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오존 스모그 오염 개선 기술

Ozone and Smog Pollution Removal Technology

Microwave Plasma를 이용한 악취

VOCs처리장치 개발

Development of a Microwave Induced Plasma System

for Odor and VOCs Treatment

북 학교

환 경 부

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오존 스모그 오염 개선 기술

Ozone and Smog Pollution Removal Technology

Microwave Plasma를 이용한 악취

VOCs처리장치 개발

Development of a Microwave Induced Plasma System

for Odor and VOCs Treatment

북 학교

환 경 부

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제 출 문

환경부장 귀하

본 보고서를 “ Microwave Plasma를 이용한 악취 VOCs 처리장

치 개발에 한 연구에 한 연구” (총 연구기간 : 2001년 8월 1

일～ 2004년 5월 31일)의 최종보고서로 제출합니다.

2004년 7월 30일

주 연구기 명 : 북 학교

연구책임자 : 양 고 수

연 구 원 : 김 용 문

〃

: 송 병 식

〃

: 박 비 오

탁기 명 : 이화기계기술주식회사

탁연구책임자 : 박 노 신

연 구 원 : 송 칠 용

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요 약 문

Ⅰ. 제 목 : Microwave Plasma를 이용한 악취 VOCs 처리장치

개발

Ⅱ. 연구개발의 목 필요성

VOC의 회수 방법 부분의 시스템을 차지하는 흡착법은 오염물

질의 제거효율이 높고, 농도 배출가스 제어가 쉽고, 공정상 생성물의

회수가 가능하면서 공정변경시 제어 응이 우수하다는 장 과 더불

어 흡착제 재생에서 발생되는 폐수, 재생횟수 증가함에 따라 진 인

흡착제의 흡착능력 감소, 운 비 증가, 설치에 필요한 큰 지 등 단

을 갖고 있다. 이러한 흡착법에서의 안으로 PSA(pressure swing

adsorption) 공정의 on/off 운 이 가능한 마이크로웨이

(microwave)에 의한 분리 탈착 기술이 휘발성 유기 화합물 제거 회

수 공정으로 두되고 있으며 최근에 많은 심을 모으고 있다.

마이크로웨이 라즈마 공정을 이용한 휘발성유기화합물 처리는

상물질을 완 히 산화될 수 있을 정도로 높은 온도까지 기체의 온도

가 상승하므로 분자 탄화수소화합물이나 일산화탄소 같은 부산물 발

생문제를 개선할 수 있는 방법으로 사료된다. 그러나 기존 마이크로웨이

라즈마는 진공상태 운 으로 인한 고가의 진공장비 회분식 공

정으로 인한 공정의 비효율성 등 경제 , 기술 측면의 단 을 안고 있

다8). 이러한 문제 을 해결하기 하여 진공보다는 마이크로웨이 를

이용한 상압(760torr) 라즈마 반응기에 한 연구가 몇몇 선진 연구자

에 의해 진행되어 기존의 진공 라즈마의 단 을 극복할 수 있는 고부

가치 용기술 개발이 활발히 추진되고 있다.

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본 연구는 Microwave를 이용한 상압 라즈마 발생기술을 확립하고

악취 VOCs의 처리특성을 연구함으로써 Pilot (33m3/hr) Plasma 처

리장치 개발을 목 으로 하며 한 기존 흡착기술의 문제 을 개선할

수 있는 안으로 낮은 농도의 VOC를 효율 으로 처리할 수 있는 소

규모의 마이크로웨이 에 의한 흡

・탈착 농축 시스템(1,000m3/hr)을 연

구 개발함을 목 으로 한다.

Ⅲ. 연구개발의 내용 범

본 연구의 주요한 내용은 다음과 같이 나 어진다.

1. VOCs처리용 상압 Microwave Plasma 발생장치개발

본 연구는 상압 마이크로웨이 라즈마의 경제성을 향상시켜 경쟁

력 있는 시스템으로 구 하기 해 마이크로웨이 발진부를 가에 공

되고 있는 가정용 자 지의 원 장치 부품을 이용하여 장치를 구

성하여 안정 인 1KW 마이크로웨이 라즈마 시스템을 구성하

다. 고출력의 마이크로웨이 를 발진 시키기 해 고 압시스템을

배 압방식, invertor 방식 최 의 시스템 하나를 도출하여 구성부품

들의 간소화를 통해 상용화에 보다 근 한 장비를 구성하는데 주안 을

두었고, 시스템 설계내의 마이크로웨이 수치해석은 HFSS(High

Frequency Structure Simulator) 로그램을 이용하여 해석하 으며 이

를 통하여 간편하고 가인 1KW 마이크로웨이 라즈마를 설계 제

작 하 다. 이를 통해 마이크로웨이 라즈마 시스템의 안정성, 처리

효율, 처리후 부산물 분석, 보조 가스(산소, 아르곤)투입에 의한 향등

에 한 기본 연구를 하 다. 한 근원 인 상압 방 의 제한성을 극복

하기 해 이동 통신 분야에서 일반 으로 활용되고 있는 공진기 설계

- 6 -

기술을 방 반응기 설계에 도입하여 3KW large scale(reactor

100mm)의 마이크로웨이 라즈마 반응기를 HFSS (High frequency

structure simulator)로 시뮬 이션 한 후 제작 하 으며, 휘발성유기화

합물을 투입하여 처리 효율을 찰하 다. 한 산소, 스 등의 첨가물

을 투입하여 처리효율에 미치는 향을 찰 하 다.

2. Microwave를 이용한 흡착제로부터 농축된 VOCs의 탈착기술

기존의 흡착제에 한 마이크로웨이 특성 합한 흡착제를 개

발하여 각각에 해 휘발성유기화합물에 한 흡

・

탈착 특성, 발화

변형 가능성, 마이크로웨이 워별 탈착 특성을 측정하여 흡착제를 선

정 연구를 하 다. 흡

・

탈착 농축시스템 설계는 상용화된 마이크로웨이

산해석 로그램인 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를

이용하여 균일한 가열이 이루어질 수 있도록 설계ㆍ제작하 다. 제작된

흡탈착 농축시스템에 선정된 흡착제를 충진하여 휘발성 유기화합물을

상으로 흡탈착 농축시스템의 워에 따라 탈착 실험을 수행하 다

IV. 연구개발 결과

1. Microwave를 이용한 용량 Plasma 발생장치 개발

- 0.2-0.4 KW Plasma Ignitor용 Plasma 발생장치 개발

- 1 KW Microwave Plasma 발생장치 개발

- 2.5 KW Vortex형 Microwave Plasma 발생장치 개발

- 2.5 KW 공진형 Microwave Plasma 발생장치 개발

2. Microwave를 이용한 10 KW 탈착장치 기술개발

- 7 -

- Microwave에 합한 흡착 탈착제 개발

- Microwave 에 지 균일 분산을 한 microwave 분산 slot

개발 반응로 설계제작.

V. 연구개발의 활용계획

Microwave에 의한 Plasma 발생기술은 작업상의 용이 과 유지 리

측면에서도 기존의 Plasma 발생기술에 비하여 기오염 방지기술로서

매우 활용가치가 높다고 할 수 있고 아울러 다양한 산업 장에도 용

성이 매우 넓다고 하겠다. VOCs 방출의 주범이 되고 있는 주유소, 세탁

소, 인쇄소 등의 많은 소규모 시설들에 용할 수 있는 효과 인 VOCs

처리장치의 핵심기술을 제공함으로써 나날이 강화되고 있는 환경규제에

비토록 하는 동시에 작업장의 환경을 크게 개선하여 국민 건강 증진

에 기여할 수 있다. 경제 인 효과로, compact한 VOCs 처리장치가

상용화 되었을 경우 소규모 처리시설 시장의 활성화로부터 시작하여 연

된 많은 환경 산업들에 향을 끼칠 것이며 차후의 기술개발로 규

모 시스템이 가능해질 경우 재 미국, 일본 등 외국에서 상용화 인

흡착/제거 기술의 국산화를 통해 환경산업의 자립에 기여할 수 있다. 활

용분야로는 유류제조업, 도장산업체, 화학공장 각종 배출시설 업체에

용이 가능할것으로 단된다.

- 8 -

S U M M A R Y

I. Subject : Development of a Microwave Induced Plasma System

for Odor and VOCs Treatment

II. Research Object and Necessity

The absorbing method, which is one of main technologies for

recovering volatile organic compounds, has a couple of advantages of

high removal efficiency, easy control and possible recovering process

products, however, the system also has disadvantages such as, waste

water byproduct, decreasing absorption efficiency in consequence of

application, high operating cost, and requiring relative large space, etc.

Many desorption technologies with using a pressure swing

adsorption and a microwave operating on/off to overcome the inherent

disadvantage of the absorption method are growing interesting and

studied recently among the scientist to remove and recover volatile

organic compounds.

The microwave induced plasma can be considered one of methods

to reduce the formation of treatment byproducts such as, low

molecular weight hydrocarbons and carbon monoxide because it has

relatively enough temperature to decompose them. However the

conventional microwave induced plasma technology has also

disadvantages in term of requiring a vacuum condition and a batch

type process. Atmospheric generating microwave plasma (760torr)

technology has been studied by the many researchers to overcome

- 9 -

the disadvantage.

The purposes of this research are to develop an atmospheric

generating microwave plasma (760torr) and to design a pilot scale

(33m3/hr) plasma to treat odorous material and volatile organic

compounds, and also to develop a pilot scale of absorption/ desorption

system (1,000m3/hr) by using a microwave to improve the

disadvantage of the conventional absorption technology.

III. Research Contents

The main contents of this research can be divided into the

following.

1. Development of an Atmospheric Microwave Induced Plasma for

VOCs treatment

A steady atmospheric microwave induced plasma(1KW) was

developed by using a low price microwave power generator called

magnetron, which is already commercialized and used in a microwave

oven, to have an economical competition.

To generate high voltage microwaves, the components for the

microwave power supplier were simplified and more close to

commercialized one by employing an optimal system between an

full-wave rectifier method and an invertor method. The microwave

plasma reactor was interpreted by using the high frequency structure

simulator (HFSS). Based on this result, a 1KW microwave plasma

system was designed and built. Using the system, basic studies, such

- 10 -

as stability and processing efficiency of the microwave plasma,

byproduct analysis after processing, and impact of auxiliary gas

(oxygen and argon) were performed. To overcome the limits of crude

electric discharge, the resonator design technology, which is generally

utilized in mobile communication area, was introduced. In this manner,

a large scale (100 mm reactor) of 3KW class microwave plasma

reactor was designed by HFSS simulation. After injection of additives

(oxygen and steam), to the system the effect of additives on

treatment efficiency for VOCs was investigated.

2. Development of technology for desorbing the concentrated VOCs

from the absorption materials with using a Microwave.

Absorption materials were developed through trial and error by

considering reactive characteristics of the conventional absorption

materials to microwave and their abortion/ desorption characteristics

for volatile organic compounds. The inflammability and the

modification of the material to microwave were studied by changing

input microwave power into the system.

The HFSS　was used to design the absorption and desorption

system, in which the materials were heated uniformally by

microwave. The desorption rates of VOCs from the system, which

was packed with the developed absorption material, were measured as

changing microwave power.

IV. Research Result

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1. Development of large size plasma operating system

-0.2∼0.4KW Plasma Ignitor

-1KW scale Microwave Plasma

-2.5KW scale Microwave Plasma in Vortex type

-2.5KW scale Microwave Plasma in Resonance type

2. Development of 10KW type removal System

-Development of adsorbent

-Development of Dispersion slot for equal Dispersion

V. Research Application Plan

The microwave-induced plasma is one of air pollution control

system having advantages of easy and simple operation, and low

maintenance cost compared to the conventional one and it can be

applied to the many various industrial sites.

The system can be effectively applicable to the small scale

facilities such as, gas stations, laundries, printing houses, which are

main emission sources of volatile organic compounds, and it can

contribute eventually to human health with improving working

environment and to preparation for the more strict environmental

standard.

As of economic ripple effect, if this compact system could be

commercialized, it would start to activate a market of air pollution

control system for small scale facilities and eventually contribute to

self supporting environmental business through technical localization

- 12 -

for the absorption/removal system commercialized in U.S.A., and

Japan, etc. The system can be applicable to the oil production,

printing companies, chemical companies and any emission plants, etc

- 13 -

C O N T E N T S

Chapter 1 Introduction ······················································································1

Section 1 Research Object and Necessity ················································1

Section 2 Research Range ········································································5

Chapter 2 Present Technical Development State at Countries ···········8

Section 1 Plasma of Generating Technique by Microwave ················8

Chapter 3 Research Contents and Results ···············································12

Section 1 Theoretical Background ····························································12

1. Classification of Electric Waves ···························································12

2. Composition of Microwave Heating System ·····································14

a. Composition of Microwave Heating System ···································14

b. Heating Theory by Microwave ··························································25

c. Heating Property of Microwave ·······················································30

d. Reciprocal Action between Microwave and Material ···················32

3. Principles of Plasma ················································································33

a. Technique of Nonthermal Plasma ······················································34

b. Atmospheric Microwave Plasma ························································38

c. Applied Technique of Microwave Plasma ·······································42

Section 2 Research Contents and Methods ··············································45

1. Selection of VOCs ····················································································45

2. Research Methods ···················································································48

a. Experiment and Equipment for Adsorbent Selection ····················48

- 14 -

b. Experiment for Physical and Chemical Properties of

Adsorbent ·································································································51

c. Experiment for Inductive Properties of Adsorbent ·······················52

d. Experiment for VOCs Removal Properties ······································52

e. Capacity Computation for 10KW Microwave Absorption/

Desorption System ················································································53

f. Inside Temperature Measurement of 10KW Microwave

Absorption/ Desorption System ·························································54

g. Measurement of VOCs Removal Efficiency for 10KW

Microwave Absorption/ Desorption System ···································55

h. VOCs Treatment Characteristics by 1KW Microwave Induced

Plasma ·······································································································57

i. VOCs Treatment Characteristics by 3KW Microwave Induced

Plasma ·········································································································59

Section 3 Research Results ·······································································62

1. Adsorbent Selection and Measurement Result for 10KW

Microwave Absorption/ Desorption System ·····································62

a. Results of Adsorbent Selection ···························································62

b. Physical and Chemical Properties of Adsorbent ····························62

c. Inductive Property of Adsorbent ························································64

d. Thermal Absorption Property of Adsorbent ···································69

e. Results of Removal Properties of Adsorbents for Water ··········· 74

f. Removal Properties of Adsorbent to Power Level ························80

g. Microwave Penetration Depth ······························································80

2. Design and Experiment for 10KW Microwave Absorption/

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Desorption System ······················································································83

a. Simulation Reactor for 10KW Microwave System ·······················83

b. Output System Composition for 10KW Microwave System ······91

c. Temperature Measurement for 10KW Microwave Absorption/

Desorption System ················································································95

d. VOCs Desorption Efficiency for 10KW Microwave ···················110

3. Basis Experiment for 1KW Microwave Induced Plasma ·········· 115

a. Design and Construction of 1KW Microwave Induced

Plasma ·····································································································115

b. Experiments of Toluene Removal and byproduct for 1KW

Microwave Induced Plasma ···························································· 121

4. Application Experiment of 3KW Microwave Induced Plasma ··· 133

a. Simulation Results of 3KW Microwave Induced Plasma ··········133

b. Construction of 3KW Microwave Induced Plasma ·····················139

c. Toluene Treatment Experiment Results by 3KW Microwave

Induced Plasma ··················································································148

5. Operation of Integration System and Economical Estimation ····158

Chapter 4 Research Achievement and Contribution ····························162

Chapter 5 Application Plan for Research Results ··································167

Chapter 6 Bibliography ··················································································170

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목 차

제1장 서론 ··············································································································1

1 연구개발의 목 필요성 ······································································1

2 연구 범 ······································································································5

제2장 국내외 기술개발 황 ··············································································8

1 Microwave에 의한 Plasma 발생기술 ··················································8

제3장 연구개발 수행 내용 결과 ································································12

1 이론 배경 ································································································12

1. 자 의 분류 ·····························································································12

2. 마이크로웨이 가열 시스템 구성 ·························································14

가. 마이크로웨이 가열 시스템 구성 ·····················································14

나. 마이크로웨이 에 의한 가열이론 ·······················································25

다. 마이크로웨이 의 가열특성 ·······························································30

라. 마이크로웨이 와 재료의 상호 작용 ·················································32

3. 라즈마(Plasma)의 원리 ········································································33

가. 온 라즈마(Nonthermal Plasma)의 기술 ···································34

나. 상압 마이크로웨이 라즈마 ···························································38

다. 마이크로웨이 라즈마의 응용기술 ···············································42

2 연구내용 방법 ······················································································45

1. 휘발성유기화합물 선택 ·············································································45

2. 실험 방법 ···································································································48

가. 흡착제 선별 실험 실험장치 ···························································48

나. 흡착제의 물리 화학 특성 실험 ·······················································51

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다. 흡착제의 유 특성 실험 ·······································································52

라. 마이크로웨이 에 의한 휘발성 유기화합물 탈착 특성 실험 ·······52

마. 10KW 마이크로웨이 흡탈착 시스템 용량 산정 ·····················53

바. 10KW 마이크로웨이 에 의한 반응기내 온도 측정 실험 ······· 54

사. 10KW 마이크로웨이 흡탈착 농축 시스템내의 휘발성

유기물 탈착 실험 ····················································································55

아. 1KW 마이크로웨이 라즈마에 의한 휘발성유기물 처리

특성 실험 ··································································································57

자. 3KW 마이크로웨이 라즈마에 의한 휘발성유기물

처리실험 ····································································································59

3 연구 결과 ···································································································62

1. 마이크로웨이 에 의한 흡탈착 농축장치 흡착제 선정

측정결과 ······································································································62

가. 흡착제 선별 실험 결과 ·········································································62

나. 흡착제의 물리화학 특성 ···································································62

다. 흡착제의 유 특성 ···············································································64

라. 흡착제의 열 흡수 특징 ·········································································69

마. 흡착제별 수분 량에 따른 탈착 특성 결과 ·······································74

바. 워에 따른 제거 특성 ·········································································80

사. 마이크로웨이 침투 깊이 ···································································80

2. 10KW 마이크로웨이 에 의한 흡

・

탈착 시스템 장치 설계

실험 ··········································································································83

가. 10KW 마이크로웨이 반응기 설계 시뮬 이션 ·························83

나. 10KW 마이크로웨이 출력 장치 구성 ·······································91

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다. 10KW 마이크로웨이 에 의한 흡탈착 시스템 온도 측정 ······· 95

라. 10KW 마이크로웨이 에 의한 휘발성유기물 탈착 효율

측정 ········································································································110

3. 1KW 마이크로웨이 라즈마 기 실험 ··································· 115

가. 1KW 마이크로웨이 라즈마 설계 제작 ······················· 115

나. 1KW 마이크로웨이 라즈마를 이용한 톨루엔 제거 실험

부산물 측정 결과··················································································· 121

4. 3KW 마이크로웨이 라즈마 용 실험 ·······································133

가. 3KW 마이크로웨이 라즈마 시뮬 이션 결과 ·······················133

나. 3KW 마이크로웨이 라즈마 제작 ·······································139

다. 3KW 마이크로웨이 라즈마에 의한 톨루엔 처리

실험결과 ··································································································148

5. 통합시스템 운 경제성 평가 ·························································158

제4장 연구개발목표 달성도 외기여도 ················································162

제5장 연구개발결과의 활용계획 ····································································167

제6장 참고문헌 ··································································································170

- 1 -

제1장 서론

1 연구개발의 목 필요성

휘발성 유기화합물(VOC: Volatile Organic Compound)은 지방족화합물

( 라핀계, 올 핀계 탄화수소 등)과 방향족 화합물(벤젠, 톨루엔, 크실 ,

탄화수소 등), 그리고 암모니아, 알코올, 알데히드, 톤, 에테르 등의 질

소, 산소 원소를 포함하거나 Chloroform, Trichroloethylene 등의 할로겐

원소를 포함하는 화합물 등을 포함한 탄화수소의 총칭으로 기 에 배

출되어 화학 반응에 의해 생성되는 오존 등 화학옥시던트로 인한

기오염과 공단지역에서의 건강피해 등이 가시화됨에 따라 기오염물질로

서 심이 증 되고 있다1),2),3). 농도의 VOC를 경제 이고 효과 으로

제어하기 해서는 한 방지기술의 선정이 요하며, VOC의 처리방법

은 크게 VOC물질의 회수/재사용하는 방법과 분해하는 방법이 있다. 배출

되는 VOC가 단일배출구에서 비교 높은 농도로 배출되고 경제성이 있

는 경우에는 회수 시설을 설치하는 것이 바람직하다. VOC가 단일물질이

아닌 혼합물질로 되어 있거나 유해물질인 경우 는 회수가치가 없을 경

우 회수시설보다도 분해시설을 설치하는 것이 바람직하다. 회수방법으로

는 흡착(adsorption), 세정(scrubbing), 온응축(cryogenic condensation)

이 있고, 분해방법으로는 열 소각(thermal oxidation), 매소각(catalytic

oxidation), 생물여과(bio filtration)등의 기술이 있다. 일반 인 회수 방법

부분의 시스템을 차지하는 흡착법은 오염물질의 제거효율이 높고,

농도 배출가스 제어가 쉽고, 공정상 생성물의 회수가 가능하면서 공정

- 2 -

변경 시 제어 응이 우수하다는 장 과 더불어 흡착제 재생에서 발생

되는 폐수, 재생횟수 증가함에 따라 진 인 흡착제의 흡착능력 감소, 운

비 증가, 설치에 필요한 큰 지 등 단 을 갖고 있다. 한 흡착법에서

주로 사용되는 흡착제로써의 활성탄은 가격이 렴하나 가연성이 결 이

며, 흡착법에서 흡착ㆍ재생방식은 온도차에 의한 TSA(thermal swing

adsorption)방법으로 흡착공정이 진행 동안 탈착 한 열매체(steam, hot

air)의 가열을 한 열 소비 시설을 비해야 하며, 회수 시 흡착공정의

흡착반응기 체의 국부 인 온도 편차를 이기 해 필요 이상으로 가

열해야한다. 한, 재생 후 흡착제의 수분을 제거하기 한 열소비등 외부

가열방식으로 에 지 비용이 크다는 요한 문제 을 안고 있다. 이러한 흡

착법에서의 안으로 PSA(pressure swing adsorption) 공정의 on/off

운 이 가능한 마이크로웨이 (microwave)에 의한 분리 탈착 기술이 휘

발성 유기 화합물 제거 회수 공정으로 두되고 있으며 최근에 많은

심을 모으고 있다. 마이크로웨이 를 흡착공정에 이용하기 한 연구로

는 미국의 메사추세츠 학의 Turner4)등은 메탄올(극성분자)과 싸이클로

헥산(비극성분자)의 제올라이트에 한 흡착에서 마이크로웨이 를 조사

하 을 때 흡착과 탈착 상에 한 연구를 실시하 는데, 메탄올과 같은

극성분자는 마이크로웨이 에 의하여 활성화되어 쉽게 탈착이 일어나고,

비극성분자인 싸이클로 헥산의 탈착 상은 마이크로웨이 에 거의 향

을 받지 않는 것으로 보고하 다. 마이크로웨이 (microwave)에 의한 분

리 탈착 농축기술은 유 가열(dielectric heating)에 의한 방법이기 때문에

오염물질을 직 가열할 수 있고, 한 흡착된 오염물질이 마이크로웨이

가 통과하는 비극성 성분일 경우에는 주변에 있는 수분을 가열하여 효

과 으로 오염물질을 가열 할 수 있다. 이러한 기 유 가열의 특징은

운 의 on/off 개념으로 인한 에 지 감효과, 시스템의 컴펙트화, 가동

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시간 단축 등 많은 이 을 가지고 있다. 뿐만 아니라 탈착된 고농도의

