KR20190039445A - 자유 라디칼 발생 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

자유 라디칼을 고효율로 발생시키기 위한 고체/액체 전극을 포함하는, 스트리머 방전(streamer discharge)을 발생시키기 위한 배리어리스(barrierless) 장치 및 방법이 제공된다. 주기적으로 포지셔닝된 방전 점화 팁(ignition tip)을 포함하는 제1 전극은 제2 전극에 근접하여 배치되어, 이들 사이에 유전체 배리어 층이 없는 방전 갭을 형성한다. 방전 갭은 유입구 및 유출구를 포함한다. 근접 제약(constraint)을 갖는 스트리머는 제1 전극을 빠져 나와 방전 갭을 통해, 제1 전극에 포지티브 또는 네거티브 펄스 전압을 공급함으로써 스트리머 헤드와 방전 기체의 상호작용 및 라디칼 발생을 초래하는 제2 전극 쪽으로 전파된다. 선택적으로, 제2 전극은 액체로서, 스트리머 헤드와 상호작용하여 추가 라디칼을 발생시킨다. 이러한 장치는 방전 갭 내에서 신속한 화학 반응을 유발하는 데 사용될 수 있거나, 또는 발생된 라디칼 기체는 방전 갭 밖에서 이용되기 위해 제거될 수 있다.

Description

자유 라디칼 발생 장치 및 그 제조 방법

관련 출원에 대한 교차 참조

본 출원은 2016년 9월 2일에 출원된 미국 가출원 62/383,046으로부터 의존하고, 이에 대해 우선권을 주장하고, 이의 전체 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.

기술분야

본 발명은 고체/액체 전극을 포함하는 유전체 배리어리스(barrierless) 방전 공간에서 스트리머 방전(streamer discharge)을 발생시키기 위한 장치 및 방법, 보다 특히 높은 수분 함량에서 아크(arcing), 전극 침식(erosion) 및 부식을 최소화하는 한편 자유 라디칼 발생 및 연관된 물리화학적 반응(들)을 증강시키는 방법에 관한 것이다.

공기 또는 분자 기체를 통한 방전 및 생성된 라디칼, 예컨대: O^*, N^*, OH^*, H^*, CH₂ ^* 등은 멸균, 박막 증착, 표면 처리, 및 기체 스트림으로부터의 오염원 제거의 범위에 이르는 많은 실용적인 적용을 가진다.

기체 내에서 방전을 발생시키는 가장 주요한 방법은 2개의 전도체 사이에 유전체 배리어를 사용하고, 그 후에, 전극들 사이에 고전압을 인가하여 갭에서 방전을 유발하는 것으로서, 이러한 방전은 당업계에서 보편적으로 "무음 방전(silent discharge)"으로 공지되어 있다. 전극들 사이의 충분히 고전압에서, 방전은 기체 용적에서 출발한다. 이러한 방전은, 상기 방전이 전극에 도달할 때까지 확산되지만, 유전체 표면에서 상기 방전은 인가된 전기장을 무효화시키는 공간 하전(space charge)을 구축한다. 이 순간, 방전이 중단된다.

대안적인 방법은 비대칭성 전극쌍 사이에 유전체 배리어를 사용하지 않는 상기 전극쌍을 이용한다. 스트리머 또는 필라멘트 유형 방전은, 높은 곡률(바늘, 와이어 등)을 갖는 전극의 표면에 존재하는 강한 전기장을 가진 영역으로부터 시작한다. 스트리머가 형성된 후, 상기 스트리머는, 상기 장(field)이 상대적으로 약한 공간에서도 원거리에 걸쳐 전파될 수 있다. 그러나, 방전 갭에서 완전한 와해(breakdown)(아크)를 방지하기 위해, 방전이 아크로 전이되기 전에 고전압 짧은 펄스(short pulse)를 사용하여 방전을 중단시킨다. 이러한 목적에 실제로 가장 흔한 전극은 포인트-투-플래인(point-to-plane) 및 와이어-인-실린더(wire-in-cylinder) 기하학적 특성이다.

유전체 배리어 방전 방법은 작은 방전 갭에 걸쳐 방전 기체 내에서 높은 라디칼 밀도를 달성할 수 있다. 그러나, 배리어 방전은 유전체를 따라 표면 방전과 기체 방전의 조합이기 때문에 꽤 복잡하다. 대규모 방전 갭을 이용하여 대규모 기체 흐름에 대해 공정을 변경(scale)시키는 것은 이러한 방법을 사용하여 달성하기 어렵다. 상대적으로 장기간의 인가(applied) 전압은 에너지 손실 및 열 발생을 초래한다. 냉각 시스템 요건은 추가의 에너지 손실을 초래한다. 나아가, 전극 컴포넌트 상에서 주위 먼지 및 유사한 오염원의 불가피한 축적(buildup)은 이러한 장치의 장기간 작동에 문제를 야기한다. 시간 경과에 따라 먼지가 끼고, 끈적거리며 부식성인 필름의 축적은 방전 감소, 단락(short circuiting)을 초래하여, 장치를 무용화시킨다. 따라서, 이들 장치의 작동에는 여과 및 처리된 기체가 필요하다. 축적 문제를 해결하기 위해, 제거 가능한 유전체 배리어 층을 갖는 장치가 제안되어 왔으나, 이러한 장치는 경제적인 해결방안이 되지 못한다.

대조적으로, 비대칭성 전극쌍을 이용하는 스트리머 방전 장치는 특히 대규모 기체 유동의 경우 확장시키기에 더 용이하다. 전형적으로, 공기와 같은 혼합물에서 스트리머를 점화시키는 데 필요한 전기장은 약 10² -10³ kV.cm^-1이다. 이러한 고 전기장은 더 낮은 자릿수인 보통의 인가 전압을 이용해서도 와이어 및 핀과 같이 샤프(sharp) 전극을 사용하여 쉽게 발생될 수 있다. 스트리머 헤드 앞쪽에서 전기장 증강은 포지티브 네트(net) 이온화 계수를 보장하기에 충분할 정도로 높다. 스트리머는 중성 기체에서 전파되는 자립성(self-sustained) 이온화파로서 여겨질 수 있으며, 이는 파면(wave front) 뒤에서 저온 플라즈마로 전환되어, 채널-유사 외양을 초래할 수 있다. 스트리머 채널의 내부는 대체로 동일한 전자 및 이온 밀도를 갖는 전도성 플라즈마로 구성된다. 스트리머 헤드의 자가-유도 전기장은, 인가된 전기장이 포지티브 네트 이온화를 보장하기에는 불충분한 영역 내로 스트리머를 계속 전파시킬 수 있어서, 이들 장치에 확장성을 부여한다.

도 1에 예시된 바와 같이, 활성 전극, 즉, 최고 곡률을 갖는 전극의 극성에 따라, 전자는 상이한 방향으로 이동한다. 캐소드 지향성(CDS) 또는 포지티브 스트리머의 경우, 전자는 스트리머의 반대 방향으로 이동하고, 애노드 지향성(ADS) 또는 네거티브 스트리머의 경우, 전자는 스트리머와 동일한 방향으로 이동한다. 이들 2가지 유형의 스트리머의 날카로운 전기적 특징 및 속도 사이에 차이가 있다. 일반적으로, 네거티브 스트리머를 생성하기 위해서는 더 높은 전기장이 인가되어야 한다.

스트리머 헤드에서의 국소 전기장은 대략 20 kV.cm^-1의 인가 전압 펄스에 대해 대략 200 kV.cm^-1일 수 있다. 그렇지만, 더 낮은 에너지 수준을 가진 전자 집단이 더 높은 에너지 수준을 가진 전자 집단보다 유의하게 더 높을 수 있으며, 그렇더라도, 기체 분자를 해리시키고 이온화하기 위해 고도로 에너지 전자(energetic electron)의 꼬리가 존재한다(에너지는 12 eV 이상 전후임). 참조를 위해, H₂O의 해리 및 이온화는 대략 5 eV의 전자 에너지를 이용하여 달성될 수 있는 반면, 질소의 이온화는 대략 10 eV의 더 높은 전자 에너지를 필요로 하고, 산소의 이온화는 대략 7 eV의 전자 에너지를 필요로 한다. 요약하자면, 스트리머 헤드는 효과적인 라디칼 발생기이다.

스트리머 헤드가 효과적인 라디칼 발생기일 수 있긴 하지만, 단일 스트리머 헤드의 활성 이온화 영역은 대략 수백 마이크로미터이고, 이는 대략 10⁶ m/s의 속도로 전파된다. 발생된 라디칼은 매우 불안정하여 수명이 매우 짧고, 특히 라디칼이 방전 공간 밖에서 사용되는 경우 종종 비처리 기체와의 충돌에 의해 소멸되며, 이로써 라디칼 밀도가 낮아지게 된다.

방전 영역을 증가시키기 위한 치밀하게 배열된 샤프 방전 핀의 배치의 복잡성 및 어려움을 언급하면서, 미국 특허 7042159 B2는 30° 내지 90°의 원추각(conical angle)을 갖는 전극의 용도를 교시하였다. 스트리머 방전은, 방전 전극의 포인트 부분(pointed portion)으로부터 상대 전극(counter electrode)으로 계속해서 유발되는 작은 전기 아크(electric arc)로 인해 형성되는 것으로 주장된다. 추가로, 이러한 명시된 전극 각도로 인해, 각각의 전극으로부터의 스트리머가 더 넓은 영역에 걸쳐 확장되어, 내부 전극 공간을 오버랩핑(overlapping)하는 것으로 주장된다[7042159 B2의 도 2].

전극들 사이의 아크는, 이러한 아크가 열을 발생시켜 라디칼 손실을 초래하고 전극을 손상시키기 때문에 피해져야 한다. 더 나아가, 동일한 성질의 스트리머(포지티브 또는 네거티브)는 헤드에서 이들의 증강된 전기장으로 인해 서로 밀어낼 것이다. 미국 특허 # 7042159 B2의 교시가 동일한 극성 방전 핀으로부터 오버랩핑 스트리머를 어떻게 달성할 수 있는지는 명확하지 않다. 스트리머는 상대 전극에 도달하기 전에, 특히 방전 갭이 크고, 큰 핀간(inter pin) 거리로 인해 이웃 스트리머 영향이 약할 때, 분할되고 분지화할 것이 가능하다. 스트리머 헤드에서 얇은 공간 하전 층의 불안정성이 또한, 분할을 초래한다. 분지화 불안정성은 스트리머 앞의 낮게 이온화된 영역에서 전자 밀도 변동에 의해 가속화될 수 있다. 이들 상황 하에, 라디칼 발생 효율을 매우 낮을 것이다. 네트 이온화 계수는 2차 스트리머에서 거의 제로에 가깝고, 따라서 이들의 형성은 억제되어야 함을 주지한다.

나아가, 방전 핀들 사이의 갭이 큰 경우, 유의한 비율의 공급 기체가 이온화 전방(front)과 상호작용하지 않을 것이고 전극간 갭을 통과하지 않을 것이다. 특히, 공정 기체 유속이 높은 경우(많은 산업적 공정에 필요함), 이온화 전방과 상호작용하는 기체의 유효 분획이 낮아, 매우 낮은 라디칼 밀도를 초래할 것이다.

미국 특허 출원 # 2016/0179411 A1은 글로 방전(glow discharge)을 유지하기 위해 핀을 갖는 2개 전극 모두를 포함하는 장치를 개시하고 있다. 글로 방전과 스트리머 방전을 구별해야 하고, 글로 방전은 전형적으로 낮은 압력(대략 1 mbar)에서 생성된다. 압력이 증가함에 따라, 글로 방전은 불안정하게 되고 위축되는 경향을 가지며: 글로-투-스파크 전이가 발생한다. 이러한 장치 배열은, 스트리머가 대략 10⁶ m/s의 속도로 이동함에 따라 스트리머 모드로 작동하기 어려워질 것이고, 핀이 반대 극성에 연결되는 경우 반대 극성의 스트리머가 서로 끌어 당겨 아크를 초래할 것이고, 핀이 동일한 극성에 연결되는 경우 스트리머는 서로 밀어낼 것이다.

상기 언급으로부터, 스트리머 형성에 의한 고밀도 및 고효율 라디칼의 발생 및 이들과 비처리 기체의 충돌 손실은 쉽게 해결되지 않는 것이 분명하다. 이와 같이, 라디칼의 효과적인 발생을 위해 새로운 방법 및 장치가 필요하다.

하기 내용은 본 발명에 독특한 혁신적인 특징들 중 일부의 이해를 용이하게 하고자 제공되고, 전반적인 설명인 것은 아니다. 본 발명의 다양한 양태들의 전반적인 이해는 전체 명세서, 청구항, 도면 및 요약을 전체적으로 확인함으로써 얻어질 수 있다.

높은 수분 함량을 갖는 기체(유용한 OH^* 라디칼의 경우)뿐만 아니라 다른 기체 화합물(불순물, 예를 들어, CH₄, C₂H₄ 등의 제거를 위해)을 이용할 수 있는 라디칼 발생기가, 고 에너지 라디칼(O^*, N^*)을 포함하는 방전 기체를 고밀도 및 고효율로 발생시키는 것이 고도로 바람직하다. 이전까지, 라디칼 발생기는 공급 기체 중 수분에 극도로 취약하였는데, 기체 중 수증기가 원하지 않는 아크를 유발할 수 있기 때문이다. 나아가, 스트리머 헤드에서 유의한 양의 에너지 전자를 발생시키는 것이 해리 및 이온화 효율에 필요하고, 높은 라디칼 밀도를 유지하기 위해 스트리머 헤드와 상호작용하는 데 실패한 비처리 기체와의 충돌로 인해 라디칼 손실을 방지하는 것이 어려워졌다.

라디칼 발생기가 제공되며, 여기서, 방전 핀은 낮은 인가 전압에서 스트리머를 점화하기 위해 샤프 곡률을 갖는 특징부를 포함한다. 또한, 복수의 점화 팁(ignition tip)이 선택적으로 각각의 방전 핀 상에 제공되어, 복수의 스트리머를 발생시킨다. 나아가, 방전 핀은, 2차 분지화를 감소시키기 위해 스트리머 헤드가 그 자체를 제약하도록(constrain) 선택적으로 배열된다. 보다 나아가, 방전 핀은 그 자체가 비용 효과적인 제조 및 조립체를 할 수 있도록 한다.

일반적으로, 스트리머 용적은 화학종 농도에 중요한 역할을 하지 않는다. 나아가, 전파 동안 스트리머의 직경이 증가함에 따라 분지 불안정성이 증가하고, 이는 스트리머 길이의 함수이다. 2차 스트리머의 분지화 및 발생은 라디칼 발생 효율을 감소시키고, 따라서 피해져야 한다. 참조를 위해, 더 작은 반경(포지티브의 경우에서와 같이)을 갖는 스트리머의 헤드에서의 전기장은 더 큰 반경(네거티브의 경우에서와 같이)을 갖는 스트리머 상에서보다 훨씬 더 증강된다. 또한, 더 작은 반경의 스트리머가 더 신속하게 이동한다. 라디칼 생성 효율이 국소 전기장에 의해 (전자 에너지를 통해) 결정되기 때문에, 큰 방전 갭에서 높은 라디칼 발생 효율을 위해 좁은 1차 스트리머가 촉진될 수 있다.

동일한 극성 방전 핀으로부터 기원한 스트리머는 이웃 스트리머에 의해 밀어내어진다. 이웃 스트리머의 장(field)에 의해 균일하게 제약되는 경우, 반경 얇아짐(radius thinning)뿐만 아니라 장(field) 증강이 발생할 것이다. 나아가, 2차 스트리머의 발생이 한정될 것이며, 이로써 라디칼 발생 효율이 증강될 것이다. 따라서, 스트리머 점화 팁은, 주변 스트리머 부근의 장이 각각의 스트리머 헤드를 좁고 안정하게 유지시키도록 제약하는 최적으로 포지셔닝되어야 하고, 따라서, 인가 전압을 증가시키지 않으면서 추가의 전기장 증강 및 유의한 분획의 전자를 달성하는 것은 기체 분자의 해리 및 이온화를 유발할 수 있고, 따라서, 다량의 라디칼을 생성할 수 있다. 그러나, 속도 증가로 인한 아크를 방지하도록 주의를 기울여야 한다.

다량의 고 에너지 라디칼은 불순물 및 수분과 빠른 화학 반응을 유발하여, 부식성 생성물을 초래할 수 있다. 신뢰할 만한 방전 장치를 개발하기 위해, 방전 핀과 접지 전극 둘 다 양호한 전기 전도성, 침식 및 부식 저항성을 가져야 한다.

라디칼 밀도 및 발생 효율을 최대화하기 위해, 핀간 갭을 통한 기체 유동을 제한하는 것이 디자인 목적이다. 대부분의 공급 기체는 선택적으로, 스트리머 헤드와 상호작용하는 방향으로 놓여, 충돌로 인해 라디칼 손실을 초래할 수 있는 비처리 기체가 장치에 거의 남아 있지 않을 수 있다. 나아가, 점하 팁에서의 잔류 전하가 연속적인 스트리머들 사이에서 제거되어, 아크를 방지할 수 있다. 또한, 상기 장치는 전극 상에서 축합 없이 높은 상대 습도에서 작동될 수 있다. 즉, 점화 팁에서의 기체 속도가 강할 수 있다.

하나 이상의 양태에서 공급 기체 스트림과 스트리머의 이온화 전방의 상호작용을 증강시키고, 이로써 라디칼 발생 효율뿐만 아니라 이의 밀도를 개선하는 방법을 제공함으로써, 하나 이상의 상기 문제점을 해결하는 장치가 제공된다. 이러한 장치는 단위 용적 당 1차 스트리머의 수, 유동 경로에서의 이들 스트리머의 분포의 균일성을 증가시키고, 따라서 해리 및 이온화를 할 수 있는 더 많은 수의 에너지 전자와 공급 기체의 상호작용을 증가시키는 단계를 포함한다.

일부 양태에서, 주어진 인가 전압에서 에너지 전자의 수뿐만 아니라 스트리머 헤드에서 전기장 증강을 증가시키기 위해 스트리머를 자가-제약하고 지향시키는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 선택적으로, 이웃 스트리머들의 주변 반발장(repulsive field)으로 인해 스트리머가 좁게 유지되도록 복수의 점화 팁을 포함하는 방전 핀을 방전 전극 조립체 상에 구성하여, 이로써 2차 스트리머 형성의 가능성을 감소시키고, 좁은 스트리머 헤드에서의 전기장 증강 효과에 고유한 더 많은 수의 에너지 전자의 이용 가능성으로 인해 더 많은 수의 분자 해리가 발생할 가능성을 증가시키고, 따라서 라디칼 수 밀도뿐만 아니라 라디칼 생성 효율을 증가시키는 단계를 포함한다.

보다 다른 양태에서, 선택적인 라디칼 발생 방법이 제공된다. 이러한 방법은 선택적으로, 이웃 스트리머들의 주변 장 제약에 의한 스트리머 헤드 변형으로 인해 소정의 에너지 수준을 갖는 전자의 확률 분포를 좁히고, 이로써 H₂O 및 N₂를 함유하는 기체 혼합물에서 OH^* vs N^*와 같이 또 다른 라디칼 유형과 비교하여 요망되는 라디칼 유형을 발생시키는 능력을 제공하는 단계를 포함한다.

보다 다른 양태에서, 방전 핀의 제조 및 조립체 방법이 제공된다. 이러한 방법은 선택적으로, 핀 상에 복수의 점화 팁을 갖는 복수의 실질적으로 컬럼형(columnar) 방전 핀을, 점화 팁뿐만 아니라 방전 핀 사이에 균일한 갭을 높은 정확도 및 밀도로 제공하는 예정된 방식으로 구성하는 단계를 포함한다.

다른 양태에서, 방전 전극과 상대 전극 사이에서 아크를 방지하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 연속적인 전압 펄스들 사이의 방전 갭에서 잔류 전하를 제거하기 위해 바이어스(bias) 전압을 인가하는 단계를 포함한다. 이러한 방법은, 스트리머 형성을 위해 방전 핀에 인가되는 각각의 펄스에 대해 동일한 출발 전압을 보장하고, 전극들 사이에서 아크를 방지한다.

다른 양태에서, 방전 공간을 통해 공급 기체를 지향시키는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 선택적으로, 방전 핀들의 포지셔닝(positioning)을 통해 이들 사이에 유동 배리어를 형성하는 방법을 포함하며, 이러한 배리어는 시스템적으로 구성되고 높은 정확도로 인덱스(index)되며, 이로써 방전 핀 주변으로 높은 기체 속도를 제공하며 라디칼 생성을 증강시키고 충돌 손실을 감소시킬 수 있다.

이에, 상기 언급된 문제점들을 해결하고, 방전 공간에서 이용되거나 또는 애플리케이션 사이트에 적용될 수 있는 라디칼 기체를 높은 밀도, 선택성 및 효율로 발생시키는 것이 가능해진다.

