KR100491833B1 - 절연체 방전계에서 수중방전을 이용한 오존수 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고전압 교류 전원 발생부, 물 공급부, 산소 공급부 및 수중 방전계를 포함하는 절연체 방전계에서 수중 방전을 이용한 오존수 발생장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 오존수 발생장치 및 방법은 공기 또는 산소를 이용하여 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 물에 용해하는 방식의 종래 오존 발생장치와 달리 오존 접촉기 등과 같은 부대 장치가 불필요하며, 또한, 펄스파 코로나 방전 보다 높은 주파수를 사용함으로써 오존의 용존율을 현저히 향상시킬 수 있다.

Description

절연체 방전계에서 수중방전을 이용한 오존수 발생장치{WATER DISCHARGE IN A DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE SYSTEM TO GENERATE AN OZONATED WATER}

본 발명은 절연체 방전계에서 수중 방전을 이용한 오존수 발생장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 오존수 발생장치 및 방법은 반도체 및 TFT-LCD 제작 공정 중 에싱과 클리닝의 용도로 사용될 수 있으며, 환경분야에 있어서는 상수의 고도정수처리, 오수, 하수 및 폐수처리 시설 그리고 살균/소독시설에 유용하게

사용될 수 있다.

일반적으로 널리 쓰이는 종래의 오존수 발생장치는 공기 혹은 산소기체를 이용하여 기체상태의 오존을 생성한 후 발생된 오존을 물에 녹이는 방식을 채용하고 있다. 이러한 방식을 채용하고 있는 오존수 발생장치는 오존을 생성하는 오존 발생기 및 생성된 오존을 물과 접촉시켜 오존수를 생성하는 오존접촉기를 필수적으로 구비하며, 오존을 발생시키는 방법에 따라 크게 전기 전해법, 자외선 조사법 그리고 전기방전법으로 분류될 수 있다. 이중 전기방전법의 효율이 다른 방식에 비해 월등히 우수해서 오늘날은 전기방전법이 보편화되어 있다. 많이 쓰이는 전기방전법으로는 펄스파 코로나 방전(Pulsed Corona Discharge)과 절연체 방전(Dielectric Barrier Discharge)[1]으로 나눌 수 있다. 두 방식 모두 대기압에서 플라즈마를 발생시켜 오존을 만들고 효율도 비슷한 공통점이 있으나 전자의 경우 높은 방전 주파수의 전력원(Power Supply) 제작문제와 전극의 간격이 작은 경우 원치 않는 아크 방전(Arc Discharge)으로 발전할 수 있는 문제로 인해 장치설계의 유연성은 절연체 방전이 우수하다고 할 수 있다.

절연체 방전은 1857년 독일의 지멘스가 오존발생을 목적으로 처음 개발한 후부터 보편적으로 대중화되었으며, 무성방전(Silent Discharge) 혹은 미세방전(Microdischarge) 이라 부른다. 절연체 방전에 의해 발생되는 플라즈마(Plasma)는 열적 불평형 상태(Non-Thermal Equilibrium)로 플라즈마 전자

의 온도는 10,000- 100,000 K 인 반면 중성기체의 온도는 실내온도보다 약간 높은 정도이다. 이와 같은 절연체 방전이 다른 형태의 고전압 방전과 다른 점은 두 개의 전극 사이에 하나 혹은 두 개의 절연체를 삽입하여 방전을 일으킨다는 점이다. 이 방전의 특징으로는 양 전극 사이의 고전압에 의해 전자는 높은 에너지로 가속되고, 가속된 전자는 중성기체와 충돌하여 새로운 하전 입자를 만들거나 분자결합을 끊어 많은 양의 반응기(Radical)를 생성한다. 새롭게 발생된 전자의 수는 기하급수적으로 늘어나 전자사태(Electron Avalanche)를 만든다. 생성된 전자사태는 아크방전(Arc discharge)으로 전이되기 전 절연체 벽에 부딪혀 소멸된다[1]. 생성된 반응기(Radical)는 주변의 다른 중성입자와 화학적으로 결합하여 새로운 화합물을 형성한다. 그러므로 대기 중에서 방전하는 경우, 공기 중의 산소분자는 전자와 충돌하여 산소원자로 분리되고, 분리된 원자는 다른 산소분자와 3체재결합(3 body recombination) 반응을 통해 오존이 된다.

