체를 사용하더라도 최대 전계는 강유전체를 사용하였을 때와 비교하여 거의 95%(강유전체=0.502E+07, 상유전체=0.475E+07)에 이르는 것을 알 수 있는 바, 고가이면서 마름모 형태로 만들기가 어려운 강유전체를 사용하지 않고 상유전체를 사용하더라도 강유전체에 버금가는 전계 강도를 얻을 수가 있음을 알 수 있다.
제 3 실시예
본 발명의 제 3 실시예는 서로 대향되게 배치되는 두 전극의 형상을 돌기 형상으로 구성한 경우로서, 도 11a 내지 11d에 도시한 바와 같이, 돌기 형상의 제 1 전극(3) 및 제 2 전극(7)이 방전공간을 사이에 두고 서로 대향된 구조이다.
여기서, 도 11a는 두 전극간의 간격이 1mm이고, 도 11b는 2mm 그리고 도 11c는 3mm라고 할 때, 도 11a와 같은 구조에서는 최대 전계 강도가 177511(volt/m)이고, 도 11b와 같은 구조에서는 최대 전계 강도가 106842(volt/m)이며, 도 11c와 같은 구조에서는 최대 전계 강도가 84891.2(volt/m)로서, 방전공간 즉, 두 전극간의 간격이 가까울수록 최대 전계 강도는 강해지는 것을 알 수 있다.
이때, 전계 분포를 보면, 각 전극의 모서리 부분에 전계가 집중되는 것을 알 수 있는데, 이와 같이 모서리 부분에 전계가 집중되면 이웃하는 전극간의 전계 간섭이 심해지기 때문에 전극간의 간섭을 줄이기 위해서는 두 전극간의 간격에 비해 동전위 전극간의 거리를 더 넓게 하는 것이 바람직하다.
즉, 도 11b와 도 11d를 비교할 때, 이웃하는 동전위 전극간의 전계 간섭(도 11b의 점선 부분)이 상기 이웃하는 전극간의 간격을 넓힌 구조(도 11d)에서는 동전위 전극간의 전계 간섭이 없어질 뿐만 아니라 최대 전계 강도를 비교하더라도 106842(volt/m)에서 124065(volt/m)로 증가한 것을 알 수 있다.
한편, 도 12a는 두 전극 사이에 펠렛형의 상유전체(유전율=10)(100)를 형성한 경우로서, 두 전극 사이에 매질로서 물이 존재할 경우 두 전극 사이에 상유전체를 형성하여 전계 스트레스에 의한 전극의 마모를 최소화하고자 하였다.
이와 같은 구조는 도 11a의 구조와 비교할 때, 전계 스트레스가 보다 완화되어 전극의 모서리 부분의 마모를 최소화할 수가 있으며, 상유전체를 형성함으로 인하여 단위 체적 내에서 더 많은 고전계 분포점을 만들 수 있어 유해 가스, 오수 및 오일 등의 기체와 액상 처리물을 다량 처리할 수 있어 상기 상유전체가 전계 스트레스를 분담함으로써 안정된 처리 효과를 얻을 수 있다. 참고로, 도 12b는 앞서 설명한 도 12a와 비교하여 두 전극 사이에 강유전체(유전율=3000)로 구성된 펠렛을 형성한 경우인데, 이와 같은 구조에서는 도리어 전극과 강유전체가 만나는 점에서 강한 유전 특성을 나타내기 때문에 수방전에 사용할 경우에는 전극의 마모가 도 12a의 구조보다 더 심해진다.
한편, 도 13a 내지 13b는 전극의 마모를 최소화하기 위한 최적의 전극 형상을 보여주는 도면으로서, 도 13a는 중심점과 양쪽 원호의 끝부분이 이루는 각이 120°인 경우이고, 도 13b는 60°인 경우이며, 두 전극간의 간격은 모두 2mm로 설정하였다.
이와 같은 구조에서는 두 전극간의 대향면을 라운드 형상으로 형성함으로써 전극 모서리에 전계가 집중되는 것을 완화시켜 전극의 마모를 최소화할 수가 있다.
