KR101412861B1 - 전자파 플라즈마를 이용한 일산화질소 발생방법 - Google Patents

Abstract

전자파 플라즈마를 이용한 일산화질소 발생 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치는, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부로 부터 공급된 상기 전자파로 발생된 와류가스 내의 플라즈마 속에서 질소와 산소의 반응에 의하여 일산화질소가 생성되는 방전관; 상기 방전관 내로 상기 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 상기 방전관에 와류가스를 공급하는 와류가스 공급부; 상기 방전관의 상단에 형성되며 상기 방전관에서 형성된 일산화질소를 적정온도 이내로 냉각하는 가스 냉각부; 및 상기 방전관에서 생성되고 상기 냉각부를 통하여 냉각된 상기 일산화질소 및 기체를 배출하는 가스 배출부를 포함한다.

Description

전자파 플라즈마를 이용한 일산화질소 발생방법{Method for production of nitrogen monoxide using microwave plasma}

본 발명은 전자파 플라즈마를 이용한 일산화질소 발생 기술과 관련된다.

산화질소는 일반적으로 대기 환경오염 물질 중의 하나로 여러 가지 환경문제를 야기할 수 있으나 적절히 제어하여 사용하면 많은 이로운 점이 있다. 특히 일산화 질소 (NO) 는 세포를 활성화하는 능력이 있어 정기적으로 상처 부위에 적용하면 상처를 치료하며 상처 난 부위를 빨리 재생시키고 복원함에 많은 도움을 얻을 수 있다. 이러한 맥락에서 일산화질소를 적절히 발생하고 제어할 수 있는 기술이 절실히 필요하다.

현재 세포연구에서 가장 많이 사용되고 있는 일산화질소 발생방법은 대기압 플라즈마 제트나 또는 Dielectric Barrier Discharge (DBD) 플라즈마 등을 이용하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 발생기체가 제대로 제어되지 않아 일산화질소와 더불어 다른 활성입자들이 함께 발생될 수 있어 상처 부위에 적용했을 때에 이런 입자들에 의한 부작용이 생길 수가 있게 된다. 또한 플라즈마 제트나 DBD 플라즈마에서는 일산화질소의 발생량을 적절히 제어할 수 없다. 넓은 부위의 상처를 치료하고 복원 하려면 많은 양의 기체 내에 적정량의 일산화 질소가 함유되어야 하는데 이러한 조건들을 만족할 수 있는 일산화질소 발생을 할 수 없는 것이다.

이러한 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 일산화질소 발생 방법과 장치에 대한 연구가 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전자파 플라즈마를 이용하여 일산화질소를 효과적으로 발생하기 위한 수단을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치는, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파로 발생 된 와류가스 내의 플라즈마 속에서 질소와 산소의 반응에 의하여 일산화질소가 생성되는 방전관; 상기 방전관 내로 상기 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 상기 방전관에 와류가스를 공급하는 와류가스 공급부; 상기 방전관의 상단에 형성되며 상기 방전관에서 형성된 일산화질소를 적정온도 이내로 냉각하는 가스 냉각부; 및 상기 방전관에서 생성되고 상기 냉각부를 통하여 냉각된 상기 일산화질소 및 기체를 배출하는 가스배출부를 포함한다.

본 발명에 따를 경우 전자파 플라즈마를 이용하여 짧은 시간 내에 거의 완벽하게 일산화질소를 생성함으로써 일산화질소의 발생 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따를 경우 질소에 약간의 산소만을 섞어 일산화질소를 생산하기 때문에 다량의 일산화질소와 약간의 이산화질소만 생성되고 다른 활성입자는 거의 발생하지 않는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치(100)의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치(100)의 도파관(126), 방전관(104) 및 가스 냉각부 연결부의 수직 단면도이다.
도 3은 발생 된 일산화질소 밀도(n _NO )를 주입하는 산소분자의 밀도 (n _O2 )의 함수로 표시한 것으로 실선은 식 4에서 도출한 것이고 점은 실험을 통하여 측정한 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치(100)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치(100)는 전자파 공급부(102), 방전관(104), 와류가스 공급부(106), 점화부(108), 가스 냉각부(110) 및 가스 배출부(112)를 포함한다.

전자파 공급부(102)는 플라즈마 발생을 위하여, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진한다. 구체적으로, 전자파 공급부(102)는 전원 공급부(116), 마그네트론(118), 순환기(120), 방향성 결합기(122), 스터브 튜너(124) 및 도파관(126)을 포함한다.

