工學碩士學位論文 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마의 방전특성 Characteristics of Gliding Arc Plasma from Power Change 2007 年 12 月指道敎授申白均 이論文을碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校工學大學院情報電氣工學科金鍾珏

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우 옹
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1 工學碩士學位論文 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마의 방전특성 Characteristics of Gliding Arc Plasma from Power Change 2007 年 12 月仁荷大學校工學大學院情報電氣工學科金鍾珏

2 工學碩士學位論文 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마의 방전특성 Characteristics of Gliding Arc Plasma from Power Change 2007 年 12 月指道敎授申白均 이論文을碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校工學大學院情報電氣工學科金鍾珏

3 이論文을金泰佑의碩士學位論文으로認定함 2007 年 12 月主審 : 印副審 : 印委員 : 印

4 요약 산업활동의부산물로서발생하는각종유해물질을분해하는연구가진행되어왔으며, 플라즈마의특성을이용한연구가활발히진행되어왔다. 글라이딩아크플라즈마는고온열적평형상태와저온열적비평형상태가동시에존재하는플라즈마로서글라이딩아크플라즈마의특성을이용하여벤젠을분해하는실험을수행하였다. 본실험에서는글라이딩아크플라즈마를발생시키기위해전력을변화시켜플라즈마상태를분석하였으며글라이딩아크플라즈마를발생시켜대표적인유기화합물인벤젠의분해효율을측정해보았다 i

5 ABSTRACT Various researches to resolve industrial toxic materials has been carried out. Among them, the decomposition process using plasma has been spotlighted. Gliding Arc Plasma have both thermal equilibrium state and non thermal equilibrium state. The Gliding Arc Plasma properties were tried to be controlled by power change. Depending on the state of the Gliding Arc Plasma, benzene decomposition rate was changed. Effect of power change during the Gliding Arc Plasma generation on the benzene decomposition rate was investigated. Benzene decomposition efficiency was measured to evaluate the volatile organic compounds (VOCs) destruction performance of the Gliding Arc Plasma. ii

6 목차 요약 i Abstract ii 목차 iii 그림목차 iv 제 1 장서론 연구의목적및배경 연구의범위및방법 2 제 2 장이론 플라즈마의개요 플라즈마의생성과정 플라즈마의생성방법 플라즈마의를이용한환경개선기술 29 제 3 장측정및결과분석 실험장치및장비구성 글라이딩아크플라즈마의생성 글라이딩아크플라즈마의발생분석 48 제 4 장결론 56 참고문헌 57 iii

7 그림목차 그림 1 전자가분자에충돌할때나오는특성 그림 2 플라즈마발생실험장치및스트리머진행 그림 3 직류방전의전압 전류특성과방전모드 그림 4 대기압조건에서바늘전극형태전극에양의고전압을인가 했을때발생하는코로나방전의모습 그림 5 전기집진장치의구조 그림 6 오존발생기의구조 그림 7 실험장비구성도 그림 8. 장비구성사진 그림 9. 글라이딩아크플라즈마발생사진 그림 10. 가스채취및가스주입 그림 11. 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마발생상태 그림 12. 아크주기내의플라즈마파형분석 iv

8 제 1 장서론 1.1. 연구의목적및배경 산업활동의부산물로발생되는각종유해물질을분해하는여러가지연구가진행되어왔고, 최근들어플라즈마화학적반응성을이용한연구가활발히진행되어왔다. 글라이딩아크플라즈마의경우고온열적평형상태와저온열적비평형상태가아크주의진행에따라복합적으로나타남으로각상태의단점을보완해주고장점을이용할수있는방법으로주목받고있다. 글라이딩아크플라즈마의경우다른여러방법과는달리특별한냉각시스템이필요하지않아플라즈마를생성하는데매우편리할뿐아니라그응용에있어서설치비용을줄일수있는등의여러장점이있다.[1] 본실험에서는대표적인유기화합물인벤젠을글라이딩아크플라즈마를이용한분해공정에서의저비용고효율의최적화를위한전반적기초데이터와분해반응의전압에따른방전특성을해석하는데그의의가있다. 1

9 1.2 연구의범위및방법 본연구에서는실험장비를구성하고설치된실험장비에다양한전력값을인가하여이에따른글라이딩플라즈마의발생및벤젠가스의분해정도를분석하였다. 전력량의변화에따라글라이딩아크플라즈마의파형변화를관찰하였으며, 또이에따른대표적인유기화합물벤젠의분해능을분해율로서분석하였다. 2

10 제 2 장이론 2.1. 플라즈마의개요 주변의플라즈마고체, 액체, 기체의상태를물질의 3가지상태라고말한다. 기체상태의물질에열을가하거나기체방전을하면, 물질은기체분자들끼리격렬하게충돌하여기체내부는양이온과전자가발생하고이것들이움직여떠돌아다니는상태가된다. 예로는촛불속의불꽃, 번개, 형광등, 네온사인등이있다. 이러한상태를물질의제 4의상태, 즉플라즈마라부른다. 플라즈마를발생시키기위해서는열을가하기보다는기체방전을이용하는편이플라즈마를발생시키기에더수월하다. 대기압 ( 고기압 ) 에서방전을하면전자와이온그리고중성입자간에충돌이격렬해지며입자간에운동에너지교환이충분히이루어지고열평형상태가된다. 전자, 이온중성입자의온도를각각 Te, Ti, Tn 이라고했을때, 이들세종류의입자온도가거의같아지는데 (Te Te Tn) 이와같은열평형플라즈마를열플라즈마 (Thermal Plasma) 라한다. 한편낮은압력의플라즈마는열적으로비평형상태가된다. 즉전자는충돌에의해많은운동에너지를잃지않으므로 Te Ti Tn 인상태가된다. 저온플라즈마는공업 3

11 적으로가장널리이용되고있다 [2] 플라즈마의여러가지성질플라즈마는물리화학적으로여러가지의성질을가진다. 첫째플라즈마는고온이기때문에운동에너지가매우크다. 둘째전하를갖는입자들의집단이기때문에전도성이높아금속처럼전기를잘통한다. 셋째화학적으로활성화시켜반응성을높일수있다. 이와같은플라즈마의성질은플라즈마안의전자와가체분자와의충돌로부터구할수있다. 그림 1과같이분자 XY에전자 e가충돌하는경우를보면, 충돌에너지가작을때는탄성충돌이일어나며, 전자의운동에너지는거의변하지않는다. 그러나충돌에너지가커짐에따라비탄성충돌을하게된다. 분자내의핵주위를돌고있는궤도전자가충돌할때에너지를얻고, 그결과궤도전자는에너지준위가큰상부의궤도를돌게된다 ( 여기현상 ) 이와같은높은에너지상태의분자를여기분자라부르며 XY* 로나타낸다. 일단여기상태의궤도에오른전자는단시간내에낮은에너지준위의궤도로떨어져그때남은에너지는빛으로방출된다 ( 발광반응 ) 한편, 충돌하는전자의에너지가전자의구속에너지보다높게되면분자내의전자 e가밖으로빠져나오게되어이온화가일어난다 ( 이온화또는전리반응 ) 또한분자 XY의결합이끊어져 X와 Y로분리되 4