추가하여, 도 13a는 중심점과 양쪽 원호의 끝부분이 이루는 각이 120°이고, 도 13b는 60°인 경우이나, 보다 바람직하게는 원호의 중앙부분은 중심점과 60°의 각을 이루고 원호의 양쪽 끝부분은 120°의 각을 이루도록 설계하는 것이 좋다.
제 4 실시예
본 발명의 제 4 실시예는 전술한 실시예들의 구조로부터 각 전극의 배면중 적어도 어느 한면에 마그네틱을 구성한 것으로서, 일 예를 도 14a 내지 14b에 도시하였다. 참고로, 도 14a는 제 2 전극(7)의 배면에 마그네틱(300)을 설치한 구조이나, 유전체층(1)의 배면에도 마그네틱(300)을 설치할 수도 있다. 이때, 유전체층(1)의 배면에도 마그네틱을 설치할 경우, 두 마그네틱에 의한 자계가 전계와 직각방향으로 발생되도록 하기 위해서는 두 마그네틱의 극성이 서로 동일하도록 마그네틱을 배치한다.
또한, 도 14b에는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 배면에 각각 마그네틱이 설치된 구조이나, 상기 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7) 중 어느 한쪽 전극의 배면에만 마그네틱을 설치할 수도 있으며, 도 14b와 같은 구조에서는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 배면에 각각 형성된 두 개의 마그네틱(300)이 서로 동일한 극성을 갖는다.
이와 같이 본 발명의 제 4 실시예에서는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 배면중 적어도 어느 한쪽면에 마그네틱(300)을 설치하는 것은 전자계 내에서 하전 입자의 운동 원리를 이용한 것이다.
일반적으로 전계와 자계가 함께 공존하는 공간에서, 전계를 , 자계를 , 전하의 질량을 m, 전하량을 Ze, 속도를 라 하면, 전하의 운동은 아래의 수식으로 표현된다.
위 방정식이 로렌쯔(Lolentz)의 방정식인데, 만일 전하가 전계만 존재하는 공간에 존재한다면 수식은 아래와 같이 표현되고,
만일, 전계는 없고 자계만이 시간적으로 일정하다면, 수식은 아래와 같이 될 것이다.
이는 전하가 전계 혹은 자계가 존재하는 공간에서 각각의 전계의 힘과 자계의 힘을 동시에 받지만 그 힘(에너지)의 영향은 각각 따로 영향을 받는다는 것을 의미한다.
또한, 자장 내의 하전 입자의 운동은 자계 에 평행한 등속 운동과, 자계 에 수직한 평면에의 사영이 등속 원 운동으로 되는 두 종류의 운동에너지에 대한 방향 벡터의 합성으로서, 이 두 힘의 합성에 의해 전하가 전계 방향으로 진행하면서 회전하는 선회 운동을(spiral motion)하게 된다.
여기서 에 수직한 로렌쯔력과 원심력과의 평형 관계를 생각해서 원운동의 각주파수를 , 에 수직한 의 성분 의 크기를 , 원운동의 반경을 , 의 크기를 B라고 하면,
상기 를 일반적으로 사이클로트론 진동수 또는 라모어 진동수라고 하고 입자의 종류와 자장의 세기만으로서 정해진다. 또 원운동의 반경 α는 아래와 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
이것을 선회 반경 또는 라모어 반경이라고 부르며, 선회하는 방향은 도 15와 같이 자장의 방향을 위쪽으로 하면 전자(-)는 왼쪽으로 선회하고, 정이온(+)은 오른쪽으로 선회한다.
한편, 자장의 경우, 입자에 외부의 힘이 작용하지 않는 경우 선회의 중심은 자력선에 따라서 운동을 하나, 외부의 힘이 작용하는 경우에는 자력선에 직각인 방향으로도 운동이 생기는데, 자장 와 외부력 에 수직한 속도를 가진다.