도면은 필수적으로 스케일대로 도시되어 있지 않으며; 일부 특징은 특정 컴포넌트의 상세한 사항을 보여주기 위해 과장되거나 또는 최소화될 수 있다. 따라서, 본원에 개시된 구체적인 구조적 및 기능적 상세 사항은 제한적인 것으로 해석되어서는 안되고, 그보다는 단지 당업자가 본 발명을 다양하게 이용하도록 교시하는 대표적인 기반으로서 해석된다. 예시적인 양태는 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 보다 완전히 이해될 것이며, 여기서:
도 1은 하나 이상의 공지된 기술에 따른 포지티브 및 네거티브 스트리머 전파의 예시적인 도식적인 2차원 예시이며;
도 2는 본 발명의 하나 이상의 구현예에 따른, 내부 스트리머의 헤드를 제약하고 이로써 이들의 반경 성장을 제한하는 이웃 스트리머들의 전계 효과에 대한 도식적인 2차원 예시이며;
도 3은 하나 이상의 공지된 기술에 따른 종래의 방전 핀 및 이로부터의 스트리머 전파를 기재하는 예시적인 도면이며;
도 4는 본 발명의 하나 이상의 교시에 따른 4개의 발산(diverging) 스트리머를 발생시키기 위한, 4개의 스트리머 점화 팁들을 가진 컬럼형 방전 핀을 예시하는 도면이며;
도 5는 본 발명의 하나 이상의 교시에 따른 6개의 발산 스트리머를 발생시키기 위한, 6개의 스트리머 점화 팁들을 가진 컬럼형 방전 핀을 예시하는 도면이며;
도 6a는 본 발명의 하나 이상의 교시에 따른 4개의 점화 팁을 가진 컬럼형 방전 핀의 주기적인 구성을 예시하는 도면이며;
도 6b는 본 발명의 하나 이상의 교시에 따른 상대 전극(counter)의 표면에 대해 각각의 방전 핀을 노말(normal)로 유지시키는 공통(common) 상대 전극에 인접하여 배치된(deposed) 방전 전극 조립체를 예시하는 도면이며;
도 7은 본 발명의 하나 이상의 교시에 따른 방전 핀으로부터 공통 접지(common ground) 전극으로 향하는 스트리머 전파를 예시하는 도면이며;
도 8은 본 발명의 하나 이상의 교시에 따른 방전 장치의 도식적인 구현예이며;
도 9는 본 발명에 따른, 도 8에 예시된 방전 장치의 (중앙) 단면의 도면이며;
도 10은 본 발명에 따른, 4개의 점화 팁을 갖는 주기적으로 구성된 컬럼형 방전 핀을 보여주는, 방전 전극 조립체의 투시도이며;
도 11은 본 발명에 따른, 방전 전극 조립체로부터 이온화 전방을 형성하는 공통 접지 전극으로 향하는 스트리머 전파의 예시이며;
도 12는 본 발명에 따른, 방전 전극 조립체로부터 이온화 전방을 형성하는 접지 전극으로 향하는 스트리머 전파의 투시도이며;
도 13은 본 발명에 따른, 방전 전극 조립체로부터 이온화 전방을 형성하는 접지 전극으로 향하는 스트리머 전파의 단면도이며;
도 14는 선행 기술에 따른 가능한 방전 핀 배열을 보여주는 예시적인 도면이며;
도 15는 선행 기술에 따른, 도 14에 도시된 예시적인 방전 전극 조립체의 핀간 갭을 통한 기체 유동을 예시하는 유동 시뮬레이션이며;
도 16은 본 발명에 따른, 도 10에 도시된 방전 전극 조립체의 핀간 갭에서 기체 유동 차단을 예시하는 유동 시뮬레이션이며;
도 17은 본 발명에 따른, 도 10에 도시된 방전 전극 조립체의 점화 팁에서 높은 기체 유동을 유지하면서도, 핀간 갭에서 기체 유동 차단을 예시하는 유동 시뮬레이션이며;
도 18은 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 방전 전극 조립체 상에 주기적으로 배열된 단일 점화 팁을 갖는 피라미드형 방전 핀을 보여주는 예시이며;
도 19는 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 4개의 점화 팁을 포함하는 컬럼형 방전 핀을 갖는 디스크형 방전 전극의 예시이며;
도 20은 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 디스크형 방전 전극의 방전 핀으로부터 상대 전극으로 향하여 전파되는 스트리머의 도식적인 예시이며;
도 21은 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 2개의 디스크형 방전 전극의 스태거링(staggering)을 예시하는 도식도이며;
도 22는 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 6개의 디스크형 방전 전극의 스태거링을 예시하는 투시도이며;
도 23은 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 방전 핀들 사이의 갭을 통한 유동을 제약하기 위해 6개의 디스크형 방전 전극의 스태거링을 예시하는 부분도(partial view)이며;
도 24는 본 발명의 선택적인 일 구현예에 따른 방전 핀들 사이의 갭을 통한 유동을 제약하기 위해 6개의 디스크형 방전 전극의 스태거링을 예시하는 전체도(full view)이며;
도 25는 본 발명의 일 구현예에 따른 실린더형 접지 전극 내부에 배치된 디스크형 방전 전극 조립체의 투시도이며;
도 26은 본 발명의 교시에 따른 디스크형 방전 전극 조립체를 이용하는 방전 장치의 도식적인 선택적인 구현예이며;
도 27은 실린더형 상대 전극 내부에 배치된 디스크형 방전 전극 조립체로부터 균일한 이온화 전방을 형성하는 스트리머 전파의 도식도이며;
도 28은 6개의 점화 팁을 포함하는 6각형 방전 핀을 갖는 선택적인 디스크형 방전 전극으로부터의 스트리머 전파의 도식도이며;
도 29는 6개의 점화 팁을 포함하는 6각형 방전 핀을 갖는 선택적인 디스크형 방전 전극 조립체로부터 균일한 이온화 전방을 형성하는 스트리머 전파의 도식도이며;
도 30은 방전 공간에서 잔류 전하의 존재 하에 연속 펄스에 대한 상이한 출발 전압을 예시하는 도식도이며;
도 31은 각각의 펄스 사이에서 바이어스 전압이 인가되는 연속 펄스에 대한 유사한 출발 전압을 예시하는 도식도이며;
도 32는 본 발명의 방전 장치의 선택적인 구현예에 의해 리퍼(reefer) 용기 환경으로부터 에틸렌 및 미생물 오염원을 스크럽(scrub)하기 위한 도식적인 배열이며;
도 33은 본 발명의 방전 장치의 선택적인 구현예에 의한 조절 공기(CA; controlled atmosphere) 저장 환경으로부터 에틸렌, CO2 및 미생물 오염원을 스크럽하기 위한 도식적인 배열이며;
도 34는 본 발명의 방전 장치의 선택적인 구현예에 의한 비-냉장 저장 환경으로부터 에틸렌 및 미생물 오염원을 스크럽하기 위한 도식적인 배열이며;
도 35는 위축성 쉐이드(shade)에서 공기를 수합하고 공기를 분포시키기 위한 위축성(retractable) 프레임에 대한 도식적인 선택적 배열이며;
도 36은 밀폐된 포지션에서 위축성 프레임에 대한 도식적인 선택적 배열이며;
도 37은 선택적인 태양 전지판(solar panel)을 갖는 위축성 저장 쉐이드에 대한 도식적인 배열이며;
도 38은 에틸렌 및 미생물 오염원을 스크럽하기 위해 본 발명의 방전 장치를 갖는 오프-그리드(off-grid) 위축성 저장 쉐이드에 대한 도식적인 배열이며;
도 39는 방전 핀 주변으로 기류를 제공하기 위해, 카세트 내에 캡슐화된 발산형 방전 핀을 갖는 디스크형 방전 전극에 대한 도식적인 선택적 배열이며;
도 40은 본 발명의 교시에 따른 발산형 방전 핀 및 현탁된 액적(또는 미스트)을 선택적으로 갖는 기체 공급물을 이용하여 작동하는 방전 장치에 대한 도식적인 배열이며;
도 41은 수렴형(converging) 방전 핀을 갖는 디스크형 방전 전극의 도식도이며;
도 42는 방전 핀 주변으로 기류를 제공하기 위해, 카세트 내에 캡슐화된 수렴형 방전 핀을 갖는 디스크형 방전 전극에 대한 도식적인 배열이며;
도 43은 본 발명의 교시에 따른 수렴형 방전 핀 및 현탁된 액적(또는 미스트)을 선택적으로 갖는 기체 공급물을 이용하여 작동하는 방전 장치에 대한 도식적인 배열이며;
도 44는 본 발명의 교시에 따라 작동하는 다수의 방전 장치를 선택적으로 갖는 훈증 장치 및 현탁된 액적(또는 미스트)을 선택적으로 갖는 공통 기체 공급물에 대한 도식적인 배열이며;
도 45는 도 44에 도시된 훈증 장치의 도식적인 단면도이며;
도 46은 본 발명의 교시에 따라 작동하고 선택적으로 이동식(mobile) 및 조정 가능한 스테이지(stage) 상에 마운팅된 훈증 장치에 대한 도식적인 배열이며;
도 47은 본 발명의 교시에 따라 작동하는 프로그램형(programmable) 이동식 훈증 장치를 이용한 건강 관리 시설 시설의 훈증 작동을 보여주는 예시이며;
도 48은 본 발명의 교시에 따라 작동하는 방전 장치, 진공 흡입용 프로비젼(provision) 및 표면 빗질(brushing)용 프로비젼을 선택적으로 갖는 표면 위생화 시스템의 도식도이며;
도 49는 본 발명의 교시에 따라 작동하는 방전 장치를 배치함으로써 영양분을 공급하면서도 질병 및 곰팡이 조절을 위해 수경 재배/온실 플랜트를 훈증 소독하기 위한 도식적인 선택적 배열이며;
도 50은 본 발명의 교시에 따라 작동하는 방전 장치(들)를 갖는 훈증 소독용 드론에 대한 도식적인 배열이며;
도 51은 도 50에 도시된 훈증 소독용 드론의 본체(main body)의 세로방향 단면도이며;
도 52는 도 50에 도시된 훈증 소독용 드론의 본체의 분해 조립 단면도이며;
도 53은 본 발명의 교시에 따라 작동하는 방전 장치를 배치함으로써 독소 제거를 위해 곡물 및 견과류를 훈증 소독하기 위한 도식적인 배열이며;
도 54는 본원에 개시된 방전 장치로부터의 자유 라디칼에 의한 독소 제거에 대한 가능한 기전을 보여주는 예시이며;
도 55는 평면형(planar) 방전 전극 조립체 및 선택적인 액체 전극을 갖는 방전 장치의 도식적인 배열이며;
도 56은 실린더형 액체 전극, 및 축전식 탈이온화 시스템을 통한 선택적인 유동을 이용하는 수처리(water treatment) 장치의 도식적인 배열이며;
도 57은 도 56에 도시된 장치에 대한 축전식 탈이온화 공정 및 필터 역세척(backwashing)의 탈착 사이클(desorb cycle)을 보여주는 도식적인 예시이며;
도 58은 본 발명의 교시에 따라 작동하는 액체 전극 방전 장치를 배치하는 혈액 처리를 위한 도식적인 배열이며;
도 59는 액체 전극 방전 장치 및 자성 임펠러(magnetic impeller)를 이용하는 액체 처리 장치의 도식적인 배열이며;
도 60은 본 발명의 선택적인 방전 장치를 이용하는 연소 엔진 흡기 이온화를 위한 도식적인 배열이며;
도 61은 방전 갭을 따라 포지티브 스트리머로부터의 발광 강도를 제시하며(V=9.5 kV, I_total=50 μA, 방전 갭 G=12 mm);
도 62는 방전 갭을 따라 네거티브 스트리머로부터의 발광 강도를 제시하며(V=10.5 kV, I_total=100 μA, 방전 갭 G=7 mm);
도 63은 포지티브 스트리머들 사이의 반발 작용을 제시하며(V=5.0 kV, I_total=50 μA, 방전 갭 G=5 mm);
도 64는 2개의 네거티브 스트리머들 사이의 반발 작용을 제시하며(V=7.5 kV, I_total=100 μA, 방전 갭 G=5 mm);
도 65는 본 발명의 교시에 따라 조립체된 실험용 방전 장치를 제시하며;
도 66은 85 W 전력, Q=5 m3/h 기류; (a) 0 V 바이어스, (b) 200 V 바이어스에서의 예시적인 전압 펄스를 제시하며;
도 67은 100 W 전력, Q=5 m3/h 기류; (a) 0 V 바이어스, (b) 200 V 바이어스에서의 예시적인 전압 펄스를 제시하며;
도 68은 주어진 유동 Q= 5 m³/h에 대한 상이한 바이어스 전압에서 방전에 대한 최대 전력의 이용 가능성을 제시하며;
도 69는 상이한 유속에서 인가된 바이어스 전압에 대한 최대 전력의 이용 가능성을 제시하며;
도 70은 10 m³/h 유속에서 인가된 바이어스 전압에 대한 오존 생산성 변화(ozone productivity variation)를 나타내며;
도 71은 20 m³/h 유속에서 인가된 바이어스 전압에 대한 오존 생산성 변화를 나타내며;
도 72는 온 상태 및 오프 상태에서 작동하는 본 발명의 방전 장치에 의해 40 피트 리퍼 용기로부터 에틸렌 구성 및 제거를 나타내며;
도 73은 본 발명의 방전 장치에 의한 에틸렌 파괴에 대한 가능한 기전을 예시하며;
도 74는 저농도에서 40' 리퍼 용기 내에서 에틸렌의 제거 시, 본 발명의 선택적인 방전 장치의 효능을 나타내며;
도 75는 본 발명의 선택적인 방전 장치의 포자 제염 능력(spore decontamination capability)을 나타내기 위한 실험용 훈증 셋업을 예시하며;
도 76은 수전극(water electrode)을 이용하여 작동하는 방전 장치로 인한 수중 전도성 및 pH 변화를 제시하며;
도 77은 본 발명의 수전극 방전 장치를 이용한 수중 퍼옥사이드 형성을 제시하며;
도 78은 본 발명의 수전극 방전 장치에 의한 물로부터의 메틸렌 블루 제거의 진행을 제시하며;
도 79는 본 발명의 수전극 방전 장치에 의한 물로부터의 이부프로펜 제거의 진행을 제시하며;
도 80은 본 발명의 수전극 방전 장치에 의한 물로부터의 메트포르민 제거의 진행을 제시하며;
도 81은 본 발명의 수전극 방전 장치에 의한 수중 가용성 납(Pb)으로부터 불용성 납(Pb)으로의 전환의 진행을 제시하며;
도 82는 물이 방전 공간을 통과하고, 그 후에 본 발명에 따른 축전식 탈이온화 전지를 통과함에 따라, 전도성, 퍼옥사이드 농도 및 니트레이트 농도의 변화를 제시하고;
도 83은 본 발명의 수전극 방전 장치에 의한, CO₂로부터 수용성 부산물로의 전환을 제시한다.

본원에 상세한 양태가 개시되어 있으나; 개시된 양태는 단지 예시적이고 다양하고 대안적인 형태로 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 도면은 본질적으로 스케일대로 도시되어 있지는 않다. 따라서, 본원에 개시된 구체적인 상세 사항은 제하는 것으로 해석되어서는 안 되고, 그보다는 본 발명의 임의의 양태를 위한 대표로서 및/또는 본 발명을 다양하게 이용하도록 당업자에게 교시하기 위한 대표적인 근거로서 해석되어야 한다.

본원에 사용된 용어는 특정한 구현예를 설명하기 위한 것일 뿐이고, 제한하려는 것이 아니다. 본원에 사용된 바와 같이, 단수형("a," "an," 및 "the" )은 문맥상 명확하게 다르게 지시하지 않는 한 "하나 이상"을 포함한 복수형을 포함하고자 한다. "또는"은 "및/또는"을 의미한다. 본원에 사용된 용어 "및/또는"은 연관되어 열거된 목록들 중 하나 이상의 임의의 및 모든 조합을 포함한다. 추가로, 용어 "포함한다(comrpise)" 및/또는 "포함하는" 또는 "수반한다(include)" 및/또는 "수반하는"이 본 명세서에 사용되는 경우, 이들 용어는 언급된 특징, 영역, 정수, 단계, 작동, 요소 및/또는 구성성분의 존재를 명시하는 것이지만, 하나 이상의 다른 특징, 영역, 정수, 단계, 작동, 요소, 구성성분 및/또는 이의 그룹의 존재 또는 첨가를 배제하지 않음을 추가로 이해할 것이다. 용어 "또는 이들의 조합"은 전술한 요소들 중 하나 이상을 포함한 조합을 의미한다.

다르게 정의되지 않는 한, 본원에 사용된 모든 용어(기술적 용어 및 과학적 용어 포함)는 본 발명이 속한 당업계의 당업자가 보편적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 보편적으로 사용되는 사전에서 정의된 것과 같은 용어는 관련 분야 및 본 발명의 맥락에서 이들의 의미와 일관되는 의미를 갖는 것으로 해석되어하고, 본원에서 표현적으로 정의되지 않는 한 이상화된 또는 과도하게 공식적인 의미로 해석되는 것은 아님을 이해할 것이다.

공개가 인용된 본 명세서 전체에서, 이들 공개의 개시내용은 그 전체가, 본 발명이 속한 당업계를 보다 완전히 기재하기 위해 본 출원에 원용되어 포함된다.

본원에서 사용된 하기 용어 또는 구어는 하나 이상의 양태와 관련하여 하기 열거된 예시적인 의미를 가진다:

본 발명에 사용된 "유전" 물질은 전도 없이 전력을 전파하고 그 자체는 낮은 전기 전도성을 갖는 매질 또는 물질이다. 유전 물질의 예시적인 일례는 유리이다.

본원에 사용된 "방전 공간"은 활성 전극과 접지 전극 사이의 갭을 의미한다.

본원에 사용된 "FRG"는 본 발명의 교시에 따라 작동하는 "자유 라디칼 발생기"를 의미한다.

본원에 사용된 "탄소질 물질"은 특히, 결합제, 그래파이트화된 탄소 물질 및 압착된 탄소 물질로 충전된 그래파이트, 우븐 카본(woven carbon) 또는 그래파이트 섬유를 포함한다.

본원에 사용된 "미스트"는 기체에 현탁된 액체의 작은 액적의 무리(cloud)를 포함하고, 여기서 액적 중량은 기체에 의해 발휘되는 향력(drag force)보다 낮다.

본원에 사용된 "훈증"은 소정의 라디칼의 기체 연기(fume)를 적용하여, 생물학적 유기체 또는 독소를 소독하거나 제거하는 것을 포함한다.

본원에 사용된 "슈퍼버그"는 하나 이상의 항생제 약물에 대해 내성을 갖게 된 박테리아 균주를 포함한다.

본원에 사용된 "독소"는 식물 또는 동물 기원의 항원성 독(antigenic poison) 또는 독액(venom)을 포함하며, 선택적으로 미생물에 의해 생성되거나 유래되고 체내에서 저농도로 존재 시 질병을 유발하는 것을 포함한다.

"스트리머"는 100 내지 250 kV.cm^-1의 범위에서 실질적인 전기장 증강(field enhancement)을 갖고 중성 기체 내에서 전파되는 자립성 이온화 파동을 의미하며, 이는 파면 뒤에서 저온 플라즈마로 전환되어, 채널-유사 외양을 초래한다. 스트리머 채널의 내부는 대략 동일한 전자 및 이온 밀도를 갖는 전도성 플라즈마로 구성된다.

"자유 라디칼"은 짝짓지 않은 원자가 전자를 가져서, 이들 용어가 당업계에 인지된 바와 같이 불안정하고 고도로 반응성인 원자 또는 원자들의 그룹을 의미한다. 예를 들어, 자유 산소 라디칼은 하기 비탄성(inelastic) 전자 충돌에 의해 생성되며:

O₂ + e^- → O⁺ + O + 2e^- (1)

O₂ + e^- → O + O + e^- (2)

O₂ + e^- → O^- + O (3)

여기서, 이는 일반적인 형태: O₂ + e^- → O^* + O^*로 표현된다. 라디칼은 하기와 같이 방전 공간 내에서 기체 조성에 따라 유사한 비탄성 충돌에 의해 생성될 수 있다:

H₂O + e^- → OH^* + H^* (4)

N₂ + e^- → N^* + N^* (5).

"장"은 전기장을 의미하며, 이의 성질은 포지티브이거나 또는 네거티브일 수 있다. 유사한 장들은 서로 밀어내고, 반대 장들은 서로 끌어 당긴다.

도 2를 참조로, 근접해 있는 동일한 방전 핀/점화 팁으로부터 다수의 스트리머가 발생되는 경우, 이들 스트리머 자체의 전기장은 서로의 특징에 영향을 미칠 것이다. 참조를 위해, 동일한 점화 팁은, 상대 전극에 걸쳐 동일한 인가 전압뿐만 아니라 동일한 기하학적 및 물질 특징을 가짐을 의미한다. 도 2에 예시된 바와 같이, 상부(top) 및 하부 스트리머는 각각 상부면 및 하부면 사이에서 임의의 제약 장(restrictive field)의 부재로 인해 중간부 스트리머로부터 떨어져서 갈라진다. 나아가, 이들의 반경은 중간부 스트리머보다 크다. 이웃 스트리머 장에 의해 모든 면으로부터 균일하게 제약된다면, 2개의 중간부 스트리머의 경우에 예시된 바와 같이 전기장 증강뿐만 아니라 반경 얇아짐이 발생할 것이며, 이로 인해 전자 에너지의 생성물 및 확률 밀도 분포가 증강되고, 따라서 자유 라디칼 발생 효율이 증강될 것이다. 근접 장(proximity field) 영향 및 이의 생성된 스트리머 헤드 전기장 증강은 핀간 갭, 및 점화 팁의 분포, 상대 전극으로부터의 거리, 방전 기체뿐만 아니라 인가 전압과 같은 몇몇 인자들에 의존한다.

도 3을 참조로, 샤프 방전 핀(2)이 접지/상대 전극(4)의 마주보고 놓일 때, 스트리머(3)는 방전 갭을 통해 접지 전극(4) 쪽으로 전파될 것이다. 스트리머 채널(5)은 전도성 경로를 구축하고, 따라서 아크를 방지하기 위해 스트리머 헤드(3)가 상대 전극(4)에 도달하기 전에 인가 전압은 제거될 필요가 있다. 따라서, 짧은 전압 펄스가 전극에 인가된다. 샤프 방전 핀은 스트리머 점화 전압을 낮추기 때문에 스트리머에 바람직하다. 다수의 스트리머를 발생시키기 위해, 많은 샤프 방전 핀들이 근접하도록 구조화될 수 있지만, 이러한 장치의 제작은 매우 번거롭다. 치밀하게 배열된 샤프 방전 핀의 배치의 복잡성 및 어려움을 언급하면서, 미국 특허 7042159 B2는 30-90°의 원추각을 가진 전극의 사용을 교시하였으며, 이러한 명시된 전극 각도로 인해, 각각의 전극으로부터의 스트리머가 전극간(inter electrode) 공간을 오버랩핑하는 더 넓은 영역에 걸쳐 확장된다고 주장한다.

동일한 극성 방전 핀으로부터 기원하는 스트리머들은 이들의 헤드에서 동일한(네거티브 또는 포지티브) 전기장 증강으로 인해 서로 밀어낸다. 나아가, 스트리머 직경 확장은 헤드에서 이의 전기장 증강을 감소시켜, 2차 분지화 가능성, 따라서 즉 이의 라디칼 발생 능력을 증가시킨다. 다시 말해, 라디칼 발생 효율을 증강시키기 위해, 방전 핀 디자인 및 배열은 스트리머 확장뿐만 아니라 2차 스트리머 형성을 제약하고, 즉, 이의 헤드에서 전기장을 증강시키는 것을 목적으로 해야 한다.

방전 핀들의 배열이 스트리머 국한(confinement)을 개선하는 역할을 하고, 쉽게 제조되고, 이로 인해 자유 라디칼 발생을 개선하는 장치 및 활성 전극 조립체를 형성하는, 방전 핀 디자인이 본원에 제공된다. 전극의 일례는, 4개의 샤프 점화 팁(코너)(5')을 갖는 방전 핀(2')을 도시한 도 4에 예시되어 있다. 스트리머 점화 전압보다 높은 전압 펄스가 방전 전극 핀(2') 및 상대 전극(4')에 걸쳐 인가될 때, 4개의 스트리머는 4개의 점화 팁으로부터 나와서, 상대 전극 쪽으로 전파된다. 이에, 스트리머 헤드에서의 전기장 증강으로 인해, 스트리머들은 상대 전극(4') 쪽으로 전파되면서도 서로 밀어낼 것이며, 또는 다시 말해, 방전 핀 노말(6')로부터 갈라질 것이다. 선택적으로, 도 5는 추가로, 6개의 샤프 점화 팁(코너)(5")을 갖는 방전 핀(2")을 개시하고 있다. 이에, 적절한 전압 펄스가 방전 핀 및 상대 전극에 걸쳐 인가될 때, 6개의 스트리머들이 나올 것이고, 상대 전극(4") 쪽으로 전파될 것이다. 또한, 스트리머 헤드(3")에서의 반발력으로 인해, 스트리머는 방전 핀의 노말(6")로부터 갈라질 것이다.

방전 핀 상의 점화 팁의 수는 1보다 큰 임의의 수일 수 있는 것으로 이해된다. 점화 팁의 수는 선택적으로 2, 3, 4, 5, 6 또는 그 이상이다. 선택적으로, 상기 장치는 다양한 수의 점화 팁을 갖는 방전 핀을 포함한다. 본원에 사용된 점화 팁은 모서리 또는 포인트에서 각도를 한정하는 코너이고, 적절한 조건 하에 개별 스트리머를 생성하기에 충분히 샤프하다.

도 4 및 도 5의 스트리머들이 서로 밀어내고 핀 노말로부터 갈라지긴 하지만, 이들 스트리머는 여전히 계속 확장되어, 이로 인해 이들을 제약할 수 있는 임의의 주변 전기장의 부재 시, 스트리머 헤드에서 전기장 증강을 약화시키고 잠재적으로는 2차 스트리머를 형성할 것이다. 그러나, 동일하고 선택적으로 균일하게 포지셔닝된 주변 방전 핀의 존재 시, 유사한 특징의 스트리머들은 이들로부터 나와서, 스트리머가 약화되는 것을 제약하고 이들을 상대 전극 쪽으로 지향시킬 전기장 제약을 제공할 것이다. 이에, 도 6a는, 핀 노말들 사이의 거리(D1)(14)가 모든 주위로 실질적으로 동일하도록 포지셔닝된 방전 핀(12)을 갖는 전극 조립체(10)를 개시하고 있다. 나아가, 각각의 방전 핀 상의 점화 팁(15)들 사이의 거리(d)는 실질적으로 동일할 수 있다. d가 D1보다 항상 작긴 하지만, 최상의 작동 및 제작 실시를 위해서는 몇 가지 사항이 고려된다. D1이 작을수록, 주어진 표면적에 대해 방전 핀의 수가 많아지고, 스트리머의 수가 많아진다. 일부 양태에서 D1은 0.25 내지 25 mm이고, 선택적으로 D1은 1-10 mm이다. 나아가, 매우 작은 d는 또한, 점화 팁의 관용성을 유지하는 데 문제점을 제기한다. 이와 같이, d는 선택적으로 0.05 mm 내지 10 mm이고, 선택적으로 d는 0.1 mm - 2.5 mm이다.

추가로, 점화 팁 표면과 상대 전극 사이의 거리를 고려한다. 이제 도 6b를 참조로 하여, 점화 팁과 상대 전극 표면(G) 사이의 거리는 방전 갭으로 공지되어 있고, 장치 성능에 상당한 영향을 미친다. 방전 갭(22)은 기체 유속, 스트리머가 상기 방전 갭을 가로지르는 데 필요한 시간, 뿐만 아니라 스트리머 특징에 영향을 미친다. 스트리머가 방전 갭을 가로지르는 데 필요한 시간이 Ts이고, Tp가 전류 펄스의 반치전폭(FWHM; full width at half maximum)이라면, 이들의 비율 R=Ts/Tp는 방전 갭뿐만 아니라 전력 공급 디자인에 중요한 역할을 한다. R=1일 때, 전압 펄스는, 스트리머가 상대 전극에 도달하는 순간에 끝나고, 이는 최상의 상황을 제시한다. R>1이라면, 스트리머가 방전 갭을 가로지르는 데 필요한 시간은 펄스 기간을 초과한다. 이러한 경우, 스트리머는 전극들 사이의 포지션에서 전파되는 것을 중단하고, 이러한 상황은 요망되지 않는다. R<1이라면, 펄스 에너지의 일부가 방전 과정에 이용되지 않아 소멸되거나(열) 또는 만회될 필요가 있다. 스트리머가 대략 10⁶ m/s의 속도로 이동하기 때문에, 조건 R=1은 큰 방전 갭을 유지시키거나 또는 매우 짧은 펄스(~1 μs 이하)를 인가함으로써 유지될 수 있다. 더 큰 방전 갭은 상기 방전 갭을 통한 스트리머 전파에 더 높은 인가 전압을 필요로 할 것이다. 극도로 짧은 펄스는 높은 스위치 주파수 및 효율 손실로 인해 전력 공급 디자인을 복잡하게 만든다. 또한, 높은 스위치 주파수는 높은 EMI 노이즈를 초래하여, 전자 컴포넌트 작동을 매우 어렵게 만든다. 따라서, 방전 과정에 이용되지 않은 펄스 에너지의 일부를 포착하기 위해 에너지 만회 회로와 함께 조건 R<1 하에 상기 장치를 작동시키는 것이 바람직하다. 방전 갭은 선택적으로 0.5 mm 내지 30 mm로 다양할 수 있고, 이와 같이 방전 갭은 선택적으로 1 mm보다 크고 선택적으로 15 mm보다 작다. 네거티브 극성의 경우, 더 짧은 방전 갭이 바람직한 한편, 포지티브 극성의 경우 더 긴 방전 갭이 바람직하다. 이와 같이, 네거티브 극성의 경우, 방전 갭은 선택적으로 1 mm 이상, 선택적으로 2 mm 이상, 선택적으로 3 mm 이상, 선택적으로 4 mm 이상, 선택적으로 5 mm 이상, 선택적으로 6 mm 이상이다. 포지티브 극성의 경우, 방전 갭은 선택적으로 5 mm 이상, 선택적으로 6 mm 이상, 선택적으로 7 mm 이상, 선택적으로 8 mm 이상, 선택적으로 9 mm 이상, 선택적으로 10 mm 이상, 선택적으로 11 mm 이상, 선택적으로 12 mm 이상, 선택적으로 13 mm 이상, 선택적으로 14 mm 이상이다. 더욱이, D1=G를 유지하는 것, 즉, 전극간 거리가 방전 갭과 동일한 것이 바람직하지만, 필수적인 조건은 아니다.

