KR100747178B1

KR100747178B1 - 차량의 하이브리드 공기청정 시스템

Info

Publication number: KR100747178B1
Application number: KR1020060055510A
Authority: KR
Inventors: 성낙섭; 백홍구; 최재혁
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2007-08-07

Abstract

본 발명은 차량의 하이브리드 공기청정 시스템에 관한 것으로,

현재 시판중인 여러 가지 공기청정기를 분석해본 결과 코로나방전을 이용하는 구조의 경우 오존 생성량이 큰 문제점이 있으며, 플라즈마를 이용하지 않고 필터와 음이온팁에 의존하는 타입의 경우에는 필터 교체를 주기적으로 해줘야 하는 불편함과 동시에 대기중을 떠도는 세균과 곰팡이 등의 살균에는 거의 영향을 못 미치는 문제가 있었던 바,

세라믹 표면에 상부 표면과 하부 표면 설치된 전극에 고전압을 인가하여 공기를 이온화시킨 후 생성된 전자와 양이온이 세균 및 냄새 분자와 반응하여 살균, 분해과정을 거쳐 차량 내부의 공기를 정화시키는 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD)의 공기청정기를 차량의 공조시스템(HVAC) 내부에 설치하는 것 등을 특징으로 하는 본 발명에 의하면 공기정화, 살균에 필요한 다량의 중성 활성종들을 생성시키며 공기의 흐름에 따라 이동하면서 내부의 에바 코어(Eva core) 표면에 기생하는 세균, 곰팡이를 효과적 제거할 수 있게 되고, 대면적화가 용이하여 블로워 유니트(Blower Unit)의 크기 등 여러가지 요구 조건에 따라 반응기의 디자인을 다양화 할 수 있게 되며, 적은 소모전력으로 높은 방전효율을 얻을 수 있게 됨은 물론 기존의 차량용 공기청정기와 같이 차량 내부에 설치되어 공조시스템(HVAC) 내부의 냄새, 세균을 원천적으로 제거하지 못하는 타입과는 달리 공조시스템(HVAC) 내부에 장착하여 유입되는 공기의 정화, 살균은 물론 에어컨 냄새 등의 근본적인 제거가 가능하게 되는 등의 효과를 얻을 수 있게 된다.

공기청정기, 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD), 공조시스템(HVAC)

Description

차량의 하이브리드 공기청정 시스템 {a hybrid air cleaning system for a vehicle}

도 1은 필터와 음이온 팁을 사용한 공기청정 개략도

도 2a는 핀 투 플레이트(pin-to-plate) 방식의 DC 코로나 방전 공기청정 개략도

도 2b는 와이어 투 플레이트(wire-to-plate) 방식의 DC 코로나 방전 공기청정 개략도

도 3은 메쉬 DBD 반응기 구조도

도 4a는 본 발명의 코로나 방전 및 자외선 생성량 실험에서 사용된 멀티포인트 코로나 전극 구조도

도 4b는 동 실험에서 사용된 한 메쉬 DBD 전극 구조도

도 4c에 동 실험에서 사용된 다른 메쉬 DBD 전극 구조도

도 5a는 도 4a의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 5b는 도 4b의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 5c에 도 4c의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 6은 메탈전극 플레이트를 사용한 플레이트 DBD 전극 구조도

도 7은 도 6의 플레이트 DBD 전극과 비교를 위한 본 발명의 메쉬 DBD전극 구조도

도 8a는 운모를 유전체로 사용한 경우 도 6의 플레이트 DBD의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 8b는 운모를 유전체로 사용한 경우 도 7의 메쉬 DBD의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 9a는 알루미나를 유전체로 사용한 경우 도 6의 플레이트 DBD의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 9b는 알루미나를 유전체로 사용한 경우 도 7의 메쉬 DBD의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 10a는 유리를 유전체로 사용한 경우 도 6의 플레이트 DBD의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 10b는 유리를 유전체로 사용한 경우 도 7의 메쉬 DBD의 자외선 생성량을 나타낸 그래프

도 11a는 도 6의 플레이트 DBD의 방전 상태도

도 11b는 도 7의 메쉬 DBD의 방전 상태도

도 12는 고체 배지에 의한 살균실험을 위한 DBD 장치 개략도

도 13은 플라즈마에 의한 물리적/화학적 살균효과 검증을 위한 실험장치 사진

도 14a는 도 12 및 도 13의 실험장치에 의한 대장균 살균 실험 결과 사진

도 14b는 도 12 및 도 13의 실험장치에 의한 고초균 살균 실험 결과 사진

도 14c는 도 12 및 도 13의 실험장치에 의한 녹농균 살균 실험 결과 사진

도 15는 액체 배지에 의한 살균실험을 위한 DBD 장치 개략도

도 16은 대장균 액체 배지에 의한 살균 실험 결과 사진

도 17은 대장균 액체 배지에 의한 살균 실험 결과 그래프

도 18은 대장균 액체 배지에 의한 다른 살균 실험 결과 그래프

도 19a는 대장균 플라즈마 살균 미처리 샘플 사진

도 19b는 대장균 플라즈마 살균 처리 샘플 사진

도 20a는 고초균 플라즈마 살균 미처리 샘플 사진

도 20b는 고초균 플라즈마 살균 처리 샘플 사진

도 21a는 녹농균 플라즈마 살균 미처리 샘플 사진

도 21b는 녹농균 플라즈마 살균 처리 샘플 사진

도 22a는 폴리라이신 살균실험 DBD 전극 구조도

도 22b는 폴리라이신 살균실험 Coplanar DBD 전극 구조도

도 23a는 폴리라이신 살균실험 DBD 전압-전류 파형도

도 23b는 폴리라이신 살균실험 Coplanar DBD 전압-전류 파형도

도 24는 폴리라이신 살균실험 전자현미경 사진

도 25는 본 발명의 마이크로갭 DBD의 단면 개략도

도 26은 청풍 그린나라 코로나 공기청정기 사진

도 27은 탁상용 샤프 공기청정기 사진

도 28은 살균실험의 개략도

도 29는 마이크로 DBD의 콜로니 개수 측정 결과 그래프

도 30은 공기 순환 시스템에서 마이크로갭 DBD 살균실험장치 사진

도 31은 공기 순환 시스템에서의 마이크로갭 DBD 살균실험 결과 사진

도 32는 Coplanar DBD 반응기 개략도

도 33a에서 도 33c는 Coplanar DBD의 전극 패터닝 디자인 상태도

도 34는 Coplanar DBD 시제품 사시도

도 35는 마이크로갭 DBD 시제품 사시도

도 36은 Coplanar DBD 전극 단면도

도 37은 Coplanar DBD 전극 정면도

도 38은 Coplanar DBD 상부 전극 디자인 상태도

도 39는 Coplanar DBD 상부 전극 패턴 상태도

도 40은 Coplanar DBD의 단면도

도 41은 최종 차량용 Coplanar DBD의 단면도

도 42는 실험용 공기순환 플라즈마 반응기 사진

도 43a는 도 42의 반응기 토출부 바로 아래쪽에 샘플을 위치시킨 상태의 사진

도 43b는 도 42의 반응기 팬 아래에 샘플을 기울여 위치시킨 상태의 사진

도 44a는 도 43a의 위치에서 살균실험을 수행한 결과 사진

도 44b는 도 43b의 위치에서 살균실험을 수행한 결과 사진

도 45는 실차 장착용 Coplanar DBD 반응기 단면도

도 46은 배면 표면장벽방전(Coplanar DBD)의 전극패턴 형태도

도 47은 coplanar DBD 반응기를 장착할 위치를 포함한 블로워 유니트(blower unit) 단면도

도 48 및 도 49는 셋업이 완료된 coplanar DBD 차량용 공기청정기 장착 사진

도 50a는 공조시스템 장착 coplanar DBD의 대장균 살균 실험 결과 사진

도 50b는 공조시스템 장착 coplanar DBD의 녹농균 살균 실험 결과 사진

도 50c는 공조시스템 장착 coplanar DBD의 고초균 살균 실험 결과 사진

도 51a에서 도 51d까지는 공조시스템 내부의 유속 분포 시뮬레이션 결과 사진

본 발명은 차량의 하이브리드 공기청정 시스템에 관한 것으로, 더 자세하게는 공기를 이온화시킨 후 생성된 전자와 양이온이 세균 및 냄새 분자와 반응하여 살균, 분해과정을 거쳐 차량 내부의 공기를 정화시키는 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD) 방식의 공기청정기를 공조시스템(HVAC)에 장착한 것에 관한 것이다.

현재 일반적으로 사용되는 차량용/가정용 공기청정기는 구조에 따라 크게 몇 가지로 분류할 수 있다.

즉, 차량용/가정용 공기청정기으로는 코로나 방전을 통해 음이온을 생성시킴과 함께 차량 내부에 존재하는 오염원을 이온화시켜 집진하고, 미량의 오존을 발생시켜 살균 및 냄새 제거를 하는 코로나 방전타입의 것, 필터와 팬을 이용하여 차량 내의 유해한 물질을 필터에 흡입시킨 후 걸러서 제거하는 필터타입의 것, 여러 보고 등을 통해 인체에 유익하다고 알려진 음이온을 다량 생성시켜 대기중의 세균이나 냄새 분자들을 분해하는 음이온 생성타입의 것 등이 주로 사용되고 있다.

현재 해외 시장에서 개발, 시판되는 차량용 공기청정기는 초기에는 미국에서 가장 먼저 기술 개발과 적용이 시작되었으나 그 뒤를 일본과 우리나라가 후발주자로 쫓아가 현재는 한국, 일본, 미국이 모두 동일한 타입의 차량용 공기청정기를 제작, 시판 중이며 상대적으로 유럽에서는 차량용 공기청정기에 대한 인식이 크지 않은 상태이다.

현재 차량용 공기청정기는 거의 모두가 코로나 방전 타입을 사용하고 있으며, 청정기의 장착 위치에 따라서 아래와 같이 크게 3가지로 나눌 수 있다.

① 차량 후반부 탑재 타입 ; 차량 후반부 탑재 타입은 현재 국내외에서 사용되는 차량용 공기청정기 중에서 가장 대중적인 모델이다.