한편, 고압 가스 중에서의 전자의 이동은 전계와 자계가 존재하는 가즈 중에서 전자가 매초 Vm회씩 가스 분자와 충돌해서 그 운동량을 잃어버린다고 할 때, 이때의 전자의 운동 방정식은 다음의 식과 같이 표현되며 이 방정식을 Langevin 방정식이라 한다.
여기서, m은 전자의 질량, 는 전자의 운동 속도, Vm을 운동량 변환 충돌 주파수라고하며, 상기 식에서 Vm=0일 때가 진공 중에서의 전자의 운동량 방정식이다.
평행 평판형 전극 구조에서 전계와 직교하게 자계가 가해질 때의 전자의 운동 궤적은 도 16과 같이 나타낼 수 있다.
도 16에 도시된 바와 같이, 저압 가스 중에서 가 작을 때는 음극을 출발한 전자는 가스분자와 충돌하지 않고 양극에 도달하지만 가 크게 되면 (3)과 같이 싸이클로트론 운동을 한다.
싸이클로트론 반경 a = 2mE/eB2으로 이것이 전극간 거리보다 작게 되면 음극을 출발한 전자가 다시 음극으로 되돌아오기 때문에 실질적으로 작용이 저하되는 효과도 있으며, 싸이클로트론 운동이 계속되면 잔류 가스 분자와의 충돌 전리를 일으키기 때문에 충돌 전리 작용이 나타난다.
한편, 고기압 가스 중에서는 싸이클로트론 운동이 완결되기 전에 가스분자와 충돌하기 때문에 가 크게되면 될수록 평균 자유 행정중에 전계 방향으로 이동하는 거리가 짧게 된다. 따라서, 전자가 전계로부터 얻는 에너지의 관점에서 보면 의 인가는 가스압을 상승시키는 것과 같은 효과가 있다.
이에, 본 발명의 제 4 실시예에서는 상기와 같은 전자계 내의 하전입자의 운동 원리를 이용하여 플라즈마 반응장치에 응용한 것으로서, 본 발명의 제 4 실시예에 따르면, 상유전체의 표면 또는 반응기의 방전관 또는 전극의 표면과 유전체가 만나는 지점의 하전입자의 출입에 의한 방전 스트레스를 상당히 줄일 수 있어 전극의 수명을 연장시킬 수가 있다.
또한, 반응기내의 방전영역이 전계만 있을 때에 비해 더 넓어지므로 반응기내의 방전 형태의 안정도에 도움을 주게 되며, 이로 인해 소비전력을 감소시킬 수가 있어 방전효율을 향상시킬 수가 있는 것이다.
제 5 실시예
본 발명의 제 5 실시예는 제 1 전극과 제 2 전극이 평대 평판형인 구조에서 상기 두 전극 중 적어도 어느 한 전극의 배면에 마그네틱을 설치한 경우이다.
즉, 도 17에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제 5 실시예에 의한 플라즈마 반응장치는 방전영역을 사이에 두고 서로 대향되게 설치된 평판형의 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7), 상기 방전영역에 대향하는 두 전극면에 각각 형성된 제 1 반응촉매층(5a)과 제 2 반응촉매층(5b), 상기 제 1 반응촉매층(5a)과 제 2 반응촉매층(5b) 사이의 방전영역에 형성된 펠렛형의 제 3 반응촉매층(5c), 상기 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 배면 중 적어도 어느 한쪽면에 형성된 마그네틱(300)을 포함하여 구성되며, 본 실시예에서는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 배면에 각각 제 1 마그네틱(300a)과 제 2 마그네틱(300b)이 형성된 구조를 도시한 것이다.
여기서, 상기 제 1, 제 2 반응촉매층(5a)(5b)은 비정질 재질의 절연층과 결정성의 상유전체층이 순차적으로 적층된 형태이거나, 적어도 어느 하나는 비정질 재질의 절연층으로 구성되거나 결정성의 상유전체로 구성되는 것이 가능하며, 상기 비정질 재질의 절연층은 유리, 석영, 파이렉스, ZrO2와 같은 기공성이 없는 완전 절연체이며, 상기 상유전체층은 TiO2가 바람직하다.