전압 펄스가 전극 조립체(30)에 인가될 때, 4개의 스트리머들은 각각의 방전 핀으로부터 나올 것이고, 이때, 각각의 점화 팁으로부터 1개의 스트리머가 나온다. 각각의 스트리머(34)가 방전 핀의 노말로부터 갈라지려고 하는 한편, 이러한 스트리머는 또한, 주변 방전 핀으로부터 나오는 스트리머(38)의 전기장으로 인해 반발력을 경험할 것이다. 이러한 배열은, 각각의 스트리머가 모든 면으로부터 제약되고 상대 전극 쪽으로 이동되는 것을 보장한다. 주변 스트리머로부터의 이러한 제약은 2차 스트리머의 형성을 방지하고, 스트리머 헤드에서 고에너지 전자를 충분한 수로 보장하여, 효율적인 이온화 및 라디칼 형성을 초래한다. 주변 스트리머에 의한 근접 제약(proximity constraint)의 이러한 교시를 배치하여, 라디칼 발생 장치는 도 8에 개시되어 있다. 라디칼 발생기(40)는 실린더형 상대 전극(41)에 의해 둘러싸인 중심 실린더형 방전 전극 조립체(42)를 포함한다. 중심 방전 전극 조립체(42)는 적어도 말단 캡(43)에 의해 상대 전극으로부터 전기적으로 절연된다. 선택적으로, 이러한 장치는 방전 전극 조립체(42)의 동심도(concentricity)를 유지하기 위해 2개의 말단 캡을 포함한다. 말단 캡은 동심(concentric) 유입 유로(flow path)(44) 및 유출 유로(45)를 포함한다. 유입 및 유출 유로는 호환적임을 주지한다. 말단 캡(43)은 비-전도성 물질로 만들어진다. 선택적으로 상기 물질은 아크릴이고, 선택적으로 상기 물질은 세라믹이다. 기체 공급장치(본원에 도시되지 않음)는 기체를 장치 내에 공급하며, 이러한 기체는 방전 갭(46)을 통과한다. 적합한 전압 펄스의 인가 시, 스트리머는 방전 전극 조립체로부터 나와 상대 전극 쪽으로 이동하고, 다시 방전 갭 내의 기체 스트림 내에서 라디칼을 발생시킨다.

도 9에서 방전 전극 조립체(52)의 구성이 더 도시되어 있다. 이러한 단면도는 라디칼 발생기(40)의 (47)에서 관찰한 것이다. 예시된 바와 같이, 방전 핀(58)은 방전 핀(57)으로부터 소정의 각도에서 포지셔닝되고, 이로써 표면 방전 전극 조립체(52)를 따라 핀의 균일한 분포를 유지시킨다. 선택적으로, 균일한 전기장 제약이 전극 조립체의 원주(circumference) 둘레의(around) 각각의 스트리머 둘레로 유지된다. 방전 핀의 주기적인 분포는 도 10에 더 예시되어 있다. 전술한 바와 같이, 방전 핀의 수가 많을수록, 더 많은 수의 스트리머가 형성될 것이고, 라디칼 발생 효율은 더 좋아질 것이다. 그러나, 이들 방전 핀을 비용 효과적인 제작 기술로 정확하게 포지셔닝하는 것이 본 발명의 교시의 실시를 위한 주된 고려사항이다. 개시된 전극 조립체(60)는 밀(mill)/레이드(lathe) 기계에 의해 비용 효과적으로 기계화될 수 있다. 구체적인 피라미드형 구조는 당업자가 양호한 정확도를 유지하고 핀 변형을 피할 수 있게 한다. 적합한 전압 펄스의 인가 시, 도 11에 예시된 바와 같이, 제약된 1차 스트리머가 전체 전극 조립체로부터 나와서, 방전 공간을 통해 전파된다. 스트리머 헤드는 상대 전극(76) 쪽으로 이동함에 따라 이온화 전방(74)을 형성한다. 이러한 배열은 높은 라디칼 발생 효율을 보장한다. 특히, 기체가 정제 또는 화학 반응을 위해 방전 공간 내부에서 처리되는 경우, 스트리머 헤드에 의해 형성된 이온화 전방의 균일한 상호작용은 효과적이며 신속한 화학 반응을 보장한다. 본 발명의 스트리머 헤드에 의해 형성된 이온화 전방(84)의 투시도는 도 12에 도시되어 있다. 스트리머 전방(94)의 단면도는 도 13에 도시되어 있다. 기체가 방전 공간을 통과함에 따라, 스트리머 전방과의 연속적인 상호작용은 이온화 및 라디칼 형성, 뿐만 아니라 연관된 화학적 전환을 보장한다.

본원에 개시된 바와 같이 인가 전압은 변화시키지 않으면서 주변 스트리머의 반발장에 의해 스트리머 헤드를 제약하는 능력은 당업자로 하여금 선택적 에너지 수준을 가진 전자를 갖는 확률 밀도 분포를 시프트할 수 있게 한다. 결과적으로, 당업자는 확률 밀도 분포를 5 eV 부근으로 포커싱함으로써 풍부한 OH^* 라디칼을 선택적으로 발생시킬 수 있는 반면, N^* 라디칼은 확률 밀도 분포를 9 eV 부근으로 시프트함으로써 효과적으로 발생될 수 있다. 기체 혼합물에서는 OH^* 라디칼이 선택적으로 발생될 수 있는 한편, O^* 및 N^* 라디칼을 선택하는 것은 불가능하다. 더 높은 에너지 전자가 N^* 라디칼을 형성하는 한편, 수분 및 산소가 기체 혼합물에 존재한다면 이들 전자는 풍부한 OH^* 및 O^* 라디칼도 형성할 것이다. 그러나, 건조 기체에서, 당업자는 오존 생성에 중요한 O^* 라디칼을 선택적으로 발생시키고 N^*는 억제시킬 수 있다. 선택적으로, 정제된 산소는 O* 라디칼, 다시 말해 오존만 발생시키는 데 사용될 수 있다. 방전 핀의 극성, 인가 전압, 장치의 기하학적 매개변수(방전 전극 조립체뿐만 아니라 방전 갭), 및 펄스 폭은 라디칼의 선택성뿐만 아니라 수율에 영향을 미치도록 맞춰질 수 있다. 포지티브 스트리머 헤드에서 전기장 증강은, 이것이 방전 갭을 통해 이동함에 따라 계속 증가하는 반면, 네거티브 스트리머의 팁에서의 증강된 전기장은 이의 이동 동안 감소한다. 결과적으로, 포지티브 스트리머의 경우, 방전 공간 전체에 걸쳐 고에너지 전자의 이용 가능성이 일반적으로, 네거티브 스트리머보다 높다. 방전 갭 및 펄스 폭은 상기 정의된 비율 R을 결정한다. 더 높은 인가 전압은 스트리머 속도를 증가시키고, R을 낮춘다. R이 작을 때 최고 수율이 발생하지만, 매우 작은 R은 전력 공급 디자인뿐만 아니라 전환 효율과 연관된 복잡성으로 인해 바람직하지 않을 수 있다. 일반적으로, OH* 라디칼(낮은 해리 에너지를 필요로 함)을 선택적으로 발생시키기 위해, 더 큰 방전 갭이 바람직할 수 있는 반면, 더 높은 전자 에너지를 필요로 하는 라디칼에 대해서는 더 작은 방전 갭이 선택될 수 있다. 그렇지만, 방전 핀 기하학 및 핀간 거리와 같이 많은 다른 매개변수가 존재하며, 이는 주어진 방전 갭 및 전기적 매개변수에 대해 유사한 결과를 달성하기 위해 맞춰질 수 있다.

본원에 개시된 스트리머 헤드 국한 외에도, 당업자는 또한, 선택적 결과를 달성하기 위해 방전 전극의 극성을 선택할 수 있다. 포지티브 스트리머는 네거티브 스트리머와 비교하여 더 높은 전기장 증강을 가진다. 따라서, OH^* 또는 O^* 라디칼을 최대화하기 위해서는 방전 전극의 네거티브 극성이 바람직한 반면, N^* 라디칼의 경우 방전 전극의 포지티브 극성이 바람직한 옵션이다. 그러나, 두 경우 모두에서, 본원에 개시된 스트리머 헤드 국한으로 인해 전기장 증강 방법이 이용 가능하다.

이제 도 14를 참조로 하여, 많은 샤프 방전 핀들이 실린더형 표면 상에 배열되어, 많은 수의 스트리머 및 따라서 효과적인 라디칼 발생을 제공할 수 있다. 그러나, 이러한 샤프 핀의 제작은 번거롭고 비용이 많이 든다. 이러한 유형의 핀(102)이 갖는 추가의 문제점은 도 15에 예시되어 있으며, 이 도면은 전극 조립체(100)를 배치하도록 제작된 장치에서 공급 기체의 유동 시뮬레이션을 보여준다. 상기 시뮬레이션은 유동 시뮬레이션 소프트웨어 Fluent 16.0에 의해 30 m³/시(hour) 기류 및 5 mm의 방전 갭에서 수행되었다. 광범위한 라이트 쉐이딩(light shading)에 의해 알 수 있듯이, 유의한 기체 분획이 전극간 공간(118)을 통과한다. 스트리머가 핀 팁으로부터 나오기 때문에, 핀간 공간을 통과하는 기체 분획은 스트리머 헤드의 이온화 전방과 결코 상호작용하지 않을 것이다. 사실상, 이러한 기체가, 스트리머 헤드와 상호작용한 이온화된 기체와 충돌하면, 상기 기체는 유의한 라디칼 손실을 초래한다. 피라미드형 방전 핀(122)의 이득은, 전극 조립체(60)를 배치하도록 제작된 장치 내에서 공급 기체의 유동 시뮬레이션을 보여주는 도 16에 예시되어 있다. 전극 조립체(60)는 핀간 공간을 통한 기체 유동의 차단을 제공한다. 도 16을 참조로 하여, 다크 쉐이딩으로부터 핀간 공간(128)에서의 유동 속도가 가장 낮고, 대부분의 기체가 방전 공간을 통과하도록 강요받고, 이러한 방전 공간에서 기체는 스트리머의 이온화 전방과 상호작용하도록 강요받는다는 것을 알 수 있다. 이는 높은 정도의 이온화 및 라디칼 형성, 뿐만 아니라 효과적인 화학 반응을 보장한다. 핀간 갭에서는 기체 속도가 낮긴 하지만, 점화 팁(132)에서의 기체 속도는 도 17에 도시된 바와 같이 방전 공간(134)에서와 꽤 유사하다. 점화 팁에서의 기체 유동은 불순물, 수분 및 이온의 축적을 방지하기 때문에 유익하다. 불순물의 축적은 장치의 성능에 영향을 미치고, 특히 물방울의 축적은 아크 및 핀 손상을 초래할 수 있다. 방전 공간에서의 기체 유동의 유의성은 하기에서 더 고찰될 것이다.

방전 전극 조립체에 선택적인 디자인은, 피라미드형 방전 핀이 오직 1개의 점화 팁을 포함하는 도 18에 제시된다. 도 18에 도시된 바와 같이 피라미드의 기부는 실질적으로 연결되어 있고, 일부 양태에서는 피라미드 기부들 사이에 공간을 포함할 수 있는 한편, 본원에 예시된 바와 같이 다른 공기 유동 방지 디자인이 선택적으로 사용될 수 있다. 도 16 및 도 17에 예시된 유동 이득이 디자인에서 대체로 실현될 것이긴 하지만, 점화 팁의 감소는 스트리머 수를 감소시킬 것이다. 당업자는 등가 수(equivalent number)의 방전 핀 및 따라서 등가 수의 점화 팁을 기계화할 수 있으나, 방전 핀들 사이에 더 깊은 골(valley)을 갖는 더 좁은 피라미드를 필요로 할 것이다. 특히, 점화 팁에서 낮은 질량 및 따라서 강성도(stiffness)로 인해, 기계화 동안 샤프 팁을 유지시키는 것이 매우 번거로울 것이다. 다른 한편, 본원에 교시된 정사각형 프로파일은 4개의 점화 팁을 제공하는 것 외에도 밀착(tight) 관용성을 달성하기 위한 단단한 기부를 제공한다. 나아가, 취급뿐만 아니라 작동 동안 기하학적 정확성을 유지하는 것은, 본원에 개시된 다수의 점화 팁을 갖는 방전 핀을 포함하는 전극 조립체에서 더 용이하다. 도 10에 제시된 방전 전극 조립체가 실린더형이긴 하지만, 선택적으로 다른 모양, 예컨대 편평하거나, 원뿔형이거나 또는 반구 모양일 수 있다. 실린더형 및 편평형 전극은 표준 기계화 기술 및 규모 확대에 의해 제작에 편리하다.

방전 전극 조립체의 제작에 이용되는 물질에 더 관심을 기울인다. 방전 공간에서의 환경은 자유 라디칼의 존재로 인해 화학적으로 매우 활성이다. 공급 기체에 따라, 라디칼은 복잡한 화합물을 형성하는 방전 핀을 산화시키거나, 질화시키거나 또는 가수분해시킬 수 있다. 따라서, 원치 않는 악화를 방지하기 위해, 전극은 양호한 내화학성뿐만 아니라 양호한 전기 전도성을 갖는 물질 그룹으로 제조되어야 한다. 특히, 샤프 점화 팁을 갖는 방전 핀은 빠르게 반응하여 이들의 기하학적 특성뿐만 아니라 전기 전도성을 상실하는 경향이 있다. 나아가, 방전 전극의 극성은 이의 수명에도 영향을 미치며; 포지티브 극성(애노드)은 네거티브(캐소드) 극성과 비교하여 화학적 활성을 증가시킨다. 포지티브 극성을 갖는 방전 핀에는 실리콘 카바이드와 같은 물질이 바람직한 반면, 특히 포지티브 극성을 갖는 방전 핀에 스테인리스강과 같은 물질이 선택적으로 사용될 수 있다. 전극 상에서 스트리머의 계속된 충돌로 인한 부식 반응을 방지하기 위해 그래파이트 또는 탄소질 상대 전극이 선택적으로 사용될 수 있긴 하지만, 특히 티타늄 및 스테인리스강과 같은 금속이 선택적으로 사용될 수 있다.

상기 고찰된 바와 같이, 방전 장치에 인가되는 전기적 매개변수는 장치의 작동 특징, 다시 말해 라디칼의 결과적인 성질 및 수율을 결정한다. 일반적으로, 인가된 전기장은 선택적으로 10-200 kV/cm, 선택적으로 10-100 kV/cm 범위일 수 있다. 그러나, 인가된 전기장은 주어진 유형의 스트리머에 대해 최대화되어야 하긴 하지만, 상기 전기장은 방전 공간의 저항을 저하시키지 않으면서 관용 범위에 있어야 한다. 더 높은 인가 전압은 방전 전류 및 방전 갭에서 이온화를 증가시키고, 점화 지연을 낮춘다. ADS(네거티브)에 대한 인가된 전기장은 선택적으로 25-50 kV/cm이고, CDS(포지티브)에 대해서는 선택적으로 20-40 kV/cm이다. 매우 짧은 펄스 및 큰 방전 갭은 피해져야 한다. 펄스 폭은 선택적으로 10 나노초(ns) 내지 50 마이크로초로 다양할 수 있다. 이와 같이, 펄스 폭은 선택적으로 50 ns 내지 5 마이크로초이고, 선택적으로 200 ns 내지 1 마이크로초이다. 방전 갭을 감소시킴으로써 에너지 전달 효율은 상당히 증가될 수 있다. 첫째로, 방전 갭이 감소함에 따라, 평균 전기장은 증가하고, 이는 플라즈마 저항의 감소를 초래한다. 둘째로, 더 짧은 방전 갭의 경우, 스트리머 전파 기간이 감소한다. 펄스 당 에너지 및 펄스 주파수는 장치에 의한 전체 전력 소모를 결정하는 2개의 중요한 매개변수이다. 방전 핀 당 소멸되는 에너지는 선택적으로 0.1 μJ 내지 100 μJ, 선택적으로 1.0 μJ 내지 20.0 μJ일 수 있다. 주파수는 선택적으로 100 Hz 내지 100 kHz, 선택적으로 10 kHz 내지 30kHz의 범위일 수 있다. 점점 더 많은 방전 핀을 조립체하고 그에 따라 에너지를 공급함으로써 상기 장치를 규모 확대시킬 수 있는 것은 의무적이다. 그러나, 라디칼이 형성됨에 따라, 방전 갭의 특징(점화 전압)은 변하고, 이로써, 기체가 방전 공간을 통해 한쪽 말단에서 다른쪽 말단으로 이동함에 따라 인가 전압을 다르게 할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 매우 긴 방전 채널은 권고되지 않고, 방전 채널 길이는 선택적으로 1 cm 내지 1 미터일 수 있으며, 선택적으로 5 cm 내지 50 cm일 수 있다. 기체 유속은 장치에 전달될 수 있는 에너지, 및 차례로 라디칼 농도뿐만 아니라 양에 상당히 영향을 미친다. 낮은 기체 유동이 라디칼 농도를 증가시키는 한편, 수율은 발생 속도와 파괴 속도 사이의 경쟁, 뿐만 아니라 불안정한 점화 전압 및 아크를 초래하는 공간 하전 구축으로 인해 저하된다. 더 높은 기체 유동은 라디칼 농도를 감소시키지만, 수율을 개선한다. 주어진 압력 구배에 대해, 기체 유속은 방전 갭에 의존하고, 따라서, 방전 공간에서의 기체 속도는 적절한 장치 작동을 위해 유용한 매개변수이다. 방전 공간에서의 기체 속도는 선택적으로, 0.1 m/s 내지 200 m/s의 범위일 수 있다. 이와 같이, 방전 공간에서의 기체 속도는 선택적으로 2 m/s, 선택적으로 5 m/s, 선택적으로 10 m/s, 선택적으로 15 m/s, 선택적으로 20 m/s, 선택적으로 30 m/s, 선택적으로 40 m/s, 선택적으로 50 m/s, 선택적으로 60 m/s이다. 용적 에너지, 즉, 기체 1 리터 당 에너지는 장치의 중요한 특징이다. 용적 에너지는 선택적으로 5 J/L 내지 5 kJ/L, 선택적으로 200 J/L 내지 1 kJ/L로 다양할 수 있다.

이제 도 19를 참조로 하여, 선택적인 디스크형 방전 전극이 제공된다. 방전 전극(150)은 디스크의 원주를 따라 배열된 4개의 점화 팁을 갖는 방전 핀(152)으로 구성된다. 나아가, 방전 전극은 중심 홀(158) 및 스페이서(154)를 포함한다. 개별 스페이서가 선택적으로 사용될 수 있긴 하지만, 중심 홀(158)의 제조 동안 제작될 수 있는 인테그럴(integral) 스페이서(154)를 갖는 것이 바람직하다. 이들 전극을 예정된 패턴에 따라 중심 막대(rod) 상에 포지셔닝하기 위해 추가의 키 슬롯(156)이 제공된다. 키 슬롯의 수는 방전 전극의 직경, 방전 핀의 크기, 및 방전 핀들 사이의 갭을 기초로 결정된다. 본 발명의 교시에 따라 정렬되는 경우, 도 20에 예시된 바와 같이 본 발명의 교시에 따라 이러한 핀은 상대 전극에 근접해질 때 4개의 스트리머를 발생시키고 이들에 걸쳐 적합한 전압이 인가되도록 디자인된다. 예시만을 목적으로 해서, 조립체(160)는 키(168) 상에 고정된 단일 방전 전극, 및 방전 핀들 중 하나로부터 나와 상대 전극(166) 쪽으로 향하는 4개의 스트리머(164)를 보여준다. 그러나, 실제 장치에서는 많은 방전 전극들이 함께 조립체될 것이고, 각각의 방전 핀은 본 발명에서 교시된 전기장 근접 제약을 달성하기 위해 동일한 스트리머를 발생시킬 것이다. 도 21은, 제1 전극의 방전 핀(172)이 제2 전극의 방전 핀(172')들 사이의 갭의 중간에 놓이도록 상기 제2 방전 전극 상에 중첩된 상기 제1 방전 전극을 예시하고 있다. 이에, 도 22는 중심 막대(189) 상에서 구조화된 6개의 방전 전극(181-186)의 투시도를 예시한다. 방전 전극의 구조화는 예정된 패턴에 따라 수행된다. 방전 전극을 제자리에 잠그는 데에 1개의 키가 사용되긴 하지만, 키 슬롯은, 이전의 전극에 대한 후속 전극의 방전 핀들 사이에 요망되는 각도가 유지될 수 있도록 각각의 전극의 포지셔닝을 가능하게 한다. 이는 도 23에 더 예시되어 있으며, 여기서, 당업자는 6개의 전극이 조립체된 후에는 핀간 갭을 통해 관찰할 수는 없다. 다시 말해, 핀 폭이 "a"이고 핀간 갭이 "5a"인 경우, 제6 전극은 제1 전극의 반복이다. 이와 같이, 0.25 mm x 0.25 mm의 단면을 갖는 방전 핀은 1.25 mm의 핀간 갭을 필요로 할 것이다. 핀간 갭에 대한 핀 폭의 치수비(dimensional ratio)는 선택적으로 다양할 수 있고, 항상 1:5 비율로 유지될 수 있는 것은 아니다. 본원에서 중요한 목적은, 스트리머들 사이의 거리가 균일하게 유지되고 방전 핀이 방전 전극 조립체의 원주 상에 균일하게 분포되도록 이들 방전 핀을 포지셔닝하는 것이다. 이러한 배열은 핀간 갭을 통한 공기 유동의 차단을 제공하여, 효과적인 라디칼 발생 및 연관된 반응을 위해 공급 기체가 스트리머 헤드와 상호작용하도록 강요한다. 전극의 예시적인 조립체는 도 24에 도시되어 있고, 상부에서 봤을 때 알 수 있듯이, 제6 전극의 팁은 보이지 않는다. 대안적인 양태에서, 핀간 갭의 회전 방향을 계속하는 대신, 핀간 갭에서 기체 유동의 차단을 완성하는 핀을 따라, 지향성 회전(directional rotation)이 선택적으로 역전되어, 핀간 갭에 대해 교대 지향성 배치(alternating directional configuration)를 형성할 수 있다. 도 25는 실린더형 상대 전극(216) 내부에서 동심원적으로 배치된 전극 조립체(212)의 투시도를 보여주며, 방전 핀들 사이의 공간은 방사상 방향 및 축방향 둘 다에서 동일하다. 이는 본 발명에 교시된 바와 같이 균일한 스트리머 국한, 뿐만 아니라 공급 기체(214)가 방전 갭을 통해 통과함에 따라 상기 공급 기체와 이온화 전방의 균일한 상호작용을 보장한다. 이들 전극은 대량 제조를 위해 레이저 빔 또는 전자 빔에 의해 편리하게 정밀 절단되거나 또는 스탬프(stamped)될 수 있다. 일부 양태에서, 방전 전극의 스페이서는 선택적으로 0.5 mm 내지 20 mm, 선택적으로 1 mm 내지 10 mm, 선택적으로 1.5 mm 내지 5 mm이다. 이에, 핀간 갭은 선택적으로 0.5 mm 내지 20 mm, 선택적으로 1 mm 내지 10 mm, 선택적으로 1.5 mm 내지 5 mm이다. 이와 같이, 핀의 단면적은 선택적으로 0.05 mm x 0.05 mm 내지 10 mm x 10 mm, 선택적으로 0.1 mm x 0.1 mm 내지 2.5 mm x 2.5 mm이다.

도 26을 참조로 하여, 본 발명의 자유 라디칼 발생기는 본 발명의 교시에 따라 배열된 디스크형 방전 전극을 포함하며, 이들을 전기적으로 절연시키는 말단 캡(223)을 통해 상대 전극(221) 내부에 동축 배치된 방전 전극 조립체(222)를 포함한다. 적절한 전압의 인가 시, 도 27에 예시된 바와 같이 다수의 자가-제약형(self-constrained) 스트리머가 방전 전극(232)으로부터 나와, 상대 전극(236) 쪽으로 공급 기체 내에서 상당한 양의 자유 라디칼을 발생시키는 균일한 이온화 전방(234)을 제시하면서 전파한다. 정사각형 방전 핀 대신, 당업자는 도 28에 예시된 바와 같이 6각형 핀을 이용할 수 있다. 6각형 핀(242)이 6개의 스트리머(244)를 발생시킬 수 있긴 하지만, 자동 기계화 공정을 통한 6각형 핀의 제조는 번거롭다. 그럼에도 불구하고, 이러한 전극 조립체에 대한 스트리머 밀도는 도 29에 예시된 바와 같이 높을 것이다.

스트리머가 방전 공간을 통해 횡단할 때, 전자 및 이온이 둘 다 상기 방전 공간에 축적될 것으로 이해될 것이다. 방전 공간의 전도성은 연속 스트리머 발생을 위한 연속 전압 펄스의 적용에 중요한 역할을 한다. 따라서, 방전 공간에서 기체 유동은 중요한 역할을 한다. 기체 유동이 높을수록, 방전 공간, 특히 점화 팁으로부터의 이온의 드리프팅(drifting)이 더 효과적이다. 한편, 낮은 기체 속도(~ 2 m/s)는 더 높은 라디칼 농도를 초래한다. 실제 장치의 디자인 목표 중 하나는, 발생기는, 라디칼을 요망되는 농도에서 발생시킬 수 있기 위해 상이한 기체 유속에서 진행되는 능력을 가져야 한다는 것이다. 특히 방전 공간에서 구축된 공간 하전은 장치의 기능에 중요한 역할을 한다. 도 30에 예시된 바와 같이, 연속 펄스에 대한 전형적인 출발 전압(262, 264, 266)은 방전 공간에 구축된 공간 하전으로 인해 다양하다. 이는, 장치 작동을 제어하는 데 있어서 실제적인 문제점을 발생시킨다. 인가 전압 펄스가 스트리머 횡단 기간을 매치하기 위해 정확하게 타이밍되더라도, 가변적인 저항으로 인해 전극들 사이에 아크가 구축될 수 있다. 아크는 장치 수명뿐만 아니라 장치의 효율에 악영향을 미친다. 이에, 방전 공간에 축적되는 공간 하전을 배출하기 위해 연속 펄스들 사이에 바이어스 전압을 인가하는 단계를 포함하는 제어 기전이 본원에 개시된다. 도 31을 참조로 하여, 바이어스 전압이 인가되는 경우, 방전 공간 내 공간 하전이 배출되고, 따라서 방전 공간의 저항을 기저(base) 수준까지 낮추고, 다시 각각의 펄스는 고정된 전압(272)에서 출발한다. 바이어스 전압은 실제 펄스 전압(1 내지 100 kV, 선택적으로 5 내지 20 kV, 선택적으로 7 kV 내지 0 kV)과 비교하여 선택적으로 0 내지 500V이고, 이의 크기(magnitude)는 기체 유속 및 이의 조성, 전극 디자인 및 인가 전압과 같은 몇몇 매개변수에 의존한다. 스트리머 방전은 또한, 기체 유동을 생성하는 것으로 공지되어 있다. 방전 공간 내의 이온은 가속화되고, 충돌을 통해 이온의 운동량(momentum)이 중립(neutral)까지 전달되어 기체 유동이 초래된다. 방전 공간에서의 기체 속도가 높을 때(>5 m/s), 방전 공간, 특히 점화 팁으로부터의 공간 하전의 이동으로 인해 전도성이 감소되기 때문에, 바이어스 전압의 효과는 덜 중요해진다.