이 타입은 차량 내부의 공기의 흐름과 정화된 깨끗한 공기의 흐름이 서로 반대 방향이 되므로 실제 운전자나 탑승자가 정화된 공기를 접하기 힘든 큰 단점이 있다.

② 차량 전반부 외기 주입부 장착 타입 ; 이 타입은 필터를 거쳐서 차량 내 부로 최종적으로 주입되는 토출부 앞에 코로나 방전 타입 청정기를 배치하여, 외기를 받아들이거나 차량 에어컨을 가동시켰을 때, 청정 효과를 보고자 하는 타입이다.

하지만 이 타입은 오존 생성을 향상시키며, 오존이 인체에 직접적으로 접하게 되는 구조이므로 바람직한 타입이 아니다.

또한 차량 미관상 깔끔해 보이지 않는 단점도 존재한다.

③ 시거잭 장착 타입 ; 이 타입은 차량 내부의 시거잭에 슬롯 형태로 꽂아서 편하게 이용할 수 있는 차량용 공기청정기이다.

기존의 일반적인 형태인 차량 후반부 탑재 타입에 비해서 사용이 편리한 장점이 있지만 코로나 방전 타입의 근본적인 문제점인 다량의 오존 생성과 수명이 짧은 음이온 생성으로 인해 실제로 큰 공기청정, 살균 효과를 본다는 것은 무리이다.

위에서 분류한 세 가지 해외 차량용 공기청정기 타입들은 국내에서도 거의 유사하게 사용되고 있다.

현재 국내에서 가장 많이 판매되는 차량용 공기청정기는 청풍 차량용 청정기와 만도 공기청정기이며, 이들 타입도 역시 코로나 방전을 사용하고 있다.

그 밖의 차량용 공기청정기 타입으로는 필터 공기 청정기 타입이 존재하지만 이 타입은 코로나 방전 타입에 비해 대중적이지는 않다.

현재 시판되는 차량용 공기청정기가 대부분 코로나 방전 타입을 사용하는 이유는 차량용 12V 파워 서플라이(power supply)를 이용하여 방전을 위한 DC 고전압 인버터를 제작하는 것이 간단하며, 전극 구조 또한 뾰족한 탐침과 평평한 금속판만 있으면 가능하므로 가격이 저렴한 장점이 있기 때문이다.

하지만 DC 코로나 방전시 생성되는 다량의 오존이 인체에 치명적인 해를 끼치며, 더구나 오존은 수명이 길기 때문에 밀폐된 공간으로 볼 수 있는 차량 내부를 떠다니다 운전자와 탑승자가 들이마시게 된다.

또한, DC 코로나 방전을 통해 생성되는 음이온의 경우에는 수명이 매우 짧아서 인체에 유익한 효과를 실질적으로 보여주지 못한다.

그럼에도 불구하고 대부분의 공기청정기 시장을 코로나 타입 것들이 주도하는 이유는 아직 가정용 및 차량용 공기청정기 시장이 완전히 성숙하지 못한 상태여서 대부분의 구매자들은 어떤 청정기가 인체에 가장 유익한가를 판가름하기보다는 가격이 저렴하다는 코로나 타입 청정기의 장점을 구매자들이 가장 중요하게 인식하기 때문이다.

결과적으로 본 발명에서는 펄스(pulse) 파워 서플라이(power supply)를 이용한 메쉬 DBD와 표면장벽 방전(coplanar DBD) 타입, 혹은 두 구조보다 성능이 월등한 새로운 구조의 차량용 공기청정기를 제작하여 기존의 코로나 방전에 비해 월등히 많은 자외선, 활성종 생성을 통해서 탈취, 집진, 살균 및 유해가스 분해 효과를 누리고자 한다.

가정용 공기청정기 시장은 차량 공기청정기 시장에 비해 더 크고 여러 업체들이 제품을 연구 개발하고 있어, 공기정화, 살균과 관련한 여러가지 신기술이 도입되고 개발되는 상황이다.

따라서 현재 가정용 공기청정기 시장의 동향 및 신기술을 파악하는 것은 차 량 공기청정기 개발시 새로운 아이디어를 얻고 효율적인 구조를 찾는데 좋은 본보기가 된다.

따라서 간략하게 가정용 공기청정기 분야의 연구 동향 및 기술 리뷰를 정리하였다.

현재 가정용 공기 청정기는 구조에 따라 크게 몇 가지로 분류할 수 있다.

① 코로나 방전 타입 ; 먼저 일반적인 구조로서 코로나 방전을 통해 음이온을 생성시킴과 함께 차량 내부에 존재하는 오염원을 이온화시켜서 집진시키고, 미량의 오존을 발생시켜 살균 및 냄새 제거의 효과를 주는 타입이다.

② 필터 타입 ; HEPA 필터 등의 필터와 팬(Fan)을 이용하여 차량 내의 유해한 물질들을 필터에 흡입시킨 후 걸러서 제거하는 타입이다.

③ 음이온 생성 타입 ; 여러 보고 등을 통하여 인체에 유익하다고 알려진 음이온을 다량 생성시켜 대기중의 세균이나 냄새 분자들을 분해하는 타입이다.

④ 표면 장벽 방전(Coplanar DBD, Surface DBD) 타입 ; 유전체 표면에서 방전이 일어나며 방전전압이 낮고 오존 생성량이 적은 장점이 있다.

그밖에 활성탄과 같은 탄소 성분의 물질을 첨가하거나 산화티탄(TiO₂₎, 이산화망간(MnO₂₎ 등의 촉매를 이용한 타입도 부가적으로 사용되고 있다.

전술한 바와 같이 공기청정기의 기술, 즉 청정 시스템에 있어서는 크게 2가지로 구분할 수 있다.

먼저 첫 번째로 도 1과 같이 필터와 음이온 팁을 사용한 시스템을 들 수 있 다.

즉, HEPA필터, 활성탄 필터 등을 통해서 먼지를 집진하고, 탈취와 유해가스 등을 제거한 후 음이온 팁을 통해서 음이온을 생성하는 시스템인데, 이는 0.3μm이하의 미세먼지, 담배연기 등은 제거할 수 없으며 필터를 주기적으로 교체해주어야 하므로 불편함과 함께 유지비가 드는 단점이 있다.

두 번째로 도 2a 및 도 2b와 같이 핀 투 플레이트(pin-to-plate)나 와이어 투 플레이트(wire-to-plate)와 같은 DC 코로나 방전 시스템을 들 수 있다.

특히 초기 공기청정기 모델의 대부분이 이 DC 코로나 방전 시스템을 사용해왔는데, 이 시스템은 단순한 구조로 가격이 저렴하다는 장점이 있으나 자외선 생성량이 적으며 인체에 유해한 오존이 많이 생성되는 문제점이 있다.

따라서 공기 중에서의 수명이 긴 오존의 특성상, 가정 내부에 오랜 시간 머물면서 사람들의 건강을 해치게 되므로 코로나 방전 타입은 다른 플라즈마 타입에 비해 단점이 많다고 볼 수 있다.

다음에 시중에 판매되고 있는 가정용 공기청정기의 기술을 간략히 검토하면다음과 같다.

① 에어피아(Airpia) 공기청정기

에어피아 공기청정기는 분진 등의 입자를 걸러주는 3단계의 필터(프리필터, HEPA필터, 활성탄필터)가 갖춰져 있으며, 그 후 허니컴(Honeycomb) 타입의 산화티탄(TiO₂) 광촉매와 이 광촉매를 활성화시키는 자외선(UV)램프가 2개 존재한다. 이 시스템을 거친 공기는 그 후 팬을 거쳐 아로마테라피 효과를 주는 솔잎향기 부분을 지나 정화된 공기로 배출된다.

② 광촉매 코팅 조화(彫花)

이는 조화(artificial flower)의 잎에 산화티탄(TiO₂)을 코팅하여 햇빛이나 형광등에 포함된 자외선(UV)에 의해 광활성화되어서 조화 근처 대기중의 오염원을 분해, 제거한다.

③ 벤타(Venta) 공기정화기

벤타 공기정화기는 내부에 회전하는 두 개의 폴리머 디스크가 존재하여 청정기 윗부분의 팬에 의해서 흡입된 유해먼지와 가스들이 디스크 표면의 수막에 포집된다.

이때 회전하는 디스크가 물에 잠기면서 물에 침전되는 물의 흡착력을 이용한 공기정화기이다.

상기 청정기 내부의 물에 살균액이나 농축향 등의 첨가제를 조절함으로써 살균효과나 아로마테라피 등의 다양한 부가기능을 첨가할 수 있다.

④ 동명 flow : 해파공기정화기 SCA-725HM1

해피공기정화기는 전기장을 가속시켜 대기중으로 전자를 방출하는 날카로운 3개의 음극팁에 의해 팬을 거쳐서 나온 산소와의 전자결합(electron attachment)을 유도하고, HEPA 필터를 통해서 0.3um이상의 분진, 먼지들을 제거하는 구조이다.

이 구조는 실제적인 플라즈마 방전이 없기 때문에 오존 생성이 전혀 일어나 지 않으며, 구조상의 문제로 실제 음이온 생성량은 저조하였다.

⑤ 싹솔 공기청정기

싹솔 공기청정기는 스피어(sphere) 형태의 독특한 디자인을 가지고 있으며, 물 방전에 의해 공기정화가 주로 이루어진다.

물 속에 담긴 활성탄을 통해서 탈취작용을 일으키며, 또한 옥석이 첨가되어 원적외선 효과를 준다.

싹솔공기청정기는 청풍 그린나라와 같이 코로나 방전을 하는데, 물이 양극 역할을 하는 타입이며, 코로나 방전을 통해 생성된 오존을 물이 필터 역할을 하여 제거해주는 구조이다.

⑥ 웅진 케어스 공기청정기

웅진 케어스 산소발생 공기청정기는 제올라이트를 이용한 산소발생기를 공기청정기와 일체형으로 추가하였고, 일반적으로 사용되는 프리필터, HEPA필터, 수세 탈취필터에 AC 고전압을 인가하여 탈취 필터로 적용하였다.