상기 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 재질은 백금(Pt)으로서, 직류 또는 다양한 주파수의 교류 또는 직류 펄스 전압이 인가되며, 바람직하게는 수백 MHz 이상의 중주파 직류형 펄스가 인가된다.
이와 같은 구조에서는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)간에 전계가 발생하고, 상기 전계와 직각인 방향으로 자계가 발생되는데, 도 18a 내지 18d의 도면으로부터 알 수 있듯이 전계만이 인가되는 경우에 비해 자계가 더 인가되는 경우에는 더 큰 방전을 일으킬 수가 있다.
참고로, 도 18a는 전계가 10kV인 상황에서 자계를 인가하지 않았을 때의 방전영역의 방전형태를 보여주고, 도 18b는 동일한 전계하에서 자계를 인가하였을 때의 방전형태를 보여준다. 그리고 도 18c는 전계가 15kV인 상황에서 자계를 인가하지 않았을 때의 방전영역의 방전형태를 보여주고, 도 18d는 동일한 전계하에서 자계를 인가하였을 때의 방전형태를 보여준다.
이와 같은 본 발명의 제 5 실시예의 구조에서는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)의 표면에 각각 비정질 재질의 절연체와 결정성의 상유전체가 적층된 형태 또는 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7) 중 적어도 어느 하나의 표면에는 비정질 재질의 절연체 또는 상유전체로 구성된 제 1, 제 2 반응촉매층(5a)(5b)이 형성되고, 전계와 직각인 방향으로 자계가 형성되기 때문에 상기 방전영역에는 더 많은 플라즈마 광(光)이 발생하며, 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)이 매질과 직접 접촉하지 않고, 절연물질로 덮여있기 때문에 전극의 마모를 최소화할 수 있다.
제 6 실시예
전술한 실시예에서는 두 전극이 모두 평판형이거나 또는 두 전극 중 어느 하나는 평판형이고, 다른 하나는 상기 평판형의 전극과 대향되도록 형성된 돌기 형상을 갖는 평대형의 전극 구조를 갖는 플라즈마 반응장치에 대한 것이나, 하기에서 설명할 플라즈마 반응장치는 두 전극이 평대 평판형이 아닌 실린더형 구조를 갖는 경우에 적용될 수 있는 실시형태이다.
도 19는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 플라즈마 반응장치의 정면도로서, 중심부에 실린더 형상의 제 1 마그네틱(300a)과, 상기 제 1 마그네틱(300a)의 외주면을 따라 형성된 제 1 전극(3)과, 상기 제 1 전극(3)의 외주면을 따라 형성된 제 1 반응촉매층(5a)과, 상기 제 1 반응촉매층(5a)과 소정의 공간(방전영역)을 두고 제 1 반응촉매층(5a)을 둘러싸도록 형성된 제 2 반응촉매층(5b)과, 상기 제 2 반응촉매층(5b)의 외주면을 따라 형성된 제 2 전극(7)과, 상기 제 2 전극(7)의 외주면을 따라 형성된 제 2 마그네틱(300b)과, 상기 제 1 반응촉매층(5a)과 제 2 반응촉매층(5b) 사이의 방전영역에 형성되는 펠렛형의 제 3 반응촉매층(5c)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 제 1 마그네틱(300a)과 제 2 마그네틱(300b)에 의해 인가되는 자계는 상기 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)간의 전계 방향에 대해 직각 방향으로 인가되도록 하는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 상기 실린더 형상의 제 1 마그네틱(300a)과 제 2 마그네틱(300b)을 길이방향으로 절반은 N극으로, 나머지 절반은 S극으로 구성하되, 상기 제 1 마그네틱(300a)과 제 2 마그네틱(300b)은 동일한 극 구조를 갖도록 배치한다.
한편, 도 19는 제 1 전극(3)의 외주면을 따라 제 1 반응촉매층(5a)이 형성되고, 제 2 전극(7)의 내주면을 따라 제 2 반응촉매층(5b)이 형성된 구조이나, 제 1 반응촉매층(5a)과 제 2 반응촉매층(5b) 중 어느 하나만 형성되는 구조도 가능하다.
