KR101572156B1

KR101572156B1 - 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법

Info

Publication number: KR101572156B1
Application number: KR1020137014824A
Authority: KR
Inventors: 마코토 미야모토; 카즈토시 타케노시타; 유키 쿠마가이; 요코 나카야마; 히데오 노지마
Original assignee: 삼성전자 주식회사
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2015-11-26
Also published as: EP2638959A1; US20140010708A1; CN103492064A; KR20130118903A; EP2638959A4; JPWO2012063857A1; WO2012063857A1

Abstract

본 발명은 활성종에 의해 탈취하는 기능과 그 활성종을 장치의 외부로 방출하여 부유균 및 부착균을 살균하는 기능을 동시에 실현하는 것으로, 대향면에 유전체막(21a, 22a)을 마련한 한 쌍의 전극(21, 22)을 갖고, 상기 전극(21, 22) 간에 소정 전압이 인가되어 플라즈마 방전하는데 있어서, 각 전극(21, 22)의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀(21b, 22b)을 마련하여 이들이 관통하도록 구성되는 동시에, 전극의 면판 방향으로부터 본 경우에 대응하는 각 유체 관통홀(21b, 22b)의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치에 있는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법{PLASMA GENERATOR, AND PLASMA GENERATING METHOD}

본 발명은 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법에 관한 것이다.

최근의 아토피, 천식, 알레르기 증상 보유자의 증대와 신형 인플루엔자의 폭발 유행 등에서 볼 수 있는 감염성의 리스크 증대 등으로 인해, 살균과 탈취와 같은 생활 환경의 공기질 제어 요구가 높아지고 있다. 또한, 생활이 풍부하게 됨에 따라, 보관 식품 양의 증대와 먹고 남은 식품의 보관 기회가 증가하고 있어, 냉장고로 대표되는 보관 기기 내의 환경 제어도 중요성을 더해가고 있다.

생활 환경의 공기질 제어를 목적으로 하는 종래 기술은 필터로 대표되는 것과 같은 물리적 제어가 일반적이다. 물리적 제어는 공기 중에 부유하는 비교적 큰 먼지와 티끌, 필터 구멍의 크기에 따라서는, 세균과 바이러스 등도 포획할 수 있다. 또한, 활성탄과 같이 무수한 흡착 사이트가 있는 경우, 악취의 악취 분자도 포획가능하다. 그러나, 포획하기 위해서는 제어 대상의 공간 내의 공기를 균일하게 필터로 통과시킬 필요가 있고, 장치가 대형화되고, 필터 교환 등의 유지 비용도 증가하는 난점이 있는 동시에, 부착물에 대해서는 효과가 없다. 따라서, 부착물에 대해 살균과 탈취를 가능하게 하는 수단으로서, 화학적 활성종을 살균과 탈취를 실시하고 싶은 공간에 방출하는 것을 들 수 있다. 약품의 살포나 방향제, 소취제의 방출에서는 미리 활성종을 준비할 필요가 있어서 정기적인 보충이 불가결하다. 이에 대해, 대기 중에 플라즈마를 발생시켜서 생성되는 화학적 활성종을 이용하고, 살균과 탈취를 시도하는 수단이 근래 들어 증가하고 있다.

대기 중에 플라즈마를 방전에 의해 발생시키고, 이에 의해 생성된 이온이나 라디칼(이하, "활성종"이라 함)에 의해서 살균과 탈취를 실시하는 기술은 다음의 2가지 형식으로 분류할 수 있다.

(1) 대기 중에 부유하는 균과 바이러스(이하, "부유균"이라 함), 혹은 악취 물질(이하, "악취"라 함)을 장치 내의 한정된 용적 내에서 활성종과 반응시키는, 이른바 수동형 플라즈마 발생 장치(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).

(2) 플라즈마 발생부에서 생성된 활성종을 (1)보다 용적이 큰 폐공간(예를 들면, 거실, 화장실, 차량의 실내 등)으로 방출하고, 대기 중에서의 활성종과 부유균이나 악취의 충돌에 의해 반응시키는, 이른바 능동형 플라즈마 발생 장치(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).

(1)의 수동형 플라즈마 발생 장치의 이점은 작은 용적 내에서 플라즈마를 발생시켜 고농도의 활성종이 생성되므로 높은 살균 효과 및 탈취 효과가 기대된다. 한편, 결점으로서는 부유균이나 악취를 장치 내에 도입할 필요가 있으므로 장치가 대형화하고, 또한 플라즈마 발생으로부터 부생성물로서 오존이 발생하기 쉽고, 오존을 장치 외부로 누설시키지 않기 위하여 흡착 혹은 분해하는 필터를 별도로 설치할 필요가 있다.

다음에, (2)의 능동형 플라즈마 발생 장치의 이점은 장치를 비교적 작게 할 수 있고, 부유균의 살균이나 공기 중의 악취의 분해 이외에, 의류나 생활 용품의 표면에 부착한 균(이하, "부착균"이라 함)의 살균과 표면에 흡착한 악취의 분해도 기대할 수 있는 점이다. 한편, 결점으로서는, 활성종이 장치의 체적에 비해 매우 큰 폐공간 내에 확산되어 농도가 낮아지므로, 수명이 긴 활성종에만 살균과 탈취의 효과를 기대할 수밖에 없는 점이다. 그 결과, 악취 농도가 높은 공간(활성종 농도에 대하여 1만배 정도 높은 농도)에서는 거의 탈취 효과를 기대할 수 없게 된다.

