KR101959676B1 - 대기압 벌크 플라즈마 장치 - Google Patents
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Abstract
본 개시는 아크 방전을 이용하여 오존이 발생하지 않는 글로우 방전으로 전이할 수 있는 대기압 벌크 플라즈마 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치는 전압 전극과 접지 전극을 수용하고, 모든 공가가 유입되는 1개의 공기의 유입구 및 1개의 공기 방출구를 가져, 유입된 모든 공기가 벌크 플라즈마 영역을 통과하도록 하는 공기 유로를 제공하는 하우징;을 포함하고, 전압 전극 및 접지 전극 중 적어도 하나는 단면상에서 소정의 곡률 반경을 갖는 원호(circular arc)의 형태를 가지며, 전압 전극과 접지 전극 사이에서 아크 방전이 발생하고, 발생된 아크방전이 유입공기에 의해 전이된 글로우 방전이 최종적으로 발생되기 때문에, 유입 공기량에 관계없이 오존이 발생하지 않으며, 대기압 벌크 플라즈마에 의해 살균력이 뛰어난 OH 라디칼이 플라즈마에 의해 직접적으로 생성되는 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용하는 대기압 벌크 플라즈마 장치이다.
Description
본 발명은 대기압 벌크(Bulk) 플라즈마 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 대기압 벌크 플라즈마를 집중적이고 안정적으로 공급하여, 실내 공기를 살균 또는 제균하고, 오염물질과 미세먼지를 제거할 수 있는 대기압 벌크 플라즈마 장치에 관한 것이다.
더욱 구체적으로 본 발명은 공기 내의 미세 먼지와 냄새 및 화학 성분(포름알데히드, 방부제, 휘발성 화학성분(VOC))들을 총체적으로 제거함과 동시에 실내 공기 내에 잔류 또는 부유하는 각종 균들(메르스, AI균, 구제역 같은 전염병균이나 고초균, 대장균, 포도상구균 같은 각종 박테리아 및 노로 바이러스 같은 바이러스 등)을 순간적인 고온을 갖는 대기압 벌크 플라즈마 내로 통과시킴으로써 고온의 에너지를 갖는 대기압 플라즈마에 의해 살균 또는 제균하는 기능과 공기 내에 포함되어 있는 수분(H2O)들과 공기 내에 있는 원소들이 플라즈마 에너지에 의해 전리되어 발생되는 OH(수산기, Hydroxyl Radical)에 의해 고온에너지에 의한 살균 또는 제균효율을 더욱더 증진시킴과 아울러 실내에 다양한 곳에 부착된 각종 균들도 살균 또는 제균시키며, 또한 유입되는 실내 공기 내의 큰 먼지들은 공기 유입구에 부착된 필터에 의해 포집이 되지만, 필터를 통과하는 미세먼지는 역시 고온의 에너지를 갖는 대기압 벌크 플라즈마 영역을 통과하면서 고온 에너지에 의해 버닝(Burning)되어 제거되는 기능을 갖는 대기압 벌크 플라즈마 장치에 관한 것이다.
대기압 플라즈마는 약 1atm의 압력에서 별도의 진공 장치와 반응 챔버 없이 기존 생산라인에 직접 적용이 가능하며, 연속적인 공정으로 처리가 가능하다.
대기압 플라즈마를 이용하는 경우, 통상 DBD(유전체 장벽 방전; dielectric barrier discharge) 기술이 가장 널리 이용된다. 상세하게는, 고주파 고전압 전극과 접지 전극 사이에 유전체 물질을 삽입하고, 고주파 고전압 전극에 교류 전압을 인가하면, 플라즈마 형성을 위해 공급되는 가스가 두 전극 사이의 전기장 영역에서 해리와 전리 과정을 거친다. 이를 통해, 공급 가스가 이온화되어 안정된 플라즈마를 발생시킨다. 이렇게 형성된 플라즈마는 이온, 전자뿐만 아니라 고밀도의 활성화 라디칼(반응 활성종) 등으로 이루어져 있으며, 이 반응 활성종은 반응성이 매우 높아 다른 분자와 쉽게 반응하므로 다양한 물질의 세정, 살균, 제균, 표면 개질 및 피부 치료 등의 공정에 유용하게 사용된다.
유전체 장벽 방전을 이용한다면, 직류 전력의 경우 유전체를 통한 전류의 흐름이 불가능하므로 고주파 교류 전력을 이용하여 플라즈마를 발생시킨다. 안정적인 플라즈마 발생을 보장하기 위하여 고주파 고전압 전극과 접지 전극 사이의 간격은 제한되며, 반응 가스는 상기 두 전극 사이로 흘러간다. 유전체 장벽 방전은 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 불꽃이 존재하지 않으므로 조용한 방전(Silent Discharge)으로 부르기도 한다. 방전은 사인함수 혹은 펄스형의 전원으로 개시된다.
이러한 DBD 기술과 고주파 전원에 의해 생성되는 글로우 방전은 공기의 살균, 오염 물질의 제거 및 인체 질환의 치료 등에 널리 이용되고 있다. 특히, 공기정화를 위하여 플라즈마를 이용하는 다양한 플라즈마 장치가 이미 공지되어 있으나, 일반적으로 오존에 의한 살균 효과를 이용하며, 이는 공기의 살균 효과를 크게 증가시키거나 오염 물질을 완전히 제거하는데 한계가 있다. 그 이유는 살균 효과를 증대시키려면, 오존 발생량이 증가하여야 하는데, 국제규정에서 인체에 허용하는 오존량은 단위 시간 당 0.03ppm이기 때문이다. 실제로 오존량이 0.03ppm 이상이면, 인체의 기관지 계통에 심각한 손상을 입힐 수 있다.
한국 공개특허 2011-0035552호는 가습 공기 청정기에 관한 것으로, 청정기의 공기 흡입구에 최대한 가까운 위치에 플라즈마 발생기를 설치하여 일종의 글로우 방전 형태의 플라즈마를 생성한다고 기술하고 있으나, 플라즈마 발생기의 구조와 작동 원리에 대해서는 개시하지 않고 있다.
한국 등록특허 제10-1305762호는, 고전압 전극인 제1 전극(153'), 유전체 배리어로서의 유리관(151'), 및 접지 전극인 제2 전극(152')을 포함하는 매립형 플라즈마 공기 청정기를 개시하고 있다. 이 특허는 유리관을 유전체 장벽으로 사용함으로써 오존의 발생을 억제하고, 글로우 방전이 아닌 코로나 방전을 유도한다고 설명하고 있다. 일반적으로는 살균효과가 좋은 오존의 발생을 촉진하기 위하여 유전체 장벽의 적용이 장려되고 있으나, 미세 먼지의 제거에는 효과가 매우 미약하다
대한민국 등록특허 제10-0535705호는 대기압 글로우 방전을 일으켜 수분필터를 살균시키는 방법과 관련된 특허이다. 이들은 코로나 방전보다 안정적인 대기압 글로우 방전을 일으켜 가습 수분필터를 살균시킨다고 서술되어 있으며, 이들이 발명한 플라즈마 방전부는 전도성 전극과 유전체로 이루어져 있으며, 유전체 위에 위치한 전도성 전극을 보호하기 위해 유전체 표면을 글레이징(Glazing) 처리하였으며, 유전체 장벽 방전(DBD)을 이용하였다고 역시 서술되어 있다. 앞에서도 언급하였듯이 일반적으로 대기압 하에서 전도성 전극이 유전체가 두 개 또는 두 개 이상의 전극 사이에 존재하는 구조를 DBD 또는 코로나 방전이라 말하는데, 이러한 DBD 또는 코로나 방전영역에 공기를 통과시키면, 무조건 오존이 발생된다는 사실은 이미 오래전부터 널리 알려졌던 기술이다, 그러나, 이들은 명확한 실험검증 데이터가 없이, 단순히 음이온과 양이온들에 의해 수분필터가 살균 정화된다고 말하고 있다. 그러나 실질적으로는 앞에서 서술한 DBD 방전에 의해 발생되는 오존에 의해 살균되는 것이 정확한 표현이라 생각한다.