또한, 상기 제 1, 제 2 반응촉매층(5a)(5b)은 비정질 재질의 절연층과 결정성의 상유전체층이 적층된 구조이거나, 또는 비정질 재질의 절연층이나 상유전체층의 단층 구조이어도 무방하다. 이때, 상기 결정성의 상유전체층은 TiO2 또는 저항이 수㏁ 이상의 고유저항을 갖는 상유전체가 바람직하며, 각 전극상에 비정질 재질의 절연층을 형성하지 않고 곧바로 결정성의 상유전체만 형성할 경우, 상기 결정성의 상유전체는 전극에 물이 접촉되지 않도록 기공성이 없으며 표면이 방전이 용이한 물질이면 어느 것이어도 무방하다.
이와 같은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 플라즈마 반응장치는 방전영역에 펠렛형의 상유전체를 형성함으로써 물 또는 오일 또는 가스만을 매질로 하는 방전의 경우에 비해 상기 매질에 인가되는 부분 전계 강도가 수천배 이상 강하게 작용하기 때문에 수중방전의 경우 물의 이온화 측면과 단위 시간당 생산량에 있어서 더 많은 알카리수, 오존수, 산성수를 더 적은 소비전력으로 얻을 수 있다.
뿐만 아니라, 제 1, 제 2 반응촉매층(5a)(5b) 및 제 3 반응촉매층(5c)을 형성함에 따라 반응장치 내에는 플라즈마 광이 발생하게 되며, 이때 발생한 자외선이 매질 속의 플라즈마 에너지와 함께 박테리아, 이질균 등 다양한 세균을 처리하는데 유용하여 음용수의 품질을 향상시킬 수가 있다.
또한, 제 1, 제 2 반응촉매층(5a)(5b)이 제 1 전극(3)과 제 2 전극(7)을 매질로부터 완벽하게 격리시키므로 전극의 마모를 최소화할 수 있어 반영구적으로 사용할 수가 있다.
추가하여, 본 발명의 플라즈마 반응장치를 세탁수 생성을 위한 수방전 플라즈마 반응장치로 사용할 경우, 상기 반응장치의 내부 혹은 방전영역을 통과한 전해수는 짧은 시간동안 전하 분리층을 이루며 반응장치 밖으로 배출되므로, 상기 전해수를 격막 또는 직류전압 형태의 대전판과 격막을 이용하여 음전하와 양전하로 대전 전하를 분리한다. 이때의 격막 위치는 플라즈마 반응장치의 내부 또는 반응장치에서 세탁수가 배출되는 후단부에 설치하며, 상기 격막에 의해 분리된 하전 전하의 분리를 유지하기 위해 하전 전하와 반대극성의 전극판을 상기 후단부에 설치한다.
이와 같이 대전판과 격막을 이용하여 전해수를 산성 전해수와 알카리성 전해수로 분리하여 따로 이용할 경우 더 효과적인 세탁이 가능하다.
여기서, 상기 격막의 재질은 기공성이 풍부한 세라믹(비결정성의 유리 섬유 등과 결정성의 세라믹) 또는 천이나 전기 화학적으로 안정된 기공성 고분자 섬유(우레탄, 테프론, 강화 플라스틱) 등의 사용이 가능하고, 그 구조는 하전 입자의 통과가 충분히 용이한 기공을 갖는다.
또한, 세탁수에 의한 세탁 효율을 높이기 위해서 탄산수소나트륨(NaHCO3)이나 탄산나트륨(Na2CO3), 소금(NaCl), 또는 수산화나트륨(NaOH)계열의 복합물, 수산화바륨(Ba(OH)2)과 탄산칼륨(K2CO3) 등의 첨가제 사용이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수가 있고, 상기와 같은 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음은 자명하다. 따라서, 상기 기재내용은 하기의 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 반응장치는 다음과 같은 효과가 있다.