이상과 같이, 수동형 플라즈마 발생 장치에서는 상기 장치로 유입되는 공기류에 포함된 부유균이나 악취에 대해서만 효과가 한정되고, 능동형 플라즈마 발생 장치에서는 농도가 낮은 부유균, 부착균, 악취에 대해서의 효과밖에 기대할 수 없다. 즉, 종래 기술을 이용해 실현될 수 있는 것은 "부유균의 살균과 탈취" 혹은 "농도가 낮은 부유균, 부착균의 살균 및 부착 악취의 탈취" 중 어느 한쪽에 한정되게 된다.

그런데, 일상 생활 환경 내에서 고농도의 부착균의 살균과 고농도 악취의 탈취를 동시에 실시하고 싶은 상황이 여러 번 있게 된다. 가장 전형적인 예는 냉장고의 냉장실 내로서, 식품 표면이나 보관 용기 등의 표면에 부착한 균이 다수 존재하고, 식품 그 자체나 부패된 먹고 남긴 음식 등으로부터 발생하는 악취도 동시에 존재한다.

특허 문헌 l: 일본 공개 특허 제2002-224211호 공보 특허 문헌 2: 일본 공개 특허 제2003-79714호 공보

따라서 본 발명은 부착균의 살균과 탈취의 양자를 동시에 실현하는 기술로서, 플라즈마를 발생시켜 활성종에 의해 탈취하는 수동형 기능 및 그 활성종을 장치의 외부에 대해 방출하고 부착균을 살균하는 능동형 기능의 2가지를 동시에 겸비할 수 있도록, 활성종의 생성량을 늘리는 것을 주된 소기의 과제로 하는 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 한 쌍의 전극을 갖고, 상기 전극 간에 소정 전압이 인가되어 플라즈마 방전하는데 있어서, 각 전극의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀을 마련하여 상기 유체 유통홀이 관통하도록 구성되고, 전극의 면판 방향으로부터 본 경우에 대응하는 각 유체 관통홀의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치에 있는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 명세서에서 언급된 대응하는 개소란 전극의 면판 방향으로부터 볼 때에 쌍방의 전극에 형성된 각 유체 유통홀이 실질적으로 같은 위치에 있어서 서로 대향하는 것을 의미하고, 직교 좌표계에서 z축 방향으로부터 xy평면 상의 한 쌍의 전극을 본 경우에 쌍방의 전극에서 대략 같은 (x, y)의 좌표 위치인 것을 의미한다.

이러한 구성에 의하면, 대응하는 각 유체 관통홀의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치에 있는 것으로부터, 유체 유통홀을 흐르는 유체와 플라즈마의 접촉 면적을 가급적으로 크게 할 수 있다. 이에 의해, 이온 및 래디칼과 같은 활성종의 생성량을 증가시킬 수 있고, 상기 활성종에 의해 탈취하는 기능과 그 활성종을 장치 외부로 방출하여 부유균 및 부착균을 살균하는 기능을 충분히 발휘할 수 있게 된다.

여기서, 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일측에 유전체막을 마련하는 것에 의해, 각 전극(21, 22) 간에 플라즈마 형성용의 공극을 형성하기 위한 스페이서가 불필요하면서도 대향면 간에 공극이 형성될 수 있다.

상기 대응하는 각 유체 관통홀의 윤곽을 서로 다른 위치로 하기 위한 구체적인 실시의 태양으로서, 상기 한 쌍의 전극 중 일측의 전극에 형성된 유체 유통홀의 개구 사이즈가 타측의 전극에 형성된 유체 유통홀의 개구 사이즈보다 10μm 이상 작게 형성되는 것이 바람직하다. 그 밖에, 동일한 개구 사이즈를 갖는 유체 관통홀을 그 개구 중심이 어긋나도록 배치해도 좋다.

상기 대응하는 각 유체 관통홀의 윤곽을 서로 다른 위치로 하는데 있어서, 플라즈마와 유체의 접촉 면적을 최대한 크게 하기 위해서, 상기 각 유체 유통홀이 원형 형태를 갖고, 상기 일측의 전극에 형성된 유체 유통홀과 상기 타측의 전극에 형성된 유체 유통홀을 동심원 형태로 배치하는 것이 바람직하다.

상기 한 쌍의 전극의 대응하는 유체 유통홀을 복수개 마련하면, 활성종의 탈취 기능 및 부유균과 부착균의 살균 기능을 증대시킬 수 있다.

상기 유체 관통홀을 통과한 유체에 포함되는 활성종의 수를 가급적 증대시킴과 동시에 발생하는 오존의 농도를 억제하기 위해서, 상기 각 전극에 형성된 유체 유통홀의 개구 총면적은 상기 각 전극의 총면적에 대해서 2% 이상 90% 이하의 범위 내인 것이 바람직하다.

상기 유체 관통홀을 통과하는 유체 또는 통과한 유체의 탈취 및 이에 포함되는 부유균의 살균 또는 방출되는 활성종의 양을 많게 하기 위해서, 상기 유체 유통홀과는 별도로, 일측의 전극에 관통홀을 마련하여 상기 관통홀이 타측의 전극에 의해 그 대향면 측의 개구가 차단될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 유체 유통홀을 통과한 후의 유체가 관통홀로 유입하여 플라즈마와 접촉하고, 혹은 유체 유통홀을 통과하기 전의 유체가 관통홀로 유입하여 플라즈마와 접촉함으로써 발명의 효과를 한층 현저하게 할 수 있다.

상기 관통홀의 구체적인 실시의 태양으로서, 상기 관통홀의 개구 사이즈를 상기 유체 유통홀의 개구 사이즈보다 10μm 이상 작게 형성하는 것이 바람직하다.

상기 유전체막의 표면 거칠기를 0.1μm 이상 100μm 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 따르면, 한 쌍의 전극에 대해 스페이서를 이용하지 않고 적층하는 경우여도, 그 표면 거칠기에 따라 플라즈마가 생성되는 공간을 형성할 수 있다.

