WO2017061735A1 - 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극 - Google Patents

연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극 Download PDF

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WO2017061735A1
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electrode
dielectric layer
dielectric
plate
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PCT/KR2016/010962
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손희식
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(주)에프티넷
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    • A61L9/00—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
    • A61L9/16—Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using physical phenomena
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/4697—Generating plasma using glow discharges

Definitions

  • the present invention relates to a plasma or discharge electrode applied to a sterilization and air cleaning system, and more specifically, to generate a discharge in a gaseous fluid such as air, moisture, etc.
  • the electrons, ions and ultraviolet rays generated at this time are bacteria and odor molecules Dielectric Barrier Discharge (DBD) method that sterilizes bacteria and viruses in air conditioner, refrigerator, washing machine, vehicle interior, mobile phone surface and specific spaces and purifies air by reacting with sterilization and harmful gas decomposition. It relates to a discharge electrode of.
  • DBD Dielectric Barrier Discharge
  • Such techniques include filter type, electrostatic precipitating type, plasma type, UV / photocatalyst type, and hybrid type of various types.
  • the plasma discharge method can be divided into corona discharge and dielectric barrier discharge.
  • Corona discharge consists of a pointed cathode and a flat counter electrode.
  • a negative high pressure is applied to the cathode, electrons emitted from the electrode collide with the particles to generate cations, which are accelerated to the cathode due to electrical attraction and collide with the cathode to release high energy secondary electrons.
  • These high energy electrons and heavy particles cause inelastic collisions to produce chemically reactive species.
  • 1 is an electrode structure type of corona discharge, (a) is a single needle (b) is a multi-needle type.
  • the electrode of the corona method is simple to manufacture, and the structure is also simple, so the price is low, but a large amount of ozone is generated during discharge and the life of ozone is harmful to the human body, and the lifetime of negative ions generated is very short, The amount of produced is low, so the sterilization effect is weak, and the applied voltage is difficult to handle at a high pressure of 2kV or more.
  • the treatment area is inevitably limited to a small area, and there is a method in which the number of cathodes is increased to increase the treatment area, but in this case, the micro arc (streamer) in the direction perpendicular to the electrode gap is also used. And these streamers are usually concentrated in the same place, resulting in localized treatment effects.
  • Dielectric barriers are widely used in industry because they can generate high output discharges at atmospheric pressure and do not require complex pulsed power supplies.
  • dielectric barriers are widely used in CO 2 lasers, ultraviolet light sources, ozone generation and pollutant treatment.
  • a dielectric barrier discharge (DBD) device is composed of two parallel metal electrodes. At least one of the electrodes is covered with a dielectric layer.
  • a current cannot flow through the electrode, thereby generating plasma using AC power.
  • the interelectrode spacing is limited to a few millimeters for stable discharge and gas flows between these spacings.
  • Such dielectric barrier discharges are sometimes referred to as quiet discharges because there are no local wave or noise discharges.
  • the discharge is ignited by a sine function or pulsed power supply.
  • the discharge is in the form of a filament or glow.
  • the filamentary discharge is produced by a micro discharge or streamer appearing on the surface of the dielectric layer.
  • the role of the dielectric layer is to enable the operation in the continuous pulse mode by blocking the inversion current and avoiding the transition to the arc, and electrons are accumulated on the dielectric surface to randomly distribute the streamer on the surface to induce a uniform discharge. It is.
  • the dielectric barrier discharge (DBD: Dielectic Barrier Discharge) has a number of variations as follows.
  • the basic structure of creeping discharge is similar, but generally, a dielectric plate is manufactured by slurrying ceramic powder, and then a lower electrode (induction electrode) is formed by applying a metal paste on the top, and another dielectric plate is placed on the top. Squeeze. Thereafter, the upper electrode (discharge electrode) is formed again with a metal paste on the upper dielectric layer, and then fired at a high temperature (about 1500 ° C.) to complete.
  • a typical dielectric barrier electrode structure where dielectrics such as glass are positioned on one or both electrodes between parallel electrodes and spaced apart by several millimeters, and an alternating voltage is applied to produce a small pulse phase without causing a glow discharge. A lot of discharge occurs. This is called a silent discharge, and is widely applied in industrial fields such as removing harmful gases due to generation of active ions.
  • Fig. 4A is a plate dielectric barrier electrode structure.
  • the electric field applied to the surface is uniform, so that the charges are statistically specified in a non-uniformly deposited dielectric with a specific distribution shape, which induces streamer discharges rather than glow discharges, thereby reducing the amount of ultraviolet rays generated. There is a tendency.
  • FIG. 4 (b) is a mesh DBD structure that is a variation of the plate DBD.
  • This method uses the mesh electrode instead of the general plate electrode to strengthen the electric field inside the reactor, and unlike the streamer discharge through the geometric structure of the mesh electrode, the concentration of electrons in the plasma is uniformly distributed. It is a structure that can generate multiple glow discharges with excellent performance and efficiency.
  • the plasma compared with the conventional corona discharge and the general DBD discharge, the plasma generates an excellent amount of ultraviolet generation, active species such as OH radicals and O (atomic oxygen).
  • the noise tends to occur, the discharge voltage is high, and the gap between the electrodes is narrow, so there is a disadvantage in that the back pressure for the fluid movement is large. Therefore, as in the Republic of Korea Patent Publication No. 2002-0046093, in order to increase the processing capacity, the electrodes having the same structure should be extended in parallel, but the structure becomes complicated, and due to the cross-sectional area of the electrode itself, the back pressure cannot be avoided.
  • micro gap discharge shows another modified electrode structure called micro gap discharge. It is a method of generating plasma strongly using a very small discharge gap of about tens to hundreds of micrometers between electrodes. In this method, since the noise and a large amount of ozone are generated during the streamer discharge, the applied voltage must be adjusted so that the streamer is not generated. In addition, the contact probability between air and active species in the plasma region is much higher than that of other structures, so that a large amount of species effective for air cleaning and sterilization are generated, which has better sterilization effect, less noise, and less ozone generation than mesh DBD discharge. Less. As the prior art, the invention disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2006-0017191 can be cited. However, this method has a problem such as complicated structure and high back pressure on the fluid flow because it has to form a fine gap between the electrodes.
  • Water discharge will be in a form of fine bubbles and a hydroxyl group (OH), and free radicals by the plasma action (O -, O 2, O 3) , and by sterilizing contains a strong base in water, such as hydrogen peroxide (H 2 O 2) It can be used to remove bacteria and viruses contained in the water, and its applications include food processing, food industry, animal husbandry or hospital, which require household appliances such as washing machines, air conditioners, air purifiers and humidifiers, and sterilizing sterilization water.
  • OH hydroxyl group
  • H 2 O 2 O 2 hydrogen peroxide
  • Plasma electrodes used in such underwater discharges are also mainly used as dielectric barrier electrodes, and these electrodes basically do not deviate from the above-mentioned plasma electrode types.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is not only stable in discharge, but also generates a large amount of active ions, has excellent sterilizing power, generates ozone and consumes less power, and is economical.
  • the object is to provide a discharge electrode structure.
  • a lower electrode made of a plate-shaped conductor
  • a top electrode made of a plate-shaped conductor having a linear pattern, which is tightly fixed to an upper surface of the dielectric layer;
  • the dielectric layer is formed by any one of a process such as dipping, spraying, spreading and thermal spraying, or a combination thereof, using both surface discharge and space discharge simultaneously. Achieved by a composite dielectric barrier discharge electrode.