플라즈마 반응장치 내의 두 전극에 전압을 인가하는 것에 의해 물, 오일 또는 가스를 매질로 하여 방전을 일으키는 플라즈마 방전장치에 있어서, 상기 두 전극의 형상을 전극마모를 최소화할 수 있는 최적의 형상으로 구성하여 전극의 수명을 연장시키고, 세척, 바이러스 제거, 화학폐기물의 중화 등 액상의 유해물질의 분해 및 정화에 효과적이고, 오일 처리의 경우에는 각종 유류의 고부가가치 유류로의 특성변화와 폐유, 윤활유 등의 재활용에 효과적이며, 소각로의 연소시 발생하는 다이옥신, 휘발성유기화합물 또는 반도체 공정과 냉각기에서 사용되는 난분해성의 CFC화합물의 처리에 효과적이다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 반응장치의 구성도
도 5 내지 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 반응장치에 따른 최대 전계 강도를 설명하기 위한 도면
도 7a 내지 7c는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 펠렛의 크기별 전계 강도를 설명하기 위한 도면
도 8a 내지 8c는 도 7a 내지 7c에 따른 등전위선을 나타낸 도면
도 9a 내지 9b는 본 발명에 따른 펠렛의 형상을 마름모 형상으로 형성한 경우의 전계 강도를 설명하기 위한 도면
도 10a 내지 10b는 본 발명에 따른 펠렛의 형상을 마름모 형상으로 형성할 경우, 펠렛의 유전율에 따른 전계 강도를 설명하기 위한 도면
도 11a 내지 11d는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전극간의 간격 및 동전위 전극간의 간격을 설명하기 위한 도면
도 12a 내지 12b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 두 전극간의 사이에 각각 상유전체와 강유전체로 구성된 펠렛을 형성한 경우의 전계 강도를 설명하기 위한 도면
도 13a 내지 13b는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전극 마모의 최소화를 위한 최적화된 전극의 형상을 설명하기 위한 도면
도 14a 내지 14b는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 플라즈마 반응장치의 구성도
도 15 내지 16은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전자계 내에서의 하전입자의 운동원리를 설명하기 위한 도면
도 17은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 플라즈마 반응장치의 구성도
도 18a 내지 18d는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 자계를 인가하였을 때와 인가하지 않았을 때의 방전상태를 비교 설명하기 위한 도면
도 19는 본 발명의 제 6 실시예에 따른 플라즈마 반응장치의 구성도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 상유전체층 3 : 제 1 전극
5 : 반응촉매층 5a : 제 1 반응촉매층
5b : 제 2 반응촉매층 5c : 제 3 반응촉매층
7 : 제 2 전극 9 : 전원선
11 : 유전체 구조물 100 : 펠렛형상의 상유전체
200 : 펠렛형상의 강유전체 300 : 마그네틱(Magnetic)
300a : 제 1 마그네틱 300b : 제 2 마그네틱

Claims (15)

  1. 반응기내의 두 전극에 전압을 인가하는 것에 의해 물 또는 오일 또는 가스를 매질로 하여 방전을 일으키는 플라즈마 반응장치에 있어서,
    평판형의 상유전체층 상에 형성된 돌기 형상의 제 1 전극들;
    상기 제 1 전극들과 대향되도록 형성된 평판형의 제 2 전극;
    상기 제 1 전극들과 대향하도록 상기 제 2 전극상에 형성되어 그 표면을 따라 전계의 확산을 유도하여 방전영역 전체에서 플라즈마 방전이 일어나도록 하는 평판형의 반응촉매층을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응촉매층은 상유전체와 강유전체 중 어느 하나이거나 또는 그 표면에 산화티타늄을 재질로 하는 광촉매제가 도포된 절연성 재질인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 돌기 형상의 제 1 전극들 중 어느 하나에 전원을 인가하기 위한 전원선이 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 전극과 상기 반응촉매층은 서로 접촉되거나 소정의 이격 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극상에 배치된 상기 반응촉매층상에 상기 제 1 전극과 동일한 형상을 갖는 유전체 구조물과 금속성 전극 중 어느 하나가 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
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