12 는경우도있다 ( 해리반응 ) 결합에관여하는전자쌍을 : 로표시하면, 해 리는 X:Y X Y 로쓸수있다. 이와같이 X 와 Y 는결합되지않은 전자 ( 부대전자 ) 를갖고있기때문에화학반응을일으키기쉽다. 5

13 e 전리 라디칼 X 여 기 : XY e XY* 여기 e 전자 해리 탈여기 : XY* e XYhv( 광자 ) 해 리 : XY e X Y e 분자 XY 라디칼 Y 전 리 : XY e XY 2e X Y 2e 그림 1. 전자가분자에충돌할때나오는특성 Fig 1. Characteristic when a electron clashed a molecule 6

14 2.1.3 플라즈마의응용에너지분야에서는초고밀도, 초고온플라즈마를생성하여핵융합반응을일으켜발전을하고자하는핵융합로가주목받고있다. 화석연료는가까운장래에확실히고갈될것일뿐아니라그연소에서발생되는 CO2에의한지구온난화는심각한환경문제로대두되고있다. 한편핵분열반응엥의한원자력발전의연료인우라늄자원도유한한것이며원자로의안전성과방사성핵폐기물의처리가문제시되고있다. 이와같은상황에서핵융합발전이실현된다면인류는바닷물중에함유된수소동위원소를연료로하여반영구적으로깨끗한에너지원을확보하게되는것이다. 핵융합반응에서발생된중성자를핵융합로주위의흡수매질에서흡수하여증기에너지로바꾸고이를이용하여터빈을돌려전기에너지로발전을한다. 식 (1) 에표시한핵융합반응을연속적으로지속시키기위해서는약 1억도 (10keV) 에서 DT 플라즈마를고밀도로생성하여 1초이상의긴시간동안유지해야한다. 이를실현하기위해서는중수소가스 (D2) 와삼중수소가스 (T2) 를혼합하여플라즈마를발생하고, 초고온까지플라즈마를가열하여자기장으로가두어두는방법이이용되고있다. 현재이와같은핵융합의대규모적인연구개발이국내외에서활발하게진행되고있으며국제적인협력연구가수행되고있다 (ITER). 7

15 2 D 3 T 4 He n 식 (1) (3.5MeV) (14.1MeV) 플라즈마의발광을이용하는것으로는형광등, 네온사인등조명용방전관이일상적인것으로이용되고있다. 그외에도기체레이저, 플라즈마디스플레이패널 (PDP) 등에도플라즈마가이용되고있다. 특히디스플레이에서는대화면화와화소의세밀화등의개발연구가활발하게진행되고있다. 새로운물질을만들어내는재료공학등의분야에서는플라즈마프로세스또는플라즈마프로세싱이라불리는기술이널리이용되고있다. 높은압력의아크플라즈마는방대한열원이되므로세라믹이나금속등의미립자를혼입시켜단시간에용해할수있다. 이것을이용하여용사, 제련, 표면개질, 미립자제조등에활용하고있다. 한편플라즈마의화학반응성을이용하여박막성장 (Deposition) 이나에칭 (Etching) 을하는기술은첨단전자소자의제조에필수불가결한것이다. 원료가스를주입하고방전하면, 높은에너지의전자가가스분자와충돌하고분해되어화학적으로활성화된라디칼종을다양하게만든다. 이라디칼을차례대로기판표면에흡착하여라디칼들끼리결합하는표면화학반응이진행되어새로운화학구조를갖는박막이성장한다. 이것이플라즈마 CVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD) 라고불리는기술로 8

16 서태양전지와액정디스플레이에응용되고있다. 나아가여러종의중합막 ( 폴리머막 ) 의제작, 다이아몬드막이나플러렌, 나노튜브등의신소재제조에플라즈마가이용되고있다. 또한금속등의고체원료를전자빔증발법을이용하여플라즈마속으로증발, 주입하면전리되어이온이만들어지고이것을기판으로가속하여표면을개질하거나박막을성장시킬수있다. 이런방법을이온플레이팅 (Ion Plating) 이라한다. 한편기판에도달한라디칼이기판원자와직접화학반응을일으키고휘발성기체가되어표면으로부터점차이탈함으로써 (Vaporization) 점진적으로기판표면이깎여나가식각이일어나게된다. 이와동시에플라즈마내의이온을가속시켜기판에조사하면이온이부딪힌면의식각반응은촉진되어방향성이있는에칭이가능하게된다. 이러한방법을반응성이온에칭 (Reactive Ion Etching :RIE) 이라부른다. 이는컴퓨터의두뇌부분인 CPU를구성하는대규모집적회로 (LargeScale Integration : LSI) 나보조기억장치인 DRAM 등의미세가공에반드시필요한기술이다. 이온을수백 ev 이상의높은에너지로가속하여고체재료에충돌시키면, 재료를구성하는원자가밖으로튕겨져나오는현상즉스퍼터링 (Sputtering : 비산 ) 이일어난다. 이와같은방법으로스퍼터링된입자를따로기판상에퇴적시켜박막을만드는방법도널리활용되고있다. 플라즈마를이용한박막공정은통상의액체를이용하는습식화학반응공 9

17 정 (Wet Process) 에비하여여러가지이점이있다. 첫째, 기체를이용하는드라이프로세서이기때문에폐액처리가필요하지않고, 배기가스처리등의공해대책이용이하다. 둘째, 액체를이용하는습식공정과같이반응용기를가열하여고온으로할필요가없고저온에서높은반응속도를얻을수있다. 왜냐하면플라즈마내의고에너지전자가가스를분해하여활성종을대량으로만들기때문이다. 셋째, 식각을할때습식공정에서는액체가기판에접촉하는곳부터등방적으로에칭이진행되는데반하여, 반응성이온에칭에서는이온조사의방향에따라이방성에칭이가능하다. 이것은특히높은정밀도의가공을필요로하는전자디바이스제작에적합하다. 환경우주분야로눈을돌리면, 최근에플라즈마를지구환경보전에이용할수있지않을까하는기대가높아지고있다. 도시쓰레기처리, 금속폐기물의정련, 연소후발생되는유해가스나유기용매의처리등에플라즈마를이용하는연구가진행되고있다. 이때처리속도와비용등이고려되어진공상태에서방전하는방식보다는대기압에서열플라즈마또는코로나방전등의방법이이용되고있다 [3],[4]. 10