유체가 효율적으로 유체 유통홀을 통과하도록 하여 활성종의 발생을 촉진하는 동시에 탈취 효과를 증대시키기 위해서, 상기 유체 유통홀을 향해 강제적으로 바람을 보내는 송풍 기구를 갖는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 송풍 기구에 의해 상기 유체 유통홀을 통과하는 바람의 유속을 0.1m/s 이상 10m/s 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

또한, 부착균의 살균과 탈취의 양자를 동시에 실현하기 위한 별도의 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 한 쌍의 전극을 갖고, 상기 전극 간에 소정 전압이 인가되어 플라즈마 방전하는데 있어서, 각 전극의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀을 마련하여 상기 유체 유통홀이 관통하도록 구성되고, 상기 유체 유통홀과는 별도로, 일측의 전극에 관통홀을 마련하여 상기 관통홀이 타측의 전극에 의해 그 대향면 측의 개구가 차단될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의하면, 상기 유체 유통홀을 통과한 유체를 관통홀을 통해서 플라즈마에 더 접촉시킬 수 있고, 혹은 상기 유체 유통홀을 통과하기 전의 유체를 관통홀을 통해서 플라즈마에 미리 접촉시킬 수 있다. 이에 의해, 이온 및 래디칼과 같은 활성종의 생성량을 증가시킬 수 있고, 상기 활성종에 의해 탈취하는 기능과 그 활성종을 장치 외부로 방출하여 부유균 및 부착균을 살균하는 기능을 충분히 발휘할 수 있게 된다.

상기 유체 관통홀을 통과한 유체에 포함되는 활성종의 수를 가급적으로 증대시킴과 동시에 발생하는 오존의 농도를 억제하기 위해서, 상기 각 전극에 인가되는 전압을 펄스 형상으로 하고, 그 피크 값을 100V 이상 5000V 이하의 범위 내로 하고, 또한 펄스 폭을 0.1μs 이상 300μs 이하의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

또한, 탈프레온 대응의 냉장고에는 냉매로서 가연성 가스를 사용하는 경우가 있어, 종래 기술로 나타낸 것과 같은 고전압을 필요로 하는 플라즈마를 발생시키는 장치류를 상기 가연성 가스가 사용된 냉장고에 적용하는 것은 안전성에 문제가 있다. 사용되는 가연성 냉매가 냉장고 내에 누설될 가능성이 있어, 그 분위기 중에 고전압의 원인으로 스파크가 발생하면 착화하여 폭발 사고를 일으킬 수도 있다. 따라서, 상기 한 쌍의 전극의 외측에 배치된 보호 커버를 갖고, 가연성 가스가 상기 유체 유통홀로 유입하여 플라즈마에 의해 발생된 화염이 상기 보호 커버를 넘어 외부로 전파되지 않도록 구성한 방폭 기구를 갖는 것이 바람직하다.

탈취 및 살균의 능력을 저하시키지 않고 안전성을 확보하기 위해서, 상기 보호 커버는 상기 한 쌍의 전극의 외측에 배치된 금속 메쉬를 갖고, 상기 금속 메쉬의 선경이 1.5mm 이하의 범위 내이며, 또한 상기 금속 메쉬의 개구율이 30% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 방법은 한 쌍의 전극을 이용한 플라즈마 발생 방법으로서, 각 전극의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀을 마련하여 상기 유체 유통홀이 관통하도록 구성되고, 상기 전극의 면판 방향으로부터 본 경우에 대응하는 각 유체 관통홀의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치가 되도록 구성하고, 상기 전극 간에 소정 전압이 인가되어 플라즈마 방전하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 활성종에 의해 탈취하는 기능과 그 활성종을 장치 외부로 방출하여 부유균 및 부착균을 살균하는 기능을 동시에 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 발생 장치의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 2는 플라즈마 발생 장치의 작용을 나타낸 모식도이다.
도 3은 전극부를 나타낸 평면도이다.
도 4는 전극부 및 방폭 기구를 나타낸 단면도이다.
도 5는 전극부의 대향면의 구성을 나타낸 확대 단면도이다.
도 6은 유체 유통홀 및 관통홀을 모식적으로 나타낸 부분 확대 평면도 및 단면도이다.
도 7은 이온수 밀도 및 오존 농도의 개구율 의존성을 나타낸 도면이다.
도 8은 전극 형상에 의한 단위 둘레 길이당 이온수 밀도(대칭형에 대한 비율)를 나타낸 도면이다.
도 9는 전극 구조 변경에 의한 이온수 밀도 증가를 나타낸 도면이다.
도 10은 전극 형상에 의한 살균 효과의 차이를 나타낸 도면이다.
도 11은 전극 형상에 의한 탈취 효과의 차이를 나타낸 도면이다.
도 12는 플라즈마 생성과 탈취 반응장의 개략도이다.
도 13은 방출된 활성종에 의한 부착균 살균의 개략도이다.
도 14는 본 실시예의 유체 유통홀에 의한 탈취 효율 향상의 개략도이다.
도 15는 본 실시예의 유체 유통홀에 의한 활성종 방출의 개략도이다.
도 16은 본 실시예의 관통홀의 고농도 활성종 영역에 의한 탈취 효율 향상의 개략도이다.
도 17은 본 실시예의 관통홀에 있어서 고농도 활성종 방출의 개략도이다.
도 18은 이상시의 플라즈마에 의한 착화와 방폭 기기에 의한 화염 전파 방지의 개략도이다.
도 19는 방폭 능력과 이온 방출 성능을 만족하는 금속 메쉬의 파라미터 영역을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)는, 예를 들면 냉장고, 세탁기, 의류 건조기, 청소기, 공조기, 또는 공기 청정기 등의 가정용 전자 제품에 이용되는 것으로, 상기 가정용 전자 제품의 내부 또는 외부 공기를 탈취하고 이들 제품 내부 또는 외부의 부유균 또는 부착균을 살균하는 것이다.

