KR20160007169A - 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 반응물의 온도를 적절하게 제어할 수 있으며, 동시에 높은 전자 밀도와 전자 에너지를 구현하는 다중의 특성을 가지는 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기는, 제1전압으로 제1플라즈마를 발생시켜 반응물의 온도를 높여서 제1반응물을 생성하는 제1플라즈마 반응부, 및 상기 제1플라즈마 반응부에 연결되고, 제2전압으로 제2플라즈마를 발생시켜 상기 제1반응물의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 제2반응물을 생성하는 제2플라즈마 반응부를 포함한다.

Description

다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기 {PLASMA REACTOR HAVING MULTIPLE ATTRIBUTE}
본 발명은 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배기가스의 후처리, 연료의 개질 및 다양한 분야에 응용되는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기에 관한 것이다.
플라즈마 발생 기술은 반응기 구조 및 발생 장치에 따라 다양한 특성을 가지는 플라즈마를 형성할 수 있다. 예를 들면, 플라즈마 반응기에는 아크, 아크 제트, 회전 유동 아크, 및 유전체 장벽방전 등의 구조가 널리 알려져 있다.
플라즈마 기술은 다양한 분야에서 발생되는 위험한 배기가스를 후처리 함으로써 안전한 상태로 전환시키는 환경 분야, 메탄과 같은 연료를 플라즈마 처리 함으로서 보다 양질의 연료로 전환시키는 연료 개질 분야, 및 물질의 표면에 플라즈마를 처리하여 표면 특성을 목적에 맞도록 개선시키는 표면 처리 분야 등에서 다양하게 응용되고 있다.
일례를 들면, 플라즈마 반응기는 양극과 음극으로 구성되는 한 쌍의 전극 구조를 가지며, 반응 기체의 유동장과 전극 사이에 유전체를 구비하는지 여부에 따라 다양한 플라즈마 특성을 구현할 수 있다.
플라즈마 특성에 따르면, 플라즈마는 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 구분될 수 있으며, 두 가지 특성의 구분은 플라즈마를 발생시키는 온도의 상대적인 크기에 의존한다.
또한 고온, 저온 플라즈마는 온도와 더불어 발생하는 전자와 이온의 수와 발생하는 전자의 에너지 등 보다 세부적인 차이로 더 구분될 수 있다. 그리고 응용 분야에 따라 플라즈마 및 플라즈마 반응기는 적합하게 적용될 수 있다. 그러나 하나의 플라즈마 반응기는 응용분야에 따른 적절한 반응물 온도와 높은 전자 밀도 및 전자 에너지를 동시에 구현하기에 어렵다.
예를 들면, 반응물의 온도를 높일 수 있는 플라즈마 반응기는 상대적으로 낮은 전자 밀도와 전자 에너지를 보인다. 그리고 전자 밀도와 전자 에너지를 높일 수 있는 플라즈마 반응기는 상대적으로 낮은 반응물의 온도를 보인다.
따라서 본 발명의 목적은 반응물의 온도를 적절하게 제어할 수 있으며, 동시에 높은 전자 밀도와 전자 에너지를 구현하는 다중의 특성을 가지는 플라즈마 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기는, 제1전압으로 제1플라즈마를 발생시켜 반응물의 온도를 높여서 제1반응물을 생성하는 제1플라즈마 반응부, 및 상기 제1플라즈마 반응부에 연결되고, 제2전압으로 제2플라즈마를 발생시켜 상기 제1반응물의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 제2반응물을 생성하는 제2플라즈마 반응부를 포함한다.
상기 제1플라즈마 반응부는 800K 내지 5000K의 고온 조건을 형성하는 방전으로 반응물을 제1반응물로 변환할 수 있다.
상기 제1플라즈마 반응부는 회전아크 방전으로 제1플라즈마를 발생시킬 수 있다.
상기 제2플라즈마 반응부는 300K 내지 1000K 이하의 저온 플라즈마를 이용하여 제1반응물을 제2반응물로 변환할 수 있다.