종래의 오존수 발생장치에 있어서, 절연체 방전을 이용한 오존발생기에 90% 이상의 산소(대기압, 25℃)를 주입하면 약 2~10 중량%(50 ~ 150 g/m³)의 오존이 생성되고, 생성된 오존은 오존접촉기(Dissolving Module)에 의해 물에 용해되어 오존수를 생산한다. 오존수의 농도는 오존발생기에서 생성되는 오존의 농도와 오존접촉기의 효율에 의해서 결정된다. 일반적으로 오존의 용해도는 산소보다 훨씬 크고, 오존의 압력이 높을 수록, 물의 온도가 낮을 수록 용해되는 오존의 양은 증가한다.

그러므로 가압계(Compressor)와 냉각조(Chiller)를 부가적으로 장착하여 효율을 높인다. 오존접촉기는 확산계(Diffuser)나 병목관(Ventury Tube)에 오존을 고속으로 주입하여 용해하는 방법이 많이 이용되고 있으며, 그 중 병목관 방식이 좀더 보편화되어 있다. 그밖에 OH 라디칼에 대한 스캐빈져로 작용하는 첨가가스(예: 이산화탄소) 또는 과산화수소(H₂O₂)가 추가로 오존수에 첨가되고 있다.

오존수의 응용분야의 확대와 더불어 오늘날에는 새로운 방식의 오존수 생산기술 개발에 많은 국가들이 적극적인 투자를 하고 있는데, 그 중 하나는 전기적 방전을 물에서 일으키는 수중 방전법(Water Discharge)이다[2]. 두 개의 평판 사이에 물을 채웠을 경우, 방전을 위해서는 약 2.5 MV/cm의 전계(Electric Field)가 필요하다. 그러나 가는 선(Wire)과 평판을 이용하는 선대면(line-to-plane)형 전극구조나 [3~5], 혹은 날카로운 형태의 전극을 이용한 점대점(point-to-point)형태의 전극구조 [6]를 이용하여 전극 부분에 국소적으로 높은 전계를 만들어 효과적으로 십수 kV/cm 정도의 전계로도 수중 방전이 가능함이 밝혀졌다. 또한 현재까지 수중 방전에 이용되는 방전방식으로 펄스파 코로나 방전(Plused Corona Discharge)이 널리 이용되고 있으며, 절연체 방전을 이용한 수중 방전은 아직 학회에 보고된바 없다.

오존수 생성을 위한 수중 방전의 장점은 오존의 발생과 용해를 동시에 함으

로서 효율을 높이고, 오존접촉기 등 부가적인 설비를 없애거나, 설비용량을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 현재 학회에 보고된 바에 따르면, 산소 기포를 10 LPM 첨가하여 약 10 kV/cm의 전계로 방전시 약 1 kwh의 소비전력으로 6 mg/l의 오존수를 분당 2 liter 정도 생산할 수 있다[6]. 이는 기존의 방식에 비해 효율이 떨어지나, 실험결과 전기전력의 증가와 방전 주파수 증가에 따라 오존의 용존율이 선형적으로 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 특히 방전주파수의 증가는 펄스파 코로나 방전(Plused Corona Discharge)에 사용된 전력원(Power Supply)의 특성 때문에 약 300 Hz까지만 이용하였으나 절연체 방전은 펄스파 코로나 방전(Pulsed Corona Discharge)에 비해 높은 주파수가 가능하므로, 절연체 방전은 훨씬 개선된 결과를 기대할 수 있는 방식이라 할 수 있다.

본 발명은 오존을 발생시킨 후 발생된 오존을 물에 용해하는 기존의 오존수 생성기술과는 달리 직접 수중에서 방전을 일으켜 오존수를 생산할 수 있는 오존수 발생장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. 따라서, 본 발명의 오존수 발생장치는 오존 접촉기를 포함하지 아니한다.

본 발명의 또 다른 목적은 절연체 방전을 이용한 오존수 발생장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 오존수 발생장치는 고전압 교류 전원 발생부, 물 공급부, 산소 공급부 및 수중 방전계를 포함하며, 상기 수중 방전계는 절연체로 감싸인 두개의 전극 및 절연체 구조물을 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 오존수 발생장치는 고전압 교류 전원 발생부, 물 공급부, 산소 공급부 및 수중 방전계를 포함한다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 오존수 발생장치는:

a) 고전압을 수중 방전계 내부에 도입하는 고전압 교류 전원 발생부,

b) 저수조, 펌프 및 냉각기를 구비하고 오존수 생성을 위한 물을 수중 방전계 내부에 주입하는 물 공급부, 및

c) 적어도 산소를 포함하는 가스를 수중 방전계 내부에 주입하는 산소 공급부,

d) 하나 또는 두개의 절연체에 의해 절연된 두개의 금속 전극 및 전극을 감싸고 있는 절연체 구조물을 구비하며, 고전압 교류 전원 발생부에서 공급된 에너지를 이용한 절연체 방전에 의해 산소 공급부 및 물공급부에서 공급된 산소 및 물로부터 오존 및 오존수를 생성하는 수중 방전계를 포함한다.