산소, 질소 및 수분을 함유하는 기체 혼합물에서, O^*: N^*: OH^*: H^*의 비율은 기체 조성뿐만 아니라 전자 에너지의 생성물 및 이의 확률 밀도 분포에 의존한다. 종래의 용적 방전에서, 확률 밀도 분포 및 전자 에너지 수준은 커플링된다. 즉, 더 높은 인가 전압은 확률 밀도 분포를 증가시킬 것이며, ~ 0 -10 eV 이상에서 스패닝하는(spanning) 에너지 수준을 갖는 전자를 포함할 것이다. 따라서, 습한 기체에서, OH^* 라디칼(~ 5 eV의 전자 에너지를 필요로 함)의 수를 증가시키기 위해, 당업자는 일부 원치않는 O^* 라디칼(~ 7 eV의 전자 에너지를 필요로 함)을 취급해야 한다. 다른 한편으로, 기체 혼합물에서 N^* 라디칼을 발생시키기 위해, 당업자는 OH^* 및 O^* 라디칼을 자동적으로 발생시킬 것이다. 나아가, 라디칼 O^*, N^*, OH^*, H^*는 다른 분자와 빠르게 반응하여, HO^* ₂ 또는 O^* ₃와 같은 2차 라디칼을 형성할 수 있다. CO₂ SO₂ 또는 NO 또는 C₂H₄와 같은 오염물질이 존재한다면, O^*, N^*, OH^*, H^*, HO^* ₂ 및 O^* ₃은 이들의 라디칼과 반응하거나 또는 이들과 직접 반응하여 다른 부산물을 초래할 수 있다. 예를 들어, N^* 라디칼은 NO를 N₂로 환원시킬 수 있다. 라디칼의 유형에 맞추는 능력은 선택적으로, 하기 상세히 예시될 바와 같이 몇몇 신규 적용을 가능하게 한다.

배경으로서, 신선한 생산물 및 과일의 저장 수명은 저장 온도뿐만 아니라 저장 환경에 의존한다. 에틸렌은 숙성(ripening) 및 노화의 유발과 같은 많은 효과를 가진 천연 식물 호르몬이다. 일부 과일 및 채소는 에틸렌 기체를 숙성의 천연 생성물로서 생성하고, 이들의 숙성을 가속화함으로써 이러한 기체에 반응한다. 다른 것들은 에틸렌을 생성하지 않지만, 이에 매우 민감하다. 민감한 생산물의 경우, 미량의 에틸렌 기체는 낮은 저장 온도에서라도 숙성 과정을 크게 가속화시킬 것이다. 연장(prolonged) 공기 또는 조절 공기(CA) 저장에서, 과일 및 생산물은 에틸렌-유도 연화(softening)를 겪고, 일부 경우에는 에틸렌-유도 피부 세포 사멸을 초래한다. 저장 초기 단계 동안 매우 낮은 에틸렌 농도를 유지하는 것은 장기간 연장 동안 연화를 지연시키는 데 있어서 중대하다. 나아가, 저장 환경에서의 미생물 성장은 또한, 부패 및 손상을 촉진한다. 따라서, 저장 환경의 제염은 더 장기간의 저장 수명을 달성하는 데 중대하다. 이제 도 32를 참조로 하여, 많은 변형들이 있긴 하지만, 전형적인 냉장(리퍼) 수송 용기는 냉장 구획(284)을 포함하며, 이 구획을 통해, 저장 구획으로부터의 리턴 공기(287)가 열 교환기를 통과하고, 이의 과도한 열 로드(load)를 방출하고, 생성된 냉기(281)는 저장 구획으로 다시 재순환되고, 이 저장 구획에서 생산물(286)이 저장된다. 전형적으로, 용기 하부는 냉기(281)를 생산물 로드(produce load)(286)를 통해 분포시키는 공기 분포 채널(283)로 구성된다. 냉기(281)는 생산물로부터 열을 제거하는 한편, 생산물 상에서 천연적으로 형성된 에틸렌뿐만 아니라 미생물을 골라낸다. 오염된 공기(287)는 공기 수합 통로(285)를 통해 냉장 구획으로 되돌아간다. 그렇지만, 냉장 시스템은 열을 제거하며, 에틸렌 및 미생물 로드는 임의의 개입 방법의 부재 하에 저장 챔버로 다시 재순환된다. 결국, 에틸렌 수준은 구축을 유지하고, 생산물에 심각한 손상을 입힌다. 라디칼 발생기를 배치하는 공기 스트림으로부터 에틸렌 및 미생물을 제거하는 방법이 본원에 개시된다. 이러한 방법은 본 발명의 자유 라디칼 발생기(282)를 리퍼 수송 용기의 공기 순환 통로에 배치하여, 에틸렌 및 미생물 오염원을 스크럽하는 단계를 포함한다. 자유 라디칼 발생기(282)는 선택적으로 팬/송풍기(285')를 포함하며, 이는 오염된 공기(281')를 공기 순환 스트림으로부터 끌어내어 이 공기를 방전 전극 조립체(284') 및 상대 전극(283')에 의해 형성된 방전 공간을 통해 밀어 넣는다. 선택적으로, 상대 전극은 촉매 반응을 증가시키기 위해 촉매 물질(들)을 함유할 수 있다. 선택적으로, 냉장 시스템의 순환 송풍기를 이용하여, 공기를 라디칼 발생기를 통해 지향시킬 수 있다. 선택적으로, 방전 장치(282')는 저장 구획 내에 배치된다. 오염된 공기가 이의 조성에 따라 방전 공간을 통과함에 따라, 많은 자유 라디칼뿐만 아니라 준안정 물질(metastable)이 방전 공간에 형성되어, 이는 결국 다른 형태의 화학 반응을 초래한다. 자유 라디칼은 또한, 공기 스트림 내에서 미생물을 파괴한다. 전형적으로, 신선한 생산물/과일 저장 환경은 대략 85-90%의 높은 상대 습도를 함유한다. 물분자는 OH* 라디칼로 해리되고, 대략 ~5 eV의 전자 에너지를 필요로 한다. 부수적으로, 에틸렌 C₂H₄는 또한, 동일한 범위(~4.5 eV)에서 해리 에너지를 가진다. 이들 외에도, O* 라디칼이 또한, 방전 공간에서 형성된다. 나아가, 채소 및 과일은 호흡하고(respire); 이들은 산소(O₂)를 흡수하고 이산화탄소(CO₂)를 배출한다. 리턴 공기 내의 CO₂는 또한, 방전 공간 내에서 CO 및 O로 해리될 수 있다. 방전 공간 내에서, 특히 O* 또는 OH* 라디칼뿐만 아니라 이들의 2차 라디칼의 존재 하에 에틸렌 및 CO₂를 다른 화학물질 형태로 전환시키는 데는 몇 가지 방식이 존재한다. 자유 라디칼 외에도, 방전 공간은 선택적으로 또한, UV를 발생시키며, 이러한 UV도 함께 미생물로부터 공기 스트림을 제염시킨다. 자유 라디칼 발생기(282')는 선택적으로 필터(288')를 포함하며, 이러한 필터를 통해 방전 공간으로부터의 처리된 공기(287')가 여과된다. 필터(288')는 선택적으로, 방전 공간에서 발생하는 복잡한 화학 반응의 부산물을 흡수한다. 예를 들어, 산소의 존재로 인해, 오존이 통상적으로 방전 공간에서 형성된다. 처리된 공기 내에서 오존의 낮은 수준이 생산물의 표면을 제염시키는 데 유익할 수 있긴 하지만, 많은 생산물 및 과일은 상승된 수준의 오존에 민감하다. 필터(288')는 선택적으로 오존을 파괴한다. 상이한 화합물을 흡수/파괴하기 위해 이러한 필터를 디자인하는 방식은 많이 존재하고, 하나의 선택적인 방법은 이산화망간/산화구리와 같은 미립자층을 이용하는 촉매 경로(catalytic path)를 채택하는 것이다. 선택적으로, 라디칼 발생기는 처리된 공기가 촉매 필터를 통과하는 것을 피하는 우회(도시되지 않음) 기전을 포함한다. 이러한 경우, OH* 및 O₃와 같은 일부 자유 라디칼을 유익한 표면 제염용 용기로 보낸다. 본원에서 생산물 및 과일 저장예가 리퍼 용기를 통해 예시되어 있긴 하지만, 이러한 방법은 본 발명의 교시에 따라 종래의 정적(stationary) 냉각 저장 또는 임의의 다른 저장 공간에서 효과적으로 이용될 수 있다.

배경으로서, 조절 공기 저장(CA)은 표준 냉장 냉각 저장에 대한 바람직한 대안이며, 이에 의해 산소 수준은 감소되고, CO₂는 증가된다. 신선한 생산물을 각각의 물품이 관용하는 범위 내에서 낮은 O₂ 및/또는 상승된 CO₂ 분위기에 노출시키는 것은, 이들 생산물의 호흡 및 에틸렌 생성 속도를 감소시키지만; 이러한 범위를 벗어나면 호흡 및 에틸렌 생성 속도가 자극될 수 있으며, 이는 스트레스 반응을 가리킨다. 이러한 스트레스는 생리학적 장애의 발생 및 부패에 대한 증가된 취약성에 기여할 수 있다. 상승된 CO₂-유도 스트레스는, 낮은 O₂, 물리적 또는 화학적 손상, 및 물품에 대한 최적 범위를 벗어난 온도, 상대 습도(RH) 및/또는 C₂H₄ 농도에의 노출에 의해 유발되는 스트레스에 부가적이고 이따금 상승작용적이다. 따라서, CO₂, O₂, RH 및 C₂H₄의 수준은 CA에 대한 범위 내에서 조심스럽게 조절된다. 최적의 CA 조건 하에, 많은 생산물 유형들은 보통때보다 2 내지 4배 더 길게 저장될 수 있다. 전형적인 CA 저장 설비는 온도 및 습도 조절 시스템 외에도 CO₂, O₂ 및 C₂H₄ 스크러버(scrubber)를 포함한다. 이제 도 33을 참조로 하여, CA 저장 환경에서 C₂H₄ 및 CO₂를 조절하는 방법이 개시된다. 방법(290)은 오염된 공기를 방전 공간을 통해 지향시켜 에틸렌 및 CO₂를 상술된 바오 같이 필터에 흡수될 수 있는 생성물로 화학적으로 전환시키기 위해 자유 라디칼 발생기(292)를 배치하는 단계를 포함한다. 산소 부족 환경에서는 자유 라디칼 발생기의 작동에 특히 주의를 기울인다. 미국 특허 # 8293171 및 8388900은 오존을 이용하여 에틸렌을 CO₂로 전환시키는 기술을 개시하였다. 에틸렌과 오존 사이의 반응 속도는 동역학적으로 느리고, 합리적인 전환율을 달성하기 위해 높은 오존 수준을 필요로 한다. 추가로, 이러한 기술은 CA와 같이 산소 부족 환경에서는 작동하지 않을 것이다. 또한, 부산물 CO₂는 CO₂ 스크러버에 추가의 로드를 제공한다. 그러나, 개시된 방법은 CA 분위기가, 마찬가지로 방전 공간에서의 전자 충돌로 인해 해리되는 C₂H₄의 전환을 위해 OH* 라디칼로 선택적으로 해리될 수 있는 유의한 양의 수분을 함유하므로, 산소에 의존적이지 않다. 동역학적으로, 전환 공정은 더 빠르고, 매우 낮은 농도의 라디칼에서 작동한다. 동시에, CO₂ 전환이 또한 수득될 수 있고, 개별 CO₂ 스크러버에 대한 필요성을 배제하는 것이 가능하다.

그렇지만, 냉장 용기 및 냉각 저장이 선진국에서 신선한 생산물 유통을 위한 기준(norm)이 되긴 했지만, 세계적으로 많은 곳에서는 아직도 비-냉장 수송 및 수송에 의존하고 있다. 이를 위해, 비-냉장 인클로저(enclosure)에서 에틸렌 및 미생물 스크럽을 관리하기 위한 방법이 본원에 개시된다. 도 34를 참조로 하여, 인클로저(300)는 본 발명의 라디칼 발생기(301), 선택적인 증발식 냉각기(302) 및 선택적으로 위축성 프레임(307)을 포함할 수 있다. 배경으로서, 신선한 생산물 및 과일은 상이한 민감성을 가진다. 예를 들어, 사과 및 토마토는 에틸렌 생성자이다. 그러나, 사과는 대사 활성 및 에틸렌 생성을 최소화하기 위해 전형적으로 약 32℉에서 저장되지만, 토마토는 이들이 냉기에 민감하므로 이러한 온도에서 저장될 수 없다. 유사하게는, 양배추 및 콩은 에틸렌을 생성하지 않지만, 에틸렌에 고도로 민감하다. 추가로, 양배추는 전형적으로 약 32℉에서 저장되는 한편, 콩은 냉기에 민감하다. 제자리에서 에틸렌 및 미생물을 제거하기 위한 기술을 이용하여, 에틸렌 생성자 및 에틸렌 민감 생산물을 둘 다 공동-저장하여, 이들의 저장 수명을 연장시킬 수 있지만, 온도 관리 시스템의 부재 시에는 그 이용성이 제한될 것이다. 이를 위해, 증발식 냉각기가 사용될 수 있고, 선택적으로 온도를 약 50-55℉에서 유지시킬 수 있다. 따라서, 동결 민감성, 냉기 민감성, 에틸렌 생성자 및 에틸렌 민감성 생산물을 공동-저장하기 위한 "해피존(Happyzone)"이라는 경제적인 저장 환경이 만들어진다. 이 온도가 사과 및 양배추와 같은 동결 민감성 생성물에는 이상적이지 않지만, 에틸렌을 환경으로부터 제거하는 능력은 저온 유통 체계에 대한 차선의 대안을 제공한다. 이제 도 35를 참조로 하여, 방수포와 같은 가요성 커버에 대한 지지체를 제공할 뿐만 아니라 오염된 공기를 수합하고 처리된 공기를 인클로저 내부에 분포시키는 선택적인 위축성 프레임이 개시된다. 위축성 프레임은 플랫베드(318) 상에서 활강하고, 2개의 채널을 포함하며, 이 중에서 분포 채널(316)은 처리된 공기를 인클로저 내로 분포시키는 라디칼 발생기의 출력부(output)에 연결되고, 수합기 채널(315)은 오염된 공기를 반응기에 공급하는 라디칼 발생기의 유입구 팬/송풍기에 연결된다. 일부 양태에서, 냉장 공간과는 달리, 인클로저 내부의 공기는 재순환하지 않는다. 위축성 프레임의 분포 채널 및 수합 채널은 여기서 해당 기능을 제공한다. 인클로저 프레임의 위축도(retracted view)가 도 36에 도시되어 있다. 라디칼 발생기 뿐만 아니라 증발식 냉각기를 작동시키기 위해, 당업자는 벽으로부터 전기를 끌어들이거나 또는 선택적으로 태양 전지판과 함께 배터리 저장 시스템을 사용할 수 있다. 그리드 독립성은 당업자가, 전기가 이용될 수 없는 격지(remote place)에서 수송뿐만 아니라 저장을 위한 인클로저를 사용할 수 있게 한다. 도 37은 인클로저의 지붕 상에서 태양 전지판(332) 통합을 예시한다. 이것이 위축성일 필요가 있기 때문에, 패널은 그것이 기부 프레임과 함께 접히도록(334) 디자인된다. 도 38은 상부 태양 전지판(342), 측면 방수포(346) 및 내부 라디칼 발생기, 공기 분포 위축성 프레임 및 선택적인 증발식 냉각기를 포함하는 완전한 인클로저를 예시한다. 증발식 냉각기는 기능을 위해 물 공급부를 필요로 함을 주지해야 한다. 특히, 수송을 위해 인클로저 물의 사용은 선택적으로, 이하 고찰될 공기로부터 열전기 원리에 의해 발생될 수 있다.

상기 주지된 바와 같이, 공급 기체에서 습도의 존재는 라디칼 발생기에 의해 발생되는 라디칼의 선택, 뿐만 아니라 이들 라디칼을 수반하는 후속 반응에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, O^* 및 OH^* 라디칼은 HO₂ ^* 또는 O₃ ^*와 같은 2차 라디칼을 형성하기 위해 다른 분자와 빠르게 반응할 수 있다. 그러나, 공기 중 유효 물 함량은 온도 및 압력에 의존하고, 이에 OH* 및 관련 라디칼 농도는 유효 물 함량에 의존할 것이다. 예를 들어, 1 대기압에서, 비습도(specific humidity)는 15℃에서 10 g(w)/Kg(공기)인 반면, 비습도는 40℃에서 49.8 g(w)/Kg(공기)까지 증가한다. 선택적으로, 포화점을 초과한 수분의 첨가 또는 즉 방전 공간에의 미스트의 공급은 혁신적인 적용을 초래할 수 있다. 그러나, 방전 장치의 신뢰할 만하고 연속적인 작동을 위해 점화 팁에서 액체의 축적을 방지하는 데 특별히 신경을 써야 한다. 이를 위해, 도 39는 방전 핀 주변으로 기류가 가능하게 하는 카세트 디자인을 예시한다. 카세트 조립체(350)는 방전 전극(352)을 수납(house)하는 2개의 패턴화된 커버 슬립(351 및 353)을 포함한다. 닫혔을 때, 조립체(354)는 각각의 방전 핀(355) 주변에서 내부로부터 외부로 방사상 유로를 만든다. 이러한 방사상 유동은 점화 팁에서 액체의 축적을 방지한다. 점화 팁에서의 액체의 축적은 방전 특징에 영향을 미치고, 종종 아크 및 전극 손상을 초래함을 주지한다. 이제, 캡슐화된 전극은, 도 40에 예시된 바와 같은 다양한 양의 액적을 함유하는 미스트를 공급물로서 이용할 수 있는 훈증 장치를 제조하기 위해 배치될 수 있다. 훈증 장치(360)는 캡슐화된 방전 전극(364)을 포함하는 방전 전극 조립체(365), 점화 팁(362)과 마주보는 상대 전극(361), 및 미스트원(misting source)(363)을 포함한다. 전력 공급 장치, 펌프 및 미스트 장치와 같은 부속 장치 및 부속품(fitting)은 본원에 도시되어 있지 않다. 방전 전극 조립체(365)는 상부, 및 챔버를 형성하는 하부로부터 닫혀 있으며, 상기 챔버는 본원에 개시된 방사상 유로를 통해 방전 핀 주변으로 공기 유동이 가능하게 되도록 가압될 수 있다. 미스트가 방전 공간을 통과할 때, 많은 착화합물 라디칼이 형성되며, 이러한 라디칼은 아웃고잉 미스트(366)에 의해 운반되고 하기 예시된 바와 같이 많은 적용들에 배치될 수 있다.

도 41은, 방전 핀(372)이 디스크의 중심 쪽으로 지향되는 선택적인 방전 전극 디자인을 예시한다. 여기서, 방전 핀은 수렴적이고, 팁에서 팁까지의 거리는 등가 전극(352)과 비교하여 작다. 도 42에 도시된 바와 같이,이들 전극은 카세트(380) 내에서 캡슐화되어, 수렴적인 방전 핀 주변으로 기류(382)를 제공할 수 있다. 카세트 조립체(380)를 이용하여, 훈증 장치는 본 발명의 교시에 따라 제조될 수 있다. 도 43은 수렴적인 방전 전극 조립체(392), 상대 전극(391), 공기 챔버(394) 및 미스트원(393)을 배치하는 예시적인 훈증 장치를 예시한다. 아웃고잉 미스트는 여러가지 적용들에 이용될 수 있다. 아웃고잉 미스트의 특징은 담체 기체, 액적 크기 및 함량, 적용된 에너지 및 상호작용 시간과 같은 몇몇 매개변수에 의존할 것이다. 이에, 당업자는 주어진 적용에 선택적인 미스트 특징을 디자인할 수 있다. 공급 기체 내 액적 크기는 선택적으로, 0.2 내지 45 미크론으로 다양할 수 있다. 이와 같이, 액적 크기는 선택적으로 0.4 내지 9 미크론이다. 방전 공간을 통한 높은 공기 속도는 점화 팁에서의 액적 축적을 피할 수 있다. 방전 공간 내 공기 속도는 선택적으로, 10 m/s 내지 200 m/s, 선택적으로 50 내지 150 m/s, 선택적으로 75 m/s 내지 125 m/s로 다양할 수 있다. 25℃ 및 대기압에서, 공급 기체 내 수분 함량은 선택적으로 10 g/kg 공기 내지 200 g/kg 공기, 선택적으로 40 g/kg 공기 내지 100 g/kg 공기이다.

이제, 미스트와의 스트리머 상호작용 및 연관된 화학 반응 및 화학종 발생에 주의를 기울여야 한다. 방전(포지티브 및 네거티브)의 유형, 이의 에너지 및 주변 환경(기체상 및 액체상 둘 다)의 화학적 조성에 따라, 다양한 유형의 화학 반응이 개시될 수 있고, 많은 1차 및 2차 화학종들이 기체 내에서 및 기체-액체(물) 계면에서 스트리머에 의해 형성될 수 있으며, 이는 액체 내로 용해되고 따라서 미스트에 화학적 및 살생물학적 특징을 제공할 수 있다. H₂O + e^- → OH^* + H^*를 초래하는 물의 해리 외에도, 기체 스트림 내 O₂ 및 N₂의 존재로 인해 다른 충돌 사건이 발생하는 경향이 있음을 주지한다. 예를 들어, 산소 라디칼은 하기의 반응을 통해 OH^* 라디칼 발생 쪽으로 가능하게 기여할 것이다:

O(³P) + O₂ + M→ O₃ + M (M= N₂, O_2, O₃ 또는 H₂O) (6)

O₃ + OH^- → O^*- ₃ + OH^* (7)

O^*- ₃ → O^*- + O₂ (8)

O^*- + H₂O → HO^* +HO^- (9)

O(¹D) + H₂O → OH^* + OH^* (10)

여기서, O(¹D) 및 O(³P)는 여기된 상태의 산소 원자이며, M은 임의적인 서드-바디 충돌형 가속기(arbitrary third-body collider), 예를 들어 N₂ 또는 O₂이며, 이러한 서드-바디는 본원에서 에너지 및 운동량을 보존하는 데 필요하다. O(¹D)는 O(¹D) + M → O(³P) + M을 통한 기체 분자와의 이완 충돌로 인해 이의 과도한 에너지를 상실할 수 있지만, 높은 수준의 수분의 존재 시 O(¹D) + H₂O → OH^* + OH^* 반응을 포함한 많은 사건들이 발생할 것임을 주지한다. 그렇지만, OH^* 라디칼은 많은 가능한 반응에서 소모될 수 있으며, 축합된 수분에서 H₂O₂ 형성은 하기의 반응을 통해 발생할 수 있고:

OH^* + OH^* + M→ H₂O₂ + M (M= N₂, O₂, H₂O) (11)

HO^* ₂+ HO^* ₂ → H₂O₂ + O₂ (12)

HO^* ₂+ H₂O→ H₂O₂ + OH^* (13)

HO^* ₂ 2차 라디칼 형성은 하기의 반응을 통해 발생할 수 있으며;

O₃ + OH^* → HO^* ₂ + O₂ (14)

OH^* + OH^* → HO^* ₂ + H^* (15)

OH^* + H₂O₂ → HO^* ₂ + H₂O (16)

O^* + H₂O₂ → HO^* ₂ + OH^* (17)

OH^* 라디칼의 형성을 필요로 한다. 산소 기체-액체(물) 환경에서 스트리머에 의해 발생된 다양한 화학종들 중에서, OH* 라디칼, 산소 원자, 오존 및 과산화수소는 특히 스트리머 상호작용에 의해 유도되는 더 낮은 pH 수준에서 화학 및 생물-불활성화 공정에서 주된 역할을 하는 것으로 일반적으로 허용된 주요 반응성 산소종(ROS)이다.

질소(예를 들어 공기)의 존재 시, 기체-액체 계면에서 생성되는 일시적(transient) 화학종은 반응성 질소종(RNS), 예컨대 NO* 및 NO₂*, 및 퍼옥시니트라이트도 포함할 것이다. 일시적 화학종은 고도로 세포독성이다. 그러나, 이들은 스트리머/액체 시스템에서 이들의 짧은 수명 및 빠른 불균화 반응(disproportionation)으로 인해 측정이 어렵다. 안정한 및 불안정한 중간산물 및 반응 생성물을 둘 다 유발하는 반응의 복잡성 때문에, 스트리머-처리 미스트에서 생물학적 효과는 스트리머/기체-액체 계면에서의 복잡한 상호작용 및 액적에서의 후속 반응의 결과이다. 미스트의 생물학적 효과에서 이들 화학종의 정확한 기전 및 기여도는 아직 완전히 이해되지 않는다. 스트리머-처리 미스트에서 방전 및 방전-후 반응 동안 발생하는 공정들의 가능한 상승작용 효과가 존재한다. 스트리머-처리된 수용액의 연장된 항균 활성이 관찰되었고, 임의의 특정 이론으로 결부시키고자 하는 것은 아니지만 방전으로부터 액체 내로 이전되는 장수명(long-lived) 반응성 화학종의 존재를 아마도 포함한다. 이들 방전-후 반응은 이들 유형의 전기 방전에 의해 유도되는 생물학적 효과에 유의하게 기여할 수 있다. 기체-액체 계면에서 일시적 질소종의 형성은 스트리머 처리수에서 질소 생성물 NO^- ₂ 및 NO^- ₃의 검출을 통해 주로 간접적으로 증명되었다.

