KR101873106B1 - 대기압 플라즈마를 이용한 활성종 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 플라즈마에 의해 발생되는 활성종, 즉 활성산소종 및 활성 질소종의 발생 효율을 높이고 휴대성, 전기적 안전성, 열적 안전성 등을 모두 구비한 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 방전관 안에 선형으로 된 두 전극을 서로 틈을 두고 나란히 배열한 다음, 방전관 양단에 절연체 마개를 설치하며, 상기 전극은 각각 절연체로 감싸지거나 절연체 튜브에 넣어지도록 구성한 DBD 플라즈마 소스를 제공한다. 상기에서 전극을 감싸는 절연체 튜브는 석영일 수 있고, 방전관도 석영관으로 구성하는 것이 바람직하며, 절연체 마개의 고정은 실리콘을 이용하여 실링을 겸하게 할 수 있다. 이러한 플라즈마 소스는 필요에 따라 마개 부분에 튜브를 꽂거나 버블러를 연결하여 원하는 챔버나 수조에 튜브나 버블러를 접속시켜 활성종을 공급할 수 있으며, 경우에 따라서는 살균 소독을 하여야 하는 각종 물품에 튜브를 연결시킬 수 있다.
또한, 방전관 외부에 보조전극을 추가하여 더욱 풍부한 플라즈마 방전과 활성종을 생성하였다.

Description

대기압 플라즈마를 이용한 활성종 발생장치{REACTIVE SPECIES GENERATOR WITH NON-THERMAL ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}

본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 활성종 발생 장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 활성종을 발생시킬 수 있는 유전체 장벽 플라즈마 소스에 관한 것이다.

대기압 플라즈마를 바이오 및 의학, 환경 분야에 적용하여 이 플라즈마에 의해 생성되는 반응성이 강한 활성산소종이 살균 및 정화 작용을 일으킨다는 점이 알려져 대기압 플라즈마 응용 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그에 따라 대기압 플라즈마를 이용하여 살균수를 제조하기도 하고, 대한민국 공개번호 10-2014-0093842호에서는 폐수 처리를 위해 수중 플라즈마 방전을 일으키기도 한다. 대한민국 등록번호 10-0709983호의 경우, 폐수를 플라즈마 방전 영역에 분사하는 방식으로 폐수를 처리하기도 한다. 대한민국 등록특허 10-0341460호는 염색 폐수를 플라즈마와 오존 발생기를 병용하여 탈색처리하는 장치를 공개한다.

그 외에도 대기압 플라즈마를 이용하여 여러 가지 물품의 살균 세정을 실시할 수 있으며, 플라즈마 소스를 적용하여 구강청결제 제조기, 농식품 처리장치, 공기청정기, 미세먼지 제거기 등 다양한 생활용품 내지 산업용품을 구성할 수 있다. 이러한 다양한 플라즈마 활용을 위해서는 우선적으로 원하는 수준의 활성종 발생을 만족시킬 수 있는 충분한 플라즈마 방전이 일어나야 하고, 동작 전압/전류를 조절하여 원하는 용도에 따라 방전량 내지는 활성종의 종류별 양적 제어가 가능해야 한다. 일상생활에 사용되는 플라즈마 소스는 또한 전기적 안정성과 경우에 따라서는 열적 안정성도 구비되어야 한다.

본 발명의 목적은 효율적이고 안정적으로 플라즈마를 방전시킬 수 있는, 신뢰성이 높은 유전체 장벽 플라즈마 소스및 이를 활용한 활성종을 제공하고자 하는 것이며, 이를 기반으로 실생활에 다양하게 활용될 수 있는, 휴대성, 전기적 안전성, 열적 안전성 등을 모두 구비한 플라즈마 소스및 이를 활용한 활성종을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 방전관 안에 선형으로 된 두 전극을 서로 틈을 두고 나란히 배열한 다음, 방전관 양단에 절연체 마개를 설치하며, 상기 전극은 각각 절연체로 감싸지거나 절연체 튜브에 넣어지도록 구성한 DBD 플라즈마 소스를 제공한다. 상기에서 전극을 감싸는 절연체 튜브는 석영일 수 있고, 방전관도 석영관으로 구성하는 것이 바람직하며, 절연체 마개의 고정은 실리콘을 이용하여 실링을 겸하게 할 수 있다. 이러한 플라즈마 소스는 필요에 따라 마개 부분에 튜브를 꽂거나 버블러를 연결하여 원하는 챔버나 수조에 튜브나 버블러를 접속시켜 활성종을 공급할 수 있으며, 경우에 따라서는 살균 소독을 하여야 하는 각종 물품에 튜브를 연결시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 좀 더 충분한 플라즈마 방전 및 활성종을 얻기 위해, 상기 플라즈마 소스의 방전관 외벽에 보조 전극을 더 설치하였다.