18 2.2. 플라즈마의생성과정 기체의절연파괴기체는기본적으로전기가통하지않는절연성매질이다. 기체를원통유리용기에주입하고그림 2 와같이직류전원을전극에연결하는전기회로를구성하였다. 회로에는스위치 S를연결하여열고닫음으로서, 유리용기내의평행판도체전극인음극과양극사이에직류전압 V 0 를인가할수있게하였다. 이전압을점점높여가다보면어떤값 Vs 값에도달했을때갑자기전류가흐르기시작하고, 용기안이밝게빛나는플라즈마가가득하는것을관찰하게된다. 이같은현상을전극사이의기체가절연파괴 ( 방전 ) 되었다고한다. 이순간의전압 Vs를절연파괴전압 ( 불꽃전압 ) 이라한다. 예를들면, 압력 p 100Pa ( 약 1Torr) 전극간거리 l 10cm 일때절연파괴전압은가스의종류나음극재료에따라다르지만대체로 Vs=400~600V 정도를갖는다. 절연파괴가일어나기전에진공방전관내의평행판전극은축전기경우와같이전기장 (E=V/l) 이일정하며전위 V는선형적 ( 직선적 ) 으로변한다. 절연파괴직후짧은시간에밀도 ~ m 3 정도의플라즈마가방전관안에서발생하여보호저항 (Blocking Resistance) R( 1kΩ) 에의해제한되는전류 I=10~200mA 가흐른다. 이플라즈마를직류글로우방전플라즈마라 고한다. 방전개시후양극의전압 Va (=V 0 RI) 는약 300V 정도 11

19 로내려간다. 전위차가줄어드는이유는플라즈마는금속과유사한정도의도체성질을갖기때문이며, 플라즈마영역에서는전위가거의일정한크기를갖게된다. 하지만음전극앞의얇은쉬스근처에서는전위가급격히떨러진다. 이영역에서는강한전기장형성으로가시광선영역보다높은에너지를가져, 눈에보이지않는파장의빛이방출되는음극암흑부라불리는전위변화지역이다. 1993년마크, 로에브등은스트리머 (Streamer) 라고하는새로운이론모델을도입하여, 방전개시전압이나방전개시시간, 전극사이에형성되는수개의가는빛줄기등을설명하는데성공하였다. 그림 2 와같이음극부분에는이미존재하고있던배경전자가씨앗이되어, 외부전기장 E 0 로가속되면서이온화및증식과정을반복하여전자덩어리를만들어양전극으로진행한다. 이덩어리는머리쪽으로전자가밀집되어기울기분포를갖고선두를달리는전자들은매우빠르지만 ( 2*10 5 =m/s) 이온화에의해새성된이온들은무거워서거의정지해있다고생각해도좋다. 전자덩어리의끝이양전극에접촉하면, 전자는대부분흡수되고이온만이남게된다. 이때양의공간전하가만드는전기장이외부전기장 E 0 만큼커지면광이온화로생성된전자를씨앗으로하는작은전자기울기덩어리가다수발생한다. 그기울기머리부분이전자는양이온의무리속으로흡수되어플라즈마 12

20 상태가된다. 이플라즈마는전도성이있으므로양극전압과거의같은전위를갖고, 플라즈마앞쪽끝부분의전기장이강해져서, 작은전자기울기덩어리를만들며흡수해나가면서음극을향하여플라즈마영역이자라게된다. 이렇게해서최종적으로가느다란플라즈마기둥 ( 이것을스트리머라부른다 ) 이양극과음극을연결하여전극사이에방전전류가흐른다 [3],[5]. 13

21 14 V 0 R S 양극음극 시간전자사태스트리머플라즈마외부전기장 E0 V 0 R S 양극음극 시간전자사태스트리머플라즈마외부전기장 E0 그림 2 플라즈마발생실험장치및스트리머진행 Fig 2. experiment equipment of Plasma production and streamer progress

22 2.3. 플라즈마의생성방법 여러가지방전방법및방전모드직류방전은전극에인가하는전압의극성이시간적으로변하지않고일정하게유지되는조건에서일어나는방전을의미한다. 인가전압의양전위쪽을양극으로, 음전위쪽은음극이라부르며플라즈마의발생과유지는주로음극면앞의쉬스에서전자의가속과플라즈마속에서줄가열 (Joule Heating) 에의해서이루어진다. 이는가장간단하고기본적인방전방법으로주로플라즈마에서이온이가속되어음극면과충돌하면서방출되는 2차전자에의해유지된다. 하지만이들 2차전자들의양은많지않다. 음극면앞의쉬스에는방전유지에필요한강한전기장이형성되고이때방전전압은수백 V 이상이된다. 음극에서전자의방출량을많게하면, 방전개시및유지가수월하고, 인가전압이낮아도방전전류를증가시킬수있다. 이런조건을갖기위한가장간단한방법은텅스텐과같이용융점이높은금속을 2500 정도로가열하여열전자를방출시키는직력형태의열음극을이용하는방법이다. 음극면에일함수가작은물질 (BaO, LaB 6 등 ) 을이용하면저온 900 ~ 1500 에서도많은열전자를얻을수있다. 예를들면 BaO 와같은물질을표면에바르고, 간접적으로전극의뒷면을가열하는방열형음극도자쥬이용된다. 이와같은열음극방전의경우에는가열을하지않는 15

23 냉음극방전과비교하면 0.1Pa 정도의낮은압력에서도방전이잘유지되고전류밀도는몇차수이상증가한다. 또한방전전압이이온화전압정도보다낮아지게되며만일페닝효과가강하게작용하는경우에는이온화전압의 1/3~1/5 까지방전전압이내려가는경우도있다. 또한한쪽이막혀있고다른한편은열려있는직경 1cm 정로로가는원통의할로우형전극을음극으로이용하여방전시키는방법도있다. 이방법은전류밀도가증가하여고밀도의플라즈마가얻어진다는장점이있으며이를할로우음극방전이라부른다. 할로우음극에서이온충격으로방출시킨 2차전자는쉬스에의해서반경방향으로가속되며, 그평균자유행정거리가원통의직경 d 보다길게되면반대쪽의음극면으로접근하게된다. 만일쉬스두께 dc 가 dc d/2 가되면음전극앞쉬스내세서전자는운동에너지를잃고쉬스의음전위에의해서반사되어본래의음극면을향하여되돌아가속된다. 즉원통내의포텐셜우물안에높은에너지의전자를가두는효과가나타나서, 쉽게빠져나가지못하는전자에의한이온화횟수가증가하여플라즈마밀도는높아지게된다. 이장치의양전극은전자를흡수하는역할을하므로할로우음극의효과를강화하기위해서는플라즈마를가능한넓은음전극으로덮고양전극의면적은작게하는것이중요하다. 운전압력이 1Pa 이하로같은낮은압력조건에서는평균자유행정거리가 16