기체-액체 계면에서 및 액체에서 직접적으로 기체 방전에 의해 생성된 일시적 화학종(OH*, NO₂* 및 NO* 라디칼) 및 장수명 화학적 생성물(O₃, H₂O₂, NO^- ₃ 및 NO^- ₂)의 형성 및 이들 화학종에 의해 유도된 수상 화학은 미스트에 화학적 및 살생물적 효과를 기여한다. 적용에 따라, 당업자는 특정 특징을 달성하기 위해 요망되는 기체 환경을 선택할 수 있다. 이제 도 44를 참조로 하여, 몇몇 방전 장치(401), 공통 미스트 투입구(402), 저수기(405) 및 제어 유닛(406)을 포함하는 훈증 장치(400)가 개시된다. 미스트 챔버는 또한, 미스트를 투입구(402) 및 방전 장치를 통해 취입하기 위해 팬(403)을 포함한다. 선택적으로, 방전 장치는 유동 및 작동에서 추가의 조절을 달성하기 위해 개별 팬을 포함할 수 있다. 제어 유닛은 전력 공급 장치, 및 선택적으로 장치 작동을 위해 센서 및 프로그램형 인터페이스를 포함한다. 예시적인 장치의 단면도는 도 45에 예시되어 있다. 미스트 발생 시스템(417)은 액체(418) 내에 침지된다. 미스트화 기술은 초음파 분무화(atomization), 가열 및 증발 또는 간단히 공기 분무화를 포함할 수 있다. 일단 미스트가 발생되면, 송풍기 팬(415)이 미스트를 컬럼(416)을 통해 들어 올리고, 방전 장치에 공급한다. 컬럼(416)은, 더 무거운 액적은 저장기로 다시 낙하시키고, 요망된 크기 비율만 방전 장치로 공급되도록 보장한다. 각각의 방전 장치(412)는 선택적으로 팬(414)을 포함한다. 팬(414)은 장치 작동에 추가의 조절을 제공한다. 주어진 적용에서, 선택된 수의 방전 장치만 운용하는 것이 바람직할 수 있다. 상황 하에, 활성 방전 장치만 이들의 개별 팬을 통해 미스트를 수용한다. 추가로, 송풍기 팬(415)은 선택적으로 가열기를 포함할 수 있다. 가열된 공기는 포화 한계를 높이고, 따라서 공기에 많은 수분을 운반한다. 냉각 시, 포화된 수준은 기능적 적용을 제공할 수 있는 라디칼을 운반하는 액적으로 축합된다. 장치 조립체는 도 46에 예시된 바와 같이 리모트 작동 능력을 갖는 이동식 플랫폼 상에 마운팅될 수 있다. 이동식 조립체(420)는 훈증 장치(422), 부속 조립체(424), X-Y-θ 번역 모션 시스템(426) 및 수직형 리프트(428)를 포함한다. 소독 적용을 위해 발생된 활성 라디칼의 높은 수준으로 인해, 운영 인력(working personnel)에 노출되지 않으면서 리모트 작동 능력을 갖는 것이 바람직하다. 장치에 정교한 모션 제어를 달성하는 데에는 많은 가능한 방식들이 있다.

본 발명의 훈증 장치의 예시적인 적용은 도 47에 예시되어 있다. 리모트 작동 능력을 갖는 훈증 장치(432)는 유해 미생물에 대한 위생화를 위해 의료 시설에 배치된다. 배경으로서, 항생제 내성 박테리아 또는 다르게는 "슈퍼버그"로 공지된 것은 세계에서 가장 압박을 주는 공중 보건 문제점들 중 하나가 되었다. 약물 내성 형태의 결핵, 임질 및 스타프 감염(staph infection)은 이들 중 불과 몇 가지일 뿐이다. 가장 위험한 슈퍼버그 중 일부, 예컨대 스타필로콕커스 아우레우스(Staphylococcus aureus)(MRSA), 클로스트리듐 디피실레(Clostridium difficile), 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa), 반코마이신-내성 엔테로콕커스 종(vancomycin-resistant Enterococcus spp.)(VRE), 액시네토박터 바우만니이(Acinetobacter baumannii) 등은 종종 건강 관리 설정으로부터 선별된다. 치사 병원체는 병원 표면 상에서 장기간 동안 생존할 수 있어서, 이러한 환경을 감염제의 연속 저장기로 만들 수 있다. 표면에의 병원체의 흡착, 및 후속해서 24시간 이내에 생물막 형성은 보건의료 서비스의 중대한 미생물학적 문제점이다. 사실상, 고착 세균(sessile bacteria)을 사멸시키는 데 필요한 소독제의 농도는 동일한 균주의 부유 세균(planktonic bacteria)을 사멸시키는 데 필요한 농도보다 100배 더 높을 수 있다. 부작용을 유발하지 않으면서 생물막 형성을 조절하는 몇 가지 예방 기술이 존재한다. 가장 빈번하게 오염되는 표면은 이전에 감염된 환자가 지냈던 방에서 마루, 손잡이, 텔레비젼 리모트 제어 장치, 침대-프레임 락커, 매트리스, 침대옆 테이블 및 화장실 의자이다. 따라서, 병실 및 보건의료 설비의 소독은 중대한 세계적인 문제점이다. 소독 기술은 암모늄 화합물, 알데하이드, 알코올 및 할로겐과 같은 화학제, 또는 방사선 및 열의 사용을 수반한다. 금지 인자(prohibiting factor)는 효능, 독성 및 비용이다. 알코올 소독제는 단백질 변성을 유발하고, 영양형 세균(vegetative bacteria), 진균류 및 바이러스에 효과적이지만 포자(spore)에는 효과가 없다. 염소-방출제는 막 단백질을 산화시킬 수 있고, 표면으로부터 생물막을 제거하는 데 매우 효과적이며, 성장 저해를 위해 짧은 노출 시간을 필요로 한다. 그러나, 이들 화학제는 금속에 부식성이고, 유기 물질의 존재에 의해 불활성화될 수 있다. 염소의 사용은 발암성 화합물의 형성과 연관이 있어 왔으며, 일부 병원체는 염소에 내성인 것으로 나타났다. 알데하이드계 소독제는 알킬화에 의해 단백질 및 핵산을 교란시키고, 포자, 세균, 바이러스 및 진균류에 대한 항균 활성을 가진다. 암모늄 화합물 및 페놀은 막 및 세포벽을 용해시킨다. 과산화수소 및 과아세트산은 단백질 변성을 촉진하고, 몇몇 그룹의 미생물 및 병원체에 대해 활성이다. 과산화수소 증기(HPV) 또한, 임상 표면 및 장비의 제염에 사용된다. HPV는 낮은 독성을 갖는 것으로 보이고, 대부분의 무생물 물질과 양호한 융화성을 가진다. UV 광 노출 또한, 병실 제염에 적용되어 왔다. 그러나, UV 광은 사이트 공정(sight process)의 라인(line)이고, 영역에 도달하기 위해 하드(hard)를 멸균시킬 수 없다. 본원에 개시된 바와 같은 미스트에서 발생된 반응성 산소종 및 질소종(ROS 및 RNS)은 미스트에 유도된 용량(dose)에 따라 미생물의 스펙트럼에 매우 유해할 수 있다. 높은 용량에서, 반응성 화학종은 다양한 세포 유형에서 세포자멸사 또는 괴사를 유도하는 것으로 나타났다. 상기 고찰된 상이한 반응성 화학종들의 기능적 다양성(diversity)은 특히 슈퍼버그에 대한 다양한 멸균 문제를 해결하기 위해 적용될 수 있다. 특히, 일시적 화학종(OH*, NO₂* 및 NO* 라디칼) 및 미스트 형태는 사회 기반 시설과 독특한 속성-융화성, 및 틈 및 표면에 도달하기 위해 하드 내로 침투하는 능력을 제공한다. 주목할 만하게는, 이러한 공정은 화학적 공급부 사슬에 독립적이고, 전기 및 물만 소비한다.

상기 개시된 훈증 기술은 병실로부터 환자 및 의료진의 퇴실을 필요로 한다. 도 48을 참조로 하여, 국소 적용을 위한 선택적인 위생화 장치가 개시된다. 위생화 장치(440)는 방전 전극 조립체(443) 및 상대 전극(444)을 포함하며, 공급원(441)으로부터의 미스트가 함께 공급된다. 나아가, 회전식 브러쉬 조립체(445)가 상대 전극 내부에 배치된다. 선택적으로, 방전 전극 조립체는 중심에 배치될 수 있으며, 이러한 중심에서 방전 핀이 바깥쪽으로 돌출되고, 이에 상응하여 상대 전극이 중심 방전 전극 조립체를 둘러 싸게 된다. 작동 시, 공급원으로부터의 미스트는 방전 공간을 통과하고, 이러한 방전 공간에서 활성 라디칼이 본 발명의 교시에 따라 발생된다. 활성 라디칼은 브러쉬(446)를 통해 장치의 흡입 포트(448) 쪽으로 유도된다. 이러한 공정 동안, 활성 라디칼은 표적 표면 상에서 상호작용하고, 표면을 위생화시켜 미생물을 사멸시킨다. 소모된 미스트는 추가의 처리 및 폐기를 위해 (442)를 통해 수합된다. 도 47에 예시된 훈증 장치와는 달리, 위생화 장치(440)는 임의의 라디칼을 분위기로 방출하지 않고, 따라서 개방된 공간에서 안전하게 사용될 수 있다. 선택적으로, 본원에 개시된 밀폐형 루프 위생화 장치는 표적 표면 대신에 점유된 공간에서 주위 공기를 처리하도록 배치될 수 있다. 이에, 적용에 맞추기 위해 기계적 시스템이 변경될 수 있다.

상술된 바와 같이, 미스트 및 담체 기체는 방전 장치로부터의 아웃고잉 미스트의 특징을 결정한다. 예를 들어 담체 기체가 산소인 경우, 아웃고잉 미스트는 OH*, O*, H₂O₂ 및 O₃를 포함할 것이다. 선택적으로, 공기가 담체 기체인 경우, 아웃고잉 미스트는 다른 라디칼과 함께 질소 라디칼 NO* 및 NO₂*, 및 퍼옥시니트라이트를 포함할 수 있다. 나아가, 담체 기체가 질소 단독일 경우, 라디칼 유형이 이에 상응하여 변화될 것이다. 질소 이온화에 필요한 에너지는 산소 및 물의 이온화 에너지보다 높다. 따라서, 요망되는 경우 특정 라디칼 및 이들의 관련 화합물을 발생시키기 위해 방전 조건이 특이적으로 맞춰질 수 있다. 이러한 라디칼을 함유하는 미스트는 살아 있는 식물뿐만 아니라 농산물을 위한 다수의 기능적(유해 내지 유익) 적용을 제공할 수 있다. 식균 면역 세포는 감염제에 반응하여 유의한 양의 ROS 및 RNS를 병원체 불활성화 수단으로서 생성한다. 역으로, ROS는 세포의 분화, 이동 및 증식을 유도할 수도 있다. 진균류와 같은 진핵 미생물에서, ROS는 균사 성장 및 분생자와 자실체의 분화를 조절하고, 진균류 발달은 ROS 수준의 변화와 연관이 있다. 또한, 산화질소(NO)는 근육 이완, 세포자멸사, 질병 내성, 포자 형성, 2차 대사 및 성적 발달을 조절하는 살아 있는 세포에서 중요한 신호전달 분자로서 작용한다. 상이한 반응성 화학종의 기능적 다양성은 다양한 농업 문제점을 해결하기 위해 적용될 수 있다. 도 49는 살아 있는 식물을 위생화시킬 뿐만 아니라 질소 라디칼과 함께 식물에 영양 보조제를 동시에 제공하기 위해 요망되는 라디칼을 함유하는 미스트의 수경 재배 적용을 예시한다. 곰팡이 성장은 실내 성장뿐만 아니라 실외에 보편적이고 재발되는 문제점들 중 하나이다. 소정의 곰팡이 수 역치를 초과하면, 침입된(infested) 생성물이 소비될 수 없다. 일단 침입되면, 농작물은 여러가지 생물학적 및 화학적 생성물로 처리될 수 있으며, 이러한 생성물은 이들 자체의 잔류 문제점을 가진다. 본 발명의 교시에 따라 발생된 미스트에 존재하는 라디칼은 고도로 활성이고, 예방적 개입뿐만 아니라 침입후 개입으로서 사용될 수 있다. 미스트는 식물의 복잡한 부분 및 눈(bud)에 침투하고, 여기서 침입이 기원하고 진균류의 포자를 포함하여 진균류를 파괴한다. 부수적으로, 라디칼은 수명이 짧고, 유해 잔류물을 남기지 않으면서 중화된다. 추가로, 일부 라디칼, 특히 RNS는 또한, 식물에 의해 쉽게 흡수되고, 영양 보조제를 제공한다. 과노출은 식물에 손상을 유발할 수 있고, 따라서 조건에 따라 적절한 용량이 결정될 필요가 있음을 주지한다. 이제 도 49를 참조로 하여, 예시적인 수경 재배 처리 방법은, 선택적으로 무빙 트랙(454)에 고정된 라디칼 발생기(451)를 배치하는 단계, 적절한 미스트 장치에 의해 미스트로 전환되는 공급원으로부터 물 공급(453)을 수용하는 단계, 및 식물(455) 상에 분무되는 라디칼-운반 미스트(452)를 발생시키는 단계를 포함한다. 선택적으로, 뿌리(456)를 처리하기 위해 추가 장치가 배치될 수 있다. 기능적으로, 이러한 장치는 공급원으로부터 물(458)을 수용하여, 발생기(451)를 통해 요망되는 미스트를 발생시키고, 미스트(457)를 뿌리(456) 상에 방출시킨다. 선택적으로, 뿌리는 전체 공간을 처리하기 위해 미스트에 의해 포그화(fogged)될 수 있다. 미스트 기체 내 액적 크기는 선택적으로 0.2 내지 100 미크론으로 다양할 수 있다. 이와 같이, 액적 크기는 선택적으로 5 내지 50 미크론으로 다양할 수 있다. 방전 공간 내에서 공기 속도는 선택적으로 10 m/s 내지 200 m/s, 선택적으로 75 내지 150 m/s, 선택적으로 100 내지 125 m/s로 다양할 수 있다. 25℃ 및 대기압에서, 공급 기체 내 물 함량은 선택적으로 10 g/kg 공기 내지 500 g/kg 공기, 선택적으로 100 g/kg 공기 내지 300 g/kg 공기이다. 선택적으로, 요망되는 경우 다른 영양소가 공급수에 첨가될 수 있다. 본원에 제시된 처리 방법은 예시일 뿐이고 상이한 적용을 위해 많은 변형 및 조합이 조작될 수 있음을 주지한다. 많은 유형의 곰팡이, 해충 및 진균류가 본 발명에서 교시된 방법에 의해 처리될 수 있다.

도 50은 위생화뿐만 아니라 농작물 관리 목적으로 대규모 표적 영역을 처리하기 위한 융통성을 가능하게 하는 드론 내로 라디칼 발생기의 적응을 예시한다. 드론(460)은 본 발명의 교시에 따라 작용하는 라디칼 발생기(462), 프로펠러(464), 트랙(463) 및 지동 능력(ground motion capability)을 제공하기 위해 휠(466)을 포함한다. 선택적으로, 드론은 온보드 연소 엔진에 의해 동력을 받는다. 선택적으로, 드론은 배터리에 의해 동력을 받는다. 선택적으로, 드론은 온보드 동력 발생을 위해 태양 전지판(465)을 포함할 수 있다. 지동 능력뿐만 아니라 비행 능력은 요망되는 대로 상이한 영역들의 처리를 가능하게 한다. 미스트 발생 시스템의 내부도는 도 51에 예시되어 있다. 미스트용 수원에 특히 주의를 기울인다. 전형적으로, 드론의 페이로드(payload) 용량은 제한되고, 시스템의 크기 및 비용을 결정한다. 대규모 영역을 위생화하기 위해서는, 상당한 양의 물이 필요할 것이고, 이는 페이로드를 유의하게 증가시킬 것이다. 도면에서 이러한 한계를 유지하면, 온보드 수 발생 시스템이 개시된다. 이러한 방법은 공급원 습한 공기(479)를 포함하며, 이는 2개 스트림으로 나뉘고, 1개 스트림은 고온면(478)을 통과하고, 제2 스트림은 열전기 장치의 저온면(477)을 통과한다. 냉각 스트림으로부터의 수분은 물방울로 침강되고, 저장기(476)에 저장된다. 수분을 방출시킨 후, 냉기는 라디칼 발생기용 전자 장치를 냉각시키도록 향한다. 초음파 미스터(473)는 저장기(476)로부터 물을 펌프하여 미세 액적을 더 고온의 공기 스트림(475)에 도입한다. 더 고온의 스트림은 이제, 열전기 장치로부터 열을 흡수한 후 더 높은 수분 포화 한계를 갖게 되고, 초음파 미스터에 의해 도입된 액적의 흡수를 용이하게 함을 주지한다. 그 후에, 이러한 미스트는 공급 챔버(474)로 향하게 되고, 이 공급 챔버에서 미스트는 이의 팬/송풍기(472)에 의해 요망되는 라디칼 발생기까지 흡수된다. 훈증 시스템의 추가의 상세 사항은 도 52에 예시되어 있다. 미스트 발생 시스템은 저장기보루터 초음파 미스터(485)로 물을 공급하는 펌프(484)를 포함한다. 스크린(489)은 인커밍 스트림이 장치에 들어가기 전에 상기 인커밍 스트림으로부터 찌꺼기를 제거한다. 프론트 스크린(489)으로부터 찌꺼기를 제거하기 위해, 백 방전 장치(482)의 팬은 역방향으로 작동되어 공기를 프론트에 취입한다. 백 스크린(483)은 팬이 역방향 모드로 작동할 때 찌꺼기 유입(intake)으로부터 보호한다. 송풍기 팬(482)은 미스트를 요망되는 방전 장치에 선택적으로 공급하고, 라디칼-적재(laden) 미스트를 요망되는 방향으로 향하게 한다. 적용에 따라, 모든 방전 장치는 동시에 작동하거나 또는 각각의 방전 장치는 개별적으로 작동한다. 미스트 기체내 액적 크기는 선택적으로 0.2 내지 100 미크론일 수 있다. 이와 같이, 액적 크기는 선택적으로 5 내지 50 미크론이다. 방전 공간 내 공기 속도는 선택적으로 10 m/s 내지 200 m/s, 선택적으로 75 내지 150 m/s, 선택적으로 100 내지 125 m/s으로 다양할 수 있다. 25℃ 및 대기압에서, 공급 기체 내 물 함량은 선택적으로 10 g/kg 공기 내지 500 g/kg 공기, 선택적으로 100 g/kg 공기 내지 300 g/kg 공기이다.

본원에 개시된 라디칼-발생 드론은 에볼라 및 역병, 농작물의 슈퍼버그, 해충 침입, 진균류 침입과 같은 전염병에 대한 위생화뿐만 아니라 비옥화에 이용될 수 있다. 방전 전력은 본 발명의 교시에 따라 OH*, O* 또는 N*와 같은 라디칼의 선택적인 주요 분획을 발생시키도록 조정된다. 예를 들어, 커피 녹병과 같은 식물-질식 진균류는 세계 많은 부분을 휩쓸었으며, 어디에서나 나무를 시들게 하고 생산량을 대폭 낮췄다. 살진균제는 커피 녹병 전염병의 관리에서 중요한 툴이 되었으나, 이들 살진균제는 비싸고 잔류 화학 효과를 가진다. 대안적으로, 본원에 개시된 바와 같은 라디칼-적재 미스트는 진균류 공격을 관리하고 이와 동시에 건강한 나뭇잎을 위한 영양분을 제공하기 위해 배치될 수 있다. 이러한 예시적인 적용은 제한적이지 않고, 많은 다른 진균류/해충 관리 적용은 본 발명의 교시에 따라 개발될 수 있다. 나아가, 온보드 수 발생 및 미스트 시스템은, 드론이 효과적이지 않거나 필수적이지 않은 다른 이동식 시스템에 적응될 수 있다.

배경으로서, 미코톡신(mycotoxin)은 소정의 필라멘트성 진균류에 의해 생성되며 곡물 및 공급 생성물에서 흔히 확인되는 2차 대사물이거나, 또는 간단히 화학물질이다. 미코톡신은 인간 및 동물 건강에 심각한 영향을 유발하는 잠재성을 가진다. 곰팡이 감염, 및 후속적인 미코톡신의 합성은 농작물 성장 동안 시작되고, 저장 동안 계속된다. 더 높은 미코톡신 오염 수준은 중추신경계, 심혈관계, 신장, 위장계 및 면역계에 영향을 미칠 수 있다. 인간뿐만 아니라 동물 둘 다에게 유의한 해를 끼치는 미코톡신은 아플라톡신(aflatoxin), 푸모니신(fumonisin), 보미톡신(vomitoxin), 제아랄레논(zearalenone) 및 T2 독소 등이다. 곡물의 미코톡신 오염은 복잡하고 불만스러운 문제점이다. 몇몇 방법들은 미코톡신 오염된 곡물 및 공급 생성물을 처리하기 위해 개발되어 왔다. 오염된 옥수수, 땅콩, 면실 및 밀(meal)에 암모니아 적용(암모니아화)은 곳곳에서 사용되어 온 하나의 잠재적인 처리 옵션이다. 이산화염소(ClO₂) 기체를 고농도(500 또는 1,000 ppm)에서 장기간의 노출 시간(24시간) 동안 사용하는 것은 어느 정도까지는 효과적인 것으로 확인되었다. 대안적인 방법은 오존(미국 특허 # 6120822) 및 감마선의 사용이다. 대부분의 미코톡신 오염된 곡물 무독화 방법은 물품에 잔류물(들)을 남기고 이러한 잔류물은 이의 최종 용도에 영향을 미칠 것이며, 또는 이러한 무독화 방법은 비용이 많이 든다. 본 발명의 교시에 따라 발생된 라디칼-적재 미스트를 배치하는, 살아 있는 식물에서 곰팡이 성장을 관리하는 훈증 방법은 이미 상기에서 제시되었다. 이제 도 53을 참조로 하여, 미코톡신 오염된 곡물, 콩 및 견과류 등의 무독화 방법은 개시되어 있으며, 이러한 방법은 외부 케이싱(493)에서 동축으로 배치된 천공 텀블러(492)를, 이들 사이에 공간(499)을 남겨두면서 포함한다. 동축 텀블러는 이의 축을 따라 모터(498) 및 기계적 커플링(497)에 의해 회전된다. 텀블러의 회전 속도는 요망되는 대로 조정될 수 있다. 텀블러의 축과 기부 플랫폼(497') 사이의 각도는 텀블러를 통한 공급물에 대해 상이한 활강 속도가 가능하도록 조정될 수 있다. 처리되는 공급물을 컨베이어 벨트(495)에 의해 호퍼(494)로 가져간다. 다양한 대안적인 공급 기전이 이러한 목적을 위해 적응될 수 있음을 주지한다. 라디칼-적재 미스트는 본 발명의 교시에 따라 발생되고, 텀블러와 외부 케이싱 사이의 공간에 공급된다. 미스트의 용량 및 농도는 오염 수준 및 유형에 따라 조정된다. 이는 방전 장치(491)를 스케일업하거나 또는 다수의 방전 장치들을 상이한 장소에 배치함으로써 달성될 수 있다. 미스트 주입 장소, 공급물 로딩, 텀블러의 길이 및 텀블링 속도는 무독화에 필요한 상호작용 시간 또는 체류 시간을 제공하도록 조정된다. 공급물이 공급 말단으로부터 출구(494')까지 아래로 횡단함에 따라, 미스트는 천공부를 통해 텀블러에 들어가고, 공급물과 잘 혼합된다. 일부 독소는 공급물로부터 방출될 수 있으며, 미스트와 반응한다. 처리말쯤에, 공급물은 컨베이어(495')로 나간다. 곡물/견과류의 표면은 텀블러로부터 나오면서 젖게 될 것이고, 이는 후속 건조를 필요로 함을 주지한다. 배출 기체는 (496)을 통해 방출되고, 임의의 독성 잔류물을 제거하도록 처리된다. 미스트 내 높은 물 하중은 건조한 곡물 및 견과류에 바람직하지 않을 수 있다. 이에, 공급 기체 내 액적 크기는 선택적으로 0.2 내지 45 미크론으로 다양할 수 있다. 이와 같이, 액적 크기는 선택적으로 5 내지 50 미크론이다. 방전 공간 내 공기 속도는 선택적으로 10 m/s 내지 200 m/s, 선택적으로 50 내지 150 m/s, 선택적으로 75 내지 125 m/s으로 다양할 수 있다. 25℃ 및 대기압에서, 공급 기체 내 물 함량은 선택적으로 10 g/kg 공기 내지 300 g/kg 공기, 선택적으로 75 g/kg 공기 내지 150 g/kg 공기이다.