VOC를 회수하기 한 온응축시설에의 처리가스 용량 부하가 외부가열

을 한 열매체 물질(steam or hot air)을 사용하지 않고, 마이크로웨이

자 를 열매체로 사용하기 때문에 시설부하를 일 수 있어 응축시설

효율에 있어 경제 이며, 회수 후의 물과 유기용제 분리시설의 용량을

일 수 있다. 하지만 기존의 응축시설은 높은 응축 효율에도 불구하고 유

입되는 수 퍼센트 고농도의 VOC 처리로 인하여 배출되는 가스 내에 수

십에서 수백 ppmv의 VOC가 배출되는 문제 을 가지고 있어 이를 처리

하기 한 on/off 개념의 후처리 건식공정 개발이 필요하겠다. 일반 인

온 라즈마는 화학반응을 진하는 기능이 있으며, 매의 특성과는 달

리 반응에 한 선택성이 없어 단순히 분자상 물질을 이온화시키거나 분

해하는 능력을 갖고 있다. 따라서 환경 분야에서는 유해한 성분을 분해하

여 처리하거나 다른 물질과 반응 하도록 하여 무해화 하는 방법으로 가스

상 오염물질을 처리하는데 응용하고 있다. 최근 많은 연구결과에서 유

체방 (dielectric barrier discharge), 펄스코로나 방 (pulsed corona

discharge)등의 온 라즈마 공정이 VOC 분해를 한 효과 인 방법이

라 보고하고 있다.5),6),7),8)

그러나 이와 같은 고 압 라즈마 공정은 많은

양의 산소 존재 하에서도 휘발성 유기화합물을 완 히 이산화탄소로 산화

시키지 못하며 일산화탄소 여러 가지 분자 탄화수소를 부산물로 발

생시킨다. 한 오존이나 질소화합물 등이 부수 으로 생성되는 것도 문

제 으로 지 되고 있다. 하지만 마이크로웨이 라즈마 공정을 이용

한 휘발성 유기화합물 처리는 상물질을 완 히 산화될 수 있을 정도로

높은 온도까지 기체의 온도가 상승하므로 분자 탄화수소화합물이나 일

산화탄소 같은 부산물 발생문제를 개선할 수 있는 방법으로 사료된다. 따

라서 부산물을 완 산화시키기 해 매를 공정에 도입하지 않더라도

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일반 인 고 압 라즈마 공정의 문제 을 해결할 수 있고 공정이 고온

에서 운 되므로 오존발생을 근원 으로 차단할 수 있다. 그러나 기존 마

이크로웨이 라즈마는 진공상태 운 으로 인한 고가의 진공장비 회

분식 공정으로 인한 공정의 비효율성 등 경제 , 기술 측면의 단 을

안고 있다.9) 이러한 문제 을 해결하기 하여 진공보다는 마이크로웨이

를 이용한 상압(760torr) 라즈마 반응기에 한 연구가 몇몇 선진 연구

자에 의해 진행되어 기존의 진공 라즈마의 단 을 극복할 수 있는 고

부가치 용기술 개발이 활발히 추진되고 있다.

본 연구는 Microwave를 이용한 상압 라즈마 발생기술을 확립하고

악취 VOCs의 처리특성을 연구함으로써 Pilot (33m3/hr) Plasma 처리

장치 개발을 목 으로 하며 한 기존 흡착기술의 문제 을 개선할 수

있는 안으로 낮은 농도의 VOC를 효율 으로 처리할 수 있는 소규모

의 마이크로웨이 에 의한 흡탈착 농축 시스템(1,000m3/hr)을 연구 개발

함을 목 으로 한다.

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2 연구 범

본 연구는 크게 2개의 연구 분야로 Microwave를 이용한 라즈마 발

생 VOCs의 처리기술과 Microwave를 이용한 흡착제로부터 농축된

VOCs의 탈착기술 개발로 이 져 있으며 Pilot 장치개발을 연구범 로

하고 있다.

Ⅰ. Microwave를 이용한 상압 Plasma 발생장치개발 VOCs 처리기술

마이크로웨이 라즈마는 온 라즈마 기술로써 기존의 열 소각

방식에 비하여 매우 높은 성기체 온도를 가지며 이외에도 이온이나

자 활성종들에 의한 활발한 화학반응을 기 할 수 있으므로 VOCs, PFC,

CFC를 비롯해 많은 폐가스 처리시스템 응용에 용되고 있다. 그러나 공

정 후에 배기라인을 통해 배출되는 폐가스는 상압의 고 유속 상태이며 일

반 으로 라즈마가 안정 으로 유지되는 데에는 매우 불리한 조건이다.

폐가스의 압력이 높아질 때 라즈마는 Current Density가 높은 곳으로

집 되려는 스트리머 상이 있어 특히 상압의 열린 공간에서 면 의

안정한 방 을 얻는 것은 매우 어려운 일로 인식되어져 있다. 본 연구는

상압 마이크로웨이 라즈마의 경제성을 향상시켜 경쟁력 있는 시스템

으로 구 하기 해 마이크로웨이 발진부를 가에 공 되고 있는 가정

용 자 지의 발진 장치 부품을 이용하여 제작하 으며, 안정 인 1KW

마이크로웨이 라즈마 시스템을 구성하 다. 고출력의 마이크로웨

이 를 발진시키기 해 고 압시스템을 배 압방식, invertor 방식

최 의 시스템 하나를 도출하여 구성부품들의 간소화를 통해 상용화에

보다 근 한 장비를 구성하는데 주안 을 두었고, 시스템내의 마이크로웨

이 수치해석은 HFSS(High Frequency Structure Simulator) 로그램

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을 이용하 으며, 이를 통하여 가의 1KW 마이크로웨이 라즈마

시스템을 설계 제작 하 다. 한, 마이크로웨이 라즈마 시스템의 안

정성, 처리효율, 처리 후 부산물 분석, 보조 가스(산소, 아르곤)투입에 의

한 향 등에 한 기본 연구를 하 다. 한 근원 인 상압 방 의 제한

성을 극복하기 해 이동 통신 분야에서 일반 으로 활용되고 있는 공진

기 설계기술을 방 반응기 설계에 도입하여 3KW large scale (reactor

100mm)의 마이크로웨이 라즈마 반응기를 HFSS (High frequency

structure simulator)로 시뮬 이션 한 후 제작 하 으며, 휘발성 유기화합

물을 투입하여 처리 효율을 찰하 다. 한 산소, 스 등의 첨가물을

투입하여 처리효율에 미치는 향을 찰 하 다.

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II. Microwave를 이용한 흡착제로부터 농축된 VOCs의 탈착기술

마이크로웨이 를 이용한 흡탈착 특성 연구는 마이크로웨이 의 유

가열(dielectric heating)에 의한 방법이기 때문에 흡착탑에 농축된 오염물

질을 직 가열하여 탈착시킬 수 있고, 흡착된 오염물질이 마이크로웨이

를 통과하는 비극성 성분일 경우에는 주변에 존재하는 수분을 가열하여

효과 으로 오염물질을 가열하여 농축 시킬 수 있다. 이러한 특성을 이용

하기 해서는 흡착제는 마이크로웨이 를 흡수하지 않으면서 마이크로웨

이 침투깊이가 길어야하며, 마이크로웨이 에 의한 흡착제 구조의 발화

변형이 없어야 한다. 한 흡착농축시스템 구조는 마이크로웨이 의

균일가열이 되도록 설계되어져야 한다. 이를 해 기존의 흡착제에 한

마이크로웨이 특성 합한 흡착제를 개발하여 각각에 해 휘발성

유기화합물에 한 흡탈착 특성, 발화 변형 가능성, 마이크로웨이

워별 탈착 특성을 측정하여 흡착제를 선정 연구를 하 다. 흡탈착 농축시

스템 설계는 상용화된 마이크로웨이 산해석 로그램인 HFSS(High

Frequency Structure Simulator)를 이용하여 균일한 가열이 이루어질 수

있도록 설계ㆍ제작하 다. 제작된 흡탈착 농축시스템에 선정된 흡착제를

충진 하여 휘발성 유기화합물을 상으로 흡탈착 농축시스템의 워에 따

라 탈착 실험을 수행하 다.

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제2장 국내외 기술개발 황

1 Microwave에 의한 Plasma 발생기술

Microwave를 이용한 악취 유해가스(VOCs 포함) 처리기술은 아직

연구단계에 있으며 실증화 되어 사업화 단계에 이르지 못하고 있는 실정

이다. 주요 연구자들을 소개하면 다음과 같다. 우선 미국의 Ian M.

Kennedy의 연구 과 연구기 책임 연구자인 양고수 교수와 같이 공동

연구하여 Microwave를 이용한 Steam Plasma를 발생하여 VOCs 성분

에 TCE의 처리 효율을 측정하여 AWMA의 에 그 결과를 발표하

다.10) Baillin등은 Microwave을 이용한 산소 Plasma를 발생시켜 유기화학

물질의 분해 효율을 측정 실험하여 발표하 으며 Hertzler 등도 진공상태

하에서 Microwave를 이용한 산소 Plasma를 발생하여 염소계 화합물의

처리효율 등을 측정하 다.11),12) 최근의 일본의 연구자들도 Microwave를

이용한 VOCs처리 연구를 활발하게 수행 에 있으며 특히 Suzuki등은

Microwave를 이용한 산소 Plasma를 이용하여 Metal chloride의 산화 연

구를 수행하 으며 속의 산화효율 등이 이론 이 평형 값과 매우 일치

하여 그 처리 효율이 매우 높음을 측정 발표하 다.13) 즉 Microwave를

이용한 산소 Plasma의 경우에 가스 에 포함된 악취 VOCs의 처리뿐

만 아니라 속 성분등도 처리할 수 있다는 매우 요한 결과를 보여주

었다 하겠다. Shimizu 등도 Microwave를 이용한 Ar Plasma를 이용하여

Trichlorofluoroethane의 처리 효율을 측정하 으며 그 결과 순수 Ar

Plasma에 미량의 산소 주입 시에 매우 높은 처리 효율을 측정하 다.14)

특히 그의 연구 결과에서 Microwave의 발생장치를 DC의 경우보다도 매

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우 렴한 AC의 Microwave 발생장치를 이용하 을 경우에 그 처리 효

율이 더 높은 것으로 측정되었으나 그 이유는 명되지 못했다. 그러나

요한 결과는 DC의 Microwave의 경우 그 장치 값이 매우 고가인 반면

에 가정에서 흔히 사용되는 AC를 이용한 발생장치는 그 가격이 매우

렴하고 쉽게 구할 수 있기 때문에 AC type을 이용하여 더 높은 처리 효

율의 얻은 결과는 매우 고무 이라고 하겠다.

공기정화용 기집진장치가 상용화된 이후, 리부의 인가 압 크기에

따른 하 특성 연구, 역 리 방지에 한 연구 사용조건에 따른 극

오염 유형별 코로나 방 특성과 오존 발생 특성에 한 연구 등이 다수

진행되었다.15),16) 한 상온 상압하의 가스 에 0.6-1KW로 가속한 자

빔을 조사하여 라즈마를 발생시키고, 그 속에서 생성된 각종 활성종으

로 발 소의 배기가스와 반응시켜 고효율로 제거하는 기술이 개발되고 있

으나나 자빔이 발생하는 자가속기는 가격이 비싸고 장치가 형이며

자빔 조사시 x선이 발생되어 쉽게 응용할 수 없는 단 등을 가지고

있다.17) 따라서 환경 분야에는 유해한 성분을 분해하여 처리하거나 다른

물질과 반응하도록 하여 무해화 하는 방법으로 가스상 오염물질을 처리하

는데 응용하고 있다. 이러한 라즈마 기술은 매우 많은 장 을 지니고

있음에도 불구하고 기술개발단계에서 력의 과다 소모, 규모 장치 개

발의 필요, 다른 기술과 경쟁할 수 있는 경제성의 확보 등 여러 가지 문

제 이 돌출되어 앞으로도 많은 연구가 필요하다.

상기와 같이 국외 으로 많이 심이 있게 Microwave을 이용한 유해

가스 처리 연구가 활발하게 진행 에 있으나 장에 용할 수 있는 상

용화된 연구는 아직도 매우 미비하다고 할 수 있고 한 Steam Plasma

에 한 연구는 본 연구 과 공동으로 연구 수행해온 Ian M Kennedy 교

수 연구 이 선 해 연구하고 있다고 하겠다.10)

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마이크로 를 흡착공정에 이용하기 한 연구는 미국의 메사추세츠

학의 Turner등이 메탄올(극성분자)과 싸이클로 헥산(비극성분자)의 제

올라이트에 한 흡착에서 마이크로 를 조사 하 을 때 흡착과 탈착 상

에 한 연구를 실시하 는데, 메탄올과 같은 극성분자는 마이크로 에

의하여 활성화되어 쉽게 탈착이 일어나고, 비극성분자인 싸이클로 헥산의

탈착 상은 마이크로 에 거의 향을 받지 않는 것으로 보고하 다.4)

하지만 수분에 의한 피흡착물의 탈착 상과 흡착제의 유 가열 특성에 따

른 탈착특성에 해서는 연구가 무한 상태이며, 마이크로 를 이용한

plasma 용 활용분야는 다음과 같이 다양하게 나타나고 있다.

온 자빔 펄스코로나방 (Pulsed corona discharge) 제어기 구

동응용을 한 고출력, 력 펄스 변조기 고에 지연속출력 펄

스모듈 개발기술

규모 랜트제어 응용을 한 력, 고효율 자빔 코로나방

반응기의 핵심부품인 자기펄스 컴 서 선형자기코일 설계개

발, 테스트 기술

온 자빔원 개발 : 운 오염성이 있고 고진공이 요구되는 열이온

(Thermionic)방출 음극을 체할 고압동작 라즈마음극(Plasma

Cathode) 자빔원 개발기술( 라즈마음극원의 동작원리 I-V 특성,

자빔집속, 수명)

자빔 발생 능동 래디컬에 의한 탈질, 탈황(deNOx/deSOX)동시제어

화학 반응기구 규명 배기효율 개선기술

휘발성유기물화합물에 한 자빔응용 제어물성 기술

무음방 (Silent Discharge) 자빔 제어응용을 한 고출력 자외선

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원 개발기술( 장, 강도, 배기효율)

휘발성(암모니아, 알칼리)유기화합물 제어를 한 엑시머 (Excimer)자

외선램 응용기술

자동차배기계 응용을 한 산화 환원배기 탈질제어 기술(산화

환원제어 반응역학 장·단 비교규명)

표면방 유기(SPCP) 펄스코로나(PPCP)유기 라즈마 화학에 의한

수은 제어기술

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제3장 연구개발 수행 내용 결과

1 이론 배경

1. 자 의 분류

류에는 직류와 교류의 2종류가 있지만 일반 으로 마이크로웨이 라

고 칭하는 것은 주 수 300MHz부터 30GHz의 교류의 범 에 붙여진 통

칭이다. 따라서 마이크로웨이 에서는 1 간에 3억에서 300억 회나 류

의 방향이 변한다. 이와 같이 교류의 주 수가 높아지면 류는 도체

에서는 물론 연물과 공간에서 조차 자유로이 흐르는 성질을 갖는다. 자

유공간에 흘러나온 마이크로웨이 는 라고 부르며 그 속도는 빛의 속

도와 같이 매 3×108M 이므로 주 수 f Hz와 의 장 λ는 식(1)로

주어진다.

λ=3×10

8

f(cm)---------------------------------(1)

마이크로웨이 는 그 장이 1cm에서 100cm에 이르고 있기 때문에

센치 라고도 부르며 로서 이용하고 있는 에서는 장이 짧은

부류에 속하고 있다. 이 이하의 짧은 장이 되면 서 미리 , 원 외선,

외선을 거쳐 가시 선에 이른다. 이와 같이 마이크로웨이 는 에 가

까운 장이고 자 의 성질 외에 빛에 가까운 성질을 갖고 있기 때문에

다른 자 와는 다른 이용의 선택이 주어질 수 있다. 마이크로웨이

역의 장은 UHF에서의 텔 비 에서, 가장 장이 짧은 역에서는

인공 성과의 통신, 역에 걸친 이더 등, 아주 넓은 범 에서 이용

되어 가장 요한 로 되어 있다. 그 기 때문에 한정된 주 수의

역범 를 혼란시키지 않고 유효하게 이용할 목 으로 국제 인 규정에 의

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하여 ISM Band 와 같이 주 수의 할당이 되어 있다. 공업용 가열 건조용

으로서는 ISM(Industrial Scientific and Medical use) 역이 정해져 있지

만 이 역 마이크로웨이 가열과 건조용으로서는 915MHz와 2.45GHz

의 2종류의 주 수가 할당되어 있다.18)

물질을 가열하거나 건조하는 수단으로 불, 열풍, 증기, 열에 의한

외선 등이 이용되고 있다. 이들은 물체의 외측으로부터 열을 가하여 물체

의 표면을 가열하고 그 물체의 열 도에 의하여 서서히 내부까지 가열하

는 방법으로 외부가열이라고 부른다. 이에 하여 높은 주 수를 갖는

계를 이용한 유 가열과 더 높은 주 수의 자 를 이용하는 마이크로웨

이 가열에 있어서는 피 가열물 자체가 발열체가 되어 물질의 내부에서

가열이 이루어지기 때문에 내부가열이라고 한다. 이러한 내부가열의 경우

물체의 외부에 있어서의 산란하는 여분의 열이 거의 없고 원리 으로 아

주 효율이 좋은 가열을 할 수 있다. 마이크로웨이 가열은 자 지로써

일반 가정에 리 알려진 기술이지만 식품의 가열뿐만 아니라 최근에는

공업 인 면에서 많은 이 을 활용하여 응용 범 가 넓어지고 있다

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2. 마이크로웨이 가열 시스템 구성

가. 마이크로웨이 가열 시스템 구성

마이크로웨이 가열시스템은 발진부(microwave generator), 도

(transmission), 반응기(applicator)로 구성되어 있으며, 각 시스템의 특성

은 다음과 같다.

(1) 발진부(microwave generator)

마이크로웨이 발진부는 diode, capacitor, 고 압 발생기 (High

voltage transformer)로 구성되는 원 공 부와 원 공 부에서 승압된

원이 공 되어 마이크로웨이 로 발진시키는 마그네트론(magnetron)으

로 구성된다.

(가) 마그네트론(magnetron)의 구조

마이크로웨이 를 발진시키는 마그네트론은 Cathode와 Anode로 된 2

극 과 이 Cathode와 Anode 사이의 자계가 직각이 되게 장치된 자석

으로 구성되어 있다. 부분의 마그네트론은 고정된 주 수에서만 발진하

지만 마그네트론의 상단부에 있는 두 개의 Gear로써 발진 주 수를 조정

할 수 있도록 된 조정형 마그네트론도 있다. Anode는 구리로 되어 있으

며 여기에는 원통과 Vane으로 구성된 공진 Cavity가 마련되어 있으며

Cathode는 원통 코일 형으로 Anode의 심부에 치하고 있다. 통상 방

열형 음극으로 된 Cathode는 Heater의 한 도선과 기 으로 연결되어

있다. 모든 마그네트론의 Anode는 근본 으로 흡사하나 형태에 따라 구

형 Slot, 삼각형 Slot, 혹은 Hole과 Slot을 합친 것 등으로 분류되는데, 이

모두가 각각 공진 Cavity로 불린다. 이 Slot들이 구형으로 되어 있는

Cavity를 Slot형 공진기라하며, 삼각형으로 되어있으면 Vane형 공진기라

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한다. 그리고 크기가 각각 다른 Vane을 교 로 만들어 놓은 경우에 해

서는 Rising Sun형 공진기라하며 공진 Cavity가 원형 Hole과 Slot으로 구

성된 것을 Hole and Slot 형 공진기라 한다.

Fig. 3.1. The structure of magnetron

Fig. 3.1에서 볼 수 있듯이 모든 마그네트론은 기 으로 병렬 배치된

Cavity의 수가 그 모양에 계없이 6～18의 짝수로 되어있으며, 이러한

상태는 각 Cavity의 Inductance와 Capacitance가 서로 병렬로 연결된 상

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태를 뜻하는 것으로 마그네트론의 공진 주 수는 각 Cavity의 공진 주

수가 된다. 각 Cavity 사이에 있는 Anode Block 부분을 Segment라하며

Cathode와 Anode Block간의 공간은 Interaction Space라고 하는데 변조

기로부터 공 되는 고 압 DC Pulse가 RF 반송 로 환되는 곳은 바

로 이 Interaction Space 이다. 마그네트론으로부터 에 지를 외부로 공

하는 데는 결합 Loop를 사용한다. 각 공진 Cavity들은 모두 병렬로 연결

되어 있으므로 각 Cavity 마다 Loop를 장치할 필요성은 없다. 즉 한

Cavity로부터 에 지를 끌어낸다면 모든 Cavity로부터 에 지를 끌어내는

것과 같은 상이 되는 것이다. 때로는 이 Loop를 이용하지 않고 Slot을

이용할 때도 있으며 이때도 Loop 결합 방법과 같이 한 Cavity에 Slot을

장치한다.

