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Journal of the KSME

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3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:57 PM 페이지32 DK 플라즈마 활용 연소기술 이처럼 폭넓은 당량비 조건하에서도 화염 이 유지되는 이유는 플라즈마를 통해 발생 된 열 및 화학적 활성 종들이 반응에 동시에 기여하기 때문으로 분석되고 있다. 그림 4 는 플라즈마-화염의 광계측 자료로, 광 스펙 트럼의 세기는 플라즈마가 존재할 경우 월 등히 강하며, 여기된 질소분자, H와 O와 같 은 일부 스펙트럼들은 플라즈마가 있는 경 우에만 강하게 나타나고 있다. 플라즈마를 이용하여 화염의 소거 또는 불안정성을 방지할 수 있는 기술은 안정된 화염을 얻기 어려운 디젤 배기관 내에 장착 된 디젤 버너에 적용될 수 있다. 최근 디젤 그림 3 회전 아크 및 다양한 공기-연료비 조건하에서 CH4 예혼합 화염을 top view 및 side view에서 관찰한 사진, 아크 발생을 위한 투입 전력: 35W 차에 대한 배기규제는 날로 강화되고 있으 며, 이에 따라 PM(Particulate Matters)을 잡 기 위한 매연여과장치의 재생 및 SCR (Selective Catalytic Reduction) 촉매 시스템 의 열적인 관리를 위해 배기관에 소형의 디 젤 버너를 장착할 필요성이 제기되고 있다. ① 디젤 배기관 내의 산소농도는 5-15 %의 범위에서 수시로 변하며, ② 배기가스의 유 속은 수십 m/sec에 이를 정도로 빠른 반면, ③ 차량용 디젤버너에 공급되는 공기량에는 제한이 있기 때문에 일반적인 디젤 버너로 는 안정적인 화염을 유지하기가 어렵다. 이 와 같은 문제점은 그림 5에서 볼 수 있듯이 그림 4 플라즈마-화염의 광 스펙트럼, 당량비: 1.4 아크 투입전력: 70W 초소형의 아크 반응기를 활용할 경우 해결 될 수 있으며, 해당 기술은 기계연구원이 주 도적으로 개발하여 상용화되었다. 고온의 열을 발생시킬 수 있는 아크 플라 즈마 기술의 장점 가운데 하나는 물체의 상 변화 또는 화학적 전환에 필요한 열을 극히 짧은 시간 내에 전달할 수 있는 능력을 들 수 있다. 산업에서는 오래 전부터 이와 같은 아크 플라즈마의 특성을 활용하여 세라믹 32 기계저널 그림 5 디젤 배기관 내에 장착된 아크 반응기에서 발생된 디젤 화염, 아크 발생을 위한 전력: 30-150W, 디젤 연소 발열량: 10-50kW

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3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:57 PM 페이지34 DK 유전체 배리어 방전 플라즈마를 활용하여 직화구이에서 발생하는 오일 미스트의 집진 및 가스전환 기술 황 정 호 연세대학교 기계공학과 교수 ㅣ e-mail : hwangjh@yonsei.ac.kr 이 글에서는 유전체 배리어 방전 플라즈마를 활용하여 오일 미스트를 1차 집진한 뒤에 2차적으로 CO/CO2로 전환하 여 저감하는 기술에 대해 소개하고자 한다. 소개 주변 환경 수준의 향상으로 쾌적하고 깨 끗한 대기질의 요구가 점점 커지고 있다. 