구체적으로, 상기 플라즈마 발생 장치(100)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 갭 플라즈마(Micro Gap Plasma)에 의해 이온이나 라디칼 등의 활성종을 생성시키는 플라즈마 전극부(2), 상기 플라즈마 전극부(2)의 외부에 설치되어 상기 플라즈마 전극부(2)에 강제적으로 바람(공기류)을 보내는 송풍 기구(3), 상기 플라즈마 전극부(2)의 외부에 설치되어 플라즈마 전극부(2)에서 발생된 화염이 외부로 전파되지 않게 하는 방폭 기구(4), 및 전극부에 고전압을 인가하기 위한 전원(5)을 포함한다.

이하, 각 부분(2-5)에 대해서 각 도면을 참조하여 설명한다.

상기 플라즈마 전극부(2)는, 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 대향면에 유전체막(21a, 22a)을 마련한 한 쌍의 전극(21, 22)을 갖고, 이들 전극(21, 22) 사이에 소정 전압이 인가되어 플라즈마 방전하는 것이다. 각 전극(21, 22)은, 특히 도 3에 도시된 바와 같이, 평면으로 볼 때에(전극(21, 22)의 면판 방향으로부터 볼 때에) 대략 직사각형 형상으로 이루어지고, 예를 들면 SUS403과 같은 스테인리스강으로 형성된다. 또한, 상기 전극부(2)의 전극(21, 22)의 주연부에는 전원(5)으로부터의 전압이 인가되는 인가 단자(2T)가 형성되어 있다(도 3 참조). 여기서, 상기 전원(5)에 의한 플라즈마 전극부(2)로의 전압 인가 방법은 각 전극(21, 22)에 인가되는 전압을 펄스 형상으로 하고, 그 피크 값을 100V 이상 5000V 이하의 범위 내로 하며, 또한 펄스 폭을 0.1μs 이상과 300μs 이하의 범위 내로 한다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전극(21, 22)의 대향면에는, 예를 들면 티탄산 바륨 등의 유전체가 도포되어 유전체막(21a, 22a)이 형성된다. 상기 유전체막(21a, 22a)의 표면 거칠기(본 실시예에서는 산출 평균 거칠기 Ra)는 0.1μm 이상 100μm 이하이다. 이의 다른 표면 거칠기로서는 최대 높이 Ry, 10점 평균 거칠기 Rz를 이용해서 규정하여도 좋다. 이와 같은 유전체막(21a, 22a)의 평면 거칠기를 상기 범위 내의 값으로 함으로써, 각 전극(21, 22)을 중합시키는 것만으로 대향면 간에 공극이 형성되어, 상기 공극 내에 플라즈마가 발생하게 된다. 이에 의해, 각 전극(21, 22) 간에 플라즈마 형성용 공극을 형성하기 위한 스페이서가 불필요하다. 또한, 상기 유전체막(21a, 22a)의 표면 거칠기는 용사법에 의해 제어하는 것이 고려된다. 또한, 전극에 도포하는 유전체로서, 산화 알루미늄, 산화 티탄, 산화 마그네슘, 티탄산 스트론튬, 산화 실리콘, 인산은, 티탄산 지르콘산 연, 실리콘 카바이드, 산화 인듐, 산화 카드뮴, 산화 비스무트, 산화 아연, 산화철, 카본 나노 튜브 등을 이용해도 된다.

더 나아가, 도 3, 도 4, 및 도 6에 도시된 바와 같이, 각 전극(21, 22)의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀(21b, 22b)을 마련해서 이들이 연통하여 관통하도록 구성됨과 함께, 상기 전극(21, 22)의 면판 방향으로부터 볼 때에(평면으로 볼 때에) 대응하는 각 유체 관통홀(21b, 22b)의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치가 되도록 구성된다. 즉, 일측의 전극(21)에 형성된 유체 유통홀(21b)의 평면으로 볼 때의 형상과 타측의 전극(22)에 형성된 유체 유통홀(22b)의 평면으로 볼 때의 형상이 서로 다르도록 구성된다.

구체적으로, 각 전극(21, 22)의 대응하는 개소에 각각 형성된 유체 유통홀(21b, 22b)은 평면으로 볼 때에 대략 원형 형태를 갖고(도 3, 도 6 참조), 일측의 전극(21)에 형성된 유체 유통홀(21b)의 개구 사이즈(개구경)가 타측의 전극(22)에 형성된 유체 유통홀(22b)의 개구 사이즈(개구경)보다 작게(예를 들면, 개구경이 10μm 이상 작게) 형성된다.

또한, 동일한 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 일측의 전극(21)에 형성된 유체 유통홀(21b)과 타측의 전극(22)에 형성된 유체 유통홀(22b)은 동심원 형태로 형성된다. 또한, 본 실시예에서, 일측의 전극(21)에 형성된 복수개의 유체 유통홀(21b)은 모두 동일 형상을 갖고, 타측의 전극(22)에 형성된 복수개의 유체 유통홀(22b)도 모두 동일 형상으로 이루어지고, 일측의 전극(21)에 형성된 유체 유통홀(21b) 모두는 타측의 전극(22)에 형성된 유체 유통홀(22b)보다 작게 형성된다. 본 실시예에서는 대략 원형 형태로서의 효과를 나타냈지만, 개구부는 원형으로 한정되지 않고 어떠한 형태이어도 무방하며, 평면으로 볼 때에 대응하는 각 유체 관통홀의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치가 되도록 구성되면 좋다.