(나) 마그네트론(magnetron)의 작동 원리

마그네트론의 2극 은 Cathode와 Anode의 두 요소로 되어 있으며,

Cathode는 산화 thorium과 같은 화학 물질로 되어 있어서 가열될 때

자를 방출한다. 이 자는 Anode가 Cathode에 하여 양 가 될 때만

Cathode로부터 Anode를 향하여 흐른다. 이와 같이 마그네트론과 보통의

2극 회로의 작용은 같으나 회로의 배치에 있어서 약간의 차이가 있다.

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Fig. 3.2. Magnetron's moving model

보통의 2극 회로에 있어서는 Cathode가 Negative단자에 연결되어

있으며 지되어있고 Anode는 같은 DC 원의 Positive단자에 연결된다.

그러나 Fig. 3.2와 같이 마그네트론에 있어서는 DC 원의 연결은 같으나

지는 Anode에서 취해지고 있다. 물론 이 2극 회로의 작용은 같으며

Anode를 지 시켰다 하더라도 2극 회로의 작동에는 아무 향도 미치

지 않는다. 실제로 마그네트론은 속 이스로 되어 있으므로 마그네트

론을 기기에 장착하면 Anode는 자동으로 지된다. 그리고 Cathode에 고

압 DC Pulse를 가할 때 자가 흐르게 된다. Anode가 와 같은 방법

으로 지 되었을 때는 고 압 Pulse를 마그네트론에 가할 때 일어나는

Shock을 방지할 수 있다.

가열된 Cathode의 주 를 공간 하가 둘러싸고 있는 상태의 마그네트

론은 Cathode의 주변에 공간 하가 집 되어 있으며 이 상태에서 Anode

와 Cathode간에 Positive 압을 가한다면 (Cathode에 하여 Anode가

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Positive) 자는 Cathode로부터 Anode로 흡입되며 이러한 동작은 보통

진공 의 동작과 동일하다. 여기서 한 개의 자만을 고찰해보면 이 자

가 Anode측으로 진행함에 따라 Anode의 DC 계로 인하여 에 지를 얻

고 차츰 가속된다. 자가 Anode와 충돌할 때 까지 자의 에 지는 증

가하게 되지만 충돌함으로써 지 까지 얻은 모든 에 지를 열로서 상실하

게 되고 이 과정에서 얻게 되는 열은 불필요한 부산물로 피할 수는 없으

나 자가 이동하는 동안에 DC 계로부터 에 지를 얻는다는 사실은

요한 작용이다. 마그네트론의 Cathode와 자력선이 평행이 되게 자계를 가

해보면 Cathode 근처의 자는 거의 움직이지 않고 있으므로 자의 운

동에 기인되는 자계는 매우 약한 것이지만 자가 속도를 얻게 됨에 따라

그 자계는 차츰 커져간다. 만약 외부로부터 마그네트론에 자계를 가한다

면 자에 의해 생긴 자계와 상호작용을 하게 되며 이 상호작용에 의한

힘은 외부에서 가한 자계와 자의 운동 방향에 직각으로 작용하여 자

는 약간 휘어진 궤도를 형성한다.

자계의 강도가 증가함에 따라 자의 궤도는 그 굴곡도가 차츰 증가하

여 자계의 강도가 어느 값에 도달하면 자는 Anode 극을 겨우 스쳐서

다시 Cathode로 되돌아오게 된다. 이때의 자계강도를 임계자속 도라 하

며 자계의 강도가 이 임계값을 넘게 되면 자는 Anode에 도달하지 못하

게 된다. 이와 같이 Cathode와 Anode의 차가 일정할 때 자가 움직

이는 거리와 궤도는 양 극에 가하는 자계의 강도에 좌우된다. 한

Cathode의 압을 변화시켜도 역시 자의 운동은 변한다. 즉 압을 증

가 시키면 자는 큰 원호를 그리게 되고 압을 감소시키면 곡률반경은

작아진다.

한 마그네트론에 있어서 고려하지 않으면 안 될 은 공진 Cavity의

고주 발진과 자계 자운동과의 계이다. 즉 Cathode와 Anode사이

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에 DC 고 압을 가한다면 회로를 자극하여 공진 Cavity에는 약한 발진이

일어난다. 여기서 자의 궤도가 휘어지면서 Anode에 가까워지면 자는

에 지를 방출하여 고주 계를 주게 됨으로써 발진 작용이 지속되는

것이다. 이와 반 로 자 가운데는 고주 계로부터 에 지를 빼앗는

것도 있으며 이러한 자는 가능한 빨리 제거해야 하는데 문제는 자의

운동을 어떻게 조정하는가에 있으며 조정을 잘 해 놓으면 고주 계로

부터 빼앗는 에 지보다도 주는 에 지가 더 크게 된다.

(2) 송 선로(transmission lines)

송 선로는 신호를 기에 지로 변환하여 목 지에 달하기 해

쓰이는 선을 말하며 통신용으로는 평행 2선식(twin-lead transmission

line)이나 동축 이블(coaxial transmission line)등이 사용되었으나 산업

용으로 마이크로웨이 를 송하기 해서는 도 을 사용하고 있다.

도 은 마이크로웨이 이상의 자 송에 쓰이는 속 으로 내

부는 비어 있고 재질은 일반 으로 동(copper)이나 알루미늄을 사용하지

만, 경비 감을 해 강 의 내면에 동 는 알루미늄을 도 한 것도 있

다. 도 의 형태는 단면이 원형인 원형 도 (circular wave guide)

과 장방형인 구 도 (rectangular wave guide)이 있으며 이 속을

하는 자 의 주 수에는 한계가 있고 도 의 지름에 비례해서 긴

장의 자 는 이 을 통과할 수 없게 되는데. 이 한계 장을 차단

장 이라고 하며 단면의 형태나 치수에 따라 차단 장 이하의 자 는

달하지 않는 필터의 성질을 지니고 있다.19)

도 이 마이크로웨이 송로로서 우수한 특성을 가지는 것은 ①

주 수가 높아지면 표피 착용으로 도체의 고주 항이 매우 증가하므로

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손실도 증가하나, 도 내에서는 내 면 이 넓고 도도가 높으므로

표피 작용에 의한 항 손실이 작고, ② 동축선로 등에는 연물을 사용

하므로 주과수가 높아짐에 따라 유 손실이 증가하나 도 에는 따로

연물을 사용하지 않으므로 유 손실이 작으며, ③ 평형 2선식 등에서는

선에서 의 복사 방치가 곤란하나 도 에는 변 류가 내로

흐를 뿐이므로 를 외부로 복사하는 일이 없고. ④ 차단 장 이상의

주 수만 송되므로 여과기로서 작용한다. 한 ⑤ 외부 계와 완 격

리가 가능하기 때문이다.

자 의 송 형식에는 TEM , TE , TM 등 기본 인 형식이 있

게 된다. TEM (Transverse Electromagnetic Wave)는 자계 E, H가

송 방향(+z)에 해서 수직 성분을 갖는 즉, E=Hz=0인 횡 자 로서

Ampere법칙이 필요로 하는 도 류(conduction current)와 변 류

(displacement current)가 없기 때문에 심 도체가 없는 속이 빈 도체

에는 존재 할 수 없으며, TE (Transverse Electric Wave)는 Fig. 3.5와

같이 Ez=0, H2≠0인 경우로 계 E만이 송 방향에 해 수직 성분을

갖는 자 로서 횡 , H , 는 M 라고 하며 자 의 진행 방향에

계성분이 존재하지 않는다. 한편 TM (Transverse Magnetic Wave)는

E2≠0, H2=0인 경우로 H만이 송 방향에 해 수직 성분을 갖는 자

로 횡자 는 E 라하며 자 의 진행 방향에 자계성분이 없는

를 말한다. TE모드와 TM모드는 속이 빈 도체 이나 개방선로 시스템에

도 존재할 수 있다.

Fig. 3.3은 구형 도 (rectangular wave guide)내에 송되는 TEmn,

TMmn 모드의 자계 분포를 나타낸 것으로 실선은 기력선을 선은

자기력선을 나타내며, x, y, z축을 정하고 구형 도 의 길이 a. b를 변

화 시키면 여러 가지 모드가 나타나며, 도 의 긴변 a(x축 방향)에 나

- 21 -

타나는 계분포가 반주기의 몇 배인가에 따라 첫 번째 첨자 m을 붙이

며, 짧은변 b(y축 방향)에 나타나는 계분포가 반주기의 몇 배인가에 따

라서 모드의 두 번째 첨자 n을 붙인다. 도 의 크기와 송하고자 하는

자 의 모드에 따라 도 의 고유 장이 정하여지며, 이를 차단 장

(cut-off wave length)이라 한다. 구형 도 의 경우 벽의 길이는 일

반 으로 a>b이므로 TE 의 기본모드는 TE10이고 TM모드에서는

TM11이 기본 모드가 된다.20) Table 1은 사용 주 수에 따른 도 의 표

크기를 나타내고 있다.

Fig. 3.3. Field lines for some of the lower-order modes of a

rectangular waveguide

- 22 -

Table 1. Standard size of waveguide.

EIA Size(mm)Frequency

(Ghz)Cut off frequency (Ghz)

WR-2300 584.2 * 292.1 0.32 ~ 0.49 0.257

WR-2100 533.4 * 266.7 0.35 ~ 0.53 0.281

WR-1800 457.2 * 228.6 0.41 ~ 0.62 0.328

WR-1500 381 * 190.5 0.49 ~ 0.75 0.394

WR-1150 292.1 * 146.05 0.64 ~ 0.98 0.514

WR-975 247.65 * 123.83 0.76 ~ 1.15 0.606

WR-770 195.5 * 97.79 0.96 ~ 1.46 0.767

WR-650 165.1 * 82.55 1.12 ~ 1.7 0.909

WR-510 129.54 * 64.77 1.45 ~ 2.2 1.158

WR-430 109.22 * 54.61 1.7 ~ 2.6 1.373

WR-340 86.36 * 43.18 2.17 ~ 3.3 1.737

WR-284 72.14 * 34.04 2.6 ~ 3.95 2.079

WR-229 58.17 * 29.08 3.22 ~ 4.9 2.579

WR-187 47.55 * 22.15 3.95 ~ 5.85 3.155

WR-159 40.39 * 20.19 4.64 ~ 7.05 3.714

WR-137 34.85 * 15.8 5.85 ~ 8.2 4.304

WR-112 28.5 * 12.62 7.05 ~ 10 5.263

WR-90 22.86 * 10.16 8.2 ~ 12.4 6.562

WR-75 19.05 * 9.53 9.84 ~ 15 7.874

WR-62 15.8 * 7.9 12.4 ~ 18 9.494

WR-51 12.95 * 6.48 14.5 ~ 22 11.583

WR-42 10.7 * 4.3 18 ~ 26.5 14.058

WR-34 8.64 * 4.32 21.7 ~ 33 17.361

WR-28 7.11 * 3.56 26.5 ~ 40 21.097

WR-22 5.7 * 2.8 33 ~ 50.5 26.362

WR-19 4.8 * 2.4 40 ~ 60 31.381

WR-15 3.8 * 1.9 50 ~ 75 39.894

WR-12 3.1 * 1.5 60 ~ 90 48.387

WR-10 2.54 * 1.27 75 ~ 110 59.055

WR-8 2.03 * 1.02 90 ~ 140 73.892

WR-7 1.7 * 0.83 110 ~ 170 90.909

WR-5 1.3 * 0.648 140 ~ 220 115.385

WR-4 1.09 * 0.56 172 ~ 261 137.615

WR-3 0.86 * 0.43 217 ~ 333 174.419

EIA(Electronic Industry Association)

- 23 -

(3) 반응기(applicator)

마이크로웨이 를 피 가열 물에 시켜 가열하는 부분의 장치를 말

하며, 상물의 형상에 따라 여러 가지 형태가 고안되어지고 있다. 피 가

열물의 형상이 괴상, 시트상인가에 따라 달라지며, 괴상의 경우는 부피에

비하여 표면 이 작으므로 열 방출량은 작고 열로의 환율이 좋으나, 시

트상의 것은 열 방출량이 많고 이 때문에 흡수된 력이 온도 상승에 기

여하는 율이 낮아진다. 괴상의 경우는 체에 균일한 가 조사되는

속제의 상자형 오 속에서 가열하는 것이 일반 이나 시트상 경우에서는

손실계수가 작은 물질에서는 단 체 당 흡수 력을 크게 하지 않으면 안

된다. 이로 인해 여러 가지 반응기가 고안되었으나 피 가열 물에 에 지

를 집 시켜 가열하는 방식이다.

(가) 뱃치 오 방식

자 인지의 오 과 같은 형식의 것으로 장에 비해 큰 치수의 속

용기에 마이크로웨이 를 도입한 것으로 마이크로웨이 는 오 벽에서

회 (reflection) 반사되면서 유 물질에 흡수되어 열을 발생하게 된다.

이 경우 균일가열을 해서는 마이크로웨이 가 여러 방향과 상으로 피

가열물에 하는 것이 바람직하므로 turn table이나 를 교반하는

속제의 회 날개(mode stirrer)를 설치하는 것이 일반 이다. 뱃치 오

방식(bath oven mode)에서는 출입구는 마이크로웨이 의 설이 많으므

로 폐성 구조로 하거나 마이크로웨이 흡수체등을 장착하여야 한다.

(나) 컨베이어 오 방식

연속처리공정의 경우 이방식이 용되며 이 방식은 뱃치 오 방식에

피 가열물의 출입구를 설치하고 벨트 컨베이어 등을 넣은 것으로 마이크

- 24 -

로웨이 는 도 에 의해 오 으로 유도되며 피 가열물은 연속 으로 오

내로 주입되게 된다. 여러 개의 마그네트론을 설치할 경우에는 결합구

의 방향을 서로 직교시켜서 계방향을 여러 방향으로 향하게 함으로서

보다 균일한 가열이 이루어질 수 있다. 컨베이어 오 방식(conveyer oven

mode)에서 가장 요한 부분은 출입구의 개구부로 이 부분에 페성과

같은 임피던스 부정합 부를 만들어서 마이크로웨이 의 설을 방지하던

지, 개구부의 폭이 넓을 때에는 개구부에 긴 도입부를 붙이고 이 부분에

흡수체를 장착하여 마이크로웨이 의 설을 최 한 방지 하여야한

다.

(다) 도 형 반응기

종이나 인쇄물, 필름, 헝겊 등의 시트상의 재료나, 망, 실과 같은 가늘

은 재료, 속을 통과하는 액체 등을 효과 으로 가열하는 데는 일반 으

로 뱃치나 컨베이어형 오 은 충분한 정합이 이루어지지 않아 가열효율이

낮으므로 피 가열물에 에 지를 집 시켜 가열하는 도 방식이 사용된

다. 를 보내는 도 (wave guide)의 내부에서는 상자형 오 에 비해

계가 강하므로 효율이 높게 된다.

(라) 안테나형식 반응기

큰 덩어리의 일부만을 집 으로 가열하는 경우에는 안테나 방식

(antenna mode)이 사용되다. 이 방법은 피 가열물의 가열하고자 하는 부

분에 안테나를 설치하는 것으로서 1955년경 일본에서는 근육통의 치료기

로서 출력 200w의 안테나를 이용한 마이크로웨이 가온장치를 개발한

바 있다. 한편 공업용으로는 도로의 보수, 암석 쇄등에 이방법이 검토되

고 있다.

- 25 -

나. 마이크로웨이 에 의한 가열이론

기존의 열원에 의한 가열원리는 도, 류, 복사에 의한 외부가열 방

식이나, 마이크로웨이 에 의한 가열은 극자회 (dipole rotation)과 이

온 도(ionic conduction)에 의한 유 가열(dielectric heating)로서 가해진

에 지가 매질간의 상호작용에 의해 열로서 환되는 내부가열방식으로

알려져 있다.

Fig. 3.4. Dielectric heating mechanism

이 극자 회 에 의한 가열원리는 Fig. 3.4(a)와 같이, 극자 모멘

트(dipole moment)를 가진 물질의 경우, 내부에 (+)이온과 (-) 자가 을

이루어 체 으로 계0의 상태로 존재하다가 양극 에 마이크로웨이

를 가하면 이온과 자의 이(b)처럼 계의 방향으로 배열하고 계가

(c)처럼 반 로 되면 이온과 자 의 방향도 반 로 배열 되게 된다. 이

때 극의 극성이 당 106-10

12 정도로 환된다면 분자의 회 때문에

마찰이 생겨 열이 발생되게 된다. 즉 극자 회 에 의한 열 발생이론은

- 26 -

극자가 격히 변화하는 기장에 놓여 있을 때 극자의 마찰을 일으

키는 극자 배향(orientation)에 좌우되게 된다.21)

물 분자와 같이 구 극자 모멘트(permanent dipole moment)를 갖

고 있는 물질은 쉽게 기장 반 방향으로 배열하지만, 구 극자를 갖

지 않는 물질의 경우에도 기장에 의해 생성된 스트 스로 인해 유도

극자(induced dipole)를 갖게 되고, 외부 기장의 반 방향으로 배향하

게 되며, 극자 회 은 온도나 분자의 크기, 주 수에 많은 향을 받게

된다. 이온 도에 의한 가열원리는 이온을 띤 물질들이 기장에 의해 물

질자체가 가진 극성의 반 방향으로 이동할 때 이온화되지 않은 분자들과

충돌함으로서 운동에 지가 열에 지로 환되는 원리를 이용한 것으로

온도나 주 수에는 크게 향을 받지 않게 된다.22)

Fig. 3.5. Capacitance and conductance by phase shift.

- 27 -

Fig. 3.6. Charging current and loss current conductances

일반 으로 유 이론은 물질이 가진 capacitance 와 conductances에

기 를 두고 있다. capacitance는 하를 축 하는 용량을 의미하며 충

류(charging current)라고도 하고, conductances는 하를 이동시킬 수

있는 능력으로 손실 류(loss current)라고도 한다. 유 체는 극 의 극성

이 변함에 따라 가열 상 물질내의 분극화 상에 의해 극자가 형성되

고 외부 장과 같은 주 수로 극자가 회 , 진동하게 되며 Fig. 3.5와

같이 가해진 압과 측정된 류를 비교함으로서 알 수 있으며, Fig. 3.6

과 같이 측정된 류에 의해 capacitance와 conductance의 양을 구할 수

있다. 이때 손실 류는 압과 같은 상에 있으며 에 지 흡수의 근원이

되어 열로 변환되게 한다. 유 물질의 가열에 있어서는 요한 물성치로

는 유 상수(ε‘. dielectric constant), 손실계수(ε’‘, loss factor), 유 정

(tanδ, dissipation factor), 유 도율(σ, dielectric conductivity)등이 있

다. 유 상수는 기장이 물질에 침투하는 능력을 나타내는 것으로 식(1)

- 28 -

과 같이 나타낸다.

= Electric force in vacuumElectric force in medium

.............3333................(1)

유 손실은 기에 지를 열로 환할 수 있는 물질의 능력을 나타내는

것으로 피 가열물의 유 도도 는 항과의 함수로 식(2)과 같이 나타

낼 수 있다.

= σ

2πf 0=

12πρf 0

...................................................(2)

여기서, σ는 유 도도(S/m), ρ는 항(Ω/m), f는 주 수(Hz), ε0는 자유

공간의 유 상수로서 8.854×10-12(F/m)로 나타낸다. 한편 유 정 은 기

에 지를 열로 손실시키는 능력과 기장이 물질에 침투하는 능력의 비로

서, 임계 주 수(critical frequency)에서 최 가 되며 식(3)에 의해 정의된

다.

tan δ=ε''ε'...................................................................(3)

한 유 도도 항(Ω/m)은 식(4)와 같이 나타낸다.

σ=wε'tanδ=δε''..........................................................(4)

이상의 결과에서 마이크로웨이 에 의한 에 지 달은 항효과(ohmic

effects), 유 상수 효과(dielectric effects), 분극효과(polarization effects)

에 의해 발생되게 되며 각각의 유 특성치들은 유 상수는 감소하고 손

실계수는 증가하는 경향을 나타낸다. 유 상수, 손실계수, 도도 등은 통

상의 매질에서는 실수나 정수이지만 매질에 따라 복소수, 장소 는 시간

의 함수가 되기도 한다. 시간 으로 변하는계에서 매질의 분극벡터

(polarization vector)는 가해진 계의 벡터와 같은 주 수로 진동한다. 그

러나 변화는 분극벡터 쪽이 시간 으로 지연되는 것이 보통이다. 계벡

터가 지수 함수 으로 (ejwt)변화할 때 그보다 상이 δ만큼 지연되는 경

우 식(5)과 같이 표 할 수 있다.

- 29 -

Doej(wt-δ)=εEoejwt .......................................................(5)

여기서, D는 속 도(C/m2), E는 계강도(V/m), w는 각속도(angular

frequency), Do와 Eo는 치에 한 함수이다. 유 율 ε에 한 식으로

표 하며 식(7)과 같이 나타낼 수 있다.

ε=(D0/E0)(e-jt)=(D0/E0)(cosδ-jsinδ)=ε'-jε''..................(6)

여기서, ε‘= DoEocosδ, ε''= Do

Eosinδ가 되며 복소 유 율(complex permi-

ttivity)이라고 한다.

일반 으로 마이크로웨이 가열에 따른 피 가연물의 열 발생량은 단

부피당 매질에 흡수된 워(W/cm3)로 나타내며, 연구자에 따라 각각 다

른 방법으로 표 되고 있다. Vaitekunas는 마이크로웨이 가열을 극자

회 에 의한 경우는 식(7)과 같이 나타낼 수 있다고 하 다.23)

Q=kE2fε'tanδ...........................................................................(7)

Q=E2qnu...................................................................................(8)

여기서, Q는 단 부피당 흡수된 워, k는 상수, E는 계강도를 나타내

며, q는 하의 양, n은 이온 도(ion density), u는 각이온의 이동도

(mobility)를 나타낸다.

Lin24), Zhou25)등은 마이크로웨이 가열을 다음식과 같이 직교좌표에 있

어서의 력의 세기(power intensity)로 나타냈으며, 이때 피 가열물이 균

일하다면 식(10)과 같이 나타낼 수 있다고 하 다.

Q=∂Px∂V+∂Py∂V+∂Px∂V..........................................................(9)

Q=Pox∂(e -2ax )∂x

+Poy∂(e -2ay )∂y

+Poz∂(e -2az )∂z

......(10)

여기서 P는 력의 세기(W)로 P=Poe -2aa으로 표 되며, Po는 매질

표면에서의 워(W)를, V는 매질의 부피(m3)를 나타내며 Poz는 z방향에

서 매질 표면의 워(W/m2)를, α는 attenuation factor로서 식(11)과 같이

- 30 -

정의하 다.

a=2πλ

ε'(1+tanδ 2) 0.5-12

............................................(11)

한 Metaxas와 Meridith26), Pearce

27), Pushner

28)등은 열발생량을 유

손실계수(loss factor)와 계강도로부터 각각 식(12, 13, 14)와 같이 정의

하 다.