우선 오존수 생산을 위한 수중 방전은 앞서 언급했듯이 고전압 전원을 필요로 한다. 사용된 고전압 전원 발생부는 고전원을 인가할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 아니하나, 경제적인 측면을 고려하여 1 - 30 kV, 바람직하게는 10 - 20 kV의 전압을 공급할 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 전압을 갖는 고전압 전원 발생부는 일반적으로 널리 알려진 인버터와 고전압 변압기를 이용한 기술을 응용하여 가정용 전원(220 V)을 그대로 사용할 수 있도록 설계될 수 있다는 장점이 있다. 방

전 주파수는 통상 60 Hz - 100 kHz, 바람직하게는 0.5 - 5 kHz의 주파수가 채용되고, 여기서 3.5 kHz까지의 방전 주파수는 SCR(Silicon Controlled Rectifier)을 이용한 인버터를 사용함으로써 성취될 수 있고, 그 이상의 방전주파수를 필요로 하는 경우 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용한 인버터를 사용함으로써 성취될 수 있다. 사용되는 전력은 처리 용량에 따라 적절히 조절할 수 있다. 출력된 고전압 신호는 수중 방전계의 두 개의 전극 중 어느 하나의 전극에 연결되는데, 다른 하나의 전극은 접지됨으로써, 약 ± 1 - 30 kV의 전압을 인가하게 된다. 고전압이 인가되는 전극부분은 주변의 금속체와의 방전을 방지하기 위해 절연체 구조물로 감싸여졌다.

물 공급부는 저수조, 펌프 및 냉각기를 포함하며, 바람직하게는 순환식으로 구성하는 것이다. 즉, 수중 방전계에서 방출된 오존수를 저수조에 저장하고 이를 다시 수중 방전계로 공급하는 순환식으로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 순환 시스템은 물 속에 용해되는 오존의 농도를 높일 수 있고, 따라서 고농도의 오존수를 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 명세서에서 "물'이라 함은 일반수 또는 이온 제거수 (Deionized water)를 포함한다고 해석되어야 한다. 냉각기는 순환되는 물의 온도를 낮추어 오존의 용해도를 증가시키는 역할을 한다. 예를 들면, 10℃의 물에 약 1000 ppm의 오존 주입시 4~5 mg/l의 용해도를 갖으며, 반면 25℃의 물인 경우 용해도가 2 ~ 3 mg/l로 반으로 줄어든다. 따라서, 냉각기를 설치하여 순환되는 물을 계속적으로 낮은 온도로 낮추어 줌으로써 오존의 용해도를 향상시킬 수 있

다. 한편 물을 순환시키는 펌프는 오존수가 자체분해될 때 강력한 산화력을 갖기 때문에, 내산성 재질로 제작 되거나 산화방지 코팅이 된 것을 사용한다.

오존수 생성을 위한 산소를 수중 방전계 내부로 유입하기 위해 산소 공급부가 설치된다. 산소는 산소 발생기에서 생성된 산소를 사용하거나 또는 농축 산소를 사용할 수 있다. 산소 발생기의 사용시, 산소공급능력은 처리 용량를 고려하여 적절히 조절할 수 있다. 예를 들면 50 mg/l 농도의 오존수를 약 분당 2 리터 정도 생산하는 경우, 산소 발생기는 분당 약 10 리터의 산소공급능력을 갖는 것이 바람직하다.

수중 방전계 내부로의 산소 공급은 다른 첨가가스와 함께 공급될 수 있다. 첨가가스의 예로는 질소, 아르곤과 같은 절연체 방전 효율을 증대시키는 가스, 이산화탄소와 같은 수중 잔여 오존의 반감기를 늦추는 가스를 들 수 있다. 질소, 아르곤과 같은 가스가 절연체 방전 효율을 증가시킨다는 것은 당해분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있다. 또한, 물속의 오존은 약 30분 정도의 반감기를 갖는데, 이는 오존이 자체분해에 따른 것으로, 오존의 자체분해는 물속에 존재하는 OH^- 이온에 의해 분해되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 오존의 분해를 촉진하는 OH 라디칼에 대한 라디칼 스캐빈져(radical scavenger)를 첨가가스로서 첨가함으로써 오존의 자체분해를 현저히 감소시킬 수 있다. OH 라디칼에 대한 라디칼 스캐빈져로 작용하는 첨가가스의 예로는 이산화탄소를 들 수 있으며, 이산화탄소는

