KR101698958B1 - 플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 제어할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공한다. 플라즈마 발생 장치는 케이스와 관형의 유전체 및 구동 전극을 포함한다. 케이스는 접지된 액상 매질과 촉매를 수용한다. 유전체는 적어도 일부가 액상 매질과 접하도록 케이스에 설치된다. 구동 전극은 유전체의 내부에 고정되고, 기체를 촉매와 액상 매질로 투입하기 위한 기체 주입구와 접하며, 전원부와 전기적으로 연결된다. 기체의 주입 방향을 따라 구동 전극의 일단은 유전체의 일단보다 액상 매질로부터 더 멀리 위치한다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 방법 {PLASMA GENERATING DEVICE AND PLASMAS TREATMENT METHOD}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 제어하기 위한 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
전자와 이온 및 화학적 활성종을 포함하는 플라즈마는 높은 반응성으로 인해 다양한 산업 분야에 활용되고 있으며, 예를 들어 휘발성 유기화합물, 질소산화물 등 기체 상태의 오염 물질을 분해 제거하는 환경 분야와, 탄화수소계 기체를 개질(reforming)하는 에너지 분야 등에 널리 활용되고 있다.
플라즈마 반응은 반응 온도의 의존성이 없으므로 저온 공정이 가능하지만, 촉매와 같은 선택성이 없다는 단점도 있다. 이를 보완하기 위해 플라즈마와 촉매를 같이 사용하는 플라즈마-촉매 하이브리드 개념이 제안되었다. 촉매는 특유의 높은 활성 온도가 필요한데, 플라즈마가 촉매의 활성 온도를 낮추는 작용을 하여 촉매의 저온 반응을 유도할 수 있다.
선택성이 없는 플라즈마 반응의 특성으로 인해 플라즈마를 이용하여 물질을 분해하거나 합성할 때, 그 수준을 제어하기가 쉽지 않다. 플라즈마-촉매 반응의 경우도 대부분의 반응이 다른 반응으로 쉽게 전이된다.
메탄과 산소의 부분산화(partial oxidation) 반응으로 메탄올을 생성하는 공정을 예로 들면, 높은 전자에너지에 의해 분해된 산소와 메탄 사이의 1차 반응에서 경제성이 높은 메탄올 생산을 기대할 수 있으나, 반응성이 높은 메탄올의 특성으로 인해 메탄올은 곧 다른 물질로 변하며, 메탄올의 최종 수율은 감소하게 된다.
본 발명은 플라즈마-촉매 반응을 급랭(quenching)시켜 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물이 다른 생성물로 전이되지 않도록 하고, 추가 반응을 억제하여 플라즈마-촉매 반응을 최초 의도한 단일 공정으로 제한할 수 있는 플라즈마 발생 장치 및 이를 이용한 플라즈마 처리 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 케이스와 관형의 유전체 및 구동 전극을 포함한다. 케이스는 접지된 액상 매질과 촉매를 수용한다. 유전체는 적어도 일부가 액상 매질과 접하도록 케이스에 설치된다. 구동 전극은 유전체의 내부에 고정되고, 기체를 촉매와 액상 매질로 투입하기 위한 기체 주입구와 접하며, 전원부와 전기적으로 연결된다. 기체의 주입 방향을 따라 구동 전극의 일단은 유전체의 일단보다 액상 매질로부터 더 멀리 위치한다.
구동 전극은 유전체의 내면과 접하는 금속 튜브로 구성될 수 있으며, 그 내부에 기체 주입구를 형성할 수 있다. 유전체는 구동 전극을 둘러싸는 관형부와, 기체가 배출되는 관형부의 일단에 연결되고 기체 주입구보다 작은 직경의 개구를 형성하는 소구경부를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 구동 전극은 금속 봉 또는 금속 막대로 구성되며, 유전체와 이격되어 유전체와의 사이에 기체 주입구를 형성할 수 있다.
유전체는 케이스의 바닥판에 설치될 수 있고, 유전체와 구동 전극의 길이 방향은 지면에 수직할 수 있다. 다른 한편으로, 유전체는 케이스의 측벽에 설치될 수 있고, 유전체와 구동 전극의 길이 방향은 지면과 평행할 수 있다.
플라즈마 발생 장치는 유전체의 외벽에 고정되며 액상 매질을 접지시키는 접지 전극을 더 포함할 수 있다. 유전체와 구동 전극은 복수개로 구비될 수 있으며, 적어도 한 방향을 따라 열(array)을 이루며 배치될 수 있다. 전원부는 수 kV 이내 크기의 직류, 교류, 또는 고주파 전압을 구동 전극에 인가할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 케이스와 판형의 유전체 및 판형의 구동 전극을 포함한다. 케이스는 접지된 액상 매질과 촉매를 수용한다. 유전체는 제1면이 액상 매질과 접하도록 케이스에 설치되며, 기체를 촉매와 액상 매질로 투입하기 위한 제1 개구를 형성한다. 구동 전극은 제1면과 반대되는 유전체의 제2면에 고정되고, 제1 개구와 이어진 제2 개구를 형성하며, 전원부와 전기적으로 연결된다. 제2 개구는 제1 개구보다 작게 형성된다.