Q=2πfε''E2 ...........................................................................(12)

Q=(σ+wε''εo)E2 .................................................................(13)

Q=CfE2 .................................................................................(14)

여기서 f는 주 수, E는 계 강도, εo는 자유공간에서 유 율, σ는 도

도(conductivity), w는 각속도(angular frequency)를 나타낸다. 한

Vaitekunas23)는 흡수된 열량을 증가된 온도와 질량만의 함수로 하여 식

(15)과 같이 정의 하 다.

Q=MCp(dTdt) .................................................................(15)

여기서 M은 매질의 질량을, Cp는 매질의 비열, TSMS 마이크로웨이

가열에 의해 증가된 매질의 온도를, t는 마이크로웨이 의 가열시간을 나

타낸다.

다. 마이크로웨이 가열의 특성

마이크로웨이 가열에는 피 가열물체가 외부 열원 없이 발열하는 특

색이 있어 큰 물체에서도 표면 내부를 거의 동시에 가열할 수 가 있기

때문에 가열물의 품질을 손상 없이 단시간에 가열․건조처리가 가능하다.

마이크로웨이 가열은 물체 자체가 발열체로 되는 가열방식이기 때문에

종래의 열 도에 의한 외부가열에는 없는 다음과 같은 특징이 있다.

- 31 -

(1) 속가열

열풍과 같이 열 도를 이용하는 가열 방법에 비하여 마이크로웨이

가열은 피 가열물 자체가 발열하기 때문에 열 도에 의하지 않고 내부의

온도를 높일 수 있다. 이 때문에 가열에 요하는 시간을 크게 단축시킬 수

있고, 비교 일정하게 온도를 올릴 수가 있다.

(2) 균일가열

외부가열에서는 내외의 온도구배를 피할 수 없고 균일 가열하려고 하

면 시간이 걸린다. 마이크로웨이 가열에서는 유 체내의 기력선이 균

일하게 발생하려고 하면 온도 상승도 일정하게 된다. 외부 가열에서는 외

측의 온도는 높고 내측의 온도는 낮지만 마이크로웨이 가열에서는 내외

의 발열량을 동일하게 할 수가 있다.

(3) 국부가열

외부 가열에서는 국부만을 가열할 수 없는 곤란한 경우가 많다. 국부

에 열 을 서 외부 가열할 경우는 온도를 올리는 데에 시간을 요하기

때문에 열 도로 가열부분이 넓어지는 것일 피할 수 없다. 마이크로웨이

가열에서는 가열해야 할 부분에 극을 서 기력선이 집 하도록

고안하면 좁은 범 에서도 가열할 수 있다. 가열시간이 짧기 때문에 가열

부분의 넓이는 작다.

(4) 벨링(Levelling)

물질 에 마이크로웨이 흡수가 큰 것이 있으면 그 부분의 발열이

크기 때문에 수분 분포가 일정하지 않는 물질을 건조하여 균일수분으로

하는 효과가 있다.

- 32 -

(5) 열효율

마이크로웨이 는 오 속에 놓아둔 피 가열물만에 흡수되고 주 의

벽( 속)과 공기를 가열하지 않기 때문에 당연히 열효율이 높다. 따라서

작업환경의 개선에도 상당히 유용하다고 할 수 있다. 에 지를 필요

부분에 집 시킬 수 있기 때문에 열효율이 높다.

(6) 기 타

술한 특징 외에 마이크로웨이 는 피 가열물의 옴폭 패인 부분에도

거의 균일하게 침투하여 가열하기 때문에 복잡한 형상이라도 비교 균일

하게 가열할 수 있다. 가열 력의 제어가 용이하고 응답이 빠르기 때

문에 작업의 개시, 종료로부터 가열의 온도 조 등을 모두 순식간에 행

할 수 있다. 한 술한 바와 같은 특징을 살려 공업가열의 열원으로서

마이크로웨이 를 이용하면 다음과 같은 이 을 갖는 가열장치를 만들 수

가 있다.

(가) 가열건조공정의 자동화, 성력화가 가능함.

(나) 가열건조장치의 유면 을 작게 할 수 있음.

(다) 공정시간의 단축으로 설비 재고를 최소화할 수 있음

(라) 작업환경의 개선과 작업의 안정을 도모할 수 있음.

(마) 기오염 등의 공해를 일으키지 않음

(바) 가열상태의 재 성이 좋고 품질의 향상을 기 할 수 있음

라. 마이크로웨이 와 재료의 상호 작용

마이크로웨이 는 자 (eletromagnetic wave)로서 그 특성은 정합

(coherent)이고 분극화(polarized)되어 있으며, 학법칙(lows of optics)을

따른다. 마이크로웨이 는 물질의 종류 온도에 따라 투과, 흡수, 는

- 33 -

반사가 일어나는 정도가 달라지는데 이것을 Fig. 3.7에 나타내었다.

부분의 속은 마이크로웨이 에 불투명(opaque)하여 거의 모든 마

이크로웨이 를 반사시킨다. 유 재료( 기 연물질)로서 를 들면,

Al2O2, MgO, SiO2, 부분의 유리류 등은 상온에서 마이크로웨이 에 투

과성이 있으나, 이러한 물질도 어느 임계온도 이상 가열되면 마이크로웨

이 와 차 으로 효과 인 반응을 하게 되어 흡수를 시작한다.

Fig. 3.7. Interactions of microwave with materials

3. 라즈마(Plasma)의 원리

라즈마는 고체, 액체, 기체에 이은 물질의 4번째 상으로 기체의 일부

가 리되어 고반응성을 띠는 이온, 자, 성입자로 구성되어 있고 체

으로 기 성이나 외부 자기장에 향을 받는 도성 기체이다.

라즈마는 일반 으로 고온 라즈마와 온 라즈마로 분류된다. 고온

라즈마는 상압에서 높은 에 지를 가하여 발생시키므로 이온화 정도가

높고 구성요소들이 열역학 으로 평형상태에 있으며 평균온도가 수 만도

에 이르고, 온 라즈마는 압에서 은 에 지를 가하여 발생시키므

로 상 으로 이온화 정도가 크지 않고 구성요소들이 열역학 으로 평형

- 34 -

을 이루고 있지 않으며 평균온도가 상온보다 약간 높아서 압상태의 기

체나 유기 증기들을 기 으로 방 시키기 쉽다.29) 고온 라즈마는 용

, 열분해나 유리질화를 이용하는 폐기물처리, 표면코 , 박막합성, 핵융

합의 개발 등에 주로 쓰이고. 온 라즈마는 재료합성, 강의 표면처리,

강의 박막처리, 반도체 표시소자, 고분자 합 등에 주로 쓰이고 있다.30)

그러나 환경을 개선하기 한 역에서의 라즈마의 응용은 아직 크게

활용되고 있지 않은 실정이다.

가. 온 라즈마(Non-thermal Plasma)의 기술

산성비, 지구 고온화 상, 오존 고갈, 스모그 등 오늘날 세계가 직면하

고 있는 환경문제는 갈수록 심각해지고 있다. 온 라즈마 기술은 이러

한 문제를 해결하기 한 신 인 개선 가능성을 제시하고 있으며 최근

들어 이 분야에 한 연구는 매우 활발히 진행되어, 오염물질을 제거하기

한 많은 종류의 라즈마 반응로들이 개발되어 왔다.31) 온 라즈마

는 열(Thermal) 라즈마와 비열(Non-thermal) 라즈마로 나 수 있다.

Non-thermal 라즈마는 자(Electron)의 평균에 지가 주 의 가스 에

지보다 매우 높은 라즈마를 말하는 것으로 기 에 지의 부분이

가스의 온도를 높이기 해서 사용되는 것이 아니라 활발한 자의 생성

을 해 사용된다. 이와 같은 라즈마에서의 에 지는 거의 으로 주

가스를 해리 시키고 이온화시키는데 사용되어 유해 물질들을 분해하는

많은 래디칼(Radical)들을 생성하게 된다. 따라서 이 같은 온 라즈마(

non-thermal)를 이용하는 방법은 선택 에 지 흡수성과 여러 오염물질

들의 동시 제거능력 때문에 기 오염물질 제거를 한 가장 당한 기술

이라 말할 수 있다. 반면 고온 라즈마(Thermal)는 라즈마의 에 지가

기체를 체 으로 가열하게 되므로 상으로 하는 분자를 소각하여 괴

- 35 -

하게 하는 것으로 고체나 액체의 유독성 쓰 기나 방사성 물질과 같은 폐

기물들의 처리에 이용할 수 있다.32) 온 라즈마(non-thermal) 방 을

이용하여 오염물질을 제거하는 여러 종류의 장치가 개발되어 왔다. 여러

연구자들에 의한 연구결과 이러한 온 라즈마(non-thermal) 장치들은

SOX나 NOX뿐만 아니라 COX나 VOCs(Volatile Organic Compounds; 휘발

성 유기화합물), 신경가스와 같은 화학물질도 제거할 수 있는 능력이

있는 것으로 알려져 있다.

Non-thermal 라즈마는 자-빔 조사31),33)와 기 방 (Electrical

discharge)34)의 두 종류의 다른 방법으로 생성될 수 있다.

자빔 조사(Electron-beam irradiation)에 의한 라즈마 생성 방법은

효과 인 자빔을 생성하는 것이 건이다. 통 인 방법은 열음극

(Thermonic Cathode)을 이용하는 자를 방출 가속시키는 방법이 있는

데, 이는 음극 주 역을 고 진공상태로 유지시켜야 하는 문제가 있다.

라즈마 음극(Plasma Cathode)을 이용하면 높은 압력에서 자빔을 생

성할 수 있는 장 이 있다. 하지만, 자의 방출율(Emittance)이 높지 않

아 많은 부분에서 응용되지는 않았다. 그러나 오염 물질 제어를 하여

이러한 라즈마 음극의 사용은 비교 소규모로 자빔을 생성할 수 있

고 높은 류의 빔 도를 얻을 수 있으며 그 비용 한 폭 으로 감

할 수 있는 방법이다. 이러한 방법으로 생성된 자빔의 에 지는 배경가

스(background gas)들을 직 으로 해리 시키고 이온화시키는 데 사용

된다. 빔에 의해 이온화가 진행되는 동안 2차 자(Secondary Electron)의

샤워(shower)가 일어나고 이들은 다시 가스를 이온화와 해리 시키는 캐

스캐이드 샤워(Cascade shower)를 일으킨다. 이러한 캐스캐이드 효과는

여러 종류의 오염물 분자들을 제거하기 해 이용될 많은 양의 라즈마

를 생성한다. 이러한 시스템에 하여 일본, 독일, 폴란드, 미국에서는 기

- 36 -

연구결과를 용시킨 공장단 의 시험이 이루어 졌으며, 이 결과 석탄

연료를 이용하는 보일러의 연소가스와 SOX와 NOX의 동시 제거에 매우

효과가 높았다고 보고되고 있다.35) 그러나 이러한 자-빔 오염물 제어시

스템(Electron-beam pollution control system)은 높은 설치자본 비용이

소요될 뿐만 아니라 X-ray 발생과 같은 험성 때문에 기 방

(Electrical discharge)을 이용하는 기술과 같은 다른 라즈마에 기

한 기술의 개발을 요구되게 되었다.

기 방 (Electrical discharge)을 이용하는 기술은 극의 기하학

모양과 공 되는 원장치의 종류를 달리함에 따라 매우 여러 가지 형태

의 반응로(reactor)를 만들 수 있다. 많은 반응로들은 큰 자장의 생성을

하여 작은 직경을 갖는 선이나 바늘과 같이 뾰족한 끝을 갖는 속의

극을 사용하여 설계되었으며, 공 력의 원으로는 직류(direct

current; DC), 교류(alternating current; AC), 그리고 펄스 력 원

(pulsed power source)을 이용하고 있다. 이러한, 다양한 반응로들의 각각

은 여러 종류의 오염가스들의 제거를 하여 이용될 수 있는 것으로,

표 인 반응로들로는 펄스 코로나 방 반응로(pulsed corona discharge

reactor),36),37),38)

무성 방 반응로(silent discharge reactor)39) 는 유 체

장벽 방 반응로(dielectric-barrier discharge reactor), 연면 방 반응로

(surfacedischarge reactor)40) 강유 체 충 반응로(ferroelectric bed

reactor)41), 직류 방 반응로(DC discharge reactor)

42) 등이 있다.

펄스 코로나 방 반응로 (pulsed corona discharge reactor)43)은 매우

도가 유망한 반응로로 wire-plate 형의 극이나 wire-cylinder 형의

극을 가지고 있는 반응로이다. 이 반응로는 고 압의 매우 짧은 펄스를

가해 으로서 짧은 시간동안 살아있는 라즈마(Short-lived discharge

plasma)를 생성해 으로 해서 고 에 지의 자를 발생시키고 이 자들

- 37 -

이 가스와 반응하여 독성 분자들을 제거해주는 래디컬들을 생성하게 해주

는 반응로이다. 이미 이탈리아에서는 공장규모의 실험을 수행한 바가 있

는 것처럼 실험실에서만이 아니라 공장 수 의 규모에 용될 가능성이

높은 반응로로 주목받고 있다. 특히, 화력발 소의 탈황·탈질 설비에 용

될 차세 기술로 평가 받고 있다.

무성 방 반응로(silent discharge reactor)44)는 아주 오래 부터 오

존의 발생을 해 연구되기 시작했던 반응로로 극 의 하나 는 두개

의 다른 얇은 유리와 같은 유 체 층으로 둘러싸고, 고 압의 AC를 공

하여 방 시키는 것으로 펄스 코로나방 에서 고 압 펄스를 공 할 수

있는 원장치가 있어야 되는 반면에 이 무성방 에서는 간단한 원공

장치만으로도 방 을 일으킬 수 있다. 한, SOX와 NOX뿐만 아니라 COX

나 검댕(soots) 그리고 VOCs(Volatile Organic Compounds; 휘발성 유기

화합물)도 동시에 제거할 수 있다는 장 이 있다. 이 반응로는 간단한

원 공 장치를 사용할 수 있고 오염물질 제거효율 그리고 에 지

소비율 등으로 자동차의 배기가스 처리에 응용될 수 있는 장치로 연구되

고 있으며, 실험실에서 압 주 수의 변화, 가스 유동율, 가스 조

성비, 온도 등의 라메타의 변화를 통한 방 특성의 연구와 반응 공정

반응로의 설계를 한 여러 데이터의 추출에 매우 합한 장치로 단

되고 있다.

연면 방 반응로(Surface discharge reactor)는 한 면에 길쭉한 조각

의 극들이 붙어있고, 한쪽의 면은 Ceramic 안쪽에 필름모양의 극

이 삽입되어 있는 평면이나 원통형의 Alumina Ceramic으로 이루어진 반

응로이다. 여기에 고 주 수의 교류 압이 가해지면 조각 극들 쪽에서

부터 방 이 시작되어 Ceramic면 쪽으로 이어진다. 이 연면 방 반응로

는 NOX와 VOCs의 제거에 효과가 있는 것으로 연구된 결과가 있으며, 특

- 38 -

히 CFC-113 분해에 탁월한 효과가 있는 것으로 보고되었다.

강유 체 충 반응로(Ferroelectric bed reactor)는 고유 율의

Ceramic 알갱이(Pellet)로 채워져 있는 튜 모양의 반응로이다. 여기에 고

압의 AC 원이 공 되면 유 체인 pellet들은 편극(Polarization)이 되

며 각 pellet들의 둘 에 강한 기장이 형성된다. 많은 펄스 방

이 이 강유 체 둘 에 발생된다. 그리고 방 에 지는 pellet의

유 상수(Dielectric constant)와 압의 형태를 바꾸어 으로서 제어할 수

있다. 이 반응로는 톨루엔, methylene chloride 와 CFC-113의 유해한 유

기물들을 괴할 수 있는 것으로 보고된 바 있다. 직류 방 반응로 (DC

discharge reactor)는 간단한 직류 압의 원을 사용한다. 이 반응로는

형 인 모양의 양극과 뾰족한 속 핀이 많이 달려있는 음극으로 이

루어져 있으며, 1∼2기압 정도의 기압 근방에서 가스의 빠른 흐름을 얻

기 하여 가스를 펌핑하여 가스가 과열됨이 없게 하여 안정 인 방 이

유지되도록 한다. 천연가스를 이용하는 보일러의 배기가스로부터의 NOX

제거 와 SO2 의 제거에 효과가 있는 것으로 보고 된 바 있다.

나. 상압 마이크로웨이 라즈마

마이크로웨이 라즈마는 코 , 반도체 etching, 라즈마 cleaning,

표면 활성화 분야 등 materials processing 분야에 리 사용되어 왔으며,

그 용분야도 차로 확 되고 있다. 그러나 기존의 마이크로웨이

라즈마는 진공 operation으로 인한 고가의 진공장비 batch type

process에 기인한 process의 비효율성 등 경제 , 기술 측면의 제한 을

안고 있다. 최근 이러한 문제 을 극복하기 하여 진공이 아닌 상압

(760torr)에서의 라즈마 발생에 한 연구가 활발히 진행되고 있다.45)

특히 mid-frequency를 이용한 Dielectric Barrier Discharge 상압 라즈

- 39 -

마 마이크로웨이 source를 이용한 상압 라즈마 torch에 한 연구

가 몇몇 group에 의하여 추진되어 기존의 진공 라즈마의 제한 을 극

복할 수 있는 새로운 고부가가치 용기술 개발로 활발히 추진되고 있

다.46),47),48) 그 에서 특히 마이크로웨이 상압 라즈마 방 기술은

760torr의 압력에 기인한 높은 ion과 radical density, power source로서

사용되는 GHz 역의 고주 마이크로웨이 에 의한 다양한 크기와 모양

의 상압 방 cavity 설계의 용이함 등에 기인하여 고효율의 균일한 라

즈마 형성이 가능하다. 이러한 마이크로웨이 의 특징은 보다 다양하고

경쟁력 있는 실질 인 상압 라즈마 기술의 용을 가능하게 하며 특히,

진공장비를 별도로 필요로 하지 않는 상압 라즈마 기술과 마이크로웨이

가 가지는 장 때문에 최근 라즈마 ashing, DLC(Diamond Like

Carbon), diamond coating 등 비 도성의 경 기능성 박막 코 거술,

고효율 소결기술(sintering) 폴리머 등의 표면 활성화 분야 등에 그

용기술이 연구되고 있다. 한 마이크로웨이 상압 라즈마 기술은 기존

의 DC 방법으로 인한 도 라즈마의 제한 . 압 RF 압 마이

크로웨이 방법으로 인한 high cost 공정의 문제 등을 해결함으로써

경제 , 기술 측면의 개선효과가 동시에 기 되는 분야이기도 하다.49),50)

마이크로웨이 상압 라즈마 기술의 용분야로는 라즈마 내의 고주

마이크로웨이 의 direct wave-particle interaction mechanism에 의한

높은 이온화율과 마이크로웨이 가 갖는 상압 방 의 용이함에 기인하여

최근 라즈마 down stream을 이용한 반도체 ashing 공정, high rate,

large area diamond coating 기술 등의 non-conductive film coating 분

야, 무 극(electrodeless) 라즈마 방 의 특성을 이용한 환경 련 라

즈마 decomposition 분야, contactless/solvent free cleaning분야, 반도체

etching 공정 분야 등 다양한 용기술분야가 두되고 있다. 한 마이

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크로웨이 상압 방 을 응용한 radical downflow 시스템의 용은 기존

의 반도체 PR ashing 공정을 크게 개선시킬 수 있을 것으로 기 한다.

한 마이크로웨이 상압 라즈마 방 기술은 무 극(electrodeless) 방

기술로서 최근 라즈마를 이용하여 가스정화 등에 사용하고자 하는 코

로나 방 시스텔 등 극을 이용하는 시스템이 가지고 있는 극

contamination 문제 power consumption 문제 등을 해결할 수 있는 매

우 경쟁력 있는 기술로 새로운 환경친화 체 기술로의 활용이 크게 기

되고 있으며 미국 등지에서 이와 련한 많은 연구가 진행 에 있

다.51),52)

일반 인 마이크로웨이 라즈마 반응 장치 구성은 마이크로웨이

발생기, 아이솔 이터, 워모니터, 스터 튜 , 쇼트 런지, 원료가스 공

배출구로 구성되어 있으며, 애 리 이터의 종류에 따라 크게 3가

지(침지형, 분리형, 이온화용)로 구분된다. 침지형인 경우 마이크로웨이

는 마이크로웨이 발진부에 의해서 발진 주 수 2,450MHz, 발진출력

0-5KW의 마이크로웨이 를 안정하게 발생하고, 아이솔 이터, 워모니

터, 정합소자(스리스터 튜 )등의 도 을 지나서 애 리 이터에 마이

크로웨이 를 유도하는 것이다. 마이크로웨이 계는 마이크로웨이 발

진기에 의해서 발진 주 수 2,450MHz,발진 출력 0-5KW의 마이크로웨이

를 안정하게 발생하고, 아이솔 이터, 워 모니터, 정합 소자(스리 스

터 튜 ) 등의 도 계를 지나서 애 리 이터에 마이크로웨이 를 유

도하는 것이다 마이크로웨이 발생기가 애 리 이터 내의 라즈마 상

태에 향되는 일 없이 안정하게 동작하기 해서 아이솔 이터가 필요하

게 된다. 워 모니터에 의해서 입사 력 Pi와 반사 력Pr를 감시하면

서 마이크로웨이 를 효율 으로 이용할 수 있는 상태로 정합기의 스터

삽입 깊이를 조정한다. 이 경우, Pi-Pr가 라즈마에 소비된 력이 된다.

