KR20170112434A

KR20170112434A - 스파크 방전장치

Info

Publication number: KR20170112434A
Application number: KR1020160039471A
Authority: KR
Inventors: 황정호; 박대훈; 조윤행
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-12
Also published as: KR101843633B1

Abstract

개시된 본 발명에 의한 스파크 방전장치는, 나노 입자 발생을 위한 스파크를 발생시키는 방전부 및 방전부의 내부로 이온을 주입하는 이온 공급부를 포함한다. 이러한 구성에 의하면, 방전부의 전극 사이의 공간 전하를 유지시킴으로써 과전압 발생을 최소화시킬 수 있어, 나노 입자의 특성이 안정화된다.

Description

스파크 방전장치{SPARK DISCHARGE GENERATOR}

본 발명은 스파크 방전장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전극 사이의 이온 공급을 통해 나노 입자의 안정적인 발생을 도모할 수 있는 스파크 방전장치에 관한 것이다.

일반적으로 스파크 방전장치는 두 전극 사이에 일정 크기 이상의 전압을 걸어주면, 전기장이 발생되어 공기 중의 이온이나 전자의 이동에 의해 순간적으로 전도성 라인(Conductive Line)이 형성되면서 스파크가 발생된다. 이때, 국부적으로 전극 표면이 기화되고, 기화된 전극의 표면은 흘려준 가스를 타고 나와 응축 및 응집되어 금속 나노 에어로졸 입자가 발생되는 저온 플라즈마 현상이 야기된다.

한편, 스파크 방전장치에서 전극 사이의 전압을 측정해보면, 이론적으로 예측하기 어려운 과전압(Overvoltage)가 발생된다. 뿐만 아니라, 방전 전압이 방전될 때마다 각기 다른 과전압이 야기됨으로써, 발생되는 나노 입자의 특성 또한 매우 다양하게 나타난다. 그로 인해, 안정적인 나노 입자의 발생량 및 입자 크기 등과 같은 특성 확보가 어렵다.

이에 따라, 근래에는 스파크 방전장치의 나노 입자의 안정화를 도모를 도모할 수 있는 다양한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 추세이다.

국내등록특허 제10-1200062

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 과전압 발생을 최소화하여 안정적인 나노 입자를 발생시킬 수 있는 스파크 방전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 스파크 방전장치는, 나노 입자 발생을 위한 스파크를 발생시키는 방전부 및 상기 방전부의 내부로 이온을 공급하는 이온 공급부를 포함한다.

일측에 의하면, 상기 방전부는, 상기 스파크가 발생되는 내부 공간을 구비하는 챔버 본체, 상기 챔버 본체의 내부에 상호 마주하도록 설치되어, 상기 스파크를 발생시키기 위해 전압이 인가되는 한 쌍의 전극 및, 상기 챔버 본체의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다.

일측에 의하면, 상기 한 쌍의 전극은 니켈, 은 또는 백금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속으로 형성되며, 양전압 또는 음전압이 인가된다.

일측에 의하면, 상기 이온 공급부는 상기 공기 공급부를 통해 공급되는 공기로 상기 이온을 주입하여 상기 챔버 본체의 내부로 유입시킨다.

일측에 의하면, 상기 이온 공급부는, 카본 브러쉬(Carbon brush)를 포함하는 이온발생수단(Ionizer)를 포함한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 스파크 방전장치는, 한 쌍의 전극 사이에 스파크를 발생시켜 나노 입자를 발생시키는 방전부 및 이온을 발생시켜 상기 방전부의 내부로 공기와 함께 공급하는 이온 공급부를 포함한다.

일측에 의하면, 상기 방전부는, 상기 한 쌍의 전극이 상호 마주하도록 설치되는 공간을 구비하는 챔버 본체와, 상기 챔버 본체의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함한다.

일측에 의하면, 상기 한 쌍의 전극은 니켈, 은 또는 백금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속으로 형성되며 상호 이격된 간격이 조절 가능하다.

일측에 의하면, 상기 이온 공급부는 상기 공기 공급부를 통해 상기 챔버 본체로 공급되는 상기 공기에 상기 이온을 주입하여 상기 챔버 본체의 내부로 유입시킨다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 한 쌍의 전극 사이에 이온이 주입된 공기를 유입시킴으로써, 한 쌍의 전극 사이의 공간 전하를 유지시켜 과전압 발생을 억제할 수 있게 된다.

둘째, 과전압 발생이 억제됨으로써 금속 재질의 전극의 방전으로 인해 발생되는 나노 입자의 특성이 안정화되어, 정밀한 수준의 나노 입자 제어가 가능해진다.