또 다른 대한민국 등록특허 제10-0596511호는 송풍 팬에 의해 유입되는 공기는 외통에서는 그냥 통과하고, 내통에서는 중앙부에 장착된 아크 플라즈마 방전전극을 통과하도록 되어 있으며, 전극부의 돌기부에 코팅된 두 전극부 사이에서 발생하는 플라즈마 아크에서 생성되는 저농도의 오존과 자외선이 발생하며, 상기의 플라즈마 아크는 광촉매 물질이 코팅된 코팅 층에서는 발생되지 않고, 코팅 층이 없는 부분에서만 아크가 발생되기 때문에 아크는 와류를 일으키면서 전극부의 상부방향으로 슬라이딩되어 이동된다고 역시 서술되어 있다. 또한 이들은 아크발생에 의해 발생되는 자외선에 의해 공기 여과부재에 코팅된 광촉매 물질이 자외선과 광촉매 반응을 일으켜 OH 라디칼을 생성토록 한다고 서술되어 있다. 즉, 실질적으로 다량의 OH 라디칼이 생성된다는 것이다. 그러나 다량의 OH 라디칼이 광촉매 물질이 코팅된 공기 여과부재에서 발생되기 위해서는 발생되는 자외선 강도가 매우 강해야 하며, 이렇게 자외선 강도를 강하게 하기 위해서는 고전압 조건에서 매우 큰 전류가 수반되어야 하는데, 전도성 전극에 매우 큰 전류가 흐르면 전극의 온도가 매우 높아져 전극표면에 코팅된 광촉매 물질이 버닝(Burning)될 수밖에 없으며 큰 아크전류에 의해 오존발생량이 증가할 수밖에 없다. 그리고 이들은 유입된 공기의 일부가 내통으로만 모두 통과한 것이 아니라 내통과 외통사이로도 통과되고 있다. 그 이유는 바이패스 수단을 형성시켜 규정 정화량 이상의 공기가 송풍 팬에 의해 유입될 시, 일부를 바이패스하기 위한 구조를 갖게 하였다고 서술되어 있다. 즉, 공기 유입량이 커져 규정 정화량보다 감소하면, 정화효율이 저하되었음을 의미하기 때문에 유입공기량의 일부를 바이패스 시키는 것이라 생각된다. 이상의 결과로 볼 때, 상기 등록특허 제10-0596511호에는 과학적인 설명을 입증해줄 수 있는 실험결과가 전혀 제시되어 있지 않아 명확한 것은 알 수 없지만, 요약하면 유입된 공기내의 유해가스를 분해하고, 이 물질에 포함된 세균을 멸균하기 위해 아크 플라즈마에 의해 발생되는 자외선을 이용하여 공기 여과부재에 미리 도포되어 있는 광촉매 물질과 광촉매반응을 일으켜 OH 라디칼을 만들고, 이렇게 공기 여과부재 표면에서 생성된 OH 라디칼에 의해 무해한 신선한 공기를 생성한다는 것이다. 이때 규정 정화량보다 유입공기량이 많으면 바이패스 시키고, 정화량보다 유입공기량이 적으면 어떻게 하는 것인지 모르지만, 인입부의 송부 팬과 배출부의 송풍 팬을 조절한다는 특징을 가지고 있다.
본 발명은 상기에서 언급한 대한민국 등록특허 제10-0535705호에서 제시한 유전체 장벽 방전(DBD, 코로나 방전)에 의해 발생되는 고농도의 오존 문제를 해결하기 위해 기본적으로 유전체를 전혀 사용하지 않는 순수 금속 전극을 대향시켜 아크방전에 의해 형성되는 아크전이 글로부 방전 방식을 사용하여 오존이 발생되지 않도록 하였으며, 또한 대한민국 등록특허 제 10-0596511호에서 제시한 구조적, 기술적, 처리효율 문제를 개선하기 위해 첫째, 처리효율을 증진시키기 위해 공기유입 유로를 외통과 내통으로 구분시키지 않고 1개의 공기통로만을 구비하고, 공기를 유입시키는 한 개의 팬만으로 유입되는 모든 공기를 한번에 처리할 수 있도록 발생부피가 매우 큰 대기압 벌크 플라즈마를 발생시켜 유입된 공기 내에 존재하는 오염물질과 미세먼지 및 각종 균들을 고온의 에너지를 갖는 대기압 벌크 플라즈마와 직접적으로 접촉시키는 방식으로 1차로 처리하고자 하였으며, 또한 제10-0596511 특허와 달리 광촉매 물질이 코팅된 필터(공기 여과부재)를 사용하지 않고 일반적인 H13등급 해파필터만을 사용하는 대신, 대기압 벌크 플라즈마 내로 수분과 공기를 함께 통과시키면 고온에너지와 고주파 전력에 의해 전리 및 해리되어 새롭게 생성되는 OH 라디칼을 이용하여 실내에 고착된 다른 균들도 살균 또는 제거할 수 있는 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용한 대기압 벌크 플라즈마 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치는 방전 전압을 공급하는 고주파 전원; 고주파 전원에 연결되어 방전전압을 인가 받는 전압 전극, 전압 전극에 대향하는 접지 전극, 및 전압 전극과 접지 전극을 수용하고, 유입되는 공기가 모두 플라즈마 영역을 통과하도록 하는 단일 유입구와 방출구를 가지는 공기 유로를 제공하는 하우징;을 포함하고, 전압 전극 및 접지 전극 중 적어도 하나는 단면상에서 소정의 곡률 반경을 갖는 원호(circular arc)의 형태를 가지며, 전압 전극과 접지 전극 사이에서 아크 방전이 발생하고, 형성된 아크방전에 의해 전이되는 글로우 방전틀성을 갖는 대기압 벌크 플라즈마가 방출구에서 분사된다.
플라즈마 발생영역 내의 전압 전극과 접지 전극 사이의 최소 거리는 전압 전극 및 접지 전극 중 적어사이의 최소 거리의 1.5 내지 3배일 수 있다.
또한, 전압 전극과 접지 전극 사이의 최소 거리는 전압 전극 및 접지 전극 중 적어도 하나의 전극 곡률 반경의 0.5 내지 3배일 수 있다.
전압 전극은 제1 곡률 반경을 갖고, 접지 전극은 제2 곡률 반경을 가질 때, 제1 곡률 반경과 제2 곡률 반경의 합은 전압 전극과 접지 전극 사이의 최소거리와 실질적으로 동일할 수 있다.
초기 아크방전 프로파일의 길이(Dm)와 최대 아크방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 1.2 내지 3.5일 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 증가하면, 초기 아크방전 프로파일의 길이(Dm)와 최대 아크방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 감소할 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)인 경우, 초기 아크 방전 프로파일의 길이(Dm)와 최대 아크방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 2.5 내지 3.5일 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 20kHz인 경우, 초기 아크방전 프로파일의 길이(Dm)와 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 1.2 내지 1.5일 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 증가하면, 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 감소할 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)인 경우, 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 0.7 내지 0.8일 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 20kHz인 경우, 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 0.1 내지 0.3일 수 있다.
전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수(f), 전압 전극에 가해지는 방전 전압(HV), 공기 유로를 통해 인가되는 공기의 절연평균파괴강도(δ, kV/mm), 초기 아크방전 프로파일의 길이(Dm), 공기의 유량(M) 및 공기 유로의 단면적(A)은 다음의 비례식을 만족할 수 있다.
[비례식]
f·HV = f· δ·Dm + δ·(M/A)
본 발명의 일 실시예에 따른 공기 청정기는 공기를 유입하는 유입팬, 공기에 포함된 오염 물질을 걸러내는 적어도 하나의 필터; 및 대기압 벌크 플라즈마를 분사하는 대기압 벌크 플라즈마 장치;를 포함하고, 대기압 벌크 플라즈마 장치는 방전 전압을 공급하는 고주파 전원; 고주파 전원에 연결되어 방전 전압을 인가 받는 전압 전극, 전압 전극에 대향하는 접지 전극, 및 전압 전극과 접지 전극을 수용하고, 유입되는 모든 공기를 플라즈마 영역내로 보내는 단일 유입구와 방출구를 가지는 공기 유로를 제공하는 하우징;을 포함하고, 전압 전극 및 접지 전극 중 적어도 하나는 단면상에서 소정의 곡률 반경을 갖는 원호(circular arc)의 형태를 가지며, 전압 전극과 접지 전극 사이에서 아크 방전이 발생하고, 형성된 아크방전에 의해 전이되는 글로우 방전특성을 갖는 대기압 벌크 플라즈마가 방출구에서 분사된다.
유입팬과 대기압 벌크 플라즈마 장치 사이에 배치된 유입 필터 및 유입관을 더 포함할 수 있다.
방출구와 이격되어 배치된 배출 필터, 및 대기압 벌크 플라즈마 장치와 배출 필터 사이에 배치된 배출관을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실내 공기의 미세 먼지와 냄새 및 화학 성분들을 제거함과 동시에 실내 공기 내에 잔류하는 각종 균들을 제거할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면 전극들 간에 발생하는 아크 방전을 대역폭이 넓은 글로우 방전으로 전이하여 미세 먼지, 냄새, 화학 성분 및 실내에 잔류하는 각종 균들을 효율적으로 제거할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면 대기압 벌크 플라즈마 장치를 컴팩트하게 제조하여, 공기 청정기에 삽입하므로, 종래 공기 청정기와 같이 많은 필터를 필요로 하지 않고 조립과 제작이 간편하다.