- 41 -

애 리 이터는 직사각형 도 의 긴변(H면)의 심 치 즉 계의

최 치에 짧은 변(E면)에 평행하게 구멍이 뚫려 있고, 그 부분을 석

유리제 라즈마 발생 이 통하고 있다. 라즈마 발생 의 심 치

에 라즈마가 발생하도록 쇼트 런 의 치를 조정한다. 침지형에서는

이 반응기의 심 부분에 기 을 유지하고 있다. 유량계, 압력 굴 이터

등을 갖춘 원료 가스 공 부에 의해 컨트롤된 원료 가스를 쪽에서 아래

쪽을 향해서 흘리면서 반응을 한다. 배기 장치는 감압계 체를 필요한

감압 하에 두기 한 것으로, 요구 능력에 따라서 로터리 펌 , 메커지컬

부스터, 확산 펌 등을 사용한다. 분리형인 경우는 기 이 라즈마의 외

부에 있고, 기 면의 화학 반응은 라즈마 에서 생성된 성 여기종

(래디컬)과 기 에 존재하는 고체 는 화학 홉착된 2차 인 기체와의

반응이 되고, 이온 는 자로부터의 에 지의 공여는 없다. 즉 기

가 이온 충력을 받는 일이 없다. 이온형 라즈마 장치는 유도 마이크로

웨이 방 장치이다. 2,450MHz의 마이크로웨이 는 직사각형 도 , 직

사각형-원형 변환기, 원형도 을 지나서 방 실에 도입되어, 마이크로

웨이 방 이 발생한다. 유도 마이크로웨이 방 은 자기장 에서의

자의 사이클로트론 운동과 마이크로웨이 의 공명 상을 사용하고 있

다. 자계의 크기는 공명이 일어나는 값(2,450MHz. 875G)보다 약간 크게

되어 있다. 계의 방향은 원형 도 의 축에 수직으로, 원형 도 의

축방향 자장의 작용에 의해서 3-10torr 이하에서도 방 을 지속 할 수 있

다. 라즈마는 솔 노이드와 구 자석의 자장에 따라서 기 쪽으로 이

동한다. 라즈마 쉬스 압에 의해서 가속된 이온종이 에칭을 돕고 이온

에칭RIE(Reactive Ion Etching)에 가까운 동작의 에칭으로 이방성 에칭이

얻어진다. 라즈마 생성실은 지름 20cm 높이 20cm TE113모드의 공동

공진기로서 동작한다.

- 42 -

다. 마이크로웨이 라즈마의 응용기술

(1) 다이아몬드 합성

침지형 장치를 사용해서 기 을 라즈마 발생 의 앙에 지지한 상

태에서 쇼트 런 의 치를 장의 1/4부분에 치시킨 후 메탄과 수소

의 혼합가스를 사용해서 가스 압력 20-50torr, 메탄의 수소에 한 비율

0.5-5%로 하고 마이크로웨이 출력 200-600W로 하면 특별히 가열장치

를 사용하는 일 없이 기 온도를 800-1000로 유지 할 수 있다. 기 으

로는 다이아몬드, 몰리 덴, 텅스텐, 탄탈, 실리콘, 흑연, 사 이어 등에 다

이아몬드 박막이 형성된다. 성장속도는 조건에 따라 다르지만, 최 시간

당 수 마이크로미터 이다. 생성 다이아몬드는 주요한 성질은 천연 다이아

몬드와 유사하며 지구상의 고체물질 최고의 경도이며, 공업용커터, 숫

돌, 정 삭바이트로서 유용하다. 열 도는 30-650의 온도 범

에서 모든 고체 에서 가장 우수하고 반도체 소자, 특히 소비 력 도

가 큰 마이크로웨이 발진 소자의 방열체로서 주목되고 있다. 기 으

로 연체이고, 외 역의 일부를 제외하고 자외, 가시, 외선의 넓은

장역에 걸쳐서 빛의 투과성이 우수해서 즈나 유리등 학재료로서 유

용하다. 그리고 특정불순물을 도포하면 반도체로 되는 등의 특성으로 앞

으로의 양산문제, 질 인 문제 등 연구가 기 되는 분야 이다.53),54)

(2) 속의 질화처리

도 내의 방 에서 발생한 질소-수소 라즈마에 의해 속이

질화된다. 티탄은 라즈마 과 애 터 로부의 어느 쪽에서도 질화되

어 표면에 TiN의 생성이 인정된다. 애 터 로부를 이용한 실리콘의 질

화나 강철의 표면질화에 의한 Fe4N의 생성 등이 시도되고 있다. 표면 질

화의 결과 속의 표면은 히 경화되는데 이를 이용한 속재료학

- 43 -

연구가 활발히 진행 이다.

(3) 고분자 재료의 표면 개질

폴리에틸 , 폴리 로필 , 테 론 등 고분자 재료의 표면 개질에 종래

는 주로 고주 방 (13.56MHz) 라즈마가 이용되어 왔지만 최근 마이크

로웨이 라즈마의 이용이 주목되고 있다. 이것은 활성종의 발생효율이

좋은 , 넓은 압력범 에서 안정한 방 이 얻어지는 , 조작의 용이성

등의 이유에 의한 것이다. 마이크로웨이 라즈마에 의해서 발생한 활

성원자상 산소를 고분자 재료 표면에 반응시킴으로써 착력개선, 도장성

개선, 섬유 등의 염색성 흡습성 발수성 개선 등에 응용되고 있다.

(4) 반도체 제조 공정에의 응용

반도체 집 회로 로세서에도 라즈마 로세서가 요성을 증가하

고 있다. 이것은 로세서의 드라이화, 로세서의 온화를 가능하게 함

과 함께 미세 패턴 가공사용에서도 기 된다. 마이크로웨이 라즈마

에칭은 유도자기장 마이크로웨이 방 을 사용함으로써 낮은 가스압력

(P<10-3Torr)으로 고 도의 라즈마가 얻어져, 손상 오염성이 양립

한 에칭이 가능해진다. 에칭가스로써 주로 불소화합물(CF4, CnFn,

SF6,NF3등)이나 염소계 가스(Cl2,CCl4,BCl3등)가 사용되고 라즈마 에서

형성되는 활성 반응종(F+,CFn+등의 이온, F, CFn등 의 성래디컬)이 기

표면에서 반응해서 증기압이 높은 반응생성물 SiF4를 만들어 에칭이

진행된다. 에칭이 주로 성 래디컬로 행해지는 경우(높은 가스 압

력:P>10-1Torr) 에칭 진행 방향은 등방 이 되고, 주로 에칭이 이온으로

행해지며, 한 이온이 이온 쉬스 내에서 충돌 없이 가속되는 경우 에칭

은 비등 방 이 된다.55),56)

- 44 -

(5) 마이크로웨이 라즈마 토치

마이크로웨이 라즈마 토치는 기압 하에서 기체 방 으로 생긴

라즈마를 냉각한 속 노즐에서 분출해서 만드는 고온 가스류로서 도

도가 높은 기체류의 주변이 표면 을 감소시키도록 라즈마 가두어지고

지름이 수축해서 심부분의 온도가 고온이 된다(열 핀치효과). 발생불꽃

의 상태는 양과성에서의 가열과 냉각에 의해서 결정되고 기체의 종류, 상

태(유랭, 노즐형상), 기입력에 따라서 변화한다. 마이크로웨이 계에

의해서 해리, 리한 기체는 상호 충돌하여 운동에 지를 열로 변화시킨

다. 불꽃 길이는 워 증가에 따라서 증가하지만 λ/4보다는 늘어나지 않

는다(2450Mhz의 경우 λ:약12cm). 마이크로웨이 방 은 라즈마가 고

온이고, 한 안정한 것에 특징이 있다. 마이크로웨이 력 600W

라즈마 가스에 공기를 마이크로웨이 의 고 계에 의해서 발생한 라즈

마의 에 지를 자 온도로 표시하면

Te=(Kq)= 0.24 (

MmMe

) 0.5λe1.........................................(16)

torr여기서 E는 계의 강도, λe1은 0.1torr의 압력 하에서의 평균 자유행

정(M. F. P)을 표시하고 있다. 이식에서 구하면 1Te=11,600o에서 상당하

고 큰 에 지를 보유하고 있으므로 여러 가지 열 가공에 이용 된다.57),58)

- 45 -

2 연구내용 방법

1. 휘발성 유기화합물 선택

방향족 화합물은 표 은 발암물질로 분자 내에 벤젠고리를 가지고

있는 물질로 벤젠, 톨루엔 등이 있으며, 톨루엔인 경우 환경부가 정한 악

취 휘발성 유기화합물 규제 상물질로써 사용량이 많은 휘발성유기화

합물 의 하나이다. 부분의 휘발성 유기화합물인 경우 Table 2와 같이

유 상수 기 1∼10미만이며, 그 에서도 톨루엔은 유 상수 2.4로 규제

상 휘발성 유기화합물 마이크로웨이 로 탈착하기 가장 힘든 물질

하나이며, 톨루엔과 같은 방향족 화합물은 공명안정화(resonance hybrid)

로 인해 일반 인 온 라즈마 기술로 분해하기가 매우 어렵고 분해를

해서는 많은 에 지가 소모된다고 알려져 있다. 이와 같이 화학 으로

안정한 화합물을 마이크로웨이 라즈마를 이용하여 효과 으로 분해시

킬 수 있다면 다른 휘발성 유기화합물들 한 쉽게 분해될 수 있을 것이

다.

2004년 4월 재 톨루엔의 미국가격은 nitration-grade spot 가격이

gal당 1.05∼1.08달러 고, 유럽은 톤당 305∼310달러 다. 그리고 3/4분기

거래가격은 톤당 305마르크다. 한편 아시아는 fob main port 기 305∼

320달러다. 1999년 미국의 아로마틱스 가격이 꾸 히 상승하면서

nitration-grade 톨루엔의 물가격은 gal당 fob기 1999년 64∼65센트에

서 92∼93센트로 증가했다. 톨루엔 제품 시장 유율이 가장 높은 것

하나가 옥탄 진제이다. 그러나 미국의 경우 Clean Fuel Mandates에

따라 규모가 어들 망이다. 산화제 Mandate가 사라질 경우, 톨루엔 가

격에 어떤 향을 미칠지는 확실치 않지만, 톨루엔 사용은 계속 늘어날

것으로 망된다. 톨루엔의 약 38%가 dealkylation을 경유한 벤젠 생산에

- 46 -

사용되고, 19%는 mixed xylenes와 disproportionation을 경유한 벤젠 생산

에 사용된다. 그리고 10%는 solvents가 차지하고 있고 8%는 TDI를 만드

는데 사용된다. 한편, 톨루엔은 나 타 streams의 catalytic reforming을

통해 벤젠, xylenes, C9 aromatics와 함께 생산된다. [자료출처 : 미칼리

포트(2000년 4월 - 제115호)] 실험에 사용된 톨루엔은 국산 제품인 덕산

화학사에서 생산된 제품이다. 화학식으로는 C7H8이며, 특이한 냄새가 나

는 무색 액체이며, 분자량 92.14, 녹는 －95 , 끓는 110.8 , 비

0.87(15 )이다.

- 47 -

Table 2. The dielectric constant of VOC.

Material Molecular formula

Dielectric

constant

1 Acetaldehyde CH3CH0 - -

2 acetylene C2H2 1.0217 0

3 Acetylene Dichloride C2H2C12 - -

4 Acrolein C3H4O - -

5 Acrylonitrile C3H3N - -

6 Benzene C6H62.3 2.1 1.0028

20 223.8 371.1

7 1,3-Butadine C4H6 - -

8 Butane C4H10 1.4 -1.1

9 1-Butene, 2-Butene C4H8[CH3CH2CHCH2)],

C4H8[CH3(CH)2CH3]- -

10 Carbon Tetrachloride CCl4 2.2 20

11 Chloroform CHCl35.5 4.8 3.7

0 20 100

12 Cyclohexane C6H122.0 18.5

20 (Li)

13 1,2-Dichloroethane C2H4Cl2[Cl(CH2)2 Cl] 10.3 25

14 Diethylamine C4H11N[(C2H5)2NH] 3.7 20

15 Dimethylamine C2H7N 6.3 0

16 Ethylene C2H4 - -

17 Formaldehyde HCHO - -

18 n-Hexane C6H14 1.9 20

19 Isopropyl Alcohol C3H8O[(CH3)CHOHCH3] 18.3 20

20 Methanol CH3OH 32.6 25

21 Methyl Ethyl Ketone C4H8O[CH3COCH2CH3] 18.4 22.2

22 Methylene Chloride CH2Cl2 - -

23 Methyl Teriary Butyl Ether CH3OC(CH3)2CH3 - -

24 Propylene C3H6 11.9 (Li)

25 Propylene Oxide C3H6O - -

26 1, 1, 1-Trichloroethane C2H3Cl327 Trichloroethylene C2H2Cl3 3.4 16.1

28 Acetic Acid C2H4O2 6.2 20

29 Ethylbenzen C8H10 4.1 2.2

30 Nitrobenzen C6H5NO235.7 34.8 26.3

20 25 124.4

31 Toluene C7H8 2.4 2.0-2.4

20 (Li)

32 Tetrachloroethylene C2Cl4 2.5 21

33 o-,m-,p-xylene C8H10 2.4 20

34 Styrene C8H8 2.4 25

- 48 -

2. 실험 방법

가. 흡착제 선별 실험 실험장치

마이크로웨이 를 이용한 흡탈착 농축공정의 흡착제 선택은 마이크로

웨이 를 흡수하지 않으면서 마이크로웨이 가열에 의한 구조변형이 없

어야하며, 고농도의 휘발성물질 농축시스템의 특성상 발화의 가능성이 없

어야한다. 이를 확인하고자 공업용으로 많이 사용하고 있는 흡착제를

상으로 반 인 마이크로웨이 가열 선별 실험을 수행하 다. 실험에

사용된 흡착제로는 ‘제오빌더사의 제오카본’, ‘삼천리사의 입자상 활성탄’,

‘제오빌더사의 합성제올라이트’, ‘왕표화학사의 천연제올라이트’, ‘950로

60분 가열된 천연제올라이트’, ‘천연제올라이트를 가공하여 만든 입자상

제올라이트’로 흡착제를 선정하 다. ‘‘제오빌더사의 제오카본’, ‘삼천리사

의 입자상 활성탄’, ‘제오빌더사의 합성제올라이트’ 인 경우는 생산된 상품

그 로 사용하 으며, 천연제올라이트와 가열된 천연제올라이트는 왕표화

학에서 생산된 포항 지방의 천연제올라이트로써 4∼6mm 크기로 선별하

여 하 다. 특히 가열된 천연제올라이트는 기로를 이용 950에서 1시`

1KW bench scale 흡착제 선정 실험인 경우는 각각의 종류별 흡착

제를 제조 후 증류수로 3회 이상 세척하고 110에서 6시간 이상 건조한

후 n-hexane으로 다시 세척한 후 110에서 1시간이상 건조한 다음 데시

이터를 이용하여 방냉 하 다. 하지만 10KW pilot scale 흡탈착 농축

시스템인 경우는 건조 후 n-hexane 세척 과정을 거치지 않고 사용하

다.

실험 장치는 Fig. 3.8과 같으며, 주 수는 2.45GHz, 최 출력 1KW의

stirrer가 장착된 뱃치형의 반응기(한국고주 응용기기)를 사용하 고, 마

이크로웨이 가열에 따른 흡착제의 온도 변화를 측정하기 해 섬유

온도계(optical fiber thermalmeter, Willianmson Co)를 오 상부에 설치

- 49 -

하 다.

Fig. 3.8. Lab scale microwave heating system

마이크로웨이 가열에 따른 흡착제내의 수분과 유기오염물질의 탈착

특성을 알기 해 오 하부에 석 유리 을 설치한 후 무게 울을 설치

하여 연결하 으며 오 내부에서 직 측정이 가능하도록 설계하여 제작

하 다. 한 시스템에는 power를 0w에서 1,000w까지 조 이 가능하도록

제작 의뢰하여 사용하 다. 실험의 안 을 해 마이크로웨이 출 탐

지기를 이용하여 안 을 확인하 다. 시료 용기는 마이크로웨이 에 의한

향을 최소화 하고자 재질이 pyrex인 비커를 이용하 으며 비커의 용량

은 250이었다. 마이크로웨이 가열장치는 multi-mode방식과 single

-mode방식으로 나 수 있으며, 두 경우 모두 도 을 이용한 방법으로

- 50 -

single-mode은 구형 도 내에 실린더형의 공진기(resonant applicator)

를 설치하고 기 도도가 큰 재료를 공진 벽을 만들어 에 지효율을 극

화 시킨 방식이며, multi-mode 방식은 일반 자 지에 일반 으로 사

용되는 방식으로 오 에 마이크로웨이 가 조사되면, 조사된 마이크로웨

이 가 속재질로 제작된 오 에서 반사, 회 되어 일정한 자기장을 형

성하도록 한 방식이다. multi-mode 방식은 피 가열물의 크기가 크고 모

양이 불규칙한 경우에도 용 가능하므로 산업 인 용도로 사용되는 마이

크로웨이 가열장치는 부분이 이 방식을 취하고 있다. 한 보다 효

율 인 마이크로웨이 분산을 해 turn table이나 stirrer등을 이용함으

로써 반응기내의 마이크로웨이 특성은 더욱 복잡해진다. 마이크로웨이

가열장치를 선정하는데 있어서는 먼 물질에 한 특성, 즉 마이크로

웨이 에 의한 유 손실율 등을 악하는 것이 요하다. 마이크로웨이

의 흡수가 크고, 조사된 에 지가 효율 으로 열로 변하는 물질이면, 간단

하고 취 이 쉬운 오 형을 사용할 수 있으며, 마이크로웨이 를 흡수하

지 않고 투과해 버리는 물질의 경우에는 오 형에서는 마이크로웨이 가

물질에 충분히 흡수되지 않고 반사 되므로 부 당 할 수 있다. 공정 에

서 흡착제를 사용할 경우에 조건에 따라 다르나 보통 수분이 10 ∼ 40%

정도 함유될 것이며, 수분은 표 인 유 체로 마이크로웨이 를 흡수하

여 쉽게 열로 환 될 수 있으므로 본 연구에서는 multi-mode방식을 이

용하 다. 시료용기는 마이크로웨이 의 투과를 방해하지 않으며, 가열과

정에서 타거나 변형이 없어야 하고 피 가열물과의 반응이 없는 재질을 선

택해야 한다. 속용기는 마이크로웨이 를 반사하고 정 기가 발생되므

로 사용할 수 없으며, 라스틱은 투과성은 좋으나 열에 의해 변형이 되

기 때문에 당하지 않으며 마이크로웨이 가열에는 주로 실리카, 자기

류, 내열유리가 사용되다.59) 이 실리카 용기는 마이크로웨이 를

- 51 -

흡수하지 않으므로 빈 용기만을 가열할 경우 온도가 상승하지 않으며,

pyrex 용기는 비록 작은 양이지만 마이크로웨이 를 흡수하는 것으로 알

려져 있으며 실제 실험에 있어도 빈 pyrex용기의 온도가 상승하는 것을

확인하 다. 그러나 모든 실험이 같은 조건에서 실시되고 온도 상승폭 역

시 실험에 향을 정도는 아니었다. 하지만 자기류는 빈 용기만을 가

열할 경우 마이크로웨이 를 흡수하여 온도가 증가 하게 되므로 음식류

가열 등에는 사용 가능하나 본 연구에 있어서는 부 당한 것으로 단되

었다.

나. 흡착제의 물리 화학 특성 실험

흡착제의 화학 조성은 흡착제의 성질을 결정하는 요한 인자이며,

물리 특성은 흡착제내의 흡착 탈착의 거동을 악하는데 요한 역

할을 하게 된다. 흡착제의 화학 조성은 유도결합 라즈마 분 도계

(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 측정하 으며 물리 인

특성은 KS F2308에 의하여 실험을 수행하 다. 한 흡착제의 흡착능력

을 악하기 해 선택된 흡착제를 상으로 내경 30mm 길이 150mm석

에 흡착제 200g을 자 울로 무게를 측정한 후 넣고, 석 양쪽을

유리섬유로 막고 1KW 마이크로웨이 반응기 안에 넣어 600w에서 30

분간 마이크로웨이 로 가열하면서 질소가스를 흘러주어 흡착제 내의 수

분을 제거하는 방법을 선택하 다. 흡착실험은 증기화 베에 톨루엔을

넣고 질소를 흘려 bubbling 시켜 얻은 증기화된 톨루엔을 반응기내로 유

입시키고 배출구에 GC(HP 5890:FID)로 농도를 확인 하 다.

- 52 -

다. 흡착제의 유 특성 실험

마이크로웨이 에 의한 가열특성은 유 가열로 흡착제의 유 특성치

를 아는 것이 매우 요하므로 network analyzer(HP-8510B)를 이용하여

실험 상인 흡착제별 유 상수 손실계수를 측정하 으며 측정시 수분

량을 변화시켜 수분에 따른 유 특성치의 계를 악하고자 하 다.

라. 마이크로웨이 에 의한 휘발성 유기화합물 탈착 특성 실험

실험을 하기 흡착제를 170 건조기에서 3일간 건조한 후 데시 이

터에서 넣고 방냉 후 보 하 으며, 건조기에서 건조된 흡착제는 친수성

이 강함으로 비록 실험실내의 공기에 의해 미량의 수분이 존재하더라도

함수율을 0%로 간주하여 실험을 수행하 다. 함수율 0%의 흡착제에 증

류수를 첨가하여 10%, 20%, 30%의 수분이 포함된 흡착제를 조제한 후,

용기(rack&rack)에 넣고 상온에서 12시간 보 하여 수분이 흡착제

체에 고루 분포하도록 노력하 다. 흡착제 내 휘발성 유기화합물(toluene)

탈착 실험은 건조된 흡착제와 함수율이 10%, 20%, 30%인 흡착제에 일정

량(200g)을 폐기물 공정시험법에 의거 분취하여 샘 을 만든 후 톨루엔을

각각 무게비로 10%가 되도록 하여 1KW 반응기내에 두고 일정한 시간

을 두고 마이크로웨이 를 조사하 다. 잔류된 흡착제 내의 수분 휘발

성유기물화합물의 농도는 반응기에 설치된 울을 두고 확인하 고, 마이

크로웨이 가열시 흡착제의 연소 상이 발생되면 마이크로웨이 출력을

낮추어 실험을 단 하 다. 한 마이크로웨이 가열 후 방냉하여 넓은

스테인 스 에 담아 육안으로 흡착제의 변형이나 뭉친 상을 찰하

다.