상기 제2플라즈마 반응부는 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시킬 수 있다.
상기 제1플라즈마 반응부는, 전기적으로 접지되고 회전 유동 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하는 제1하우징, 및 상기 제1하우징에 내장되고 상기 제1하우징의 내면과의 사이에 방전갭을 형성하여, 제1전압이 인가되면, 상기 방전갭에서 회전 유동 아크로 제1플라즈마를 발생시키는 제11전극을 포함할 수 있다.
상기 제1하우징은 상기 제1반응물의 토출측에 확장된 수용부를 구비하고, 상기 제2플라즈마 반응부의 일단은 상기 수용부에 삽입되어 연결될 수 있다.
상기 제2플라즈마 반응부는, 상기 수용부에 삽입되고, 일측으로 유입되는 제1반응물에서 변화된 제2반응물을 토출하도록 유전체로 형성되는 제2하우징, 및 상기 제2하우징의 외주에 구비되고 제2전압이 인가되면, 상기 제2하우징 내에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 제21전극을 포함할 수 있다.
상기 제2플라즈마 반응부는, 상기 제21전극과 설정된 간격으로 이격되어 상기 제2하우징의 외주에 구비되어 접지되는 제22전극을 더 포함할 수 있다.
상기 제2플라즈마 반응부는 제1반응물에서 변화된 제2반응물을 토출하는 제2하우징, 상기 제2하우징에 내장되고 서로의 사이에 방전갭을 형성하는 제21전극과 제22전극, 및 제2전압이 인가되는 상기 제21전극과 접지되는 상기 제22전극의 일측에 구비되어, 제2전압이 인가되면 벽전하를 형성하여 상기 방전갭에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 유전체를 포함할 수 있다.
상기 제1플라즈마 반응부는 플라즈마 아크 제트로 반응물을 제1반응물로 변환할 수 있다.
상기 제1플라즈마 반응부는 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하도록 절연재로 형성되는 제1하우징, 상기 제1하우징에 내장되고 제1전압이 인가되는 제11전극, 및 상기 제1하우징의 토출 측에 구비되고 접지되어 상기 제11전극과의 사이에 방전갭을 형성하며 노즐을 형성하는 제12전극을 포함할 수 있다.
상기 제1플라즈마 반응부는 마이크로 웨이브로 반응물을 제1반응물로 변환할 수 있다.
상기 제1플라즈마 반응부는 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하는 노즐, 상기 노즐을 수용하고 상기 노즐의 일측에서 단락 회로를 형성하고 다른 일측에서 마이크로 웨이브를 인가하는 웨이브 가이드, 및 상기 웨이브 가이드의 상기 노즐 토츨측에 연결되어 상기 마이크로 웨이브에 의하여 발생되는 제1플라즈마로 가열된 제1반응물을 토출하는 제1하우징을 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 제1플라즈마 반응부와 제2플라즈마 반응부를 연결하여, 반응물을 제1반응물로 변환하고, 제1반응물을 제2반응물로 더 변환함으로써 다양한 특성을 가지는 플라즈마를 생성할 수 있다.
따라서 일 실시예의 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기는, 배기가스 후처리 분야, 연료 개질 분야, 및 표면 처리 분야 등에서 기존 기술보다 높은 효율을 구현하고, 응용분야를 더 확장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기에서 제2플라즈마 반응부의 사시도이다.
도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따른 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1실시예의 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기(이하 "플라즈마 반응기"라 한다)(100)는 제1플라즈마 반응부(1)와 제2플라즈마 반응부(2)를 포함한다.
제1플라즈마 반응부(1)는 제1전압(V)으로 제1플라즈마(P1)를 발생시켜 반응물의 온도를 높여서 제1반응물을 생성하도록 구성된다. 제2플라즈마 반응부(2)는 제1플라즈마 반응부(1)에 연결되어 제1반응물을 공급받아 변환하여 제2반응물을 생성하도록 구성된다.