24 길어져서이온화충돌의기회가감소하므로플라즈마의생성및유지가어려워진다. 이것을가능하게하는방법으로써앞에서기술한할로우형음극을사용할수있으며, 또한자기장을이용하는방법도유효하다. 그중하나는 PIG방전으로 10 4 Pa까지운전압력을내릴수있어진공펌프에도응용되고있다. 자기장을이용하는또하나의방법은마그네트론방전이다. 마그네트론방전은음전극면에서방출된 2차전자가자기장에의해구속되어 E B 드리프트하므로, 전자의수명이길어지게된다. 이외에표편자기장으로이용하는방법도유용하게활용된다. 일반적인직류방전의형태의그림 3과같은실험장비로구성되며, 운전압력이 1Torr (133Pa) 정도에서직류방전을일으킨다. 운전전압을서서히증가시키면방전전류는증가하고이사이에는아주미약한전류 ( 암전류 ) 가불안정하게흐르나, 아직은지속적으로전류가이어지는방전이라고부를수없는상태이다. 전압을계속높이면전류가급격히증가하여타운젠트방전에도달하고, 방전이점화한다. 이때의전압이방전개시전압이다. 방전이시작되면, 전류가증가하며전압이감소하는영역 ( 전기글로우 : Preglow) 에들어간다. 이와같은음저항 (dv/di < 0) 은플라즈마밀도가증가하여플라즈마의저항 (V/I) 이작아지기때문에일어나는형상이다. 더욱전류를증가시켜가면전압이일정하게되는영역 ( 정규 17

25 글로우 : Normal Glow) 로들어간다. 이같이안정적인전압특성은전류밀도 j가지속되며, 전극위의방전면적 A 가증가하면서전체전류 I=Aj 는증가하기때문이다. 전류가음전극면적전체에서흐르는점을지나게되면전류밀도 j가증가하며, 이에의해전체전류기증가하는영역 ( 이상글로우영역 : Abnormal Glow) 에들어간다. 이와같이방전이개시된시점에서전체전류가증가하는시점까지를플라즈마가눈부시게빛나고있다고하여글로우 (Glow) 라고하는용어를사용하는글로우방전이라한다. 계속전압을증가시키면전극에흐르는전류의양이매우커지고, 전극의온도가올라가면서열전자들이전극으로부터쉽게방출되면서방전전류가증가하게된다. 전압 V는이온화전압아래로낮아지는점에도달하게되고아크방전이일어난다 [3],[6] 18

26 V 0 R 0 V I K A 1000 타운젠트방전암전류 글로우방전 f 아크방전 800 전압 V (V) b c a d e g 전류 I (A) 그림 3. 직류방전의전압 전류특성과방전모드 Fig 3. Voltage to Ampere Characteristic and discharge mode of DC discharge 19

27 2.3.2 글로우방전으로만드는저온플라즈마직류방전의한형태로써글로우방전이라불리는모드가있다. 이방전모드는전압전류특성에따라서정규글로우 (Normal Glow) 및이상글로우 (Abnormal Glow) 로나누어진다. 이글로우방전으로만들어지는플라즈마는전자온도가이온온도에비해높은열적상태 ( 열적으로비평형인상태 ) 로서저온플라즈마라고도한다. 최근반도체소자를제조하는프로세스에이용되는고주파방전등은아주밝게빛이나고있으나운전압력, 플라즈마밀도가글로우방전모드와비슷하다. 따라서이를 RF 글로우방전이라부르기도한다. 압력 1Torr (133Pa) 정도의직류글로우방전의특성을나타내는상황에서가스압력을감소시키면음극영역의길이가길어지게되고그만큼양광주의길이는짧아지게된다. 압력을더내리면최종적으로양광주는소멸되고, 방전관전체에음극글로우가차게된다. 방전을유지하기위해서는쉬스에걸리는전압이높아지고전기장도강해지게된다. 음극글로우의주체가되는방전으로는낮은압력의열음극 DC 방전이나프로세스에많이이용되는평행평판형 RF 방전이있다. 한편압력을 1Torr(133Pa) 에서높여주면위와는반대현상이일어나는데, 음극글로우와양전극쪽의암흑부가축소되며양광주영역은넓어지게된다. 이와같은글로우방전은일반적으로 100Torr (13.3KPa) 이하에서보이는 20

28 현상이다. 1기압정도의높은압력에서글로우방전을유지하는것은가능하지만, 외부회로인자에의한영향을크게받으므로외부회로구성에주의해야하며, 음전극의냉각을잘하지않으면아크방전으로전이되기쉽다. 이와같은높은압력글로우방전도최근프로세스에응용되어그중요성이재인식되고있다. 높은압력의직류글로우방전에서전극사이의거리가길때, 낮은압력이글로우방전과같이음극부근에서는음극쉬스영역, 음극글로우, 패러데이암흑부가보인다. 압력이높기때문에입자간의평균자유행정거리는짧으며양광주는반응관의중앙에집중하게된다. 또한집중된양광주가반응관안에서진동하여불안전하게되는경우도있다 [3],[7] 아크방전으로만드는열플라즈마그림 3에서전압전류특성과같이점 f 를초과하여전류를계속증가시키면글로우방전에서아크방전모드로넘어간다. 글로우방전은약 200V에서 0.5A 정도의전류가흐르는것에비해아크방전은가스의이온화전압정도 ( 20V) 에서 30A 이상의큰전류가흐른다. 그외에도압력이나음극의상태에따라서여러가지형태의낮은전압, 큰전류의아크방전이있다. 이들은어느것도글로우방전과는비교되지않을정도로큰전류가흐르므로, 글로우방전과는비교되지않을정도로큰전류가 21

29 흐르므로, 글로우방전과같이음극에서의 2차전자방출에의한방전보다전자방출효율이좋은다음과같은방법에의해서아크방전을일으킬수있다. 1) 플라즈마로부터의열부하에의해음극이고온이되어열전자를방출하는경우 2) 외부로부터인위적으로음극을고온으로가열하여열전자방출을일으키는경우 3) 음극면의강한전기장에의한터널효과로생성된냉전자방출 ( 전기장방출 ) 의경우 음극의온도가낮은상태라도그곳에국소적으로강한전기장이걸리면, 터널효과에의해음극으로부터대량의전자가방출된다. 예를들면, 음극표면이오염되어절연성의얇은막이형성되면막표면에양이온이축적되어양극전압정도의높은전위가형성된다. 이런경우막에는강한전기장이형성되어전기장방출로전자방출이발생하게된다. 플라즈마전이가 100V 이상높은경우접지된플라즈마용기의표면이오염되어있으면반응기내부에다수의발광점이점멸하는상태가나타나며, 방전전체가불안정하게되는경우도있다. 이때발광점은전기장방출에의한마이크로방전으로생각할수있다. 22