도 1은 광촉매 물질이 도포된 공기 여과부재를 갖는 플라즈마 대기압 벌크 플라즈마 장치의 구조적인 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치를 포함하는 공기 청정기의 개략적인 구조도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치의 방출구에서 발생된 대기압 벌크 플라즈마를 측면 및 정면에서 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치의 아크 방전을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 방전 전압에 따른 전극 거리를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치의 유량에 따른 아크 방전을 개략적으로 나타낸 그림이다. 6b는 일반적으로 아크방전에 의해 글로우 방전으로 전이되는현상을 도식적으로 표현한 것이다. 6c는 아크 방전에 의해 전이되는 글로우 방전 메카니즘에 의해 발생되는 플라즈마의 특성을 플라즈마 특성측정에 널리 이용되는 Langmuir Probe 시스템을 이용하여 측정한 특성 값들을 정리한 표이다.
도 7은 방전에서 글로우 방전과 아크 방전의 전류-전압 그래프이다.
도 8은 방전 거리 및 유량에 따른 방전 거리를 나타낸 그래프이다.
도 9는 방전전압에 따른 최대 방전거리에서의 유량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 주파수에 따른 최대 방전거리를 나타낸 그래프이다.
도 11는 방전전압, 주파수, 유량에 따른 방전거리를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용한 살균 및 제균 실험을 나타낸 개략적인 단면도이다. 하단에는 도 12에서 제시한 방법으로 두 가지 종류의 균들에 대한 도 15 나타낸 실험을 진행한 후 2일간 배양한 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용하여 미세먼지가 고온에너지를 갖는 벌크 플라즈마에 의해 연소(Burning)되어 제거된다는 사실을 검증하고자 한 실험사진이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치에 의해 발생된 대기압 벌크 플라즈마를 티슈 화장지에 분사하는 실험의 사진이다. 이 실험목적은 앞의 도 6c에서 제시한 것처럼 순간적인 플라즈마 온도는 매우 높지만, 플라즈마 평균온도는 매우 낮다는 사실을 검증하고자 한 실험사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치를 포함하는 공기 청정기의 개략적인 구조도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치의 방출구에서 발생된 대기압 벌크 플라즈마를 측면 및 정면에서 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치의 아크 방전을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 방전 전압에 따른 전극 거리를 나타낸 그래프이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치의 유량에 따른 아크 방전을 개략적으로 나타낸 그림이다. 6b는 일반적으로 아크방전에 의해 글로우 방전으로 전이되는현상을 도식적으로 표현한 것이다. 6c는 아크 방전에 의해 전이되는 글로우 방전 메카니즘에 의해 발생되는 플라즈마의 특성을 플라즈마 특성측정에 널리 이용되는 Langmuir Probe 시스템을 이용하여 측정한 특성 값들을 정리한 표이다.
도 7은 방전에서 글로우 방전과 아크 방전의 전류-전압 그래프이다.
도 8은 방전 거리 및 유량에 따른 방전 거리를 나타낸 그래프이다.
도 9는 방전전압에 따른 최대 방전거리에서의 유량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 주파수에 따른 최대 방전거리를 나타낸 그래프이다.
도 11는 방전전압, 주파수, 유량에 따른 방전거리를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용한 살균 및 제균 실험을 나타낸 개략적인 단면도이다. 하단에는 도 12에서 제시한 방법으로 두 가지 종류의 균들에 대한 도 15 나타낸 실험을 진행한 후 2일간 배양한 결과를 나타낸 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용하여 미세먼지가 고온에너지를 갖는 벌크 플라즈마에 의해 연소(Burning)되어 제거된다는 사실을 검증하고자 한 실험사진이다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치에 의해 발생된 대기압 벌크 플라즈마를 티슈 화장지에 분사하는 실험의 사진이다. 이 실험목적은 앞의 도 6c에서 제시한 것처럼 순간적인 플라즈마 온도는 매우 높지만, 플라즈마 평균온도는 매우 낮다는 사실을 검증하고자 한 실험사진이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예를 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, i), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성 요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 '연결', '설치' 또는 '부착'한다고 할 때 이는 구성 요소간의 직접적인 연결 또는 직접적인 설치나 부착만을 의미하는 것이 아니라 간접적인 것 또는 다른 구성 요소를 통한 연결, 설치 또는 부착을 포함하는 것으로 최대한 광의로 해석되어야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)를 포함하는 공기 청정기(100)의 개략적인 구성도이다.
대기압 벌크 플라즈마 장치(1)는 고주파 전원(4), 고주파 전원(4)에 연결된 전압 전극(2a), 전압 전극(2a)에 대향하는 접지 전극(2b), 및 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)을 수용하며 유입되는 모든 공기가 유입되어 플라즈마 영역을 통과하도록 하는 단일 공기 유로(流路)를 제공하는 하우징(9)을 포함한다. 이때, 하우징(9)은 공기가 유입되는 단일 유입구(6) 및 유입된 공기가 공기 유로를 통과하여 방출되는 단일 방출구(7)를 갖는다. 이는 앞에서 서술하였듯이(도 1) 제10-0596511 특허와 달리 유입되는 모든 공기를 플라즈마 발생영역으로 보내어 한 번에 처리할 수 있다는 점에서 현격한 차이를 가진다.
대기압 상태에서, 고주파 전원(4)을 통해 전압 전극(2a)에 전력이 인가되면, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이에서 아크 방전이 발생한다. 아크 방전은 하우징(9)의 방출구(7), 즉 유입된 공기가 흐르는 방향으로 이동하는 양상을 보이는데, 도 6b와 도 7에 나타내었듯이 이동되는 아크 방전에 의해 전이된 글로우 방전이 형성되고 이에 따라, 하우징(9)의 방출구(7)에서 대기압 벌크 플라즈마(P)가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 플라즈마 장치(1)는, 일반적인 뽀족한 금속 대향 전극을 갖는 장치(예를 들어, 음이온 발생기나 오존발생기용 전극)와 달리, 원호 형태의 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b)을 갖는다. 또한, DBD 기술을 이용하며 상대적으로 작은 전극 간격을 갖는 장치(예를 들어, 오존 발생기)가 표면에서만 플라즈마를 발생시키는 것과 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마(P)는 상대적으로 부피가 큰 벌크 형태의 플라즈마이다.
전압 전극(2a)에 인가되는 전력은 고주파, 고전압의 교류 전력인 것이 바람직하다. 이를 위하여 고주파 전원(4)은 인버터를 포함할 수 있다. 다만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시된 바와 같이, 화살표(10) 방향을 따라 공기 청정기(100)에 유입된 모든 공기는, 유입팬(20), 유입필터(30), 유입관(35) 및 유입구(6)을 통해 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 하우징(9) 내부로 흘러 들어간다. 유입된 모든 공기는 하우징(9)의 공기 유로를 통해 이동하며, 하우징(9)의 방출구(7)에서 대기압 벌크 플라즈마(P)의 순간적인 고온에너지를 갖는 특성 의해 살균될 수 있고, 또한 유입된 공기 내의 오염 물질 및 미세 먼지가 제거(도 13 참조)될 수 있으며, 또한 유입되는 공기 내에 존재하는 수분과 공기가 플라즈마 영역을 통과하면서 순간적인 고온에너지에 의해 전리 또는 해리되어 OH 라디칼이 형성되는데(도 16 참조), 각종 균들은 고온에너지에 의해서만 살균 또는 제균되는 것이 아니라 형성된 OH 라디칼들에 의해서도 살균 또는 제균되는 부가적인 효과가 있다. 이 역시 제10-0596511 특허의 공기 여과부재에 미리 도포된 광촉매 물질과 광촉매 반응을 일으켜 OH 라디칼을 만드는 방법과 달리 기본적으로 발생 메카니즘에 현격한 차이를 가지고 있다. 즉, 경제적, 효율적인 측면에서 더욱더 간단한 방법이라 하겠다.
상세하게는, 공기 내에 존재하는 각종 균들이 순간적인 고온의 대기압 벌크 플라즈마(P)에 의하여 살균 또는 제균되고, 뿐만 아니라, 유입된 모든 공기 중에 잔존하는 오염 물질, 미세 먼지 및 휘발성 화학 성분들 또한 대기압 벌크 플라즈마(P)에 의해 순간적으로 연소되거나 분해되어, 배출관(45) 및 배출필터(40)를 통해 외부로 배출된다. 이러한 과정은 소정의 시간 동안 반복될 수 있으며, 이를 통해 공기 청정, 살균, 악취 및 미세 먼지의 제거가 가능하다.