  • Another object of the present invention is to provide a third object of the present invention.
  • a lower electrode made of a plate-shaped conductor tightly fixed to the lower portion of the dielectric layer
  • a plate conductor upper electrode fixed in close contact with the dielectric layer and having a linear pattern
  • Any one or more of a dielectric adhesive or a conductive adhesive may be involved to enhance adhesion.
  • the linear pattern of the conductor upper electrode may be one or more patterns selected from a mesh (lattice) shape, honeycomb shape, circular shape, elliptic shape, needle shape, polygonal shape, straight shape, curved shape and combinations thereof.
  • the line width of the linear pattern of the conductor upper electrode may range from 0.01 mm to 5 mm.
  • the total thickness of the dielectric layer may range from 0.01 mm to 3 mm.
  • the dielectric layer may be one or more layers, and each dielectric layer may be the same material, different materials, or two or more dielectric mixtures.
  • a protective coating may be formed on at least one of the lower electrode, the upper electrode, and the dielectric layer by using any one of ceramic, glass, polymer material, and a combination thereof.
  • At least one through hole is formed in the composite discharge electrode, and the through hole may be formed by a circle, a square, an ellipse, a polygon, or a combination thereof.
  • the complex discharge electrode may have a shape of a plate, cylinder, or square cylinder having a curvature.
  • a dielectric layer and an upper electrode may be further formed on the bottom of the lower electrode.
  • the discharge electrode of the present invention having the above-described structure has a low noise, excellent discharge efficiency, a large number of active species generated, a long life of the structure, a low back pressure of air, and particularly an excellent structure in terms of low voltage driving and power consumption. Purification, sterilization, as well as radical removal of air conditioning odors are possible.
  • the plasma electrode structure can be configured in various ways according to the characteristics of the required application, most of the limitations of the electrode design according to the existing plasma electrode structure can be solved, which is very advantageous for miniaturization.
  • the electrode structure of the present invention is not limited to the fields of sterilization and air cleaning, but can be easily applied to a liquid phase such as other gaseous fluids and water, and thus can be easily applied to various applications.
  • FIG. 1 is a diagram showing a typical corona discharge electrode structure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a typical volume DBD electrode structure.
  • FIG. 4 (a) shows a plate-shaped DBD
  • FIG. 4 (b) shows a mesh DBD
  • FIG. 4 (c) shows a fine gap DBD.
  • FIG. 5 is a view showing an electrode structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a discharge region according to an embodiment of the present invention.
  • 9 is an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 10 is an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
  • 11 is an electrode structure according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing the performance of the electrode according to an embodiment of the present invention.
  • dielectric barrier discharge electrodes There are various dielectric barrier discharge electrodes up to now, but these are generally structures in which the electrode and the dielectric layer are in parallel in the shape of a plate, and discharge regions appear in parallel with the electrode array and in parallel with the flow of the fluid. Some electrodes also have a plate-shaped cylinder, but the results are the same. In the case of the micro gap method, a complicated design is required to maintain the micro-unit spacing between the electrodes, and the flow passage interval is small, so that back pressure to the fluid flow is generated and noise is increased, and sometimes through to solve this problem. Some phrases are used.
  • the present invention adopts a surface discharge method having a low back pressure against a fluid flow as a basic structure, and a dielectric layer forming method, an upper electrode (discharge electrode) and a lower electrode (induction electrode), which is a surface discharge manufacturing process.
  • a method of directly forming a dielectric on the lower and upper dielectric layers by omitting the lower dielectric layer and using a plate-shaped metal plate instead of a metal paste is adopted.
  • the upper electrode (discharge electrode) also used a method of mechanically overlapping a separate plate-shaped metal plate. Through this, a hybrid discharge electrode of surface discharge and volume discharge can be realized.
  • the electrode of the present invention can omit the thermocompression process and the high temperature calcination process used in the manufacture of the surface discharge electrode, thereby simplifying the structure and fabrication, and simultaneously generating the surface discharge and the space discharge, thereby maintaining the electrode even at a low voltage of 1,500 V or less. Driving is possible and the efficiency of the electrode is improved.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a discharge electrode structure and a discharge region according to an exemplary embodiment of the present invention, and an assembly cross-sectional view and a result cross-sectional view.
  • a dielectric layer 130 is formed on the lower electrode 110 of the conductor, and a conductive pattern having a linear pattern is formed thereon.
  • a sieve upper electrode 120 is formed, and the discharge region 140 is generated at an adjacent portion of the upper electrode 120 along a linear pattern of the upper electrode 120.
  • reference numeral 140 denotes a discharge 140 region and is represented in dark color.
  • the conductive lower electrode 110 or the conductive upper electrode 120 is formed of a conductive material such as a metal by using conventional processing methods such as etching, pressing, and machining.
  • the thickness of the conductor electrode does not significantly affect the performance of the electrode, but the thickness of the upper electrode 120 is preferably in the range of 2 mm or less for smooth implementation of creeping discharge.
  • the dielectric layer 130 uses a dipping and spraying process of depositing or coating a solution in which a dielectric powder and an appropriate binder are mixed in an appropriate solvent on the lower electrode 110 (induction electrode) and then drying. Can be formed.
  • the dielectric powder may be formed using a thermal spraying process or a powder coating process.
  • the dielectric layer 130 is based on a ceramic material having both electrical insulation and dielectric properties, and includes quartz, glass, aluminum oxide, titanium oxide, magnesium oxide, silicon oxide, silver phosphate, silicon carbide, indium oxide, cadmium oxide, and bismuth oxide. Zinc oxide, iron oxide, lead zirconate titanate, carbon nanotubes and the like can be used.
  • the thickness may be a number ⁇ m to several mm, and the area of the bar that can be set arbitrarily in accordance with the processing capacity, for example, be 2 mm to several hundreds of cm 2, for example.
  • the conventional micro gap dielectric barrier discharge (DBD: Dielectic Barrier Discharge) has a gap of 200 ⁇ m or less, the corresponding value in terms of surface roughness is Ra 200 ⁇ m. Therefore, in the present invention, the surface roughness Ra of the dielectric layer is preferably 200 ⁇ m or less. According to the present invention, the range of 0.1 ⁇ m to 150 ⁇ m, in which Ra is 75% of 200 ⁇ m, is preferable, and the range of 0.1 ⁇ m to 50 ⁇ m is more preferable.
  • the surface roughness of the dielectric layer 130 forms a fine internal space in close contact with the linear pattern of the upper electrode 120 to generate a space discharge (fine gap dielectric barrier discharge). This occurs at the same time as the surface discharge, thereby forming a composite discharge structure.
  • 6 is a conceptual diagram showing a discharge region in the composite discharge electrode. Creepy discharge 141 occurs at the side of the upper electrode 120, the spatial discharge 142 is generated in the internal space between the upper electrode 120 and the dielectric layer 130. The rate of occurrence of the creepage discharge 141 and the space discharge 142 varies depending on the surface roughness of the dielectric layer 130 and the line width of the linear pattern of the upper electrode 120, so that the ratio can be controlled by controlling the surface roughness and line width. do.
  • the dielectric layer 130 may be formed of a mixture of two or more dielectric compositions, and may be formed of one or more layers.
  • the materials may be the same for each dielectric layer 130 or may be different.
  • the dielectric constant may be adjusted to a desired level through a mixing ratio.
  • the characteristics of the discharge 140 may be changed by changing the number, total thickness, and material of the dielectric layer 130, and may also enhance electrode characteristics.