제2플라즈마 반응부(2)는 제2전압(HV)으로 제2플라즈마(P2)를 발생시킨다. 제2플라즈마 반응부(2)가 제2플라즈마(P2)를 발생시키므로 제1반응물의 결과물로 제2반응 공간에 공급된 반응물의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어함으로써 제2반응물이 생성된다.
예를 들면, 제1플라즈마 반응부(1)로 유입되는 반응물은 배기가스, 메탄과 같은 연료, 공기, 또는 공기와 연료의 혼합기체일 수도 있고, 제1플라즈마 반응부(1)는 이에 대응하도록 변경될 수 있다. 즉 플라즈마 반응기(100)는 배기가스의 후처리, 연료의 개질 및 표면 처리 분야 등 다양하게 응용될 수 있다.
제1실시예에서, 제1플라즈마 반응부(1)는 플라즈마 아크 방전으로 반응물을 제1반응물로 변환하도록 구성되며, 저전압(제1전압(V))으로 구동된다. 제2플라즈마 반응부(2)는 유전체 장벽방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge)으로 제1반응물을 제2반응물로 변환하도록 구성되며, 고전압(제1전압보다 높은 제2전압(HV))으로 구동된다.
제1플라즈마 반응부(1)는 800K 내지 5000K의 고온 조건을 형성하는 방전으로 반응물을 제1반응물로 변환하도록 구성된다. 즉 제1플라즈마 반응부(1)는 회전아크 방전으로 제1플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이에 비하여, 제2플라즈마 반응부(2)는 300K 내지 1000K 이하의 저온 플라즈마를 이용하여 제1반응물을 제2반응물로 변환하도록 구성된다. 즉 제2플라즈마 반응부(2)는 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시킬 수 있다.
제1플라즈마 반응부(1)는 일측으로 유입된 반응물이 변환된 제1반응물을 다른 일측으로 토출되는 제1하우징(11)과, 제1하우징(11)에 내장되고 제1하우징(11)과의 내면 사이에 방전갭(G1)을 형성하는 제1전극(E11)을 포함한다.
제1하우징(11)은 전기적으로 접지되고, 일측으로 반응물이 회전 유동하면서 유입되고, 플라즈마 아크 방전으로 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하도록 구성된다. 예를 들면, 제1하우징(11)은 원통으로 형성될 수 있다.
제1전극(E11)은 제1전압(V)이 인가되어 방전갭(G1)에서 플라즈마 아크 방전을 일으킴으로써, 방전갭(G1)에서 회전 유동 아크로 제1플라즈마(P1)를 발생시킨다. 일례를 들면, 제1전극(E11)은 반응물의 유입측에서 급격하게 직경이 증가하고 방전갭(G1) 이후로 완만하게 직경이 감소하는 원추 구조로 형성된다.
제1전극(E11)은 절연부재(12)를 개재하여 제1하우징(11)의 일측에 장착되며, 절연부재(12)는 제1하우징(11)의 일측을 밀폐한다. 또한, 절연부재(12)와 방전갭(G1) 사이에 대응하는 제1하우징(11)의 외곽에는 반응물 공급 챔버(13)가 구비된다.
반응물 공급 챔버(13)는 제1하우징(11)에 형성되는 공급구(14)를 통하여 제1하우징(11)의 내부로 반응물을 공급한다. 공급구(14)는 제1하우징(11)의 내주면에 대하여 설정된 각도(미도시)로 경사지게 형성되어, 반응물이 제1하우징(11)의 내부에서 회전 유동을 형성하면서 공급될 수 있게 한다.
한편, 제1하우징(11)은 제1반응물의 토출측에 확장된 수용부(15)를 구비하고, 수용부(15)는 제2플라즈마 반응부(2)의 일단에 연결된다. 즉 제2플라즈마 반응부(2)의 일단은 수용부(15)에 삽입되어 연결될 수 있다.