⑦ 샤프 클러스터 공기청정기

샤프 클러스터 공기청정기는 탈취목적의 활성탄과 집진을 위한 HEPA필터에 걸러진 공기가 플라즈마에 의해 이온화된 후 대기중의 수증기와 반응하여 OH 래디컬을 생성시키는 구조이다.

따라서 이러한 청정기를 통해서 생성된 음이온과 OH 래디컬에 의해서 인플루엔자 바이러스를 살균하면서 오존생성이 거의 없는 시스템이다.

하지만 실제 생성되는 음이온의 양이 극히 적고, 회사 차원에서 메커니즘으 로 설명하는 OH 래디컬이 생성된다는 증명을 검증한 실험이 없으며, 본 연구실에서의 실험에서도 이는 마찬가지로 나타났다.

샤프 플라즈마 반응기의 구성물질을 확인하기 위해 XRD분석을 해본 결과 양 전극은 티타늄(Ti)이며 전극 사이를 메꾸는 유전체는 알루미나(Al₂O₃)인 것이 확인되었다.

샤프 청정기 전극의 위쪽 표면은 패턴되어 있으며, 패턴된 모양은 뾰족한 끝부분이 전기장을 강하게 걸리게 하는 역할을 하여 낮은 전압에서도 방전이 이루어지도록 한다.

또한 이 청정기에서 사용되는 DBD (Dielectric Barrier Discharge) 타입은 PDP 디스플레이에서 이용되는 표면장벽(coplanar) DBD 타입을 조금 변형시킨 것으로 볼 수 있다.

결론적으로 시판중인 여러 가지 공기청정기를 분석해본 결과 코로나방전을 이용하는 구조의 경우 오존 생성량이 큰 문제점이 있으며, 플라즈마를 이용하지 않고 필터와 음이온팁에 의존하는 타입의 경우에는 필터 교체를 주기적으로 해줘야 하는 불편함과 동시에 대기중을 떠도는 세균과 곰팡이 등의 살균에는 거의 영향을 못 미치는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 실정을 감안하여 안출한 것이며, 그 목적이 소음이 적고, 플라즈마 효율이 뛰어나며, 생성되는 활성종의 양이 많고 반응기의 수명이 더 길고, 역압이 적게 걸리는 차량용 공기청정기를 통해 차량 내부의 공기청정효율을 향상시킬 수 있도록 하는 차량용 하이브리드 공기청정 시스템을 제공하는 데에 있는 것이다.

아울러 본 발명은 그 다른 목적이 대면적화가 용이하며 따라서 블로워 유니트(Blower Unit)의 크기 등 여 러가지 요구 조건에 따라 반응기의 디자인을 다양화 할 수 있도록 함은 물론 적은 소모전력으로 높은 방전효율을 얻을 수 있도록 하는 차량용 하이브리드 공기청정 시스템을 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 세라믹 표면에 상부 표면과 하부 표면 설치된 전극에 고전압을 인가하여 공기를 이온화시킨 후 생성된 전자와 양이온이 세균 및 냄새 분자와 반응하여 살균, 분해과정을 거쳐 차량 내부의 공기를 정화시키는 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD)의 공기청정기를 차량의 공조시스템(HVAC) 내부에 설치하는 것 등을 특징으로 하며, 이하 그 구체적인 기술내용을 첨부도면에 의거하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 일차적으로 제시하는 하이브리드형 차량 공기청정기는 기존 차량용 공기청정기의 구조인 코로나 타입에 비해 월등히 많은 음이온과 자외선을 생성시킬 수 있는 방전 타입으로서 서로 마주 보는 전극 중 하나 이상이 메쉬로 형성된 금속 전극과, 금속 전극의 서로 마주보는 면에 형성되는 유전체로 이루어지는 메쉬 DBD 시스템이다.

이러한 메쉬 DBD 멀티 글로우 방전을 이용하여 최적의 플라즈마 반응기를 개발하고자 하였고, 또한 메쉬 DBD구조에 더하여 최근 각광을 받고 있는 표면장벽(Coplanar) DBD 구조를 제작하여 살균, 탈취 효과가 뛰어난 플라즈마 반응기를 제작하고자 하였다.

이와 더불어 메쉬 DBD, 표면장벽(Coplanar) DBD 구조를 뛰어넘는 신개념 플라즈마에 대한 지속적인 연구를 통해 차량 공기청정기에 최적화된 새로운 구조를 개발 제작하고자 하였다.

최종적으로 차량 공기청정기에 가장 적합한 새로운 플라즈마 타입 및 플라즈마 반응기를 확정짓고, 시제품을 완성하여 다방면의 테스트를 수행함으로써, 실제 차량에 적용하여 양산에 돌입할 수 있는 기본 실험결과를 완료하고자 하였다.

메쉬 DBD 글로우 방전은 멀티포인트 코로나 방전보다 고효율 대면적 방전이 가능하였으며, OES 분석 결과 활성종 및 자외선의 생성밀도가 더 높았고, 일반 금속 플레이트 DBD 방전보다 메쉬 DBD 방전이 활성종과 자외선 생성량에서 더 뛰어난 결과를 나타내었다.

또한 메쉬 DBD 시스템에서 생성되는 오존의 경우, 이산화망간 촉매를 이용하여 효과적으로 감소시켰고, 살균실험 결과, DBD 플라즈마는 대장균, 녹농균, 고초균 등의 시험세균들을 효과적으로 살균하였다.

하지만 메쉬 DBD 글로우 방전의 경우 방전시 소음이 발생하며 방전 전압이 높은데다 플라즈마 처리 지역이 좁아 차량 공기청정기 적용시 역압이 크게 걸리는 단점이 발견되었다.

따라서 이러한 메쉬 DBD 타입의 단점을 보완하고, 대기중에서 균일한 플라즈마를 생성할 수 있는 마이크로갭 DBD를 개발하였는데, 이 타입은 메쉬 DBD 방전에 비해 소음이 적으며 대면적 처리가 가능하고, 차량 팬 가동시의 빠른 유속에도 풍량 감소가 적다.

그리고 마이크로갭 DBD의 대장균 살균 실험 결과, 여타 공기청정기와 비교해서 뛰어난 살균 결과를 보여주었고, 실제 에어 플로우 시스템(AFS; Air Flow System)에 적용 시에도 마이크로갭 DBD 방전은 살균에 효과적이었다.

그러나 마이크로갭 DBD를 차량 내부에 장착 한 후 진행한 풍량테스트 결과, 메쉬 DBD에 비해서는 풍량 감소가 적지만 여전히 감소율이 큰 결과(약 20%)를 나타내었다.

따라서 최종적으로 낮은 전압에서도 구동이 가능하고 소음 발생과 풍량 감소가 거의 없으며, 진동테스트 결과 내구성도 뛰어났으며, 풍량 변화에도 방전전압이 거의 일정하게 유지되면서 살균, 공기청정 효과 또한 뛰어난 표면장벽(Coplanar) DBD 구조를 HVAC Unit 내부에 장착할 플라즈마 공기청정기 구조로 결정하였다.

이를 위해 표면장벽(Coplanar) DBD 시스템의 실차 적용에 앞서 스크린 프린터를 이용하여 시제품을 제작하였고, 공기순환 플라즈마 반응기를 제작하여 살균 효과를 평가해 본 결과, 시험샘플인 녹농균, 고초균, 대장균의 살균에 매우 효과적인 결과를 나타냈다.

또한 한라공조㈜의 도움을 받아 풍량, 소모전류 및 소음과 진동테스트를 진 행하였고, 이를 통해 반응기의 안정성과 내구성을 확인하였다.

그리고 유동시뮬레이션 프로그램인 플루언트(Fluent)를 사용하여 HVAC Unit 내부에 표면장벽(Coplanar) DBD 반응기가 장착 될 경우 발생할 수 있는 내부 유속 분포의 변화를 시뮬레이션을 통해 검토하였으며, 그 결과 반응기 내부의 전극 플레이트 표면을 지나가는 공기의 유속은 초기 입사 유속의 약 1.5배임을 알 수 있었다.

표면장벽(Coplanar) DBD에서 플라즈마는 전극 플레이트 표면에서 생성되므로 이러한 유속의 증가는 플라즈마를 균일하게 만들어주며, 플라즈마 생성으로 인해 발생하는 열도 제거하는 냉각 효과를 추가로 가져오므로 더 안정적인 방전이 가능한 것으로 나타났다.

도 3에 도시한 메쉬 DBD 반응기는 일반 플레이트 전극이 아닌 메쉬 전극을 사용하여 반응기 내부의 전기장 강화(electric field enhancement)는 물론 메쉬 전극의 기하학적인 구조를 통해 일반적인 스트리머 방전과는 달리 플라즈마의 균일성과 효율성이 뛰어난 멀티 글로우 방전을 생성할 수 있는 구조이다.

그 결과 기존의 코로나 방전 및 일반 DBD 방전에 비해서 자외선 발생량 및 OH 래디컬, O(원자 산소, atomic oxygen) 등 활성종의 생성량이 뛰어난 플라즈마를 생성하여 신개념 공기청정기 및 살균 시스템에 적용 가능하다.

메쉬 DBD 플라즈마는 고효율 글로우 방전 특성을 가지고 있는데, 고효율인 이유는 메쉬 전극의 기하학적 구조 원리를 이용하기 때문이다.

메쉬 전극의 기하학적 구조 원리란 전극의 규칙적인 배열 하에서 플라즈마를 발생시켰을 때 플라즈마 내의 전자의 농도는 메쉬의 고유 특성으로 인해 균일하게 분포하게 되어 글로우 플라즈마가 쉽게 발생하는 것을 말한다.

많은 학술 논문에서 이론적으로나 실험적으로나 기존의 공기청정기에서 사용하고 있는 코로나 방전보다는 글로우 방전이 오존 발생량과 자외선 발생량이 훨씬 많다는 것이 보고되어 왔다.

그러므로 오염 성분을 분해하는데 있어서 기존의 코로나 플라즈마보다는 본 발명에서 제안하는 메쉬 글로우 플라즈마를 이용할 경우 분해 효율이 수십배 향상될 것으로 예측된다.