  • the linear pattern of the upper electrode 120 is one selected from a mesh (lattice) form, honeycomb form, circular form, ellipse form, needle form, polygonal form, straight form, curved form, and a combination thereof Consists of the above pattern, the entire pattern is to be energized from the electricity supply terminal 121. You can also divide the pattern into two or more zones to make it live. Some examples of linear glyphs are shown in FIG. 7.
  • the contact method of the conductive upper electrode 120 (discharge electrode) is made by a mechanical overlap with the plate-like dielectric layer 130, a pin-shaped fixture 150 may be used for the close contact. It is preferable that the surface shape of the dielectric layer 130 and the surface shape of the upper electrode 120 match.
  • Fixing plate 150 is provided to support the upper and lower surfaces of the electrode, the upper portion is fixed to the upper surface of the upper electrode 120 and the lower portion is fixed by a frame or the like to press the lower surface of the lower electrode 110.
  • the material of the fixing stand 150 uses a material having insulation, and the structure of the fixing stand 150 is sufficient if the method is commonly used.
  • a dielectric adhesive or a conductive adhesive 160 may be interposed between the upper electrode 120 and the dielectric layer 130. Dielectric adhesive or conductive adhesive 160 may be used together. This can further increase the strength and uniformity of the adhesion.
  • Another method of constructing an electrode according to the present invention includes a plate-like dielectric layer 130 as shown in FIG. 9, and the lower electrode 110 and the upper electrode 120 are mechanically overlapped with the dielectric layer 130. Can be achieved by In this case, any one or more of the dielectric adhesive or the conductive adhesive 160 may be used when the lower electrode 110 and the upper electrode 120 are in close contact, as described above, to further increase the adhesion strength and uniformity.
  • At least one of the dielectric layer 130, the conductor lower electrode 110, or the upper electrode 120 is made of one of ceramic, glass, polymer material, and a combination thereof for corrosion resistance, durability, and insulation. Protective coatings can be applied.
  • Creepy discharge is a structure that generates a discharge on the surface, the gas flow occurs on the plate-shaped electrode.
  • the gas flow may need to be perpendicular to the plate-shaped electrode.
  • at least one through hole 170 may be formed in the vertical direction on the plate-shaped electrode as shown in FIG. 10. That is, at least one through hole may be formed in the plate-shaped electrode structure to allow fluid to move through the through hole.
  • the shape of the through hole 170 may be any one of a circle, a square, an oval, a polygon, and a combination thereof, and a pattern by various combinations of the size of the hole, the type of shape, or the size and type together. Can change.
  • the plate-shaped electrode may be a concave shape (or convex, see Fig. 11 (a)) having a curvature rather than a flat plate, by bending the plate-shaped electrode to connect the ends
  • Various shapes such as a cylindrical shape (refer FIG. 11 (b), 11 (c)), or a square cylinder shape (refer FIG. 11 (d)), can also be comprised.
  • the two electrodes according to the present invention overlap the lower electrodes 110 so as to be in close contact with each other (see FIG. 12 (a)), or an additional dielectric layer 130 symmetrically with the top at the lower side of the lower electrode.
  • the upper electrode 120 see FIG. 12B, and in this case, since the discharge occurs at the upper and lower ends of the electrode, the function of the electrode can be further improved.
  • the voltage applied to the conductor lower electrode 110 and the conductor upper electrode 120 is preferably in the range of 1,500 V or less, thereby generating appropriate anion and ion clusters for the application. Since the voltage applied to the common corona discharge electrode and the dielectric barrier discharge electrode is 2,000V or more, the electrode according to the present invention is characterized in that low voltage driving is possible.
  • the electrode 140 generates ions and radicals such as ultraviolet rays, electrons, active oxygen, ozone, OH, and the like by the discharge 140, and the harmful gases in the fluid passing through the electrodes are harmless substances.
  • Changed and sterilized, beneficial ions, radicals, free radicals, etc. are discharged out of the electrode to further remove viruses and bacteria present outside the electrode. This reaction uses the principle of low temperature plasma.
  • the fluid may be a gas such as air or a liquid such as water
  • the electrode structure may be easily and efficiently generated when the above-described electrode structure is provided in water after having an appropriate waterproof structure.
  • it can be applied to various fields such as humidifier and sterilization water production.
  • a surface discharge type electrode generally fabricates a dielectric plate, and then forms a lower electrode (induction electrode) by applying a metal paste on the top, and another dielectric plate is placed on the top, followed by thermocompression bonding. Thereafter, the upper electrode (discharge electrode) is formed again with a metal paste on the upper dielectric layer, and fired at a high temperature (about 1500 ° C.) to complete. Therefore, there is a problem that the manufacturing process is complicated and the cost rises.
  • the micro-gap discharge electrode has a complicated structure due to the formation of the micro-gap, and has a problem that the back pressure to the fluid flow is large due to the micro-gap.
  • a dielectric is directly formed on a lower electrode, so that the dielectric can be easily formed to an appropriate thickness regardless of the shape of the lower electrode.
  • the screen printing or metal deposition process which is a method of forming the upper electrode, can be omitted in the conventional manufacturing process of the surface discharge electrode, thereby simplifying the process.
  • the lower dielectric layer formation, the thermocompression bonding of the electrode, and the high temperature firing process of the dielectric are omitted in the conventional surface discharge electrode manufacturing process, thereby simplifying the overall electrode structure and manufacturing process and achieving cost reduction.
  • the electrode structure of various shapes is possible according to the application.
  • the surface discharge of the linear pattern and the volume discharge due to the micro-gap occur simultaneously due to the creepage discharge, thereby improving the efficiency of the electrode and enabling low voltage driving. As a result, the back pressure on the fluid flow can be minimized.
  • a module consisting of a fluid inlet port, a discharge electrode, and a fluid discharge unit was used.
  • the lower electrode of the conductor was made of stainless steel 403 and formed into a disk shape having a diameter of 50 mm and a thickness of 1 mm.
  • the solvent was water on the lower electrode, and the alumina having a particle size of 1-2 ⁇ m and the lead zirconate titanate powder were used as the dielectric.
  • a dielectric layer having a thickness of 300 ⁇ m was formed through a conventional coating process using a SiO 2 series binder and then dried at 150 ° C. for 1 hour.
  • the upper electrode 120 having the same size as the lower electrode 110 is prepared in the form of a mesh having a thickness of 0.3 mm and a line width of 0.3 mm, and the upper electrode 120 is in close contact with the dielectric layer 130 using a plastic holder 150.
  • the electrode structure was completed by fixing.
  • a pulse voltage of 900 V and a frequency of 280 Hz was applied to the electrode structure, and the concentration of anion water and ozone generated through an ion counter and an ozone analyzer were measured at an air outlet.
  • E. coli which was plated on agar medium, was placed at a distance of 20 cm from the derivation unit, and after 24 hours, sterile halo was observed to measure sterilization power.
  • the amount of anion generation was 315,000 pieces / cm 3
  • the concentration of ozone was 0.03 ppm or less
  • the bacteria were sterilized more than 99.9%.
  • the electrical energy applied to the electrode that is, the number of negative ions generated as the pulse width is increased is shown in FIG. 13. As shown in FIG. 13, it can be seen that the number of negative ions generated as the pulse width increases, and the number of negative ions increases to more than 1,200,000 / cm 3 as the pulse width approaches 100 ⁇ s.
  • the amount of anion generation was 180,000 / cm 3 level, the sterilization effect was insignificant even after 72 hours.