대기압 벌크 플라즈마(P)(100)의 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)는 인체, 즉 사용자에게 전기적 또는 열적인 자극이나 충격을 가하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)은 대기압 벌크 플라즈마(P)의 발생 위치에서 이격되어 위치함으로써, 사용자와 직접 접촉하지 않으며, 이에 따라 사용자에게 전기적 또는 열적인 자극이나 충격을 가하지 않는다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 방출구(7)에서 발생된 대기압 벌크 플라즈마(P)를 측면 및 정면에서 촬영한 사진이다.
예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마(P)의 방출 길이는 약 45mm일 수 있다. 또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 대기압 벌크 플라즈마(P)의 높이(H)는 약 7mm이고, 폭(W)은 약 37mm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 대기압 벌크 플라즈마(P)의 크기는 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 형상, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 간의 간격, 인가된 고전압의 크기, 주입된 공기의 유량 및 주파수 등에 따라 결정될 수 있다.
일반적으로, 전극을 기계 가공하는 경우, 곡률 반경을 무한소 또는 무한대로 한계가 있다. 대향하는 두 전극이 소정의 곡률 반경을 갖도록 제작되는 경우, 곡률 반경과 전하량의 상관 관계를 통해서 전계 강도(단위 거리 당 전압) 값이 구해지며, 구해진 전계 강도 값이 매질의 절연파괴강도보다 크면 절연 파괴가 생겨 방전이 발생하고 절연평균파괴강도보다 작으면 방전이 발생하지 않는다. 즉, 전극에 인가된 고전압이 일정할 때, 곡률 반경이 상대적으로 큰 전극의 전계 강도는 매질의 절연평균파괴강도보다 작아 방전이 발생하지 않지만, 곡률 반경이 상대적으로 작은 전극의 전계 강도는 매질의 절연평균파괴강도보다 커져 방전이 쉽게 발생할 수 있다. 이러한 조건은 진공 상태에서는 성립하지 않고, 대기압 상태에서만 성립한다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b)은 각각 일정한 곡률 반경을 갖는다. 이때, 각각의 곡률 반경은 대기압 벌크 플라즈마(P)를 발생시키기 위한 범위 내에서 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 간의 간격, 인가된 고전압의 크기, 주입된 공기의 유량 및 주파수 등을 고려하여 결정될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 11, 및 표 1 내지 표 5를 참조하여, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 간의 간격, 인가된 고전압의 크기, 주입된 공기의 유량에 따른 방전 양상에 대하여 설명한다. 이때, 전압 전극(2a)에 인가되는 고전압의 주파수는 상용주파수(60Hz)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 아크 방전전극을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5은 방전 전압에 따른 전극 거리를 나타낸 그래프이다. 이때, 공기의 흐름은 없는 것으로 가정한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 하우징(9)의 공기 유로를 통한 공기의 흐름이 없을 때, 즉, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 사이에서 유량(단위 시간 당 단위 면을 흐르는 유체의 체적)이 0일 때, 전압 전극(2a)에 소정의 방전 전압을 인가하면, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 최단 거리 대향점(Op1, Op2) 사이에서 아크 방전(p0)이 발생한다.
예를 들어, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이의 최소 거리를 전극거리(d)라고 정의하는 경우, 전극 거리(d)는 소정의 곡률 반경을 갖는 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 가장 인접한 두 점(Op1, Op2) 사이의 거리이다. 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압에 따른 전극거리(d)의 값은 표 1과 같다.
표 1에서 HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, dm은 안정된 방전이 발생할 때의 전극거리를, dmx는 방전이 유지되는 최대 전극거리를 의미한다.
표 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 하우징(9)에 공급되는 공기가 없을 때, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 증가할수록 전극거리(dm) 및 최대 전극거리(dmx)가 증가한다.
상세하게는, 전압 전극(2a)에 4.5kV의 방전 전압(HV)을 인가한 경우, 안정된 방전이 발생할 때의 전극거리(d0)는 2.0mm이고, 전극거리(d0)가 2.1mm를 초과하면 방전이 소멸한다. 또한, 전압 전극(2a)에 8.0kV의 방전 전압(HV)을 인가한 경우, 안정된 방전이 발생할 때의 전극거리(d1)는 3.67mm이고, 전극거리(d1)가 3.8mm를 초과하면 방전이 소멸한다. 또한, 전압 전극(2a)에 11.3kV의 방전 전압(HV)을 인가한 경우, 안정된 방전이 발생할 때의 전극거리(d2)는 5.3mm이고, 전극거리(d2)가 5.4mm를 초과하면 방전이 소멸한다.
다시 말하면, 방전 전압(HV)이 4.5kV인 경우 방전이 유지되는 최대 전극거리(d0x)는 2.1mm이고, 방전 전압(HV)이 8.0kV인 경우 최대 전극거리(d1x)는 3.8mm이며, 방전 전압(HV)이 11.3kV인 경우 최대 전극거리(d2x)는 5.4mm이다.
따라서, 공기의 흐름이 없는 경우, 초기 아크 방전(p0)은 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 대향점(Op1, Op2) 사이에서 발생하며, 방전 전압(HV)이 높을수록 전극 거리(d)를 증가시킬 수 있으므로, 전압 전극(2a), 접지 전극(2b) 및 하우징(9)의 설계 자유도를 높일 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 유량에 따른 아크 방전을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 6b는 아크방전(Quasi-equilibrium Region)이 유입되는 가스의 흐름에 의해 이동하면서, Fast Equilibrium to Non-equilibrium Transition 영역을 지나 최종적으로 글로우 방전(Non-equilibrium Region)으로 전이되는 현상을 도식적으로 나타낸 것이다. 이러한 현상이 일어나는 이유는 아크방전이 가스의 흐름에 의해 길어지면서 전류량이 급작스럽게 감소하면서 생기는 것이다, 이는 도 7에 이론적인 배경(방전에서 글로우 방전과 아크방전 전류-전압 그래프)을 나타낸 그림과 정확히 일치한다. 즉, 도 7의 전류가 큰 지점(아크영역: Ac, Quasi-equilibrium Region)에서 전류가 감소되면 전류가 작은 지점(글로우영역: Gn, Non-equilibrium Region)으로 이동하는데 이때 중간영역인(Ga: Fast equilbrium to Non-equilibrium Transition)을 통해 전이 된다. 도 6c는 상기의 아크방전 전이현상에 의해 발생되는 플라즈마의 특성을 측정한 결과이다. 이는 일반적으로 플라즈마 특성을 측정하는데, 널리 이용되는 Langmuir Probe(아일랜드, Impedans사, ALP System)를 이용하였다. 도 8은 방전 전압 및 유량에 따른 방전 거리를 나타낸 그래프이고, 도 9는 방전 전압에 따른 최대 방전 거리에서의 유량을 나타낸 그래프이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 하우징(9)의 공기 유로를 통해 공기가 유입되는 경우, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이에서 발생하는 아크 방전의 프로파일은 직선형에서 정점을 갖는 "V" 자형 또는 "U" 자형으로 변화한다. 이때, 공기 유량이 클수록, 즉, 유속이 증가할수록 그 정점은 공기의 흐름 방향으로 이동하는 양상을 보인다. 즉, 공기의 유량이 증가할수록 방전 거리가 증가한다.
상세하게는, 공기의 흐름이 없는 경우, 즉, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 사이에서 유량이 0일 때, 초기 아크 방전의 프로파일(p0)은 실질적으로 직선형이지만, 유량이 증가할수록 아크 방전의 프로파일(p1, p2)은 정점(F1, F2)을 갖는 "V" 자형 또는 "U" 자형으로 변화하며, 그 정점(F1, F2)은 공기의 흐름 방향으로 점차 이동한다.
예를 들어, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 간의 방전 프로파일(p0, p1, p2)의 전체 길이를 방전 거리(D)라고 정의하는 경우, 유량이 0일 때의 방전 거리(D)는 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 간의 전극 거리(d)와 실질적으로 동일하고, 하우징(9)의 공기 유로를 통해 공기가 유입되는 경우, 즉, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이에서 유량이 0이 아닐 때의 방전 거리(D)는 정점(F1, F2)을 기준으로 전개된 양변의 길이의 합과 같다. 이때, 상대적으로 유량이 큰 프로파일(p2)의 방전 거리(D)가 상대적으로 유량이 작은 프로파일(p1)의 방전 거리(D)보다 크다. 이는 유입된 공기의 유량이 증가함에 따라 필라멘트 형상의 방전대가 두 전극(2a, 2b) 사이의 최단 거리 접선을 기준으로 공기의 흐름 방향으로 이동하기 때문이다.