물에 용해되어 탄산이온(carbonate)을 형성하며, 형성된 탄산이온은 OH 라디칼과 반응하여 탄산이온 라디칼을 형성하고, 따라서 OH 라디칼의 수를 줄임으로써 오존의 분해를 방지할 수 있다[9]. 상기한 이산화탄소 외에도 과산화수소가 첨가될 수 있으며, 과산화수소는 살균, 소독 및 하수 처리시 통상 첨가된다. 첨가가스와 함께 공급될 경우, 산소의 농도는 방전 특성을 고려하여 15%~90%의 범위 내에서 적절히 조절할 수 있다. 산소의 농도가 20%로 조절될 경우 공기의 형태로 산소가 공급될 수 있다. 공급 가스의 유량은 유량 조절기를 이용하여 적절한 조절할 수 있다.

수중 방전계로의 산소 유입을 위한 산소 공급부는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면, 물 공급부와 수중 방전계를 연결하는 도관에 산소를 공급하는 산소 공급원(예를 들면, 산소 발생기, 농축산소 공급기 등)을 배치하여 물과 산소의 혼합 매질 형태(2계면 상태)로 주입하는 방식과 산소 공급원에서 공급되는 산소를 미세기포형태로 주입하는 방식으로 수중 방전계에 유입될 수 있다. 즉, 산소층과 물층이 서로 분리되어 있는 이계면 형태 또는 산소와 물이 서로 섞여 있는(물층 내부에 복수의 산소 기포가 존재하는) 형태로 공급될 수 있다.

미세기포형태로 주입하는 방식의 경우는 다양한 방식이 채용될 수 있으나 산소 공급원의 말단에 기포 발생기를 설치하여 산소를 미세기포로 만들어 공급하는 방식과 인젝터를 통한 미세기포형태의 산소 공급 방식이 대표적이다. 공급되는 산소 기포의 직경은 두개의 전극 사이의 거리와 동일하거나 이보다 작은 크기로 조절되는 것이 바람직하다. 미세 기포를 만드는 방식은 기포발생기 또는 병목관(Ventury Tube)을 포함하는 다양한 방식이 채용될 수 있으나. 바람직하게는 일반적으로 많이 사용하는 기포 발생기를 채용하는 것이다.

물 공급부와 수중 방전계를 연결하는 도관에 산소 공급원을 설치하여 물과 산소의 혼합 매질 형태로 산소를 공급할 경우, 일반적으로, 산소층과 물층이 서로 분리되어 있는 이계면 흐름(two phase flow)의 형태로 공급된다. 이러한 이계면 흐름은, 예를 들면, 흐르는 물 위에서 압력을 가해 가스를 불어넣어 줌으로써 중력에 의해 쉽게 성취될 수 있다. 이계면 흐름을 만드는 경우, 가스층의 두께와 물층의 두께를 조절하여 방전 전압을 낮출 수 있고 물 속의 오존 농도를 높일 수도 있다. 이 경우에는 방전이 산소층에서 이루어지고 방전시 생성되는 쇼크 파(shock wave)에 의해 압력이 매우 높은 상태로 물표면 층과 접촉하여 정상상태보다 훨씬 많은 양의 오존을 물에 녹을 수 있게 된다.

도 1을 참조하여, 그 원리를 설명하면 다음과 같다. 수중 방전계(1)의 전극(100a, 100b)을 절연시키는 절연체(101a, 101b) 사이에 절연계수(dielectric constant)가 다른 두 가지 이상의 매질[예를 들면, 공기(102)와 이온 제거수(103)]을 채우고 전극사이에 전위(ΔΦ)를 인가할 때 공기(102)에 형성되는 전계(E _A )는 아래의 수학식 1과 같이 표현되며, 이온 제거수(103)에 형성되는 전계(E _w )는 아래의 수학식 2와 같이 표현된다. 이 때 전위(ΔΦ)는 아래의 수학식 3과 같이 표현되며, 수학식 3에서 알 수 있는 바와 같이 전위(ΔΦ)는 항상 보존된다.