  • the voltage was applied more than 2kV to generate the plasma, the handling and the risk of use were very large.

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Abstract

본 발명은 유전체 장벽 방전 방식의 방전 전극의 구조를 제공한다. 그 구조는; 판형 도전체 하부전극; 상기 하부전극위에 표면거칠기(Ra)가 0.1μm 내지 150μm의 범위로 형성된 유전체층; 상기 유전체층에 고정대에 의한 기계적 겹침에 의해 밀착된 선형 문양을 가지는 판형 도전체 상부전극;을 포함하되, 상기 유전체층은 침적(dipping), 도장(spraying), 도포(spreading) 및 용사(thermal spraying) 중 어느 하나의 공정에 의해 형성되고, 1,500V 이하의 교류 또는 펄스 전압이 인가되어 이온 활성종을 발생하는 시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
본 발명은 살균 및 공기청정시스템 등에 응용되는 플라즈마 또는 방전 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 공기, 수분 등의 가스상 유체에 방전을 발생시켜 이때 생성되는 전자와 이온 및 자외선 등이 세균 및 냄새 분자와 반응하여 살균 및 유해가스 분해 작용을 나타내게 하여 에어컨, 냉장고, 세탁기, 차량 내부, 휴대폰 표면 및 특정 공간 등에 존재하는 세균 및 바이러스를 살균하고 공기를 정화시키는 유전체 장벽 방전(DBD : Dielectric Barrier Discharge) 방식의 방전 전극에 관한 것이다.
살균 및 실내에서의 공기청정이 점차 중요해짐에 따라 실내에 존재하는 세균, 바이러스, 유해 입자 및 가스상 물질들을 동시에 제거하는 방식들이 다양하게 개발되어 왔다. 이러한 기술로는 필터식, 전기집진식, 플라즈마 방식, UV/광촉매 방식 및 여러 방식의 혼합(hybrid) 방식 등이 있다.
이 중 플라즈마 또는 방전을 이용한 살균 및 공기청정 방식은 오염물을 제거하는데 큰 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 방전 현상을 통해 발생된 전자와 라디칼은 높은 산화력으로 VOCs(Volatile Organic Compounds), NOx, CFCs 등 대부분의 유해가스를 제거하고, 살균에 탁월한 효과를 보이며, 산소 음이온은 알레르기 증상을 유발하는 꽃가루, 미세먼지 등과 결합하고 전기적인 힘으로 이들을 서로 뭉치게 하여 제거하기 쉬운 형태로 전환시킨다.
이러한 플라즈마 방전 방식은 코로나 방전, 유전체장벽 방전으로 나눌 수 있다.
-코로나 방전-
코로나 방전은 뾰족한 형태의 음극과 평편한 형태의 대응 전극으로 구성된다. 음극선에 음의 고압이 인가되면 이 전극으로부터 방출된 전자들이 입자와 충돌하여 양이온들이 생성되고, 이 양이온은 전기적인 인력으로 인해 음극으로 가속되고 음극과 충돌하여 고에너지의 이차 전자들을 방출시킨다. 이러한 고 에너지 전자와 무거운 입자들은 비탄성 충돌을 일으켜 화학적으로 반응성이 있는 화학종을 생성한다. 도 1은 코로나 방전의 전극 구조 유형이며, (a)는 일침형 (b)는 다중 침 형을 나타낸다.
상기 코로나 방식의 전극은 제작이 간단하며, 구조 또한 간단하므로 가격이 저렴하지만 방전시 다량의 오존이 생성되고 오존의 수명이 길어 인체에 해를 끼치며, 아울러 발생되는 음이온의 수명이 매우 짧은 편이고, 자외선의 생성량도 적어 살균 효과도 약하며, 인가되는 전압이 2kV 이상의 고압으로 취급이 어렵다.
또한 플라즈마 방전 체적이 매우 작기 때문에, 처리 면적이 작은 영역으로 한정될 수밖에 없으므로 처리 면적을 늘리기 위해 음극의 개수를 증가시킨 방식도 있지만, 이 경우 역시 전극 간격에 수직한 방향으로 마이크로 아크(스트리머)를 생성하고 이러한 스트리머는 통상 같은 곳에 집중되므로 처리효과가 국부적으로 나타나게 한다.
이러한 문제를 피하기 위하여 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge) 방식이 제기되었다.
-유전체 장벽 방전(DBD : Dielectric Barrier Discharge)-
유전체 장벽은 대기압에서 고출력 방전을 발생시킬 수 있으며, 또한 복잡한 펄스 전력 공급기가 없어도 되기 때문에 산업체에서 널리 이용되고 있으며, 특히 CO2 레이저, 자외선 광원, 오존 발생, 오염물질 처리 등에 널리 응용되고 있다.
도 2는 전형적인 유전체 장벽 플라즈마 전극 구조를 나타내는 그림이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 유전체 장벽 방전(DBD:dielectric barrier discharge) 장치는 두 개의 평행한 금속 전극으로 구성되어 있다. 전극 중 최소한 하나는 유전체층으로 덮여 있다. 절연체를 사용하게 되면 직류 전력의 경우 전극을 통한 전류의 흐름이 불가능하므로 교류(AC) 전력을 이용하여 플라즈마를 발생시킨다. 안정적인 방전을 위하여 전극간 간격은 수 밀리미터로 제한되며 가스는 이 간격 사이로 흘러간다.
이러한 유전체 장벽 방전은 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 방전이 존재하지 않기 때문에 조용한 방전(Silence Discharge)이라고 부르기도 한다. 방전은 사인함수 혹은 펄스 형의 전원으로 점화된다. 작동 가스의 조성, 전압 및 주파수에 따라 방전은 필라멘트 형태 혹은 글로우 형태가 된다. 필라멘트 형태의 방전은 유전체층의 표면에서 나타나는 마이크로 방전 또는 스트리머(Streamer)에 의해 생성된다.
이때 유전체층의 역할은 반전 전류를 차단하고 아크로의 전이를 피할 수 있게 하여 연속되는 펄스 모드에서 작업을 가능하게 하고, 유전체 표면에 전자가 축적되어 표면에 무작위로 스트리머를 배분하여 균일한 방전을 유도하는 것이다.
상기 유전체 장벽 방전(DBD : Dielectic Barrier Discharge)은 아래와 같이 여러 가지 변형이 존재한다.
*연면방전(Surface Discharge, Coplanar DBD)
도 3과 같이, 세라믹 판의 표면에 은 등의 금속전극을 설치하고, 세라믹 판 내부에 판상의 대응전극을 설치하여 두 전극 사이에 교류전압을 인가하면, 세라믹 판 위의 줄무늬 모양의 전극 주의에 불꽃 방전(Glow Discharge)이 발생된다. 이 방전은 방전시 소음이 발생되어 후술하는 무성방전(Silence Discharge)과 구별된다. 이 방식은 오존 발생에 효과적으로, 이에 관한 종래기술로써 대한민국 등록특허 10-0747178호에 개시된 발명을 들 수 있다.
연면방전의 기본 구조는 유사하나 일반적으로 세라믹 분말을 슬러리 형태로 하여 유전체 판을 제작한 후, 그 상부에 금속 페이스트 도포로 하부전극(유도전극)을 형성시키고 또 다른 유전체 판을 상부에 놓은 후 열압착시킨다. 그 후 상부 유전체층 위에 다시 금속 페이스트로 상부 전극(방전 전극)을 형성시키고 고온(약1500℃)에서 소성하여 완성한다.
