KR20180129490A

KR20180129490A - 고전압펄스전원과 플라즈마반응기, 이를 이용한 오염공기제거장치와 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20180129490A
Application number: KR1020170065623A
Authority: KR
Inventors: 홍창호
Original assignee: 홍창호; 주식회사네오테크아이앤씨
Priority date: 2017-05-26
Filing date: 2017-05-26
Publication date: 2018-12-05

Abstract

오염공기제거장치 및 그 제어 방법이 개시된다. 오염공기제거장치는 펄스전원을 발생하는 펄스전원부와, 펄스전원을 이용하여 형성된 고전계 조건에서 오염 공기를 제거하는 플라즈마 반응기와, 펄스전원부의 펄스전압과 펄스반복률을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

고전압펄스전원과 플라즈마반응기, 이를 이용한 오염공기제거장치와 그 제어 방법{High-voltage pulsed power, Plasma reactor, apparatus and method for removing contamination air}

본 발명은 휘발성유기화합물(VOCs, Volatile Organic Compounds)이나 각종 악취물질 등의 오염 공기를 제거하는 플라즈마반응기와 이를 이용한 오염공기제거장치 및 그 장치의 제어 방법에 관한 것이다.

VOCs나 각종 악취물질은 제거하기 위한 방법으로 고온 소각방법, 플라즈마 분해방법, 촉매분해방법, 광촉매산화방법 등이 존재한다. 이 중에서 플라즈마 분해방법은 플라즈마 발생을 위한 많은 전력을 소비할 뿐만 아니라, 오존 등과 같은 2차 유해 부산물을 발생시키는 문제점이 있다.

공개특허공보 제10-2013-0133603호 "광촉매가 충전된 유전체 장벽의 방전 플라즈마 반응기를 이용한 유해기체 처리장치" 등록특허공보 제10-1698958호 "플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 처리 방법"

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전력 소모를 최소화하며 오존 등과 같은 2차 유해 부산물의 발생을 최소화할 수 있는 플라즈마반응기와 이를 이용한 오염공기제거장치 및 그 제어 방법을 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 오염공기제거장치의 일 예는, 펄스전원을 발생하는 펄스전원부; 상기 펄스전원을 이용하여 형성된 고전계 조건에서 오염 공기를 제거하는 플라즈마 반응기; 및 상기 펄스전원부의 펄스전압과 펄스반복률을 제어하는 제어부;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 오염공기제거장치의 제어 방법의 일 예는, 플라즈마 반응기의 출력단에서 오존 농도를 측정하는 단계; 및 상기 오존 농도가 미리 지정된 설정값이 될 때까지 펄스전원의 펄스전압 또는 펄스반복률을 반복 조정하는 피드백 제어단계;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 펄스전압이나 펄스반복률 등을 제어하여 고전압 펄스로 구동되는 저온 플라즈마 반응기의 전력 소모를 최소화할 수 있다. 또한 플라즈마 반응기에서 출력되는 오존 농도를 대기환경 기준치 이하로 제어 관리할 수 있다. 또한 오염공기의 농도에 따라 플라즈마 반응기의 공기 배출속도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 오염공기의 처리량이나 설치 장소에 따라 플라즈마 반응기의 크기를 유연하게 설계 변형할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 오염공기제거장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 오존 농도를 이용하여 제어하는 방법의 일 예를 도시한 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 오존 농도를 이용하여 제어하는 구체적인 방법의 일 예를 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 송풍기를 이용하여 제어하는 방법의 일 예를 도시한 흐름도,
도 5는 오존 농도와 전압 사이의 관계의 일 예를 도시한 그래프,
도 6은 오존 농도와 주파수 사이의 관계의 일 예를 도시한 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 덕트에 구현한 일 예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 일 예를 도시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 다른 예를 도시한 도면,
도 10은 도 9의 플라즈마반응기의 분리 사시도를 도시한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예를 도시한 도면,
도 12는 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예를 도시한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예의 단면을 도시한 도면,
도 14는 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예를 도시한 도면, 그리고,
도 15는 본 발명에 따른 후처리부 구조의 일 예를 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 오염공기제거장치 및 그 제어 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 오염공기제거장치를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 오염공기제거장치(100)는 플라즈마반응기(110), 펄스전원부(120) 및 제어부(130)를 포함한다. 이 외에도 오염공기제거장치(100)는 실시 예에 따라 오존센서(140), 오존발생부(150), 전처리부(160) 및 후처리부(170)를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 오염공기제거장치(100)는 플라즈마반응기(110), 펄스전원부(120) 및 제어부(130)로 구성되거나, 플라즈마반응기(110), 펄스전원부(120), 제어부(130) 및 오존센서(140)로 구성되거나, 플라즈마반응기(110), 펄스전원부(120), 제어부(130), 오존센서(140) 및 후처리부(170)로 구성될 수 있는 등 실시 예에 따라 다양하게 설계 변형가능하다.