깨 끗한 주변 환경을 위해 오일 미스트의 저감 에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 그림 1 에서처럼 직화구이 음식점에서 배출되는 오 일 미스트는 연소에 의해 생성된 블랙카본 입자와 섞여 점도가 매우 높은 초미세 기름 입자로 배출되어 공기 중 초미세먼지 농도 증가에 큰 영향을 미치고 있으며 음식점 주 그림 1 오일 미스트의 발생 및 피해 변 주민들은 고농도의 초미세먼지에 장기적 으로 노출되어 심혈관질환 및 폐질환의 원 인이 될 수 있다. 또한, 그림 2에서처럼 외식 비용이 증가하여 일주일에 1회 이상 외식하 는 비율이 76.2%이며, 직화구이, 치킨집, 중 화요리 집 등에서 오일 미스트의 발생이 증 가하여 주변 지역의 민원이 증가하는 추세 이다. 이러한 이유로 서울시(맑은 환경본부) 는 주택가 직화구이 음식점(쇠고기, 돼지, 치킨 등)에서 배출되는 미세먼지로 부터 서 그림 2 1인당 육류 소비량 및 미세먼지에 대한 사회적 관심 울 대기의 공기질을 개선하고 시민불편을 해소하기 위해 직화구이 음식점 배출가스 방지시설 설 음식점을 대상으로 시범사업을 실시하였다. 또한 경기 치 시범사업 을 추진하였으며, 서울시 의회는 2009년 위 도 의회에서는 음식점의 대기오염 방지시설 설치비용을 와 같은 내용의 조례를 제정, 공포하여 37개 직화구이 지원하는 조례(대기환경개선 촉진 및 지원관련 조례)의 34 기계저널

3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:57 PM 페이지35 DK 그림 3 유전체 배리어 방전을 이용한 플라즈마 형성 그림 5 유전체 배리어 방전 반응기 입구 및 출구에서의 오일 미스트 크기 분포 유전체 배리어로 전하축적(build-up)현상이 생기고 유 전체 배리어에 쌓여 있던 전자가 방출되면서 전극들 사 이에 많은 수의 마이크로 방전이 형성된다. 마이크로 방 전을 형성하고 있는 고농도 전자들에 의해, 전극사이에 라디칼(Radical) 및 이온들을 발생시킨다.(OH, O, NO, O-, N2O+, NO2, N2, N2+, O2, O3 등등) 그림 4 오일 미스트 제거 메커니즘 전극에 고전압을 인가하면, 전극 주변에 전하가 쌓이 제정을 추진하여, 미세먼지 농도를 40 /m3 목표로 대 기환경 개선 특별대책 을 추진하고 있다. 는 전하축적 현상이 일어나면서 플라즈마가 형성되는 개시전압(onset voltage) 이후 각각의 전극 사이에서 수 현재 오일 미스트는 대부분 전기 집진기를 이용하여 의 지름을 갖는 마이크로 방전(micro discharge)이 한 저감시킨다. 하지만, 이러한 기술은 장기간 사용하게 되 쌍의 전극면 전체에 균일하게 발생한다. 이 때 방전면 면, 집진판에 오일 미스트가 축적되어 집진 성능이 저하 사이는 마이크로 방전에 의해 발생되는 고농도의 전자 되고 오일 미스트가 축적된 상태에서 성능을 유지하기 들(3.1E+10~1.0E+11 #/cm3)로 이루어진 플라즈마 상태 위해 고전압을 요구하기도 한다. 이렇듯, 전압이 높아질 가 된다. 유전체 배리어 방전은 전자 밀도와 전자 에너 수록 집진기 표면 흡착력이 강해져 축적된 오일 미스트 지가 높기 때문에 라디칼 및 이온의 농도가 높다. 의 제거가 힘들어지고 주기적인 세척이 필요하다. 반면, 유전체 배리어 방전 플라즈마 방식은 전기 집진 방식과 다르게 수명이 반영구적이며 교환주기가 없어 연속적 유전체 배리어 방전 플라즈마에 의한 오일 미스트 저감 으로 사용 가능한 장점이 있다. 유전체 배리어 방전 플라즈마를 이용한 오일 미스트 유전체 배리어 방전을 이용한 저온 플라즈마 발생 저감은 그림 4에서처럼 크게 두 단계로 나눌 수 있다. 