따라서 제작 공정이 복잡하고 비용이 상승한다는 문제점이 있었다.
*무성방전(Silence Discharge, Volume Discharge)
전형적인 유전체 장벽의 전극 구조로서 평행한 전극 사이에 한쪽 또는 양쪽 전극에 유리 등의 유전체를 위치를 위치시키고 간격을 수 mm 로 하고, 교류전압을 인가하면 불꽃 방전(glow discharge)을 일으키지 않고 펄스상의 작은 방전이 무수히 발생한다. 이를 무성방전이라 하고 활성이온 발생으로 인한 유해가스 제거 등 산업분야에 많이 응용되고 있다.
도 4 (a)는 판상 유전체 장벽 전극 구조이다. 이 방식은 표면에 인가되는 전기장(electric field)이 균일하므로 전하(charge)들이 통계적으로 특정 분포 형태를 가지면서 유전체에 불균일하게 쌓이게 되어, 글로우 방전이 아닌 스트리머 방전을 유도하여 자외선 생성량을 감소시키는 경향이 있다.
도 4(b)는 플레이트 DBD의 변형인 메쉬 DBD 구조이다. 이 방식은 일반 플레이트 전극이 아닌 메쉬 전극을 사용하여 반응기 내부의 전기장 강화는 물론, 메쉬 전극의 기하학적인 구조를 통해 일반적인 스트리머 방전과는 달리 플라즈마 내의 전자의 농도는 균일하게 분포하게 되어 플라즈마의 균일성과 효율성이 뛰어난 다중 글로우 방전을 생성할 수 있는 구조이다. 그 결과, 기존의 코로나 방전 및 일반 DBD 방전에 비해서 자외선 발생량 및 OH 래디컬, O(원자 산소, atomic oxygen) 등 활성종의 생성량이 뛰어난 플라즈마를 생성한다. 그러나 소음이 발생하는 경향이 있고 방전 전압이 높은데다 전극간의 간격이 좁으므로 유체이동에 대한 역압이 크게 걸리는 단점이 있다. 따라서 대한민국 공개특허 2002-0046093호와 같이, 처리용량을 늘리기 위해서는 같은 구조의 전극은 병렬로 확장 설치해야 하나, 구조가 복잡해지고, 전극의 자체의 단면적으로 인해 역압 발생을 피해갈 수 없다.
이러한 역압 발생에 대한 문제를 해결하기 위한 방법으로 대한민국 공개특허 10-2009-0097340호를 들 수 있는데, 이 공보에서는 전극을 관통하는 관통구를 형성시키는 방법을 제시하고 있다. 이러한 관통공은 이 공보에서만 사용된 특이한 사항은 아니고 여러 문헌에 걸쳐 소개된 방법으로 역압을 회피하기 위해 사용되는 방법이다.
그리고 도 4(c)는 미세 간극 방전(Micro Gap Discharge)이라는 또 다른 변형의 전극구조로서 전극간의 간격이 수십~수백 마이크로미터 정도의 매우 작은 방전 간극을 이용하여 플라즈마를 강하게 발생시키는 방식이다. 이 방식은 스트리머 방전시에는 큰 소음과 다량의 오존이 발생하므로 스트리머가 생성되지 않도록 인가전압을 조절해주어야 한다. 또한 플라즈마 영역 내부에서 공기와 활성종들 간의 접촉확률이 여타 구조에 비해 크게 높아 공기청정 및 살균에 효과적인 종들이 다량 생성되므로 메쉬 DBD 방전에 비해 살균효과가 좋고, 소음이 적으며, 오존의 발생이 적은 편이다. 이에 대한 종래기술로써 대한민국 공개특허 제10-2006-0017191호에 개시된 발명을 들 수 있다. 그러나 이 방식은 전극간에 미세 간극을 형성시켜야 하므로 구조가 복잡해지고 유체 흐름에 대한 역압이 높다는 등의 문제점이 있다.
- 수중 플라즈마 방전
수중 방전은 수중에서 미세기포를 형성시키고 플라즈마 작용에 의하여 수산기(OH)와 활성산소(O-,O2,O3) 및 과산화수소(H2O2)와 같이 살균력이 강한 기체를 물속에 함유시켜 물속에 함유된 세균 및 바이러스를 제거하는데 이용될 수 있으며, 그 응용처로는 세탁기, 냉난방기, 공기 청정기 및 가습기와 같은 가전제품 및 살균 소독수가 필요한 식품 가공이나 음식업, 축산업 또는 병원 등이 있다.
이러한 수중방전에 사용되는 플라즈마 전극 역시 유전체 장벽 전극이 주로 사용되는데 이러한 전극은 기본적으로 위에서 언급된 플라즈마 전극 유형을 벗어나고 있지 못하고 있다. 이에 대한 종래기술로써 대한민국 등록특허 제10-0924649호와 공개특허 제10-2009 -009675호에 개시된 발명을 들 수 있다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 방전의 안정성이 있을 뿐만 아니라 활성이온의 발생량도 크며, 살균력이 우수하고 오존의 발생량과 소모전력이 적은 동시에 경제성이 있는 유전체 장벽 방전 방식의 전극 구조체를 제공함에 그 목적이 있다.
위와 같은 목적은;
판형상의 도전체로 된 하부전극;
상기 하부전극 위에 고정되는 것으로서 표면거칠기(Ra)가 0.1μm 내지 150μm의 범위로 형성된 유전체층;
상기 유전체층 상면에 밀착 고정되는 것으로서, 선형(線形) 문양을 가지는 판형상의 도전체로 된 상부전극을 포함하되;
상기 유전체층은 침적(dipping), 도장(spraying), 도포(spreading) 및 용사(thermal spraying) 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 목적은,
표면거칠기(Ra)가 0.1μm 내지 150μm의 범위인 판형상의 유전체층;
상기 유전체층 하부에 밀착 고정된 판형상의 도전체로 된 하부전극;
상기 유전체층 상부에 밀착 고정된 것으로서, 선형 문양을 가지는 판형 도전체 상부전극;
을 포함하는 것을 특징으로, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극에 의해 달성된다.
본 발명의 특징에 의하면,
상기 도전체 상부전극과 유전체층 사이와, 상기 도전체 하부전극과 유전체층 사이 중 적어도 하나 이상에;
유전체 접착제 또는 도전성 접착제 중 어느 하나 이상이 밀착력 강화를 위해 개입될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 의하면,
상기 도전체 상부전극의 선형 문양이 메쉬(격자) 형태, 허니컴 형태, 원형 형태, 타원 형태, 침상 형태, 다각형 형태, 직선 형태, 곡선 형태 및 이들의 조합 중 선택된 1종 이상의 문양일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 도전체 상부전극의 선형 문양의 선폭(線幅이) 0.01mm 내지 5mm의 범위일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 유전체층의 총 두께가 0.01mm 내지 3mm의 범위일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 유전체층이 하나 이상의 층이고, 각 유전체층이 같은 재질이거나, 이종의 재질이거나, 2종 이상의 유전체 혼합물일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 하부전극, 상부전극 및 유전체층 중 적어도 하나 이상에 세라믹, 유리, 고분자 재질 및 이들의 조합 중 어느 하나를 이용하여 보호코팅이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 복합형 방전 전극에 적어도 하나 이상의 관통공이 형성되어 있으며, 상기 관통공은 원형, 사각형, 타원형, 다각형 또는 이들의 조합에 의해 이루어진 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 복합형 방전 전극의 형상이 곡률을 가진 판상, 원통형 또는 사각통형의 형상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면,
상기 하부전극의 저면에 유전체층 및 상부전극이 더 형성되는 것일 수 있다.