유전체와 구동 전극은 촉매 및 액상 매질의 아래에서 지면과 나란하게 설치될 수 있으며, 유전체는 케이스의 바닥판으로 기능할 수 있다. 플라즈마 발생 장치는 제1면의 가장자리에 고정되며 액상 매질을 접지시키는 접지 전극을 더 포함할 수 있다.
제1 개구와 제2 개구는 복수개로 구비될 수 있고, 적어도 한 방향을 따라 열(array)을 이루며 배치될 수 있다. 전원부는 수 kV 이내 크기의 직류, 교류, 또는 고주파 전압을 구동 전극에 인가할 수 있다.
액상 매질은 플라즈마-촉매 반응을 급랭(quenching)시켜 추가 반응을 억제할 수 있으며, 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물은 액상 매질에 용존될 수 있다. 플라즈마 발생 장치는 중간 생성물이 용존된 액상 매질로부터 중간 생성물을 분리하는 기액 분리기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 방법은, 접지 전극과 접하는 액상 매질과 촉매에 유전체와 구동 전극을 배치하고, 구동 전극의 개구와 유전체의 개구에 기체를 연속으로 주입하는 단계와, 유전체의 개구가 기체로 채워질 때 구동 전극과 접지 전극의 전위 차에 의해 기체 내부에 플라즈마를 발생시키는 단계와, 플라즈마 발생 기체를 기포 형태로 분리시켜 촉매와 액상 매질로 주입하고, 플라즈마-촉매 반응에 의한 반응 생성물을 발생시키는 단계와, 액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 급랭시킴과 아울러 반응 생성물을 액상 매질에 용존시키는 단계를 포함한다.
플라즈마 처리 방법은, 기액 분리기를 이용하여 액상 매질과 반응 생성물을 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 플라즈마 발생 장치는 액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 급랭시킴으로써 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물이 다른 생성물로 전이되지 않도록 할 수 있다. 따라서 경제성이 높은 중간 생성물을 높은 수율로 얻을 수 있다. 플라즈마 발생 장치는 유해기체 제거, 악취 분해, 탄화수소계 기체의 개질, 이산화탄소 및 합성기체의 분해, 합성 등에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 발생 장치 중 유전체와 구동 전극의 부분 절개 사시도이다.
도 3은 비교예에 따른 플라즈마 발생 장치의 일부를 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 7은 도 1에 도시한 플라즈마 발생 장치의 제1 변형예를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1에 도시한 플라즈마 발생 장치의 제2 변형예를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 10은 도 9에 도시한 플라즈마 발생 장치 중 유전체와 구동 전극의 확대도이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 12는 도 9에 도시한 플라즈마 발생 장치의 변형예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 발생 장치 중 유전체와 구동 전극의 부분 절개 사시도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 플라즈마 발생 장치(100)는 촉매와 액상 매질을 수용하는 케이스(10)와, 케이스(10)에 설치된 관형의 유전체(20)와, 유전체(20) 내부에 설치되며 기체 주입구(H1)를 가지는 구동 전극(30)과, 액상 매질과 접하도록 설치된 접지 전극(40)을 포함한다. 기체 주입구(H1)는 기체 공급부(50)와 연결되고, 구동 전극(30)은 전원부(60)와 전기적으로 연결된다.
케이스(10)는 정해진 용량의 촉매와 액상 매질을 담는 용기(vessel) 형태로 제작될 수 있다. 유전체(20)와 구동 전극(30)은 케이스(10)의 바닥판(11)에 설치될 수 있으며, 촉매와 액상 매질로 기체를 주입함과 동시에 기체 내부에 플라즈마를 발생시키는 기능을 한다. 기체 플라즈마가 촉매와 액상 매질로 투입되면, 촉매는 기체 플라즈마에 의해 활성화되어 촉매 반응이 유도된다.
액상 매질은 플라즈마-촉매 반응을 급랭(quenching)시켜 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물이 다른 생성물로 전이되지 않도록 하며, 추가 반응을 억제하는 기능을 한다. 액상 매질은 플라즈마 발생 장치(100)의 구동 온도에서 액상을 유지하는 물질이며, 필요 시 전기 전도도 향상과 pH(수소 이온 지수) 조절 등을 위해 전해질을 포함할 수 있다.
케이스(10)의 측벽(12)에 액체 주입관(13) 및 액체 배출관(14)이 설치될 수 있고, 케이스(10)의 덮개판(15)에 기체 배출관(16)이 설치될 수 있다. 액상 매질은 액체 주입관(13)을 통해 케이스(10) 내부로 유입된다. 케이스(10) 내부에서 기체 플라즈마와 촉매 반응에 의한 중간 생성물은 액상 매질에 용존되며, 중간 생성물이 용존된 액상 매질은 액체 배출관(14)을 통해 케이스(10) 외부로 배출된다.
이하, 플라즈마 발생 장치(100)의 세부 구조에 대해 설명한다.