또한 메쉬를 이용한 DBD 구조의 멀티 글로우 방전은 강한 자외선을 방출하므로 광촉매와 살균 효과를 동시에 나타낼 수 있어 하이브리드(플라즈마+광촉매+자외선) 타입의 공기청정 시스템이 가능하다.

용량적인 면에서도 메쉬 전극의 크기를 자유롭게 조절할 수 있어 플라즈마(plasma)의 부피를 안정적으로 크게 할 수 있어서 다량의 공기를 분해 처리하는데 적은 파워 소모를 기대 할 수 있어 고효율 대용량 청정 시스템을 구현 할 수 있다.

본 발명에서는 이러한 장점을 이용하여 플라즈마 파트와 광촉매 그리고 자외선 파트를 하나의 셀로 나타낼 수 있는 신개념의 하이브리드형 공기 청정기를 제안한다.

메쉬 DBD 전극으로 인해 고효율의 글로우 방전이 가능하며, 그에 따른 자외선(UV )생성밀도가 다른 방전 시스템에 비해 얼마나 뛰어난지를 확인하기 위해 OES(Optical Emission Spectroscopy)를 이용하여 살펴보았다.

본 실험에 사용된 3가지 전극 구조는 도 4a에서 도 4c까지와 같다.

도 4a에 도시한 멀티포인트 코로나 전극은 청풍의 기존구조인 그린나라 타입의 핀 투 플레이트(pin-to-plate) 코로나 방전과 유사하며, 도 4b에 도시한 메쉬 DBD와 도 4c에 도시한 다른 메쉬 DBD의 차이점은 도 4b가 유전체를 한쪽 전극에만 사용하였고, 도 4c가 양쪽 메쉬 전극 모두에 유전체를 사용한 데에 있다.

상기 실험에 사용된 파워 서플라이(Power supply)는 DC 펄스이며, 인가전압은 11kV, 그리고 인가주파수는 500Hz로 통일하였다.

실험에 사용된 유전체는 1mm 두께의 유리를 사용하였으며 전극간 간격은 2mm로 유지하였다.

위의 3가지 구조의 자외선 생성량을 측정하고자 OES장비를 이용하여 플라즈마에서 생성되는 빛의 스펙트럼을 출력, 분석하였으며, OES 분석결과는 도 5a에서 도 5c와 같다.

OES는 방전 중에 플라즈마 영역 내부에서 생성되는 빛에너지(hv)를 측정함으로써 플라즈마 내부에 존재하는 여러가지 활성종들의 종류와 에너지 상태를 보여주는 분석장비이다.

일반적인 대기중의 방전에서는 대기의 약 80%를 차지하는 질소의 최고점(2nd Positive System)이 가장 크게 나타나며, 최고점의 위치는 300nm~370nm사이의 자외선(UV)영역에 주로 위치한다.

도 5a에서 도 5c까지의 OES 데이터에서 나타난 바와 같이 메쉬 DBD의 자외선 생성량은 최대 2300정도였으며, 이는 약 320정도의 값을 갖는 멀티포인트 코로나와 비교해 볼 때 7배 가량 더 높은 자외선 생성량을 나타낸 것이다.

방전시 방출되는 자외선의 양은 방전에 의해 생성된 원자 산소(atomic oxygen), 오존(Ozone) 등의 활성종과 일반적으로 비례하므로 메쉬 DBD 구조가 코로나 구조에 비해 공기정화에 더 효율적이라고 말할 수 있다.

DBD 전극 구조 중에서 일반적으로 알려진 것은 도 6과 같은 메탈전극 플레이트를 사용한 플레이트 DBD이다.

상기 메쉬 DBD구조와 기존 플레이트 DBD구조의 자외선 생성량의 차이를 OES를 이용하여 상호 비교하였다.

메쉬 DBD전극의 경우 메쉬와 유전체 간의 균일한 접촉을 위해서 도 7과 같이 메쉬 위에 다시 플레이트 전극을 덧대서 눌러주었다.

또한 DBD 방전양상을 결정하는 여러 가지 수치(parameter) 중에서 장벽(barrier) 역할을 하는 유전체 물질을 교체하면서 그에 따른 방전 양상의 변화를 관측하였다.

실험에 사용된 유전체는 유리, 알루미나, 그리고 운모(mica)였으며, 각 구조의 양 전극간 간극은 1mm로 통일하였다.

OES 장비를 통한 실험결과는 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 도 10a 및 도 10b와 같다.

도 8a 및 도 8b는 운모(mica)를 유전체로 사용한 경우의 자외선 발생량을 비교한 그래프이며, 실험 조건은 DC pulse 18.5kV, 500Hz이다.

도 9a 및 도 9b는 알루미나(Al₂O₃)를 유전체로 사용한 경우의 자외선 발생량을 비교한 그래프이며, 실험 조건은 DC pulse 15kV, 500Hz이다.

도 10a 및 도 10b는 유리를 유전체로 사용 한 경우의 자외선 발생량을 비교한 그래프이며, 실험 조건은 DC pulse 17kV, 500Hz이다.

상기와 같이 실험결과 플레이트 DBD에 비해서 메쉬 DBD의 자외선 생성량이 더 많은 것을 확인할 수 있었는데, 그 이유는 금속 플레이트를 전극으로 사용할 경우 도 11a와 같이 유전 장벽(dielectric barrier) 표면에 인가되는 전기장(electric field)이 균일하므로 전하(charge)들이 통계적으로 특정 분포 형태를 가지면서 유전체에 불균일하게 쌓이게 되기 때문이다.

그리고 이는 글로우 방전이 아닌 스트리머 방전을 유도하여 자외선 생성량을 감소시킨다.

하지만 본 발명의 메쉬 DBD의 경우 메쉬 와이어와 유전체가 일정 간격을 두고 접촉하게 되어 결과적으로 도 11b와 같이 방전구역 내부의 전기장을 규칙적으로 향상시키므로 전체적으로 균일한 글로우 방전이 가능하며, 그에 따라 자외선 생성량도 증가한다.

아울러 실험결과 유전체 물질의 변화에 따라서 자외선 생성량이 변화함을 확인할 수 있었는데, 그 이유는 유전체의 고유 특성 중 하나인 유전상수(dielectric constant) 때문이다.

유전상수는 그 물질에 전압이 인가되었을 때 전하를 수용할 수 있는 용량을 의미하는데, 유전상수가 큰 물질일수록 방전구역 내부에 존재하는 전하들을 더 많이 내부에 저장하게 되므로 방전조건을 변화시키게 된다.

DBD 방전시에는 코로나 방전과 동일하게 오존이 다량 생산된다.

이는 DBD 반응기 내부에 존재하는 산소 분자들이 플라즈마 내부의 전자와 충돌하여 두 개의 산소원자로 분리(dissociation)된 후, 다시 다른 산소분자와 만나 결합하여 이루어지는 반응에 의해서 진행된다.

O₂ + electron → O + O

O + O₂ → O₃

그러나 차량 공기청정기로서 DBD 시스템을 응용한다면 인체에 유해한 오존의 생성량을 50ppb 이하로 최소화시켜야 한다.

본 발명에서는 오존촉매인 허니컴(honeycomb) 타입의 이산화망간(MnO₂)을 이용하여 메쉬 DBD 방전에 의한 오존 생성량의 변화를 실험하였다.

이산화망간(MnO₂)은 오존과 접촉하게 되면 오존을 산소로 환원시켜주는 환원제 역할을 한다.

실험결과 오존 측정기를 이용한 시간에 따른 오존 농도 측정시 이산화망간 촉매를 사용한 경우의 오존 농도가 사용하지 않았을 때의 오존 농도보다 1/5 정도로 크게 줄어들었다.

즉, 메쉬 DBD 전극을 이용한 공기청정기 개발에 있어서 오존 농도가 문제시 될 경우 오존 촉매를 이용하여 오존생성량을 최소화할 수 있다는 것이 입증되었다.

전술한 메쉬 DBD 구조가 차량 공기청정기에 적용되기 위해서 가져야 할 또 다른 중요한 기능인 살균 효과를 검증하기 위해서 연세대 의대 미생물학교실의 도움을 받아서 플라즈마에 의한 살균실험을 진행하였다.

일반적으로 플라즈마에 의한 살균시험의 평가는 크게 두 가지 방법으로 진행된다.

첫 번째로 고체상태인 한천(agar) 배지에 의한 살균실험의 경우 대장균(e-coli), 고초균(Bacillus subtilis) 등의 세균 및 진균의 시험균주를 SMA 및 PDA 평판 배지에 각각 접종한 다음 제작된 DBD 시스템을 미리 정한 조건에 따라 처리하고 일정 시간동안 배양기에서 세균을 배양한 후 형성된 멸균 할로(halo)를 관찰한다.

두 번째로 액체상태인 육즙(broth) 배지에 대한 살균실험의 경우 세균(107～8 CFU/ml) 및 진균(105～6 CFU/ml)의 시험균주를 액체 배지에 넣어 각각 현탁액을 만든 다음 DBD 시스템을 조건에 따라 처리한 후 SMA 및 PDA 평판 배지에 균주를 도말(미량 떨어뜨린 후 넓게 퍼트림)하고 일정 시간 동안 배양하여 1/10 씩 연속적으로 희석하는 마이크로 다일루션 (microdilution) 방법으로 형성된 콜로니(colony)를 계수한다.

먼저 DBD 방전에 의한 면밀한 살균효과를 보기 이전에 전체적인 경향성을 검토하기 위해 고체상태인 한천(agar) 배지에 의한 살균실험을 진행하였다.

실험장치는 도 12와 같다.

본 실험에서 사용된 파워서플라이는 DC 펄스파워이며, 인가전압은 18kV, 주파수는 2kHz로 인가하였다.

살균실험을 위해 사용된 균주는 총 3가지로, 대장균(E-coli), 고초균(bacillus subtillus), 그리고 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)이며 각 균주는 DBD 플라즈마에 의해 1분씩 처리하였다.

또한 플라즈마의 물리적/화학적 살균효과의 구분을 위해서 플라즈마가 처리되는 부분을 제외하고 유산지를 이용해서 덮어놓은 전극과 덮지 않은 전극을 같이 비교 실험하였다.

자세한 전극 사진은 도 13과 같다.