미코톡신은 전형적으로 복잡한 분자 구조로 구성되며, 무독화를 위한 화학 반응 경로는 미코톡신마다 다양하다. 이제 도 54를 참조로 하여, 분자 모델(500)은 땅콩 및 사탕옥수수에서 전형적으로 확인되는 아플라톡신이다. 아플라톡신에 대한 하나의 가능한 무독화 경로는 산소 원자(502)와 연관된 결합을 절단하는 것이다. 니트러스(nitrous) 및 하이드록실 이온 둘 다, 이러한 화학 경로에 참여하여 무독화를 초래할 수 있다. 완전한 반응 경로는 본원에 예시되어 있지 않으며, 이러한 경로 또한 미스트에서 다른 라디칼의 이용 가능성에 의존함을 주지한다. 분자 모델(500')은 밀 곡물에서 전형적으로 확인되는 보미톡신이고, 무독화 반응 경로는 산소 원자(502')와 연관된 결합을 절단하는 것이고, 여기서, O* 및 H₂N* 라디칼이 참여할 수 있다. 본원에 교시된 미스트에 존재하는 라디칼의 복잡한 어레이는 다수의 미코톡신에 대해 효과적인 무독화 환경을 만든다. 나아가, 이들 라디칼을 함유하는 미스트는 오존 또는 암모니아와 같은 기체 라디칼과 비교하여 곡물/견과류의 표면에 효과적으로 부착된다. 이에, 본원에 교시된 방법은 효율적인 무독화 기술을 제공한다.

상기에서 다양한 형태로 고찰된 방전 장치는 본 발명의 교시에 따라 조립된 방전 전극, 및 화학 공격에 대한 내성을 위한 탄소질 물질로부터 바람직하게 제조되는 상대 전극을 이용하였다. 소정의 액체 처리 적용을 위해, 액체 자체를 상대 전극으로서 배치하는 것이 바람직하다. 이제 도 55를 참조로 하여, 평면형 액체 전극 방전 장치(510)가 개시된다. 이러한 방전 장치는 액체 공급부 부재(512), 방전 장치 조립체(513) 및 액체 수합 부재(519)로 구성된다. 방전 장치(513)의 확대도는 방전 전극 조립체(515), 방전 공간(516), 액체 전극(514) 및 백 플레이트(517)로 구성된 장치의 내부 컴포넌트를 추가로 예시한다. 방전 전극(515) 조립체는, 효과적인 이온화 및 라디칼 발생을 위해 에너지 스트리머 헤드를 유발하기 위해 근접 필드 제약 스트리머에 의존하는 본 발명의 교시에 따라 제조된다. 액체 상대 전극(514)은 공급면으로부터 수합면까지 유동하는 액체막에 의해 형성된다. 막의 두께는, 이러한 막이 상대적으로 편평한 표면을 유지하여 일반적으로 균일한 방전 공간(516)을 초래하도록 조정된다. 일반적으로 균일한 방전 갭의 유지는 전체 표면 상에서 균일한 스트리머 전방의 유지에 중대하다. 그렇지 않다면, 더 작은 방전 갭을 갖는 영역은 비처리된 다른 영역을 남겨두는 스트리머를 우선적으로 발생시킬 것이다. 나아가, 막 표면 상에 너무 많은 기복(undulation)은 아크 및 장치 기능 부전을 초래할 수 있다. 따라서, 백 플레이트(517)는 연속적인 막을 유지하기 위해 조심스럽게 선택될 필요가 있다. 백 플레이트는 전도성 물질로 제조되는 것이 바람직하지만, 가장 중요하게는 일부 양태에서, 이는 친수성이어야 한다. 친수성 표면은 개별 스트림으로의 막의 와해를 방지할 것이다. 스트리머가 막과 상호작용할 때, 이들 스트리머는 충격파 및 대류 유동을 유도할 것이고, 적절한 막 두께와 함께 일반적으로 안정한 막은 여전히 유지될 수 있다. 나아가, 백 플레이트 상에서의 판각(engraving) 패턴 또한, 막을 안정화시킬 수 있다. 상대 전극에서 균일한 액체층을 구축하는 대안적인 방법이 존재한다. 예를 들어, 액체 막을 안정화시키기 위해 탄소 또는 그래파이트 펠트는 백 플레이트 상에 사용될 수 있다. 나아가, 바람직하게는 TiO₂(및 Ag), 제올라이트 등과 같은 촉매 물질로 제조된 다공성 층은 백 플레이트로서 작용하여, 플라즈마의 존재 시 촉매 반응을 제공할 수 있다. 보다 더, 중력이 유동 방향에 실질적으로 수직으로 작용하여 백 플레이트의 플러딩(flooding)을 보장하도록 상기 장치는 땅과 실질적으로 평행으로 정렬될 수 있다. 액체 막 두께는 선택적으로 1 미크론 내지 2.5 cm, 선택적으로 100 미크론 내지 10 mm, 선택적으로 0.5 mm 내지 5 mm이다. 선택적으로, 미세한 공기 또는 기체 방울이 액체 막에 도입될 수 있다. 이들 방울은 추가의 유익한 효과를 위해 스트리머로부터 발생된 UV 방출을 극성화시킬 수 있다. UV 방출은 기체 방울 내에서 라디칼을 발생시킬 수 있는 것으로 잘 공지되어 있다. 나아가, UV 방출은 또한, 미생물에 유해하고, 액체를 소독한다. 그러나, 액체 막에 포매된 미세한 기체 방울은 극성화 효과를 형성하고, 거품 표면을, 오염물질을 액체로부터 제거하기 위한 소독 및 화학 반응에 고도로 활성이 되게 만든다. 미세방울을 막에 도입하는 데 이용 가능한 다양한 기전들이 존재한다. 바람직하게는, 방울 크기는 대략 수백 미크론이어야 한다.

스트리머와 액체 전극의 상호작용은 액체 화학적 성질, 방전 공간 내의 기체, 뿐만 아니라 방전 매개변수에 따라 많은 물리화학적 현상을 유발한다. 물방울과의 스트리머 상호작용으로 인해 형성된 라디칼의 유형은 상기에 이미 개시되어 있다. 유사한 라디칼은 또한, 액체 수전극에서 형성될 것이며, 이는 미생물에 대해 물을 멸균시킬 뿐만 아니라 중금속 및 약제학적 화합물과 같은 용존 성분의 제거/파괴를 용이하게 할 것이다. 이제 도 56을 참조로 하여, 액체 전극 라디칼 발생기(522), 여과상(525), 및 축전식 탈이온화(CDI) 시스템(526)을 통한 유동을 포함하는 수 멸균 및 정제 시스템(520)이 개시된다. 수전극 라디칼 발생기(522)는 상기 제시된 본 발명의 교시에 따라 조립된 실린더형 방전 전극 조립체(523), 백 실린더형 벽(529)에 의해 지지된 주변 물 스트림(524) 및 방전 공간(528)을 포함한다. 물 스트림(524)의 두께는 게이트(527)를 감소시키거나 증가시킬 수 있는 제어 밸브(521)에 의해 제어되고, 이로써 액체 전극 스트림 내로 방출되는 물의 양을 제어한다. 스트림은 합리적으로 편평한 표면(~ ±0.5mm)을 유지하여, 합리적으로 균일한 방전 갭(~3-10 mm) 을 유지하고, 최대 처리 효율을 위해 균일한 스트리머 전방을 발생시킨다. 액체 막 두께는 선택적으로 1 미크론 내지 2.5 cm, 선택적으로 100 미크론 내지 10 mm, 선택적으로 0.5 mm 내지 5 mm이다. 점화 팁을 물방울이 없게 유지시키고 세척하기 위해, 방전 전극 조립체(350)가 바람직하지만, 이것은 제한 인자가 아니다. 라디칼 발생기는 방전 갭을 통한 기체 유동과 함께 작동할 수 있다. 액체 전극과의 스트리머 상호작용은 물 스트림 내에서 많은 유형의 라디칼을 형성할 것이고, 후속 반응은 미생물의 파괴를 포함하여 발생할 것이다. 반응을 통해 발생된 임의의 고체 미립자는 필터상(535)에서 여과될 것이다. 예를 들어, 용존 납, 비소 및 몇몇 중금속들은 스트리머 상호작용에 의해 불용성 형태의 이들의 각각의 화합물로 전환되고, 침전된 미립자는 필터상에 가둬지고, 따라서 이들을 스트림으로부터 제거한다. 선택적으로, 필터 매질은 추가의 기능성을 제공하기 위해 활성탄 또는 유리를 포함할 수 있다. 그 후에, 여과된 물은 축전식 탈이온화 유닛(526)을 통과한다. 배경으로서, 축전식 탈이온화는 전극쌍에 전기 전압의 인가에 의존하고, 용존 양이온 또는 음이온을 흡착을 위해 각각의 전극으로 끌어 당겨서, 용존 염을 스트림으로부터 제거한다. 축전식 탈이온화가 효과적으로 작용하기 위해, 물은 양호한 전도성을 가져야 한다. 특히, 낮은 농도의 용존 금속, 예컨대 납 및 비소는 소비에 위험하긴 하지만, 축전식 탈이온화 전지를 효율적으로 작동시키기에 충분한 전도성은 제공하지 않을 것이다. 부수적으로, 스트리머 처리수는 물에서 일시적 라디칼의 형성으로 인해 아주 우수한 전도성을 가진다. 그 결과, CDI 전지는 스트리머 처리된 물에서 효과적으로 작동할 수 있어서, 저농도의 용존 이온의 제거를 가능하게 하여, 초순수한 물을 초래할 수 있다.

예시적인 적용은 혈액투석이다. 고품질의 물이 혈액투석에 필요하고, 대략 120 내지 300 리터의 물이 단일 투석 세션에 필요하다. 미생물(세균 및 내독소) 또는 금속 및 화학물질, 예컨대 알루미늄, 구리, 칼슘, 플루오라이드, 염소, 클로르아민 및 살충제의 오염은 일부에게는 혈액투석에 해롭고, 사용 전에 물로부터 제거되어야 한다. 전형적으로, 혈액투석을 위한 물 정제의 마지막 단계는 역삼투(RO) 유닛을 포함한다. 물은 압력 하에 막을 통해 힘을 받아, 임의의 잔류 오염물질을 남겨 둔다. RO 막은, 모든 다른 수처리(예를 들어 침강 및 탄소 여과)를 수행한 후 물에 존재할 수 있는 99%의 오염물질을 제거한다. 오염물질은 일부 물과 함께 배수관 아래로 '거부되거나' 또는 배출된다. RO 막의 저항때문에, 유의한 양의 에너지가 물을 막을 통해 펌프질하는 데 소모된다. 나아가, 막은 또한, 일정 기간 후에 불순물에 의해 막히게 되고, 비용이 비싼 것으로 대체될 필요가 있다. 대안적으로, 물 멸균 및 정제 시스템(520)은 이러한 적용을 위한 저비용의 완전한 해결방안을 제공한다. 액체 전극 라디칼 발생기는 미생물에 대해 물을 멸균시키고, 뿐만 아니라 물 내의 많은 용존 불순물을 제거하고, 발생기로부터 높은 전도성 물에서 작동하는 CDI 유닛은 저농도에서도 용존 이온을 제거한다. CDI 공정은 RO 공정과 비교하여 훨씬 더 낮은 에너지를 소모한다. 초순수한 물에 대한 유사한 적용은 반도체 산업에도 존재하며, 여기서, 현재의 해결방안은 RO 공정이다. 부수적으로, 스트리머 처리된 물은 또한, RO 유닛과 함께 사용될 수 있다. 스트리머 처리된 물의 라디칼은 막을 깨끗하게 유지시키고 이들의 수명을 증가시킬 수 있다.

이제 도 56에 예시된 바와 같은 예시적인 CDI 전지에 특별히 관심을 기울인다. CDI 전지는 전극쌍(526') 시리즈를 포함하고, 이는 전극을 전기적으로 절연시키는 다공성 세퍼레이터(523')에 의해 분리된 유동 통과 전극(524')을 포함한다. 유동 통과 전극(524')은 다공성 천(525') 및 전기적 전도체, 선택적으로 금속 또는 다른 전도성 물질(예를 들어 그래파이트화된 탄소와 같은 탄소), 프레임(522')을 포함한다. 전기 전도성 및 내화학성으로 인해 이들 유동 통과 전극(천)을 제조하는 데 사용되는 몇몇의 탄소계 섬유성 물질이 존재한다. 그러나, 전지를 형성하기 위해 이들을 기계적으로 고정하고 이들을 회로에 전기적으로 연결하기 위해, 전기적 전도성 프레임(522')이 필요하다. 금속을 탄소 섬유계 천에 접합시켜 기계적 프레임뿐만 아니라 전기적 접촉을 구축하는 것은 꽤 어렵다. 첨가적으로 제조된 다공성 전극은 본원에 개시되고, 액체 금속을 섬유성 천 내로 침윤시켜 프레임(522')을 제조하는 방법을 포함한다. 이는 바람직하게는, 금속 분말을 레이저 빔에 의해 용융시키고, 상기 금속을 예정된 경로를 따라 침윤시킴으로써 수행된다. 통합 시, 요망되는 기계적 및 전기적 접촉 층(522')이 형성된다.

CDI 전지는 사이클, 즉, 흡수 및 탈착 사이클에서 작동한다. 흡수 사이클에서, 물이 다공성 천을 통과함에 따라, Pb⁺, Na⁺, As⁺³와 같은 양이온이 음극에 의해 흡수되고, Cl^-, SO₄ ^-, NO₃ ^-와 같은 상응하는 음이온이 양극에 흡수되어, 깨끗한 물을 초래한다. 이들 전극이 이온에 의해 포화됨에 따라, 극성은 역전되고, 이로 인해, 흡수된 이온이 물로 방출되어 폐수를 초래하고, 다음 사이클을 위해 전극을 세척한다. 흡수 사이클은 탈착 사이클보다 길다. 이제 도 57을 참조로 하여, 탈착 사이클에서, 물 밸브(531 및 533)는 물 유동이 라디칼 발생기로 가는 것을 방지한다. 밸브(535) 또한, 닫힌다. 그 후에, 물은 역방향에서 밸브(532)를 통해 공급되고, 탈착된 이온을 운반하는 CDI 조립체(538) 및 필터상(536)을 통해 반대 방향으로 유동하여, 상기 필터상을 역세척한다. 폐수는 밸브(534)를 통해 폐기된다. 따라서, 효과적인 수처리 시스템이 제공된다.

액체 전극을 갖는 방전 장치는 상기 기재된 수처리 외에도 여러가지 적용에 이용될 수 있다. 도 58을 참조로 하여, 질병에 대해 혈액을 처리하기 위한 시스템(540)이 개시된다. 본원에서, 혈액 스트림 자체가 액체 전극으로서 사용된다. 혈액을 스트리머로 직접 처리하기 위한 동기는, 많은 활성 라디칼이 세포 성장 억제 및 세포자멸사 또는 항증식 특성을 유도하는 것과 같은 치료 목적에 유익하게 이용될 수 있는 이러한 상호작용으로 형성된다는 사실로부터 비롯된다. 결장직장암 및 백혈병 세포와 같은 다양한 암세포주에 대한 비-열적 플라즈마 처리는 유망한 결과를 제공하였다. 이들 연구는 배양된 생물학적 시료 상에서 유전체 배리어 방전 장치를 형성하는 대기 플라즈마 제트 방출을 이용함으로써 수행된다. 본원에 개시된 치료적 처리 시스템(540)은 펌프(543)를 통해 혈액을 채혈하고 이를 스트리머 발생 장치(545)로 운반하는 공급선(541)을 포함한다. 상기 공급선은 유동을 요망되는 대로 조절하기 위해 압력 게이지(542) 및 혈액 펌프(543)뿐만 아니라 유입구(549)를 추가로 포함한다. 상기 유입구(549)는 항응고제 또는 약물과 같은 요망되는 유체를 도입하는 데 사용될 수 있다. 방전 장치(545')의 확대도는 중심체(546')를 포함하는 추가의 상세한 사항을 보여주며, 이때, 유입구 혈액 스트림은 균일한 막(547')을 형성하고, 이러한 막은 접지 전극으로서 작용한다. 본 발명의 교시의 원리에 따라 제조된 방전 전극 조립체(548')는 중심 상대 전극(546')을 동축에서 감싼다. 방전 장치 내의 기체 환경은 공급원과 소통하는 기체 매니폴드(549')에 의해 제어될 수 있다. 방전 장치로부터의 스트리머-처리 혈액(546)은 저장기(547)에 수합되고, 이러한 저장기에서 혈액의 압력 및 체류 시간이 모니터링된다. 기체 방울이 있다면 이러한 기체 방울은 회수선(return line)으로 들어가는 것이 피해져야 하는 것이 바람직하다. 선택적으로, 이러한 회수선은 회수 유동을 조절하기 위해 펌프를 포함한다. 많은 회수 및 공급 구성이 배치될 수 있긴 하지만, 공급부 및 회수선은 실용적인 목적을 위해 정맥에 연결되는 것이 바람직하다. 동맥은 피부로부터 더 깊게 위치하고, 장치를 연결하기 위해 수술적 처치가 필요할 것이다. 추가로 고려할 사항은 또한, 혈액 유동 요건이어야 한다. 혈액 유속이 낮을 때 장치가 정맥에 연결될 수 있긴 하지만, 더 큰 유속에서는 혈액투석의 경우에서와 같이 카테터가 이용되어야 한다. 방전 장치 내로의 혈액 유속은 선택적으로 200 ml/min, 선택적으로 300 ml/min, 선택적으로 400 ml/min, 선택적으로 500 ml/min, 선택적으로 600 ml/min, 선택적으로 700 ml/min, 선택적으로 800 ml/min이다. 액체 막 두께는 선택적으로 0.5 mm 내지 5 mm이다.

상기 언급된 바와 같이, 유전체 배리어 장치로부터의 플라즈마 제트는 암세포주를 수반한 실험 연구에 이용되어 왔다. 플라즈마를 발생시키기 위해, 당업자는 기체 유동을 이용해야 하고, 방전 장치 내로의 기체의 조성은 시료와 상호작용하는 반응성 화학종을 결정한다. 예를 들어, 공기를 이용하여 O, O₂, O^- ₂, O₃, OH, NO 및 NO₂를 갖는 것으로 예상된다. 혈액 스트림을 액체 전극으로서 배치함으로써, 당업자는 외부 기체 공급부의 사용을 완전히 피할 수 있고, 그래도 혈액 스트림의 O₂ 및 H₂O를 이용하는 자유 라디칼을 발생시킬 수 있다. 요망되는 경우, 외부 기체는 방전 공간에 공급되어, 다른 자유 라디칼을 발생시킬 수 있다. 산화 스트레스의 관리는 치료의 성공에 중대하고, 따라서, 제어 및 가요성을 가능하게 하는 것은 더 양호한 치료 결과를 제공한다. 이에, 도 59는 액체 전극의 유동 및 두께를 제어하기 위해 자기 교반 기전을 포함하는 액체 전극 방전 장치를 제공한다. 상기 장치(550)는, 액체 공급부(553) 뿐만 아니라 기체 공급선(556)과 소통하는 외부 유체 챔버(559)에 배치된 자기 교반기(558)를 포함한다. 자기 교반기(558)는 한 쌍의 자석 및 구동 기전(557)에 커플링된다. 내부 챔버는 본 발명의 교시에 따라 조립된 방전 전극 조립체(551)를 포함하는 방전 장치, 상대 전극(552) 및 유체 유출구(554)를 형성한다. 맞물려진(engage) 경우, 자기 교반기의 회전은 액체를 내부 챔버 내로 밀어넣어, 액체 전극(552)을 형성한다. 방전 전극 조립체로부터의 스트리머는 액체 전극에서 물리화학적 반응을 유발하며, 이는 유출구(554)를 통해 챔버를 나온다. 외부 기체는 챔버 스루(556)에 공급되어, 장치 내에서 요망되는 환경을 유지할 수 있다. 액체 전극의 유속 및 두께는 유입구 유동 및 자기 교반기 속도에 의해 제어될 수 있다. 액체 전극의 안정성은 장치의 작동 안정성에 중대한 역할을 함을 주지해야 한다. 방전 장치 내로의 혈액 유속은 선택적으로 200 ml/min, 선택적으로 300 ml/min, 선택적으로 400 ml/min, 선택적으로 500 ml/min, 선택적으로 600 ml/min, 선택적으로 700 ml/min, 선택적으로 800 ml/min이다. 액체 막 두께는 선택적으로 0.5 mm 내지 5 mm이다.

이제 도 60을 참조로 하여, 자유 라디칼을 내부 연소 엔진에 제공하기 위한 시스템 배열(560)이 제공된다. 자유 라디칼은 연소 효율을 개선하고, 배출을 감소시킨다. 이러한 시스템은 IC 엔진(565)을 포함하며, 이러한 엔진으로부터의 배기 가스(568)는 터보과급기(turbocharger)(561)에서 이용되며, 이러한 터보과급기는 압축 공기(569)를 냉각기(563)에 공급한다. 냉각된 압축 공기는 본 발명의 방전 장치(562)에 공급되어, 자유 라디칼을 발생시킨다. 제어 시스템(566)은 공급 공기의 온도 및 유동 조건을 모니터링하고, 적절한 양의 공기를 방전 장치를 통해 최적의 성능을 위해 향하게 한다. 자유 라디칼-적재 흡기(567)는 연소를 위해 IC 엔진에 들어간다. 선택적으로, 방전 장치(562)는 또한, 배출 감소를 위해 배기구(568)에 배치될 수 있다.

실험

1: 방전 현상 및 스트리머 상호작용

상기 기재된 바와 같이, 스트리머 거동은 전극의 극성, 방전 핀의 기하학적 특성, 뿐만 아니라 다른 방전 핀 또는 점화 팁에 대한 이들 스트리머의 근접성에 의존한다. 도 61은 단일 포지티브 스트리머(571)의 특징을 나타낸다. 알 수 있듯이, 스트리머는 좁고, 팁에서 전기장 증강(572)은 스트리머가 방전 갭을 통해 전파함에 따라 계속 증가한다. 여기서, 전기장 증강은, 스트리머가 방전 갭을 통해 횡단함에 따라, 점화 팁으로부터 상이한 거리에 있는 슬릿 절단부(slit cut)에 포지셔닝된 포토다이오드에 의해 배출 강도를 통해 간접적으로 측정된다. 포지티브 스트리머의 이러한 특징은 더 큰 갭을 갖는 방전 장치의 작동을 가능하게 한다. 비교로서, 도 62는 단일 네거티브 스트리머(581)의 특징을 제시한다. 알 수 있듯이, 네거티브 스트리머는 이의 직경을 빠르게 넓히고, 이에, 팁(582)에서의 전기장 증강은 이것이 방전 갭을 통해 횡단함에 따라 빠르게 약해진다. 이러한 팁 폭 증가(broadening)는, 이의 라디칼 발생 능력 또는 즉, 종종 제로 네트 이온화를 초래하는 고에너지 전자의 가능성이 감소하므로 바람직하지 않다. 따라서, 효과적인 라디칼 발생을 위해서는 반경 확장을 제약하기 위한 기전이 필요하다. 도 63은 다양한 팁간 거리 D1에서 2개의 근접한 포지티브 스트리머들 사이의 반발력을 나타낸다; (591) 1 mm 팁간 거리에서, (592) 5 mm 팁간 거리에서, (593) 8 mm 팁간 거리에서, 및 (594) 10 mm 팁간 거리에서. 스트리머 헤드에서 발달한 강한 동일한 전기장으로 인해, 이들은 방전 공간을 통해 횡단함에 따라 서로 밀어낸다. 핀간 갭 외부에 어떠한 제약힘이 없으며, 따라서 이들이 상대 전극에 도달할 때까지 곡선형 경로를 따라 이동할 수 있게 한다. 도 64는 다양한 팁간 거리 D1에서 2개의 네거티브 스트리머들 사이의 반발력을 나타낸다. 네거티브 스트리머 헤드에서 약한 전기장 증강으로 인해, 반발력은 약해지는 것으로 예상되며, 그렇지만 포지티브 또는 네거티브인 동일한 극성의 스트리머는 이전에 고찰된 일부 선행 기술의 교시와는 대조적으로 항상 서로 밀어낼 것이다. 이에, 본 발명은 모든 면으로부터 각각의 스트리머에 전기장 제약을 제공하고, 다시 말해 스트리머 헤드의 폭 증가를 제한하여 높은 전기장 강도를 갖는 이온화 전방을 발생시키기 위해 스트리머들 사이에 반발력을 배치하도록 교시한다. 도 65는 본 발명의 교시에 따라 4개의 점화 팁(611)을 갖는 방전 핀으로 제작된 장치를 제시한다. 정사각형 상부 햇(hat) 프로파일을 포함하는 절연된 방전 핀으로부터 4개의 스트리머의 발생이 여기에 언급된다. 여기서 알 수 있듯이, 이들 스트리머는, 주변에 어떠한 제약도 존재하지 않기 때문에 핀 노말로부터 서로 밀어낸다. 장치(614)는 3840개(960 방전 핀, 정사각형 크기 = 0.25x0.25 mm²)의 점화 팁을 이용하였으며, 이때 핀간 거리는 2.5 mm이고 점화 팁으로부터 상대 전극까지의 거리는 4.5 mm이고, 122 mm의 직경 및 25 mm의 높이를 갖는 방전 전극 조립체 상에 배열된다. 방전 전극을 하기 전압 매개변수를 갖는 네거티브 극성에 연결하였다: V_인가 = -9.5 kV, 펄스 폭=1 μs, f = 15 kHz, 평균 전력 150 Wh. 방전 전극을 스테인리스강으로부터 제조하고, 접지 전극을 그래파이트로부터 제조하였다. 팬을 이용하여 50 m³/시(hour)에서 공기를 방전 공간 내로 끌어들였다. 여기서 관찰된 바와 같이, 방전 전극을 본 발명에 따라 조립할 때, 스트리머(614)는 주변 스트리머로부터 전기장 제약을 겪으며, 이는 이들을 핀 노말 쪽으로 밀어낸다. 중요하게는, 이러한 제약은 스트리머 폭 증가를 제한하고, 이러한 제한은 헤드에서 전기장 증강을 유지하고 2차 스트리머의 발생을 방지하는 데 필수적이다. 상응하는 이온화 전방의 전파는 확대도(612)에 도시되어 있다.