더 나아가, 각 전극(21, 22)에 형성된 유체 유통홀(21b, 22b)의 개구 총면적은 상기 각 전극(21, 22)의 총면적에 대해서 2% 이상 90% 이하의 범위 내에 있다. 구체적으로, 타측의 전극(22)에 형성된 유체 유통홀(22b)의 개구 총면적을 전극(22)의 총면적에 대해서 2% 이상 90% 이하의 범위 내로 한다. 또한, 일측의 전극(21)에 형성된 유체 유통홀(21b)의 개구 총면적을 2% 이상 90% 이하의 범위 내로 해도 좋다.

본 실시예의 플라즈마 전극부(2)는, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유체 유통홀(21b, 22b)과는 별도로, 일측의 전극(21)에 관통홀(21c)을 마련하여 상기 관통홀(21c)이 타측의 전극(22)에 의해 그 대향면 측의 개구가 차단될 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 각 전극(21, 22)에 형성된 유체 유통홀(21b, 22b)로 이루어진 것을 이하, 완전 개구부라 하는 경우가 있지만, 이와 비교해서 상기 관통홀(21c)에 의해 형성되는 것은 반 개구부라 한다.

상기 관통홀(21c)의 개구 사이즈를 유체 유통홀(21b)의 개구 사이즈보다 10μm 이상 작게 형성한다. 상기 관통홀(21c)은 규칙적으로 설치된 유체 유통홀(21b)의 일부를 치환해서 형성되고, 상기 관통홀(21c)은 유체 유통홀(21b)의 주위에 설치된다(도 3 참조).

송풍 기구(3)는 상기 플라즈마 전극부(2)의 타측의 전극(22)측에 배치되고, 상기 플라즈마 전극부(2)에 형성된 유체 유통홀(21b, 22b)(완전 개구부)을 향해 강제적으로 바람을 보내는 송풍팬을 갖는다. 구체적으로, 상기 송풍 기구(3)는 유체 유통홀(21b, 22b)을 통과시키는 바람의 유속을 0.1m/s 이상 10m/s 이하의 범위 내로 하고 있다.

방폭 기구(4)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(21, 22)의 외측에 배치된 보호 커버(41)를 갖고, 가연성 가스가 유체 유통홀(21b, 22b)로 유입하여 플라즈마에 의해 발생된 화염이 보호 커버(41)를 넘어 외부에 전파되지 않도록 구성된 것이다. 구체적으로, 상기 방폭 기구(4)는 그 보호 커버(41)가 한 쌍의 전극(21, 22)의 외측에 배치된 금속 메쉬(411)를 갖고, 상기 금속 메쉬(411)의 선경(線徑)이 1.5mm 이하의 범위 내이며, 또한 상기 금속 메쉬(411)의 개구율이 30% 이상이다.

이와 같이 구성된 플라즈마 발생 장치(100)에 의해, 2개의 대향하는 전극(21, 22)의 간극에 플라즈마를 발생시키고, 유체 유통홀(21b, 22b)에 바람을 보내서 전극(21, 22) 근방에서 탈취를 실시하고, 플라즈마 중에 생성된 활성종을 폐공간으로 방출하여 부착균의 살균을 행한다. 여기서, 플라즈마로 발생한 생성물은 모두 바람에 의해 하류로 운반되므로, 인체에 유해한 오존의 발생을 제한할 필요가 있다. 따라서, 본 실시예의 전극(21, 22)의 완전 개구부의 구조, 반 개구부의 추가, 개구부의 형상, 전압 제어, 풍속 등의 파라미터를 최적화함으로써, 오존 발생을 억제하고 탈취와 살균의 양립을 가능하게 할 수 있다. 또한, 이러한 폐공간이 가연성 기체에 의해 채워져 있는 경우에도, 안전하게 동작시킬 수 있는 방폭 기구(4)도 포함하고, 또한 상기 방폭 기구(4)로 인해 탈취와 살균의 성능을 저하시키는 일이 없도록 최적화를 행한다.

다음에, 본 실시예의 플라즈마 발생 장치(100)를 이용한 실험 예에 대해 설명한다. 부착균 살균과 탈취의 양자를 양립하기 위한 전극 파형의 최적화를 공기 이온 측정과 오존 농도 측정에 의해 실시한다. 양 측정은 플라즈마 전극부(2)보다 하류에 측정기를 설치할 수 있는 거리(본 건의 경우, 오존 농도는 1cm에 흡입구를 설치, 이온수 밀도는 10cm에 설치)에서 실시한다. 공기 이온 측정은 간접적이지만 간편하게 측정하는 방법으로, 플라즈마로 발생한 활성종 안에 특히 전하를 갖고 수명이 긴 이온이 측정 대상이지만, 일정한 플라즈마의 발생 조건 하에서 공기 이온수 밀도와 활성종의 밀도 사이에 상관성이 있는 것을 이용한다. 즉, 이온수 밀도가 높다는 것은 그만큼 살균과 탈취에 효과가 있는 활성종의 밀도가 높다는 것을 의미한다. 한편, 플라즈마의 부생성물인 오존은 이온에 비해 훨씬 긴 수명(수 십분 이상)을 가지므로, 플라즈마 근방에서의 농도와 하류의 먼 지점에서의 농도는 큰 차이가 없다. 그렇더라도, 측정 값의 절대 값을 높게 해서 얼마 안 되는 오존 발생량의 변화를 잡기 위하여, 전극(21)보다 1cm 하류에 측정기의 샘플링 흡입구를 설치한다. 이러한 측정계에 있어서, 오존 농도를 기준으로 하여 이온수 밀도를 최대화하는 것이 전극 파형 형상의 최적화에 직결된다.