유전체(20)는 내부가 빈 관형으로서 길이 방향이 지면에 수직한 상태로 케이스(10)의 바닥판(11)에 설치될 수 있다. 유전체(20)는 바닥판(11)을 관통하여 적어도 일부가 액상 매질과 접한다. 케이스(10)와 유전체(20) 사이에는 도시하지 않은 밀봉(sealing) 부재가 설치되어 액상 매질의 누수를 방지할 수 있다.
구동 전극(30)은 금속 튜브로 구성되어 내부의 빈 공간이 기체 주입구(H1)로 기능하며, 유전체(20)의 내면에 밀착 고정된다. 구동 전극(30)의 길이 방향은 지면에 수직하고, 케이스(10)의 외부에서 기체 주입구(H1)는 기체 공급부(50)와 연결된다. 기체 공급부(50)는 펌프와 유량 조절 밸브 등을 포함할 수 있으며, 구동 전극(30)으로 기체를 제공한다.
기체 주입구(H1)로 투입되는 기체는 휘발성 유기화합물, 질소산화물 등의 기체상 오염 물질을 포함하는 유해 기체이거나, 개질을 위한 탄화수소계 기체 등을 포함할 수 있다. 기체는 플라즈마 발생 장치(100)의 용도에 따라 다양하게 변할 수 있다.
구동 전극(30)은 전원부(60)와 전기적으로 연결되어 플라즈마 발생에 필요한 전압을 인가받는다. 전원부(60)는 직류(DC), 교류(AC), 또는 고주파(RF) 전압을 구동 전극에 인가하며, 인가 전압의 최대 크기는 수 kV를 넘지 않는다. 이러한 전원부(60)는 종래 수십 kV의 고전파 펄스전원 대비 장치 가격이 낮다.
플라즈마 발생 장치(100)에서 구동 전극(30)은 촉매와 액상 매질로 기체를 주입하는 노즐의 기능과 플라즈마 발생을 위한 전극의 기능을 동시에 수행한다. 한편 접지 전극(40)은 액상 매질 내에 설치되어 액상 매질과 접한다. 접지 전극(40)은 유전체(20)와 거리를 두고 수평 또는 수직 등 다양한 방향으로 설치될 수 있으며, 판형 또는 봉형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
이때 기체의 주입 방향(도면을 기준으로 아래에서 위를 향하는 방향)을 따라 구동 전극(30)의 일단(도면을 기준으로 상단)은 유전체(20)의 일단(도면을 기준으로 상단)보다 액상 매질로부터 더 멀리 위치한다.
즉 도 2에 도시한 바와 같이, 구동 전극(30)의 상단은 h의 높이 차이를 두고 유전체(20)의 상단 아래에 위치한다. 따라서 구동 전극(30) 위로 유전체(20)만으로 둘러싸인 공간이 존재하며, 이 공간이 구동 전극(30)과 액상 매질을 분리시키는 기능을 한다.
기체 공급부(50)에서 구동 전극(30)의 기체 주입구(H1)로 기체를 주입함과 동시에 전원부(60)에서 구동 전극(30)으로 구동 전압을 인가하면, 기체는 기체 주입구(H1)의 상단을 지나면서 위로 볼록한 모양을 가지게 되고, 유전체(20)를 따라 위로 상승한 후 유전체(20)의 상단을 지나면서 가장 큰 직경을 가지게 된다.
기체가 구동 전극(30)을 지나 유전체(20)와 접하는 순간 구동 전극(30)은 액상 매질로부터 분리되며, 기체가 유전체(20)의 상단에 머무는 순간 구동 전극(30)과 접지 전극(40)의 전위 차에 의해 기체 내부에 플라즈마가 발생한다. 내부에 플라즈마가 발생한 기체는 강한 표면 장력을 유지하다가 후속으로 유입되는 기체로 인해 유전체(20)로부터 기포 형태로 분리된다.
유전체(20)에서 분리된 플라즈마 기포는 촉매를 거치면서 상층으로 이동하는데, 강한 전기장이 형성되는 촉매 표면 및 촉매간 접점을 중심으로 제2 방전이 발생하며, 플라즈마 상태의 촉매 반응이 유도된다. 기체 플라즈마와 촉매 반응에 의한 반응 생성물은 액상 매질로 용존되어 분리가 일어나고, 잔여 기포는 계속 상승하여 촉매와의 추가 반응을 거치게 된다.
촉매는 지지체와, 지지체의 표면에 코팅 또는 함침 등의 방법으로 부착된 촉매층으로 구성될 수 있다. 지지체는 유전체로 제작된 비정형 지지체일 수 있으며, 촉매층은 전도성 물질, 세라믹 계열의 물질, 다공성 물질, 또는 분산 상태의 나노물질 등을 포함할 수 있다. 촉매 물질은 플라즈마 발생 장치(100)의 용도에 따라 다양하게 선택 가능하다.
선택성이 없는 플라즈마 반응의 특성으로 인해 플라즈마를 이용하여 물질을 분해하거나 합성할 때, 그 수준을 제어하기가 쉽지 않다. 전술한 플라즈마-촉매 반응의 경우도 대부분의 반응이 다른 반응으로 쉽게 전이된다.