상술한 구조의 본 발명의 방전 전극은 소음이 적고, 방전 효율이 뛰어나며, 생성되는 활성종이 많고 구조체의 수명이 길뿐만 아니라 공기의 역압이 적고, 특히 저전압 구동 및 소모전력 면에서 뛰어난 구조이며, 공기의 정화, 살균은 물론 에어컨 냄새 등의 근본적인 제거가 가능하다.
또한 요구되는 응용처의 특성에 따라 다양하게 플라즈마 전극구조를 구성할 수 있어 기존 플라즈마 전극 구조에 따른 전극설계의 한계를 대부분 해결할 수 있어 소형화에 크게 유리하다.
따라서 본 발명의 전극 구조체는 살균 및 공기청정 분야에만 국한되는 것이 아니라 여타의 가스상 유체 및 물과 같은 액상에 용이하게 적용할 수 있어 다양한 응용처에 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 전형적인 코로나 방전 전극 구조를 나타내는 그림이다.
도 2는 전형적인 유전체 장벽 방전 전극 구조를 나타내는 그림이다.
도 3은 전형적인 연면 방전 전극 구조를 나타내는 그림이다.
도 4는 전형적인 무성방전(Volume DBD) 전극 구조를 나타내는 그림으로써 도 4(a)는 판상 DBD, 도 4(b)는 메쉬형 DBD, 도 4(c)는 미세 간극 DBD를 각각 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전극 구조를 나타내는 그림이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방전영역을 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 상부전극의 선형 문양이다.
도 8은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 전극 구조이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 전극 구조이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 전극 구조이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 전극 구조이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 전극 구조이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전극의 성능을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
현재까지 여러 가지 유전체 장벽 방전 전극이 있으나, 이들은 일반적으로 전극과 유전체층이 판상으로 평행하게 이루어진 구조로서, 방전 영역은 전극 배열과 평행하게 나타나고 유체의 흐름도 전극배열과 평행하게 일어나는 구조이다. 일부 전극의 경우 판상을 원통형으로 만든 구조도 존재하지만 그 결과는 같다. 미세 간극(Micro gap) 방식의 경우도 전극간에 마이크로 단위의 간격을 유지하기 위해 복잡한 설계가 요구되고 유체 통과 간격이 작아져 유체 흐름에 대한 역압이 발생되고 소음이 크게 되며, 이를 해소하기 위하여 때때로 관통구를 활용하기도 한다.
이러한 구조적인 한계로 인하여, 기존의 전극 구조체는 응용처의 요구 특성을 쉽게 충족시키지 못하게 되는 전극설계의 근본적인 한계를 지니게 되었다.
따라서 본 발명은 이러한 한계를 극복하기 위하여, 유체 유동에 대한 역압이 작은 연면 방전 방식을 기본 구조로 채택하고, 연면방전 제조 공정인 유전체층 형성 방법, 상부전극(방전전극)과 하부전극(유도전극)의 형성 방법을 단순화하여, 경제적이고 효율적인 방전 전극 구조를 제시하게 되었다.
즉, 하부 및 상부 유전체층 중 하부 유전체층을 생략하고 유도전극을 금속 페이스트(paste)가 아닌 별도의 판형 금속판을 사용하여, 그 위에 유전체를 직접 형성시키는 방법을 채택하였다. 상부전극(방전전극) 역시 별도의 판형 금속판을 기계적 겹침의 방법을 사용하였다. 이를 통해 연면방전 (surface discharge)과 공간방전(volume discharge)의 복합형(hybrid) 방전 전극을 구현할 수 있다.
이는 간단한 발명으로 보이나 현재까지 시도되지 못한 방법으로서, 플라즈마와 방전에 대한 고찰을 배경으로 아크 방전을 제어할 수 있어야 한다. 본 발명의 전극은 연면 방전 전극 제조시에 사용되는 열압착 공정, 고온 소성 공정 등을 생략될 수 있어 구조와 제작이 간편해지고, 연면방전과 공간방전을 동시에 발생시켜 1,500V 이하의 저전압에서도 전극의 구동이 가능해지고 전극의 효율이 개선된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방전 전극 구조와 방전 영역을 나타내는 개념도와 조립 단면도 및 결과 단면도를 나타내는 그림이다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 유전체 장벽 방전 전극 구조체(100)는, 도전체 하부전극(110)위에 유전체층(130)이 형성되고 그 위에 다시 선형(線形)의 문양(pattern)을 가지는 도전체 상부전극(120)이 형성되어 있으며, 방전영역(140)은 상부전극(120)의 선형 문양을 따라 상부전극(120)의 인접부위에서 발생한다. 도 5에서 도면부호 140은 방전(140) 영역을 나타낸 것으로서 짙은 색으로 표현되었다.
상기 도전체 하부전극(110) 또는 상기 도전체 상부전극(120)은 금속과 같은 도전체 소재를 에칭 가공, 프레스 가공 및 기계가공 등 통상의 가공방법을 이용하여 형성시킨다. 도전체 전극의 두께는 전극의 성능에 큰 영향을 미치지 않으나 상부전극(120)의 두께의 경우 연면방전의 원활한 구현을 위해서 2mm 이하의 범위가 바람직하다.
유전체층(130)은 상기 하부전극(110, 유도전극)위에 적절한 용매에 유전체 분말과 적절한 결합제(binder)를 혼합한 용액에 침적 또는 도장한 후 건조시키는 침적(dipping) 및 도장(spraying) 공정을 이용하여 형성시킬 수 있다. 또한 유전체 분말을 이용하여 용사(thermal spraying) 공정 또는 분체도장 공정을 이용하여 형성시킬 수도 있다.
또한 상기 유전체층(130)은 전기적 절연성 및 유전성을 동시에 갖는 세라믹 재질을 기초로 하며 석영, 유리, 산화알루미늄, 산화티탄, 산화마그네슘, 산화실리콘, 은인산염, 실리콘카바이드, 산화인듐, 산화카드뮴, 산화비스무스, 산화아연, 산화철, 티탄산 지르콘산 납, 카본 나노튜브 등을 사용할 수 있다. 그 두께는 예로서 수 ㎛ 내지 수 mm 이고 그 면적은 처리용량에 따라 임의로 설정될 수 있는바, 예컨대 수 mm2내지 수백 cm2로 될 수 있다.
통상적인 미세 간극(Micro gap) 유전체 장벽 방전(DBD : Dielectic Barrier Discharge)는 200μm 이하의 간극을 가지므로 표면거칠기의 관점에서 이에 대응하는 수치는 Ra 200μm 수준이다. 따라서 본 발명에서 유전체층의 표면거칠기 Ra는 200μm 이하가 바람직하다. 본 발명에 따르면 방전의 균일성 학보를 위해 Ra가 200μm의 75% 수준인 0.1μm 내지 150μm의 범위가 바람직하였으며, 0.1μm 내지 50μm의 범위가 더욱 바람직하였다.
이러한 유전체층(130)의 표면거칠기는 도 6에 도시된 바와 같이 상부전극(120)의 선형(線形) 문양과의 밀착시 미세한 내부공간을 형성하여 공간방전(미세 간극 유전체 장벽 방전)을 발생시키고, 이는 연면 방전과 동시에 발생하므로 복합형 방전구조를 형성하게 된다. 도 6은 복합형 방전 전극에서의 방전영역을 나타내는 개념도이다. 연면방전(141)은 상부전극(120)의 측면부위에서 발생하며, 공간방전(142)은 상부전극(120)과 유전체층(130) 사이의 내부공간에서 발생한다. 연면방전(141)과 공간방전(142)의 발생비율은 유전체층(130)의 표면거칠기와 상부전극(120) 선형 문양의 선폭에 따라 변화하므로, 표면거칠기와 선폭을 제어하면 그 비율을 조절할 수 있게 된다.