플라즈마반응기(110)는 상온의 고전계 분위기에서 오염 공기와 공기분자를 이온화하여 자유기(free radicals)를 형성하고, 고전계 분위기에서 이온화되지 않은 VOCs 또는 악취물질을 자유기와 화학반응하여 산화 또는 환원시켜 수증기와 이산화탄소 등으로 배출하여 제거한다. 플라즈마반응기(110)는 강력한 에너지를 갖는 자유전자가 직접 유해 가스를 분해하기도 하지만, 자유전자가 N₂,O₂,H₂O 분자와 충돌하여 발생한 O, N, OH 등 화학적으로 활성을 갖는 다량의 라디컬(radical)을 상온 상압에서 발생시켜 처리 대상물질을 분리하거나 산화시켜 최종적으로 무해한 가스나 입자로 전환시킬 수 있다. 즉 플라즈마 방전에 의해 에너지를 받은 전자는 해리(dissociation), 이온화(ionization), 여기(excitation) 반응을 통하여 N₂,O₂,H₂O 등을 활성화시켜 라디컬과 오존을 형성시킨다. 이와 같은 방전 플라즈마로부터 생성된 활성 라디컬과 오존에 의해 NH₃, H₂S 또는 CH₃SH 등의 악취물질이 분해된다.

본 실시 예의 플라즈마반응기(110)는 소비전력을 최소화할 수 있으며, 오염 공기의 처리량이나 설치 장소에 따라 그 크기를 유연하게 변형 설계할 수 있다. 이를 위한 플라즈마반응기의 구조는 도 8 내지 도 14에서 다시 설명한다.

펄스전원부(120)는 플라즈마반응기(110)에 고전압의 펄스전원을 공급한다. 일반 DC 전원을 플라즈마반응기(110)의 전원으로 사용하는 경우에, 과수분의 오염 물질로 인해 플라즈마반응기(110) 내 쇼트 현상 등이 발생하여 플라즈마반응기(110)의 성능을 저해할 수 있으며 심한 경우 플라즈마반응기(110)가 파손될 수 있다. 따라서 본 실시예는 일반 DC 전원이 아닌 고전압의 펄스전원을 이용한다.

플라즈마반응기(110)에 제공되는 펄스전원의 전압이나 펄스반복률에 따라 플라즈마반응기(110)에서 생성되는 오존 농도가 달라진다. 펄스전원과 오존 발생량 사이의 관계는 도 5 및 도 6에 도시되어 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 오존은 펄스전원의 전압과 주파수의 증가함에 어느 정도 증가하다가 일정 지점 이후에는 전압이나 주파수가 증가할 경우 오히려 감소한다. 따라서 펄스전원부(120)는 오존 발생량을 최적으로 발생할 수 있도록 일정 범위의 전압과 일정 범위로 펄스반복률로 동작할 수 있다. 예를 들어, 펄스전원부(120)는 0~40kV의 전압, 0~150A의 전류, 1~3khz의 펄스반복률(단위시간당 펄스 횟수, PRR), 1~3ms의 펄스폭의 펄스전원을 플라즈마반응기에 공급할 수 있다. 다른 예로, 펄스전원부(120)는 100ns 이하의 상승시간(rising time)과 5μs이하의 하강시간(falling time)의 펄스를 생성할 수 있다. 이외에, 펄스전원부(120)는 다양한 형태의 펄스전원을 생성할 수 있다.

제어부(130)는 플라즈마반응기(110) 내 오염 공기의 제거율을 높이고 플라즈마반응기(110)의 소비전력을 줄이기 위하여 펄스전원부(120)의 펄스전압이나 펄스반복률 등을 제어한다. 플라즈마반응기(110) 내 오존 농도가 높을 경우 오염 공기의 제거율이 높아질 수 있으나, 이를 위해 펄스전원부(120)는 높은 전압과 높은 펄스반복를의 펄스전압을 플라즈마반응기(110)에 제공하여야 하므로 소비전력이 많아진다. 또한 플라즈마반응기(110)에서 많은 양의 오존이 발생한 경우에 오존이 모두 제거되지 않고 그대로 배출될 문제점도 있다.

제어부(130)는 플라즈마반응기(110)에 공급되는 펄스전원부(120)의 펄스전압 또는 펄스반복률 등을 제어하여 오염 공기가 농도가 높은 경우에는 펄스전압이나 펄스반복률을 높이고, 오염 공기의 농도가 낮은 경우에는 펄스전압이나 펄스반복률을 낮추어 전력소모를 최적화할 뿐만 아니라 오존과 같은 2차 유해물질의 발생을 최소화할 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 오존 농도를 기초로 펄스전원부(120)를 피드백 제어할 수 있다. 제어부(130)의 피드백 제어 방법에 대해서는 도 2 및 도 3에서 보다 더 상세히 살펴본다.