예를 들면, 플라즈마 반응에서 메탄(CH4)은 아세틸렌(C2H2) 또는 메탄올(CH3OH)로 전환되는데, 이러한 생성물은 반응성이 높아서 쉽게 다른 화학적 활성종과 반응하며 다른 물질로 전환된다. 따라서 플라즈마-촉매 반응의 최종 단계에서는 경제성이 낮은 화합물이 남게 되며, 이러한 현상은 이산화탄소 또는 합성 기체(synthesis gas)의 플라즈마 반응에서도 유사하게 발생한다.
경제성이 높은 중간 화합물을 높은 수율로 얻기 위해서는 반응 중간에 생성물을 추출하는 분리 과정이 필요하다. 제1 실시예의 플라즈마 발생 장치(100)는 액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 급랭(quenching)시킴으로써 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물이 다른 생성물로 전이되지 않도록 한다. 즉 플라즈마 발생 장치(100)는 추가 반응을 억제하여 플라즈마-촉매 반응을 최초 의도한 단일 공정으로 제한할 수 있다.
플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물은 액상 매질에 용존되므로, 제1 실시예의 플라즈마 발생 장치(100)는 액상 매질이 배출되는 액체 배출관(14)에 기액 분리기(70)를 연결 설치할 수 있다. 기액 분리기(70)는 중간 생성물이 용존된 액상 매질로부터 기체 상태의 중간 생성물을 분리한다. 기액 분리기(70)에서 분리된 액상 매질은 도시하지 않은 펌프를 이용하여 액체 주입관(13)으로 투입될 수 있다.
한편, 잔여 기포는 계속 상승하여 촉매와의 추가 반응을 거치는데, 추가 반응에 의한 최종 생성물은 액상 매질에 용존된 중간 생성물과 다른 물질일 수 있다. 최종 생성물은 기체 배출관(16)을 통해 케이스(10) 외부로 방출된다.
이와 같이 플라즈마 발생 장치(100)를 이용한 플라즈마 처리 방법은, 구동 전극(30)의 기체 주입구(H1)로 기체를 주입함과 동시에 기체 내부에 플라즈마를 발생시키는 단계와, 내부에 플라즈마가 발생한 기체를 기포 형태로 분리시켜 촉매와 액상 매질로 주입하는 단계와, 플라즈마 상태의 촉매 반응을 유도하여 반응 생성물을 발생시키는 단계와, 액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 급랭시킴과 동시에 반응 생성물을 액상 매질에 용존시키는 단계를 포함한다.
이때 액상 매질에 용존되는 반응 생성물은 플라즈마-촉매 반응에 의한 최종 생성물이 아닌 중간 단계의 생성물이다. 플라즈마 처리 방법은 기액 분리기(70)를 이용하여 액상 매질과 기체 상태의 중간 생성물을 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
전술한 플라즈마 처리 과정에서 구동 전극(30)은 액상 매질에 직접 노출되지 않아야 하고, 액상 매질보다 기체 내에서 먼저 플라즈마를 발생시켜야 한다. 이를 위해 구동 전극(30)의 상단은 유전체(20)의 상단보다 h의 높이 차를 두고 낮게 위치한다.
도 3은 비교예에 따른 플라즈마 발생 장치의 일부를 나타낸 구성도이다. 도 3에서는 구동 전극(301)의 상단이 유전체(201)의 상단과 같은 높이에 위치하는 비교예의 경우를 도시하였다.
도 3을 참고하면, 액상 매질로 기체를 주입하는 과정에서 구동 전극(301)은 액상 매질에 직접 노출된다. 액상 매질은 기체보다 높은 전기 전도도를 가지므로, 구동 전극(301)의 전류는 기체 내부가 아닌 액상 매질로 우회하게 된다. 따라서 비교예의 경우 기체 내부에 플라즈마가 형성되지 않으며, 플라즈마를 발생시키기 위해서는 구동 전극(301)에 높고 급격한 전압 변화인 고전압 펄스를 인가해야 한다.
다시 도 1과 도 2를 참고하면, 구동 전극(30)의 상단이 유전체(20)의 상단보다 낮게 위치함에 따라, 촉매와 액상 매질로 기체가 주입되는 과정에서 구동 전극(30)은 액상 매질에 직접 노출되지 않는다. 즉 구동 전극(30) 위로 유전체(20)만으로 둘러싸인 공간이 존재하는데, 이 공간에 기체가 차오르는 순간 구동 전극(30)은 액상 매질로부터 분리된다.
따라서 구동 전극(30)의 전류는 액상 매질로 우회하지 않고 기체 플라즈마를 생성하는데 사용된다. 그 결과, 플라즈마 발생 장치(100)는 고전압 펄스전원을 필요로 하지 않으며, 단순한 전극 구조와 저전압 구동으로 기체 내에 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있다.