또한 상기 유전체층(130)은 2 종 이상의 유전체 조성물의 혼합으로 이루어질 수 있으며, 하나 이상의 층으로 형성될 수 있다. 또한 하나 이상의 유전체층(130)을 형성할 경우, 각 유전체층(130) 별로 그 재질을 같이 할 수도 있으며, 달리할 수도 있다. 유전체층(130)이 유전체의 혼합물일 경우 혼합비율을 통해 비유전율을 원하는 수준으로 조정할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 상기 유전체층(130)의 개수, 총 두께 및 재질의 변화를 통해 형성되는 방전(140)의 특성을 변화시킬 수 있으며, 전극 특성을 강화할 수도 있다.
상기 상부전극(120, 방전전극)의 선형 문양(pattern)은 메쉬(격자)형태, 허니컴 형태, 원형 형태, 타원 형태, 침상 형태, 다각형 형태, 직선 형태, 곡선 형태 및 이들의 조합 중 선택된 1종 이상의 문양으로 이루어지며, 전기의 통전단자(121)로부터 문양 전체가 통전이 되게 한다. 또한 문양을 2 구역이상으로 나누어 통전이 되게 할 수도 있다. 몇 가지 선형문양의 실시예를 도 7에 나타내었다.
상기 도전체 상부전극(120, 방전전극)의 밀착방식은 판상의 유전체층(130)과의 기계적 겹침에 의해 이루어지며, 밀착을 위해 핀형상의 고정대(150)를 이용할 수 있다. 유전체층(130)의 면 형상과 상부전극(120)의 면 형상이 일치되는 것이 바람직하다. 고정대(150)는 전극의 상하면을 지지하도록 마련되며, 상부에 있는 것은 상부전극(120)의 상면을 압박하고 하부에 있는 것은 하부전극(110)의 저면을 압박하도록 프레임 등에 의해 고정 설치된다. 고정대(150)의 재질은 절연성을 가지는 소재를 사용하며, 고정대(150)의 구조는 일반적으로 통용되는 방법이면 충분하다.
또한 도 8에서와 같이 상부전극(120)과 유전체층(130)의 사이에 유전체 접착제 또는 도전성 접착제(160)가 개입될 수 있다. 유전체 접착제 또는 도전성 접착제(160)는 함께 사용될 수도 있다. 이에 의해 밀착의 강도와 균일성을 더욱 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 또 다른 전극의 구성방법은, 도 9에서와 같이 판형의 유전체층(130)을 먼저 구비하고, 상기 하부전극(110)과 상기 상부전극(120)을 유전체층(130)에 기계적 겹침에 의해 달성될 수 있다. 이 경우에도 전술한 바와 같이 하부전극(110)과 상부전극(120)의 밀착시 유전체 접착제 또는 도전성 접착제(160) 중 어느 하나 이상이 사용되어 밀착강도와 균일성을 더욱 증가시킬 수도 있다.
또한 본 발명에서, 내식성, 내구성 및 절연성을 위해 세라믹, 유리, 고분자 재질 및 이들의 조합 중 하나의 재질로 유전체층(130), 도전체 하부전극(110) 또는 상부전극(120) 중 적어도 하나 이상에 보호코팅을 적용할 수 있다.
연면 방전 방식은 표면에서 방전을 발생시키는 구조로서 가스의 흐름은 판상의 전극 위에서 일어난다. 그러나 전극의 응용처에 따라 가스의 흐름이 판상의 전극과 수직 방향이 필요할 경우도 있다. 이 경우, 본 발명에서는 도 10에서와 같이 판상 전극에 수직 방향으로 적어도 하나 이상의 관통공(170)을 형성시킬 수 있다. 즉, 판상의 전극 구조체에 하나 이상의 관통공을 형성시켜, 이 관통공을 통해 유체가 이동하도록 할 수 있다.
이때 상기 관통공(170)의 형상은 원형, 사각형, 타원형, 다각형 및 이들의 조합 중 어느 하나의 모양을 이룰 수 있으며, 구멍의 크기, 모양의 종류, 또는 크기와 종류를 함께 다양하게 조합하여 패턴에 변화를 줄 수 있다.
또한 응용처에 따라 도 11에 나타낸 바와 같이, 판상의 전극이 평판이 아닌 곡률을 가지 오목형(또는 볼록형, 도11(a) 참조)의 형상일 수 있으며, 판상의 전극을 구부려 끝을 이어붙임으로써 원통형(도 11(b), 11(c) 참조)이나 사각통형(도 11(d) 참조) 등의 다양한 형상을 구성할 수도 있다.
또한 도 12에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 전극 2개를 하부전극(110)이 서로 밀착되게 겹치거나(도 12(a) 참조), 하부전극의 하단 쪽에 상단과 대칭적으로 추가적인 유전체층(130) 및 상부전극(120)을 형성시킬 수 있으며(도 12(b) 참조), 이 경우, 방전은 전극의 상단과 하단에서 동시에 발생하므로 전극의 기능을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 도전체 하부전극(110)과 도전체 상부전극(120)에 인가되는 전압은 1,500V 이하의 범위가 바람직하며, 이를 통해 응용처에 적절한 음이온 및 이온 클러스터를 발생시킬 수 있다. 일반적인 코로나 방전 전극과 유전체 장벽 방전 전극의 인가전압은 2,000V 이상이므로, 본 발명에 따른 전극은 저전압 구동이 가능한 것이 특징이다.
본 발명에서의 전극은 상기 방전(140)에 의해서 자외선, 전자, 활성산소, 오존, OH 등의 이온 및 라디칼(radical) 등을 발생시키고, 그 작용으로 전극을 지나가는 유체내의 유해가스는 무해한 물질로 변화되고 살균되며, 유익한 이온, 라디칼, 활성산소 등이 전극 밖으로 배출되어 전극 외부에 존재하는 바이러스 및 세균들을 추가적으로 제거하게 된다. 이와 같은 반응은 저온 플라즈마의 원리를 이용하는 것이다.
본 발명에서 상기 유체는 공기 등의 기체이거나 물 등의 액체 일수가 있으며, 상술한 전극 구조체를 적절한 방수구조를 구비한 후 수중에 위치시키면 수중방전을 용이하고 효율적으로 발생시킬 수 있으므로 이러한 전극구조체는 살균 및 공기청정 분야 외에 가습기, 살균수 제조 등 다양한 분야에 적용 가능하게 된다.
현재까지 일반적으로 연면 방전 방식의 전극은 유전체 판을 제작한 후, 그 상부에 금속 페이스트 도포로 하부전극(유도전극)을 형성시키고 또 다른 유전체 판을 상부에 놓은 후 열압착시킨다. 그 후 상부 유전체층위에 다시 금속 페이스트로 상부 전극(방전 전극)을 형성시키고 고온 (약1500℃) 에서 소성하여 완성한다. 따라서 제작 공정이 복잡하고 비용이 상승한다는 문제점이 있었다. 또한 미세 간극 방전 전극은 미세한 간극의 형성 때문에 복잡한 구조를 지니고 있으며, 미세 간극으로 인하여 유체 흐름에 대한 역압이 크다는 문제점이 있었다.