상기 유체 유통홀(22b)(유체 유통홀(21b))의 개구율을 변화시킨 경우의 이온수 밀도와 오존 농도의 측정 결과를 도 7에 나타내고 있다. 개구율의 증가와 함께 이온수 밀도가 증가하고, 한편 오존 농도는 저하한다. 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 전극(22)의 총면적에 대한 전극(22)에 형성된 유체 유통홀(22b)의 개구 총면적의 비율(개구율)은 40% ~ 90%의 범위 내가 바람직하고, 더 바람직하게는 40% ~ 80%의 범위 내이다.

상기 전극의 비대칭 구조와 반 개구부에 의한 이온 생성량 증가는 이하와 같이 확인했다.

다음과 같이 개구율이 동일한 전극을 3가지 종류 준비하고,

1) 기본이 되는 대칭형 완전 개구부(유체 유통홀(21b)와 유체 유통홀(22b)이 동일 형상)만 구비한 전극,

2) 완전 개구부를 비대칭 구조(본 실시예의 구성)로 변경한 전극,

3) 대칭형 완전 개구부 이외에, 반 개구부를 구비한 전극.

각각의 전극을 오존 농도가 일정하게 되도록 인가 전압을 조정하고, 그 조건에서 생성되는 이온수 밀도를 상기와 같이 측정한다. 다음에, 전극 상의 개구부의 둘레 길이의 총연장을 구하고, 측정한 이온수 밀도로부터 단위 둘레 길이당 이온수 밀도를 산출한다. 전극 1)과 2)는 직접 비교함으로써 비대칭형으로 변경한 것에 의한 증가량이 구해지고, 3)의 이온수 밀도로부터 1)의 이온수 밀도를 공제함으로써 반 개구부에 의한 증가량이 구해진다. 도 8은 대칭형 완전 개구부에 대한 이온 생성량의 비를 나타내고 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 비대칭형(본 실시예의 완전 개구부)으로 변경함으로써 2배 이상, 반 개구부로부터의 이온 생성량은 대칭형의 3배 이상 증가하는 것이 판명된다. 더 나아가, 이러한 전극의 구조, 비대칭의 완전 개구부의 그리고 반 개구부의 전극 상에서의 배치를 도모함으로써, 도 9에 도시된 바와 같이, 활성종의 발생량을 최대 100배 정도 증가시킬 수 있다.

전극 구조를 변경하고 활성종의 생성량을 증가시키는 것에 의해 살균 능력의 향상을 실현한 결과를 도 10에 나타내고 있다. 살균 대상은 대장균으로서, 실온에서 100L의 용기 내에서 대장균을 도포한 배지에 대해, 6시간 활성종을 방출하고, 그 후 배지 상의 균을 배양하고, 형성된 콜로니(colony)의 수를 카운트했다. 그 결과, 대칭형 개구부만의 전극으로부터 반 개구부를 추가함으로써, 살균율은 1자리 이상 증가했다. 이러한 활성종 생성 조건에서는 거의 완전한 살균(99.9%)을 실현하기 위한 시간이 8시간 이내라고 예측된다. 이러한 살균 능력은, 예를 들면 냉장고를 밤새 운전하고 있는 동안에 냉장고 내의 부착균을 완전히 살균하는데 충분할 수 있다.

마찬가지로, 전극 구조를 변경하는 것에 의한 탈취 능력의 변화를 도 11에 나타내고 있다. 실온에서, 내부 용적 100L의 수지제의 용기에 악취로서의 트리 메틸 아민(TMA)을 2ppm 주입하고, 본 실시예의 이온 발생 장치(100)를 2시간 동안 동작시킨 경우의 잔류 악취 농도로부터 구한다. 반 개구부를 추가함으로써, 탈취율을 거의 2배로 증가시킬 수 있다.

전극 근방에서 행해지는 탈취 반응에 대해서는 다음과 같이 고려된다. 최초로 플라즈마에 의해 생성된 활성종의 농도와 공기류에 의해 운반된 악취 농도의 농도차이를 고려한다. 도 12에 도시된 바와 같이, 전극 표면의 유전체끼리로 만들어진 공극에 발생되는 플라즈마의 일부는 완전 개구부의 구멍의 내측에까지 확대되므로, 생성된 활성종은 송풍부로부터 공급되는 공기류와 상호작용을 한다. 대기압에서, 유전체에 의해 개재된 공간에서 발생하는 플라즈마의 전자 밀도는 10¹⁵/㎤ 정도이고, 생성되는 이온이나 래디칼의 밀도도 같다고 생각되며, 매우 고밀도의 활성종이 존재한다. 여기에 악취 물질의 분자가 운반되어 온 경우에 상정되는 분자수 밀도는 가령 ppm 오더인 경우에도 10¹³/㎤로, 활성종의 밀도보다 몇자리 정도 작다. 즉, 악취 분자를 분해하는데 충분한 수의 활성종이 생성되는 공간이 완전 개구부의 내측에 발생하고, 도 12에 나타낸 탈취 반응장으로 어떻게 송부하여 분해를 촉진하도록 연구할지가 열쇠가 된다.

다음에, 전극(21, 22)으로부터 멀어진 물체 표면에서 행해지는 살균에 대한 것이지만, 방출된 활성종의 밀도와 부착균의 밀도 차이가 살균 효율을 결정한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 플라즈마로 생성되고 공기류를 따라 하류로 방출된 활성종은 각각의 수명에 따라 재결합 등을 거쳐 안정적인 분자로 돌아간다. 통상 이러한 공기 중에 존재하는 이온은 공기 이온 측정기 등으로 계측되고, 플라즈마 근방에서는 10⁶/㎤ 정도로 관찰된다. 이러한 수밀도에서는 악취 분자를 분해하는데 장시간이 필요하므로 탈취 효과는 기대할 수 없지만, 보다 수밀도가 낮은 부착균을 살균하기에는 유효하다. 부착균은 단위 면적당 수백에서 수천개, 즉 10² ~ 10³/㎠이며, 일정시간 계속적으로 활성종을 포함한 공기와 접촉함으로써 살균을 행할 수 있다.