30 전기장방출을이용한아크의전형적인예는수은아크이다. 이는수은 ( 액체 ) 을음극으로하여그증기를이온화하여낮은전압에서수천암페어를흘리는방전방법이다. 방전하고있을때은색인수은의액체표면을보면흰색으로빛나는점이움직이며도는것을관찰할수있는데, 이것은음극발광점 (Cathode Spot) 이라고불리는것으로모든전류가그곳에집중된다. 이발광점은 0.1μm 정도의두께인음극암부를갖고그사이에 10V 정도의전압이걸려전기장방출이일어나고있다고생각된다. 그러나이전기장의세기로는아직불충분하다는이론도있어아직도이발광점의형성메커니즘에대해서는해결되지않은사항이라볼수있다. 구리의용융점은 1083 이므로열전자방출을일으킬정도의고온은아니다. 그러나구리전극의경우에도큰전류가흐르는아크방전이일어난다. 이경우에도전기장방출이작용하고있다고보여진다. 압력이 10Torr (1.33kPa) 정도보다낮은압력에서아크방전을일으킬때는글로우방전과같이전자온도 Te가이온온도 Ti나중성분자의온도 Tn에비해높다. 그러나 100Torr (13.3kPa) 가넘는높은압력에서는입자사이의충돌이격렬하게일어나에너지교환이진행되므로이들입자들의온도가거의같아져 Te Ti Tn 이되고, 열플라즈마가생성된다. 또한입자의분포함수는맥스웰분포에매우근접하게된다. 이상태를국소열평형 (Local Thermal Equilibrium : LTE) 이라고한다 [3],[7]. 23

31 2.3.4 코로나방전으로만드는높은압력의저온플라즈마전극주변의전기장이대단히불균일하고압력이높은경우에는코로나방전이라불리는미약한불안정한방전이일어난다. 그전형적인방전의예는그림 4와같이접지한넓은평판전극을마주보고있는바늘형태의전극에정전압을인가한경우에발생하는공기중의대기압코로나방전이다. 전극의간격을수cm 로하고인가전압을양 2000V로하면, 바늘의끝부분이얇은빛의막으로둘러싸이는것을보게된다 (a). 이때전극사이에는수 μa 정도밖에되지않는미약한전류가흐르며이를글로우코로나 ( 막형태의코로나 ) 라부른다. 다시전압을증가시키면바늘의끝에서평판을향하여길게늘어나는형태의발광부가나타나며 (b) 이를브러쉬코로나라한다. 육안으로는판단할수없지만이코로나방전은불안정한점멸상태에있다. 그중하나의방전펄스에대한전류파형을조사하면, 시작속도가빠르고폭이좁은펄스형태의전류가반복되고있다는것을알수있다. 전압을다시높이면바늘의끝에서늘어난발광부는평판전극까지이어져많은수의가느다란실모양의발광부가여러곳에서나타나고, 그것들은따로따로점멸을반복한다. 이와같은상태의코로나를스트리머코로나라부른다. 이상의설명과같이바늘을전극으로했을때전압이증가와함께여러가지방전현상이나타나면서, 최종적으로큰전류가안정하게흐르는불꽃방전 ( 스파크 ) 의상태에도달한 24

32 다. 인가전압의극성을반전시켜바늘에음전압을가할때형성되는음 ( 전극 ) 코로나는양 ( 전극 ) 코로나와는달리방전전압에의한형태의명료한변화는보이지않는다. 이음극코로나는대개스트리머코로나와비슷하지만, 전류의점멸은적고글로우적인성질을갖는다. 음극코로나는주로분자의전자충돌이온화에의해형성되고양극코로나는주로광이온화에의해진행한다고생각된다 [3]. 25

33 고전압 바늘전극 평판전극 (a) 글로우코로나 (b) 브러쉬코로나 (c) 스트리머코로나 그림 4 대기압조건에서바늘전극형태전극에양의고전압을인가했을때발생하는코로나방전의모습 Fig 4. Corona discharge when positive high voltage was induced to a needle electrode with atmosphere pressure 26

34 2.3.5 마그네트론방전장치평판형태의음극면에평행으로자기장을걸어서방전시키는방법이마그네트론방전법이다이와같은방법으로생성된플라즈마를직류마그네트론플라즈마라부른다. 일반적으로압력 5mTorr ( 아르곤 ) 에서전압 V d 600V 에 20mA/cm 2 정도의높은전류밀도의방전이얻어진다. 이 때음극면위에수 mm의얇은암흑부를거쳐서밝게빛나는도너츠형태의고밀도플라즈마가형성된다. 이와같이낮은압력에서높은밀도의플라즈마가생성되는이유는 2차전자가 E B 드리프트에의하여선회하는운동의효과 ( 마그네트론효과 ) 때문이다. 플라즈마속의양이온은음극암흑부의전압강하로가속되어음극면에충돌하고그곳에서 2차전자를방출시킨다. 이 2차전자들은암흑부의전기장에의해서가속되어 ev d ( 예를들면 600eV) 정도의높은에너지를얻는다. 이높은에너지의전자는자기장이없는곳에서는전극사이의거리만큼만이동해도양전극에흡수되어소멸되므로, 그수명은짧아져이온화효율이좋지않다. 마그네트론플라즈마는전류밀도가높고 600eV나되는높은에너지로이온이음극과충돌하므로음극재료를고속으로스퍼터링한다. 낮은압력이므로스퍼터링된입자의평균자유행정거리는길고, 음극에마주보고설치된기판위에스퍼터된입자들이축적되어박막이형성되게한다. 마그네트론방식의방전은스퍼터링에의한여러가지종류의박막 27

35 제조에기본장비로널리활용되고있다. 예를들면 Al, W, Ti 등의금속박막이나산화막, 질화막등의제작에널리이용되고있다. 직류마그네트론플라즈마는직류전류를흘릴필요가있으므로음극재료 ( 스퍼터재료 ) 는전기전도도가좋은물질이어야한다. 따라서절연성박막의스퍼터링이나에칭에서는 RF 마그네트론플라즈마가이용되고있다. 즉, 음극에 RF 전압을부유 (Floating) 상태로인가하면양이온의충전이어려워서 ( 음이온충전이빠름 ) 전극표면에는직류자기바이어스전압 (Self Bias) 이발생한다. 이표면전압에의해이온들이가속되어절연성음극재료를스퍼터링하는것이가능해진다 [3]. 28

36 2.4. 플라즈마를이용한환경개선기술 최근큰문제로자리잡은지구온난화의주범들은 CO, CH 4, NOx, SF 6 등과같은가스들이며오존층을파괴하는 CF 3 Cl 등과같은염소를포함하는플로린가스들은 PCB 제조나자동차의배기가스등에서방출된다. 2005년부터지구온난화를우려하여각나라마다이산화탄소배출한도를규제하는교토의정서가발효되면서각국의유해가스배출량자체가제약을받게되었다. 따라서, 연소배기가스의정화, 도시먼지의처리, 산업폐기물의처리등의환경개선에플라즈마를이용하는기술이개발되고있다. 폐기물처리장치에사용되는플라즈마는대기압에서만들어지고정상적인열평형상태 (Te Ti Tn) 을갖는아크플라즈마 ( 열플라즈마 ) 와펄스방전을반복하는비열평형코로나플라즈마 (Te>Ti, Tn) 가이용된다.[3] 전기집진장치와공기청정기석탄화력발전소, 제철소, 폐기물소각로등의보일러에서나오는연료배기가스에는대량의미세입자 (Dust, Mist, Suite) 가포함되어있다. 이들을포집하여제거하기위해서전기집진장치가오래전부터이용되어왔다. 그구조는그림 5와같다. 동작원리는대기압의코로나방전으로발생하는비열평형플라즈마를이용하고있다. 접지한두장의평판 ( 집진판 ) 을 29