셋째, 스파크 방전으로 인해 발생되는 나노 입자의 안정도가 증가됨으로써, 정밀함을 요하는 다양한 산업에 적용될 수 있게 되어 다양성 확보에 유리하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 스파크 방전장치를 개략적으로 도시한 구성도, 그리고,
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에 의한 스파크 방전장치에 의한 시간에 따른 전압발생을 개략적으로 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 스파크 방전장치(1)는 방전부(10) 및 이온 공급부(20)를 포함한다.

상기 방전부(10)는 스파크를 발생시키는 것으로서, 챔버 본체(11), 한 쌍의 전극(12) 및 공기 공급부(13)를 포함한다.

상기 챔버 본체(11)는 스파크가 발생되는 내부 공간(S)을 구비한다. 상기 챔버 본체(11)에는 내부와 외부를 상호 연통시키는 유입구(11a)와 배출구(11b)가 마련된다. 이러한 챔버 본체(11)는 폴리테트라 플루오로 에틸렌(PTFE, Polytetrafluoroethylene)과 같은 테프론 재질로 형성됨이 좋다.

상기 한 쌍의 전극(12)은 챔버 본체(11)의 내부에 상호 마주하도록 설치되어, 스파크를 발생시키기 위한 고전압이 인가된다. 상기 한 쌍의 전극(12)은 챔버 본체(11)의 내부 공간(S)에서 상호 마주하도록 설치된다.

한편, 상기 한 쌍의 전극(12)은 니켈(Ni), 은(Ag), 백금(Pt) 등과 같이, 살균 및 항균 특성을 가지는 금속, 카본류의 금속, 또는 이산화티탄 등과 같이 흡착 특성을 가지는 금속 재질로 형성되어, 나노 입자(P)를 형성한다. 본 실시예에서는 상기 한 쌍의 전극(12)이 은 재질로 형성되는 것으로 예시한다. 이러한 한 쌍의 전극(12)은 양전압 또는 음전압이 인가되며, 보다 구체적으로는 한 쌍의 전극(12)에 고전압이 인가되면 스파크 방전에 의해 금속이 증발 즉, 기화하여 입자화된다.

참고로, 상기 한 쌍의 전극(12) 사이의 간격이 작을수록 점화유구 전압이 낮아지며, 간격이 클수록 고전압이 요구된다. 즉, 상기 한 쌍의 전극(12) 사이의 간격이 좁으면 아크를 발생시키는 필요 전압이 감소되는 반면에, 짧은 스파크로 인한 점화 최소 에너지를 전달하여 실화를 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 의한 한 쌍의 전극(12) 사이의 간격은 실화가 발생되지 않으면서도 설정된 적정량의 고전압이 인가될 수 있는 간격으로써, 대략 300μm인 것으로 예시한다.

상기 공기 공급부(13)는 챔버 본체(11)의 내부로 공기(A)를 공급한다. 이러한 공기 공급부(13)는 챔버 본체(11)에 마련된 유입구(11a)와 연결되어, 챔버 본체(11)의 내부 공간(S)으로 공기(A)를 주입한다. 상기 공기 공급부(13)는 다양한 공기 공급수단 예컨대, 캐리어 에어 공급 시스템(carrier air supply system) 또는 MFM(Mass Flow Meter)과 같은 유량계에 의해 비활성 기체 또는 질소를 포함한 공기(A)를 한 쌍의 전극(12)이 설치된 챔버 본체(11)의 내부 공간(S)으로 유입시킨다.

상기 이온 공급부(20)는 방전부(10)의 내부로 이온(I)을 공급한다. 상기 이온 공급부(20)는 공기 공급부(13)를 통해 챔버 본체(11)의 내부로 공급되는 공기(A)에 이온(I)을 주입하여, 챔버 본체(11)의 내부의 공간(S)으로 이온(I)이 포함된 공기(A)를 공급시킨다. 이러한 이온 공급부(20)는 카본 브러쉬(Carbon brush)를 포함하는 이온발생수단(Ionizer) 중 어느 하나를 포함하여, 챔버 본체(11)의 내부로 이온(I)을 공급한다.

본 실시예에서는 상기 이온 공급부(20)가 이온발생수단인 이오나이져를 이용하여 한 쌍의 전극(12) 사이로 양이온 또는 음이온 중 어느 하나의 이온(I)을 공급하는 것으로 설명한다. 이러한 이온 공급부(20)는 한 쌍의 전극(12) 사이의 공간 전하(Space charge)를 유지시킴으로써, 예측하기 어려운 과전압(Over voltage)를 최소화시킨다.

이로 인해, 상기 이온 공급부(20)를 통해 공급되는 이온(I)으로 인해, 발생되는 나노 에어로졸 입자(이하, 나노입자로 지칭함)(P)의 특성이 안정화된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 스파크 방전장치(1)의 방전 동작을 도 1을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 상기 챔버 본체(11)의 유입구(11a)를 통해 공기 공급부(13)로부터 공급되는 공기(A)가 유입된다. 이때, 상기 공기 공급부(13)를 통해 공급되는 공기(A)에 이온 공급부(20)에 의해 발생된 이온(I)이 주입된다. 그로 인해, 상기 챔버 본체(11)의 내부 공간(S)으로 이온(I)이 주입된 공기(A)가 유입된다.