도 5는 본 발명에 따른 오존수 발생장치(5)의 바람직한 구현예에 대한 개략도를 도시한 것으로서, 물(일반수 또는 이온 제거수를 포함함)(500)은 저수조(501)에 저장되며, 펌프(502)에 의해 고압으로 유지된 채 냉각기(503)를 통과하여 수중 방전계(504)에 공급된다. 한편, 냉각기와 수중 방전계 사이에 잉여의 산소 공급원(505)을 설치하여 산소(또는 공기와 같이 산소를 포함하는 혼합가스)를 공급함으로써, 산소층과 물층이 서로 분리되어 있는 이계면 흐름으로 공급하거나 산소와 물이 서로 섞여 있는 형태로 공급할 수 있다. 바람직하게는, 이계면 흐름으로 공급하는 것이다. 한편, 산소 발생기(506)에서 생성된 산소는 인젝터(507)를 경유해 미세기포형태로 수중 방전계(504)에 공급될 수 있다. 산소의 유량은 유량 조절기(508)에 의해 적절히 조절될 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 산소의 공급은 산소 공급원(505)에 의한 공급, 산소 발생기(506) 및 인젝터(506)에 의한 공급 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 성취될 수 있다.

상기 수학식 1 및 3에서 알 수 있는 바와 같이, 공기(102)와 이온 제거수(103)의 혼합매질에 일정한 전위가 인가될 경우, 공기(102)에 형성되는 전계(E _A )는 공기만 매질로 있을 때보다 더 커지게 되고, 따라서 낮은 전위를 가하더라도 쉽게 방전시킬 수 있게 된다. 또한, 이 때 생성되는 오존은 상온보다 훨씬 높은 에너지를 갖게 되므로, 즉 높은 압력을 갖고 물과 바로(상온으로 되기 전에) 접촉하므로 기존의 오존을 만들어 물에 녹이는 방법보다 수십 배의 용해도를 보이게 된다. 따라서, 낮은 전위를 가하더라도 방전을 유도할 수 있고, 높은 압력의 생성에 의해 오존의 용해도를 현저히 향상시킬 수 있게 된다. 상기 예에서는 공기(102) 및 이온 제거수(103)를 들고 있으나, 공기 뿐만 아니라 산소 또는 산소와 다른 첨가 가스를 사용하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있음은 자명할 것이다. 또한, 상기 예는 다른 절연상수를 갖는 두 개의 매질이 층을 이루고 있는 것을 기술하고 있으나, 물 속에 공기 기포가 있는 경우에도 그 효과가 약화될 지라도 유사한 효과가 나타날 것이다. 한편, 인젝터를 이용한 미세기포의 공급과 이계면 형태의 산소 공급이 동시에 이루어질 경우, 먼저 이계면 중 산소층(또는 공기층)에서 먼저 방전이 일어나게 되고, 다시 물속의 산소로 그 방전이 나아가게 된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 수중 방전이 발생하는 수중 방전계(2)는 절연체(201a, 201b)에 의해 절연된 두 개의 전극(200a, 200b)과 전극(200a, 200b)을 감싸고 있는 절연체 구조물(202)로 구성되어 있다. 도 2에서 참조번호 200a로 표시된 전극이 접지전극이고, 참조번호 200b로 표시된 전극이 고전압 전력원(미도시)과 연결된다. 전극(200a, 200b)을 형성하는 금속판과 이들을 절연시키는 절연체(201a, 201b)는 방열판 접착제 같이 열전도성이 좋은 접착제를 사용하여 부착할 수 있다. 전극(200a, 200b)은 연결부재에 의해 접지봉(203)과 연결되며(예를 들면, 나사식으로 연결), 접지봉(203)과 접지전극(200a)은 절연체 구조물(202)의 상판(204)에 의해 지지되며, 당해 분야에서 널리 알려진 이동수단을 채용하여 상하로 움직일 수 있게 설계될 수도 있다. 절연체 구조물의 측벽(205)은 전체 방전계를 지지하며, 산소 공급구(206), 물 공급구(207) 및 오존수 배출구(208)를 구비하고 있다. 한편, 산소의 공급이 혼합 매질 형태의 공급에 의해서만 이루어질 경우, 산소 공급구(206)와 물 공급구(207)는 별도로 설치되지 아니할 것이다. 산소 공급구(206) 및 물 공급구(207)를 통해 산소 및 물이 공급되고 이들은 고전압 전원

발생부에서 도입된 고전압 전원에 의해 방전이 이루어지고, 생성된 오존수는 오존수 배출구(208)를 통해 배출되게 된다. 전극(200a, 200b)과 절연체 구조물(202)의 연결은 통상의 연결부재에 의해 성취되며, 그 예로는 접착제를 이용한 연결을 들 수 있다. 금속 전극(200a, 200b)을 감싸고 있는 절연체(201a, 201b)의 두께 및 절연체(201a, 201b) 사이의 거리는 방전 효율, 인가되는 전압 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있으며, 약 20 kV의 전압을 인가할 경우 물 층을 포함하여 1-5 cm의 방전 공간, 바람직하게는 1-3 cm 정도, 가장 바람직하게는 약 2 cm 정도의 방전 공간이 효과적인 전계를 형성하였다.