첫 번째는 발생한 오일 미스트를 저주파수 조건에서 집 유 전 체 배 리 어 방 전 (DBD: Dielectric Barrier Discharge)은 그림 3처럼 저온 플라즈마 방식 중 하나로 진하는 단계이며, 두 번째는 집진된 오일 미스트를 고주 파수 조건에서 가스로 전환하여 제거하는 단계이다. 일정한 간격으로 떨어져 있는 유전체로 둘러싸인 도체 전극에 교류(AC), 또는 펄스(pulse)형 고전압을 인가하 유전체 배리어 방전을 이용한 오일 미스트 집진 여 발생한다. 전압이 인가되면 전극 주변을 감싸고 있는 유전체 배리어 방전을 이용하여 오일 미스트를 집진 2015. 6., Vol. 55, No. 6 35

3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:57 PM 페이지36 DK 유전체 배리어 방전 플라즈마를 활용하여 직화구이에서 발생하는 오일 미스트의 집진 및 가스전환 기술 하는 방법은 오일 미스트를 하전(Charging) 시켜 유전체 배리어 방전 반응기 표면에 부 착하여 집진하는 방법이다. 이러한 집진 특 성은 그림 5에 잘 보여주고 있다. 표준 오일 미 스 트 물 질 로 DEHS(Diethylhexyl sebacate, C26H50O4)를 선정하여 액적상태로 (a) CO2 농도(ppm) 발생시켜 크기 분포를 입구와 출구에서 APS(Aerodynamic Particle Sizer) 시스템 및 (b) CO 농도(ppm) 그림 6 유전체 배리어 방전 반응기에 인가된 주파수에 따른 CO2 및 CO 농도 SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer) 시스 템 등 에어로졸 크기 분포 계측 장비를 이용하여 측정한 결과이다. 이때, 유전체 배리어 방전 반응기에 전압, 전 류, 주파수를 각각 8.8kV, 6.6mA, 1kHz로 인가하였을 때 출구에서 배출되는 오일 미스트의 크기 분포가 현저 히 낮아지는 모습을 볼 수 있다. 이는 하전된 오일 미스 트가 유전체 배리어 방전 반응기 표면에 부착되어 출구 로 배출되는 오일 미스트가 줄었기 때문이다. 유전체 배리어 방전 플라즈마에 의한 오일 미스트의 집진 효율은 에어로졸 크기 분포 계측 결과를 활용하여 그림 7 시간에 따른 유전체 배리어 방전 반응기 표면 온도 아래 식처럼 계산이 가능하다. : Cdounstream, DBD on(d )dd goverall=1-111111111111 0 : Cupstream(d )dd 0 가하였을 때 집진된 오일 미스트가 CO2 및 CO로 전환 된 특성을 그림 6에 보이고 있다. 왼쪽 Peak는 유전체 배리어 방전 플라즈마에 의해 고농도 전자들(highenergy electrons)이 전극 사이에 집진된 오일 미스트 일 부와 주변 공기를 고농도 전자들과 충돌하여 분자들 간 여기에서 Cdownstream, DBD on과 Cupstream는 각각 유전체 에 연결사슬이 깨지게 되면서 가스 상으로 전환되어 생 배리어 방전 반응기를 통과하기 전과 후의 오일 미스트 성된 Peak로 설명될 수 있다. 반면에, 오른쪽 Peak는 플 의미한다. 계산 결과 유 라즈마에 의한 연소(plasma-assisted combustion)로 집 전제 배리어 반전 반응기에 전압, 전류, 주파수를 각각 진된 오일 미스트가 유전체 배리어 방전 반응기 표면 온 8.8kV, 6.6mA, 1kHz를 인가하였을 때 오일 미스트의 도의 상승으로 주변 공기와 반응하여 연소에 의해 생성 집진 효율은 약 78%를 보였다. 된 Peak로 설명될 수 있다. 