전원 공급부(116)는 일산화질소 발생 장치(100)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.

마그네트론(118)은 전원 공급부(116)로부터 상기 전력을 공급받아 소정 주파수의 전자파를 발진한다. 마그네트론(118)은 예를 들어 10MHz 내지 10GHz 대역의 전자파를 발진하도록 구성될 수 있으며, 바람직하게는 2.45GHz의 전자파를 발진하도록 구성될 수 있다.

순환기(120)는 마그네트론(118)에서 발진된 전자파를 출력하며, 이와 동시에 임피던스 부정합으로 인하여 마그네트론(118)으로 반사되는 반사파를 흡수하여 소멸시킴으로써 마그네트론(118)을 보호한다.

방향성 결합기(122)는 순환기(120)로부터 전송된 전자파를 출력하며, 또한 방향성 결합기(122)로 입사되는 입사파 및 순환기(120)로 반사되는 반사파의 세기를 사용자가 육안으로 확인할 수 있도록 모니터링하는 기능을 제공한다.

스터브 튜너(124)는 상기 전자파로부터 유도되는 전기장의 세기가 방전관(104) 내에서 최대가 되도록, 방향성 결합기(122)로부터 입력되는 전자파의 입사파 및 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도한다. 구체적으로 스터브 튜너(124)는 반사파의 세기가 입사파의 1% 이내가 되도록 상기 입사파 및 반사파의 세기를 조절하도록 구성될 수 있다.

도파관(126)은 스터브 튜너(124)로부터 입력되는 전자파를 방전관(104)으로 전송한다.

방전관(104)은 전자파 공급부(102)로부터 공급된 전자파 및 와류가스로부터 플라즈마가 발생되는 공간이다. 방전관(104)은 속이 빈 원통형으로 구성되며, 상기 원통의 내주면을 따라 와류가스가 소용돌이 형태로 흐르도록 구성된다.

와류가스 공급부(106)는 방전관(104)으로 와류가스를 공급한다. 상기 와류가스는 방전관(104)에서 생성된 플라즈마를 안정화하고, 방전관(104)의 내벽을 보호하기 위한 것으로서, 와류가스는 질소에 적정량의 산소를 섞은 기체로 구성되어 있다. 이 와류가스가 방전관(104) 내부에 발생된 플라즈마를 통하여 지나갈 때에 질소와 산소가 고온의 플라즈마 속에서 반응하여 일산화질소를 발생한다.

점화부(108)는 방전관(104) 내로 상기 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급한다.

가스 냉각부(110)는 방전관(104)의 상단에 형성되며 방전관(104) 내부에 형성된 고온의 일산화질소를 적정온도 이내로 냉각한다. 냉각은 냉각장치의 길이를 통하여 공냉식으로 냉각함과 더불어 필요에 따라 냉각기 주위에 물을 순환시키는 수냉식을 함께 도입한다.

가스 배출부(112)는 방전관(104)에서 생성되고 가스 냉각부(110) 통하여 냉각된 일산화질소와 기체를 외부로 배출한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 일산화질소 발생 장치(100)의 도파관(126), 방전관(104) 및 가스 냉각부 연결부의 수직 단면도이다.

도파관(126)은 예를 들어 표준형 직사각형 도파관으로서, 스터브 튜너(124) 측으로부터 방전관(104) 측으로 갈수록 그 단면적이 감소하는 테이퍼(taper) 형상으로 형성되어, 방전관(104) 측으로 갈수록 스터브 튜너(124)로부터 입력된 전자파의 에너지 밀도가 증가하도록 구성될 수 있다.

방전관(104)은 도파관(126)의 종단으로부터 방전관(104)으로 공급되는 전자파의 파장의 1/8 내지 1/2 위치에서 도파관(126)을 수직하게 관통하도록 설치되며, 바람직하게는 도파관(126)의 종단으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 설치될 수 있다. 방전관(104)은 전자파의 용이한 투과를 위해 석영이나 알루미나 또는 세라믹 등으로 구성될 수 있다.