이와는 달라, 본 발명에서와 같이 하부전극위에 직접 유전체층을 형성시키고 상부전극을 별도로 제작하여 통상의 고정대에 의해 패턴형 상부전극을 기계적으로 밀착시키는 구조는 현재까지 시도되지 않은 것으로 판단된다.
상술한 바와 같은 본 발명의 전극 구조체는 일면 비교적 간단한 발명으로 보이지만, 플라즈마의 발생원리와 응용처의 요구조건에 대하여 상당한 고찰이 있을 때 비로소 나타날 수 있는 발명인 것으로 그 장점은 아래와 같다.
첫째, 유전체 형성방법으로서 유전체를 하부전극위에 직접 형성시키는 방법으로 하부전극의 형상에 관계없이 용이하게 적절한 두께로 형성시킬 수 있다.
둘째, 상부전극을 별도로 제작하여 유전체층에 기계적으로 밀착시키는 구조로서 기존의 연면방전 전극의 제작공정에서 상부전극 형성방법인 스크린 프린팅 또는 금속 증착 공정을 생략할 수 있어 공정이 간편해 진다.
셋째, 기존 연면방전 전극 제작공정에서 하부 유전체층 형성, 전극의 열압착 공정과 유전체 고온 소성공정이 생략되어 전체적인 전극 구조와 제조공정이 간략화되고 비용절감을 달성할 수 있다.
넷째, 구조와 제작이 간단해져서 다양한 변형구조가 가능해지므로 응용처에 따라 다양한 형상의 전극구조가 가능하게 된다.
다섯째, 연면방전에 따른 선형 문양(pattern)의 표면 방전(surface discharge)과 미세간극 (micro-gap)에 의한 공간방전(volume discharge)이 동시에 발생하여 전극의 효율이 개선되고 저전압 구동이 가능하게 되며, 유체 흐름에 대한 역압을 최소화 할 수 있게 된다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예 1)
방전 전극의 성능을 평가하기 위하여, 유체 유입구, 방전 전극, 유체 도출부로 이루어진 모듈을 이용하였다. 도전체 하부전극은 스테인레스403를 재질로 하여 직경 50mm, 두께 1mm인 원판 형상을 제작한 후, 이 도전체 하부 전극위에 용매를 물로 하고 입도 1-2μm의 알루미나와 티탄산 지르콘산 납 분말을 유전체로 하고 SiO2계열의 바인더를 이용하여 통상의 도포공정을 통해 두께 300μm의 유전체층을 형성시킨후 150℃ 1시간 건조시켰다.
그리고 두께 0.3mm, 선폭 0.3mm의 메쉬 형태로 하부전극(110)과 같은 크기의 상부전극(120)을 준비하고, 플라스틱 재질의 고정대(150)로 상부전극(120)을 유전체층(130)에 밀착 고정시켜 전극 구조체를 완성하였다.
이후, 상기 전극 구조체에 전압 900V, 주파수 280Hz의 펄스 전압을 전극에 인가하고 공기의 도출부에서 이온계수기와 오존분석기를 통해 생성된 음이온 수와 오존의 농도를 측정하였다. 또한 도출부로부터 20cm 거리에 있는 위치에 한천(agar) 배지에 도말한 대장균을 위치시키고 24시간 경과 후 멸균 할로(halo)를 관찰하여 살균력을 측정하였다.
그 결과, 음이온 발생량은 315,000개/cm3 수준, 오존의 농도는 0.03ppm 이하의 수치를 나타내었고, 세균은 99.9% 이상이 멸균되었다.
(실시예 2)
전극의 인가되는 전기에너지, 즉, 펄스 폭의 증가에 따라 발생되는 음이온 수를 측정하여 도 13에 나타내었다. 도 13에 나타난 바와 같이, 펄스 폭의 증가에 따라 발생되는 음이온 수가 빠른 속도로 증가하였으며, 펄스폭이 100 μs에 근접함에 따라 음이온 수는 1,200,000개/cm3 이상으로 증가하고 있음을 알 수 있다.
(비교예 1)
한편, 본 발명과의 비교를 위한 침상의 코로나 방식의 전극 구조체에서는, 음이온 발생량은 180,000/cm3 수준이었으며, 멸균효과는 72시간 경과 후에도 미미하였다. 또한 플라즈마를 발생시키기 위해 전압이 2kV 이상 인가되었으므로 사용상의 취급과 위험이 아주 크게 나타났다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
[부호의 설명]
100 ...... 방전 전극 구조체
110 ...... 도전체 하부전극 111 ....... 하부전극 단자
120 ...... 도전체 상부전극 121 ....... 상부전극 단자
130 ....... 유전체층
140 ....... 방전(영역)
141 ....... 연면방전(영역) 142 ....... 공간방전(영역)
150 ....... 고정대
160 ....... 유전체 접착제 또는 도전성 접착제
170 ....... 관통공

Claims (11)

  1. 판형상의 도전체로 된 하부전극;
    상기 하부전극 위에 고정되는 것으로서 표면거칠기(Ra)가 0.1μm 내지 150μm의 범위로 형성된 유전체층;
    상기 유전체층 상면에 밀착 고정되는 것으로서, 선형(線形) 문양을 가지는 판형상의 도전체로 된 상부전극을 포함하되;
    상기 유전체층은 침적(dipping), 도장(spraying), 도포(spreading) 및 용사(thermal spraying) 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  2. 표면거칠기(Ra)가 0.1μm 내지 150μm의 범위인 판형상의 유전체층;
    상기 유전체층 하부에 밀착 고정된 판형상의 도전체로 된 하부전극;
    상기 유전체층 상부에 밀착 고정된 것으로서, 선형 문양을 가지는 판형 도전체 상부전극;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  3. 제1항 내지 제2항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 도전체 상부전극과 유전체층 사이와, 상기 도전체 하부전극과 유전체층 사이 중 적어도 하나 이상에;
    유전체 접착제 또는 도전성 접착제 중 어느 하나 이상이 밀착력 강화를 위해 개입되는 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 도전체 상부전극의 선형 문양이 메쉬(격자) 형태, 허니컴 형태, 원형 형태, 타원 형태, 침상 형태, 다각형 형태, 직선 형태, 곡선 형태 및 이들의 조합 중 선택된 1종 이상의 문양인 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 도전체 상부전극의 선형 문양의 선폭(線幅이) 0.01mm 내지 5mm의 범위인 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 유전체층의 총 두께가 0.01mm 내지 3mm의 범위인 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 유전체층이 하나 이상의 층이고, 각 유전체층이 같은 재질이거나, 이종의 재질이거나, 2종 이상의 유전체 혼합물인 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 하부전극, 상부전극 및 유전체층 중 적어도 하나 이상에 세라믹, 유리, 고분자 재질 및 이들의 조합 중 어느 하나를 이용하여 보호코팅이 형성된 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  9. 제1항 내지 제8항항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 복합형 방전 전극에 적어도 하나 이상의 관통공이 형성되어 있으며, 상기 관통공은 원형, 사각형, 타원형, 다각형 또는 이들의 조합에 의해 이루어진 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 복합형 방전 전극의 형상이 곡률을 가진 판상, 원통형 또는 사각통형의 형상인 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 하부전극의 저면에 유전체층 및 상부전극이 더 형성되는 것을 특징으로 하는, 연면방전과 공간방전을 동시에 사용하는 복합형 유전체 장벽 방전 전극
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