이러한 설명은 그림 7에 의 수 농도(dP: particles/cm3)를 10kHz의 주파수를 유전체 배리어 방전 반응기에 인가 집진된 오일 미스트의 가스 전환 하였을 때, 시간 경과에 따른 유전체 배리어 방전 반응 유전체 배리어 방전 반응기 표면에 집진된 오일 미스 기 표면 온도 측정 결과로 잘 설명될 수 있다. 트는 고주파수에서 가스로 전환되어 제거 할 수 있다. 비 접촉식 적외선 온도계를 통해 10kHz가 인가된 유 유전체 배리어 방전 반응기에 1~60kHz의 주파수를 인 전체 배리어 방전 반응기 표면의 온도특성을 시간 경과 36 기계저널

: M CO dt+: M CO dt 0 g gas conversion = 11111111112 M C CO P M CO = 11 MW CO 111 _Q, 10fl Ru T C CO P M CO = 11 MW CO 111 _Q, 10fl Ru T 0 37

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3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:58 PM 페이지42 DK 대기압 플라즈마 표면처리 -열전달 효율향상으로의 응용 강 우 석 한국기계연구원 극한기계연구본부 플라즈마연구실 선임연구원 ㅣ e-mail : kang@kimm.re.kr 허 ㅣ e-mail : minhur@kimm.re.kr 민 한국기계연구원 극한기계연구본부 플라즈마연구실 책임연구원 이 글에서는 표면 특성을 변화시켜 열전달 효율을 향상하기 위한 방법으로 플라즈마 기반의 표면처리 사례를 소개하 고 적용가능성 및 한계를 논의한다. 냉장고, 에어컨 및 보일러 등 가정용부터 항공기, 선박, 발전소 및 플랜트 등 산업용에 이르기까지 우리는 주변에 서 다양한 종류의 열교환기(heat exchanger)를 접하고 있 다. 에너지를 적게 쓰는 환경친화적인 기술에 대한 경제 적, 사회적 관심이 고조되면서 열교환기의 연구개발도 효 율 높은 시스템의 개발을 추구하고 있다. 일반적인 열교환기 효율향상이란 유체의 특성을 고려 한 시스템의 구조 설계에 기반하지만 열전달 시스템의 설 그림 1 표면 친수도 차이[접촉각 80도(상) 및 10도(하)]에 따 른 기포 비등 특성 시뮬레이션(서울대학교) 계변화 없이 열교환 소재의 표면 특성 변화만으로도 효율 을 향상시킬 수 있다. 이상(two-phase) 유동에서 알려진 에 비해 표면처리기술이 쉽게 적용되지 못한 이유는 경제 이러한 현상은 친수성(親水性, hydrophilicity) 또는 소수 성을 확보한 실용적인 표면처리 기술개발이 동반되어야 성(疏水性, hydrophobicity) 열교환기의 표면특성이 비등 하기 때문이다. 이에 대한 좋은 후보 기술이자 효과적인 또는 응축과정에서 열전달의 효율을 높이기 때문이다(J. 해결 방법을 플라즈마 표면처리에서 찾을 수 있다. Heat Transfer 2001, 123, 1071). 최근의 연구는 표면처리 효과로 인한 현상 이해와 더불어 광범위한 표면처리 기술 왜 플라즈마 표면처리인가 도 함께 논의되고 있는데, 대표적으로 표면 거칠기 제어, 광촉매(TiO2) 물질 코팅과 UV 조사, 나노 입자의 분산, 초 플라즈마(plasma) 공정은 이미 반도체와 디스플레이 소 미세 가공기술에 의한 가열부 표면 형상 제어, 그리고 그 자 생산에서 수십년간 검증되어온 표면처리 기술이다. 전 래핀 기반의 소재 활용 등이 알려져 있다. 