오존센서(140)는 플라즈마반응기(110)의 출력단에 위치하여 플라즈마반응기(110)로부터 출력되는 공기 내 포함된 오존 농도를 측정한다. 실시 예에 따라 오존센서(140)는 생략될 수도 있다. 오존센서(140)를 통해 파악된 오존 농도를 기초로 펄스전원부(120)를 피드백제어하는 방법은 도 2 및 도 3에서 도시되어 있다.

오존발생부(150)는 플라즈마반응기(110)의 오염 공기 제거율을 높이기 위하여 오존을 생성하여 플라즈마반응기(110)에 공급한다. 플라즈마반응기(110)는 오존발생부(150)로부터 공급받는 오존만큼 오존을 덜 발생해도 되므로 낮은 펄스전압이나 펄스반복률로 동작할 수 있고 이에 따라 소비전력도 낮아지는 장점이 있다.

다른 실시 예로, 오존발생부(150)는 오존과 함께 미스트(mist)를 플라즈마반응기(110)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 오존발생부(150)는 물을 초음파발생기를 통해 수십마이크로의 작은 안개형 물방물 형태로 만든 미스트를 플라즈마반응기(110)로 분무할 수 있다.

전처리부(160) 및 후처리부(170)는 실시 예에 따라 추가되거나 생략될 수 있다.

전처리부(160)는 플라즈마반응기(110)의 전단에 위치하여 플라즈마반응기(110)로 흡입되는 오염 공기 내 포함된 수분, 유분 또는 먼지 등을 제거한다. 전처리부(160)는 수분, 유분 또는 먼저 등을 제거하기 위한 유분 집진기나 다양한 종류의 필터로 구성될 수 있다. 자동차 도장 공장과 같이 분진상태의 오염 공기가 많이 발생하는 공간에 오염공기처리장치가 설치된 경우, 전처리부(160)는 도 7과 같이 집진기(710)와 프리필터(720)를 동시에 포함할 수 있다.

후처리부(170)는 플라즈마반응기(110) 후단에 위치하여 플라즈마반응기(110)에서 제거되지 않은 오염 물질과 오존 등을 제거한다. 후처리부(170)는 지올라이트 흡착제, MnO₂, CuO, 활성탄 등을 사용할 수 있다. 이 중에서 MnO₂는 오존을 효율적으로 제거한다. 이외 후처리부(170)는 다양한 형태로 변형 설계 가능하며, 그 일 예가 도 15에 도시되어 있다.

도 2는 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 오존 농도를 이용하여 제어하는 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 함께 참조하면, 오염공기제거장치의 제어부(130)는 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존 농도를 파악한다(S200). 예를 들어, 도 1과 같이 플라즈마반응기(110) 출력단에 위치한 오존센서(140)를 이용하여 오존농도를 측정할 수 있다.

제어부(130)는 오존농도가 기 설정된 설정값(예를 들어, 0.05ppm)에 해당하는지 파악한다(S210). 플라즈마반응기(110) 내에서 오염 공기를 제거하는데 사용되고 남은 오존은 플라즈마반응기(110)로부터 배출된다. 플라즈마반응기(110)에서 동일한 양의 오존이 생성되는 경우에도 오염 공기의 양에 따라 플라즈마반응기(110)로부터 출력되는 오존농도가 상이할 수 있다.

만약 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값과 다르면, 제어부(130)는 플라즈마반응기(110)에 공급되는 펄스전압이나 펄스반복률을 변경한 후 다시 오존농도를 측정하고, 측정된 오존농도가 설정값이 될 때까지 다시 펄스전압이나 펄스반복률을 변경하는 피드백 제어을 수행한다(S220). 도 5 및 도 6에 도시한 바와 같아. 플라즈마반응기(110) 내 오존농도는 펄스전압 또는 펄스반복률과 일정한 관계를 가지므로, 펄스전압이나 펄스반복률의 변경을 통해 플라즈마반응기(110) 내 생성되는 오존농도를 제어할 수 있다.

본 실시 예의 피드백 제어를 통해 플라즈마반응기(110)에서 배출되는 오존농도를 환경기준치 이하로 일정하게 조정할 수 있으므로 후처리부(170)의 흡착제나 촉매제 없이 오염공기제거장치를 구현할 수 있다. 또한, 오염 가스의 양에 따라 플라즈마반응기(110)에 공급되는 펄스전압이나 펄스반복률을 제어하므로 플라즈마반응기(110)의 소비전력을 최소화할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 오존 농도를 이용하여 제어하는 구체적인 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값보다 작으면, 제어부(130)는 펄스전압을 이용한 1차 피드백 제어를 수행하며 1차 피드백 제어를 통해서도 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값보다 작으면 펄스반복률을 이용한 2차 피드백 제어를 수행한다.