37 30cm 정도의간격으로설치하고그가운데에는수개의가는방전선 ( 직경 2nm) 을방전틀에지지하여몇가닥으로당겨서팽팽하게설치하고, 여기에음의직류고전압 ( 45kV 정도 ) 을인가하면 0.2mA/m 정도의방전전류가흐른다. 이들방전선주위에는코로나방전으로형성된청백색빛을내는플라즈마가발생한다. 이두장의집진판의사이를배기관으로하여연소배기가스를흘리면그중에포함된미세입자들에전자가부착되어음으로대전되고, 강한전기장에의해집진판에이끌려평판위에는미세입자들이포집되고정화된가스를연통을통해배출된다. 실제로 1000MV 화력발전소에서이용되고있는전기집진장치는높이 26m, 폭 87m, 깊이 18m로매우큰것이다. 한편, 가정이나병원용공기청정기로는소형으로만들어져시판되고있으며, 담배연기나먼지, 꽃가루, 황사등의실내공기오염을제거하는곳에사용된다 [3],[8]. 30

38 방전틀 ( 테두리 ) 먼지 (dust) 코로나방전 배기가스 방전선 (45kV) 집진전극 그림 5. 전기집진장치의구조 Fig 5. Construction of a electric dust collector 31

39 2.4.2 오존발생기대기중에서전기불꽃이발생할때에독특하고자극적인냄새가나는경우가있다. 이는방전이일어날때공기중의산소로부터산소원자 3개로구성된분자, 오존 (O 3 ) 이만들어지기때문이다. 오존은강한산화력을가지고있기때문에악취의원인들을산화분해하여탈취시키는데이용하려는연구가오래전부터진행되어오고있다. 최근공업용의대형오존발생기 (Ozonizer) 가개발되어살균, 산화, 탈색, 탈취등에널리이용되고있다. 오존의발생에는그림 6에나타난바와같이유전체격벽 (Barrier) 방전 (Dielectric Barrier Discharge : DBD 혹은 Silent Discharge : 큰소리가나지않으므로무성상전이라고도한다 ) 이이용되고있다. 두장의평행판전극을유리와같은유전체로덮어건조한공기또는산소의압력을대기압에가깝게해서그림과같이왼쪽에서오른쪽으로흐르게한다. 양전극사이에 10kV 정도의교류전압 ( 주파수 50Hz ~ 10kHz) 을가하면그림에서점선으로나타낸것처럼짧은시간에점멸을반복하는미세한방전기둥 ( 직경 0.1nm, 방전펄스폭 = 수십 nm, 전자밀도 m 3 ) 이전극사이에다수발생한다. 이와같은펄스방전이되풀이될수있는이유는유전체가방전을방해하는격벽으로서작요하기때문이다. 즉, 유전체는절연물이므로그표면에는방전에의해운반된전자 32

40 나이온이축적될수있다. 방전에의해전극표면에서축적된전하들은공간전기장을강하게만들어방전을도와준다. 방전이진행되어서전극면과만나게되면플라즈마전하가전극면의전하들과재결합이일어나면서축적된면전하가지워지게되고공간전기장은급격하게줄어들어방전이중지되고아크로전이되지않는다. 다시외부전기장이인가되고이온화가개시도어이런주기를되풀이하는코로나방전으로이어진다. 이렇게유전체내에서의방전은코로나방전으로성장하여스트리머방전으로가지만, 유전체에의해서아크방전으로이행되지않는특징이있다. 또한짧은시간의펄스방전이진행됨으로이온이가속되기전에방전이끝나전극의과도한가열이일어나지않는다는장점도있다. 격벽방전플라즈마내의전자는산소분자와충돌하여, 해리반응 O 2 e 2O e 에의해산소원자를만든다. 이원자는다음과같은 3체충돌반응 O O 2 M O 3 M 을일으켜오존을발생시킨다. 여기서제 3체 M은 O, O 2 또는 O 3 가된다. 최근오존생성효율을높이는연구가현재활발히진행되고있다 [3],[9]. 33

41 교류고전압 유전체 O 2 O 2 O 3 미소방전기둥 그림 6. 오존발생기의구조 Fig 6. Construction of Ozone generator 34

42 2.4.2 열플라즈마에의한도시쓰레기처리일반도시쓰레기를 800~900 의소각로에서연소한후에남는재나전기집진기로포집된재에는중금속류나다이옥신류가포함되어있다. 이들유해물질을분해하거나무해화하거나배출을억제하는것이요구되고, 이를폐기재들을소각재와함께고온으로녹인후, 고화 ( 유리화 ) 시켜서지하에묻어버리거나토목자재로서재활용하는방안이제안되고있다. 소각재의주성분은실리카 (SIO2), 알루미나 (AL2O3), CaO 등이고용융점이 1100 이상으로높다. 따라서이것을녹이는데필요한열원으로서대기압의직류아크플라즈마 ( 열플라즈마 ) 가이용되고있다. 예를들면 1500kW의직류플라즈마토치 2개를사용하여 1일당 52톤의폐기된재를처리할수있다. 방전가스로서압축공기를이용하고, 그라파이트 (Graphite: 탄소봉 ) 를음극으로하여금속원통에양전압을인가하면토치에서아크플라즈마가원통으로부터분출되어음극용기에도달한다. 이용기에투입되는소각재를고온, 고밀도의플라즈마에의해서용융되어비등점이낮은물질은기체가되어배기되고다이옥신류는 99.9% 분해된다. 용융점이높은금속산화물은환원되어원자까지분해되고금속으로녹아있다. 용기내에서녹고남아있는찌꺼기덩어리는걷어내어급냉시키면고체화된다. 용기바닥에남은용융금속은정기적으로꺼낸다. 이와같이플라즈마처리는 35

43 소각재를용융고화하여, 폐기물의체적을반감시키는동시에무해화하 는역할을한다 [3]. 36

44 제 3 장측정및결과분석 3.1. 실험장치및장비구성 장비구성도실험을수행하기위하여아래와같이장비를구성하였다. 적색라인은전원선을나타내며, 갈색라인은전원을측정하기위한계측라인을나타낸다. 짙은파란색라인은실험에사용된공기 ( 벤젠을포함 ) 라인을나타내며, 초록라인은실제로는구성하지않았으나, 분해전, 후의가스를분석하기위한가스분석라인으로표현하였다. 37

45 Vent 1 CARRIER GAS MIXTURE GAS 그림 7. 실험장비구성도 Fig 7. Formation of experimental equipment 1 전극 (Electrode) 2 오실로스코프 (Oscilloscope) 3 전력변환장치 (Transformer) 4 가스분석기 (Gas Chromatography) 5 가스통 (Gas Bottle) 6 Ball Flowmeter 7 MFC 8 Septum 38