또한, 유전체(20)와 구동 전극(30)이 관형인 구조에서는 기체 주입구(H1) 및 유전체(20) 내부에서 기체가 머무는 시간을 늘릴 수 있으므로 플라즈마를 보다 효과적으로 발생시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 플라즈마 발생 장치에서 유전체(20a)는 관형부(21)와 소구경부(22)로 구성된다. 관형부(21)는 내부가 빈 관형의 부재로서 지면에 수직한 상태로 케이스(10)의 바닥판(11)에 설치된다. 소구경부(22)는 중앙에 개구(23)가 형성된 원판형 부재로서 관형부(21)의 상단에 연결된다.
구동 전극(30)은 관형부(21)의 내면과 접하며, 소구경부(22)의 개구(23)는 구동 전극(30)의 기체 주입구(H1)보다 작은 크기로 형성된다. 평면 상에서 개구(23)의 형상 중심은 기체 주입구(H1)의 형상 중심과 일치할 수 있다.
구동 전극(30)의 기체 주입구(H1)로 투입된 기체는 유전체(20a)의 개구(23)를 빠져 나오면서 그 크기가 작아진다. 따라서 기체 내부에 플라즈마가 생성된 후 유전체(20a)로부터 기포 형태로 분리되는 과정에서, 전술한 제1 실시예보다 작은 크기의 기포들이 발생한다. 촉매와 액상 매질로 주입된 작은 기포들은 액상 매질 내에서 가능한 오래 기포 형태를 유지할 수 있다.
제2 실시예의 플라즈마 발생 장치에서 소구경부(22)를 제외한 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 제3 실시예의 플라즈마 발생 장치(300)에서 구동 전극(30a)은 금속 봉 또는 금속 막대로 구성되며, 유전체(20)와 이격되어 유전체(20)와의 사이에 기체 주입구(H1)를 형성한다.
전술한 제1 및 제2 실시예에서 구동 전극(30)은 금속 튜브로 구성되어 그 내부에 기체 주입구(H1)를 형성하였으나, 제3 실시예에서 기체 주입구(H1)는 유전체(20)로 둘러싸인 구동 전극(30a)의 외측에 형성된다. 제1 내지 제3 실시예 모두에서 구동 전극(30, 30a)은 유전체(20, 20a) 내부에 설치되며, 기체를 촉매와 액상 매질로 투입하기 위한 기체 주입구(H1)와 접한다.
제3 실시예에서 기체의 주입 방향(도면을 기준으로 아래에서 위를 향하는 방향)을 따라 구동 전극(30a)의 일단(상단)은 유전체(20)의 일단(상단)보다 액상 매질로부터 더 멀리 위치한다. 즉 구동 전극(30a)의 상단은 h의 높이 차를 두고 유전체(20)의 상단 아래에 위치한다. 따라서 구동 전극(30a) 위로 유전체(20)만으로 둘러싸인 공간이 존재하며, 이 공간이 구동 전극(30a)과 액상 매질을 분리시키는 기능을 한다.
기체 공급부(50)에서 기체 주입구(H1)로 기체를 주입함과 동시에 전원부(60)에서 구동 전극(30a)으로 구동 전압을 인가하면, 기체는 유전체(20)의 상단을 지나면서 위로 볼록한 모양을 가지게 되고, 점차 큰 직경을 가지게 된다.
기체가 상승하면서 구동 전극(30a)의 상단을 지나 유전체(20)의 내면과 접하는 순간 구동 전극(30a)은 액상 매질로부터 분리되며, 기체가 유전체(20) 상단에 머무는 순간 구동 전극(30a)과 접지 전극(40)의 전위 차에 의해 기체 내부에 플라즈마가 발생한다. 내부에 플라즈마가 발생한 기체는 강한 표면 장력을 유지하다가 후속으로 유입되는 기체로 인해 유전체(20)로부터 기포 형태로 분리된다.
유전체에서 분리된 플라즈마 기포는 촉매를 거치면서 상층으로 이동하는데, 강한 전기장이 형성되는 촉매 표면 및 촉매간 접점을 중심으로 제2 방전이 발생하며, 플라즈마 상태의 촉매 반응이 유도된다. 기체 플라즈마와 촉매 반응에 의한 반응 생성물은 액상 매질로 용존되어 분리가 일어나고, 잔여 기포는 계속 상승하여 촉매와의 추가 반응을 거치게 된다.
만일 구동 전극(30a)의 상단이 유전체(20)의 상단과 같은 높이를 가지는 경우를 가정하면, 기체가 유전체(20)의 상단을 지나면서 위로 부풀 때 구동 전극(30a)이 액상 매질로부터 분리되지만, 액상 매질과 구동 전극(30a)간 거리가 극히 작기 때문에 유전체(20)로부터 기포가 떨어져 나갈 때 액상 매질이 구동 전극(30a)에 쉽게 닿을 수 있다.
그러나 제3 실시예에서 구동 전극(30a)의 상단은 유전체(20)의 상단보다 아래에 위치하므로, 촉매와 액상 매질로 기체가 주입되는 과정에서 구동 전극(30a)은 액상 매질로부터 충분한 거리를 두고 이격된다. 따라서 구동 전극(30a)의 전류는 액상 매질로 우회하지 않고 기체 플라즈마를 생성하는데 사용된다.