예를 들어, 펄스전원부가 0~40kV의 펄스전압과 0~3000의 펄스반복률(PPR)의 출력이 가능하며 현재 30kV, 1500PRR을 플라즈마반응기에 공급하고 있다고 하면, 제어부(130)는 펄스전압을 현 30kV에서 상승시키면서 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값에 도달하는지 파악한다. 펄스전압을 40kV까지 상승시켰는데도 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값에 도달하지 못하면, 제어부(130)는 펄스전압을 40kV로 유지하고 펄스반복률을 현 1500PRR에서 상승시켜 오존농도가 설정값에 도달하도록 피드백 제어한다.

플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값보다 크면, 제어부(130)는 앞서 살핀 방법과 반대로 펄스반복률을 이용한 1차 피드백 제어를 수행하며 1차 피드백 제어를 통해서도 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값보다 작으면 펄스전압을 이용한 2차 피드백 제어를 수행한다.

예를 들어, 펄스전원부(120)가 앞서 든 예와 같이 0~40kV의 펄스전압과 0~3000의 펄스반복률(PRR)의 출력이 가능하며 현재 30kV, 1500PRR을 플라즈마반응기(110)에 공급하고 있다고 하면, 제어부(130)는 펄스전압을 현 1500PRR에서 낮춰가면서 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값에 도달하는지 파악한다. 펄스반복률을 최저동작값(예를 들어, 500PRR)까지 낮추었는데도 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존농도가 설정값에 도달하지 못하면, 제어부(130)는 펄스반복률을 최저동작값으로 유지하고 펄스전압을 현 30kV에서 낮추어 가면서 오존농도가 설정값에 도달하도록 피드백 제어한다.

도 4는 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 송풍기를 이용하여 제어하는 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.

본 실시 예는 플라즈마반응기(110)의 흡입구 또는 배출구 등과 같이 오염 공기가 통과하는 통로 상에 위치한 송풍기를 제어하는 방법이다. 송풍기는 임펠라 또는 프로펠라 모양 등으로 구현될 수 있으며, 송풍기의 회전속도에 따라 플라즈마반응기(110) 내 오염공기의 흐름 속도를 제어할 수 있을 뿐만 아니라 송풍기를 통해 오염공기가 플라즈마반응기 내에서 잘 분산되도록 할 수 있다.

도 4를 참조하면, 오염공기제거장치는 센서를 통해 오염공기나 오존의 농도를 측정한다(S400). 예를 들어, 앞서 살핀 바와 같이 오염공기제거장치는 플라즈마반응기(110) 출력단에 위치한 오존센서(140)를 통해 오존농도를 측정할 수 있다. 이 외에도, 플라즈마반응기(110) 내 센서를 설치하여 플라즈마반응기(110) 내 오존농도를 측정하거나 기타 오염 물질의 농도 등을 측정할 수도 있다.

오염공기제거장치의 제어부(130)는 오염공기나 오존의 농도에 따라 송풍기의 풍속을 제어한다(S410). 예를 들어, 오염 공기의 농도가 높다면, 제어부(130)는 송풍기의 풍속을 낮추어 오염 공기가 플라즈마반응기(110) 내에서 오래 머무르도록 하여 제거율을 높일 수 있다. 또 다른 예로, 오염 공기의 농도가 낮다면, 제어부(130)는 송풍기의 풍속을 높여 오염 공기가 플라즈마반응기(110)를 빠르게 통과하도록 하여 동일 시간 내 더 많은 오염 공기를 처리하도록 할 수 있다.

다른 예로, 본 실시 예의 송풍기의 제어와 도 2 및 도 3에서 살핀 오존 농도를 이용한 펄스전원부(120)의 제어를 동시에 수행할 수 있다. 제어부(130)는 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존 농도가 기 설정값보다 작으면 펄스전원부(120)의 펄스전압이나 펄스반복률을 높이며 또한 송풍기의 풍속도 높이고, 반대로 플라즈마반응기(110) 출력단의 오존 농도가 기 설정값보다 크면 펄스전원부(120)의 펄스전압이나 펄스반복률을 낮추며 송풍기의 풍속도 함께 줄일 수 있다.

도 5는 오존 농도와 전압 사이의 관계의 일 예를 도시한 그래프이다.

도 5를 참조하면, 그래프는 주파수가 7000Hz이고 공기를 1m³/min으로 공급하는 상태에서, 전압을 5kV에서 8kV까지 단계적으로 변화시킬 때 오존 농도와 소비 전력을 보여준다. 그래프를 살펴보면, 오존은 전압이 상승함에 따라 증가하여 7kV에서 35.12ppm으로 최대값을 보이고 그 이상의 전압에서는 오히려 감소함을 알 수 있다.