제2플라즈마 반응부(2)는 유전체로 형성되어 제1하우징(11)의 수용부(15)에 결합되는 제2하우징(21)과, 제2하우징(21)의 외주에 구비되고 제2전압(HV)이 인가되는 제21전극(E21)을 포함한다.
제2하우징(21)은 수용부(15)에 삽입되어 일측으로 유입되는 제1반응물에서 변화된 제2반응물을 토출한다. 제21전극(E21)에 제2전압(HV)이 인가됨에 따라, 제2하우징(21)이 결합되는 수용부(15)는 제1하우징(11)에 연결되어 제2플라즈마 반응부(2)에서 접지로 작용한다. 제21전극(E21)와 수용부(15)는 방전갭(G2)을 형성한다.
제21전극(E21)은 인가되는 제2전압(HV)과 수용부(15)의 접지 상태에서, 제2하우징(21) 내에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마(P2)를 발생시켜, 제1반응물을 제2반응물로 변환시킨다. 즉 제1반응물에서 전자 밀도 및 전자 에너지가 제어되면서 제2반응물이 된다.
즉 제1실시예의 플라즈마 반응기(100)는 제1플라즈마 반응부(1)의 회전 유동하는 플라즈마 아크 방전의 제1플라즈마(P1)로 반응물을 가열하여 고온의 제1반응물을 생성하고, 제2플라즈마 반응부(2)의 유전체 장벽방전의 제2플라즈마(P2)로 제1반응물을 제어하여 전자 밀도 및 전자 에너지가 제어되면서 제2반응물을 생성한다.
이 플라즈마 반응기(100)는 제1플라즈마 반응부(1)와 제2플라즈마 반응부(2)의 접지로 제1하우징(11)을 사용하므로 접지를 각각 별도로 구비하는 구조와 비교할 때, 전체적인 공간 활용성을 높일 수 있다.
한편, 플라즈마 반응기(100)는 제1플라즈마 반응부(1)에서 고온의 제1반응물을 형성하고, 제1반응물을 제2플라즈마 반응부(2)의 입구로 바로 공급하므로 제2플라즈마 반응부(2)의 입구에서 제1반응물의 온도를 고온 및 저밀도로 유지할 수 있다.
따라서 제2플라즈마 반응부(2)는 구동 초기의 상온에서 플라즈마가 발생되지 않는 조건에 비하여, 상대적으로 낮은 고전압(제2전압)(HV)으로도 유전체 장벽방전에 의하여 제2플라즈마(P2)를 발생시켜 제2반응물을 생성할 수 있다.
이와 같은 저전압 구동은 제2플라즈마 반응부(2)에서 소요되는 에너지를 감소시키고, 제2플라즈마(P2)의 생성에 필요한 전압을 낮추어 전원장치의 부담을 감소시킨다. 즉 전체적으로 플라즈마 반응기(100)의 소비전력이 저감될 수 있다.
또한 플라즈마 반응기(100)에서, 제1플라즈마 반응부(1)의 제1플라즈마(P1)에 의하여 다양한 화학종들, 즉 진동 여기종(vibrationally excited species), 이온(ions) 및 라디칼(radicals)이 발생된다.
이 화학종들은 대개 수 나노-초(nano-second) 내지 수 마이크로-초(micro-second) 동안 유지되는데, 플라즈마 반응기(100)는 제2플라즈마 반응부(2)의 제2플라즈마(P2)에 의하여, 제1반응물에 포함된 화학종들의 수명(lifetime)을 연장하므로 원하는 화학반응의 타임 스케일(time scale)에 맞추어 화학종들을 참여시킬 수 있다.
플라즈마 반응기(100)는 제1플라즈마 반응부(1)와 제2플라즈마 반응부(2)을 연결하여 사용하므로 제1반응물에서 변환되는 제2반응물의 전자 에너지와 밀도를 제어하여 원하는 반응에 최적화된 화학종의 제어를 가능하게 한다. 따라서 플라즈마 반응기(100)의 적용 분야가 넓어진다.