여기서, 상기 완전 개구부의 구조를 도모함으로써 활성종과 악취와의 반응을 촉진시킬 수 있다. 2개의 전극의 구멍 형상을 비대칭으로 하는 것은 활성종과 악취의 반응의 촉진 및 공기류로의 이송 효율을 상승시키는 2가지 효과를 기대할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 공기류의 상류에서 하류를 따라 구멍의 크기가 작아지는 형상(일측 전극(21)의 유체 유통홀(21b)보다 타측 전극(22)의 유체 유통홀(22b)이 크다)의 경우, 공기류가 플라즈마와 상호작용하는 시간이 길어져서 탈취 효율이 높아진다.

반대로, 공기류의 상류에서 하류를 따라 구멍의 크기가 커지는 형상(일측 전극(21)의 유체 유통홀(21b)보다 타측 전극(22)의 유체 유통홀(22b)이 작다)의 경우, 도 15에 도시된 바와 같이 공기류가 팽창함으로써 발생하는 부압에 의해 보다 효율적으로 활성종이 하류로 이송된다. 그 결과, 살균 효율이 높아지는 것을 예상할 수 있다.

다음에, 반 개구부에 의한 활성종과 악취와의 반응을 촉진하고 공기류로의 이송 효율 상승에 대해서 설명한다. 최초로, 도 16에 도시된 바와 같이, 공기류의 상류측에 개구하고 있는 경우를 고려하면, 플라즈마로 생성된 활성종은 그 근방에 공기류가 없기 때문에 보다 고농도의 활성종이 존재하는 영역을 형성한다. 양자의 전극(21, 22)이 개구한 부분으로 좁혀지는 공기류가 그 고농도 활성종의 영역과 상호작용함으로써 탈취 효율이 높아진다.

이에 대해, 도 17에 도시된 바와 같이 공기류의 하류측에만 개구하고 있는 경우에도, 공기류가 존재하지 않는 영역에서는 활성종의 농도가 높게 된다. 이러한 고농도 활성종의 영역과 공기류와의 경계상에서 상호작용함으로써 활성종이 하류로 방출되고, 공기 중의 이온수 밀도를 상승시켜 살균 효율을 높인다.

상기 방폭 기구(4)는, 예를 들면 가연성 냉매를 사용한 냉장고에 본 장치를 설치하는 경우에 필요하게 된다. 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 전극부(2)의 주위에 금속 메쉬를 배치하고, 가령 전극 상에서 아크 방전과 같은 스파크가 발생하여 가연성 냉매 분위기 중에서 착화하는 경우도, 화염이 금속 메쉬를 넘어 냉장실 전체로 확대되는 일은 없다. 특히, 도 19에 도시된 바와 같이, 상기 금속 메쉬(411)의 선경이 1.5mm 이하의 범위 내이고 또한 개구율이 30% 이상인 경우에 상기와 같은 전극 구조에 의해 증대시킨 활성종의 생성량을 손상시키지 않고 동작시킬 수 있고, 즉 탈취와 살균의 능력을 저하시키지 않고 안전성을 확보할 수 있다.

<본 실시예의 효과>

이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(100)에 의하면, 대응하는 각 유체 관통홀(21b, 22b)의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치로 되어있기 때문에, 유체 유통홀(21b, 22b)을 흐르는 유체와 플라즈마와의 접촉 면적을 가급적 크게 할 수 있다. 이에 의해, 이온 및 래디칼과 같은 활성종의 생성량을 증가시킬 수 있고, 상기 활성종에 의해 탈취하는 기능과 그 활성종을 장치 외부로 방출하여 부유균 및 부착균을 살균하는 기능을 충분히 발휘할 수 있게 된다.

<그 밖의 변형 실시예>

또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 전극(21)의 복수의 유체 유통홀(21b)이 동일 형상을 갖고, 또한 전극(22)의 복수의 유체 유통홀(22b)이 동일 형상으로 이루어졌지만, 각각 다른 형상으로 이루어질 수도 있다.

또한, 상기 실시예에서는 전극(21)의 모든 유체 유통홀(21b)이 전극(22)의 복수의 유체 유통홀(22b)보다 작거나 또는 크게 형성되었지만, 전극(21)의 일부의 유체 유통홀(21b)이 전극(22)의 유체 유통홀(22b)보다 작게 형성되고, 그 외의 유체 유통홀(21b)은 전극(22)의 유체 유통홀(22b)보다 크게 형성되어도 좋다.

더 나아가, 상기 실시예에서는 일측의 전극(21) 또는 타측의 전극(22) 중 어느 하나에 관통홀이 형성되었지만, 양자에 관통홀(반 개구부)을 형성하여도 좋다.

게다가, 상기 실시예에서는 유체 유통홀이 같은 단면 형상으로 이루어졌지만, 그 밖에 각 전극에 형성되는 유체 유통홀에 테이퍼면을 갖는 형상, 원뿔 형상, 또는 사발 형상, 즉 일측의 개구로부터 타측의 개구로 나아감에 따라 축경 또는 확경하는 형상이어도 좋다.

부가적으로, 유체 유통홀은 원형 형상 이외에, 타원 형상, 직사각형 형상, 직선 형태의 슬릿 형상, 동심원 형태의 슬릿 형상, 파형 형태의 슬릿 형상, 초승달 형상, 빗 형상, 벌집 형상, 또는 별 형상이어도 좋다.

그 밖에, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

본 발명에 의하면, 활성종의 생성량을 늘리면서도 오존의 발생량을 억제할 수 있다.