도 6은 오존 농도와 주파수 사이의 관계의 일 예를 도시한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 그래프는 전압이 7kV이고 공기를 1m³/min으로 공급하는 상태에서, 주파수는 6,000~12,000Hz로 단게적으로 변화시킬 때 오존 농도와 소비전력을 보여준다. 그래프를 살펴보면, 오존은 주파수가 증가함에 따라 함께 증가하여 주파수 9,000Hz에서 최대가 되며 그 이상의 주파수에서는 오히려 감소함을 알 수 있다.

도 5 및 도 6을 살펴볼 때, 오존 농도는 전압이나 주파수와 항상 비례관계에 있는 것이 아니라, 일정 범위에서만 비례관계가 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 오염공기제거장치는 플라즈마반응기 내 오존 농도를 제어하기 위하여 펄스전압이나 펄스반복률을 이용하되, 일정범위 내의 펄스전압과 펄스반복률을 이용하여 소비전력을 최적화할 수 있다.

이상에서 살핀 도 5 및 도 6의 그래프는 플라즈마반응기 내 오존 농도가 펄스전압이나 펄스반복률에 의해 변경될 수 있음을 보여주는 하나의 예일 뿐 본 발명에 따른 플라즈마반응기가 도 5의 그래프에 따라 오존을 발생하는 것은 아니다.

도 7은 본 발명에 따른 오염공기제거장치를 덕트에 구현한 일 예를 도시한 도면이다.

도 7을 참조하면, 공장 등의 덕트 내에 오염공기제거장치가 설치된다. 예를 들어, 도 7의 예는 자동차 분체 도장의 산업현장과 같이 분체도장 이후 많은 양의 미립자 형태의 VOCs 와 복합 악취가 생성되는 현장에 설치될 수 있다.

집진기(710)는 내부 돌기형 사이클론 집진기로 구현될 수 있으며, 분진상태의 오염 물질을 빨아들여 미립자의 악취물질을 작은 덩어리 형태로 응집시켜 배출하여 제거한다.

프리필터(710)는 집진기(700)에 의해 1차 오염 제거된 공기에 포함된 잔류 미세분진을 제거한다. 프리필터(720)를 통해 미세분진을 제거하므로, 플라즈마반응기(740)) 내부의 전극이나 전극봉 등에 미세분진이 달라붙어 효율을 저해하는 문제를 해결할 뿐만 아니라 전극이나 전극봉 등의 교체주기를 길게 할 수 있다.

프리필터(710) 후단에 오존발생기에서 생성된 오존 가스(실시 예에 따라 미스트를 더 포함)를 주입할 수 있는 주입구(730)를 포함할 수 있다. 주입된 오존 가스나 미스트를 이용하여 오염 공기의 제거율을 높일 수 있다.

플라즈마반응기(740) 출력단에 오존 센서(750)가 위치하고, 제어부(750)는 오존 센서가 측정한 오존 농도를 이용하여 플라즈마반응기(740)에 전력을 공급하는 펄스전원부(760)를 제어할 수 있다. 제어부(760)는 도 2 또는 도 3에서 설명한 방제어법을 사용할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 일 예를 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 플라즈마반응기(800)는 원기둥(810)과 와이어 전극(815)으로 구성될 수 있다. 와이어 전극(815)은 원기둥(810) 내부에서 원기둥(810)과 이격되어 위치하며, 펄스전원부로부터 펄스전원을 인가받는다. 원기둥(810)은 도체이며 접지되어 있다. 따라서 와이어 전극(815)에 펄스전원이 인가되면 와이어 전극(815)과 원기둥(820) 사이에 고전계 분위기가 형성되어 오염 공기가 이온화되고 오존이 발생되며 자유기가 형성된다.

원기둥(810)의 양단에 와이어 전극을 고정하기 위한 부도체의 캡(830)이 존재한다. 예를 들어, 캡(830)은 화학적 비활성 및 내열성 등이 우수한 테프론 재질로 형성될 수 있다.

플라즈마반응기(800) 내 오염 공기가 오래 머무르면 오염 공기 내 VOCs나 악취물질의 제거율이 높아진다. 원기둥(810)의 길이나 지름을 작게 하여 오염공기제거장치를 소형화할 수 있다. 그러나 원기둥(810)의 길이를 짧게 할 경우 오염 공기가 원기둥(810) 내에 머무르는 시간이 작아 오염 공기의 제거율이 낮아 질수 있다.