제3 실시예의 플라즈마 발생 장치(300)에서 구동 전극(30a)을 제외한 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하다.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 6을 참고하면, 제4 실시예의 발생 장치에서 접지 전극(40a)은 케이스(10) 내부에서 유전체(20, 20a)의 외벽에 고정 설치된다. 접지 전극(40a)은 유전체(20, 20a)와 같은 관형으로 구성될 수 있다. 이 경우 유전체(20, 20a)와 구동 전극(30, 30a) 및 접지 전극(40a)을 일체로 구성할 수 있으므로 장치 구성을 단순화할 수 있다.
접지 전극(40a) 은 구동 전극(30, 30a) 및 유전체(20, 20a)로부터 빠져 나오는 플라즈마 기체와 접하지 않아야 한다. 이를 위해 접지 전극(40a)의 상단은 유전체(20, 20a)의 상단보다 아래에 위치할 수 있다. 제4 실시예의 플라즈마 발생 장치에서 접지 전극(40a)을 제외한 나머지 구성은 전술한 제1 내지 제3 실시예 중 어느 한 실시예와 동일하다.
도 6의 (a)에서는 접지 전극(40a)을 제외한 나머지 구성이 전술한 제1 실시예와 같은 경우를 나타내었고, (b)에서는 접지 전극(40a)을 제외한 나머지 구성이 전술한 제2 실시예와 같은 경우를 나타내었다. 그리고 (c)에서는 접지 전극(40a)을 제외한 나머지 구성이 전술한 제3 실시예와 같은 경우를 나타내었다.
다른 한편으로, 케이스(10)는 금속으로 제작되고, 접지되어 케이스(10) 자체가 접지 전극으로 기능할 수 있다. 이 경우 전술한 접지 전극을 생략할 수 있다.
한편, 도 1과 도 2 및 도 4 내지 도 6에서는 케이스(10)의 바닥판(11) 중앙에 하나의 유전체(20, 20a)와 하나의 구동 전극(30, 30a)이 위치하는 경우를 도시하였으나, 유전체(20, 20a)와 구동 전극(30, 30a)의 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다. 예를 들어, 케이스(10)의 바닥판(11)에 복수의 유전체와 복수의 구동 전극이 적어도 한 방향을 따라 소정의 열(array)을 이루며 배치될 수 있다.
도 7은 도 1에 도시한 플라즈마 발생 장치의 제1 변형예를 나타낸 도면이다.
도 7을 참고하면, 복수의 유전체(20)와 복수의 구동 전극(30)은 가로 방향 및 세로 방향을 따라 서로간 일정한 거리를 두고 나란하게 배치될 수 있다. 이러한 어레이 배열은 대용량 플라즈마 처리에 효과적이며, 전술한 제2 실시예와 제3 실시예 및 제4 실시예 모두 동일하게 적용될 수 있다.
이때 도시는 생략하였으나, 케이스(10)의 측벽(12)에서 원주 방향을 따라 액체 주입관(13)과 액체 배출관(14)도 서로간 거리를 두고 복수개로 설치될 수 있다.
또한, 도 1과 도 2 및 도 4 내지 도 6에서는 유전체(20, 20a)와 구동 전극(30, 30a)이 지면에 수직하게 설치되어 중력 반대 방향으로 기체를 투입하는 경우를 도시하였으나, 유전체(20, 20a)와 구동 전극(30, 30a)은 지면과 나란하게 설치되어 지면과 나란한 방향으로 기체를 투입할 수도 있다.
도 8은 도 1에 도시한 플라즈마 발생 장치의 제2 변형예를 나타낸 도면이다. 도 8을 참고하면, 유전체(20)와 구동 전극(30)은 길이 방향이 지면과 나란하도록 케이스(10)의 측벽(12)에 고정 설치될 수 있다. 이 경우 기체의 주입 방향(도면을 기준으로 좌측에서 우측을 향하는 방향)을 따라 구동 전극(30)의 일단(우측단)은 유전체(20)의 일단(우측단)보다 액상 매질로부터 더 멀리 위치한다.
따라서 기체의 주입 방향을 따라 구동 전극(30)의 일측(도면을 기준으로 우측)에 유전체(20)만으로 둘러싸인 공간이 존재하며, 이 공간이 구동 전극(30)과 액상 매질을 분리시키는 기능을 한다. 즉 기체가 구동 전극(30)을 지나 유전체(20)와 접하는 순간 구동 전극(30)은 액상 매질로부터 분리되며, 구동 전극(30)과 접지 전극(40)의 전위 차에 의해 기체 내부에 플라즈마가 발생한다.
유전체(20)와 구동 전극(30)이 지면과 나란하게 설치되는 구성은 전술한 제2 실시예와 제3 실시예 및 제4 실시예 모두 동일하게 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이고, 도 10은 도 9에 도시한 플라즈마 발생 장치 중 유전체와 구동 전극의 확대도이다.