상기 챔버 본체(11)의 내부로 이온(I)이 주입된 공기(A)가 유입되면, 챔버 본체(11)의 내부 공간(S)에 서로 마주하도록 설치된 한 쌍의 전극(12)에 고전압이 인가되어 스파크 방전이 발생된다. 보다 구체적으로, 상기 한 쌍의 전극(12) 사이에 일정 이상의 고전압을 인가하되, 금속 재질로 형성된 한 쌍의 전극(12)에 양전압 또는 음전압이 걸리도록 인가하면, 전기장에 의해 공기(A)에 주입된 이온(I)이 이동하면서 순간적으로 전도성 라인이 형성되어 스파크가 발생된다.

이때, 상기 한 쌍의 전극(12)의 표면이 국부적으로 기화되어 흘려준 공기(A)를 타고 나와서 응축 및 응집됨으로써, 금속 나노 입자(P)가 발생되는 저온 플라즈마 현상이 발생된다. 이렇게 발생된 나노 입자(P)는 챔버 본체(11)의 배출구(11b)를 통해 공기(A)와 함께 배출된다.

한편, 상기 한 쌍의 전극(12) 사이에 이온(I)이 주입된 공기(A)가 공급됨으로써, 도 2의 (a)와 같은 이론적으로 예측이 불가능한 과전압이 측정되지 않는다. 즉, 상기 한 쌍의 전극(12) 사이에 이온(I)이 포함된 공기(A)가 유입됨으로써, 한 쌍의 전극(12) 사이의 공간 전하가 일정하게 유지된다. 그로 인해, 도 2의 양이온이 주입된 (b) 그래프 및 음이온이 주입된 (c) 그래프와 같이 과전압 발생이 억제되어 발생하는 나노 입자(P)의 발생량 및 크기와 같은 특성이 안정되어, 정밀한 수준의 나노 입자(P)의 제어가 가능해진다.

참고로, 상기 스파크 방전에 의해 발생된 나노 입자(P)는 자세히 도시되지 않았으나, 공기 청정기, 에어컨 및 청소기 등에 적용 가능한 공기 필터와 같이 은 나노 입자의 코팅이 필요한 대상체로 분사된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 스파크 방전장치
10: 방전부
11: 챔버 본체
12: 한 쌍의 전극
13: 공기 공급부
20: 이온 공급부

Claims

나노 입자 발생을 위한 스파크를 발생시키는 방전부; 및
상기 방전부의 내부로 이온을 공급하는 이온 공급부;
를 포함하는 스파크 방전장치.
제1항에 있어서,
상기 방전부는,
상기 스파크가 발생되는 내부 공간을 구비하는 챔버 본체;
상기 챔버 본체의 내부에 상호 마주하도록 설치되어, 상기 스파크를 발생시키기 위해 전압이 인가되는 한 쌍의 전극; 및
상기 챔버 본체의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부;
를 포함하는 스파크 방전장치.
제2항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극은 니켈, 은 또는 백금 중 적어도 어느 하나를 포함하는 금속으로 형성되며, 양전압 또는 음전압이 인가되는 스파크 방전장치.
제2항에 있어서,
상기 이온 공급부는 상기 공기 공급부를 통해 공급되는 공기로 상기 이온을 주입하여 상기 챔버 본체의 내부로 유입시키는 스파크 방전장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온 공급부는, 카본 브러쉬(Carbon brush)를 포함하는 이온발생수단(Ionizer)를 포함하는 스파크 방전장치.
한 쌍의 전극 사이에 스파크를 발생시켜 나노 입자를 발생시키는 방전부; 및
이온을 발생시켜 상기 방전부의 내부로 공기와 함께 공급하는 이온 공급부;
를 포함하는 스파크 방전장치.
제6항에 있어서,
상기 방전부는, 상기 한 쌍의 전극이 상호 마주하도록 설치되는 공간을 구비하는 챔버 본체와, 상기 챔버 본체의 내부로 공기를 공급하는 공기 공급부를 포함하는 스파크 방전장치.
제7항에 있어서,
상기 이온 공급부는 상기 공기 공급부를 통해 상기 챔버 본체로 공급되는 상기 공기에 상기 이온을 주입하여 상기 챔버 본체의 내부로 유입시키는 스파크 방전장치.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이온 공급부는, 카본 브러쉬(Carbon brush)를 포함하는 이온발생수단(Ionizer)를 포함하는 스파크 방전장치.