또한, 본 발명은, 방전관 내부에 들어있는 두 전극을 모두 전원의 같은 극에 연결하고 방전관 외부에 배치한 보조 전극에 대해 전원의 다른 극을 연결하여 모든 방전이 방전관 외부에서 일어나도록 한 플라즈마 소스도 구성하였다.

한편, 본 발명은, 대면적으로 된 플라즈마 소스를 제공하여 광범위한 살균, 세정, 정화 작용을 할 수 있도록 하였으며, 이를 위해, 판상 전극/절연체판/메쉬 전극으로 된 플라즈마 소스를 구성하였다. 상기에서, 메쉬 전극에서 방전되는 플라즈마에 의한 활성종을 이용하기 위해, 챔버나 수조 하단에 메쉬 전극이 위치되게 하고 플라즈마 소스 하우징에 역류방지관을 연결하여 챔버 또는 수조의 저면에 역류방지관을 연결하여 챔버 또는 수소 내에 있는 피처리물에 대해 살균 또는 세정 처리되게 하였다.

즉, 본 발명은,

유전체로 된 방전관;

상기 방전관 안에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극; 및

상기 방전관 양단부를 각각 밀폐하는 마개;를 포함하고,

상기 제1 전극과 제2 전극은 유전체로 감싸 서로 나란히 배치되고 전원의 단자에 접속되며, 방전관 안에 방전 가스가 공급되어 방전관 안에서 플라즈마를 방전하여 활성종들을 생성하는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치를 제공한다.

상기에 있어서, 보조 전극을 더 포함하되, 보조 전극은 방전관의 외부에 설치되고, 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나와 보조 전극은 전원의 같은 단자에 접속되어, 플라즈마 방전이 방전관 내부와 외부에서 모두 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치를 제공한다.

상기에 있어서, 보조 전극을 더 포함하되, 보조 전극은 방전관의 외부에 설치되고, 제1 전극 또는 제2 전극은 전원의 같은 단자에 접속되고 보조 전극은 전원의 다른 단자에 접속되어 플라즈마 방전이 방전관 외부에서 일어나게 하는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치를 제공한다.

또한, 본 발명은,

판상 유전체;

상기 유전체 일면에 형성되는 판상 금속 전극; 및

상기 유전체의 반대 면에 배치되는 메쉬 전극;을 포함하여 판상 금속전극과 메쉬 전극에 전원을 인가하여 메쉬 전극에서 플라즈마 방전을 일으키는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치를 제공한다.

상기에 있어서, 보조 전극은 방전관 외벽에 감아 배치되거나 메쉬 전극으로 방전관 외벽을 감싸 배치되는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치를 제공한다.

상기에 있어서, 방전관의 한쪽 마개에 튜브 또는 버블러를 연결하여 방전관 내부에서 발생 된 활성종을 방전관 외부로 배출하여 활성종을 이용하게 하는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치를 제공한다.

본 발명은 대기중의 공기를 방전 가스로 사용하여 별도의 가스 공급통을 설치할 필요가 없어 휴대성이 매우 좋다.

또한, 상기 방전관 구조로 인해 방전된 플라즈마 및 활성종들이 손실되지 않고 피처리물에 전달될 수 있다.

또한, 보조 전극을 구성함으로써 충분한 플라즈마가 방전될 수 있어 필요에 따라 인가전압, 전류를 제어하여 원하는 활성종의 종류와 종류별 양을 최적화할 수 있다.

또한, 메쉬 전극을 포함한 플라즈마 소스는 대면적으로 구성할 수 있어 광범위한 영역에 대한 플라즈마 처리에 매우 유리하며, 메쉬 전극과 상대 전극의 두께를 얇게 하여 방전 전압을 낮추는 효율향상을 기대할 수 있다.

또한, 본 발명의 플라즈마 소스는 튜브를 마개에 연결하고 튜브 타단을 소독이 필요한 물품인 장갑이나 신발 내부, 의료용 튜브 내부 등에 끼워 직접적인 활성종 공급에 의한 살균 처리가 가능하다.