도 9와 도 10을 참고하면, 제5 실시예의 플라즈마 발생 장치(500)는 촉매와 액상 매질을 수용하는 케이스(10a)와, 제1면(도면을 기준으로 상면)이 액상 매질과 접하도록 케이스(10a)의 내벽에 설치된 판형의 유전체(20b)와, 유전체(20b)의 제2면(도면을 기준으로 하면)에 고정된 판형의 구동 전극(30b)과, 액상 매질과 접하도록 설치된 접지 전극(40)을 포함한다.
유전체(20b)와 구동 전극(30b)은 촉매와 액상 매질의 아래에서 지면과 나란하게 설치된다. 이때 유전체(20b) 자체는 케이스(10a)의 바닥판으로 기능할 수 있다. 한편 접지 전극(40)은 유전체(20b)와 거리를 두고 유전체(20b) 위에 설치될 수 있으며, 판형 또는 봉형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
유전체(20b)에는 제1 개구(OP1)가 형성되고, 구동 전극(30b)에는 제1 개구(OP1)와 이어진 제2 개구(OP2)가 형성된다. 제1 및 제2 개구(OP1, OP2)는 기체를 촉매와 액상 매질로 투입하기 위한 기체 주입구로 기능한다. 구동 전극(30b)의 제2 개구(OP2)는 유전체(20b)의 제1 개구(OP1)보다 작은 크기로 형성되며, 구동 전극(30b)은 유전체(20b)보다 작은 크기로 형성될 수 있다.
구동 전극(30b)이 유전체(20b) 아래에 위치함에 따라, 전술한 제1 실시예와 마찬가지로 제2 개구(OP2) 주위의 구동 전극(30b) 상단(상면)은 유전체(20b)의 상단(상면)보다 아래에 위치한다.
제1 개구(OP1)와 제2 개구(OP2)는 기체 공급부(50)와 연결되며, 구동 전극(30b)은 전원부(60)와 연결된다. 기체 공급부(50)는 펌프와 유량 조절 밸브 등으로 구성될 수 있고, 제1 및 제2 개구(OP1, OP2)로 기체를 제공한다. 전원부(60)는 직류, 교류, 또는 고주파 전압을 구동 전극에 인가하며, 인가 전압의 최대 크기는 수 kV를 넘지 않는다.
기체 공급부(50)에서 구동 전극(30b)의 제2 개구(OP2)로 기체를 주입함과 동시에 전원부(60)에서 구동 전극(30b)으로 구동 전압을 인가하면, 기체는 제2 개구(OP2)를 거쳐 제1 개구(OP1)의 상단을 지나면서 위로 볼록한 모양을 가지게 된다. 그리고 기체가 제1 개구(OP1)의 상단에 머무는 순간 구동 전극(30b)과 접지 전극(40)의 전위 차에 의해 기체 내부에 플라즈마가 발생한다.
내부에 플라즈마가 발생한 기체는 강한 표면 장력을 유지하다가 후속으로 유입되는 기체로 인해 유전체(20b)로부터 기포 형태로 분리된다. 유전체(20b)에서 분리된 플라즈마 기포는 촉매를 거치면서 상층으로 이동하며, 플라즈마 상태의 촉매 반응을 유도한다. 기체 플라즈마와 촉매 반응에 의한 반응 생성물은 액상 매질로 용존되고, 잔여 기포는 계속 상승하여 촉매와의 추가 반응을 거치게 된다.
이와 같이 촉매와 액상 매질로 기체가 주입되는 과정에서 구동 전극(30b)은 그 상부의 유전체(20b)로 인해 액상 매질에 직접 노출되지 않으며, 유전체(20b)의 제1 개구(OP1)에 기체가 차오르는 순간 구동 전극(30b)은 액상 매질과 분리된다. 따라서 구동 전극(30b)의 전류는 액상 매질로 우회하지 않고 기체 플라즈마를 생성하는데 사용된다.
제5 실시예의 플라즈마 발생 장치에서 유전체(20b) 및 구동 전극(30b)을 제외한 나머지 구성은 전술한 제1 실시예와 동일하다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.
도 11을 참고하면, 제6 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치(600)에서 접지 전극(40a)은 케이스(10a)의 내벽과 접하며 유전체(20b)의 제1면(도면을 기준으로 상면) 가장자리에 고정 설치된다. 이 경우 유전체(20b)와 구동 전극(30b) 및 접지 전극(40a)을 일체로 구성할 수 있으므로 장치 구성을 단순화할 수 있다. 제6 실시예의 플라즈마 발생 장치(600)에서 접지 전극(40a)을 제외한 나머지 구성은 전술한 제5 실시예와 동일하다.
다른 한편으로, 케이스(10a)는 금속으로 제작되고, 접지되어 케이스(10) 자체가 접지 전극으로 기능할 수 있다. 이 경우 전술한 접지 전극을 생략할 수 있다.
한편, 도 9 내지 도 11에서는 유전체(20b)와 구동 전극(30b) 각각에 하나의 개구가 형성된 경우를 도시하였으나, 유전체(20b)와 구동 전극(30b) 각각에는 복수의 개구가 적어도 한 방향을 따라 소정의 열(array)을 이루며 배치될 수 있다.