- 53 -

마. 10KW 마이크로웨이 흡탈착 시스템 용량 산정

흡착은 유체분자가 고체표면에 부착되는 상이다. 흡착에는 흡착되는

물질과 흡착하는 흡착제가 있다. 흡착 상을 이용하면 가스나 액체 는

고체의 농도가 극히 낮을 경우라도 일정한 흡착제를 사용하여 선택 으로

제거 할 수 있다. 흡착공정은 흡착, 탈착 흡착제 재생의 세 공정으로

구분한다. 흡착은 흡착 물질과 흡착제가 하여 흡착물질이 흡착제에

부착되는 공정이다. 탈착은 흡착제에 흡착되지 않은 물질이 흡착제 표면

으로부터 분리되는 공정이다. 재생공정은 흡착된 물질을 흡착제로부터 제

거하는 공정이며, 이 공정을 통해서 부분의 흡착제는 흡착제로서 재사

용이라고 한다. 일반 인 흡착제 재생은 흡착에 사용된 흡착제를 가열하

는 과정을 포함하며, 흡착질의 종류에 따라 가열방법이 다르다. 본 연구에

서는 흡착제를 가열하는 공정 즉 탈착 공정을 마이크로웨이 를 이용하여

제어하 다.

휘발성 유기화합물을 함유한 기체가 온도가 낮고 상온 부근이거나 높

아도 100°C 이하인 경우 에 지소비량이 비교 작은 흡착법이 체 으

로 경제 일 수 있다. 설계 시 고려사항은 통과속도가 무 느리면 흡착

탑 면 이 커져 비경제 이고, 통과속도가 무 빠르면 유동화가 일어나

흡착제가 비산이 되므로 안정 인 흡착제의 피 흡착물 통과속도의 범

(Linear Velocity)와 압력손실(Pressure Drop) 고려하여 층의 높이를 0.8m

로 하 고 폭은 마이크로웨이 에 의한 유 가열 특성치를 고려하여 침투

깊이가 30cm미만이 되도록 하 다. 설계를 한 조건은 처리용량 300(

/hr)이며 유기용제 농도는 3,000ppmv으로 가정하 다.

(1) 처리하려는 배기량 Q = 5(/min)

(2) 용매 성분농도 Co = 3,000 ppm (톨루엔: 분자량 Mw (92))

(3) 반응기 내의 시간 1.2m/sec

- 54 -

(4) 배기온도Ta = 20°C, 배기압력 Pa = 20 mmAq로 하 다.

이상의 조건에 기 하여 배기 용매성분의 단 시간당의 부하W(kg/hr)

를 구하면 압력은 기압에 가깝다고 보아도 좋으므로 W는 다음 식에 의

하여 계산된다.

W = Q x (Co/106) x (Mw/22.4) x 273 / (273 + Ta)............(17)

W = 5 x (3,000/106) x (92/22.4) x (273/303)

= 3.33kg/hr

즉 매시간당 약 3.33kg의 용매가 발생된다. 한 흡착 실험을 통하여 선

정한 제조된 제올라이트의 피 흡착능력은 0.51kg/kg이지만, 흡착의 안

계수를 고려하여 0.25kg/kg으로 하 고, 겉보기 도(0.65)와 흡착제의 유

특성 운 시간(5hr)을 고려해 흡착탑(0.29m*0.224m*0.8m) 2기로 결

정하 다. 탈착에 필요한 에 지 산정은 흡착제 총 량 67.6kg에 피 흡

착물인 톨루엔 16.9kg을 고려한 84.5kg로 하 으며 각각의 비열을 계산한

결과 평균비열은 0.594cal/g이었으며 투입 력효율은 입사된 력 체

를 사용하도록 되어 있기 때문에 100%로 볼 수 있으며 온도 승온 20에

서 220로 충분히 온도를 올릴 수 있게 설계하 다. 이를 바탕으로 계산

해보면 P[KW]= 흡착량(84.5kg/hr)× 평균비열(0.584 cal/g)× 200×

1.16×10-3= 약 11KW가 필요하게 된다.

바. 10KW 마이크로웨이 에 의한 반응기내 온도 측정 실험

본 실험은 결과 고찰에서 언 될 10KW 반응기내에 제조된 제올

라이트 흡착제를 채우고 반응기 외벽에 1/4inch fitting류로 열 가 고

정이 가능토록 하 으며 주 온도 측정 지 은 반응기 균일 가열온도 확인

이 가능한 Fig. 3.9에서처럼 12site을 선정하 고 반응기 심 부분에 열

가 치되도록 하 다. 주요 온도 확인은 섬유온도계(optical fiber

- 55 -

thermalmeter, Willianmson Co)로 연속 측정을 하 으며 나머지 11site는

시간 별 마이크로웨이 워를 지 시키고 이때 k-type 열 를 이

용하여 측정하 다. 측정 조건은 수분량과 투입 워를 변수로 하 으며

수분량은 흡착제 무게비로 0%, 4%(2.7liter), 10%(6.76liter), 15%(10.14liter)를

증기화시켜 흡착제 내에 흡착되도록 하 다. 이때 워를 각각 3KW,

6KW, 9KW로 나 어 온도를 측정하 다.

Fig. 3.9. Temperature measuring sites on the rectangular rector

(R : 290mm*224mm*800mm, L : 290mm*224mm*800mm)

사. 10KW 마이크로웨이 흡탈착 농축 시스템내의 휘발성유기물 탈착 실험

본 실험은 제조된 제올라이트 흡착제 량을 기 으로 톨루엔을 무게

비 10%(5.88liter)를 증기화 시켜 반응기내에 흡착 시켰다. 한 동시에 수

분에 따른 향을 악하기 해 물을 증기화하여 톨루엔과 함께 흡착되

도록 하 다. 증기화 된 톨루엔과 물은 압축공기에 의해 반응기를 통과하

면서 흡착되며 반응기 후단에 0.5hp ID PAN을 두고 흡입을 시켜 흡착이

잘 이루어지도록 하 다. 실험에서 실시한 실험의 변수는 투입된 톨루엔

- 56 -

의 흡착량 5.88liter와 흡착된 수분의 양(0, 2.7, 6.76 ℓliter) 이며 마이크

로웨이 워는 3KW에서 실시하 다. 탈착 효율은 응축기 후단에 치

한 진공펌 에 의해 응축기로 탈착된 유기용제가 흡입되며 응축기 내부에

용량 베를 두어 응축되어 나오는 양을 기 으로 하 다. 실험 조건에서

응축기 효율은 미리 증기화 된 톨루엔을 투입하여 입구 농도와 출구 농도

의 비로 산정하 으며 응축기 효율은 톨루엔 기 으로 98.6%이 다.

Fig. 3.10. Schematic diagram for the 10KW Microwave heating and

recovery system.

- 57 -

아. 1KW 마이크로웨이 라즈마에 의한 휘발성유기물 처리 특성 실

험

Fig. 3.11은 1KW 실험장치의 개략도를 나타낸다. 라즈마 생성을

한 마이크로웨이 발생장치로는 2.45GHz 자 지용 마그네트론을 사

용하 다. 마이크로웨이 라즈마에 직 인 역할을 하지 않는 튜 나

기타 불필요한 장치는 설치하지 않았으며, 마이크로웨이 는 WR-340 도

을 통하여 달되고 도 끝부분에는 sliding short 장치를 두어 지

름 30mm 석 반응기내에 출력이 최 로 달될 수 있도록 하 다. 도

속의 석 반응기 하부에는 층류 흐름이 가능하도록 디자인이 된

챔버가 존재하며 챔버로 투입되는 라즈마 가스와 처리 상가스 투입 노

즐이 설치되어 있다. 석 반응기 상부는 T-union을 사용하여 배가스

분석(testo 350xl), 유기물분석(GC 5890: FID)을 한 설비를 장착할 수

있도록 하 으며, 측정기기의 측정범 를 벗어날 경우를 상하여 테 론

백에 진공을 걸 수 있는 별도의 장비를 구축하 다. 마이크로웨이 라

즈마 발생은 기 마그네트론을 가동 시킨 후 텡스텐 와이어를 이용하여

스 크를 일으켜 방 이 시작되며 텡스텐 와이어를 제거하여도 안정 인

라즈마 방 이 이루어진다. 한 가동 후나 가동 에 기기 오작동이

나 실험변수 변화로 인하여 마이크로웨이 방출을 막기 하여 지름

3mm 구멍의 다공 을 이용하여 마이크로웨이 출을 차단하 다. 실험

조건을 확립하기 하여 투입공기유량 5 liter/min, 10 liter/min, 15 liter/

min으로 하 으며 이때 투입된 톨루엔의 농도는 550∼2300ppmv 사이

다. 반응기에 넣고 산해석 로그램에서 확인된 최 의 sliding short

치에 두고 육안으로 라즈마 치 변화를 단하 다. 기 방 된 상태

에서 sliding short의 치에 따라 석 내의 라즈마 형상이 변화되는

것을 확인하 으며 반응기 내부에 가능한 넓게 분포되도록 하 다.

- 58 -

Air gas

Ar gas

Vacuum Pump

GC 5890

Flow Meter

Dry Oven

Solvent Bubbler

Flow Meter

Magnetron

Gas Analyzer(CO, CO2, NOx)

Fig. 3.11. Experimental apparatus of the 1KW microwave plasma

- 59 -

자. 3KW 마이크로웨이 라즈마에 의한 휘발성유기물 처리실험

마이크로웨이 흡탈착 농축 장치에서 농축되어 나오는 증기화 된 유

기용제류는 응축기에서 응축처리 되며 응축처리과정에서 배출되는 유기용

제를 기 으로 마이크로웨이 라즈마 장치에 투입될 유기용제 농도를

결정하 다. 실제 pilot-scale 시스템 운 에는 마이크로웨이 워,

응축기의 응축 효율 등의 다양한 운 조건으로 탈착된 배가스 농도를 조

할 수 있어 본 연구에서 투입된 농도(20,000ppmv이하)는 당하다고

단된다. 유기용제의 라즈마 처리를 한 실험장치의 개략 인 flow

diagram은 Fig.3.12와 같으며 라즈마 처리 장치외 스 투입부분, 유기용

제투입부분, 라즈마 반응장치, 분석부분으로 나 수 있다. 스 투입부

분은 가스 압에 의해 일정한 수분 양을 가열라인까지 액체유량컨트롤러를

통해 공 하여 물 유량 체를 증기화 시켜 물의 증기압에 의해 반응기 내

부에 유입되게 하 다. 유기용제 투입부분은 증기화 된 유기용제류를 Ar

가스 유량에 의해 운반되도록 하여 반응기내에 투입 시켰으며 일정한 유

기용제 투입을 해 온도에 따른 유기용제 증기압을 계산하여 발생량을

측하 다. 일정한 온도조 을 해 진공오 을 이용하 으며 증기화된

스 의 내 응축을 막기 해 반응기까지 연결된 테 론 외벽에 열선

을 사용 하 다. 증기화된 유기용제 농도 보정은 GC(HP-5890,FID)로 반

응기에 투입되기 측정하여 보정하는 방법을 선택하 다. 분석부분은

GC(HP-5890,FID)를 이용하여 검량선 작성 후 유기용제를 샘 링 용기

(테 론백)에 포집하여 분석하 다. DRE(%)측정 등 모든 실험은 마이크

로웨이 라즈마 반응기내의 충분한 운 에 의한 열된 상태에서 실시

하 다. DRE(%)측정은 마이크로웨이 Plasma power를 2KW에 고정시

켜서 운 하 다. Plasma 주요 방 가스로는 Ar, 보조가스로 steam과

O2를 사용하 다. 모든 Plasma의 발생 가스 에 Ar/O2는 유량측정미터로

- 60 -

조 하 으며, 스 은 유량게이지에 따른 증기 유량 곡선, 실험에 사용된

유기용제(Toluene)는 GC분석으로 투입 후의 농도를 계속 측정하는 방

식으로 정 측정이 이루어지도록 하 다. 이러한 방법을 통해 주입된 유

기용제 농도에 따라 스 /O2주입으로 실험의 조건을 갖추었다. 처리효율

측정은 GC(HP-5890,FID)를 이용하여 측정하 으며, 시료 샘 채취는 반

응기에서 나오는 압 샘 링용기의 진공압을 이용하여 포집하 다.

1KW 에 의한 비 실험을 통하여 Ar을 라즈마 가스로 사용할 경우

톨루엔 처리 에 있어 반응기 내부의 탄소 검댕 형성으로 축 된 탄소막은

마이크로웨이 진행 방해, 반응기의 국부 가열 증가 시켜 시스템에 악

향을 미치기 때문에 사 에 막기 해 마이크로웨이 라즈마 운

기에 산화제 역할을 할 수 있도록 산소 1.6%를 주입하여 실험을 실시

하 다.

- 61 -

Fig. 3.12. Experimental apparatus of the 3KW microwave plasma

- 62 -

3 연구 결과

1. 마이크로웨이 에 의한 흡탈착 농축장치 흡착제 선정 측정결과

가. 흡착제 선별 실험 결과

흡착제 선별을 한 가열 실험 결과 제오카본, 입자상활성탄은 마이크

로웨이 를 조사하면 스 크가 발생하 으며 국부 인 가열 상으로 인

한 연소 상이 발생되었다. 이러한 스 크 가열 상은 마이크로웨이

에 의해 형성된 계 내에 도성 물체가 놓여 생기는 상으로 사료되

며 이러한 스 크는 고농도로 유기용제를 흡착한 흡탈착 반응기 내에

화원으로 사용될 수 있고, 한 강력한 마이크로웨이 흡착물질로 마이

크로웨이 침투 깊이를 하 시키는 물질이다. 합성제올라이트인 경우는

마이크로웨이 에 의해 용융 상으로 인한 흡착제 변형이 찰되었으며

천연제올라이트, 가열된 제올라이트, 제조된 제올라이트에서는 스 크

흡착제 변형이 찰되지 않았다. 본 실험의 결과 바탕으로 탄소계열 흡착

제와 합성제올라이트인 경우는 흡착제 선정에 있어 제외 시켰다.

나. 흡착제의 물리화학 특성

천연 제올라이트를 비롯한 천연의 토양에는 약 92종의 화학원소가 존

재하는 것으로 알려져 있으나 토양의 구성과 성질에 직 계되는 원소

와 물의 수는 그다지 많지 않다. O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K등 8종

의 원소가 체 성분의 96%이상을 차지하며, 그 산소가 약 46%를 차

지하나 이것은 부분 속원소들과 산화물의 형태에 존재하고, 자연석인

천연제올라이트 역시 이에 포함된다. 실험에 사용된 흡착제의 화학 조

성 물리 특성치는 Table 3과 Table 4와 같다. 흡착제 모두에서 SiO2

와 Al2O3 성분이 부분을 차지하 으며, 천연제올라이트인 경우 SiO2,

Al2O3가 각각 76.5%, 9.7%로 존재하 고, 950에서 열처리한 제올라이트

- 63 -

인 경우는 SiO2, Al2O3가 각각 85.5%, 13.46% 고, 제조한 제올라이트계

흡착제 경우는 제조에 포함된 다량의 Al2O3성분 때문에 SiO2, Al2O3가 각

각 72.68%, 25.84% 다. 한 Fe, H2O와 Ingnition loss는 천연제올라이

트에서 각각 2.68%, 2.04%, 4.1%로 가장 높은 것을 알 수 있었다.

Ingnition loss란 천연 제올라이트내 유기질의 함량 비를 나타내는 것으로

550에서 회화 시켰을 때 제거되는 양을 말하며, 천연 제올라이트 내에

서는 주로 fulvic acid와 humic acid의 형태로 존재한다. fulvic acid는 유

기질 가운데 분자량이 비교 낮고 카르복실기의 함량이 높은 물질로 철

과 알루미늄산화물, 토 물 고분자화 유기물과 결합한 형태로 존재

하며, humic acid는 난용성으로 제올라이트에서 Ca, Mg, Fe Al과 같

은 다가이온과도 난용성 humin산 염을 형성한다.

Table 3. Chemical components of absorbents

componentsclassification

natural zeolite heat treatment zeolite made zeolite

SiO2(%) 76.5 85.5 72.68

Al2O3(%) 9.7 13.46 25.84

Fe2O3(%) 2.68 0.1 0.03

CaO(%) 1.82 0.09 0.02

Na2O(%) 1.90 0,03 0.01

K2O(%) 1.25 0.01 0

P2O5(%) 0.04 0 0.01

H2O(%) 2.04 0 0

ignition loss 4.1 0 0

- 64 -

Table 4. Physical properties of absorbents

componentsclassification

natural zeolite heat treatment zeolite made zeolite

bulk density(g/cm3) 0.89 0.78 0.65

BET

surface area

(/g)

560 498 640

specific heat(J/g*C) 2.03 2.67 2.93

adsorption capacity

(gl/g)0.47 0.41 0.51

다. 흡착제의 유 특성

마이크로웨이 가열에서 목 하는 피 가열물의 가열특성, 즉 유 상

수, 손실계수 등의 유 특성(dielectric property)을 미리 측정해 두면 마이

크로웨이 가열의 합성을 추측할 수 있게 된다. 물질의 유 특성은 수

분 함량, 온도, 주 수에 따라 변하게 되며, 이에 해 많은 데이터가 제

시되었으나 주로 목재, 식품에 한 측정치에 한정되어 있는 실정이며, 흡

착제에 한 데이터는 문헌상 찾아보기 힘들다. 유 특성치를 측정하는

방법은 자유공간 송선로법(free space and transmission-line

techniques), 개방동축선로법(open coaxial lines methods), 도 측정법

(wave guide method), 캐비티 공진법(cavity resonatormethod)등이 있으

며, 자유공간 송선로법은 기에 액상 물질에 용된 방법으로 마이크

로웨이 에 의해 가열이 쉽게 되는 물질에만 용 가능하며, 개방동축선

로법은 Stuchly등에 의해 개발된 방법으로 복소유 율을 측정하는데 가장

간편한 장치로 유 손실이 매우 크고 층이 두꺼운 시료에 용 가능하

다.60),61),62)

도 법은 분석 상물질을 사각형 도 이나, 도 flange

에 앓은 시트상의 형태로 놓고, 시료 뒤편에 치한 단회로 피스톤

(shortcircuit piston)에 의해 임피던스를 측정하는 방법으로 주로 고상물

- 65 -

질에 용되며, 측정방법이 간단하고 정확도가 높다. 한편 캐비티 공진법

은 라스틱과 같이 유 손실이 작은 물질에 용되는 방법으로 분석

상 시료와 조사된 마이크로웨이 간의 반응을 증진시키기 해 공진기

(resonator)내에 분석물질을 넣고 Q-factor를 증폭시키는 방법이다. 본 연

구에서는 유 상수와 손실계수를 측정하기 해 사각형 TE10n 도 법

을 이용하 다. 먼 도 을 사용해서 2.45GHz에서 TE102mode가 되도

록 도 의 크기를 폭(W):109.2mm, 높이( H):54.6mm로 하 으며 길이

(C)는 입사된 마이크로웨이 의 장(λc)으로부터 다음 식에 의해

147.8mm로 하 다.

C=λg=λc

1-(λc/2W).............................................(1)

그리고 최 장 에 시료를 삽입하기 해 도 상부에 길이의 1/2이

되는 지 에 작은 구멍을 만들어 시료를 삽입한 후 network analyser(HP-8510B)

에 의해 유 상수 손실계수를 측정하 다. 각각의 흡착제별 유 특성

치는 Fig. 3.13, Fig. 3.14와 같다.

Table 5. Dielectric constant and loss factor as function of volumetric

moisture

dielectric constant (ε') loss factor(ε'')

dry basemoisture

10%

moisture

20%dry base

moisture

10%

moisture

20%

natural zeolite 6.58 18.45 28.22 0.078 3.52 5.67

heat treatment

zeolite1.99 11.88 22.90 0.011 2.21 4.36

made zeolite 2.37 12.34 28.70 0.035 2.03 3.59

- 66 -

제올라이트계의 건조 흡착제에서는 유 상수, 손실탄젠트 모두 낮은

것을 알 수 있었으며 속 성분이 포함된 천연제올라이트와 가열된 제올

라이트 보다 공극이 큰 제조된 제올라이트의 유 특성치가 높을 것을 알

수 있었다. 수분이 포함된 흡착제에서의 유 특성은 수분이 증가할수록

증가되며, 속성분이 작을수록, 공극이 작을수록 감소되어 건조된 흡착제

와는 반 되는 결과를 얻을 수 있었다. 일반 으로 건조 상태의 물질에

한 유 특성치는 물질의 도가 낮고 공극률이 증가함에 함에 감소된

다고 한다. 이는 공극에는 공기가 존재하고 공기의 유 상수는 약 1정도

로 외부에서 기장이 가해져도 공명(resonance)을 일으킨 정도로 빠르게

회 할 수 없기 때문이다.

- 67 -

o 10 200

5

10

15

20

25

30di

elec

tric

cons

tant

volumetric moisture(%)

natural zeolite heat treatment zeolite made zeolite

Fig. 3.13. Dielectric constant of absorbents versus moisture

- 68 -

o 10 20

0

1

2

3

4

5

6

loss

fact

or

volumetri moisture(%)

natural zeolite heat treatment zeolite made zeolite

Fig. 3.14. Loss factor of absorbents versus moisture

- 69 -

라. 흡착제의 열 흡수 특징

마이크로웨이 가열에 따른 흡착제의 휘발성 유기화합물의 탈착특성

을 알기 해서는 먼 물질이 가진 유 특성과 온도와의 계를 악하

는 것이 요하다. Ohlsson59)등은 마이크로웨이 가열시 시료의 온도는

심이 가장 높고 표면으로 갈수록 감소하는 상을 발견하고 이를

“core-heating effect"라고 하 으며, Chen과 Davis63)등은 sandstone을 마

이크로웨이 로 가열하며 유체의 흐름을 찰한 결과, 공기는 시료의

심부로 이동하며, 심부에서 온도와 압력이 최 가 되므로 시료 내에서

유체의 흐름은 심부와 표면과의 압력 기울기에 의한다고 하 다. 그러

므로 물질의 이동을 악하기 해서는 시료 심부의 온도를 악하는

것이 요하다. 한 온도 측정기기의 선택이 매우 요하다. 일반 열

나 수은온도계는 구성요소 자체가 속원소로 이루어져 있어 마이크로웨

이 를 흡수하여 속한 온도 상승이 발생할 수 있으며, 알코올 온도계는

알코올 자체가 극성 물질이라 유 가열에 의한 상으로 온도가 상승한

다. 이러한 이유로 기장 내의 온도 측정은 외선 측정법이나 형 측정

법이 주로 이용되고 있다. 하지만 외선 측정법은 기장내의 가열물 표

면의 온도 측정만 가능하여 피가열물 심의 온도를 확인하기는 어렵다.

본 연구에서는 형 측정법을 이용한 섬유(optical fiber) 온도계는 센서

끝단에 부착된 사 이어 결정상의 형 물질이 외부에서 가해진 에 지에

의해 여기상태에서 기 상태로 환될 때 방출한 형 을 학검출기로 검

출함으로서 온도를 측정하는 방법이다. 흡착제 자체 열 흡수 특성을 알기

해 직경이 80mm, 높이가 100mm의 pyrex용기에 흡착제를 200g 분취한

후 심부에 섬유 온도계가 치하도록 한 후 마이크로웨이 600W를

조사하 을 때 흡착제별 시간에 따른 온도 상승을 Fig. 3.15와 같이 나타

내었다.