따라서, 방전 전압(HV)을 일정하게 유지한 상태에서 유입팬(20)을 통해 유입되는 공기의 유량을 증가시키면 방전 거리(D)를 증가시킬 수 있다. 그러나, 유량을 더욱 증가시키면 어느 시점부터는 방전이 소멸되는데, 이는 방전 거리(D)가 크게 증가하고 방전 프로파일의 정점이 급격히 이동함으로써 방전을 유지할 수 있는 전위차가 유지되지 않기 때문이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 극미소의 전류에서도 전압이 문턱치(Vth)를 초과하면 방전이 개시된다. 이후 전압이 다소 감소하고 전류가 증가하여, 전압이 안정적으로 유지되는 구간에서는 안정된 글로우 방전(Gn)이 나타난다. 이후 전압이 급격히 증가하면 비정상 글로우 방전(Ga)이 발생하고, 여기서 전류가 계속 증가하면 전압이 급격히 감소하면서 아크 방전 구간(Ac)으로 전이된다.
예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이에서 아크 방전이 일어나는 영역을 제1 영역(A1)이라고 정의하고, 하우징(9)의 방출구(7)로부터 대기압 벌크 플라즈마(P)가 분사되는 영역을 제2 영역(A2)이라고 정의할 때, 제1 영역(A1)에서는 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 전위차가 상대적으로 크고 전류가 불안정하게 흐르며, 이는 도 7의 아크 방전 구간(Ac)에 대응된다.
반면, 제2 영역(A2)에서는 제1 영역(A1)을 벗어나면서 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)의 전위차가 감소하고, 일정한 전압이 가해진 상태로 전류가 급격히 강하하며, 이는 도 7의 안정된 글로우 방전 구간(Gn)에 대응된다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)는 제1 영역(A1)에서 아크 방전이 발생하고, 제2 영역(A2)에서는 글로우 방전인 대기압 벌크 플라즈마(P)가 발생하며, 제2 영역(A2)을 벗어나면 전압의 영향을 받지 않으므로 대기압 벌크 플라즈마(P)가 발생하지 않는다.
안정적인 대기압 벌크 플라즈마(P)를 발생시키기 위하여, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)은 각각 소정의 곡률 반경(r)을 가지며, 소정 거리만큼 이격되어 배치된다. 이때, 곡률 반경(r)은 단면상에서 각 전극(2a, 2b)의 외면을 기준으로 한다.
구체적으로, 도 6a에 도시된 바와 같이, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이의 최소 거리를 전극 거리임과 동시에 제1 거리(d)라고 정의하고, 방출구(7)에서 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이의 거리를 제2 거리(d')라고 정의할 때, 제2 거리(d')는 제1 거리(d)의 1.5 내지 3배일 수 있다.
또한, 제1 거리(d)는 곡률 반경(r)의 0.5 내지 3배일 수 있다. 예를 들어, 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b)의 곡률 반경(r)이 상대적으로 크게 형성됨으로써 제1 거리(d)가 곡률 반경(r)의 0.5배보다 작은 경우, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이의 전계 강도가 상대적으로 작아져 아크 방전이 쉽게 발생하지 않는다.
반면, 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b)의 곡률 반경(r)이 상대적으로 작게 형성됨으로써 제1 거리(d)가 곡률 반경(r)의 3배보다 큰 경우, 아크 방전은 쉽게 발생할 수 있으나, 아크 방전이 글로우 방전으로 전이되는데 어려움이 있다. 즉, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 사이의 제1 거리(d)가 곡률 반경(r)의 0.5 내지 3배로 형성됨으로써, 안정적인 대기압 벌크 플라즈마(P)를 발생시킬 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 거리(d)는 곡률 반경(r)의 2배일 수 있다. 다시 말하면, 접압 전극(2a)의 곡률 반경(r)과 접지 전극(2b)의 곡률 반경(r)의 합은 제1 거리(d)와 실질적으로 동일할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b)은 동일한 곡률 반경(r)을 갖는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b)은 각각 다른 곡률 반경을 가질 수 있으며, 또한, 전압 전극(2a) 및 접지 전극(2b) 중 어느 하나는 곡률 반경이 무한대인 평판의 전극일 수도 있다.
제2 영역(A2)에서 아크 전이 글로우 방전인 대기압 벌크 플라즈마(P)가 발생하기 위해서는 제1 영역(A1)에서 아크 방전이 안정적으로 발생되어야 한다. 이때, 방전이 소멸되기 직전의 아크 방전의 방전 거리(D)가 현재 유입되는 공기 유량에서 방전을 유지할 수 있는 최대 거리이며, 이를 최대 방전 거리라고 정의한다.
전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압 및 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량에 따른 최대 방전 거리의 값은 표 2와 같다.
표 2에서 HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, M은 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량을, Dm은 유량이 0일 때 안정된 초기 방전 거리를, ΔDm은 유량이 0이 아닐 때 방전 거리의 최대 변화량을, Dmx'는 유량이 0이 아닐 때 방전이 유지되는 최대 방전 거리를 의미한다. 이때, 유량이 0일 때의 초기 방전거리(Dm)는 표 1의 전극 거리(dm)와 실질적으로 동일하다. 또한, 초기 방전 거리(Dm)는 도 9의 초기 아크 방전 프로파일(P0)의 길이에 대응되고, 최대 방전 거리(Dmx')는 최대 아크 방전 프로파일의 길이에 대응된다.
표 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 일정할 때, 하우징(9)의 공기 유로를 통해 공기가 유입되면, 즉, 유량(M)이 0이 아니면 방전 거리는 증가하고, 유량(M)이 계속 증가하여 특정 값을 초과하면 방전이 소멸된다. 상기한 바와 같이, 방전이 소멸되기 직전의 방전 거리가 최대 방전 거리(Dmx')이다. 이때, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 증가할수록, 최대 방전 거리(Dmx') 및 최대 방전 거리(Dmx')일 때의 유량(M)이 증가한다.
상세하게는, 전압 전극(2a)에 4.5kV의 방전 전압(HV)을 인가한 경우, 공기를 공급하지 않은 상태에서의 초기 방전 거리(D0)는 2.0mm이고, 공기의 유량(M)을 8.0m3/sec로 공급하는 경우의 최대 방전 거리(D0x'= D0 + ΔD0x)는 6.0mm이다.
즉, 방전 전압(HV)이 4.5kV일 때, 공기의 유량(M)이 8.0m3/sec를 초과하면 방전이 소멸된다.
또한, 전압 전극(2a)에 8.0kV의 방전 전압(HV)을 인가한 경우, 공기를 공급하지 않은 상태에서의 초기 방전 거리(D1)는 3.67mm이고, 공기의 유량(M)을 14.9m3/sec로 공급하는 경우의 최대 방전 거리(D1x'= D1 + ΔD1x)는 11.0mm이다. 즉, 방전 전압(HV)이 8.0kV일 때, 공기의 유량(M)이 14.9m3/sec를 초과하면 방전이 소멸된다.
또한, 전압 전극(2a)에 11.3kV의 방전 전압(HV)을 인가한 경우, 공기를 공급하지 않은 상태에서의 초기 방전 거리(D2)는 5.3mm이고, 공기의 유량(M)을 21.4m3/sec으로 공급하는 경우의 최대 방전 거리(D2x'= D2 + ΔD2x)는 15.9mm이다. 즉, 방전 전압(HV)이 11.3kV일 때, 공기의 유량(M)이 21.4m3/sec를 초과하면 방전이 소멸된다.
따라서, 일정한 유량(M)에서 방전 전압(HV)이 클수록 방전을 유지하는데 유리하며, 유입팬(20)으로부터 유입되는 공기의 유량(M)에 맞추어 방전 전압(HV)을 조절하거나 방전 전압(HV)에 맞추어 공기의 유량(M)을 조절할 수 있다. 또한, 전극 거리(d), 방전 전압(HV) 및 유량(M)에 따라, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')가 적절한 범위 내에서 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 약 1.2 내지 약 3.5일 수 있다. 특히, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)일 때, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 약 2.5 내지 약 3.5일 수 있다. 예를 들어, 표 2로부터, 방전 전압(HV)에 따라, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율은 각각 D0x'/D0 = 3.0, D1x'/D1 = 2.997, D2x'/D2 = 2.62임을 알 수 있다. 따라서, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)일 때, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)이 약 2.5 내지 약 3.5의 범위이면 적절한 대기압 벌크 플라즈마(P)가 발생될 수 있다.
전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV) 및 전극 거리(d)가 일정할 때, 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량에 따른 방전 거리의 값은 표 3 및 표 4와 같다.
표 3에서 HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, M은 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량을, Dmn'은 유량에 따른 방전 거리를 의미한다. 이때, D0는 초기 방전 거리이고, d0는 전극 거리이며, D0x'는 최대 방전 거리이다.