46 3.1.2 장비개요전극은 SUS 304 재질을사용하였고, 전원은최대 10kV 100mA 의승압된교류전원이었다. 전극에인가되는전압을측정하기위하여고전압 Prove를사용하여오실로스코프와실험장비를연결하였고, 실험가스의양을정확히주입하기위하여 MFC (Mass Flow Controller) 를사용하여실험장비와 Gas Bottle 을연결하였다. 가스의분석은 Septum 으로부터분해되기전의가스및분해후가스를주사기로채취하여가스의분해정도를분석하였다. 39

47 Vent Septum Oscilloscopetektronix GC 전극및플라즈마발생장비 Transformer Gas Bottle MFCSierra c100 Septum 고전압 ProveP6012 그림 8. 실험장비사진 Fig 8. Experimental equipment Pictures 40

48 3.1.3 벤젠의특성벤젠은고리형분자의일종으로흔히 ' 벤젠고리 ' 라는말을사용하기도한다. 벤젠을비롯해벤젠고리를포함하는화합물을방향족화합물이라고하는데, 벤젠은여러방향족화합물중가장간단한분자로콜타르를분별증류하여얻을수있다. 또석유로부터얻어지기도한다. 벤젠의구조에대해서는여러가지제안이있었으나, 1865년에독일의화학자인케쿨레가제안한구조가가장타당한것으로인정받아일반적으로사용되었다. 케쿨레가제안한벤젠의구조는 6개의탄소원자가육각형모양으로연결되어있고, 단일결합과이중결합이교대로존재하는구조이다. 그리고각탄소에는수소원자가하나씩결합되어있다. 그런데케쿨레의구조에는문제점이있다. 바로벤젠의실제결합길이를설명하지못한다는것이다. 이중결합은단일결합에비해강하게결합하고있는상태이기때문에결합길이는단일결합에비해짧다. 따라서만약케쿨레가제안한구조가옳다면벤젠을구성하는탄소원자들사이의거리는두종류로측정될것이다. 하지만실제로는그렇지않다. 일반적으로탄소원자간의단일결합길이는 0.154nm( 나노미터 ) 이고, 이중결합을이루고있는탄소원자간의결합길이는 0.134nm이다. 그렇다면벤젠에서역시 0.154nm, 0.134nm와비슷한두종류의결합길이가측정되어야할텐데실제로벤젠에서탄소사이의결합길이는모두 0.140nm 41

49 로나타났다. 6개의탄소탄소결합이모두 0.140nm의길이를갖는것은모든탄소탄소결합의세기가같다는뜻이다. 그리고결합길이가단일결합길이와이중결합길이의중간정도에해당하므로벤젠의탄소탄소결합의세기또한단일결합과이중결합의사이에있다는것을알수있다. 결국벤젠의실제구조는단일결합과이중결합이고정되어교대로존재하는것이아니고모든결합이 1.5결합이라고생각할수있다. 이러한결과를설명하기위해도입된것이바로공명구조이다. 벤젠고리에서탄소탄소결합에참여하는전자의수는총 18개인데, 이중 12 개는두개씩짝을지어결합을형성하면서총 6개의단일결합을이루고, 남은 6개의전자는모든탄소들사이를자유롭게옮겨다닌다. 그래서평균적으로하나의탄소탄소결합에전자가하나씩더존재하는것으로계산되어 1.5결합을이룬다는것이다. 이렇게전자들이어느한곳에고정되어있지않고분자사이를자유롭게오가기때문에공명구조라고한다. 벤젠처럼공명구조를갖는분자들은비슷한분자식을가지면서공명구조가존재하지않는분자들에비해에너지가낮은안정한분자를형성한다 [10]. 벤젠은매우안정적인분자에속하기때문에반응성이약하다. 특히첨가반응은잘일어나지않으며일어나는대부분의반응은치환반응이다. 벤젠이일으키는치환반응에는할로겐화반응, 니트로화반응, 술폰화반응, 42

50 알킬화반응등이있다. 첨가반응이일어나기는매우어렵기때문에첨가 반응을진행하고자할때는니켈과같은촉매를이용한다. 43

51 3.2 글라이딩아크플라즈마의생성 전원인가에따른글라이딩아크플라즈마의생성실험장비를구성한후장비에벤젠및공기혼합가스를흘려주고전원을인가하여전원을천천히상승시켜주면전극의간격이가장가까운부분에서아크플라즈마가발생한다. 발생된플라즈마는가스의흐름으로인하여전극을타고전극의상부로이동한다. 상부로이동한플라즈마는전극의마지막부분에서플라즈마상태를유지하다가사라지며아크가사라지면동시에전극의간격이가장가까운부분에서아크가재발생하며이와같은생성을반복한다. 44

52 (1) 아크생성 (2) 아크이동 (3) 아크이동 (4) 아크소멸 그림 9. 글라이딩 아크플라즈마 발생사진 Fig 9. Pictures of Gliding Arc Plasma 45

53 3.2.2 분해전, 후가스분석 벤젠을포함한공기는 MFC(Mass Flow Controller) 에의해 2000sccm 으로실험장비로유입된다. 본실험에서는벤젠의분해정도를분석하기위하여실험장비전, 후단에 Septum( 가스채취장비 ) 을설치하여벤젠이글라이딩아크플라즈마에의하여분해되기전, 그리고분해된후의가스내부의벤젠의양을 GC(gas chromatography) 를통하여분석하였다. 46

54 (1) Septum 사진 (2) Septum 으로부터분해전, 후의가스를채취 (3) 채취한가스를가스분석기에주입 그림 10. 가스채취및가스주입 Fig 10. Gas picking and gas injection 47

55 3.3. 글라이딩아크플라즈마발생분석 전력변화에따른주기의변화일반적을열역학적안정화상태를유지하기위한단위길이당소요전력은 50~70kW/m로간주한다 [11],[13]. 그러므로아크채널의길이기길어질수록열역학적안정화상태를유지하기위한전력이증가하여야한다. 바꾸어말하면전력량이커지면상대적으로아크채널이오랫동안유지되고단위시간당주기가짧아지게된다 [12]. P= V*I = W*L 식 (2) (P : 전력량, V: 전압, I: 전류, W: 단위길이당소요전력량, L: 아크채널길이 48

56 Nonthermal gliding arc discharge Thermal gliding arc discharge Low power High power 그림 9. 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마상태 Fig 9. Gliding arc plasma state when power was changed 49

57 3.3.2 전력변화에따른아크주기의분석본실험에서는전력량을다음과같이세가지조건으로변화하며실험을수행하였다. 글라이딩아크플라즈마는소요전력이높을수록아크를유지할수있는시간이길어짐을알수있었고, 초당반복되는아크의주기가짧아짐을알수있었다. (1) 128 W : 초당주기반복수 3회 (2) 75 W : 초당주기반복수 8회 (3) 67 W : 초당주기반복수 17회 50