- 70 -

0 10 20 30 40 50 60

0

100

200

300

400

500Te

mpe

ratu

re(o

C)

Irradiation time(min)

natural zeolite heat treatment zeolite made zeolite

Fig. 3.15. Temperature distribution in the pyrex reactor (80mm*100mm)

by packed 200g zeolite by 600w microwave heating

실험결과를 살펴보면 열처리된 제올라이트가 마이크로웨이 가열시

가장 열을 게 흡수하는 것은 흡착제의 화학 조성만 고려하면 마이크

로웨이 를 흡수하지 않는 SiO2성분이 85.5%로 시료 가장 많이 포함

되어 있으며 유 특성을 살펴보아도 유 상수가 1.99, 유 손실이 0.011로

부분의 마이크로웨이 가 통과하는 것을 알 수 있다. 한 천연제올라

이트인 경우는 열처리된 제올라이트보다 SiO2 함량이 고 철 기타

- 71 -

속물질 함량이 열처리된 제올라이트보다 높기 때문에 기 온도가 속히

상승한 것으로 사료된다. 철 기타 속은 기장의 강한 흡수물질로

는 반사체로 작용할 수 있다. 속성분은 일반 으로 기장의 크기가

매우 작은 경우에는 기장을 거의 흡수 못하고 반사하게 되나, 필라멘트

와 같은 표면 부피가 큰 경우에는 격자 원자(lattice atom)내의 자

간 충돌로 인해 열손실이 발생되며, 열은 속 부피를 통해 빠르게 분

산되어 매질의 온도를 격하게 상승되게 한다. 제조된 제올라이트인 경

우는 속 성분이 어 천연제올라이트와 같이 속한 온도 상승은 보이

지 않았지만 유 상수가 SiO2 큰 Al2O3성분이 많아 계속 으로 열을 흡수

한 것으로 사료된다. McGill이 연구한 바에 의하면 1KW의 마이크로웨이

를 조사 했을 때 물질에 따른 온도 변화는 Table 6과 같이 철 등은 수

분 만에 약 400°C 까지 증가되는 반면에 SiO2나 Al2O3등은 80°C 정도까

지만 가열된다고 하 다.

Table 6. Temperature responses for various materials during

microwave heating at power level 1KW

Classification Elements Temperature[°C]

Metal powder Al, Co, Cu, Fe, Mg, Mo 400

Alkali Halides KCl, KBr, NaCl, NaBr, LiCl 50

Oxide minerals SiO2, Al2O3, KAlSi3O3, CaCO3 80

Sulfide semiconductors FeS2, PbS, CuFeS2 1000

Mixed Valent Oxides Fe3O4, CuO, CO2O3, NiO 1000

Carbon and graphite 1000

- 72 -

Fig. 3.16은 유 상수 유 손실이 은 열처리된 제올라이트 200g에 수

분을 각각 10%, 20%, 30% 무게비로 흡착시켜 600W에서 마이크로웨이 를 주

사하 을 때 시간에 따른 온도분포 곡선을 나타낸 것으로 열처리된 제올라이트

경우는 100°C까지 약 40분이 걸렸으나 수분이 포함된 열처리된 제올라이트에서

는 10분 이내에 100°C 까지 상승함을 알 수 있었다. 본실험에서 Fig.3.16과 같이

일반 으로 마이크로 를 흡수하는 재질과 흡수하지 않는 재질에 마이크로

주사시에 온도 변화의 경향은 Fig. 3.17과 같다. 수분이 포함한 열처리제올라이

트 각각 일정한 시간동안 105∼110°C 사이를 유지한 후 온도가 상승됨을

알 수 있었다. 이는 물 분자와 같이 극자 모멘트를 가진 유 체로 조사

된 마이크로웨이 에 의해 극자 모멘트가 기장 방향으로 배열하는 힘

을 받아 회 을 하게 되며, 이 회 에 지 에 해당하는 에 지를 받

으면 열을 흡수하여 발열체 역할을 수행하기 때문이다. 이러한 이유 때문에 마

이크로웨이 주사 기 5분 후로 온도가 격히 상승되며, 흡착제 내부의

수분은 기화되어 증기압이 기압을 과하게 될 때 흡착제 표면으로부터 제거

되고 기화열로 인하여 일정한 온도를 수 분간 유지하게 된다. 수분이 모두 증

발된 후에는 건조된 가열 제올라이트의 유 특성치에 의해 온도는 변하

게 된다. 온도의 변화는 마이크로웨이 가 흡수되는 경우 상승하며 흡수되지

않을 경우는 감소하게 된다. 하지만 일반 인 마이크로웨이 가열에서는 온도가

높을수록 유 상수 유 손실이 크게 증가하는 경향이 있다.

- 73 -

0 10 20 30 40 50 60

020406080

100120140160180200220240260280300320

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

moisture 0% moisture 10% moisture 20% moisture 30%

Fig. 3.16. Temperature profiles of the heat treated zeolite as functions

of microwave irradiation time and moisture

- 74 -

Fig. 3.17. Typical unhindered heating curve for water vapor migration

마. 흡착제별 수분량에 따른 탈착 특성 결과

마이크로웨이 를 이용한 흡착제의 탈착능력은 여러 가지 조건에 의해

변화될 수 있으나 기본 인 흡착제를 구성하는 입자의 조성과 열 흡수 특

성에 따라 지배된다. Fig. 3.18, Fig. 3.19, Fig. 3.20은 흡착제별 탈착 효율

의 온도분포 곡선을 나타낸 것으로 흡착제의 종류에 따라 흡수되는 열량

이 다르므로 흡착제내의 휘발성 유기화합물의 제거 특징도 변화함을 보여

주고 있다. 건조된 흡착제와 수분함량이 각각 10%, 20% 인 흡착제 200g

에 톨루엔을 각각 무게비로 0.1kg/kg의 농도가 되도록 주입한 후 일정시

간 동안 마이크로웨이 를 조사한 후의 탈착효율을 나타낸다. 건조된 흡

착제의 경우 열처리된 제올라이트, 제조된 제올라이트 순으로 낮은 탈착

효율을 얻었으며, 천연제올라이트에서는 높은 탈착효율을 얻었다. 이는 흡

착제의 열 흡수 특성과 비교하여 생각할 수 있다. 한 수분이 함유된 흡

- 75 -

착제 천연제올라이트에서는 건조된 흡착제와 큰 차이의 탈착효율을 보

이지 않았으나 그 외의 흡착제에서는 수분이 포함된 상태에서 보다 좋은

탈착효율을 얻을 수 있었다. 일반 사실은 흡착제와 같은 다공성 물질에

있어서 액상물질의 휘발은 끊은 이하에서는 분자확산에 의하나 끊은

에 도달하면 내부증발에 의해 압력과 온도가 상승하므로 이때의 물질

달은 류 상을 따르게 된다. 유 물질은 기장 하에서 분극화되어 높

은 유 상수를 가지고 있으나 비극성 물질인 부분의 유기화합물은 분극

화되지 않고 2∼4정도의 낮은 유 상수를 가지고 있다. 그러므로 흡착제

내에 비 극성물만이 존재할 경우, 열 흡수 용량은 낮게 되나 물과 같은

극자 물질이 공존할 경우에 유 물질의 분극 특성은 기 벡터의 빈도,

방향, 크기에 따라 회 , 진동하게 되며 이때 에 지가 발생되고, 비극성

물질은 극자 물질과의 충돌로 인해 온도가 증가되게 한다. 따라서 흡착

제 내의 수분함량이 증가하면, 손실계수가 증가되므로 흡착제는 마이크로

웨이 에 의해 온도가 격히 상승되고 흡착제와 흡착된 휘발성 유기화합

물의 표면은 열 도에 의해 국부 으로 평형상태가 된다. 한편으로 천연

제올라이트 경우는 흡착제 특성에 따라서 일부는 마이크로웨이 조사시

함수율이 향인자로 작용하지 않고 흡착제 자체가 갖고 있는 유 특성만

으로 탈착됨을 알 수 있다. 이는 필요에 따라 흡착제에 철 속 성분

을 포함시킴으로서 흡착제의 온도 조 이 가능함을 시사한다. Strumillo와

Kudra64)등에 의하면 결합수에 의한 결합에 지는 약 100J/mol이 된다고

하 다. 결합수는 크게 물리 결합수와 화학 결합수로 나 수 있는데

물리 결합수는 물질의 거 공극이나 미소공극에 수소결합 되어 있는 형

태로 활성탄이나 제올라이트등 표 이며, 이때의 결합에 지는 약

3000J/mol이 된다고 하며 화학 결합수는 석고와 같은 수화물질에서 볼

수 있는 형태로 화학 으로 결합된 수분이 제거되면 물질의 물리, 화학

- 76 -

특성 한 변화하게 된다.65) 흡착제 내부 미세기공에 유 상수가 낮은 탈

착물질을 흡착하고 있는 경우, 이를 탈착하기 해서는 물질의 열과 잠

열 이외도 탈착에 필요한 열을 더 소비하게 되므로 제거시간이 상 으

로 길어질 수 있다고 단된다. 한 수분에 의해 기 100°C 이하에서의

탈착은 기화된 수증기에 의해 흡착제로부터 탈착되는 것으로 사료된다.

- 77 -

0 10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

Des

orpt

ion

ratio

(%)

Irradiation time(min)

dry base moisture 10% moisture 20%

Fig. 3.18. Desorption efficiency of toluene from the natural zeolite as

functions of microwave irradiation time and moisture

- 78 -

0 10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

Des

orpt

ion

ratio

(%)

Irradiation time(min)

dry base moisture 10% moisture 20%

Fig. 3.19. Desorption efficiency of toluene from the heat treated natural

zeolite as functions of microwave irradiation time and

moisture

- 79 -

0 10 20 30 40 50 60

0

20

40

60

80

100

Des

orpt

ion

ratio

(%)

Irradiation time(min)

dry base moisture 10% moisture 20%

Fig. 3.20. Desorption efficiency of toluene from the made zeolite as

functions of microwave irradiation time and moisture

- 80 -

바. 워에 따른 제거 특성

마이크로웨이 워는 계 강도의 크기를 뜻하며, 계강도는 매질

에 입사된 기장의 세기를 나타내는 것으로 기장에서 매질 내부의 분

자들은 기장의 반 방향으로 배열하려고 하므로 potential 에 지는 분

자 충돌의 원인이 되는 random에 지로 환되며, 여분의 에 지는 열로

환되게 되므로 내부 기장은 매질이 가진 유 상수의 크기에 비례하여

감소하게 된다. 계강도는 물질이 가진 여러 인자, 즉 유 상수, 손실계

수, 마이크로웨이 반응기 형태, 피 가열물질의 치 등에 따라 변하게

되는데, 이는 기장의 마이크로웨이 형태, 오 내부에서의 공간분포가

균질하지 않기 때문이며, 교 (node)에서 기장은 0이 되어 열의 생성은

없는 반면 antinode에서 기장의 세기와 열 생성량이 최 가 되므로 최

근에는 stirrer등을 설치함으로 node를 제거하는 방법이 이용되고 있다.

그리고 가열 상물질의 크기에 따라 내부 기장은 변하게 된다. 실험은

모두 같은 조건에서 실험되었으며 계강도(V/cm)는 탈착을 시키기 한

에 지로 보았을 때 마이크로웨이 워가 작으면 탈착효율은 그에 비례

하여 작아질 것으로 상되며, 이와 반 로 워가 커지면 탈착효율도 우

수 할 것으로 본다.

사. 마이크로웨이 침투 깊이

마이크로웨이 를 응용하는 기술 에서 가장 고려되어야 할 상이

마이크로웨이 의 침투 깊이이다. 일반 인 학술논문이나 기술의 설명에

서 bench scale의 작은 반응기 같은 경우는 뱃치 타입의 반응기 앙에

부분의 피 가열물을 치시켜 실험을 수행하기 때문에 마이크로웨이

침투깊이와는 상 없이 연구를 수행할 수 있다. 하지만 scale이 커질수록

반드시 고려되어야 할 사항이 마이크로웨이 침투깊이이다. 상기 앞

- 81 -

본 연구 내용 유 특성을 악하 으며 이에 “Gerling Applied

Engineering, Inc.”에서 제시한 유 상수 손실에 따른 2450mHz에서의

침투깊이 도표인 Fig. 3.21을 이용 흡착제별 상되는 마이크로웨이 침

투깊이를 추측하 다.

- 82 -

Fig. 3.21. Penetration depths at 2450mhz

- 83 -

Fig. 3.21에 의하면 건조된 상태에서 천연제올라이트는 20∼30cm, 가

열된 제올라이트는 100∼200cm, 제조된 제올라이트는 50∼100cm 정도 마

이크로웨이 가 침투 가능한 깊이 인 것으로 사료되며, 건조된 흡착제인

경우는 마이크로웨이 에 의한 가열 특성은 단지 유 상수, 손실계수에

의해서만 결정되나 흡착제에 수분이 포함되어 있는 경우는 가열특성을 지

배하는 것은 물에 한 향이 주를 차지하고 있음을 알 수 있다. 한편

수분이 존재 하에서는 모든 흡착제가 10mm이하의 침투깊이를 갖고 있는

것으로 나타났다. 이는 피 가열물의 마이크로웨이 가열에 있어 피 가열

물의 외부로부터 안쪽으로 수분을 제거하면서 진행될 것으로 상된다.

한 가열과정에 건조된 부분의 유 상수 손실계수의 증가로 인해 실

제 그보다는 침투 깊이는 작을 것으로 사료된다.

2. 10KW 마이크로웨이 에 의한 흡탈착 시스템 장치 설계 실험

가. 10KW 마이크로웨이 반응기 설계 시뮬 이션

HFSS(High Frequency Structure Simulator)는 안소 트(AnSoft)에서

개발되어 마이크로웨이 련한 다양한 어 리 이션들에 해 용되어

왔다. 안테나, 송선로, 커넥터, 여 기, 결합기, 분배기와 같은 3차원 구

조나 칩형태의 부품과 패키지 는 PCB, 다 층기 , LTCC 회로 등의

복잡한 구조에 해 고주 인 자기 특성을 해석하여 기존에 측정을

통해서만 얻을 수 있는 결과들을 바로 롯해 볼 수 있도록 해주며, 고유

의 유한 요소법(FEM)에 의한 결과 도출로 설계 단계에 용하여 실제

제작과 측정에서 소요되는 시간과 비용을 약할 수 있게 하여 다.

주 수는 2.45GHz, 최 출력 10KW 의 stirrer가 장착되지 않는 뱃

치형의 반응기를 시뮬 이션 한 후 제작하여 사용하 다. 마이크로웨이

- 84 -

가열에 요한 은 마이크로웨이 를 균질하게 분산 시키는 방법이다.

일반 인 마이크로웨이 가열장치는 multi-mode방식과 single-mode방식

으로 나 수 있으며, 효율 인 마이크로웨이 분산을 해 turn table이

나 stirrer등을 이용하고 있다. 하지만 10KW pilot scale 규모의 흡탈

착 장치에 turn table을 장착 할 수 없을 뿐만 아니라 strirrer와 같은 구

동장치는 진공이나 가압 시 베어링부분 폐 등의 문제로 시스템이 악

향을 수 있고 리의 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기

해 본 연구에서는 마이크로웨이 분산을 해 특별히 고안한 방법이

사용되었다. 반응기 형태는 원형, 정사각형, 직사각형타입으로 구분하고

빈 공간내의 마이크로웨이 분산을 확인 하 으며 이를 토 로 마이크로

웨이 침투 깊이를 고려한 도 의 투입 치를 잡았다. 한 도 의

구조를 변경하여 균일 분산 가열이 이루어지도록 하 다.

직사각형 반응기 내부에 도 을 단순 연결 타입인 경우는 도 을

통하여 방사되는 마이크로웨이 가 Fig. 3.22에서 보는 것처럼 반응기

앙에 에 지 블록을 형성하여 모이는 것으로 확인 되었다. 이는 흡착제

가열시 에 지 집 으로 인한 국부가열이 형성될 수 있어 바람직한 반응

기의 마이크로웨이 분산은 아니다. A는 시뮬 이션을 한 경계면이며

B는 XZ측면, C는 YZ측면, D는 XY측면의 마이크로웨이 계분포를 나

타낸다.

- 85 -

Fig. 3.22. Microwave Energy Distribution in the Rectangular reactor

by using the HFSS program(Type A)

(D)(C)

(A) (B)

- 86 -

반응기 내에 도 을 삽입한 타입(Type B) 인 경우는 도 을 통하

여 방사되는 마이크로웨이 가 Fig. 3.23에서 보는 것처럼 반응기 XY측면

상부에 두 의 에 지 을 형성하여 모이는 것으로 확인 되었다.

이는 흡착제 가열시 에 지 집 으로 인한 국부가열이 형성될 수 있어 바

람직한 반응기의 마이크로웨이 분산은 아니지만 반응기내에 type A에

비하여 비교 넓은 분산을 이루고 있는 구조는 확실하다. A는 시뮬 이

션을 한 경계면이며 B는 XZ측면, C는 YZ측면, D는 XY측면의 마이크

로웨이 계 분포를 나타낸다. 이를 바탕으로 흡탈착내에 흡착제를

치시키고 시뮬 이션을 실행한 결과 Fig. 3.23에서 보는 바와 같이 체

으로 균일 한 분산이 이루어 졌지만 반응기 주변에 강한 에 지 집

상이 발견하 으며 이러한 에 지의 집 은 흡탈착 내의 휘발성 유기용제

에 화원으로 연소를 시켜 화재의 험성 일으킬 수 있을 것으로 본다.

- 87 -

Fig. 3.23. Microwave Energy Distribution in the Rectangular Reactor

by using the HFSS program (type B)

(A) (B)

(C) (D)

- 88 -

국부 인 에 지 집 을 보완하기 해서 반응기 내부에 설치된 도

에 slot을 주어 에 지의 분산을 유도하 다. 도 에 slot 크기 간

격을 조정하기 해 많은 시행착오를 거쳐서 Fig. 3.24 와 같은 형태의 slot

모양과 크기를 선정하 으며 이를 이용한 시뮬 이션 에 지 분포도는

Fig 3.25 와 같았다.

Fig. 3.24. Schematic design of a waveguide slot to distribute

microwave energy in the reactor

- 89 -

Fig. 3.25. Microwave energy distribution thought the waveguide slot

by using the HFSS program

선정된 슬롯이 있는 도 을 반응기 내부에 삽입한 타입(type C)의

시뮬 이션 결과는 Fig. 3.26과 같다. 도 에서 200mm 떨어진 몇 지

에서 국부 인 에 지 집 이 일어났지만 슬롯이 없는 도 의 에 지

분포도를 나타내는 Fig. 3.23보다는 비교 균일하게 분산되는 것을 측

할 수 있으며 반응기내의 국분 가열은 일어날 수 없는 형태를 가지고 있

을 것으로 사료 된다.

- 90 -

Fig. 3.26. Microwave Energy Distribution in the Rectangular Reactor

by using the HFSS program (type C)

(A) (B)

(C) (D)

- 91 -

나. 10KW 마이크로웨이 출력 장치 구성

Fig. 3.27은 10KW 마이크로웨이 출력 장치 직각 반응기를 나

타내는 사진으로 waveguide 시스템은 3-stub tuner, circulator, water

load, rf-coupler로 구성되어 있으며 control부는 high frequency power

supply, 고압출력부는 magnetron(2450MHz, 10KW)로 구성되어 있다.

Fig. 3.28은 마이크로웨이 출력장치의 개략 인 도면으로 1은 waveguide

부분, 2는 control부분, 3은 고압출력부이며, 장치의 구성 순서 개략

인 크기이며, 장비의 기 사양은 Table 7과 같다.

Fig. 3.27. 10KW Microwave generating system and the rectangular

reactor

- 92 -

M/W POWER ADJ.

KW

MICROWAVE POWER

0

5

10

system준비

ON OFF

OC-1

Power

OC-2

MGCHEATPRE

한국고주파응용기기

MAIN POWER

한국고주파응용기기

한국고주파응용기기

RESET

OverHeat Error

Power

water out water in

Water Temp(outlet)Preheat Time

EF-2

COOLING

10KW MICROWAVE GENERATOR

EF-1Power

Microwave 발진

ON OFF

ARC

READY

INTERLOCK

M/W ON

OFF

ON

Fig. 3.28. A schematic diagram for the 10 KW microwave generator

and waveguide system

- 93 -

Table 7. Electrical Specification for the 10KW microwave generator

Waveguide System Part

RF-COUPLER

- W/G SIZE : WR-430

- MATERIAL : Ni-COATED BRASS

- V.S.W.R : 1.05

- ARC DETEDTOR

- AIR INLET

tape waveguide

- W/G SIZE : WR-430

- MATERIAL : Ni-COATED BRASS

- V.S.W.R : 1.05 이하

extension

waveguide

- W/G SIZE : WR-430

- MATERIAL : Ni-COATED BRASS

- V.S.W.R : 1.05 이하

e-band

- W/G SIZE : WR-430

- MATERIAL : Ni-COATED BRASS

- V.S.W.R : 1.05 이하

isolator

- W/G SIZE : WR-430

- MATERIAL : Ni-COATED BRASS, FERRITE MAGNET.