절연체 표면의 구조 및 전극의 구조는 절연체 방전을 채용할 수 있는 범위 내에서 다양하게 채용될 수 있다. 예를 들면, 도 3(a)에 나타낸 것처럼, 두 개의 전극이 모두 평평한 표면을 갖는 평면전극이고, 이들이 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 절연체에 의해 절연된 구조를 갖거나, 도 3(b)에 나타낸 것처럼, 두 개의 전극이 모두 평평한 표면을 갖는 평면전극이고, 이들 중 어느 하나가 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 절연체에 의해 절연된 구조를 갖거나, 도 3(c)에 나타낸 것처럼, 두 개의 전극이 모두 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 전극이고, 이들이 평평한 표면을 갖는 절연체에 의해 절연된 구조를 갖거나, 도 3(d)에 나타낸 것처럼, 두 개의 전극 중 어느 하나가 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 전극이고, 이들이 평평한 표면을 갖는 절연체에 의해 절연된 구조를 가질 수 있다. 이들은 모두 배열식 점대점 (point-to-point) 또는 선대점(line-to-point) 전극구조라 할 수 있으며, 이러한 전극 구조는 절연체의 표면에 국소적으로 아주 높은 전계를 만들어서 물방전의 방전전압을 낮추는 효과가 있다[8].

배열식 점대점 (point-to-point) 전극 또는 선대점(line-to-point) 전극구조 외에도, 도 4에 도시한 바와 같이, 절연체 표면의 구조를 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 형태의 산 대신에 오목오목한 홈들도 대체할 수 있으며, 이렇게 함으로써 표면 장력에 의해 산소 기체가 홈 내부에 갇히게 되고, 이 홈들에 갇혀 있는 산소 기체에서 방전이 시작되어 주 방전으로 진전된다. 이 경우, 전극의 구조는 특별히 제한되지 아니하며, 평면 전극 또는 산 형태로 가공된 전극일 수 있다.

더 나아가, 절연체 및 전극 모두를 평평한 형태로 구성할 수 있다. 절연체 및 전극이 모두 평평한 형태일 경우 절연체 또는 전극의 가공 공정을 생략할 수 있다는 장점을 가지나, 이를 경우에는 산소를 이계면 형태로 수중 방전계에 유입시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 오존수 발생장치는 잉여오존 제거기를 추가로 포함하는 것이 바람직하며, 상기한 잉여오존 제거기는 수중방전계의 오존수 배출구에 도관을 통해 연결되며, 물에 용해되지 않고 기체 형태로 존재하는 잉여오존을 제거하여, 기체 형태의 오존이 외부로 유출되어 환경오염을 야기하는 것을 방지하는 역할을 한다. 즉 기체 상태의 오존을 제거하여 환경규제보다 낮은 농도로 방출시키기 위함이다. 잉여오존 제거기는 물을 사용하는 스크러버(Scrubber)식으로 구성되는 것이 바람직하며, 잉여오존의 농도를 낮추어서 오존 기체는 대기 중으로 방출시키고 사용된 물은

낮은 농도의 오존수이므로 순환부로 공급해서 활용할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 오존수 발생장치(5)의 바람직한 구현예에 대한 개략도를 도시한 것으로서, 물(일반수 또는 이온 제거수를 포함함)(500)은 저수조(501)에 저장되며, 펌프(502)에 의해 고압으로 유지된 채 냉각기(503)를 통과하여 수중 방전계(504)에 공급된다. 한편, 냉각기와 수중 방전계 사이에 잉여의 산소 공급원(505)을 설치하여 산소(또는 공기와 같이 산소를 포함하는 혼합가스)를 공급함으로써 이계면 흐름으로 공급하거나 산소와 물이 서로 섞여 있는 형태로 공급할 수 있다. 바람직하게는, 이계면 흐름으로 공급하는 것이다. 한편, 산소 발생기(506)에서 생성된 산소는 인젝터(507)를 경유해 미세기포형태로 수중 방전계(504)에 공급될 수 있다. 산소의 유량은 유량 조절기(508)에 의해 적절히 조절될 수 있다. 다만, 전술한 바와 같이, 산소의 공급은 산소 공급원(505)에 의한 공급, 산소 발생기(506) 및 인젝터(506)에 의한 공급 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 성취될 수 있다.