상업적으로도 기에너지를 통해 유지되는 플라즈마 상태는 높은 에너지 소수성 폴리머 박막의 형성으로 저온응축 효율을 높이거 의 전자와 이온 및 화학적 활성종(chemically active 나[LG전자(주)] 발전설비 적용을 목표로한 소수성 코팅 기 species) 등 반응성이 높은 입자를 생성하고, 이를 통해 원 반의 증기응축기 효율 향상 기술(기계저널 2015, 55) 개발 하는 물리적, 화학적 표면 특성을 만들 수 있다. 반도체 및 이 논의되는 등 제품화가 본격화되는 추세이다. 디스플레이 공정에서 이용하는 플라즈마 표면처리는 표 표면처리를 이용한 열전달 효율 향상의 기술적 잠재력 42 기계저널 면의 거칠기를 제어하는 식각(etching), 표면에 새로운 막

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3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:58 PM 페이지46 DK 저온 플라즈마를 이용한 가스상 오염 물질 제거 에 비해 낮은 전력 밀도를 가지지만 대형화에 용이하여 점이 맞추어져 있다. 저온 플라즈마는 가스 내의 Hg 제거 대규모 가스상 오염 물질 처리 공정에 적용된다. 에 용이하게 적용되어져 왔다. 본원에서는 저온 플라즈마 내에서 Hg0가 산화되는 기작을 밝히는 연구를 수행하였 저온 플라즈마를 이용한 Hg 제거 기술 다. Hg0는 저온 플라즈마 내의 산소 원자, O3에 의해 아래 의 식에 따라 기상의 HgO(g)와 HgO3(g)로 산화되며, 이들 최근 고조되는 환경에 대한 관심은 중금속 오염문제 또 한 사회적 문제로 대두시켰다. 중금속은 극히 소량으로도 은 증기압이 낮아 바로 고상의 HgO(g)와 HgO3(g)로 전환 됨을 확인할 수 있었다.(그림 1) 인체에 악영향을 미치며 체내에 축적되며, 그 중 Hg는 잔 류 독성이 크고 장기간에 걸쳐 인간과 동식물에 영향을 주기에 관심의 대상이 되어 왔다. 연소 시설에서 배출되 0 Hg0(g) + O3(g) HgO3(g) HgO3(s) 0 Hg (g) + O(g) HgO(g) HgO3(s) (1) (2) 2+ 는 Hg는 원소수은(Hg ), 산화수은(Hg ), 입자상 수은 (Hgp)으로 구성되어진다. 하지만 대부분의 Hg는 Hg0 형 또한 Hg0는 저온 플라즈마 내에 HCl이 미량 존재할 시 태로 배출되며, Hg0는 용해성이 낮고 휘발성이 높아 기존 생성되는 Cl과 반응하여 아래 식과 같이 증기압이 다소 높 가스상 오염 물질 처리 설비로는 제거하기 어려운 특징이 은 HgCl2로 산화됨을 확인하였다. 0 있다. 따라서 Hg를 제거하는 연구는 Hg 의 산화에 그 초 Hg0 + Cl + M HgCl + M (3) HgCl + Cl + M HgCl2 + M (4) 0 Hg + Cl2 + M HgCl2 + M (5) 저온 플라즈마를 이용한 NOx 제거 기술 NOx 제거를 위한 저온 플라즈마는 기존 NOx 제거 기술의 단점을 극복하기 위해 이들 과 결합한 hybrid 형태로 연구 개발이 진행되 어 왔다. NOx 제거를 위해 널리 적용되어 온 기술은 NH3를 환원제로 이용한 selective catalytic reduction(scr)과 selective noncatalytic reduction(sncr)이 있다. SCR은 250 이상의 촉매 상에서 아래의 반응식에 따라 NO를 제거하는 기술이다. 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O 그림 1 저온 플라즈마 내에서 Hg0의 산화에 의해 생성되어 반응기 내벽에 부착된 HgO와 HgO3의 모습과 실험 구성도 및 HCl에 의한 Hg0 산 화효율 46 기계저널 (6) SNCR은 촉매없이 고온에서 NH3에 의해 생성되는 NH2 라디칼과 NO의 반응으로 아래