오염 공기의 체류 시간을 높여 플라즈마 반응을 통해 생성된 자유전자, 활성전자, 라디칼과 오염 공기의 반응을 높이기 위하여 플라즈마반응기(800) 내 부도체의 나선형 구조물(820)을 포함할 수 있다. 원기둥(810)의 한쪽 끝으로 유입된 오염 공기는 나선형 구조물(820)을 따라 나선형으로 이동하여 플라즈마반응기의 다른 끝으로 배출된다.

오염 공기가 플라즈마반응기(800)에 내에서 이동하는 거리는 나선형 구조물(820)이 있는 경우가 없는 경우보다 길다. 나선형 구조물(820)의 나선의 개수가 많아질수록 오염 공기의 플라즈마반응기(800) 내 체류 시간이 증가할 수 있다. 오염 공기의 이동 속도가 동일(즉, 오염 공기의 처리 속도가 동일)한 경우에, 오염 공기는 나선형 구조물이 없는 경우보다 나선형 구조물이 있는 경우에 플라즈마반응기(800) 내에서 더 오래 머물기 때문에 더 잘 제거될 수 있다. 즉, 동일한 양의 오염 공기를 처리하되 제거율을 높인 소형화된 플라즈마반응기를 구현할 수 있다.

이 외에 원기둥(810)의 입력단 또는 출력단에 송풍기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 송풍기를 이용하여 플라즈마반응기를 통과하는 오염 공기의 속도를 제어하여 오염 공기의 체류 시간(예를 들어, 0.25~1초)을 제어할 수 있다.

본 실시 예는 나선형 구조물(820)을 포함한 플라즈마반응기를 도시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 실시 예에 따라 나선형 구조물(820)을 생략한 원기둥 형태의 플라즈마반응기가 사용될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 다른 예를 도시한 도면이고, 도 10은 도 9의 플라즈마반응기의 분리 사시도를 도시한 도면이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 플라즈마반응기(900)는 펄스전원을 인가받는 와이어 전극을 내부에 포함하는 복수 개의 원기둥(920), 복수 개의 원기둥(920)과 연결되는 제1 몸체(910) 및 제2 몸체(930)를 포함한다. 이 외에 플라즈마반응기(900)는 오염공기가 흡입되는 유입관(940), 복수 개의 원기둥(920)을 통해 오염 제거된 공기를 배출하는 배출관(960), 펄스전원을 공급받는 전극가이드(950) 등을 더 포함할 수 있다.

복수 개의 원기둥(920) 각각은 도 8에서 설명한 구조로 구현될 수 있다. 원기둥(920)의 개수는 오염 공기의 처리량에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 오염공기가 많이 발생하는 공장 등에 설치할 경우에는 원기둥(920)의 개수를 많이 늘리고, 가정이나 사무실 등과 같이 오염공기가 적게 발생하는 공간에는 원기둥(920)의 개수를 1~2개 등으로 하여 오염공기제거장치를 소형화할 수 있다. 원기둥(920)의 개수가 많을 경우, 펄스전원부를 복수 개 구비할 수 있다.

복수 개의 원기둥(920)은 제1 몸체(910) 및 제2 몸체(920) 사이에 연결 고정되며, 제1 몸체(910) 내부에는 각 원기둥(920)의 와이어 전극에 전원을 공급하는 전극부스바(980)와 전극부스바(980)를 지지하는 애자(990)(테프론 재질로 구현될 수 있음), 뚜껑(970)을 포함한다. 또한 제1 몸체(910)의 측면에 오존이나 미스트 등을 공급하기 위한 주입구(995)를 더 포함할 수 있다.

도 11은 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예를 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 플라즈마반응기(1100)는 펄스전원을 인가받는 와이어 전극을 내부에 포함하는 복수 개의 원기둥(1110,1112,1114), 복수 개의 원기둥(1110,1112,1114)을 지그재그로 연결하는 연결관(1120,1122)을 포함한다.

복수 개의 원기둥(1110,1112,1114) 각각의 구조는 도 8에서 설명한 구조와 동일할 수 있다. 플라즈마반응기(1100)는 지그재그로 연결된 복수개의 원기둥(1110,1112,1114)을 포함하므로 오염 공기의 처리량을 높일 수 있으며, 원기둥(1110,1112,1114)의 직경을 작게 하여 좁은 공간에 효율적으로 설치가 가능하다.

본 실시 예는 도 8의 원기둥 형태를 지그재그로 배치한 것을 도시하고 있으나, 이 외에 원기둥을 설치 장소에 따라 다양한 구조(예를 들어, 'ㄴ'자 형태나 'ㄹ'자 형태 등)로 배열할 수 있다.