절연체에 의해 절연된 전극 구조를 갖는 수중 방전계(504)에는 고전압 전원(509)에 의해 고전압이 인가되며, 인가된 고전압을 이용한 절연체 방전에 의해 공급된 산소를 수중에서 직접 오존으로 전환시켜 오존수를 생산한다. 생성된 오존수는 잉여오존 제거기(510)로 배출되고, 잉여오존 제거기(510)는 물에 용해되지 않고 기체 상태로 존재하는 오존을 제거하여 환경 기준이 허용하는 낮은 농도로 오존을 대기 중으로 배출하게 된다. 잉여오존 제거기(510)를 통과한 오존수는

펌프(511)를 통해 저수조(501)로 보내지고, 다시 상기와 같은 순환을 거듭하여 고농도의 오존이 함유된 오존수를 생성하게 된다. 얻어진 고농도의 오존이 함유된 오존수는 저수조(501)에서 배출되어 다양한 용도에 사용하게 된다. 구체적으로는, 고농도의 오존수는 반도체 및 TFT-LCD 제작 공정 중 에싱과 클리닝의 용도로 사용될 수 있으며, 환경분야에 있어서는 상수의 고도정수처리, 오수, 하수 및 폐수처리 시설 그리고 살균/소독시설에 유용하게 사용될 수 있다. 한편, 이산화탄소와 같은 첨가 가스 및 과산화수소를 상기 공정 중에 첨가하여 오존수의 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명은 또한 절연체 방전을 이용한 오존수의 생성방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 산소 및 물을 절연체 방전을 채용하는 수중 방전계 내부로 주입하고, 주입된 산소 및 물을 고전압 교류 전원 발생부에서 공급된 에너지에 의한 절연체 방전을 수행하여 오존수를 생성시키고, 생성된 오존수를 잉여오존 제거기를 통과시켜 기체 상태의 잉여오존을 오존수로부터 제거하는 단계를 포함한다. 여기서 상기 방법은 재순환에 의해 용존 오존의 양을 향상시킬 수 있으며, 냉각기로 오존수의 온도를 낮춤으로써 용존 오존의 양을 추가로 증가시킬 수 있다. 그리고, 전술한 바와 같이 상기한 배열식 점대점 전극 구조에 의한 절연체 방전이 바람직하며, 필요한 경우 윗 쪽에 설치되어있는 전극의 절연체 표면은 피라미드 형태의 산 대신에 오목오목한 홈들을 만들어 이 홈들에 갇혀 있는 산소 기체에서 방전이 시작되어 주 방전으로 진전되도록 할 수 있다. 또한 전극과 전극사이에 산소 기체 흐름 층과 물

흐름 층의 이계면 흐름(two phase flow)을 만들어 산소 기체층에서 방전이 시작되어 주방전으로 진전되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 오존수 발생장치는 산소를 이용하여 오존을 발생시키고, 발생된 오존을 물에 용해하는 방식의 오존 발생장치와 달리 오존 접촉기 등과 같은 부대 시설을 포함하지 아니하며, 또한, 펄스파 코로나 방전 보다 높은 주파수를 사용함으로써 오존의 용존율을 현저히 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 오존수 발생장치는 2계면 상태로 산소를 공급할 경우 120 mg의 농도를 가진 오존수 1300 ml를 25분 안에 발생시킬 수 있었다. 더 나아가, 고농도의 오존수를 생성함으로써 오존수의 pH를 낮추어 오존수의 반감기를 증가시킬 수 있다. 예를 들면, 120 mg의 농도를 가진 오존수 1300 ml의 경우, 반감기가 약 10시간으로서 기존의 오존수(반감기: 평균 약 25분) 보다 현저히 증가된 반감기를 가졌다. 이러한 오존 반감기의 증가는 오존 분해 물질인 OH^- 이온의 감소에 기인하는 것으로 판단된다. 즉, 120 mg의 농도를 가진 오존수 1300 ml의 pH는 3 정도이였으며, 현저히 낮아진 pH에 의해 용액 속에 존재하는 오존분해물질인 OH^- 이온이 감소되고 따라서 오존의 반감기가 증가된 것으로 판단된다. 오존수의 증가된 반감기는 수처리 시스템을 설계하는 데 많은 이점을 제공할 수 있다.