제1플라즈마 반응부(1)는 반응물의 온도에 큰 영향을 주는 열(thermal) 플라즈마(제1플라즈마(P1))의 일종이고, 제2플라즈마 반응부(2)는 반응물의 온도에 영향이 미미한 비열(non-thermal) 플라즈마(제2플라즈마(P2))의 일종이다. 이와 같은 플라즈마 반응기(100)는 두 종류의 제1, 제2플라즈마(P1, P2)를 발생 및 제어하므로 응용 분야에 적합한 다양한 열적 특성을 구현할 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예의 구성과 동일한 구성을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 제2실시예의 플라즈마 반응기(200)는 제1실시예의 제2플라즈마 반응부(2)에 비하여 제2플라즈마 반응부(202)에 제22전극(E22)를 더 구비한다. 제22전극(E22)은 제21전극(E21)과 설정된 간격, 즉 방전갭(G202)으로 이격되어 제2하우징(21)의 외주에 구비되어 접지된다.
제1플라즈마 반응부(1)에서 제1하우징(11)의 수용부(15)가 전기적으로 절연되어 제2플라즈마 반응부(202)의 제2하우징(21)에 접지로 작용하지 못할 수도 있다. 이 경우, 제22전극(E22)은 접지되고 제21전극(E21)에 제2전압(HV)이 인가되면, 제2하우징(21)의 유전체에 벽전하를 형성하여, 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마(P2)가 발생된다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기에서 제2플라즈마 반응부의 사시도이고, 도 5는 도 4의 Ⅴ-Ⅴ선을 따른 단면도이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 제3실시예의 플라즈마 반응기는 제2플라즈마 반응부(302)에서 유전체 장벽방전의 제2플라즈마(P302)로 제1반응물을 제2반응물로 변환하도록 구성된다.
제2플라즈마 반응부(302)는 제2하우징(32), 제2하우징(32)에 내장되고 서로 마주하는 제21전극(E321)과 제22전극(E322) 및 이들 사이에 구비되는 유전체(33)를 포함한다.
제2하우징(32)은 일측으로 유입되는 반응물을 제1반응물로 변환하여 토출하도록 구성된다. 예를 들면, 제2하우징(32)은 제21전극(E321)과 제22전극(E322)을 수용하기에 용이하도록 사각 관체로 형성되며, 제21전극(E321)과 제22전극(E322)과 전기적으로 절연된다.
제21전극(E321)과 제22전극(E322)은 제2하우징(32)에 내장되고 서로의 사이에 방전갭(G302)을 형성한다. 제21전극(E321)에는 제2전압(HV)이 인가되고, 제22전극(E322)은 접지된다. 이때, 유전체(33)는 벽전하를 형성하여 방전갭(G302)에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마(P302)가 발생된다.
도시된 바와 같이, 유전체(33)가 제22전극(E322)의 일면에 구비되면, 제21전극(E321)과 유전체(33) 사이에 방전갭(G302)이 형성되고, 이 방전갭(G302)으로 제1반응물이 유입되어 제2플라즈마(P302)에 의하여 제2반응물로 변환된다.
제3실시예의 플라즈마 반응기에서 제2플라즈마 반응부(302)는 평판형 유전체 장벽방전 반응기를 적용하고 있다. 제1플라즈마 반응부(미도시)는 도 1의 제1플라즈마 반응부(1)에서 수용부(15)를 제2하우징(32)의 사각 관체에 대응하도록 변형하여 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제4실시예의 플라즈마 반응기(400)는 제1플라즈마 반응부(401)에서 제1플라즈마(P401)의 아크 제트로 반응물을 제1반응물로 변환하고, 제2플라즈마 반응부(402)에서 유전체 장벽방전의 제2플라즈마(P402)로 제1반응물을 제2반응물로 변환하도록 구성된다.