58 V o lta g e ( V ) 8. 0 k 6. 0 k 4. 0 k 2. 0 k i g n i t i o n 1 p e r i o d e x t i n c t i o n T i m e ( s e c ) (1) 조건 1 에서출력그래프 v o lta g e ( V ) k 8. 0 k 6. 0 k 4. 0 k 2. 0 k k T i m e ( s e c ) (2) 조건 2 에서의출력그래프 6k Voltage(V) 5k 4k 3k 2k 1k Time(sec) (3) 조건 3에서의출력그래프 그림 11. 전력변화에따른아크주기분석 Fig 11. Arc period analysis when power was changed 51

59 3.3.3 아크주기내의플라즈마상태분석열적평형상태및열적비평형상태의분석을위하여아크주기를확대하여그상태를비교분석하였다. 전력량이가장작은 3번째조건에서는열적평형상태및열적비평형상태가모두불안정한상태로존재하였으며, 상태의정확한구분이어려웠다. 중간상태인 2번째조건에서는열적비평형상태의모양은구분할수있었으나불안정한상태를유지하고있었다. 전력량을가장높인 1번째조건에서는열적평형상태및열적비평형상태모두가안정적인상태를유지하였으며, 특히글라이딩아크플라즈마의전형적인파형을나타냄을확인하였다. 52

60 k 8. 0 k n o n e q u i l i b r i u m s t a t e ( e x t i n c t i o n ) e q u i l i b r i u m s t a t e ( i g n i t i o n ) Voltage(V) 6. 0 k 4. 0 k 2. 0 k T i m e ( s e c ) (1) 조건 1 에서의출력파형 Voltage(V) k 8. 0 k 6. 0 k 4. 0 k 2. 0 k n o n e q u i li b r iu m s t a t e ( e x t i n c t i o n ) e q u i l ib r iu m s t a t e ( i g n i t io n ) T i m e ( s e c ) (2) 조건 2 에서의출력파형 Voltage(V) k n o n e q u i l i b r i u m s t a t e ( e x t i n c t i o n ) 8. 0 k 6. 0 k 4. 0 k 2. 0 k e q u i l i b r i u m s t a t e ( i g n i t i o n ) T i m e ( s e c ) (3) 조건 3 에서의출려파형 그림 12. 아크주기내의플라즈마파형분석 Fig 12. Plasma wave analysis in arc period 53

61 3.3.4 플라즈마방전에의한벤젠분해상태분석글라이딩아크플라즈마에의한벤젠의분해상태를분해전, 후의가스를채취하여가스분석기 (GC) 를통해측정하였다. 벤젠의분해율은전력량이클수록높은것으로나타났다. 전력량이증가할수록한주기내열적비평형상태가뚜렷이나타나는것으로보아플라즈마의열적비평형상태가길어질수록분해율이높음을의미한다는것을알수있었다. 식 (3) 54

62 조건 inlet (Peak rate) outlet (Peak rate) 67 W 75 W 128 W 평균 DR(%) 표 1. 전력량의변화에따른벤젠의분해율 55

63 제 4 장결론 본연구는글라이딩아크플라즈마를발생시켜대표적인휘발성유기화합물인벤젠을분해하는과정을연구함으로써환경처리분야에유용한기초자료를제공하고자수행하였으며그결과는다음과같다. 글라이딩아크플라즈마는대기압의상태에서아크플라즈마를발생시켜가스의흐름에의해열적평형상태및열적비평형상태가한주기동안동시에나타나는플라즈마이다. 글라이딩아크플라즈마의장점은분해하고자하는가스자체가냉각제로작용하므로대기압에서실험을수행하는데문제가없었으며, 이로인해별도의냉각장치를필요로하지않는다는것이다. 일정전력이상에서글라이딩아크플라즈마가안정되게유지되었으며, 일정전력이하에서는글라이딩아크플라즈마가유지되지못하고소멸됨을알수있었다. 전력이감소할수록한주기내에아크채널의생성및소멸의주기가짧아짐을알수있었으며, 글라이딩아크플라즈마가안정되게유지되는상태즉열적비평형상태가커질수록유기화합물인벤젠의분해효율이높음을알수있었다. 56

64 참고문헌 [1] O. MutafYardimci, A. V. Saveliev, A. A. Fridman, and L. A. Kennedy Thermal and nonthermal regimes of gliding arc discharge in air flow, J. Appl. Phys, 87, 4, [2] 박덕규, 플라즈마물리공학, 청문사, 2005 [3] 김곤호, 양성채, " 플라즈마일렉트로닉스 ", ( 주 ) 교학사, 2006 [4] 伏見康法債責任集, " 플라즈마사융합 ", 共立出版, 1997 [5] 武全進, 기체방전의기초, 동경전기대학출판사, 1993 [6] Y.Raizer, "Gas discharge physics, Springerverlag, 1987 [7] J.R.Roth, "Industrial plasma engineering", Vol.1 Principles, Institute of Physics Publishing, 1995 [8] A.Matsuda, Plasma Phy. Control. Fusion, 39, 1997, p.a431 [9] 三坂俊明, 플라즈마사융합학회지, 74(1998), p.128 [10] Martin pope, "Electronic Process in Organic Crystals and Polymers", Oxford University Press, 2002, p. 553 [11] Alexander Fridman, Sergei Nester, Lawrence A. Kennedy, Alexei Saveliev, Ozlem MutafYardimci "Gliding arc plasma" Progress in Energy and Combustion Science 25 (1999) [12] 이덕출, 황명환, " 고전압플라즈마공학 ", 동일출판사, 1997 [13] FrankKamenetski DA. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics, Moscow, Nauka, 1987:

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<BBF3BED020C7C3B6F3C1EEB8B620B9DFBBFDBFF8B8AE2E687770> 상압플라즈마방전원리 1. 서론 물질의상태는고체, 액체, 기체로나눌수있는데기체상태의물질에에너지를가해 주면원자나분자에서전자가분리되어전자와이온들이존재하는플라즈마상태가된다. 플라즈마는화학적으로반응성이큰매개체이다. 여기(activated) 되어지는방법과작동 에너지에따라낮거나혹은높은온도의환경을만들어낼수있으며, 각각저온플라즈마 또는열플라즈마로구분된다. 이러한넓은온도변화폭으로인해플라즈마기술은표면

工學碩士學位論文 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마의 방전특성 Characteristics of Gliding Arc Plasma from Power Change 2007 年 12 月 指道敎授申白均 이論文을碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校工學大學院 情報電氣工學科 金鍾珏

工學碩士學位論文 전력변화에따른글라이딩아크플라즈마의 방전특성 Characteristics of Gliding Arc Plasma from Power Change 2007 年 12 月指道敎授申白均 이論文을碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校工學大學院情報電氣工學科金鍾珏