여러 개의 원기둥(1110,1112,1114)을 연결할 경우에, 오염 공기가 플라즈마반응기 내 체류하는 시간이 길어지므로, 오염 공기의 이동 속도를 높여 처리량을 높일 수 있다. 예를 들어, 플라즈마반응기(1100) 내 오염 공기의 체류시간을 동일하게 유지할 때, 두 개의 원기둥이 있을 때의 오염 공기 이동 속도는 한 개의 원기둥이 있을 때의 이동 속도 대비 두 배가 될 수 있다. 즉 원기둥의 개수가 많아질수록 오염 제거율을 동일하게 유지하게 유지하면서 오염 공기의 이동속도를 높여 처리율을 높일 수 있다.

본 실시 예의 플라즈마반응기(1100)는 내 고전계 분위기에서 자유기와 활성전자, 원자를 형성하여 불소를 제거할 수 있다. 반도체 공정에서 많이 사용되는 불소는 강한 산화력을 가지므로 폐불소를 소각이나 산화 약품과 중화하여 처리하는데 많은 비용이 소요된다. 본 실시 예의 지그재그형의 저온 플라즈마반응기(1100)는 복수 개의 원기둥을 통해 복수 단계의 고전계 분위기가 형성되므로, 불소가 복수 계의 원기둥의 각 고전계 분위기를 거치면서 해리, 이온화, 여기 반응을 통해 산화되어 무해한 가스나 입자로 전환될 수 있다.

반도체 CVD 공전단계에서 웨이퍼나 패널 챔버 내외부에 증착되는 부산물과 불순물을 제거하기 위해 사용되는 불소계열의 가스(NF3, C3F8 등) 또한 본 실시 예의 플라즈마반응기(1100)를 이용하여 제거 가능하다.

본 실시 예의 지그재그형 플라즈마반응기(1100)에서 잔류 오존을 제거하기 위하여 그라이딩 아크방식의 플라즈마반응기를 후단에 추가 설치할 수 있다. 이외 지그재그형 플라즈마반응기의 앞단과 후단에 각각 다양한 종류의 필터(1130,1140)를 연결할 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예를 도시한 도면이다.

도 12를 참조하면, 플라즈마반응기(1200)는 도 11의 지그재그형태(1210,1212,1214,1216)를 묶어 구현할 수 있다. 플라즈마반응기(1200)는 복수 개의 지그재그 구조물(1210,1212,1214,1216)을 연결하기 위하여 도 9의 제1 몸체(910) 및 제2 몸체(930)와 같은 구조물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9의 복수 개의 원기둥 구조물(920)이 본 실시 예의 복수 개의 지즈재그형태의 구조물(1210,1212,1214,1216)로 대체될 수 있다.

도 13은 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예의 단면을 도시한 도면이다.

도 13을 참조하면, 플라즈마반응기(1300)는 지름이 서로 다른 여러 개의 원기둥(1310,1312,1314,1316)을 포함한다. 본 실시 예는 4겹의 원기둥(1310,1312,1314,1316)을 도시하고 있으나 원기둥의 개수는 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다. 각 원기둥(1310,1312,1314,1316)은 SUS34 재질 또는 스틸 재질로 구현될 수 있다. 원기둥(1310,1312,1314,1316)을 여러 겹 배치한 구조를 통해 대용량 및 대풍량의 오염공기제거장치를 구현할 수 있다.

각 원기둥(1310,1312,1314,1316)은 펄스전원과 접지에 교차하여 연결된다. 예를 들어, 제1 원기둥(1310)과 제3 원기둥(1314)은 펄스전원과 연결되고, 제2 원기둥(1312)과 제4원기둥(1316)은 접지에 연결된다. 플라즈마반응기(1300)는 펄스전원과 원기둥을 연결하기 위한 전극연결부(1320)를 더 포함할 수 있다.

고정부(1330,1332)는 복수의 원기둥(1310,1312,1314,1316)을 일정 거리 이격시켜 고정한다. 고정부(1330,1332)는 부도체이며 테프론 재질로 형성될 수 있다.

이외, 플라즈마반응기(1300)는 복수의 원기둥의 입력단에 확산판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 확산판은 임펠러 구조로 구현되어 복수의 원기둥(1310,1312,1314,1316) 사이로 오염 공기가 잘 확산될 수 있도록 한다.

도 14는 본 발명에 따른 플라즈마반응기 구조의 또 다른 예를 도시한 도면이다.

도 14를 참조하면, 플라즈마반응기(1400)는 구멍이 뚫린 복수 개의 타공판(1420,1422,1424)과, 복수 개의 전극판(1410,1412)을 포함한다.

복수 개의 타공판(1420,1422,1424)은 병렬 배열되고, 전극판(1410,1412)은 타공판(1420,1422,1424) 사이에 위치한다. 전극판(1410,1412)은 양쪽 지지대 사이에 복수 개의 봉으로 연결된 구조이며, 펄스전원을 인가받는다. 타공판(1420,1422,1424)은 접지에 연결된다.