100: 플라즈마 발생 장치
21: 일측의 전극
22: 타측의 전극
21a, 22a: 유전체막
21b, 22b: 유체 유통홀
21c: 관통홀
3: 송풍 기구
4: 방폭 기구
41: 보호 커버
411: 금속 메쉬

Claims

한 쌍의 전극을 갖고, 상기 전극 간에 전압이 인가되어 상기 한 쌍의 전극의 대향면 사이에 플라즈마 방전하는데 있어서, 각 전극의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀을 마련하여 상기 유체 유통홀이 관통하도록 구성되고, 전극의 면판 방향으로부터 본 경우에 대응하는 각 유체 유통홀의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치에 있으며,
상기 전압을 펄스 형상으로 하고, 그 피크 값을 100V 이상 5000V 이하의 범위 내로 하고, 펄스 폭을 0.1㎲ 이상과 300㎲ 이하의 범위 내로 하며,
상기 각 전극에 형성된 상기 유체 유통홀의 개구 총면적은 상기 각 전극의 총면적에 대해서 2% 이상 90% 이하의 범위 내이며, 상기 한 쌍의 전극 중 일측의 전극에 형성된 유체 유통홀과 타측의 전극에 형성된 유체 유통홀을 동심원 형태로 배치하는 플라즈마 발생 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극 중 일측의 전극에 형성된 유체 유통홀의 개구 사이즈가 타측의 전극에 형성된 유체 유통홀의 개구 사이즈보다 10μm 이상 작게 형성되는 플라즈마 발생 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극의 대응하는 유체 유통홀을 복수개 마련하는 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 유통홀은 같은 단면 형상을 갖고, 또는 일측의 개구로부터 타측의 개구로 나아감에 따라 축경이나 확경하는 것인 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 유통홀은, 전극의 면판 방향으로부터 본 경우에, 원형 형상, 타원 형상, 직사각형 형상, 직선 형태의 슬릿 형상, 동심원 형태의 슬릿 형상, 파형 형태의 슬릿 형상, 초승달 형상, 빗 형상, 벌집 형상, 또는 별 형상 중 적어도 어느 하나의 형상을 갖는 것인 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일측에 유전체막을 마련한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제8항에 있어서, 상기 유전체막의 표면 거칠기를 0.1μm 이상 100μm 이하로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 유통홀과는 별도로, 일측의 전극에 관통홀을 마련해서 상기 관통홀이 타측의 전극에 의해 그 대향면 측의 개구가 차단될 수 있도록 구성되어 있는 플라즈마 발생 장치.
제10항에 있어서, 상기 관통홀의 개구 사이즈를 상기 유체 유통홀의 개구 사이즈보다 10μm 이상 작게 형성하는 플라즈마 발생 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 유통홀을 향해 강제적으로 바람을 보내는 송풍 기구를 갖는 플라즈마 발생 장치.
한 쌍의 전극을 갖고, 상기 전극 간에 전압이 인가되어 플라즈마 방전하는데 있어서, 각 전극의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀을 마련하여 상기 유체 유통홀이 관통하도록 구성되고, 상기 유체 유통홀과는 별도로, 일측의 전극에 관통홀을 마련하여 상기 관통홀이 타측의 전극에 의해 그 대향면 측의 개구가 차단될 수 있도록 구성되며,
상기 전압을 펄스 형상으로 하고, 그 피크 값을 100V 이상 5000V 이하의 범위 내로 하고, 펄스 폭을 0.1㎲ 이상과 300㎲ 이하의 범위 내로 하며,
상기 각 전극에 형성된 상기 유체 유통홀의 개구 총면적은 상기 각 전극의 총면적에 대해서 2% 이상 90% 이하의 범위 내이며, 상기 한 쌍의 전극 중 일측의 전극에 형성된 유체 유통홀과 타측의 전극에 형성된 유체 유통홀을 동심원 형태로 배치하는 플라즈마 전극 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극의 외측에 배치된 보호 커버를 갖고, 가연성 가스가 상기 유체 유통홀로 유입하여 플라즈마에 의해 발생된 화염이 상기 보호 커버를 넘어서 외부로 전파되지 않도록 구성된 방폭 기구를 갖는 플라즈마 발생 장치.
제15항에 있어서, 상기 보호 커버는 상기 한 쌍의 전극의 외측에 배치된 금속 메쉬를 갖고, 상기 금속 메쉬의 선경은 1.5mm 이하의 범위 내에 있으며, 또한 상기 금속 메쉬의 개구율은 30% 이상인 플라즈마 발생 장치.
한 쌍의 전극을 이용한 플라즈마 발생 방법으로서, 각 전극의 대응하는 개소에 각각 유체 유통홀을 마련하여 상기 유체 유통홀이 관통하도록 구성되고, 상기 전극의 면판 방향으로부터 본 경우에 대응하는 각 유체 유통홀의 윤곽의 적어도 일부가 서로 다른 위치가 되도록 구성하고, 상기 전극 간에 전압이 인가되어 플라즈마 방전하며,
상기 전압을 펄스 형상으로 하고, 그 피크 값을 100V 이상 5000V 이하의 범위 내로 하고, 펄스 폭을 0.1㎲ 이상과 300㎲ 이하의 범위 내로 하며,
상기 각 전극에 형성된 상기 유체 유통홀의 개구 총면적은 상기 각 전극의 총면적에 대해서 2% 이상 90% 이하의 범위 내이며, 상기 한 쌍의 전극 중 일측의 전극에 형성된 유체 유통홀과 타측의 전극에 형성된 유체 유통홀을 동심원 형태로 배치하는 플라즈마 발생 방법.
제17항에 있어서, 상기 한 쌍의 전극 중 적어도 일측에 유전체막을 갖는 플라즈마 발생 방법.