도 14a에서 도 14c까지와 같은 3가지 균에 대한 살균실험 사진 중에서 왼쪽 사진은 모두 유산지를 덮지 않은 샘플이고, 오른쪽 사진은 플라즈마 처리가 되는 가운데 부분을 제외한 나머지 부분은 유산지로 덮어서 오존과 OH 래디컬 등의 활성종을 차단한 샘플 사진이다.

도 14a에서 도 14c까지의 사진으로도 알 수 있듯이 유산지를 덮지 않은 샘플의 경우 가운데 부분을 기준으로 살균이 넓게, 혹은 전면적이 다 살균된 반면 유산지를 덮은 샘플은 가운데 부분만 주로 살균되고 나머지 부분은 모두 균주가 살아서 콜로니(colony)를 형성한 것을 확인할 수 있었다.

다시 말해서 플라즈마에 의한 살균이란 방전 구간 내부에서 생성된 전자와 이온들이 가속되어서 한천 표면에 있는 균주와 충돌하여 균을 물리적인 힘에 의해서 살균하는 것뿐만 아니라 오존, 원자 산소(atomic oxygen) 등의 무극성 활성종들이 플라즈마 방전 구간 밖으로 흘러나와서 한천 표면의 균주와 접촉, 반응하여 살균하는 효과 또한 크다는 것이 입증되었다.

다음으로 살균효과를 면밀히 검토하기 위해서 플라즈마 처리 전후의 세균 개수를 측정하는 액체 배지 방법을 이용하여 2차 실험을 진행하였다.

액체 배지로는 LB 미디어(media)를 사용하였으며, LB 미디어는 이스트(yeast)와 트립톤(trypton), 그리고 소금(Nacl)을 용매에 녹여 제작하였다.

실험장치 구조는 고체배지 실험과 유사하며, 도 15에 나타내었다.

액체 배지 실험의 세부조건은 아래와 같다.

- 실험균주 : 대장균(e-coli)

- 인가전압 : 18kV

- 인가주파수 : 2kHz

- 처리시간 : 1분

- 전극간 간격 : 2mm

전술한 바와 같이 액체배지의 세균개수 측정은 107~8CFU/ml 정도로 매우 많은 균주를 한천 배지에 도말한 후 측정가능한 개수가 나올 때까지 계속 1/10씩 희석함을 통해서 이루어진다.

본 실험 결과 사진 및 그래프는 도 16 및 도 17과 같다.

액체 배지 실험결과 대장균이 1분간 DBD 플라즈마 처리된 후 콜로니의 개수가 90% 이상 감소하였다.

도 18에 나타낸 다른 살균 실험 결과는 처리 시간에 따라 콜로니 개수가 선형적으로 감소하는 경향성을 나타낸다.

따라서 본 발명의 DBD 타입 플라즈마의 살균효과는 충분히 뛰어나다고 볼 수 있다.

세균 개수를 측정한 실험에 이어 세균 및 진균의 균주가 살균된 양상을 눈으로 확인하기 위해 SEM(전자현미경)을 이용하여 플라즈마 처리 전,후의 사진을 찍고 확인하였다.

각 조건에서의 현미경 사진은 도 19a에서 도 21b와 같다.

3가지 균에 대한 SEM 분석사진 결과 모두 다 막대모양의 간균이며, 미처리 샘플은 균주의 세포벽이 균일하고 평평하고 균주 크기가 동일하고 깨끗했다.

하지만 1분간 플라즈마 처리가 된 균주의 경우에는 세포벽이 파괴되고 찢기거나 수축되었고 세균이 산산조각난 부분도 있었으며, 정상적인 균주의 형태가 아닌 부분도 눈에 띄었다.

결국 DBD 플라즈마에 의한 살균은 이온과 전자로 구성된 스트리머가 세균을 직접 때려서 세포벽을 파괴시키거나, 오존 등의 활성종들이 세포벽을 깎아내리는 에칭효과를 주기 때문에 세포벽이 약해지거나 작은 구멍이 생기게 되면 삼투압효과에 의해서 균 내부의 세포질 등이 바깥으로 배출되어 세균이 죽는 등의 여러 메커니즘을 통해서 살균된다는 것을 추측할 수 있다.

위 살균실험과 더불어 플라즈마 처리 시간에 따른 살균효과를 검증하기 위해 살균실험을 진행하였다.

살균실험은 폴리라이신(Poly-L-lysine)이라는 폴리머액을 사용하여 실험하였는데, 폴리라이신은 세균에게 접착제 같은 역할을 해주는 물질이다.

따라서 유리판 위에 폴리라이신을 얇게 코팅한 후 그 위에 균주가 담긴 배양 액을 떨어뜨리면 균들이 폴리라이신에 붙어버리기 때문에 세균의 개수측정이 더욱 정밀할 수 있는 방법이다.

본 실험에서의 실험조건은 아래 표와 같다.

전극타입	DBD	Coplanar DBD
전압	18kV	9kV
처리시간	10초 30초 50초	30초 50초

본 실험에 사용된 샘플은 총 6개이며, 각 샘플의 실험조건은 다음과 같다.

- 1번 : 미처리 샘플

- 2번 : DBD, 10초

- 3번 : DBD, 30초

- 4번 : DBD, 50초

- 5번 : Coplanar DBD, 30초

- 6번 : Coplanar DBD, 50초

본 실험에 사용된 전극의 구조는 도 22a 및 도 22b와 같으며, DC 펄스파워의 전압-전류 파형은 도 23a 및 도 23b와 같다.

상기 실험에서는 플라즈마 시뮬레이션 프로그램인 BOLSIG를 이용하여 전자에너지분포함수 (EEDF, electron energy distribution function)를 구했고, 함께 구한 평균 전자에너지는 9.6eV였다.

이전 살균실험과 마찬가지로 각 처리 조건 샘플의 처리 전/후의 이미지를 SEM을 이용하여 확인하였다.

전자현미경의 배율은 2000배, 10000배, 그리고 30000배로 3번 관찰하였으며, 그 결과는 도 24와 같다.

대장균에 대한 SEM 분석 결과 DBD 방전 시의 살균효과가 더 뛰어나다는 것이 확인되었다.

플라즈마 효과에 의해 손상(damage)을 받은 세균의 경우 깨지거나 여러 조각으로 분리되었다.

하지만 coplanar DBD 타입의 경우 시간에 따른 세균 모양 및 살균된 이미지의 변화가 특별히 크게 드러나지 않았던 반면 DBD 플라즈마를 이용한 살균실험의 경우 처리시간이 10초에서 50초로 증가함에 따른 살균의 변화가 두드러졌다.

특히 50초 처리한 샘플의 경우에는 살아있는 세균이 하나도 눈에 띄지 않는 완벽한 살균효과를 보여주었다.

이상과 같은 메쉬 DBD 구조의 연구개발수행 결과를 요약하면 다음과 같다.

① 메쉬 DBD 글로우 방전은 기존 공기청정기에서 사용되는 멀티포인트 코로나 방전보다 고효율 대면적 방전이 가능하며, OES를 이용하여 측정해본 결과 활성종 및 자외선의 생성밀도가 더 높았다.

② 일반 금속 플레이트(plate)를 전극으로 사용한 DBD 방전보다 메쉬 전극을 사용한 DBD 방전이 활성종과 자외선 생성량에서 더 뛰어난 결과를 나타내었다.

③ 메쉬 DBD 시스템 가운데 유전장벽(dielectric barrier) 물질을 변화시키면 유전체의 고유 유전상수(dielectric constant)값에 따라서 방전 양상에 차이를 보였다.

④ 메쉬 DBD 시스템에서 생성되는 오존의 경우 이산화망간 촉매를 이용하여 효과적으로 감소시켰다.

⑤ 메쉬 DBD의 살균효과를 검증하기 위해 여러 가지 살균실험을 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같았다.

- 유산지를 이용한 살균 실험 결과 플라즈마 구간 내부의 스트리머(streamer)에 의한 물리적인 살균뿐만 아니라 방전을 통해서 생성되는 오존, OH 래디컬 등의 활성종에 의한 화학적인 살균효과도 크다.

즉, 플라즈마에 의해 생성된 활성종들이 플라즈마 생성 구간 부근의 지역의 살균에도 영향을 미칠 수 있다.

- 액체배지를 이용한 균주 개수 측정 결과 1분간의 플라즈마 처리 후 세균이 90%이상 제거되었다.

- 플라즈마 처리 시간에 따른 살균실험 결과 일반 DBD 플라즈마의 경우 처리시간이 길어질수록 살균효과도 따라서 증가하는 반면 coplanar DBD의 경우에는 살균효과가 그다지 크지 않았다.

즉, DBD의 살균효과가 coplanar DBD보다 더 뛰어나다.

- 실험에 사용한 대장균, 녹농균, 고초균이 플라즈마에 의해 효과적으로 제거되는 결과에 비추어 볼 때 곰팡이균 등의 다른 균주의 제거 또한 플라즈마에 의해서 가능하다.

위와 같은 연구 결과로 비추어 볼 때 메쉬 DBD의 공기청정, 살균효과는 이미 뛰어난 성능이 검증되었다고 할 수 있다.

하지만 차량용 공기청정기로 적용, 생산하는 과정에 있어서 또 다른 현실적 인 문제가 표면화되었다.

먼저, DBD 방전시에는 다량의 소음이 발생하는 것이었다.

예를 들어 청풍의‘그린나라’타입과 같은 코로나 방전의 경우 코로나 플로우(corona flow)에 의해 자연스럽게 청정기 주변의 흐름이 형성되므로 소음이 전혀 발생하지 않는 장점이 있었다.

메쉬 DBD 구조는 공기 갭(air gap)을 가로질러서 전자와 이온이 이동하며 플라즈마를 생성하는 메커니즘이므로 다량의 소음이 발생하게 되며, 이는 차량 공기청정기의 적용시 큰 문제가 될 수밖에 없다.

또한 메쉬 DBD 구조는 양 전극간의 공기 갭이 1~1.5mm 정도에서 무난히 방전하게 되는데, 공기 갭이 1mm가 더 증가할 때마다 방전 전압이 크게 상승하게 되어서 단가 상승 및 고전압 인가에 따른 부가적인 위험요소가 생기게 된다.