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3저널(6월호).ok 2015.6.1 1:58 PM 페이지48 DK 저온 플라즈마를 이용한 가스상 오염 물질 제거 NH2 + NH2 N2H4* N2H4 or N2H2 + H2 (14) NH + NH N2H2* N2H2 or N2 + H2 (15) 생성된 H2는 OH 라디칼의 생성을 촉진시키고, OH는 NH3와 반응하여 아래의 식에 따라 NH2 라디칼로 전환 된다. NH3 + OH NH2 + H2O (16) 따라서 H2에 의해 생성된 NH2가 식 (7)에 따라 NO의 제거를 돕게 되는 것이다. SNCR과 결합된 저온 플라즈마 에 의해 기존 운전 온도 대비 300 의 저감 효과를 확인하 그림 3 500,000`Nm3/hr의 가스상 오염 물질 처리를 위한 저온 플라즈마 반응기 였다(그림 2). 상기와 같이 저온 플라즈마는 NOx 제거를 플라즈마 내에서의 SO2 제거를 돕기 위해 Ca(OH)2를 분 위해 가장 널리 적용되어 온 SCR과 SNCR의 단점을 극복 사하여 아래의 반응식에 따라 SO2를 제거하는 반응을 유 할 수 있는 방안으로 연구가 진행되었다. 도하였다. 기존의 NOx 저감 공정과 결합한 저온 플라즈마 외, NOx, SO2 동시 제거를 위해 단독으로 저온 플라즈마가 적 Ca(OH)2 + SO2 CaSO3 + H2O (20) 3 용되어 개발되기도 하였다. 본원에서는 50,000 Nm /hr의 처리 용량을 가지는 저온 플라즈마 공정 개발을 진행하였 3 현재 본원에서는 80% 이상의 SO2제거율과 60% 이상의 고, 근래에는 500,000 Nm /hr의 처리 용량을 가지는 저온 NO 산화율을 확인하였으며, NO2 제거를 위한 추가 공정 플라즈마 공정 개발을 진행 중에 있다(그림 3). 단독 저온 개발을 수행 중에 있다. 플라즈마 공정에서 NOx와 SO2를 제거하기 위해서는 NH3 대기 오염 물질 저감을 위한 여러 기술들이 제안, 연구, 의 주입이 필요하다. 이는 배가스 온도가 70 부근의 낮 개발 실증되어 왔으며, 저온 플라즈마 또한 좋은 대안으 은 영역에서 아래와 같이 저온 플라즈마에 의해 생성된 로 큰 관심을 받아 왔다. 현재까지는 실험실 규모의 제거 NO2와, SO2가 NH3와 반응하여 염으로 전환할 수 있는 방 기작 연구와 처리 용량 5,000 Nm3/hr 미만의 소, 중 규모의 안으로 주입되었다. 실증화 연구는 많은 성공을 거두었지만, 100,000 Nm3/hr 이상의 처리 용량을 가지는 대형 규모의 실증화 연구는 SO2 + NH3 + H2O + 1/2O2 NH4HSO4(s) (17) 타 기술 대비 미흡한 실정이다. 본원에서는 연구실, 소, 중 SO2 + 2NH3 + H2O + 1/2O2 (NH4)2SO4(s) (18) 규모의 실증화 연구를 포함한 대형화 실증 연구도 함께 2NO2 + 2NH3 N2 + H2O +NH4NO3(s) (19) 수행 중이며, 여러 가시적 성과를 도출하였고 아직 만족 할 만한 최종 목표에 도달하기 위해 많은 노력을 기울이 또한 값비싼 전기에너지를 사용하는 저온 플라즈마의 단점을 극복하고자 NO의 산화를 촉진하는 역할을 수행 하는 C3H6도 함께 주입하였다. 하지만 150 영역의 상대 적으로 고온에서는 상기의 반응을 유도하기 힘들어, 저온 48 기계저널 고 있다.