앞서 살핀 도 8 내지 도 13의 플라즈마반응기는 어느 한 방향으로만 공기가 흐를 수 있는 반면, 본 실시 예의 플라즈마반응기(1400)는 타공판(1420,1422,1424)에 구멍이 뚫려 있어 공기가 상하좌우 어느 방향으로든 흐를 수 있다.

따라서 오염 공기의 흡입을 어느 한쪽에서 하는 것이 아니라 배출방향을 제외한 나머지 방향 모두에서 오염 공기를 흡입하도록 오염공기제거장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 사각형의 6개의 측면 중 상측면에 후처리부의 필터를 배치하고, 나머지 5개의 측면에는 전처리부의 필터를 설치하여 다양한 방향에서 오염 공기를 흡입하여 처리하도록 구현할 수 있다.

본 실시 예의 플라즈마반응기를 이용하여 소형 공기청전기를 구현할 수 있다. 예를 들어, 소형 공기청전기는 전처리부, 플라즈마반응기 및 후처리부로 구성될 수 있다. 전처리부의 소형 전기집진기로 악취 및 유해가스에 포함된 미세먼지나 분진형태의 악취를 제거하여 본 실시 예의 플라즈마반응기로 공급할 수 있다. 플라즈마반응기는 플라즈마 방전에서 생성된 강력한 산화력이 있는 오존과 라디칼로 탈취 및 살균작용을 수행한다. 플라즈마반응기의 출력단에 위치한 지올라이트촉매와 활성탄으로 구성된 후처리부를 통해 미처리된 오염 물질과 오존 등을 제거한다.

도 15는 본 발명에 따른 후처리부 구조의 일 예를 도시한 도면이다.

도 15를 참조하면, 후처리부(1500)는 플라즈마반응기로부터 배출된 공기를 입력받는 흡입부(1510), 플라즈마반응기에서 미처리된 복합 악취나 오존 등을 제거하는 활성탄층(1520)과 지오라이트층(1530), 오염 제거된 공기를 배출하는 배출부(1540)를 포함한다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

펄스전원을 발생하는 펄스전원부;
상기 펄스전원을 이용하여 형성된 고전계 조건에서 오염 공기를 제거하는 플라즈마 반응기; 및
상기 펄스전원부의 펄스전압과 펄스반복률을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기의 출력단에서 오존 농도를 측정하는 오존센서;를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 오존센서에 의해 측정된 오존 농도가 기 설정된 값이 되도록 상기 펄스전원 또는 상기 펄스반복률의 크기를 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기는 흡입구 또는 흡출구에 위치한 송풍기;를 포함하고,
상기 제어부는 상기 플라즈마 반응기의 출력단의 오존 농도 또는 상기 플라즈마 반응기 내 오염 공기의 농도를 기초로 상기 송풍기의 풍속을 제어하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기 안으로 오존을 투입하는 오존발생부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는,
접지된 도체의 원기둥; 및
상기 원기둥의 내부에 위치하고 상기 펄스전원을 인가받는 와이어 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 5항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는,
상기 원기둥 내에 위치한 부도체의 나선형 구조물;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는,
오염 공기를 입력받는 제1몸체;
오염 제거된 공기를 출력하는 제2몸체; 및
상기 제1몸체와 상기 제2몸체 사이에 위치하고, 상기 펄스전원을 인가받는 와이어 전극을 내부에 포함하는 복수 개의 원기둥;을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는,
상기 펄스전원을 인가받는 와이어 전극을 내부에 포함하는 복수 개의 원기둥; 및
병렬 배열된 상기 복수 개의 원기둥을 지그재그로 연결하는 연결배관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서,
상기 플라즈마 반응기는, 중첩되어 배치된 지름이 서로 다른 복수 개의 원기둥;을 포함하고,
상기 복수 개의 원기둥은 펄스전원 또는 접지에 교차 연결되는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 반응기는,
병렬 배열되고 복수 개의 구멍을 포함하며 접지에 연결되는 복수 개의 타공판;
상기 타공판 사이에 위치하며 상기 펄스전원을 인가받는 전극판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치.
플라즈마 반응기의 출력단에서 오존 농도를 측정하는 단계; 및
상기 오존 농도가 미리 지정된 설정값이 될 때까지 펄스전원의 펄스전압 또는 펄스반복률을 반복 조정하는 피드백 제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치의 제어 방법.
제 11항에 있어서, 상기 피드백 제어단계는,
상기 오존 농도가 상기 설정값보다 작으면, 상기 펄스전압을 이용한 1차 제어와 상기 펄스반복률을 이용한 2차 제어를 순차적으로 수행하는 단계; 및
상기 오존 농도가 상기 설정값보다 크면, 상기 펄스반복률을 이용한 1차 제어와 상기 펄스전압을 이용한 2차 제어를 순차적으로 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 오염공기제거장치의 제어 방법.