따라서 DBD의 대면적화를 위해서는 공기 갭은 1~1.5mm 정도로 유지를 하면서 여러 전극층을 쌓아올리는 이른바 멀티레이어 메쉬 DBD(multilayer mesh DBD) 구조를 사용해야 한다.

하지만 이러한 방법으로 대면적화 되었다고 하여도 공기 갭의 면적만큼 전극의 면적이 차지하게 되므로 공기의 흐름이 원활하지 못한 것은 마찬가지이며, 결국 블로워 유니트(Blower Unit) 내부에 역압(back pressure)이 걸릴 수밖에 없고, 역압이 걸린다는 것은 시간당 공기정화 능력이 떨어지며, 운전자가 원하는 팬(Fan)의 유속을 얻을 수 없게 된다는 뜻과 같다.

Coplanar DBD 구조의 경우 메쉬 DBD에 비해 낮은 전압에서 구동이 가능하며 플라즈마 소음이 적게 발생하는 장점이 있지만 실제적인 살균, 공기청정 효과가 크게 떨어지는 단점이 나타났다.

따라서 본 발명에서 제안하는 메쉬 DBD 방전 시스템의 이러한 단점을 보완하면서 여전히 공기정화와 살균에 효과적인 구조를 실제 차량 공기청정기로 적용하기 위하여 고민한 결과 마이크로갭(microgap) DBD를 도출하게 되었다.

본 발명의 마이크로갭 DBD의 단면은 도 25와 같다.

상기 마이크로갭 DBD는 유전체와 전극이 일반 DBD 반응기와 동일하지만 양 전극간의 공기갭 사이에 일정한 간격으로 유전체 기둥이 있다는 차이점이 있다.

그리고 각 기둥들은 상대편 전극과 수십~수백 마이크로미터 정도의 매우 작은 마이크로갭 (micro gap)이 존재한다.

마이크로갭 DBD는 인가전압을 올림에 따라 방전양상이 점차 변하게 된다.

본 구조는 쇼트갭(short gap)에서의 방전에 의해서 공기 정화, 살균이 일어나게 되며, 전압을 그 이상으로 올리게 되면 쇼트갭(short gap)이 아닌 다른 부분에서 스트리머 방전이 생긴다.

스트리머 방전시에는 큰 소음과 다량의 오존이 발생하므로 스트리머가 생성되지 않도록 인가 전압을 조절해주어야 한다.

다시 말해서 공기청정 시스템의 적용 및 효율 향상을 위해서는 소음이 거의 없는 정도가 유지되도록 전압을 인가해 주어야 한다.

본 구조의 장점들은 모두 이 마이크로갭에 의해서 존재하게 되는데, 공기청정기에 적용할 때의 장점들을 열거하면 다음과 같다.

① 공기청정 및 살균에 효과적인 종들이 다량 생성된다.

- 플라즈마 구간 내부에서 공기와 활성종들 간의 접촉확률이 여타 구조에 비해 크게 높다.

OH래디컬, 클러스터 이온 등의 활성종을 생성시킨다고 하는 샤프 공기청정기의 경우 팬을 통해 흘러가는 공기에 비해 플라즈마 반응기의 크기가 워낙 적고, 또 팬의 맨 바깥쪽을 지나가는 공기만 접하게 되므로 실제 효과는 극히 미미할 수밖에 없다.

하지만 이 구조는 일정 간격을 두고 존재하는 쇼트갭(short gap)에서 생성된 활성종이 좌우의 빈 공간으로 퍼지면서 흘러가는 공기와 반응할 확률이 훨씬 더 높다.

② 활성종의 양이 더 많다.

- 기본적으로 볼륨(volume) DBD라 불리는 일반 DBD 방전이 표면방전(surface discharge)보다 더 청정기로 효과적이라는 것은 널리 알려진 사실이다.

표면방전은 DBD 방전에 비해 구동전압이 낮지만 방전시 생성되는 활성종의 양이 DBD보다 훨씬 적어서 실제로 눈에 띄는 플라즈마 효과를 보기는 매우 힘들다.

결국 샤프 공기청정기가 채택한 표면방전 타입 반응기는 DBD에 비해 활성종의 양이 더 적다.

하지만 마이크로갭 DBD의 경우에는 쇼트갭(short gap)을 둔 DBD 방전이므로 단위 면적당 생성되는 활성종의 양이 표면방전 타입 청정기에 비해 월등히 뛰어나다.

③ 전극이 대기중에 노출되지 않아서 일반적인 표면방전 전극에 비해 수명이 더 길다.

- 본 구조는 DBD와 마찬가지로 유전체가 전극을 감싸고 있는 장치이므로 플라즈마가 전극과 직접적인 접촉이 발생하지 않는다.

따라서 전극의 산화가 일어나지 않으므로 반응기의 수명이 전극이 노출된 표면방전 타입에 비해 더 길다.

④ 방전이 조용하다.

- 대기에서의 DBD 스트리머 방전처럼 방전시 소음이 거의 발생하지 않아서 공기청정기 적용이 가능하다.

⑤ 팩 베드 타입에 비해서 공기의 흐름이 더 좋고, 역압(back pressure)이 걸리지 않으므로 시간당 공기정화성능이 더 좋다.

- 방전구간에 유전체 볼(ball)을 삽입하는 팩 베드 타입은 볼과 볼 사이의 빈틈으로 공기가 지나가면서 정화가 된다.

따라서 역압이 크게 걸리고 흐름이 좋을 수 없지만 본 구조는 마이크로갭(micro gap) 좌우에 창문모양의 공간이 존재하므로 팩 베드 타입에 비해서 공기 흐름이 더 좋으며 따라서 시간당 공기정화성능도 더 낫다.

⑥ 오존 생성량이 일반적인 DBD 타입 플라즈마에 비해 더 적고, 방전전압을 변경함에 따라 오존 생성량을 조절할 수 있다.

- 전술한 바와 같이 마이크로갭 DBD는 기존의 DBD 타입 및 메쉬DBD 전극에 비해서 오존 생성량이 매우 적다.

그리고 앞에서 설명한 것처럼 본 구조는 인가전압을 올림에 따라 방전양상이 변하게 된다.

따라서 스트리머 방전이 생성되지 않는 범위내에서 인가전압을 변화시킴에 따라 오존 생성량 또한 조절할 수 있다.

상기와 같이 여러 가지 장점을 가지고 있는 마이크로갭 DBD 구조의 살균효과를 검증하기 위해서 살균실험을 진행하였다.

실험에 사용된 세균은 대장균(E-coli)이었으며, 각 샘플의 실험조건은 아래와 같다.

- 샘플 1 : 미처리 샘플

- 샘플 2 : 샤프공기청정기로 30분간 처리

- 샘플 3 : 청풍 코로나타입으로 30분간 처리

- 샘플 4 : 마이크로갭 DBD로 30분간 처리

- 샘플 5 : 마이크로갭 DBD로 1시간 처리

비교용으로 실험한 청풍 코로나청정기, 샤프 클러스터 공기청정기의 사진은 도 26 및 도 27과 같다

상기 5가지 샘플에 대한 살균실험은 일단 커버글래스 위에 폴리라이신을 코팅한 다음 글래스 위에 대장균이 담긴 배양액을 떨어뜨린 후 도말하여 무균실에서 약 3시간 동안 건조시켰다.

그 뒤 수분이 증발된 커버글래스에 플라즈마 처리를 한 뒤 일반 증류수에 넣고 교반(stirring)시켜서 폴리라이신에 붙은 균들을 증류수로 떨어뜨렸다.

그 다음에 수 차례의 마이크로다일루션 (microdilution)을 거쳐 세균의 콜로니 개수를 측정하였다.

실험방법에 대한 개략도는 도 28과 같다.

살균실험 후 콜로니 개수 측정 결과 예상대로 샤프청정기의 살균효과는 극히 미미했으며, 청풍 그린나라 구조의 경우 코로나 방전을 통해 생성된 오존에 의한 살균효과가 나타나 약 95%가 제거되었다.

그리고 마이크로갭 DBD의 경우에도 30분간 처리한 결과는 이는 거의 동일했으며, 1시간 처리한 샘플의 경우에는 약 99.5%가 제거되는 결과를 나타내었다.

본 발명의 마이크로갭 DBD 구조의 차량 공기청정기는 해당 차량의 블로워 유니트(Blower Unit) 내부에 장착되며, 외기 혹은 내기를 받아들여 에바 코어(Eva Core)와 히터 코어(Heater Core)로 가기 전 단계에서 공기 정화, 살균을 하게 된다.

이를 통해 에바 코어(Eva core)에 세균이 유입되는 것을 원천적으로 제거하고, 공기의 흐름에 따라 오존, OH 래디컬 등의 반응성 종들이 블로워 유니트(Blower Unite) 내부로 유동하여 습한 에바 코어(Eva core)에 세균이 성장, 번식하는 것을 효과적으로 막을 수 있다.

따라서 본 발명의 마이크로갭 DBD를 이용한 살균실험은 대기가 순환되는 공기 순환 시스템(Air Circulation System)에서 그 효과를 검증할 필요성이 있었고, 도 30과 같이 차량 블로워 유니트과 유사한 실험장치를 제작하였다.

팬을 통해서 순환되는 공기는 1차적으로 플라즈마 반응기(Reactor)를 거치면 서 살균에 효과 적인 많은 활성종들이 생성되고 이러한 종들이 공기 흐름에 따라 이동하면서 필터를 지나 균주에 접촉하면서 살균이 진행된다.

본 살균 실험에서 균주로는 대장균을 사용하였으며, 한천(Agar)이 플레이팅(plating)된 페트리 디쉬 전체에 대장균을 도말한 후 10~60분 동안 마이크로갭 DBD 반응기를 켠 상황에서 시스템 내부 공기를 순환시켰다.

실험결과 대장균 균주는 처리 시간의 변화에 의해 도 31과 같이 분포하였다.

도 31과 같이 처리전에 한천(agar) 위에 균일하게 덮인 대장균이 공기 순환 시스템에서의 처리시간이 증가함에 따라 점차 덮인 대장균이 서서히 제거되며, 1시간이 지난 후 대장균이 거의 모두 제거되었음을 알 수 있다.