2. 바이어스 전압 및 기체 유동의 효과

상기 지시된 바와 같이, 오존은 O(³P) + O₂ + M→ O₃ + M (M= N₂, O₂, O₃)를 통해 형성되고, 고에너지 산소 원자 O(¹D)는 O(¹D) + M → O(³P) + M을 통해 기체 분자와의 이완(relaxation) 충돌로 인해 이의 과도한 에너지를 잃는다. 건조 기체가 방전 공간에 공급된다면, 상기 기재된 바와 같이 OH^* 발생은 억제되어, 주로 O₃ 형성을 초래할 것이다. 방전 거동에 미치는 바이어스 전압 및 기체 유동의 효과를 연구하기 위해, 오존 생성을 지표(indicator)로서 모니터링하였다. 장치를 본원에 개시된 교시에 따라 조립하였다. 장치 매개변수는 하기와 같이 유지시켰다: 15500 (3875 방전 핀, 정사각형 크기 = 0.25x0.25 mm²) 점화 팁, 핀간 거리 = 2.5 mm 및 점화 팁으로부터 상대 전극 거리 = 4.25 mm, 30 mm의 직경 및 430 mm의 높이를 갖는 방전 전극 조립체 상에 배열됨. 방전 전극을 하기 전압 매개변수를 갖는 네거티브 극성에 연결하였다: V_인가 = -9.5- 10.5 kV, 펄스 폭=600 ns 내지 1 μs, f = 15 kHz. 방전 전극을 스테인리스강으로부터 제조하고, 접지 전극을 그래파이트로부터 제조하였다. 공기 건조기(Parker PRD10)는 건조한 공기를 장치에 공급하였다. 오존 모니터(Teledyne API 454 프로세스 오존 분석기)를 이용하여 출구에서 오존 농도를 측정하고, 비에너지 소모율을 계산하였다. 고전압 프로브를 갖는 오실로스코프를 이용하여, 펄스 거동을 연구하였다. 도 66은 85 W 전력 및 5 m³/h 공기 유속에서 예시적인 전압 펄스를 제시한다. 펄스(621)에 대한 바이어스 전압을 0 V로 설정한 한편, 펄스(622)에 대한 바이어스 전압을 220 V로 설정하였다. 스트리머는, 수직 파선이 전압 펄스의 트레이스(trace)와 교차하는 지점의 전압에서 점화된다. 스트리머 점화 후, 전압의 임의의 추가 증가는 유용하지 않다. 그러나, 스트리머 점화점 후 펄스 팁의 임의의 폭 증가는 방전 공정에 이용되는 유용한 에너지의 양의 증가를 나타낸다. 알 수 있듯이, 바이어스 전압의 적용에 의해, 펄스 팁(622)은 넓어진다. 이는 도 37에 더 예시되며, 이는 100 W 전력 및 5 m³/h 공기 유속에서의 예시적인 전압 펄스를 제시한다. 펄스(631)에 대한 바이어스 전압이 0 V인 반면, 펄스(622)에 대한 바이어스 전압은 200 V로 설정되었다. 알 수 있듯이, 스트리머 점화 후, 펄스 팁(632)은 상당히 넓어지고, 이는 방전에 유용한 에너지의 유의한 증가를 나타낸다. 도 68은 상이한 바이어스 전압에서 방전 공간에서 최대로 이용 가능한 전력을 제시한다. 알 수 있듯이, 바이어스 전압의 충격은 100 V 후 유의하게 된다. 바이어스 전압의 역할은 연속 펄스들 사이의 방전 공간으로부터 공간 하전을 쓸어 내는 것이며, 그래서, 방전 공간의 전도성은 예측 범위 내에서 유지될 수 있다. 바이어스 전압의 영향이 소정의 값(~500V) 이후에, 뿐만 아니라 높은 기체 속도에서 작아짐을 주지한다. 도 69는 상이한 유속에서 인가된 바이어스 전압에 대한 최대 전력의 이용 가능성을 제시한다. 5-10 m³/h와 같이 낮은 속도에서, 100 V 이후의 바이어스 전압의 영향은 꽤 유의하다. 한편, 20 m³/h 유속에서, 최대 이용 가능한 전력의 변화는 낮은 유속에서만큼 유의하지 않다. 더 높은 유속은 바이어스 전압과 유사한 방전 공간으로부터 잔류 전하를 이동시킨다. 도 70은 10 m³/h 유속에서 인가된 바이어스 전압에 대한 오존 생산성을 나타낸다. 알 수 있듯이, 바이어스 전압(651)의 부재 시, 많은 전력(최대 120 W)을 장치에 투입하여 최대 4 g/h 오존을 수득하는 것이 가능하지 않다. 한편, 300 V 바이어스 전압(653)에서, 160 W의 전력을 동일한 장치에 투입하여 8 g/h의 오존을 초래하는 것이 가능하였다. 도 71은 20 m³/h 유속에서 바이어스 전압에 대한 오존 생산성 변화를 나타낸다. 알 수 있듯이, 유속을 20 m³/h까지 증가시켰을 때, 0 바이어스 전압(661)에서도, 160 W의 전력을 동일한 장치에 투입하여 7 g/h 오존을 초래하는 것이 가능하였다. 본 발명의 교시에 따르면, 심지어 이러한 높은 유속에서도, 바이어스 전압은 여전히 포지티브 영향을 가지며, 따라서 180 W 전력 및 200 V 바이어스 전압(662)에서 10 g/h 오존 생성을 가능하게 한다. 개시된 바이어스 전압 인가 기술은 공기 내 수분 함량이 높고 유속이 낮아, 광범위한 작동 매개변수에 걸쳐 방전 장치의 작동을 가능하게 할 때, 특히 유익하다.

3. 기체 스트림으로부터 C₂H₄ 제거

이러한 실시예는 신선한 생산물 저장 환경으로부터 에틸렌을 제거하기 위한 본원에 개시된 방전 장치의 적용을 제공한다. 상술된 바와 같이, 천연 식물 호르몬인 에틸렌은 숙성 및 노화를 유발하는 것과 같이 많은 영향을 가진다. 따라서, 에틸렌의 제거 또는 파괴는 신선한 생산물의 저장 수명을 증강시키기 위한 중대한 요건이다. 이러한 적용을 나타내기 위해, 실시예 2에 개시된 6개의 동일한 장치를 40 ft 냉장 용기에 설치하였으며, 이러한 냉장 용기는 생산물 수송에 흔히 사용된다. 이러한 장치를 도 72에 도시된 바와 같이 용기의 공기 교환 포트를 통해 설치하였다. 각각의 방전 장치를 하기 매개변수를 갖는 전력 공급에 연결하였다: V_인가 = -9.5- 10.5 kV, 펄스 폭=600 ns 내지 1 μs, f = 15 kHz, 총 평균 전력 700 Wh. 유속을 160 m³/h에서 유지시켰다. 공기를 용기로부터 방전 장치 내로 끌어 넣고, 처리된 공기를 용기로 다시 방출시켰다. 용기 시스템의 높은 공기 순환 속도는 에틸렌-적재 공기를 방전 장치 내로 신선하게 계속해서 공급하는 것을 보장하였다. 저장 환경을 시뮬레이션하기 위해, 합성 에틸렌을 실린더로부터 용기 내로 주어진 속도로 주입하였다. 나아가, 가습기를 이용하여, 용기 내부에서 상대 습도 수준을 85-90%로 유지시켰으며, 이는 생산물 저장 환경에 전형적인 수준이다. 평균 온도를 5℃로 유지시켰다. 전기화학 센서(ICA56 센서) 및 기체 크로마토그래프(HP 6890)를 사용하여, 공기 내 에틸렌 함량을 측정하였다. 도 72에 도시된 바와 같이, 방전 장치를 껐을 때, 용기 내부에서 에틸렌 수준은 계속해서 증가하였다(671). 그러나, FRG 장치를 켰을 때(672), 에틸렌 농도는 하락하기 시작해서 정상 수준(673)에 도달하였으며, 이 기간 동안 신선한 에틸렌을 16 sccm 속도로 계속 주입하더라도 그러하였다. 즉, FRC는 이 기간 동안, 주입된 에틸렌뿐만 아니라 축적된 에틸렌을 파괴할 수 있었다. 나아가 또한, 에틸렌 수준은 이러한 장치 구성에서 16 sccm 공급 속도에서 제로까지 되지는 않은 것으로 관찰되었다. 그러나, 4 sccm 공급 속도에서, 용기 내 에틸렌 수준은 거의 제로(675)에 머물렀다. 실험 측정(다이아몬드 및 원)으로부터, 용기 내 에틸렌 농도는 수학적으로(선) 하기와 같이 기재될 수 있음을 추론하였다:

여기서, q는 에틸렌 생성/주입 속도이며, t는 시간이고, k는 C₂H₄에 대한 분해 속도이다. 매개변수 q 및 k는 온도, 습도, 유속뿐만 아니라 전력에 의존한다. 이제 도 73을 참조로 하여, 방전 공간에서 에틸렌을 파괴하기 위해 가능한 경로들이 많이 있다. 우선, C₂H₄는 가능하게는 C₂H₄ + e^- → CH^* ₂ + CH^* ₂에 따라 방전 공간 내에서 전자(681)에 의해 해리될 수 있고, 연관된 해리 에너지는 대략 4.5 eV(Szymanska 등)이며, 이는 H₂O + e^-→ OH^* + H^* 해리와 겹친다. CH^* ₂와 O*는 조합되어 CH₂O를 형성할 수 있으며, 이는 OH*와 추가로 조합되어 HCOOH(포름산)를 형성할 수 있고, OH*를 이용한 포름산의 추가의 산화는 H₂O, CO₂ 및 H를 초래할 수 있다. 대안적으로, OH^* 및 O^* 라디칼은 R-H +O* → R*+OH* 및 R-H +OH* → R*+H₂O에 따라 에틸렌의 탈수소화 공정을 통해 다른 라디칼을 형성할 수 있으며; 여기서, R*은 C₂H₃*이다. 대안적으로, O₂를 이용한 R*의 산화는 R-O-O(퍼옥시 라디칼)를 초래할 수 있으며, 이는 추가의 산화 시 CO₂ 및 H₂O를 형성할 수 있다. 라디칼 사슬 반응, 예컨대: R-O-O + R-H→ ROOH + R*가 또한, 가능하다. O₃ 및 HO₂와 같은 2차 라디칼 또한, C₂H₄의 산화에 참여하여 CO₂ 및 H₂O를 형성할 수 있지만, 1차 라디칼의 존재 시, 1차 라디칼을 수반하는 산화 경로가 지배적일 것이다. CO₂ 해리 에너지는 약 5.52 eV임을 주지한다. 따라서, CO₂ 부산물은 해리 과정을 겪을 수 있는 것이 가능하다. 가장 중요한 반응은 CO 및 O로의 전자 충격 해리, CO⁺ ₂로의 전자 충격 이온화이며, 이는 전자 또는 O^- ₂ 이온과 조합하여 CO 및 O 및/또는 O₂으로 되고, 가장 중요한 반응은 CO 및 O^-로의 전자 해리 부착이다. 형성된 CO 분자는 상대적으로 안정하지만, 방전 공간에서 다른 화합물을 형성할 수 있다. 소정의 수준의 CO₂는 저장 환경에 유익하지만, 높은 CO₂ 수준은 많은 생산물에 손상을 준다는 것을 주지한다. 따라서, 본원에 개시된 방전 장치를 사용하여, 당업자는 장치에 부착된 필터를 통과함에 따라 기체 스트림으로부터 쉽게 스크럽될 수 있는 수용성 부산물을 형성함으로써 C₂H₄를 효과적으로 제거할 수 있을 뿐만 아니라 동시에 CO₂ 수준을 제어할 수 있다. 몇몇 이전의 장치는 저장 환경으로부터 C₂H₄를 산화시키기 위해 오존을 사용하였으나, 높은 수준의 CO₂를 도입하며, 이는 효과적인 해결방안이 아닐 수 있다. 나아가, 산소가 정교하게 낮게 유지되는 조절 공기 저장 내로의 오존의 도입은 조절 공기의 목적을 무산시킨다. 따라서, 방전 장치에서 가능한 전환 경로는 당업자가 에틸렌 뿐만 아니라 CO₂를 효과적으로 제어할 수 있게 하고, 따라서 독특한 해결방안을 제공한다. 도 74는 주입 속도가 1 ml/min에서 유지되고 동시에 2개의 장치가 200 Wh의 평균 전력 및 30 m³/시의 유속으로 배치되었을 때, 용기 내의 에틸렌 수준을 제시한다. 알 수 있듯이, 에틸렌을 제거하는 데 이용되는 전력(w/ppm)은 고농도에서 필요한 것과 비교하여 더 낮은 농도에서 유의하게 더 높다(도 72). 이는, 더 적은 에틸렌 분자가 방전 공간에 존재하고 다른 라디칼을 생성하는 데 많은 에너지가 이용될 때 낮은 충돌 가능성으로 인한 것이다. 그렇지만, 방전 장치는 에틸렌 수준을 서브 ppm 수준으로 효과적으로 유지시킬 수 있으며, 이는 많은 저장 환경에 중대하다. 많은 연구들은, 에틸렌 수준을 서브 ppm 수준으로 유지시키는 것이 저장 수명을 상당히 연장시킬 수 있다고 언급하였다. ICA56 센서 판독(691)은 기체 크로마토그래프 측정(692)보다 높았음을 주지한다. 이는, 전기화학적 원리를 기초로 작동하는 ICA56 센서에서 O₃와 같은 다른 라디칼의 간섭으로 인한 것이다.

4: 세균 포자에 대한 훈증

이러한 실시예는, 내성 세균 포자에 대한 멸균을 위한, 본원에 개시된 바와 같은 훈증 모드에서 방전 장치의 적용을 나타낸다. 장치를 도 43에 제공된 설명에 따라 조립하였다. 장치 매개변수를 하기와 같이 유지시켰다: 19200개(4800 방전 핀, 정사각형 크기 = 0.25x0.25 mm²)의 점화 팁, 핀간 거리 = 2 mm 및 점화 팁으로부터 상대 전극 거리 = 5 mm. 방전 전극을 도 42에 따라 카세트에 캡슐화하고, 하기 전압 매개변수로 네거티브 극성 전력 공급에 연결하였다: V_인가 = -9.5- 10.5 kV, 펄스 폭=600 ns 내지 1 μs, f = 15 kHz, 평균 전력 320 Wh. 방전 전극을 스테인리스강으로부터 제조하고, 접지 전극을 그래파이트로부터 제조하였다. 30 m³/h의 속도에서 주위 공기를, 대략 500 g 물/시로 공급한 초음파 분무기(ultrasonic fogger)와 함께 물을 함유하는 챔버에 공급하였다. 공급된 공기는 챔버로부터 미스트를 취득하고, 그 후에 도 43에 기재된 바와 같이 방전 공간을 통과하였다.

처음에, 단지 1200개의 방전 핀을 연결함으로써 장치에 전력을 부분적으로 공급하고, 방전 장치로부터의 배출 기체를 냉각 챔버에 수합하여, 수분을 축합시켰다. Chemetrics K-5510 키트(Midland, VA)를 사용하여, 25 ml의 축합된 수분 내의 용존 과산화수소를 측정하였다. CHEMets 앰플은 시료 컵 내에서 깨졌으며, 이는 시료 물로 충전시킨다. 색상 변화를 페릭(Ferric) 티오시아네이트 방법에 의해 수득한다. 페릭 티오시아네이트 방법은 산 용액(앰플 내부에 함유됨) 내에서 암모늄 티오시아네이트 및 페러스 철(ferrous iron)로 구성된다. 과산화수소는 페러스 철을 페릭 상태로 산화시켜, 적색 티오시아네이트 착화합물의 형성을 초래한다. 생성된 적색을 제공된 비교자와 비교한다. 평균 4 ppm H₂O₂가 시료에서 관찰되었다. 축합된 수분 내에서 관찰된 H₂O₂는 발생기에서 풍부한 OH^* 라디칼 형성의 명백한 지표이다. H₂O₂가 방전 공간 내에서 형성될 수 있지만, H₂O₂에 대한 해리 에너지는 대략 2.21 eV이고, 거의 모든 기체 스트림이 본 발명의 교시에 따라 방전 공간을 나갈 때까지 스트리머와 상호작용하도록 향하게 됨에 따라 바람직하게는 OH^*로 다시 해리될 것임이 가능하다.

그 후에, 훈증 장치를 도 75에 도시된 바와 같이 7'x7'x7' 인클로저의 중간(700)에 놓았다. 1개 스트립 당 1백만개의 포자를 함유하는 3가지 유형의 세균 포자 스트립을 시료 장소(702)에 놓았다. 포함된 세균 포자는; 바실러스 아트로패우스(Bacillus atrophaeus), 바실러스 푸밀루스(Bacillus pumilus) 및 게오바실러스 스테아로테르모필루스(Geobacillus stearothermophilus)이었다. 도 75에서 관찰된 바와 같이, 방에 라디칼을 함유하는 미스트로 충전시켰다. 처리 시간을 6시간으로 설정하였다. 이 시간은 최적화되지 않음을 주지하고, 최적화된 시간은 훨씬 더 적을 것으로 여겨진다. 관찰 및 추론을 하기 표 1에 표로 나타낸다. 알 수 있듯이, 모든 3가지 세균 포자를 훈증 공정에 의해 완전히 무력화시켰으며, 이는 물 및 전기만 이용하는 공정의 멸균 능력을 나타낸다. 현탁된 물방울과 함께 공기 내에서 방전 장치의 작동은 전극 손상을 초래하는 아크로 인해 전형적으로 문제가 되었다. 조사 시, 1주일 동안 1일에 6시간 동안 계속 운용시킨 후 어떠한 전극 손상도 관찰되지 않았으며, 이는 본 발명의 교시의 이득을 나타낸다.

S No	포자 명칭	시료 설명	배양 배지	인큐베이션-전 색상	인큐베이션-후 색상	추론
1	바실러스 아트로패우스	포자 스트립을 첨가하지 않음	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	녹색	브로쓰 배지가 오염되지 않음
2	바실러스 아트로패우스	비처리된 비. 아트로패우스 스트립을 첨가함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	황색	포자가 생존 가능함
3	바실러스 아트로패우스	포자 스트립을 첨가하지 않음	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	녹색	처리 동안 포자의 완전 무력화
4	바실러스 푸밀루스	포자 스트립을 훈증 유닛으로부터 2 피트에서 처리함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	녹색	브로쓰 배지가 오염되지 않음
5	바실러스 푸밀루스	비처리된 비. 푸밀루스 스트립을 첨가함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	황색	포자가 생존 가능함
6	바실러스 푸밀루스	포자 스트립을 훈증 유닛으로부터 2 피트에서 처리함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	녹색	처리 동안 포자의 완전 무력화
7	바실러스 푸밀루스	포자 스트립을 훈증 유닛으로부터 6 피트에서 처리함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	녹색	녹색	처리 동안 포자의 완전 무력화
8	게오바실러스 스테아로테르모필루스	포자 스트립을 첨가하지 않음	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	보라색	보라색	브로쓰 배지가 오염되지 않음
9	게오바실러스 스테아로테르모필루스	비처리된 지. 스테아로테르모필루스 스트립을 첨가함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	보라색	황색	포자가 생존 가능함
10	게오바실러스 스테아로테르모필루스	포자 스트립을 훈증 유닛으로부터 2 피트에서 처리함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	보라색	보라색	처리 동안 포자의 완전 무력화
11	게오바실러스 스테아로테르모필루스	포자 스트립을 훈증 유닛으로부터 6 피트에서 처리함	GMBTB 트립틱 소이 브로쓰	보라색	보라색	처리 동안 포자의 완전 무력화

5: 액체 전극을 갖는 방전 장치

이 실시예는 고도 산화(advanced oxidation) 공정을 통해 물로부터 다양한 불순물의 제거를 위한 액체 전극을 갖는 방전 장치의 적용을 나타낸다. 장치를 도 56에 제공된 설명에 따라 제작하였다. 상기 장치는 11520개(2880개의 방전 핀, 정사각형 크기 = 0.25x0.25 mm²)의 점화 팁을 포함하였으며, 핀간 거리 = 2.5 mm 및 점화 팁으로부터 상대 전극 거리 = 4.5 mm이고, 122 mm의 직경 및 75 mm 높이를 갖는 방전 전극 조립체 상에 배열하였다. 방전 전극을 하기의 전압 매개변수와 함께 네거티브 극성에 연결하였다: V_인가 = -9.5- 10.5 kV, 펄스 폭=600 ns 내지 1 μs, f = 15 kHz, 평균 전력 320 Wh. 여기서, 상대 전극은 그래파이트 실린더 상으로 유동하는 물의 필름었다. 물에 혼합된 상이한 불순물을 이용하여 다양한 실험을 수행하였다. 도 76은 처리 시간에 대한 탈이온화된 물의 전도성 및 pH의 변화를 제시한다. 방전 장치를 통한 물 유동을 350 ml/분으로 설정하였으며, 이를 5 갤런 저장기를 통해 계속 재순환시켰다. 전력을 100 W로 설정하였다. 알 수 있듯이, 방전 공정이 계속됨에 따라, 물(710)의 전도성은 상당히 증가하였다. 한편, pH(712)는 처음에 상당히 하락하였으며, 그 후에 안정화되었다. 관찰된 전도성 변화는 용존 하전된 화학종의 생성으로 인해 일어날 수 있을 뿐이다. OH*, O*, H₂O₂, O₃, NO* 및 NO₂*, 및 퍼옥시니트라이트와 같은 많은 가능한 화학종이 다른 라디칼과 함께 형성되는 것으로 예상된다. 도 77은 상이한 처리 시간에서 H₂O₂ 농도(720)를 제시한다. 이들 1차 및 2차 라디칼은 물로부터 불순물을 제거하기 위해서뿐만 아니라 멸균을 위해 유익하게 사용될 수 있다. 축전식 탈이온화(CDI)는 염 및 중금속과 같은 용존 이온 화합물을 제거하기 위한 효율적인 방법으로서 인지되었다. 그러나, CDI 전지를 효율적으로 작동시키기 위해, 물은 양호한 전도성을 가져야 한다. 따라서, 물이 매우 낮은 수준의 용존 이온을 함유할 때, CDI는 효과적으로 운용되지 않을 수 있고, 대부분의 에너지가 열 발생으로서 상실된다. 상기 언급된 바와 같이, 방전 공정은 전도성을 유의하게 증가시키고, 그 결과, 초순수한 물을 비용 효과적으로 제조하기 위해 용존 이온을 제거하기 위해 방전 후 CDI 공정이 이용될 수 있다.

이제, 본원에 개시된 방전 장치를 이용하여, 물에 용해된 다양한 불순물의 중화/제거가 언급될 것이다. 전세계 염료 생산율 중 약 15%는 염색 공정 동안 손실되고, 액체 배출물로서 방출된다. 이러한 폐기물로부터의 색상 제거는 텍스타일 마감, 염료 제조, 펄프 및 페이퍼 산업이 맞닥뜨리는 가장 어려운 요건들 중 하나이다. 다양한 유형의 염료 중에서, 메틸렌 블루를 포함한 다양한 양이온성 염료가 염료, 페인트 생산 및 울 염색에 사용된다. 메틸렌 블루는 또한, 미생물, 수술, 진단에 사용되고, 유기 오염원의 광산화에서 민감제로서 사용된다. 이러한 환경적 문제점에 대한 해결방안을 나타내기 위해, 모델 염료인 메틸렌 블루(MB)를 물에 용해시켰으며, 생성된 용액을 본 발명의 교시에 따라 액체 전극으로서 배치하였다. MB의 수준을 흡수 분광계(BioTek Epoch 2 마이크로플레이트 분광광도계)에 의해 결정하였다. 도 78은 물에서 MB의 수준을 가리키는 광학 밀도를 제시한다. 출발 용액 광학 밀도는 최고 피크(730 및 734)에 의해 표시된다. 다양한 유속에서 실험을 수행하였다. 알 수 있듯이, 최저 피크(732 및 736)에 의해 표시된 최고 제거 효율은 최저 유속 350 ml/분에서 관찰되었다. 이는, 최적화된 공정 조건을 이용하면 염료가 배출물로부터 효과적으로 제거될 수 있음을 나타낸다.

메틸 3차-부틸 에테르(MTBE)는 또 다른 인공 화학물질로서, 1980년대부터 가솔린에서 연료 첨가제로서 거의 독점적으로 사용되어 왔다. MTBE가 물에서 쉽게 용해되고 토양과 쉽게 결합되지 않기 때문에, 공공 용수 시스템 및 사유 식수 샘(private drinking well)에서 MTBE의 확인은 흔한 일이다. MTBE는 환경에서 쉽게 분해되지 않고, 미생물 분해에 저항성이며, 따라서 지하수로부터 제거하기 어렵고 비용이 많이 든다. MTBE는 식수의 맛을 매우 공격적으로 만들고, 불쾌한 냄새를 풍긴다. MTBE 노출은 메스꺼움, 코 및 목구멍 자극, 소화관 자극, 간 및 신장 손상, 및 정신착란을 포함한 신경계 효과를 유발할 수 있다. 한편, 인간의 건강에 미치는 MTBE의 전체 효과는 광범위하게 연구되지는 않았지만, EPA 보고서는 MTBE 노출을 실험 동물에서의 암과 연관지으며, 따라서 MTBE를 잠재적인 발암원으로 분류한다. MTBE를 물에 용해시키고, 이를 상기와 같이 액체 전극으로서 사용함으로써 실험을 수행하였다. 유속을 350 ml/m에서 유지시키고, 물을 5 갤런 저장기로부터 재순환시키고, 전력을 100 W에서 설정하였다. 물 시료 중 MTBE의 농도를 EPA 524.4 방법에 따라 결정하였으며, 이러한 방법은 질소 퍼지 기체를 사용하여 기체 크로마토그래피/질량 분광법을 이용한다. 표 3은 처리 후 상이한 시간에 물 시료 내 MTBE 수준을 제시한다. 알 수 있듯이, MTBE의 유의한 감소(1000 μg/L로부터 180 μg/L로)는 방전 장치를 통한 단일 통과에서 발생한다. MTBE의 요망되는 전환 경로는, MTBE를 CO₂로 전환시켜, 이것이 임의의 다른 유해 화합물을 형성하지 않도록 보장하는 것임을 주지한다. 표 2에서 알 수 있듯이, CO₂ 수준은 MTBE 수준의 감소에 상응하여 증가하였다. 어떠한 다른 중간산물 화합물이 관찰되지 않았다.