본 발명에 따르면 플라즈마를 이용한 수처리, 구강세정제 제조, 미세먼지 제거, 공기청정기제작, 물품의 살균 소독기 제작 등을 매우 효율적으로 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 일례를 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 또 다른 실시예로서 보조 전극이 설치된 예를 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 동작예로서 도 2에서 내부 전극을 같은 전원 단자에 연결하고 보조 전극을 반대 극성 단자에 연결한 것을 보여준다.
도 4는 본 발명에 따른 대면적용 플라즈마 소스의 구성을 보여준다.
도 5는 상술한 도 1의 플라즈마 소스의 동작조건에 대한 자료와 활성종 발생에 따른 광학 방출 스펙트로스코피를 보여준다.
도 6은 상술한 도 1의 플라즈마 소스 4개를 병렬로 연결한 장치에 대한 인가전압별로 발생하는 오존량을 시간에 따라 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 1의 플라즈마 소스 4개를 병렬로 연결한 장치를 동작시키는 구성 사진이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 플라즈마 소스의 구성이 나와 있다.

두 개의 선형 전극(100)(편의상 제1 전극과 제2 전극으로 부를 수 있다)을 각각 절연체(150)로 감싸고 서로 틈을 두어 방전관(400) 안에 나란히 배치한다. 방전관(400)은 유전체인 석영, 세라믹, 유리, 플라스틱 등으로 구성될 수 있으며, 본 실시예는 석영을 사용하였다. 전극(100)을 감싸는 유전체 방전관(150)과 동일한 재료로 만들어질 수 있고, 본 실시에에서는 석영관을 사용하였다. 방전관(150)이 되는 석영관 양단부는 마개(300)로 마감된다. 마개(300)는 실링제로 방전관 단부에 접착고정될 수도 있으나 본 실시예에서는 실리콘 튜브(200)를 사용하여 마개(300)를 방전관에 고정시켰다. 전극의 재료는 본 실시예의 경우, 구리 또는 구리와 아연의 합금재를 사용하였으나 이에 한정되지 않고 다른 금속재를 사용할 수 있다.

두 전극(100)은 각각 전원의 단자에 접속되고, 전압이 인가되면 전극 사이에서 플라즈마 방전이 일어난다.

실리콘 튜브(200)와 마개(300)에 의해 방전관(400)은 밀폐될 수 있으며, 마개(300)에 구멍을 내어 방전관(400) 안으로 공기를 소통시켜 방전 가스로 이용되게 할 수 있고, 플라즈마 방전에 의해 생성된 활성종들을 배출하는 배출구로도 기능하게 할 수 있다. 필요에 따라 마개(300)에는 튜브가 연결되거나 버블러가 연결될 수 있다. 마개(300)에 연결된 튜브의 타단부는 활성종을 공급하고자 하는 챔버나 수조에 접속될 수 있다. 챔버 내 살균 소독을 하여야 하는 물품을 넣고 활성종을 공급하거나, 수조에 물을 채우고 튜브 단부나 마개 단부에 버블러를 연결하여 활성종을 버블을 통해 물에 공급할 수 있다. 물 자체가 활성종의 공급으로 인해 살균력을 보유하게 되어 세정제(예를 들면 구강세정제 등)로 제조될 수 있다.

오폐수인 경우, 물의 정화가 될 수 있고, 물 속에 살균 소독을 하고자 하는 물품을 넣고 살균 세정 처리할 수 있다.

또한, 튜브의 타단부에 소독을 원하는 물품을 직접 연결할 수도 있다. 주로 깊이를 갖는 물품의 경우 이러한 방식이 유리하다. 예를 들면, 장화, 장갑, 신발, 호스 내부의 살균 처리에 유리하다.

도 2는 도 1에 대해 보조 전극(500)을 추가한 것을 보여준다. 도 1과 동일한 구성에 대한 부호는 도 2에서 생략되어 있다.

즉, 도 2의 구성은 도 1의 전극(100) 중 어느 하나의 전극과 같은 전원 단자에 연결되는 보조 전극(500)을 방전관(400) 외부에 배치한 플라즈마 소스를 제공한다. 본 실시예에서는 보조 전극(500)은 방전관 외벽에 나선형으로 감아 배치하였으나 메쉬 전극으로 방전관을 감싸게 배치될 수도 있다.