와류가스 공급부(106)는 방전관(104)의 하단에 설치되며, 하나 이상의 와류가스 공급관(106a)을 포함할 수 있다. 상기 각각의 와류가스 공급관(106a)은 방전관(104)의 내주면을 따라 등간격으로 배열될 수 있다. 또한 각 와류가스 공급관은 방전관(104)의 내부로 공급되는 와류가스가 방전관(104)의 내주면을 따라 소용돌이(swirl)를 형성하면서 플라즈마 화염의 진행 방향으로 이동할 수 있도록, 와류가스 공급부(106)의 외벽에서 내벽으로 갈수록 상향 경사지게 형성될 수 있다. 와류가스는 질소에 적정량의 산소를 섞은 것이다.

점화부(108)는 방전관(104)으로 초기 플라즈마 생성을 위한 전자를 공급한다. 점화부(108)는 한 쌍의 점화 전극(108a)을 포함하며, 각 전극의 끝단은 0.1~50mm의 방전 간격을 유지하도록 구성될 수 있다. 상기 점화 전극(108a)은 예를 들어 텅스텐으로 구성될 수 있다.

이하에서는 방전관(104) 내부에서 질소와 산소가스의 반응에 대해 설명한다.

질소에 일정량의 산소가 섞여있는 가스가 전자파 플라즈마 토치 속을 지나갈 때, 산화질소가 토치에 의하여 생성된다. 이때 산소의 량은 산소 몰 비 χ로 표시한다. 개개의 실험조건이 다르기 때문에 모든 물리적 변화 량들이 전자파 플라즈마 토치 속에서 각각 다를 수 있다. 그래서 이 실시 예에서는 이해를 돕기 위하여 전자의 온도 T _e 와 플라즈마 밀도 n _p 를 임으로 정하기로 한다. 그래서 이 실시예에서는 플라즈마 밀도를 약 n _p = 10¹²/cm³로 정하고 전자의 온도는 T _e = 1.5eV로 정한다. 이 값들은 약하게 이온화된 대기압 플라즈마에서 일반적으로 측정 되어진 것이다. 전자충돌에 의한 산소 분자 (O₂)가 산소원자 (O)로 분해하는 분해상수는

(1)

로 기술되며 그값은

이다. 전자온도가 T _e = 1.5eV일 때, 질소분자 (N₂)가 질소원자 (N)로 분해되는 상수는

이다.

질소 플라즈마 속에서 질소분자는

라 불리는 준 안정상태로 여기된다. 그때 여기 상수는

(2)

로서 전자의 온도 T _e 의 함수로 기술된다. 그리고 전자의 온도가 T _e = 1.5eV일 때, 여기 상수는

로 주어진다. 여기 된 질소 분자의 밀도는 시간 t에 대하여

로 기술되고 많은 량의 질소밀도 n _N2 때문에 아주 빠르게 증가하게 된다. 대량으로 여기 된 질소분자는 이산화질소 (NO₂)를 분해하여 일산화질소 (NO)를 생산하고 이렇게 발생한 일산화질소는 산소원자를 만나 이산화질소가 되는 빠른 반응이 형성되면서 일산화질소와 이산화질소의 밀도가 준 평형상태를 이룬다.

그런데, 한편 전자 충돌을 통해서 질소분자가 분해하면서 발생한 질소 원자가 산소분자 속에서 다음과 같은 반응에 의하여 산화한다. 산화반응식은

이고 산화 반응상수는

이다. 여기서 T는 토치 불꽃온도이고 T _r = 300K는 정상적인 실내온도이다. 여기서 불꽃온도는 절대온도로 표시한다. 한편 이렇게 생성된 일산화질소는 역시 질소원자를 만나 다음과 같이 서서히 분해한다. 분해반응은

이고 분해반응 상수는

이다. 따라서 일산화질소의 밀도는 다음과 같이 표시된다.

(3)

여기서 n _NO 와 n _O2 는 일산화질소와 산소분자의 밀도를 표시하며, τ _NO 는 일산화질소의 분해 시간상수로서 약 300μs이다. 여기서 밀도는 1cm³에 들어있는 입자의 수를 의미한다.