전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV) 및 전극 거리(d0)가 일정할 때, 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량(M)이 증가할수록 방전 거리(Dmn')가 증가한다.
표 3과 같이, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 4.5kV로 일정하고 전극 거리(d0)가 2.0mm로 일정한 경우, 유량(M)이 0일 때의 초기 방전 거리(D0)는 2.0mm이고, 유량(M)이 2.0m3/sec일 때의 방전 거리(D01')는 3.1mm이고, 유량(M)이 5.0m3/sec일 때의 방전 거리(D02')는 4.5mm이고, 유량(M)이 8.0m3/sec일 때의 방전 거리(D0x')는 방전이 소멸되기 직전의 최대 방전 거리로 6.0mm이다. 다시 말하면, 방전 전압(HV)이 4.5kV일 때, 공기의 유량(M)이 8.0m3/sec를 초과하면 방전이 소멸된다.
마찬가지로, 표 4에서 HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, M은 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량을, Dmn'은 유량에 따른 방전 거리를 의미한다. 이때, D1는 초기 방전 거리이고, d1는 전극 거리이며, D1x'는 최대 방전거리이다.
표 4와 같이, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 8.0kV로 일정하고 전극 거리(d1)가 3.67mm로 일정한 경우, 유량(M)이 0일 때의 초기 방전 거리(D1)는 3.67mm이고, 유량(M)이 7.5m3/sec일 때의 방전 거리(D11')는 5.3mm이고, 유량(M)이 11.0m3/sec일 때의 방전 거리(D12')는 7.7mm이고, 유량(M)이 14.9m3/sec일 때의 방전 거리(D1x')는 방전이 소멸되기 직전의 최대 방전 거리로 11.0mm 이다. 다시 말하면, 방전 전압(HV)이 8.0kV 일 때, 공기의 유량(M)이 14.9m3/sec를 초과하면 방전이 소멸된다.
즉, 방전 전압(HV)과 전극 거리(d)가 일정할 때, 유량(M)을 증가시키면, 초기 방전 거리(Dm)보다 방전 거리(Dmn')가 증가하고, 방전 거리(Dmn')가 최대 방전 거리(Dmx')를 초과하면 방전이 지속되지 않고 소멸된다. 다만, 이때 방전 전압(HV)을 증가시키면 다시 방전이 발생할 수 있다.
전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)에 따른 최대 방전 거리(Dmx') 및 최대 방전 거리(Dmx')일 때의 유량(M)은 표 5와 같다.
표 5 및 도 8, 도 9에 도시된 바와 같이, 방전 전압(HV)이 8.0kV이고 유량(M)이 14.9m3/sec일 때의 최대 방전 거리(D1x')는 11.0mm이고, 유량(M)이 14.9m3/sec보다 커지면 방전은 소멸된다. 이때, 방전 전압(HV)을 8.4kV로 증가시키면, 다시 방전이 발생하고, 유량(M)이 16.2m3/sec보다 커지면 방전이 다시 소멸된다. 마찬가지로, 방전이 소멸된 상태에서 방전 전압(HV)을 9.3kV로 증가시키면, 다시 방전이 발생하고, 유량(M)이 17m3/sec보다 커지면 방전이 다시 소멸된다. 방전 전압(HV)이 8.4kV이고 유량(M)이 16.2m3/sec일 때의 최대 방전 거리(D3x')는 12.2mm이고, 방전 전압(HV)이 9.3kV이고 유량(M)이 17.0m3/sec일 때의 최대 방전 거리는 13.6mm이다. 즉, 방전 전압(HV)이 클수록 최대 방전 거리(Dmx') 및 최대 방전 거리(Dmx')일 때의 유량(M)이 증가한다.
이하, 도 10, 도 11, 표 6 및 표 7을 참조하여, 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b) 간의 간격, 인가된 고전압의 크기, 주입된 공기의 유량 및 주파수에 따른 방전 양상에 대하여 설명한다.
도 10은 주파수에 따른 최대 방전 거리를 나타낸 그래프이고, 도 11은 방전 전압, 주파수 및 유량에 따른 방전 거리를 나타낸 그래프이며, 방전 전압 및 방전 전압의 주파수에 따른 최대 방전 거리의 값은 표 6과 같다.
표 6에서 HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, Dmx'는 최대 방전 거리를, f는 방전 전압의 주파수를 의미한다.
표 6 및 도 10에 도시된 바와 같이, 방전 전압(HV)의 크기가 일정할 때, 방전 전압의 주파수(f)가 작을수록 최대 방전 거리(Dmx')는 증가한다.
상세하게는, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 4.5kV로 일정한 경우, 주파수(f)가 20kHz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 2.2mm이고, 주파수(f)가 10kHz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 3.2mm이며, 주파수(f)가 60Hz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 6.0mm이다.
또한, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 8.0kV로 일정한 경우, 주파수(f)가 20kHz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 3.5mm이고, 주파수(f)가 10kHz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 5.5mm이며, 주파수(f)가 60Hz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 11.0mm이다.
또한, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압(HV)이 11.3kV로 일정한 경우, 주파수(f)가 20kHz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 4.6mm이고, 주파수(f)가 10kHz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 7.8mm이며, 주파수(f)가 60Hz일 때의 최대 방전 거리(Dmx')는 15.9mm이다.
이때, 도 10을 참조하면, 주파수(f)가 상대적으로 높을 때의 기울기보다 주파수(f)가 상대적으로 낮을 때의 기울기가 더 큰 것을 알 수 있다. 즉, 주파수(f)가 낮을 때, 방전 전압(HV)에 따른 최대 방전 거리(Dmx')의 변화량이 크다.
전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압, 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량 및 고주파 전원(4)의 주파수에 따른 최대 방전 거리의 값은 표 7과 같다.
표 7에서 HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, M은 하우징(9)의 공기 유로를 통해 유입된 공기의 유량을, Dm은 유량이 0일 때 안정된 초기 방전 거리를, Dmx'는 유량이 0이 아닐 때 방전이 유지되는 최대 방전 거리를, f는 방전 전압의 주파수를 의미한다.
표 7 및 도 11에 도시된 바와 같이, 각각의 방전 전압(HV)에 대하여, 상대적으로 주파수(f)가 낮은 60Hz의 전원에서의 방전 거리가 상대적으로 주파수(f)가 높은 20kHz의 전원에서의 방전 거리보다 공기의 유량(M)에 더 민감하게 영향을 받는다.
다시 말하면, 주파수(f)가 20kHz인 경우 최대 방전 거리(Dmx')와 초기 방전 거리(Dm)의 차가 방전 전압(HV)에 따라 각각 0.6mm, 0.7mm 및 0.9mm인 반면, 주파수(f)가 60Hz인 경우 최대 방전 거리(Dmx')와 초기 방전 거리(Dm)의 차는 방전 전압(HV)에 따라 각각 4.0mm, 7.33mm 및 10.6mm이다.
따라서, 방전 전압(HV)의 주파수(f)가 증가하면, 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 감소한다.
표 7로부터, 주파수(f)가 20kHz인 경우, 방전 전압(HV)에 따라, 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 각각 D0x'/M = 0.275, D1x'/M = 0.235, D2x'/M = 0.215임을 알 수 있다. 반면, 주파수(f)가 60Hz인 경우, 방전 전압(HV)에 따라, 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 각각 D0x'/M = 0.750, D1x'/M = 0.738, D2x'/M = 0.743임을 알 수 있다. 이는 주파수(f)가 높은 고전압 전원에서는 방전이 소멸되기 전에 전극 사이에서 새로운 방전이 발생되기 때문이다. 따라서, 주파수(f)가 높은 고전압 전원은 주파수(f)가 작은 고전압 전원에 비하여 유량(M)에 의한 영향을 적게 받는다.
한편, 주파수(f)가 20kHz인 경우, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 약 1.2 내지 약 1.5일 수 있다. 예를 들어, 표 7로부터, 방전 전압(HV)에 따라, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 각각 D0x'/D0 = 1.375, D1x'/D1 = 1.25, D2x'/D2 = 1.24임을 알 수 있다. 따라서, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압의 주파수가 20kHz일 때, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율이 약 1.2 내지 약 1.5의 범위이면 적절한 대기압 벌크 플라즈마(P)가 발생될 수 있다. 반면, 상기한 바와 같이, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)일 때, 초기 방전 거리(Dm)와 최대 방전 거리(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)이 약 2.5 내지 약 3.5의 범위이면 적절한 대기압 벌크 플라즈마(P)가 발생될 수 있다.