제1플라즈마 반응부는(401)은 제1하우징(41), 제1하우징(41)에 내장되는 제11전극(E41) 및 제1하우징(41)의 토출 측에 구비되는 제12전극(E42)를 포함한다.
제1하우징(41)은 절연재로 형성되고, 일측으로 유입되는 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하도록 구성된다. 일례로써, 반응물은 제1하우징(41)의 일측에서 1차로 유입되는 1차 반응물과 토출 측에서 2차로 유입되는 2차 반응물을 포함한다.
제11전극(E41)은 제1하우징(41)에 내장되고 제11전극(E41)에 제1전압(V)이 인가된다. 제12전극(E42)은 제11전극(E41)과의 사이에 방전갭(G41)을 형성하며 접지되는 노즐을 형성한다.
따라서 제11전극(E41)과 제12전극(E42) 사이에서 1차 반응물에 의하여 아크(A)가 형성되고, 2차 반응물의 공급에 의하여 제12전극(E42)의 전방에서 제1플라즈마(P401)가 발생된다. 즉 제1플라즈마 반응부(401)에서 반응물이 제1반응물로 변환되어 아크 제트가 분출된다.
제2하우징(32)은 제1하우징(41)의 수용부(45)에 삽입되어 결합되고, 유입되는 제1반응물을 제2반응물로 변환하여 토출하도록 구성된다. 제21전극(E321)에 제2전압(HV)이 인가되고 제22전극(E322)이 접지되면, 제2하우징(32)에 벽전하를 형성하여, 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마(P402)가 발생된다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 제5실시예의 플라즈마 반응기(500)는 제1플라즈마 반응부(501)에서 마이크로 웨이브로 반응물을 제1반응물로 변환하고, 제2플라즈마 반응부(502)에서 유전체 장벽방전의 제2플라즈마(P502)로 제1반응물을 제2반응물로 변환하도록 구성된다.
제1플라즈마 반응부(501)는 노즐(53), 웨이브 가이드(54) 및 제1하우징(51)을 포함한다. 노즐(53)은 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하도록 구성된다. 웨이브 가이드(54)는 노즐(53)을 수용하고 노즐(53)의 일측에서 단락 회로(55)를 형성하며, 단락 회로(55)의 반대측에서 마이크로 웨이브를 인가하도록 구성된다.
제1하우징(51)은 웨이브 가이드(54)의 노즐(53) 토츨측에 연결되어 마이크로 웨이브에 의하여 발생되는 제1플라즈마(P501)로 반응물에서 가열된 제1반응물을 토출한다.
제2하우징(32)은 제1하우징(51)의 수용부(56)에 삽입되어 결합되고, 유입되는 제1반응물을 제2반응물로 변환하여 토출하도록 구성된다. 제21전극(E321)에 제2전압(HV)이 인가되고 제22전극(E322)이 접지되면, 제2하우징(32)에 벽전하를 형성하여, 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마(P402)가 발생된다.
즉 열(thermal) 플라즈마 반응부인 제1플라즈마 반응부에는 마이크로 웨이브, 아크 제트, 회전 유동 아크, 직류 토치를 포함하는 반응기가 사용될 수 있다. 비열(non-thermal) 플라즈마 반응부인 제2플라즈마 반응부에는 유전체 장벽방전과 펄스 코로나방전(PCD, Pulsed Corona Discharge) 반응기가 사용될 수 있다.
이상을 통해 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.