위의 식3은 여러 가지를 예시해 주고 있다. 첫째, 발생되는 일산화질소의 밀도는 토치 불꽃의 온도 (T)에 민감하며 불꽃온도에 지수적으로 증가하는 것을 볼 수 있다. 그래서 고온의 불꽃에서 일산화질소가 더욱 효율적으로 생성된다. 이러한 맥락에서 일산화질소를 전자파 플라즈마 토치에서 발생하게 되는 것이다. 둘째, 일산화질소 발생량이 산소분자의 밀도 (n _O2 )에 비례하는 것을 볼 수 있다. 산소의 몰 비 χ가 증가할수록 일산화질소 발생량이 증가하게 되며 몰 비가 너무 크면 일산화질소가 과다하게 발생하게 되기 때문에 이를 적절히 조절해야 한다. 셋째, 일산화질소 발생량은 처음에는 시간 t에 대하여 선형적으로 증가하나, 필경 포화 값에 접근하게 된다. 여기서 시간 t는 정해진 질소와 산소를 포함한 기체부위가 플라즈마 토치 속에 머물러 있는 시간을 의미하며 영어로는 dwelling time이라 할 수 있다. 이 체류시간 (t) 은 플라즈마 토치 불꽃길이에 비례하며 토치 길이는 전자파의 출력에 비례하기 때문이 생성되는 일산화질소 량이 전자파 출력에 비례한다고 볼 수 있다.

한 실시예로서 20 liter per minute (lpm)의 질소를 400W의 전자파 토치에 주입하였다. 이때 산소를 질소와 함께 주입하였는데 그때 산소의 량은 0에서 200cc per minute (ccm)으로 변하였다. 이 산소의 량은 도 3에 표시된 것처럼 0에서

에 해당한다. 토치 불꽃의 평균온도가 T = 2000K라고 간주할 때에 식 3은

(4)

로 간소화 된다. 반지름이 1.3cm인 방전관에서 질소 20lpm의 유속은 불꽃 온도를 2000K로 가정할 때,

이다. 불꽃 길이가 7.5cm일 때, 기체의 불꽃 속에서의 체류시간은 약 t = 300μs이다. 산소 분자의 밀도가 주어지면 일산화질소의 밀도를 식 4 로부터 계산하게 된다. 도 3은 발생된 일산화질소 밀도(n _NO )를 주입하는 산소분자의 밀도 (n _O2 )의 함수로 표시한 것으로 실선은 식 4에서 도출한 것이고 점들은 실험을 통하여 측정한 값이다. 도 3은 발생된 일산화질소의 밀도를 단위 부피당의 분자수 (왼쪽 수직선) 와 ppm (오른쪽 수직선)으로 표시하고 있다. 식 4에서 불꽃길이가 일정하다는 가정에서 체류시간을 계산했으나 실제로는 산소가 주입되면 불꽃길이가 더욱 증가한다. 그래서 산소가 유입될수록 체류시간이 증가하게 된다. 세포 활성화와 상처부위 치료는 일산화질소 250에서 550 ppm이 적합하기 때문에 이에 맞도록 산소의 량을 조절하게 된다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 일산화질소 발생 장치
102: 전자파 공급부
104: 방전관
106: 와류가스 공급부
106a: 와류가스 공급관
108: 점화부
108a: 점화 전극
110: 가스냉각부
112: 가스 배출부
116: 전원 공급부
118: 마그네트론
120: 순환기
122: 방향성 결합기
124: 스터브 튜너
126: 도파관
N₂: 질소분자
N: 질소원자

: 여기 된 질소분자
O₂: 산소분자
O: 산소원자
χ: 산소분자의 몰 비
NO: 일산화질소
NO₂: 이산화질소
T _e : 전자온도
T: 토치 불꽃의 절대온도
T _r : 절대온도 300K인 상온
n _p : 플라즈마 밀도
n _NO : 일산화질소의 밀도
n _O2 : 산소분자의 밀도
n _N2 : 질소분자의 밀도
k _O : 산소분자의 분해상수
k _N : 질소분자의 분해상수
α _{N2 *} : 질소분자의 여기 상수
α _NO2 : 질소원자의 산화 반응상수
α _NON : 질소원자에 의한 일산화질소의 분해상수
t: 방전관 내의 체류시간

Claims (8)

1. 일산화질소 발생에 있어서 산소가 섞여있는 질소를 직접 방전관으로 유입시켜 마그네트론에서 나온 전자파에 노출시키는 과정;
   전자파를 이용하여 방전관에 산소가 섞여있는 질소 플라즈마 토치를 만들고 상기 플라즈마 토치의 화염 속에서 일산화질소가 합성되는 과정;
   생성된 일산화질소가 가스 냉각부를 지나면서 적정온도 이하로 냉각되는
   과정;
   으로 이루어진 전자파 플라즈마를 이용한 일산화질소 발생방법.
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