보조 전극(500)을 설치하면, 플라즈마 방전은 방전관 내부의 선형 전극(100)들 사이 공간뿐아니라 방전관 외부인 보조 전극이 있는 곳에서도 일어난다. 선형 전극(100)과 보조 전극(500)이 서로 교차하는 지점에서도 플라즈마 방전이 활발하여 결과적으로 더욱 충분한 방전 및 활성종 발생효과를 거둔다. 이러한 플라즈마 소스의 적용분야도 도 1의 플라즈마 소스에 대한 것과 같이 광범위하다.

특히, 도 2의 플라즈마 소스는 마개(300)에 튜브를 연결하여 소독 피처리물 내부에 직접 활성종을 공급하는 동시에 보조 전극을 통해 공간에 방사되는 활성종을 이용하여 피처리물의 겉면도 동시에 소독할 수 있는 장점이 있다. 이러한 경우, 챔버 안에 피처리물과 플라즈마 소스를 모두 배치하는 것이 좋다.

도 3에서는 도 2의 플라즈마 소스의 동작 방법을 변형 실시한 것을 보인다.

즉, 도 3의 경우, 방전관 내부에 있는 두 개의 선형 전극(100)은 모두 전원의 같은 단자에 연결되고 보조전극(500)은 전원의 다른 단자에 연결되어 방전 공간이 방전관의 외부에 집중되게 하였다. 이러한 구성은 플라즈마 소스의 방전관 외벽으로부터 방사상으로 플라즈마와 활성종이 자유롭게 퍼져 나갈 수 있어 공기청정기나 공간 전체에 대한 살균 소독 장치에 적용될 수 있다.

도 4는 대면적 처리용 플라즈마 소스 구조이다.

유리와 같은 유전체(650)의 일면에 금속 전극(600)을 형성하고 유전체(650) 반대 면에는 메쉬 전극(700)을 배치하였다. 금속 전극(600)은 다양한 금속으로 그리고 여러 가지 방법(증착, 도포, 금속 시이트 부착 등)으로 형성될 수 있지만 본 실시예에서는 저비용 및 구현의 용이성을 고려하여 실버 페이스트를 수 내지 수십 마이크로미터 정도의 두께로 도포하여 형성하였다. 메쉬 전극(700)은 상용화된 것을 사용할 수 있고 두께에 특별한 제한은 없으나 너무 두껍지 않은 것을 적용한다. 방전 전압을 낮추면서 내구성이 있어야 하므로 mm 이하인 것이 바람직하다.

메쉬 전극(700)과 금속 전극(600)을 각각 전원의 다른 단자에 접속하여 전압을 인가하여 메쉬 전극(700) 쪽에서 플라즈마 방전을 일으킨다. 도 4의 오른쪽과 같이 플라즈마 소스를 하우징에 안착시키고 여기에 역류방지관(체크 벨브 내장)을 연결하여 수조 저면에 연결하면 수조 내로 다량의 활성종을 공급할 수 있다.

또한, 도 4의 플라즈마 소스 역시 도 1에 대한 플라즈마 소스와 같이 다양한 분야에 적용될 수 있다.

상기한 플라즈마 소스의 대한 동작예는 다음과 같으나 이는 한정적인 것은 아니다.

즉, 인가전압은 플라즈마 소스당 최소 3.75 kV(control 전압 55V) 이며(실험예에서는 5.45 kV~15kV(control 전압 55 V~220 V)까지 인가되었다), 인가전력으로는 10 내지 100W, 바람직하게는, 30 W 내지 100 W 이다.

또한, 대용량의 활성종을 발생시키는 경우, 플라즈마 소스를 여러 개 병렬로 사용할 수 있다. 도 1 내지 도 4의 플라즈마 소스를 하나 이상 병렬 배치하여 다량의 활성종을 발생시킬 수 있다.

방전가스로 공급되는 공기는 플라즈마 소스의 방전관 마개 한쪽을 열어 자연 공급될 수도 있고, 별도의 공기통에서 공급될 수도 있다. 별도의 공기통을 사용하여 공기를 공급할 경우, 공급 속도는 1 lpm 내지 수백 lpm 정도의 유량을 인가할 수 있다.

또한, 별도의 공기통을 사용하는 경우, 필요에 따라 공기 이외에 질소, 산소 등 다른 가스를 더 추가하여 조성비를 달리한 방전 가스를 공급할 수도 있다.

상기 플라즈마 소스에 의해 생성된 활성종은 과산화수소(H₂O₂), 오존(O₃), 수산화기(OH), 일산화질소(NO), 이산화질소 음이온(NO₂-), 삼산화질소 음이온(NO₃-) 이 포함되었으며, 활성종의 농도는 최고 수백 ppm 또는 수십 uM 정도였다. 매우 풍부한 활성종을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 5는 상술한 도 1의 플라즈마 소스의 동작조건에 대한 자료와 활성종 발생에 따른 광학 방출 스펙트로 스코피를 보여준다.