즉, 전압 전극(2a)에 인가되는 방전 전압의 주파수(f)가 증가할수록 상기 비율(Dmx'/Dm)이 감소하며, 주파수(f)가 높은 고전압 전원은 상대적으로 주파수가 낮은 상용 주파수의 고전압 전원에 비하여 유량(M)의 영향을 덜 받음을 다시 확인할 수 있다. 이는, 고주파수를 인가할수록 전압 전극(2a)과 접지 전극(2b)을, 상대적으로 평면에 가깝게, 즉 곡률 반경이 크도록 설계할 수 있음을 의미한다. 즉, 인가되는 주파수(f)와 전극의 곡률 반경은 반비례한다.
이상의 실험 결과를 토대로 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)에 적용되는 실증적인(empirical) 원리를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 실험 결과와 같이, 방전 전압(HV)은 두 전극(2a, 2b) 간의 전극 거리(d)에 비례하고, 이는 아래의 비례식 1로 정의될 수 있다.
[비례식 1]
HV = δ·d
비례식 1에서, HV는 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, δ는 두 전극(2a, 2b) 간의 유전 계수를, d는 두 전극(2a, 2b) 간의 전극 거리를 의미한다.
유입팬(20)으로부터 공기 공급이 없는 정상 상태(steady state)는 비례식 1로부터 아래의 비례식 2로 정의될 수 있다.
[비례식 2]
HV0 = δ·D0
비례식 2에서, HV0는 유량(M)이 0일 때 전압 전극(2a)에 인가된 방전 전압을, D0는 유량(M)이 0일 때의 초기 방전 거리를 의미한다.
또한, 유입팬(20)으로부터 공기가 공급되는 경우에는 비례식 1로부터 아래의 비례식 3으로 정의될 수 있다.
[비례식 3]
ΔHV = δ·ΔD = δ·V·t = δ·V·(1/f) = δ·(M/A)·(1/f)
비례식 3에서, ΔHV는 유량(M)이 0이 아닐 때 방전 전압의 변화량을, ΔD는 방전 거리의 변화량을, V는 공기의 유속을, t는 방전 전압의 펄스폭을, f는 방전전압의 주파수를, M은 공기의 유량을, A는 공기의 통과 단면적을 의미한다.
일반적으로, 인가되는 고전압 전원의 주파수(f)가 크면 클수록 정현파의 펄스폭(t)은 감소한다. 즉, 주파수(f)와 펄스폭(t)은 반비례 관계이다. 또한, 일정한 단면적(A)을 가지는 통로를 통과하는 유속(V)은 유량(M)에 비례하고 단면적(A)에 반비례한다.
즉, 비례식 3을 참조하면, 방전 거리(D)는 유입되는 공기의 유속(V)과 인가되는 고전압 주파수(f)와 깊은 상관관계가 있다.
이상을 일반식으로 만들기 위해서는 공기 유입이 없는 초기 정상 상태의 방전 조건과 공기 유입이 개시된 이후의 방전 조건을 함께 고려해야 한다. 따라서, 최적으로 작동하는 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 방전 전압(HV)은 아래의 비례식 4로 정의될 수 있다.
[비례식 4]
HV = HV0 + ΔHV δ·D0 + δ·ΔD δ·D0 + δ·V·t = δ·D0 + δ·V·(1/f) = δ·D0 + δ·(M/A)·(1/f)
즉, 공기 유입에 의해 변화된 방전 거리(D)는 초기 방전 거리와 방전 거리의 변화량의 합(D0 + ΔD)이고, 이때 방전 거리의 변화량(ΔD)은 단면적(A)이 일정할 때 유입된 공기의 유량(M)에 비례하고, 방전 전압(HV)의 주파수(f)에 반비례한다. 여기서, 양변에 주파수(f)를 곱하면 아래의 비례식 5로 정의될 수 있다.
[비례식 5]
f·HV = f·δ·D0 + δ·(M/A)
비례식 5를 참조하면, 일정한 주파수(f)와 방전 거리(D0)에서, 가스의 유량(M)이 증가하면, 방전을 유지하기 위해 더 큰 고전압이 요구되는 것을 알 수 있다. 즉, 방전 전압(HV)은 유량(M)에 비례한다.
또한, 두 전극(2a, 2b) 간에 인가되는 방전 전압(HV)의 주파수(f)가 증가할수록 글로우 방전이 유리한데, 비교적 작은 전압에서도 플라즈마가 발생하기 때문이다. 이는 마이크로웨이브를 이용하는 전자레인지와 같이 전자의 발진 효과가 고주파일수록 커지기 때문이다.
실제 상대적으로 낮은 상용 주파수의 고전압 전원을 인가하였을 때, 방전 거리(D0 + ΔD)가 유속(V)에 따라 크게 증가하나 방전이 손쉽게 소멸됨을 알 수 있었다. 반면, 상대적으로 높은 20kHz의 고주파수의 고전압 전원을 인가하였을 때, 방전 거리(D0 + ΔD)가 유속(V)에 따라 증가하는 양이 작으나 방전의 소멸이 쉽게 일어나지 않는다.
따라서, 안정된 방전을 유지하기 위해서는 고주파수의 고전압 전원을 이용하는 것이 유리하다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)의 적용 예를 첨부 도면을 참조로 설명한다.
도 12a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)를 이용한 살균 및 제균 실험을 나타낸 개략적인 단면도이며, 두 가지 종류의 균(고초균, 미구균)들이 발라져 있는 페트리 디쉬 표면을 노출시간을 달리하면서, 본 발명에 의해 발생된 대기압 벌크 플라즈마를 노출한 후, 각각의 패트리 디쉬를 배양기에서 2일간 배양한 결과를 나타낸 사진이다.
도 12a에 도시된 바와 같이, 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)에 의해 발생된 대기압 벌크 플라즈마(P)를 방출구(7)를 통해 균(51)들이 발라져 있는 페트리 디쉬(50)에 분사한다.
이때, 도 12b에 도시된 바와 같이, 두 가지 종류의 균(E. Coli-고초균, M. Luteus-호기성 미구균)들이 발라져 있는 페트리 디쉬(50)에 각각 0초, 20초, 30초, 40초 동안 대기압 벌크 플라즈마(P)를 쪼인 후, 페트리 디쉬(50)를 배양기에 넣고 2일간 배양하였다. 좌측은 대기압 벌크 플라즈마를 쪼이지 않은 컨트롤(Control, 0초) 사진이고, 우측은 각각 20초, 30초, 40초동안 노출하여 배양한 후의 결과 사진들이다.
실험 결과, 두 가지 균들에 20초 이상 대기압 벌크 플라즈마를 쪼여주면, 쪼여진 부분의 각종 균들은 최소 60% 내지 95%정도 살균 또는 제균 되었고, 특히 40초 이상 쪼여주면 약 90% 내지 95% 이상 살균 또는 제균 되었음을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)를 이용하여 미세 먼지를 제거하는 검증 실험의 사진이다. 본 실험은 인위적으로 만들어진 미세 먼지나 가루를 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)에서 발생된 대기압 벌크 플라즈마(P) 내로 투입하여 연소되는 것을 관찰한 것이다.
도 13의 (a)는 대기압 벌크 플라즈마(P) 내부로 미세먼지가 유입되고 있지 않는 상태에서의 사진이고, (b), (c)는 미세먼지를 발생된 대기압 벌크 플라즈마(P) 내로 유입시켰을 때, 미세먼지가 대기압 벌크 플라즈마(P)와 만나는 순간 번쩍 번쩍하고 연소되는 것을 나타내는 사진이다. 이 결과로부터 본 발명에 의한 대기압 벌크 플라즈마에 의해 직접적으로, 미세먼지가 대기압 벌크 플라즈마(P)의 순간적인 고온 에너지에 의해 연소 및 제거될 수 있음을 입증하였다.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)에 의해 발생된 대기압 벌크 플라즈마(P)를 티슈 화장지에 분사하는 실험의 사진이다. 이 실험은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)에 의해 발생된 대기압 벌크 플라즈마(P)의 온도를 간접적으로 알아보기 위한 것이다.
도 14의 (a)는 가정에서 널리 사용하는 티슈 화장지를 대기압 벌크 플라즈마(P)에 갖다 대었을 때의 사진이고, (b)는 티슈 화장지를 찢어 보푸라기를 만든 후 대기압 벌크 플라즈마(P)에 갖다 대었을 때의 사진이다.