이 실험결과를 통해 블로워 유니트(blower unit) 내부에 마이크로갭 DBD가 장착되더라도 효과적인 공기정화, 살균이 가능할 것으로 예상할 수 있다.

한편 Coplanar DBD는 PDP의 셀(cell) 방전시 적용되고 있는 구조이다.

일반적으로 표면(Surface) DBD 라고도 불리는데, 메쉬 DBD 구조처럼 양 전극 사이에 공기 갭(air gap)을 두는 타입이 아니라 도 32와 같이 하나의 유전체 안에 패턴된 전극을 삽입해서 유전체 표면을 통해 전극 양단 간의 방전이 발생하게 하는 메커니즘을 가지고 있다.

이 Coplanar DBD는 방전이 공기를 뚫고 진행되는 것이 아니라 공기와 유전체의 계면, 즉 유전체 표면을 타고 흐르면서 방전이 일어나므로 메쉬 DBD에 비해서 상대적으로 방전전압이 낮고 방전 소음이 적은 장점이 있다.

그리고 오존의 생성량도 적은 편이기 때문에 현재 Coplanar DBD 구조는 최근 각광을 받으며 여러 공기청정기 업체를 통해서 시판되고 있다.

그러나 Coplanar DBD는 메쉬 DBD에 비해 제작이 핸들링이 어려우며 여러가지 공정을 거쳐야 한다.

일반적으로는 스크린 프린터(Screen printer)를 이용하여 유전체 층과 전극 층을 페이스트를 재료로 해서 번갈아가면서 깔고, 소성 과정을 통해 수분을 제거하면서 제작하였다.

Coplanar DBD 전극 제작시 중요한 전극 표면 패터닝(patterning)은 기존의 샤프 공기청정기 내부의 플라즈마 반응기를 기초로 2가지의 다른 무늬를 추가하여 제작하였다.

모든 전극의 총 면적은 동일하며, 총 3가지의 패터닝 전극 디자인은 도 33a에서 도 33c와 같다.

도 33a에 나타낸 패터닝 전극은 일반적인 격자무늬 디자인으로 메쉬 프레임을 제작한데 반해, 도 33b 및 도 33c는 전극 첨단의 뾰족한 부분이 전기장 강화 효과(electric field enhancement effect)를 일으켜 방전 전압 등 플라즈마 변수에 영향을 줄 수 있는지 구분하기 위한 것이다.

다음에 마이크로갭 DBD 타입의 공기청정기와 Coplanar DBD 타입 공기청정기 비교하기로 한다.

앞에서 밝힌 것처럼 메쉬 DBD 구조는 공조시스템 유니트(HVAC Unit) 내부 장착시 소음이 발생하고 풍량이 감소하는 구조적 문제를 가지고 있어 실차 적용이 사실상 불가능했다.

따라서 본격적인 차량 내부 장착 연구를 위해서 본 발명을 통해 제시한 3가지 플라즈마 공기청정기 타입 중 마이크로갭 DBD와 Coplanar DBD를 채택하였다.

먼저 블로워 유니트(Blower unit) 내부 장착을 위한 시제품을 제작하였는데, 반응기의 너비와 높이는 블로워(Blower unit) 내부 크기에 맞춰 결정하였으며, 내부 공간의 총 단면적 중 25%를 반응기가 차지하도록 설계하였다.

도 34 및 도 35와 같이 두 가지 타입의 실차 장착용 샘플을 완성한 후 한라공조㈜의 도움을 받아 풍량테스트를 진행하였다.

위와 같은 방법으로 측정한 각 조건(1단~ 4단)에서의 풍량실험 결과는 아래 표와 같다.

실험결과에 따르면 Coplanar DBD를 장착한 경우 현 양산 상태에서 측정한 풍량보다 13.8~19.5%가 감소하였으며, 마이크로갭 DBD를 장착한 경우 거의 20% 가량이나 감소하였다.

이는 두 반응기가 동일한 단면적을 차지할 경우 단순한 디자인의 Coplanar DBD 타입의 풍량 감소율이 적기 때문이며, 따라서 차량 장착 시스템으로는 Coplanar DBD 타입을 우선적으로 고려할 수 있었다.

Coplanar DBD 타입 공기청정기는 방전 시 아래와 같은 특징을 가지고 있다.

① 심플한 디자인 : 마이크로갭 DBD와는 달리 디자인이 단순해서 공기투과성이 좋다.

② 저전압 구동 : 메쉬 DBD, 마이크로갭 DBD와는 달리 방전전압이 낮아서 소비전력이 낮으며 전원 공급(Power supply)의 안정성이 높으며 승압 트랜스 크기가 작아서 경량화 또한 가능하다.

③ 활성종 생성량이 적음 : 메쉬 DBD, 마이크로갭 DBD보다 살균, 공기정화에 필요한 활성종의 생성량이 상대적으로 적다.

하지만 Coplanar DBD의 방전전압과 소모전력이 낮으므로 동일 소모전력 대비 활성종의 양은 적지 않다.

또한 공기청정기 장착 시 주안점이 블로워 유니트(Blower Unit) 내부의 에바 코어(Eva core)와 필터의 원천 살균, 탈취이므로 coplanar DBD를 통해 생성된 활성종이 풍향에 따라 이동하면서 살균에 참여할 수 있으므로 지속적인 반응기 작동을 통해 해결이 가능하다.

Coplanar DBD 반응기 디자인에 있어서, 풍량 감소율의 최소화를 위해 1mm 두께의 플레이트 5장으로 제작하였다.

각 플레이트의 폭을 3cm와 5cm의 두 가지 타입으로 제작하여 풍량테스트를 진행하였다.

동일한 단면적을 가진 반응기의 폭을 바꾸어 실험한 이유는 플레이트의 폭이 넓을수록 방전면적이 커지므로 공기청정 성능이 향상되지만 그로 인한 풍량 감 소도 동반될 수 있기 때문이다.

위 두가지 샘플 반응기의 각 조건(1단~ 4단)에서의 풍량실험 결과는 아래 표와 같다.

위 실험결과에 따르면 3cm 폭의 반응기는 3.7~8 % 범위의 풍량 감소가 있으며, 5cm 폭의 반응기는 5.6~16.9%의 풍량 감소 결과를 나타내었다.

이 정도 범위의 풍량감소는 공조시스템 유니트(HVAC Unit)가 수용 가능한 범위 내에 포함되므로 결과적으로 5cm 폭의 coplanar DBD 반응기를 제작하기로 결정하였다.

최적 Coplanar DBD 전극을 업체를 통해 가공하기 이전에 시험 샘플의 제작을 위해 스크린 프린터(Screen Printer)를 이용하여 상, 하부 전극과 유전체 막을 코팅 제작하였다.

상하부 전극 디자인은 저전압에서도 전기장 강화 효과가 클 수 있도록 상부전극에 날카로운 팁(tip)이 많이 존재하는 패터닝(patterning) 전극을 기본으로 제작하였다.

상기 상부 전극의 패턴은 도 39와 같으며, 도 40 및 도 41에는 Coplanar DBD 의 단면도와 최종 차량용 Coplanar DBD의 단면도를 나타내었다.

2.6.6 공기순환 플라즈마 반응기 제작

위와 같이 시험샘플로 완성된 Coplanar DBD 반응기의 공기정화, 살균 효과를 평가하기 위해 블로워 유니트(Blower Unit) 내부에 장착하여 살균 실험을 진행하기에 앞서, 도 42와 같은 유사한 시스템(공기순환 플라즈마 반응기)을 아크릴로 제작하여 실험을 진행하였다.

위 플라즈마 반응기를 사용하여 진행한 살균실험 조건은 다음과 같다.

- 균주 : 대장균(E-coli)

- Power supply : AC pulse (5.5 kV)

- 처리 시간 : 30분, 60분

- 세균 배지의 위치 : 두 군데로 나눠서 실험 진행

대장균을 위의 두 가지 샘플 위치에 놓고 각각 30분, 60분 동안 Coplanar DBD 반응기로 살균 실험을 진행하였다.

도 44a에 나타낸 결과는 도 43a와 같이 반응기 토출부 바로 아래쪽에 샘플을 놓고 진행한 실험 결과이다

위의 실험결과 30분 처리 후에는 대장균의 살균이 거의 이뤄지지 않았지만 60분 처리 샘플에서는 한천(agar) 표면의 상당수 대장균이 살균되어서 제거된 부분 (투명한 부분)이 나타난다는 것을 확인할 수 있다.

이는 Petri dish 표면에 특별한 경향성이 없이 랜덤하게 살균 부위가 분포하는 것으로, 다시 말해서 OH 래디컬, 오존, 원자 산소(atomic oxygen) 등의 활성종 에 의한 화학적 효과(chemical effect)에 의한 살균 결과라는 것을 알 수 있다.

하지만 도 43b와 같이 팬 아래에 샘플을 기울여 위치시킨 다음 진행한 실험 결과는 상기 도 44a의 실험결과와는 다소 차이가 있다.

도 43b의 위치에서의 실험 결과 도 44b와 같이 30분 처리 후에도 Petri dish의 가장자리를 위주로 대장균의 살균이 이뤄지기 시작하는 것을 알 수 있다.

그리고 60분 처리 후에는 한천(agar) 표면에 대장균이 많이 살균되어 제거된 것이 확인되었다.

이렇게 반응기 토출부 바로 아래쪽 위치와 팬 아래에 기울인 위치에서의 살균 실험 결과에 차이가 생기는 결과로 미루어 볼 때, 플라즈마 공간에서 생성된 활성 래디컬의 이동은 중성(neutral)을 띄므로 공기의 흐름에 크게 좌우된다는 것을 알 수 있다.

따라서 이와 동일한 실험이 블로워 유니트(Blower unit) 내부에서 진행될 경우 래디컬의 이동경로가 좁고 풍속이 더 커서 매우 효과적일 것이다.

스크린프린터로 제작한 coplanar DBD의 살균효과를 검증한 후 수정 보완하여 좀더 효과적인 coplanar DBD 전극을 업체를 통해 가공 제작하였다.