펄스 전력을 인가하면 플라즈마 방전으로 1 사이클 당 2.16×10^-6J이 피처리물에 전달되며, 연속파형의 전력을 인가하면 52.8mJ/sec의 에너지를 전달하였다. 이는 하나의 실시예이며, 동작 조건을 달리하여 원하는 수준의 에너지를 공급할 수 있고, 도 2 내지 도 3과 같이 보조 전극을 설치하면 사이클 당 또는 초당 더욱 많은 양의 에너지를 전달할 수 있음은 당연하다.

도 6은 상술한 도 1의 플라즈마 소스에 대한 인가전압별로 발생하는 오존량을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 도 1의 플라즈마 소스 4개를 병렬연결하여 인가전압을 높여가며 실험하였다.

인가 전압이 높아질수록 신속한 오존 발생이 일어나고 오존 농도도 급격히 높아졌다. 따라서 오존에 의한 살균 소독 처리에서 피처리물에 있는 세균의 특성별로 오존 농도를 인가전압 제어로 선택할 수 있다. 경우에 따라서는 오존 잔류를 제거해야 하므로 인가전압 선정시 이를 고려할 것이다.

도 7은 도 1의 플라즈마 소스 4개를 병렬 연결한 장치를 동작시키는 장치 구성 사진이다. 이와 같은 플라즈마 소스 병렬연결 구성은 필요에 따라 도 1의 것과 도 2으 것 또는 도 3의 것을 하나 이상 다수로 연결하여 원하는 수준의 플라즈마 방전과 활성종을 얻을 수 있게 한다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

100: 전극
150: 절연체
200: 실리콘 튜브
300: 마개
400: 방전관
500: 보조 전극
600: 금속 전극
650: 유전체
700: 메쉬 전극

Claims (6)

1. 유전체로 된 방전관;
   상기 방전관 안에 배치되는 선형의 제1 전극 및 제2 전극;
   상기 방전관 양단부를 각각 밀폐하는 마개; 및
   방전관의 외부에 설치된 보조 전극을 포함하고,
   상기 제1 전극과 제2 전극은 유전체로 감싸 서로 나란히 배치되고 각각 전원의 단자에 접속되며, 방전관 안에 방전 가스가 공급되어 방전관 안에서 플라즈마를 방전하여 활성종들을 생성하되,
   상기 보조 전극은 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나와 전원의 같은 단자에 접속되어, 플라즈마 방전이 방전관 내부와 외부 모두에서 일어나게 하며, 방전관 외부에서의 플라즈마 방전은 선형의 제1 전극 및 제2 전극과 상기 보조 전극이 서로 교차하는 지점에서 일어나는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 마개에 튜브를 연결하고 튜브의 타단부를 통해 소독을 위한 피처리물에 직접 활성종을 공급하는 동시에 상기 보조 전극에 의한 방전영역 확대를 통해 활성종 발생을 증가시켜 피처리물의 내면과 겉면을 동시에 소독할 수 있는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치.
3. 유전체로 된 방전관;
   상기 방전관 안에 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
   상기 방전관 양단부를 각각 밀폐하는 마개; 및
   방전관의 외부에 설치된 보조 전극을 포함하고,
   상기 제1 전극과 제2 전극은 유전체로 감싸 서로 나란히 배치되고 전원의 단자에 접속되며, 방전관 안에 방전 가스가 공급되어 방전관 안에서 플라즈마를 방전하여 활성종들을 생성하되,
   제1 전극 또는 제2 전극은 전원의 같은 단자에 접속되고 보조 전극은 전원의 다른 단자에 접속되어 플라즈마 방전이 방전관 외부에서 일어나게 하며, 방전관 외부에서의 플라즈마 방전은 선형의 제1 전극 및 제2 전극과 상기 보조 전극이 서로 교차하는 지점에서 일어나는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치.
   
4. 삭제
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 보조 전극은 방전관 외벽에 감아 배치되거나 메쉬 전극으로 방전관 외벽을 감싸 배치되는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치.
6. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 방전관의 한쪽 마개에 튜브 또는 버블러를 연결하여 방전관 내부에서 발생 된 활성종을 방전관 외부로 배출하여 활성종을 이용하게 하는 것을 특징으로 하는 활성종 발생장치.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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