이 결과로부터, 일반적인 티슈 화장지를 대기압 벌크 플라즈마(P)에 접촉시켰을 때, 티슈 화장지는 전혀 연소되지 않으나 찢어진 화장지의 보푸라기 부분은 열용량이 작아 쉽게 미세먼지처럼 쉽게 번쩍 연소됨을 알 수 있다. 이로서 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1)에서 발생된 대기압 벌크 플라즈마(1)의 평균 온도가 낮음을 간접적으로 입증하였다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치(1) 및 이(100)는 기존의 오존이나 음이온을 사용하는 방식의 여타의 공기 청정기와 대한민국 등록특허 제10-0596511 특허와 달리 열용량이 작은 미세먼지들을 발생된 플라즈마를 이용하여 직접적으로 연소키기 때문에 미세먼지 제거 메카니즘의 현격한 차이를 가지고 있으며, 또한 순간적인 고온 에너지를 갖는 대기압 벌크 플라즈마(P)로 공기 내에 있는 균들을 직접적으로 살균하며, 동시에 미세먼지도 제거할 수 있다.
도 15은 본 발명에 의한 대기압 벌크 플라즈마에서는 전혀 오존이 발생하지 않음을 입증하기, 실제로 4개의 벌크 플라즈마가 발생토출되는 대기압 벌크 플라즈마 장치 바로 전단에 오존농도를 측정하는데 가장 많이 사용되는 Ozone Sensor(미국 ECO Sensor사, 모델: A-21ZX, 오존농도 측정범위: 0.00 - 10.00ppm)를 이용하여 측정하였다. 이때, 측정시간은 10분간 진행하였다. 측정결과 도 15에 나타나 있듯이 오존농도를 표시해 주는 Ozone Sensor의 표시창에 -0.00ppm을 가리키고 있음을 알 수 있다. 이는 본 발명에 의한 대기압 벌크 플라즈마에 의해 전혀 오존이 발생되지 않음을 나타낸 결과로, 공기 유입량이 적으면 오존농도가 증가하고, 유입량이 많으면 오존농도가 감소한다고 서술되어 있는 도 1의 대한민국 등록특허 제10-0596511와는 현격히 차이가 있음을 알 수 있고, 이는 지금까지 플라즈마 대기압 벌크 플라즈마 장치라고 출시하였던 많은 제품에서 실제로 오존이 0.03ppm 이상 발생되어 심각한 문제로 지적되어 판매가 되지 않았던 제품과는 가장 큰 차이를 보이는 기술사항이라 생각한다.
도 16a은 본 발명에 의한 대기압 벌크 플라즈마에 의해 살균력이 큰 것으로 알려져 있는 OH 라디칼이 생성되는지를 입증하기 위한 실험장치로, 본 발명에 의한 대기압 벌크 플라즈마가 발생되는 대기압 플라즈마 부를 완전히 덮은 후, 옆쪽에 매우 작은 핀홀을 뚫어 이 핀홀에 의해 대기압 플라즈마에 의해 발생되는 빛이 나오도록 하였으며, 이 빛의 광스펙트럼을 측정하기 가장 많이 사용되는 OES(Optical Emission Spectrometer, 네덜란드, AVNTES사, 모델: AvaSpec-ULS2048L-EVO)를 이용하여 핀홀에 Optical Sensor를 부착하여 핀홀로부터 나오는 광스펙트럼을 측정하였다.
도 16b는 도 16a와 같은 측정장치로 측정된 대기압 벌크 플라즈마의 발광 스펙트럼 측정결과이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 243nm의 파장을 갖는 피크들은 NOx에 대한 피크들이고, 308nm의 파장을 갖는 피크는 OH 라디칼에 대한 피크이며, 337nm의 파장을 갖는 피크는 N2에 대한 피크이다. 이 결과로부터 본 발명에 의한 대기압 벌크 플라즈마에 의해 OH 라디칼이 생성됨을 알 수 있다. 이는 공기 여과재에 광촉매물질을 미리 도포하고 아크방전에 의해 발생되는 자외선을 이용하여 광촉매제와 촉매반응을 시켜 OH 라디칼을 생성하는 도 1의 대한민국 특허 제10-0596511와는 전혀 다른 방법으로 OH 라디칼을 생성하는 현격히 차이가 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예들을 첨부 도면을 참조로 설명하였으나, 이는 예시적인 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하지 않으며, 본 발명에 대해서는 당업자 수준에서 다양한 변경이 가능함은 물론이다.
본 발명의 각각의 구성 또는 부품의 형상, 크기, 위치, 개수 및 재질은 일례를 제시한 것이며 활용 분야에 맞추어 적절한 변경이 가능함을 유의해야 할 것이다.
본 발명의 권리범위가 이하 기술하는 청구범위와 동일 또는 유사한 영역에까지 미친다는 사실은 자명하다.
P: 대기압 벌크 플라즈마 1: 대기압 벌크 플라즈마 장치
2a: 전압 전극 2b: 접지 전극
4: 고주파 전원 6: 유입구
7: 방출구 9: 하우징
100: 공기 청정기
2a: 전압 전극 2b: 접지 전극
4: 고주파 전원 6: 유입구
7: 방출구 9: 하우징
100: 공기 청정기
Claims (13)
- 방전 전압전극 및 접지전극을 수용하고, 모든 공기를 유입하는 1개의 유입구 및 1개의 방출구를 가져, 유입된 모든 공기가 모두 플라즈마 영역을 통과하도록, 단일 공기 유로를 제공하는 하우징;
상기 유입구는 공기가 유동하는 방향으로 갈수록 지름이 작아지고,
상기 방출구는 공기가 유동하는 방향으로 갈수록 지름이 커지며,
상기 하우징 내의 제1 영역(전극간의 거리가 제일 작은 부분)에서 아크가 발생되며,
상기 방출구 내의 제2 영역(전극간 거리가 큰 부분)에서 아크방전에 의해 전이된 글로우 방전이 발생하고,
방전 전압전극 및 접지전극 중 적어도 하나는 단면상에서 소정의 곡률 반경을 갖는 원호(circular arc)의 형태를 가지며,
상기 방전 전압전극과 상기 접지전극 사이의 최소거리는 상기 방전 전압전극 및 상기 접지전극 중 적어도 하나의 곡률반경의 0.5내지 3배인 것을 특징으로 하는 방전전극이 장착된 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 1항에 있어서, 상기 방전 전압전극과 상기 접지 전극 사이의 최대거리(d')는 상기 방전 전압 전극과 상기 접지 전극 사이의 최소 거리(d)의 1.5 내지 3배인 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 방전 전압 전극은 제1 곡률 반경을 갖고, 상기 접지 전극은 제2 곡률 반경을 가질 때, 상기 제1 곡률 반경과 상기 제2 곡률 반경의 합은 상기 방전 전압 전극과 상기 접지 전극 사이의 최소 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 1항에 있어서,
초기 아크 방전 프로파일의 길이(Dm)와 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 1.2 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 5항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 증가하면, 상기 초기 아크방전 프로파일의 길이(Dm)와 상기 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)이 감소하는 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 6항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)인 경우, 상기 초기 아크 방전 프로파일의 길이(Dm)와 상기 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 6항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 20kHz인 경우, 상기 초기 아크 방전 프로파일의 길이(Dm)와 상기 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/Dm)은 1.2 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 증가하면, 상기 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 감소하는 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 9항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 상용 주파수(60Hz)인 경우, 상기 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 상기 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 0.7 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 9항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수가 20kHz인 경우, 상기 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 유량(M)과 상기 최대 아크 방전 프로파일의 길이(Dmx')의 비율(Dmx'/M)은 0.1 내지 0.3인 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 방전 전압 전극에 인가되는 방전 전압의 주파수(f), 상기 전압 전극에 가해지는 방전 전압(HV), 상기 공기 유로를 통해 유입되는 공기의 절연평균파괴강도(δ), 초기 아크 방전 프로파일의 길이(Dm), 상기 공기의 유량(M) 및 상기 공기 유로의 단면적(A)은 다음의 비례식을 만족하는 것을 특징으로 하는 대기압 벌크 플라즈마 장치.
[비례식]
f·HV = f·δ·Dm + δ·(M/A) - 제 1항, 제 2항 및 제 4항 내지 제 12항 중 어느 하나의 항에 나타난 대기압 벌크 플라즈마 장치가 사용되는 공기청정기.
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KR1020180071391A KR101959676B1 (ko) | 2018-06-18 | 2018-06-18 | 대기압 벌크 플라즈마 장치 |
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Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2002177373A (ja) * | 2000-06-15 | 2002-06-25 | Denso Corp | 空気浄化装置 |
JP2003217898A (ja) * | 2002-01-16 | 2003-07-31 | Sekisui Chem Co Ltd | 放電プラズマ処理装置 |
JP2004044882A (ja) * | 2002-07-10 | 2004-02-12 | Andes Denki Kk | 空気清浄機 |
KR100596511B1 (ko) * | 2004-06-30 | 2006-07-03 | 플라즈마에너지자원 주식회사 | 공기청정기 |
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2018
- 2018-06-18 KR KR1020180071391A patent/KR101959676B1/ko active
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