새로 디자인한 실차 장착용 coplanar DBD 반응기의 단면은 도 45와 같으며, 도 46은 배면 표면장벽방전(Coplanar DBD)의 전극패턴 형태도이다.

도 46과 같이 상부 전극(실선부분)과 하부전극(점선 부분)이 X자로 실버 전극이 패턴되어 있고, 상, 하부전극의 X 자 끝이 서로 가깝게 만나서 고전압 인가시 양단에 강한 전계를 형성하며, 그 후 이 부분에서 플라즈마가 형성된다.

가공 제작한 coplanar DBD 반응기를 최종적으로 공조시스템 유니트(HVAC Unit) 내에 장착하여 반응기 세트를 완성하였다.

세트로 제작하면서 전극의 개수를 5개에서 3개로 조정하였는데, 그 이유는 전극을 5개 장착했을 때 방전 소모전력이 커서 차량 운행시 혹시라도 전원에 순간적으로 무리를 줄 가능성을 제거하기 위해서였다.

전극 개수의 감소로 인한 OH 래디컬, 오존 등의 활성종 생성량 감소는 방전 전압을 소폭 상승시켜 원하는 양의 활성종 값을 충분히 보완할 수 있었다.

도 47은 coplanar DBD 반응기를 장착할 위치를 포함한 블로워 유니트(blower unit) 단면도이며, 셋업이 완료된 coplanar DBD 차량용 공기청정기의 장착 사진이다.

도 47 내지 도 49와 같이 에바(Eva Core) 바로 앞 부분의 공간에 Coplanar DBD를 설치하면 가장 효율적인 차량 공기정화, 살균이 가능할 것으로 예상된다.

다만 현재의 블로워 유니트(blower unit) 자체가 공기 흐름에 최적화된 상태이므로 coplanar DBD 구조가 블로워 유니트(blower unit) 내에 장착될 경우 풍량 감소가 문제가 될 소지가 있다.

따라서 반응기 장착 전, 후의 풍량, 소비전류, 그리고 노이즈 테스트를 한라공조㈜의 도움을 받아 진행하였다.

테스트 조건은 양산 NF 소나타(R-Cool-Vent, 12V, with Filter) 공조시스템(HVAC)으로 진행되었다.

테스트 결과는 다음과 같다.

* 장착 전/후 풍량, 소비전류, 노이즈(Noise) 차이

시료	양산	플라즈마
풍량(CMH)	441.7	416.2
소비전류(AMP)	19.0	18.5
노이즈(dB)	61.2	61.6

세가지 테스트 결과 모두 반응기의 장착 후에도 공조 측면에 부정적인 영향 없이 안정적으로 작동하는 것으로 밝혀졌다.

그리고 공조시스템(HVAC) 장착 살균실험에 앞서 coplanar DBD 방전시 생성되는 오존이 국내외 허용치인 50ppb 이하가 되는 인가 전압을 찾은 후, 1단~4단까지 풍량을 조절했을 때 인가 전압의 변화를 측정하였다.

아래 표는 풍량 조절에 따라 오존 허용치를 만족하는 전압의 변화 양상을 나타낸다.

풍량변화	전압(kV)
No Fan	1.8
1단(3.5V)	1.85
2단(6V)	1.85
3단(9V)	1.9
4단(12V)	1.9

풍량테스트 결과 풍량 변화에 따른 오존 생성량에 큰 차이가 없는 것을 알 수 있었다.

따라서 방전전압을 고정시켜 장착할 경우, 팬의 On/Off에 무관하게 안정적으로 방전이 유지될 것으로 예측 가능하다.

하지만 플라즈마의 방전 전압은 습도와 온도에 민감하게 반응하므로, 비나 눈이 내리는 습한 날씨에 외기를 공조시스템(HVAC) 내부로 흘리면서 방전할 경우 인가 전압 등의 방전 조건을 조절할 수 있는 시스템 개발이 추후 필요하다.

전압 변화 양상을 확인한 후 제작한 coplanar DBD 세트의 살균 평가를 3가지 균주를 대상으로 진행하였다.

대상 균주는 앞서와 마찬가지로 대장균(E-coli), 녹농균(Pseudomonas), 고초균(Bacillus subtilis)이었으며, 밀폐된 공간에 공조시스템 유니트(HVAC Unit)를 넣고 공기를 순환시키면서 살균 실험을 진행하였다.

플라즈마 처리시간을 각각 0, 30, 60, 90분으로 놓고 실험한 뒤 한천 플레이트(agar plate) 위에 배양된 균주의 변화를 관찰하였다.

실험결과는 도 50a에서 도 50c와 같다.

살균실험 결과 균주의 종류에 따라 다소 차이는 있지만 전체적으로 1시간 30분 동안 처리한 샘플에는 살균효과가 두드러지게 나타남을 확인할 수 있다.

공조시스템(HVAC) 내부에 coplanar DBD 반응기가 설치될 경우 공기의 유동에 방해물 역할을 하게 되고, 풍량의 변화에 따라 반응기 내부의 전극 플레이트 사이를 지나가는 공기의 유속도 따라 변하게 된다.

이를 좀더 이론적으로 검토하기 위해 유동시뮬레이션 프로그램인 플루언트(FLUENT)를 사용하여 10m/s에서 40m/s까지의 유속에 따른 내부 속도 분포를 시뮬레이션 해보았다.

도 51a 내지 도 51d에 있어서 왼쪽 색 분포의 단위는 속도(m/s)이며, 도 51a는 공조시스템(HVAC)으로 유입되는 공기의 유속이 10m/s일 경우이며, 도 51b, 도 51c, 도 51d번에서의 초기 유속은 각각 20m/s, 30m/s, 40m/s이다.

위 시뮬레이션 결과를 토대로 반응기 내부의 전극 플레이트 표면을 지나가는 공기의 유속은 초기 입사 유속의 약 1.5배임을 알 수 있다.

본 발명의 Coplanar DBD에서 플라즈마는 전극 플레이트 표면에서 생성되므로 이러한 유속의 증가는 플라즈마를 균일하게 만들어주며, 플라즈마 생성으로 인해 발생하는 열도 제거하는 냉각 효과를 추가로 가져오므로 더 안정적인 방전이 가능할 것으로 예상된다.

본 발명을 통해 제안하는 Coplanar DBD 타입 차량용 공기청정기는 공조시스템 유니트(HVAC Unit) 내부에 장착하는데 최적화된 플라즈마 공기청정기 구조이며, 공기정화, 살균에 필요한 다량의 중성 활성종들을 생성시키며 공기의 흐름에 따라 이동하면서 내부의 에바 코어(Eva core) 표면에 기생하는 세균, 곰팡이를 제거하고 악취분자들을 분해하는 역할을 하게 된다.

본 발명의 Coplanar DBD를 적용한 차량용 공기청정기의 경우 기존의 다른 청정기에 비해 소음이 적고, 플라즈마 효율이 뛰어나며, 생성되는 활성종의 양이 많고 반응기의 수명이 더 길고, 역압이 적게 걸리는 등 거의 모든 면에 있어서 큰 장점을 지니고 있으며 실제 상품화가 가능하다.

또한 폭을 좁히고, 면적을 넓히면 대면적화가 용이하며 따라서 블로워 유니트(Blower Unit)의 크기 등 여러가지 요구 조건에 따라 반응기의 디자인을 다양화 할 수 있다.

Coplanar DBD 타입의 플라즈마는 이미 국내외 상용화되어 있는 기술이지만 전극 패턴 디자인은 독창적이며 적은 소모전력으로 높은 방전효율을 얻을 수 있는 매우 효과적인 구조이다.

또한 기존의 차량용 공기청정기와 같이 차량 내부에 설치되어 공조시스템(HVAC) 내부의 냄새, 세균을 원천적으로 제거하지 못하는 타입과는 달리 공조시스템(HVAC) 내부에 장착하여 유입되는 공기의 정화, 살균은 물론 에어컨 냄새 등의 근본적인 제거가 가능하다는 것이 본 시스템의 가장 큰 장점이다.

비록 기존의 DC 코로나 방전에 비해서 원가는 다소 상승하지만 그 이상의 청정 효능을 가져다 줄 수 있는 시스템이며, coplanar DBD 시스템의 전문적인 분석을 통해서, 기존의 공기청정기 업체들이 입증하지 못하는 여러가지 문제들, 예를 들어 방전시 방전 공간 내부에서 생성되는 활성종들의 종류 및 상대적인 농도, 그리고 각종 활성종들을 생성시키는 전자의 에너지 분포(EEDF) 시뮬레이션을 통해서 공기청정에 효과적인 특정 래디컬을 더 잘 생성시킬 수 있는 방전 조건을 찾거나 살균에 효과적인 종들의 농도를 측정하는 등의 신뢰성 있고 전문적인 결과 데이터를 얻어서 눈에 보이는 효과가 나타나지 않는 차량용 공기청정기에 대한 일부 소비자들의 의구심을 없애고 신뢰를 갖게 하는데 큰 역할을 할 수 있다.

Claims

세라믹 표면에 상부 표면과 하부 표면 설치된 전극에 고전압을 인가하여 공기를 이온화시킨 후 생성된 전자와 양이온이 세균 및 냄새 분자와 반응하여 살균, 분해과정을 거쳐 차량 내부의 공기를 정화시키는 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD)의 공기청정기를 차량의 공조시스템(HVAC) 내부에 설치하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 공기청정 시스템.
제1항에 있어서, 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD) 방식의 공기청정기를 공조시스템(HVAC)의 에바(Eva Core) 바로 앞 부분의 공간에 설치하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 공기청정 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 공기청정기의 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD) 상, 하부 전극 디자인은 저전압에서도 전기장 강화 효과가 클 수 있도록 상부전극에 날카로운 팁(tip)이 많이 존재하는 패터닝(patterning) 전극으로 하는 하는 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 공기청정 시스템.
제3항에 있어서, 배면 표면장벽 방전(Coplanar DBD)의 상부 전극과 하부전극이 X자로 실버 전극이 패턴되어 있고, 상, 하부전극의 X 자 끝이 서로 가깝게 만나서 고전압 인가시 양단에 강한 전계를 형성하며, 그 후 이 부분에서 플라즈마가 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 차량의 하이브리드 공기청정 시스템.