도 12는 도 9에 도시한 플라즈마 발생 장치의 변형예를 나타낸 도면이다. 도 12를 참고하면, 유전체(20b)에 복수의 제1 개구(OP1)가 가로 방향 및 세로 방향을 따라 서로간 일정한 거리를 두고 나란하게 형성될 수 있다. 그리고 구동 전극(30b)에 복수의 제2 개구(OP2)가 가로 방향 및 세로 방향을 따라 서로간 일정한 거리를 두고 나란하게 형성될 수 있다.
이때 복수의 제2 개구(OP2) 각각은 복수의 제1 개구(OP1) 각각에 연통하며, 평면 상에서 제1 개구(OP1)의 형상 중심은 제2 개구(OP2)의 형상 중심과 일치할 수 있다. 이러한 어레이 배열은 대용량 플라즈마 처리에 효과적이며, 전술한 제6 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 이때 케이스(10a)의 둘레 방향을 따라 액체 주입관(13)과 액체 배출관(14)도 서로간 거리를 두고 복수개로 설치될 수 있다.
전술한 구성의 플라즈마 발생 장치는 고전압 펄스전원의 사용을 배제하여 장치 가격을 낮출 수 있고, 구동 전극이 기체 주입을 위한 노즐의 기능을 겸하고 있으므로 기체 주입을 위한 별도의 장치가 필요 없다. 따라서 장체 전체의 구성을 간소화할 수 있으며, 대용량화에 유리하다.
또한, 전술한 구성의 플라즈마 발생 장치는 액상 매질을 이용하여 플라즈마-촉매 반응을 급랭시킴으로써 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물이 다른 생성물로 전이되지 않도록 할 수 있다. 따라서 경제성이 높은 중간 생성물을 높은 수율로 얻을 수 있다. 플라즈마 발생 장치는 유해기체 제거, 악취 분해, 탄화수소계 기체의 개질, 이산화탄소 및 합성기체의 분해, 합성 등에 적용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 플라즈마 발생 장치 10, 10a: 케이스
20, 20a, 20b: 유전체 30, 30a, 30b: 구동 전극
40, 40a: 접지 전극 50: 기체 주입부
60: 전원부 70: 기액 분리기
H1: 기체 주입구 OP1: 제1 개구
OP2: 제2 개구

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  10. 접지된 액상 매질과 촉매를 수용하는 케이스;
    제1면이 상기 액상 매질과 접하도록 상기 케이스에 설치되며, 기체를 상기 촉매와 상기 액상 매질로 투입하기 위한 제1 개구를 형성하는 판형의 유전체; 및
    상기 제1면과 반대되는 상기 유전체의 제2면에 고정되고, 상기 제1 개구와 이어진 제2 개구를 형성하며, 전원부와 전기적으로 연결된 판형의 구동 전극
    을 포함하며,
    상기 제2 개구는 상기 제1 개구보다 작게 형성되는 플라즈마 발생 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유전체와 상기 구동 전극은 상기 촉매 및 상기 액상 매질의 아래에서 지면과 나란하게 설치되며,
    상기 유전체는 상기 케이스의 바닥판으로 기능하는 플라즈마 발생 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1면의 가장자리에 고정되며 상기 액상 매질을 접지시키는 접지 전극을 더 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 개구와 상기 제2 개구는 복수개로 구비되며, 적어도 한 방향을 따라 열(array)을 이루며 배치되는 플라즈마 발생 장치.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전원부는 수 kV 이내 크기의 직류, 교류, 또는 고주파 전압을 상기 구동 전극에 인가하는 플라즈마 발생 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 액상 매질은 플라즈마-촉매 반응을 급랭(quenching)시켜 추가 반응을 억제하며,
    상기 플라즈마-촉매 반응에 의한 중간 생성물은 상기 액상 매질에 용존되는 플라즈마 발생 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 중간 생성물이 용존된 상기 액상 매질로부터 상기 중간 생성물을 분리하는 기액 분리기를 더 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  17. 제10항의 플라즈마 발생 장치를 이용한 플라즈마 처리 방법으로서,
    접지된 액상 매질과 촉매에 상기 유전체와 상기 구동 전극을 배치하고, 상기 구동 전극의 제2 개구와 상기 유전체의 제1 개구에 기체를 연속으로 주입하는 단계;
    상기 유전체의 제1 개구가 상기 기체로 채워질 때 상기 구동 전극과 상기 액상 매질의 전위 차에 의해 상기 기체 내부에 플라즈마를 발생시키는 단계;
    플라즈마 발생 기체를 기포 형태로 분리시켜 상기 촉매와 상기 액상 매질로 주입하고, 플라즈마-촉매 반응에 의한 반응 생성물을 발생시키는 단계; 및
    상기 액상 매질을 이용하여 상기 플라즈마-촉매 반응을 급랭시킴과 아울러 상기 반응 생성물을 상기 액상 매질에 용존시키는 단계
    를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    기액 분리기를 이용하여 상기 액상 매질과 상기 반응 생성물을 분리시키는 단계를 더 포함하는 플라즈마 처리 방법.
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