시료 ID	시료 설명	용존 CO2 (ppm)	MTBE 함량 (νg/L)
051216B	기준선 시료. 0.125 ml의 MTBE를 5 gal의 DI 물에 주입하고 교반하여 혼합하였음	2.5	1000
051216OP	직접 플라즈마 반응기 하에 시료를 직접 수합하였음 - 기준선 후 1 패스	11.25	180
0512164HR	직접 플라즈마에 4시간 동안 노출시킨 후, 5 gal의 벌크로부터 시료를 수합하였음	19.5	30

물에서 출현하는 오염물질의 존재는 심각한 문제가 되었다. 전형적인 수처리 설비는 식수로부터 약물을 제거하도록 디자인되지 않는다. 이들 약물, 처방 약물 및 비처방 약물 둘 다는 상수도에서 끝날 수 있다. 이는 약물을 플러싱(flusing)한 결과이지만, 많은 약물들은 신체에 의해 완전히 대사되지 않고, 폐수처리 설비를 통과한 후 환경에 유입된다는 많은 문제점이 있다. 이러한 처리 설비로부터의 배출물은 물줄기로 배출되고, 이러한 물줄기는 상수도에서 끝날 수 있으며, 이러한 상수도로부터 식수가 취해진다. 특히 물에서 확인되는 하나의 오염물질은 이부프로펜 약물이다. 이 약물은 관절염, 열의 증상을 완화시키고 통증을 감소시키는 데 사용되는 광범위하게 투여되는 약물이다. 렘나 마이너(Lemna minor) 화학종을 사멸화시킬 뿐만 아니라 어류군에 악영향을 미침으로써 이부프로펜으로부터 생태계에 미치는 장기적인 영향 중 일부의 결과가 있어 왔다. 오수로부터 약물의 제거를 나타내기 위해, 이부프로펜을 물에 용해시키고, 그 후에 상기 물을 본 발명의 방전 장치용 액체 전극으로서 사용하였다. 이부프로펜의 농도를 흡수 분광광도계(BioTek Epoch 2 마이크로플레이트 분광광도계)를 이용하는 광학 밀도를 통해 모니터링하였다. 유속을 350 ml/m에서 유지시키고, 물을 5 갤런 저장기로부터 재순환시키고, 전력을 100 W에서 설정하였다. 도 79는 기준선 용액에 대해 최고인 이부프로펜(740)과 관련하여 강도 피크를 제시한다. 5분 동안의 처리에 의해, 이부프로펜 피크(744)가 완전히 없어졌다.

광범위하게 처방되는 항당뇨병약 메트포르민은 배출물에서 확인되는 가장 풍부한 약제들 중 하나이고, 간성 어류의 발생의 원인이 되어 왔으며, 간성 어류에서 수컷 생식 조직이 자성화(feminization)의 증거를 보여준다. 개시된 액체 전극 방전 장치는 메트포르민을 물로부터 파괴하는 데 이용될 수 있다. 상업적으로 입수 가능한 메트포르민을 물에 용해시키고, 이 물을 액체 전극으로서 사용하였다. 유속을 350 ml/m에서 유지시키고, 물을 5 갤런 저장기로부터 재순환시키고, 전력을 100 W에서 설정하였다. 도 80은 분광광도계에 의해 결정된 바와 같은 메트포르민 수준을 제시한다. 최고 메트포르민 피크(750)는 220-240nm 파장 사이에 위치하고, 기준선 출발 용액에 속한다. 15분 동안의 재순환 후, 메트포르민 피크(756)은 사라졌으며, 이는 워터 어플루언트(water affluent)로부터 메트포르민의 파괴 능력을 나타낸다. 제한된 수의 약제의 예가 본원에 나타나 있긴 하지만, 본원에 개시된 기술은 광범위하게 다양한 약제들에 이용될 수 있다.

중금속으로부터 인간의 건강에 대한 주요 위협은 납, 카드뮴, 수은 및 비소에의 노출과 연관이 있다. 종종, 이러한 노출은 식품 및 식수를 통해 발생한다. 본 발명자들의 물 공급부 내의 금속은 천연 발생할 수 있거나 또는 오염의 결과일 수 있다. 천연 발생 금속은 암석 또는 토양 물질과 접촉 시 물에 용해된다. 금속 오염의 다른 공급원은 파이프의 부식 및 폐수 처리 장소로부터의 누출이다. 비용해된 현탁 미립자 형태에 존재하는 중금속은 여과 공정에 의해 제거될 수 있다. 용해된 중금속을 제거하는 한 가지 가능한 방식은 이들 중금속을 고도 산화 공정을 통해 비용해된 미립자로 전환시키고, 그 후에 여과시킬 수 있는 것이다. 방전 공정 동안 많은 착화합물 라디칼의 발생으로 인해, 비용해된 중금속 미립자를 형성하기 위해 이들을 이용하는 것이 가능하다. 이를 나타내기 위해, 납 니트레이트 및 아세테이트를 물에 용해시켰다. 용액을 0.1 미크론 필터 페이퍼를 통해 여과한 후, 용해된 납 농도를 유도 결합 플라즈마 질량 분광법(ICP-MS)에 의해 결정하여, 비용해된 물질이 용액에 남아 있지 않음을 확인하였다. 그 후에, 납 오염된 용액을 본원에 개시된 방전 장치에서 액체 전극으로서 이용하였다. 유속을 350 ml/m에서 유지시키고, 물을 5 갤런 저장기로부터 재순환시키고, 전력을 85 W에서 설정하였다. 그 후에, 처리된 물을 0.1 미크론 필터 페이퍼를 통해 여과하여, 용해된 납 함량을 결정하였다. 도 81은 다양한 농도에서 방전 공정 이전 및 이후에 용해된 납 농도를 제시한다. 각각의 경우에 제시된 용해된 납 농도의 감소는 이것이 방전 장치를 통과한 직후였음을 주지한다. 예를 들어, 케이스 1에서, 초기 농도(760)는 37 ppm이었고, 방전 장치 및 필터를 통과한 후, 농도(762)는 26 ppm으로, 30% 감소를 나타내었다. 필터를 경로로부터 제거하였을 때, 납 농도는 변하지 않았으며, 이는 방전 공정 동안 형성된 비용해된 미립자가 총 농도에 기여하였음을 가리킨다. 도 56에 포함된 CDI 전지를 이들 실험에 이용하지 않았음을 주지한다. CDI 전지에 전력을 주었을 때, 용해된 납을 제거하였다. 표 3은 CDI 전지를 1 amp의 전류로 작동시킬 수 있을 때의 결과를 제시한다. 출발 용액은 120 ppm의 용존 납을 가졌으며, 4회 순환 후, 납 함량은 20 ppm이었다. 전지를 리버스시켰을 때(탈착 사이클), 이는 흡착된 납을 용액 내로 되돌렸으며, 납 함량은 87 ppm으로 되었고, 이는 많은 용존 납이 CDI 공정에 의해 제거되었음을 가리킨다. 탈착 사이클로부터의 산출물(output)은 상술된 바와 같이 폐기될 필요가 있음을 주지한다. 도 56에 제시된 장치의 방전 컴포넌트 및 CDI 컴포넌트가 둘 다 함께 작동되는 경우, 일부 납은 고도 산화 공정 및 여과에 의해 제거되고, 일부는 CDI 공정에 의해 제거될 것이다. 가장 중요하게는, 방저 공정으로 인한 전도성 개선은 CDI 공정의 운용을 효율적으로 만든다.

본원에 개시된 액체 전극을 이용한 방전 공정이 많은 불순물을 제거할 수 있긴 하지만, H₂O₂ 및 니트레이트의 존재는 물을 음용 불가능하게 만든다. 이는 플라즈마 처리수에서 공지된 문제점이었다. 다행히도, CDI 공정은 이러한 문제점을 해결한다. 도 82는 물이 상이한 공정 단계를 거침에 따라 전도성, H₂O₂ 및 니트레이트 농도 변화를 제시한다. 방전 단계(770)에서, 전도성, H₂O₂ 및 니트레이트 농도는 상당히 증가한다. 니트레이트가 공기 중 질소로부터 나와 물에 용해됨을 주지한다. CDI 흡착 사이클(772)에서, 전도성, H₂O₂ 및 니트레이트 농도는 상당히 감소한다. 나아가, 탈착 사이클(774)에서, 전도성 및 니트레이트 농도는 다시 증가하지만, H₂O₂ 농도는 낮은 채로 머물러 있다. 일단 해리된 H₂O₂는 재생되는 것으로 예상되지 않았다. 탈착 사이클 동안의 산출물이 폐기되기 때문에, 증가된 니트레이트 농도는 임의의 건강한 위험을 제기하지 않는다. 따라서, 본원에 개시된 하이브리드 장치는 식수를 처리하며, 여러 가지 불순물, 약제, 중금속 및 생물제(biologics)를 제거하는 효과적인 방식을 제공한다.

조건	사이클 횟수	납 농도
기준선	0	120 ppm
흡착 사이클	4	20 ppm
탈착 사이클	2	87 ppm

대기중 CO₂　수준이 인간 활동의 결과 계속 상승하기 때문에, 이산화탄소로부터 유용한 생성물로의 화학적 변환이 점점 중요해지고 있다. 예를 들어, 당업자는 CO₂로부터 메탄올, 메탄(CH₄) 또는 포름산(HCOOH)을 생성할 수 있다. 종종 고압 화학 반응과 함께 촉매를 이용하여, 전환을 용이하게 하고 생성물 특이성을 결정한다. 본원에 개시된 액체 전극을 이용한 스트리머 방전은 적절한 라디칼의 발생으로 인해 이러한 전환 비용을 효과적으로 용이하게 할 수 있다. 실행 가능성을 나타내기 위해, 상기 고찰된 액체 전극 방전 장치를 이용하였다. CO₂를 물에 용해시키고, 그 후에 이를 액체 전극으로서 사용하였다. 용존 CO₂가 방전 공정 동안 물로부터 탈출할 수 있는 것이 가능하기 때문에, 이러한 장치는 탈출구를 갖는 밀봉된 박스에서 밀폐되었고, 탈출 기체 농도를 pSense Portable CO₂ Meter AZ-0001에 의해 측정하였다. 스트리머 방전 전후에, 용존 CO₂를 또한, Megazyme사의 검정법 키트 "KFORM"과 함께 분광광도법에 의해 측정하였다. 도 83은 용존 CO₂ 측정뿐만 아니라 박스로부터의 출구 기체 중 CO₂ 측정을 제시한다. 알 수 있듯이, 방전 장치에 전력이 공급되지 않았을 때, 출구 기체(780) 중 CO₂뿐만 아니라 용존 CO₂(786)가 둘 다 높았다. 방전 장치에 전력을 공급하였을 때(782), 용존 CO₂(784) 뿐만 아니라 출구 기체(780) 중 CO₂가 둘 다 유의하게 낮아졌다. 이는, 본원에 개시된 바와 같이 스트리머 방전 공정은 CO₂로부터 수용성 부산물로의 전환을 용이하게 함을 나타낸다. 이러한 공정은 메탄올 또는 포름산(HCOOH)과 같은 부산물을 명시하기 위해 적절한 촉매의 사용에 의해 더 증강될 수 있다.

본 발명의 양태가 예시되고 기재되긴 하였지만, 이들 양태가 본 발명의 모든 가능한 형태를 예시하고 기재하는 것은 아니다. 그보다는, 명세서에 사용되는 단어는 제한을 두기보다는 설명의 단어이고, 다양한 변화는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있는 것으로 이해된다.

본 발명의 다양한 변형, 뿐만 아니라 본원에 나타내고 기재된 것들은 상기 상세한 설명의 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 변형은 또한, 첨부된 청구항의 범위에 포함되고자 한다.

모든 시약은 다르게 명시되지 않는 한 당업계에 공지된 공급원에 의해 수득될 수 있는 것으로 이해된다.

인용문헌 목록

미국 특허 문헌

8857371 B2 10/2014 Tabata　 et al.

5061462 10/1999 Suzuki, N.

7724492 B2 5/2010 Botvinnik, I.

7042159 B2 5/2006 Tanaka et al.

7753994 B2 7/2010 Motegi et al.

9132383 B2 9/2015 Ursem et al.

US 2006/0056130 A1 3/2006 Kim et al.

US 2013/0177473 A1 7/2013 Albrecht et al.

US 2015/0179411 A1 6/2015 Laux et al.

8293171 B2 10/2012 Haven

8388900 B2 3/2013 Benedek et al.

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6695953 B1 2/2004 Locke et al.

비특허 문헌

Szymanska et al., Dissociative electron attachment and dipolar dissociation in ethylene, International Journal of Mass Spectrometry, Vol. 365-366, 15 May 2014, Pages 356-364.

명세서에서 언급된 특허, 공개 및 출원은 본 발명이 속한 당업계의 당업자의 수준을 가리킨다. 이들 특허, 공개 및 출원은 각각의 개별 특허, 공개 또는 출원이 원용에 의해 본 명세서에 구체적으로 및 개별적으로 포함된 것과 동일한 범위까지 본원에 포함된다.

상기 상세한 설명은 본 발명의 특정 구현예를 가리키지만, 이의 실시에 제한을 두려는 것은 아니다.

Claims (45)

1. 자유 라디칼 발생기로서,
   상기 자유 라디칼 발생기는
   방사상 패턴으로 배열되고 하나 이상의 전압 펄스를 수용하도록 전기적으로 배치된 어레이에 하나 이상의 방전 전극 핀(pin)을 포함하는 방전 전극 조립체, 및
   하나 이상의 상기 방전 전극 핀으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 포지셔닝된 상대(counter) 전극
   을 포함하고,
   상기 방전 전극 조립체는 상기 상대 전극에 의해 둘러싸이고, 유로(flow passage)를 포함하는 방전 갭에 의해 이로부터 분리되고,
   하나 이상의 말단 캡은 상기 방전 전극 조립체를 상기 상대 전극으로부터 절연시키고, 상기 유로를 통한 기체의 유동을 허용하는, 자유 라디칼 발생기.
2. 제1항에 있어서,
   하나 이상의 상기 방전 전극 핀이 하나 이상의 점화 팁(ignition tip)을 포함하며,
   각각의 점화 팁은 각도에 의해 한정되고(defined),
   상기 점화 팁은 상기 상대 전극에 근접하여 상기 방전 전극 핀의 말단부에 포지셔닝된, 자유 라디칼 발생기.
3. 제2항에 있어서,
   하나 이상의 상기 방전 전극 핀이 3 내지 8개의 점화 팁을 포함하는, 자유 라디칼 발생기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 방전 전극 핀이 균일한 피라미드형 구조를 포함하는, 자유 라디칼 발생기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 방전 전극 핀이 각각 방전 전극 핀의 길이에 실질적으로 수직인 팁 프로파일을 포함하고,
   상기 팁 프로파일은 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 칠각형 또는 팔각형의 모양인, 자유 라디칼 발생기.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방전 전극의 어레이가 상기 방전 전극 어레이의 길이에 실질적으로 수직하여 연장되는 복수 열의 방전 전극 핀을 포함하는, 자유 라디칼 발생기.
7. 제6항에 있어서,
   실린더형 어레이의 길이에서 나아가는(proceeding) 상기 방전 전극 핀의 각각의 후속 열이 선행 열로부터 오프셋(offset)되는, 자유 라디칼 발생기.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자유 라디칼 발생기가 기체 공급부를 추가로 포함하며,
   하나 이상의 상기 말단 캡이 유입구를 포함하고,
   기체가 상기 방전 갭을 통해 유동하도록 상기 자유 라디칼 발생기에 공급되는, 자유 라디칼 발생기.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 방전 전극 조립체가
   중심 막대(central rod)를 추가로 포함하며;
   상기 방전 전극의 하나 이상의 열 중 각각의 열이 중심 홀(central hole)을 갖는 디스크(disc) 및 이로부터 연장되는 방전 전극 핀을 포함하고;
   상기 디스크가 상기 중심 막대 상에 놓여, 방전 전극의 어레이를 형성하는, 자유 라디칼 발생기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 디스크가 상기 중심 막대 상에 상기 디스크를 예정된 패턴에 따라 포지셔닝하기 위한 키 슬롯(key slot)을 추가로 포함하는, 자유 라디칼 발생기.
11. 제9항에 있어서,
    상기 중심 막대가 단일 키를 포함하고,
    각각의 디스크는, 일정한 차등 방사각(constant differential radial angle)이 연속 디스크의 상기 방전 핀들 사이에서 유지되도록 포지셔닝된 키 슬롯을 포함하는, 자유 라디칼 발생기.
12. 제9항에 있어서,
    제6 디스크는, 상기 전극 핀이 상기 중심 막대의 길이에 평행한 제1 디스크의 전극 핀에 실질적으로 직접 평행하도록 포지셔닝된, 자유 라디칼 발생기.
13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방전 전극 핀이 핀들 사이에서의 기체 유동을 차단하는, 자유 라디칼 발생기.
14. 제9항에 있어서,
    상기 디스크가 하나 이상의 열 사이의 공간을 배치하기 위해 스페이서를 추가로 포함하는, 자유 라디칼 발생기.
15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자유 라디칼 발생기가 바이어스 전압 인가 회로를 추가로 포함하며,
    상기 바이어스 전압 인가 회로는, 상기 방전 공간 내 공간 하전이 무시할 만한 수준까지 감소되도록 바이어스 전압을 하나 이상의 상기 방전 전극에 인가하도록 배치된, 자유 라디칼 발생기.
16. 유체 내에서 라디칼을 발생시키는 방법으로서,
    유체를 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 자유 라디칼 발생기의 방전 갭에 통과시키는 단계;
    하나 이상의 방전 전극 핀과 상대 전극 사이에 펄스 전압을 인가하는 단계로서, 상기 펄스 전압은 펄스 시간 동안 인가되는 단계; 및
    하나 이상의 상기 방전 전극 핀과 상기 상대 전극 사이에서 연장되는 하나 이상의 스트리머(streamer)를 발생시키는 단계로서, 하나 이상의 상기 스트리머는 상기 유체 내에서 자유 라디칼을 발생시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
17. 제16항에 있어서,
    상기 유체가 기체인, 방법.
18. 제17항에 있어서,
    상기 기체가 산소 및 질소를 포함하는, 방법.
19. 제17항에 있어서,
    상기 라디칼이 질소 라디칼 또는 하이드록실 라디칼인, 방법.
20. 제17항에 있어서,
    상기 기체가 에틸렌을 포함하는, 방법.
21. 제16항에 있어서,
    상기 유체가 물을 포함하는, 방법.
22. 제21항에 있어서,
    상기 라디칼이 산소 라디칼인, 방법.
23. 제16항에 있어서,
    상기 펄스 전압이 5 kV 내지 20 kV인, 방법.
24. 제16항에 있어서,
    상기 방법이 상기 방전 전극 핀과 상기 상대 전극 사이에 바이어스 전압을 인가하는 단계를 추가로 포함하고,
    상기 인가는 연속 전압 펄스 사이에서 이루어지는, 방법.
25. 제24항에 있어서,
    상기 바이어스 전압이 1 V 내지 500 V인, 방법.
26. 제17항에 있어서,
    기체 속도가 0.1 m/s 내지 200 m/s, 선택적으로 5 m/s 내지 50 m/s인, 방법.
27. 제16항에 있어서,
    상기 방법이 인가 단계 및 발생 단계를 반복하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 반복은 펄스 폭에 의해 한정되고,
    상기 펄스 폭은 10 나노초(nanosecond) 내지 50 마이크로초(microsecond), 선택적으로 400 나노초 내지 1 마이크로초인, 방법.
28. 제16항에 있어서,
    상기 방법이 인가 단계 및 발생 단계를 반복하는 단계를 추가로 포함하며,
    상기 반복은 펄스 주파수에 의해 한정되고,
    상기 펄스 주파수는 100 Hz 내지 100 kHz, 선택적으로 10 kHz 내지 30 kHz인, 방법.
29. 생산물(produce)의 저장 수명을 연장시키는 방법으로서,
    상기 방법은
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 자유 라디칼 발생기를, 생산물을 함유하는 공간에서 공기를 순환시키는 공기 순환 통로에 놓는 단계; 및
    방전 갭을 통해 공기를 순환시켜, 에틸렌 및 미생물 오염원을 상기 공기로부터 스크럽(scrub)하는 단계
    를 포함하는, 방법.
30. 제29항에 있어서,
    상기 공간이 리퍼(reefer) 수송 용기인, 방법.
31. 제29항에 있어서,
    상대 전극이 촉매 반응을 증가시키기 위해 하나 이상의 촉매 물질을 포함하는, 방법.
32. 제29항에 있어서,
    상기 공간 내 공기의 상대 습도가 85% 내지 90%인, 방법.
33. 공간을 훈증 소독하는 방법으로서,
    제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 자유 라디칼 발생기, 미스트 투입구, 미스트 발생 시스템 및 하나 이상의 송풍기 팬(blower fan)을 포함하는 미스트 챔버(misting chamber), 저수기(water reservoir) 및 제어 유닛을 포함하는 훈증 장치를 제공하는 단계;
    상기 미스트 발생 시스템을 상기 저수기 내에 놓아, 미스트를 발생시키는 단계; 및
    하나 이상의 상기 송풍기 팬을 사용함으로써 미스트를 상기 저수기로부터 하나 이상의 상기 자유 라디칼 발생기를 통해 자극하여(motivate), 상기 미스트 내에서 자유 라디칼을 발생시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
34. 제33항에 있어서,
    상기 훈증 장치가, 하나 이상의 송풍기 팬의 주어진 용량에 대해, 요망되는 크기의 물방울 분획만 상기 훈증 장치를 빠져 나가는 미스트에 존재하도록 하는 크기의 컬럼(column)을 포함하는, 방법.
35. 제33항에 있어서,
    하나 이상의 상기 송풍기 팬이, 상기 훈증 장치 내에서 공기를 가열하는 가열기를 포함하고, 이로써, 포화 온도를 상승시키고 공기가 더 많은 수분을 운반할 수 있게 하는, 방법.
36. 제33항에 있어서,
    상기 훈증 장치가, 리모트 작동 능력(remote operational capability)을 가진 이동식 플랫폼 상에 장착되는(mounted), 방법.
37. 국소화된 표면 위생화 방법으로서,
    유체 유입구, 및 방전 공간에 의해 분리된 방전 전극 조립체 및 상대 전극을 포함하는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 자유 라디칼 발생기, 표면과 접촉된 하나 이상의 강모(bristle)를 포함하는 회전식 브러쉬(rotary brush) 조립체, 및 유체 유출구(outlet)를 포함하는 유로(flow path)를 제공하는 단계; 및
    공급원으로부터 공급된 미스트를 유로를 통해 통과시켜 상기 미스트를 유체 유입구 내로 통과시키고, 자유 라디칼 발생기를 통해 통과시켜 상기 미스트 내에서 자유 라디칼을 발생시키고, 그 후에, 회전식 브러쉬 조립체를 통해 통과시켜 하나 이상의 강모가 상기 표면에 대해 자유 라디칼을 분포시키게 하고, 그 후에 유체 유출구를 통해 통과시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
38. 제37항에 있어서,
    상기 유로가 자립형(self-contained)인, 방법.
39. 식물의 수경 재배 처리 방법으로서,
    미스트를 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 자유 라디칼 발생기를 통해 통과시킴으로써, 자유 라디칼-함유 미스트를 발생시키는 단계, 및
    상기 자유 라디칼-함유 미스트를 하나 이상의 식물 상에 분무하는 단계
    를 포함하는, 방법.
40. 제39항에 있어서,
    상기 방법이, 상기 미스트를 하나 이상의 식물의 뿌리 상에 분무하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
41. 제40항에 있어서,
    하나 이상의 상기 자유 라디칼 발생기를 하나 이상의 무빙 트랙에 고정시키는, 방법.
42. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 자유 라디칼 발생기를 운반하도록 되어 있는 드론을 사용하여 자유 라디칼을 발생시키는 방법으로서,
    상기 방법은
    방전 공간에 의해 분리된 방전 전극 조립체 및 상대 전극을 포함하는 자유 라디칼 발생기를 제공하는 단계; 및
    상기 자유 라디칼 발생기를 상기 드론 상에 포지셔닝하는 단계
    를 포함하고,
    상기 드론은 하나 이상의 트랙 및 휠 조립체 및 하나 이상의 프로펠러를 포함하는, 방법.
43. 제42항에 있어서,
    상기 드론이 온보드(onboard) 전력 발생을 위해 태양 전지판을 포함하는, 방법.
44. 제43항에 있어서,
    상기 드론이 온보드 수(water) 발생 시스템을 추가로 포함하고,
    상기 온보드 수 발생 시스템은
    공기를 빨아들이기 위한 공기 흡입구;
    공기를, 열전기 장치의 반대쪽 고온면(hot side) 및 저온면(cold side)을 통해 통과하는 열기 스트림 및 냉기 스트림으로 분할시키기 위한 스트림-분할 장치;
    상기 냉기 스트림으로부터 축합되는 물방울을 저장하기 위한 저장기(reservoir); 및
    물을 상기 저장기로부터 펌프하여 미세 액적을 상기 열기 스트림 내로 주입시키는 펌프 및 초음파 미스터(mister)
    를 포함하고,
    상기 열기 스트림 내 수분은 공급 챔버로 지향되고(directed),
    상기 수분은, 습한 공기 내에서 자유 라디칼을 발생시키기 위해 상기 자유 라디칼 발생기에 공급되는, 방법.
45. 제44항에 있어서,
    물방울이 상기 냉기 스트림으로부터 축합된 후, 상기 드론 및 상기 자유 라디칼 발생기의 전자 컴포넌트를 냉각시키기 위해 냉기가 사용되는, 방법.

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