1, 401, 501: 제1플라즈마 반응부
2, 202, 302, 402, 502: 제2플라즈마 반응부
11, 41, 51: 제1하우징 12: 절연부재
13: 반응물 공급 챔버 14: 공급구
15, 41, 56: 수용부 21, 32: 제2하우징
33: 유전체 53: 노즐
54: 웨이브 가이드 55: 단락 회로
100, 200, 400, 500: 플라즈마 반응기
E11, E41: 제11전극 E21, E321: 제21전극
E22, E322: 제22전극 E42: 제12전극
G1, G2, G202, G302, G41: 방전갭 HV: 제2전압
P1, P401, 501: 제1플라즈마 P2, P302, P402, P502: 제2플라즈마
P401: 플라즈마 아크 제트 V: 제1전압

Claims (14)

  1. 제1전압으로 제1플라즈마를 발생시켜 반응물의 온도를 높여서 제1반응물을 생성하는 제1플라즈마 반응부; 및
    상기 제1플라즈마 반응부에 연결되고, 제2전압으로 제2플라즈마를 발생시켜 상기 제1반응물의 전자 밀도 및 전자 에너지를 제어하여 제2반응물을 생성하는 제2플라즈마 반응부
    를 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1플라즈마 반응부는
    800K 내지 5000K의 고온 조건을 형성하는 방전으로 반응물을 제1반응물로 변환하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  3. 제2항에 있어
    상기 제1플라즈마 반응부는
    회전아크 방전으로 제1플라즈마를 발생시키는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2플라즈마 반응부는
    300K 내지 1000K 이하의 저온 플라즈마를 이용하여 제1반응물을 제2반응물로 변환하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기
  5. 제4항에 있어
    상기 제2플라즈마 반응부는
    유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1플라즈마 반응부는,
    전기적으로 접지되고 회전 유동 반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하는 제1하우징, 및
    상기 제1하우징에 내장되고 상기 제1하우징의 내면과의 사이에 방전갭을 형성하여, 제1전압이 인가되면, 상기 방전갭에서 회전 유동 아크로 제1플라즈마를 발생시키는 제11전극
    을 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1하우징은,
    상기 제1반응물의 토출측에 확장된 수용부를 구비하고,
    상기 제2플라즈마 반응부의 일단은
    상기 수용부에 삽입되어 연결되는
    다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2플라즈마 반응부는,
    상기 수용부에 삽입되고, 일측으로 유입되는 제1반응물에서 변화된 제2반응물을 토출하도록 유전체로 형성되는 제2하우징, 및
    상기 제2하우징의 외주에 구비되고 제2전압이 인가되면, 상기 제2하우징 내에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 제21전극
    을 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2플라즈마 반응부는,
    상기 제21전극과 설정된 간격으로 이격되어 상기 제2하우징의 외주에 구비되어 접지되는 제22전극
    을 더 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2플라즈마 반응부는,
    제1반응물에서 변화된 제2반응물을 토출하는 제2하우징,
    상기 제2하우징에 내장되고 서로의 사이에 방전갭을 형성하는 제21전극과 제22전극, 및
    제2전압이 인가되는 상기 제21전극과 접지되는 상기 제22전극의 일측에 구비되어, 제2전압이 인가되면 벽전하를 형성하여 상기 방전갭에서 유전체 장벽방전으로 제2플라즈마를 발생시키는 유전체
    를 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1플라즈마 반응부는
    플라즈마 아크 제트로 반응물을 제1반응물로 변환하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1플라즈마 반응부는,
    반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하도록 절연재로 형성되는 제1하우징,
    상기 제1하우징에 내장되고 제1전압이 인가되는 제11전극, 및
    상기 제1하우징의 토출 측에 구비되고 접지되어 상기 제11전극과의 사이에 방전갭을 형성하며 노즐을 형성하는 제12전극
    을 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1플라즈마 반응부는,
    마이크로 웨이브로 반응물을 제1반응물로 변환하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1플라즈마 반응부는,
    반응물에서 변화된 제1반응물을 토출하는 노즐,
    상기 노즐을 수용하고 상기 노즐의 일측에서 단락 회로를 형성하고 다른 일측에서 마이크로 웨이브를 인가하는 웨이브 가이드, 및
    상기 웨이브 가이드의 상기 노즐 토츨측에 연결되어 상기 마이크로 웨이브에 의하여 발생되는 제1플라즈마로 가열된 제1반응물을 토출하는 제1하우징
    을 포함하는 다중 특성을 가지는 플라즈마 반응기.
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