참고문헌

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도 1은 이계면 흐름층을 채용하는 절연체 방전계를 보여준다.

도 2는 본 발명의 수중 방전계에 대한 사시도이다.

도 3 및 4는 본 발명의 수중 방전계에 대한 전극 및 절연체 표면의 구조를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 오존수 발생장치(5)의 바람직한 구현예에 대한 개략도를 도시한 것이다.

Claims (14)

1. a) 고전압을 수중 방전계 내부에 도입하는 고전압 교류 전원 발생부,

   b) 저수조, 펌프 및 냉각기를 구비하고 오존수 생성을 위한 물을 수중 방전계 내부에 주입하는 물 공급부, 및

   c) 적어도 산소를 포함하는 가스를 수중 방전계 내부에 주입하는 산소 공급부,

   d) 하나 또는 두개의 절연체에 의해 절연된 두개의 금속 전극 및 전극을 감싸고 있는 절연체 구조물을 구비하며, 고전압 교류 전원 발생부에서 공급된 에너지를 이용한 절연체 방전에 의해 산소 공급부 및 물공급부에서 공급된 산소 및 물로부터 오존 및 오존수를 생성하는 수중 방전계를 포함하는 오존수 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연체에 의해 절연된 금속전극이 아래의 a) 내지 d)로 구성되는 군에서 선택되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치:

   a) 두 개의 금속 전극이 모두 평평한 표면을 갖는 평면전극이고 이들이 평평한 표면을 갖는 절연체에 의해 절연된 구조,

   b) 두 개의 금속 전극이 모두 평평한 표면을 갖는 평면전극이고 이들이 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 절연체에 의해 절연된 구조,

   c) 두 개의 금속 전극이 모두 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 전극이고 이들이 평평한 표면을 갖는 절연체에 의해 절연된 구조, 및

   d) 두 개의 금속 전극 중 하나는 피라미드, 삼각봉 또는 원뿔 모양으로 가공된 전극이고 다른 하나는 평평한 표면을 갖는 평면전극이고 이들이 평평한 표면을 갖는 절연체에 의해 절연된 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 절연체의 구조가 그 표면에 복수의 오목오목한 홈을 갖고, 표면 장력에 의해 산소 기체가 홈 내부에 갇히게 되고, 이 홈들에 갇혀 있는 산소 기체에서 방전이 시작되어 주방전으로 진전되는 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 산소 공급부가 산소 공급원과 인젝터, 산소 공급원과 기포발생기, 물 공급부와 수중 방전계를 연결하는 도관에 설치된 산소 공급원 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 산소 공급부가 물 공급부와 수중 방전계를 연결하는 도관에 설치된 산소 공급원을 포함하고, 산소 공급이 산소층과 물층이 서로 분리되어 있는 이계면 흐름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 오존수 발생장치가 순환식인 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 오존수 발생장치가 물에 용해되지 않고 기체 형태로 존재하는 잉여오존을 제거하기 위한 잉여오존 제거기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
8. 제1항에 있어서, 산소 외에도 질소, 아르곤, 이산화탄소 및 과산화수소로 구성되는 군에서 선택되는 첨가가스가 추가로 수중 방전계로 공급되는 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
9. 제1항에 있어서, 산소가 공기의 형태로 공급되는 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 오존수 발생장치가 반도체 및 TFT-LCD 제작 공정 중 에싱 또는 클리닝의 용도인 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 오존수 발생장치가 상수의 고도정수처리, 오수, 하수, 폐수처리 시설, 살균소독시설 및 난분해물질의 산화용인 것을 특징으로 하는 오존수 발생장치.
12. a) 산소 및 물을 절연체 방전을 채용하는 수중 방전계 내부로 주입하고,

    b) 주입된 산소 및 물을 고전압 교류 전원 발생부에서 공급된 에너지에 의한 절연체 방전을 수행하여 오존수를 생성시키고,

    c) 생성된 오존수를 잉여오존 제거기를 통과시켜 기체 상태의 잉여오존을 오존수로부터 제거하는 단계를 포함하는 절연체 방전을 이용한 오존수의 생성 방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 방법이 생성된 오존수의 재순환에 의해 용존 오존의 양을 증가시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 오존수 생성 방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 산소 및 물의 공급이, 물 공급부와 수중 방전계를 연결하는 도관에 설치된 산소 공급원에 의해, 산소층과 물층이 서로 분리되어 있는 이계면 흐름으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오존수 생성 방법.