- ALLOWABLE POWER : 20KW

- ISOLATION : 20dB

- INSERTION LOSS : 0.15dB

- V.S.W.R : 1.10이하

3-stub tuber

- WAVEGUIDE SIZE : WR-430

- MATERIAL : NI-COATED BRASS

- 상 : 0 ～ 0.5λg 가변

- V.S.W.R : 1.0 ～ 20.0 가변

directional

coupler

- WAVEGUIDE SIZE : WR-430

- MATERIAL : NI-COATED BRASS

- COUPLING : -33dB

- DIRECTIVITY : 25dB 이상

attenuator - 0 ～ 25dB 가변

power monitor

- 94 -

High Frequency Power Supply

- INPUT : 3Ø, 380Vac±10%, 60Hz

- PEAK ANODE VOLTAGE : 10KVdc

- ANODE CURRENT : 0.4 ～ 1.3A 가변

- CATHODE VOLTAGE : 8Vac

- CATHODE CURRENT : 36 Aac

- ELECTRO-MAGNET CURRENT : 4.5A

- ELECTRO-MAGNET VOLTAGE : 25Vdc

- OUTPUT RIPPLE : 2% 이하 (ANY LOAD)

- CATHODE PREHEATING DELAY : 30sec

- ARC DETECTOR(ㆍINPUT : DC 24V, 10W :ㆍCONTACT : 5A 200V MAX)

Magnetron

- FREQUENCY : 2450MHz±50MHz

- OUTPUT POWER : 0.5～10KW

- CATHODE VOLTAGE : 10.0Vac

- CATHODE CURRENT : 36Aac

- PEAK ANODE VOLTAGE : 10.0KVdc

- AVERAGE ANODE CURRENT : 1600mA dc

- PEAK ANODE CURRENT CURRENT : 3200mA dc

- EFFICIENCY (MATCHED LOAD) : 72%

- COLD FILAMENT RESISTANCE : 23mΩ

- WATING TIME BEFORE APPLICATION OF HIGH VOLTAGE :

min.10sec

- 95 -

다. 10KW 마이크로웨이 에 의한 흡탈착 시스템 온도 측정

본 실험은 제조된 제올라이트 흡착제를 10KW 반응기내에 채우고

반응기 외벽에 1/4inch fitting류로 열 가 고정이 가능토록 하 으며

주 온도 측정은 Fig. 3.9의 그림과 같이 반응기 균일 가열온도 확인이 가

능한 12site를 선정하 고 반응기 앙에 열 가 치되도록 하 다. 연

속 인 섬유 온도계를 이용하여 L5site에서 연속 으로 측정하 으며,

나머지 11site는 시간 별 마이크로웨이 워를 지 시키고 이때

k-type 열 를 이용하여 측정하 다.

측정결과를 보면 Fig. 3.29 에서와 같이 3KW일 때 수분이 없는 상태

에서는 지속 인 온도 상승이 이루어 졌으며 수분량이 증가 할수록 Fig.

3.30∼3.32의 결과처럼 100°C정도에서 머무르는 시간이 늘어남을 알 수

있었다. 이는 물 분자로 조사된 마이크로웨이 에 의해 극자 모멘트가

기장 방향으로 배열하는 힘 때문에 회 을 하게 되며, 이 회 에 지

에 해당하는 에 지를 받으면 열을 흡수하여 발열체 역할을 수행하기

때문이다. 이러한 이유 때문에 마이크로웨이 주사 기 45분 후로 온

도가 격히 상승되며, 흡착제 내부의 수분은 기화되어 증기압이 기압

을 과하게 될 때 흡착제 표면으로부터 제거되고 기화열로 인하여 일정

한 온도를 수분간 유지하게 된다. 한 수분이 없는 상태에서는 반응기

내의 최고 온도 편차가 40°C 내외로 마이크로웨이 에 의한 국부 가열은

일어나지 않는 것으로 측정되었으며 수분이 증가 할수록 R1, R2, R3지

의 온도 상승이 상 으로 다른 site에 비해 낮음을 측정 할 수 있었다.

이는 반응기 내로 유입된 수분의 농도가 R1>R2>R3>L1순으로 수분이 과

포화가 된 지 과 과포화 되지 않은 지 과의 흡착제에 흡착된 수분 농도

로 발생한 것으로 사료된다.

- 96 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.29. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (3KW, moisture : 0%)

- 97 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.30. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (3KW, moisture : 4%)

- 98 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.31. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (3KW, moisture : 9%)

- 99 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.32. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (3KW, moisture : 14%)

- 100 -

Fig. 3.33∼3.36은 반응장치에 6KW의 마이크로 를 주사하 을 때 흡

착제에 수분의 합유량에 따른 site의 온도변화를 측정한 결과이다. 수분이

없는 상태에서 L6 site에서 국부 인 가열 상이 발생하 다. 이는 자

계 해석 결과와 다른 결과로 제작도면과 제작된 반응기의 치수가 정확하

지 않은 이유가 있을 수 있으며, 실험에 의해 자주 가열을 하면서 직사각

형 구조인 반응기가 열 변형으로 인하여 반응기 심이 틀어져 발생되는

상으로 사료된다. 하지만 6KW에서 수분이 존재 할 경우는 국부 가열

은 발생하지 않았으며 체 인 반응기의 온도 표 편차는 60분 가열 후

100°C 정도로 운 됨을 알 수 있었다. 한 수분량이 증가할수록 체

인 반응기 온도가 100°C 정도에서 머무르는 시간이 늘어났으며 투입구

방향의 과 포화된 수분 역이 존재하는 온도 상승 그래 를 확인 할 수

있었다.

- 101 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.33. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (6KW, moisture : 0%)

- 102 -

Fig. 3.34. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (6KW, moisture : 4%)

- 103 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.35. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (6KW, moisture : 9%)

- 104 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.36. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (6KW, moisture : 14%)

- 105 -

Fig. 3.37∼3.40는 9KW의 마이크로 를 주사하 을 때 흡착제에 수분

함유량에 따른 반응기 site의 온도변화를 측정한 결과이다. 9KW 운 에

서는 투입된 워가 강해 뚜렷한 온도상승을 가졌으며 30분 운 결과 평

균 280°C 정도의 반응기 온도 상승을 확인 할 수 있었다. 한 격한 온

도의 상승으로 인하여 흡착제 내에 함수율에 따른 반응기의 온도변화가

낮은 워로 운 되는 경우에 비하여 미비하게 나타났다.

- 106 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.37. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (9KW, moisture : 0%)

- 107 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.38. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (9KW, moisture : 4%)

- 108 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.39. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (9KW, moisture : 9%)

- 109 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

300

350

400

Tem

pera

ture

(oC

)

Irradiation time(min)

R1 R2 R3 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9

Fig. 3.40. Temperature profiles in the rectangular reactor packed with

the made zeolite as function of microwave power and

moisture (9KW, moisture : 14%)

- 110 -

라. 10KW 마이크로웨이 에 의한 휘발성유기물 탈착 효율 측정

본 실험은 제조된 제올라이트 흡착제를 10KW 반응기내에 채우고

3KW에서 실험한 수분량에 따른 반응기내의 온도변화를 기 으로 응축기

의 용량 베 으로 탈착 효율을 측정하 다. Fig. 3.41는 제조된 흡착

제에 톨루엔만 흡착시킨 후 탈착 시킨 결과이며 주된 탈착의 원인은 흡착

제의 온도 상승 곡선과 유사한 경향을 볼 때 흡착제의 단순 가열로 인한

탈착 결과로 사료된다. Fig. 3.42∼Fig. 3.44는 흡착된 톨루엔에 수분량이

4%, 9%, 14%일 때 흡착된 반응기내의 탈착 결과이며 수분이 없는 Fig.

3.41의 결과와 다른 양상의 결과가 측정되었다. 결과를 보면 60분 온도

100 이상에서 격한 탈착효율 증가가 발생하 으며 이는 유 가열에

의한 수분의 온도 상승이 흡착제 내의 톨루엔을 세척하면서 나오는 것으

로 사료된다. 한 체 으로 수분이 존재 하에서는 반응기 내의 온도가

150 수 에서 격한 탈착효율 증가가 발생되는 시 으로 악되었다.

- 111 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

20

40

60

80

100

desorption curve temperature curve

Irrad iation time(min)

Des

orpt

ion

ratio

(%)

0

50

100

150

200

250

300

Temperature(oC

)

Fig. 3.41. Desorption ratio of toluene from the reactor packed with the

made zeolites as function of irradiation time and

moisture(moisture:0%)

- 112 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

20

40

60

80

100

desorption curve temperature curve

Irradiation time(min)

Des

orpt

ion

ratio

(%)

0

50

100

150

200

250

300

Temperature(oC

)

Fig. 3.42. Desorption ratio of toluene from the reactor packed with the

made zeolites as function of irradiation time and

moisture(moisture:4%)

- 113 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

20

40

60

80

100

desorption curve temperature curve

Irrad iation time(min)

Des

orpt

ion

ratio

(%)

0

50

100

150

200

250

300

Temperature(oC

)

Fig.3.43. Desorption ratio of toluene from the reactor packed with the

made zeolites as function of irradiation time and

moisture(moisture:9%)

- 114 -

0 20 40 60 80 100 120 1400

20

40

60

80

100

temperature curve desorption curve

Irrad iation time(min)

Des

orpt

ion

ratio

(%)

0

50

100

150

200

250

300

Temperature(oC

)

Fig. 3.44. Desorption ratio of toluene from the reactor packed with the

made zeolites as function of irradiation time and moisture

(moisture:14%)

- 115 -

3. 1KW 마이크로웨이 라즈마 기 실험

가. 1KW 마이크로웨이 라즈마 설계 제작

(1) 원회로

마그네트론에 사용하는 원회로는 일종의 정 류 원으로서 반 정

류인 반 배 압 방식과 정류인 양 배 압 방식, 양 방식이 있

다. 가정용 자 지에는 주로 반 배 압 방식이 사용되며 고출력이나

측정 장치에서는 양 방식을 사용한다. 마그네트론을 구동하기 한 원

회로는 서지(Surge) 압이 크게 발생하기 때문에 Surge 압을 흡수 할

수 있는 배리스터 같은 소자를 부착해야 한다. 한 원 회로에 있는

Capacitor는 고압이 충 되어 있어서 정비 시에 감 의 험이 있기 때문

에 10 MΩ 정도의 방 용 항을 삽입하기도 한다. 본 연구에 사용된

capacitor에서는 이와 같은 방 용 항이 삽입된 제품을 사용하 다. 양

배 압 방식은 양극 류의 최 치가 평균 류의 2～2.5배로 비교

낮기 때문에 고출력 자 지에 사용된다. 이런 방식은 음극이 충분히

열되지 않으면 기 모딩이 지속되는 단 이 있지만 본 연구에서는 라

즈마 방 을 유지시키기 하여 양 배 압 방식을 사용하여 상압의

1KW 마이크로웨이 plasma를 구성하 다.

출력 형 측정은Waveguide type 도 에 만든 홀에 Crystal detector

를 연결한 뒤 수행하 다. Crystal detector는 마이크로웨이 power를

oscilloscope에서 측정할 수 있는 류 신호로 바꾸어 주는 역할을 한다.

HVT 방식에서 출력 형 측정 결과 반 배 압 회로를 설정한 경우

나타나는 출력 형을 나타낸 것으로 negative 방향에서 on/off 비율이

7.5-8ms/～9.2ms 이고, Peak-Peak 간 voltage는 1.66mV이다. 하단의 그

래 는 양 배 압 회로로 설정한 경우 나타나는 출력 형을 나타낸 것

으로 negative 방향에서 on/off 비율이 6.4ms/1.6ms 이고, Peak-Peak 간

- 116 -

voltage는 2.16mV이다. 양 배 압 회로의 경우 반 배 압의 경우보다

출력의 on time 비가 5.75배로 나타난다. 실제로 라즈마 방 을 테스트

한 경우 반 배 압 회로에서는 라즈마 방 이 일어나지 않고 양 배

압 회로에서만 라즈마 방 이 발생하는 것으로 볼 때 off time이

1.6ms 이하 정도는 되어야 라즈마가 유지됨을 알 수 있다.

(2) 마이크로웨이 plasma 발진부 구성

마이크로웨이 plasma 발진부의 구성은 diode, capacitor, 고 압 발

생기 (High voltage transformer)로 구성되는 원 공 부와 원 공 부

에서 승압된 원이 공 되어 마이크로웨이 로 발진시키는 magnetron으

로 구성된다.

Magnetron은 마이크로웨이 를 발진시키는 장치로 Fig. 3.45과같이 규

격은 삼성 자(주)[OM75P, 정격 Anode Voltage DC 4 kV, 725 mA,

Filament Voltage AC 4.6V, 19.5A] 사용하 으며, High Voltage

Transformer는 약어로 HVT 라고도 하며 상용 원 220V를 4～5 kV의

고압으로 승압하여 Magnetron으로 공 하는 장치로 규격은

SVH-8574DC1로 사용하 다. 한 고압용 capacitor 용량 2200VAC, 0.84

, 10 MΩ 방 항 ,규격은 RC - PZA042WREO 이며 고압용 diode는

HVR-1X 4(350 mA)로 연구에 사용되었다.

- 117 -

Fig. 3.45. Generator system for 1KW microwave plasma

(3) 마이크로웨이 라즈마 반응기의 구성

Fig. 3.46은 본 연구에 쓰인 상압 1KW 마이크로웨이 plasma의 각

part를 나열한 것으로 원방식은 양 배 압 방식을 사용하기 하여

Capacitor와 diode 각각 두 개씩이 사용되었다. 2KW용 slidacs (Variable

transformer)는 상용 원 220 V 입력을 조 하여 출력 원의 압을

0-240V 범 로 조 할 수 있는 장치로 실험에서 사용된 출력 원은 220

V이다. 반응기는 직경 30mm, 높이 150mm의 석 유리 사용하 다.

- 118 -

Fig. 3.46. 1KW microwave Generator system and plasma reactor

(4) 기장 해석

기장 해석은 상용화된 자해석 로그램인 HFSS(High frequency

structure simulator)를 이용하 다. Magnetron adaptor, discharge cavity

를 모두 결합한 상태의 기장 분포는 Fig 3.47과 같이 기장 분포도,

기장 vector plot으로 단할 때 정상 으로 마이크로웨이 가 개되고

있음을 알 수 있다. ( 기장 모사 지 : port앞 0.5mm, (도 천정에서

1mm떨어진 지 )

- 119 -

Fig. 3.47. Electric field and electric vector distribution for 1KW

microwave plasma by using HFSS

- 120 -

Fig. 3.49는 수직면(xy plane)과 수직축(y축)을 따라 심선 plot, z=h/2,

x=a/2에서, 즉 방 내의 기장 크기를 line plot으로 나타내었다.

plot에서 알 수 있듯이 방 내에서 기장의 크기 높게 나타나고 있음

을 알 수 있고 plasma 방 에 유리한 구조임을 알 수 있다.

Fig. 3.48. Electric vector maqitude

- 121 -

나. 1KW 마이크로웨이 라즈마를 이용한 톨루엔 제거 실험 부산물

측정 결과

온 라즈마 고 압을 사용하는 일반 인 라즈마 공정의 경우

톨루엔 분해를 한 주반응은 톨루엔과 이온들 사이에 일어나는 하 이

반응 이라고 보고되어 있다. 한 톨루엔 분해와 련된 하 이 반응

외에 열분해 반응이 마이크로웨이 라즈마에서는 요한 역할을 하는

것으로 사료된다. 이는 온 라즈마에 속하지만 고온에서 운 되기 때문

이다. Fig. 3.49는 1KW air plasma를 이용하여 발생한 화염의 온도를

microfiber optic senser를 이용하여 측정한 결과이다. 이때의 반응기 크기

는 2.54cm quartz의 반응기를 사용하 다. 라즈마 화염의 온도는 라

즈마 반응가스의 유량이 증가함에 따라 감소하고 있음을 나타내고 있다.

이는 라즈마 방 가스 유량을 증가할 경우 라즈마 방 가스의 온도

가 하되어 분해효율이 감소된다는 이다. 이를 확인하기 해 단열온

도를 계산하면 쉽게 이유를 찾을 수 있다.

q=m⌠⌡

t2

t1cpdT,cp=α+βT+γT

-2(cal/molK ).....................(1)

t1은 투입 챔버내로 유입되는 공기의 온도이며, t2는 최종온도이다. 식

에서 m은 공기의 몰 유량이며 몰 도를 곱하여 계산하면 된다. 공기의

경우 α, β, δ는 각각 6.90, 9.2*10-14, -1.76*10

4이다. t2값을 확인하기 해

서는 실제로 라즈마에 사용된 에 지 악이 요한데, 본 연구에서 불

필요한 장비를 제거한 상태로 입사 와 반사 비율을 0.2로 추정하고 실

제 워를 800W( 191cal/s)로 하여 략 인 출력으로 계산하면 공기 유

량 10liter/min에서 약 3000°C 후의 단열화염온도가 형성됨을 추론 할

수 있다. 같은 방법으로 5liter/min, 15liter/min을 계산하며 약 5,200°C, 와

2000°C로 계산되어진다. 한 기체 유량 증가에 따른 분해 효율의 감소는

주요 이온의 감소로 사료된다. 이와 같은 활성입자의 수는 마이크로웨이

- 122 -

출력 워 함수이므로 마그네트론에 출력이 일정하게 공 되고 있을 때

유량의 증가는 단 유량당/단 에 지량이 어지기 때문에 그만큼 활

성입자의 수가 감소하게 된다.

0 5 10 15 201000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

Tem

pera

ture

(oC

)

Flow rate(liter/min)

Fig. 3.49. Temperature of microwave plasma flame versus flow rate of

plasma gas (reator : 2.54cm quartz)

- 123 -

Fig. 3.50의 (A), (B)사진은 본 연구에서 연구 제작된 1KW 공기

plasma화염을 나타타낸 사진으로 air의 유량은 10ℓ/min이내이고, 반응기

크기는 2.54cm quartz로 구성되어 있다.

(A)

(B)

Fig. 3.50. 1KW microwave air plasma

- 124 -

Fig. 3.52는 1KW 공기 plasma를 이용하여 toluene의 처리효율을 나

타낸 결과이다. 처리 유량에 따른 처리효율은 기 농도 550ppm일 때

라즈마 가스로 5 liter/min의 공기 유량에서 79.5%의 톨루엔이 제거 되었

으며 같은 유량에서 투입 농도를 2,210ppm으로 증가하 을 때 약70%의

처리효율을 얻었다. 이 제거효율은 기 농도 550ppm에 비하면 4배정도

높은 농도로 상당히 높은 것이다. 이 결과 값을 고찰해보면 같은 출력, 같

은 유량에서 투입 톨루엔의 농도가 증가할수록 처리효율이 반비례하여 낮

아지는 것이 아니며 이온 농도 외에 처리유량의 단열화염온도에 의해 톨

루엔이 열분해 되었을 것이라고 간 으로 추론할 수 있다. 유량 증가

10 liter/min, 15 liter/min에서도 5 liter/min의 측정결과 값과 동일한 경향

성을 얻을 수 있었다.

- 125 -

500 1000 1500 2000 250050

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

DR

E(%

)

Initial concentration(ppmv)

5liter/imn 10liter/min 15liter/min

Fig. 3.51. Destroy Removal efficiency of Toluene as function of plasma

gas flow rate by using air plasma

- 126 -

Fig. 3.52은 라즈마 반응기 내의 라즈마 가스로 공기 5ℓ/min 유

량으로 투입 하 을 때 농도에 따른 부산물에 한 연구 측정 결과이다.

투입된 톨루엔의 농도가 증가 할수록 이산화탄소의 농도가 증가 하 으며

상 으로 일산화탄소의 농도는 감소되었다. 한 본 연구의 측정결과

외에 요한 은 처리되지 않은 톨루엔 가스 외에 검출될 것으로 상되

었던 오존은 검출되지 않았다. 일반 인 온 라즈마 코로나 방 이

나 펄스 방 에 의한 처리 결과를 보면 휘발성 유기화합물을 처리할 때

완 산화가 이루어지지 않으면 다량의 일산화탄소, 오존, 분자탄화수소

가 발생된다고 보고되고 있지만 본 연구에서 측정되지 않았던 오존의 반

응 살펴보면 다음과 같다.66)

O+O 2→K 1O 3,K 1=5.6×10

-34(300/T) 2.8 [N 2](cm3molecule -1s -1)...(2)

O+O 2→K 22O 2,K 2=8.0×10

-12exp(-2060/T)(cm 3molecule -1s -1)....(3)

오존의 발생은 온도에 반비례하고 오존의 분해는 온도에 비례하는

계에 있다. 이러한 이유로 오존생성이 고온으로 운 되는 마이크로웨이

라즈마에서는 발생되지 않는 것으로 단된다. 마이크로웨이 라즈

마 반응은 휘발성 유기화합물에 하여 하이 반응과 열 반응이 동시에

수행되는 공정으로 발생된 일산화탄소는 과잉의 공기 의 산소 아래에서

쉽게 이산화탄소로 환되고 있다. 이 결과는 Fig. 3.53에서 보는 바와 같

이 이산화탄소가 일산화탄소보다 많은 양이 측정되고 있기 때문이다. 마

이크로웨이 라즈마 반응은 하 이 반응 외 고온 열 반응에 해 서

술하 는데, 고온으로 운 되는 반응기는 부분 thermal NOx가 문제가

되는데, 본 연구에서도 많은 양의 질소산화물이 측정되었다. 투입 라즈

마 가스 공기 유량 5ℓ/min 일 때 5,000ppmv ∼ 8,000ppmv 사이로 고온

의 라즈마 가스 기체가 원인이다.

- 127 -

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 24000

500100015002000250030003500400045005000550060006500700075008000850090009500

10000

By

prod

ucts

(ppm

v)

Initial concentration(ppmv)

CO, CO2, NOx

Fig. 3.52. By products after plasma treatment for toluene as function

of input toluene concentration by using a 1KW air plasma

(with plasma gas flow : 5liter/min)

- 128 -

Fig. 3.53는 라즈마 반응기 내의 라즈마 가스로 공기 10L/min 유

량으로 투입하 을 때 농도에 따른 부산물에 한 연구 측정 결과이다.

5 liter/min 투입 시와 비슷한 경향으로 투입된 톨루엔의 농도가 증가 할

수록 이산화탄소의 농도가 증가 하 으며 일산화탄소의 농도는 감소되었

다. 한 오존은 측정되지 않았고 고온 운 으로 인한 thermal NOx가 다

량 검출되었다. 이러한 결과는 Fig. 3.54 Fig. 3.55에서와 같이 투입공

기유량 15 liter/min 에서도 비슷한 결론을 가질 수 있었다. 뿐만 아니라

15 liter /min 공기 투입시 고온 역에서의 운 역이 축소되는 것으로

보이는 측정결과로 고온 산화로 인한 이산화탄소 발생량보다 일산화탄소

발생량이 증가하는 측정결과를 얻었다.

- 129 -

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 24000

500100015002000250030003500400045005000550060006500700075008000850090009500

10000

By p

rodu

ct(p

pmv)

Initial concentration(ppmv)

CO, CO2, NOx

Fig. 3.53. By products after plasma treatment for toluene as function

of input toluene concentration by using a 1KW air plasma

(with plasma gas flow : 10liter/min)

- 130 -

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 24000

500100015002000250030003500400045005000550060006500700075008000850090009500

10000

By p

rodu

ct(p

pmv)

Initial concentration(ppmv)

CO, CO2, NOx

Fig. 3.54. By products after plasma treatment for toluene as function

of input toluene concentration by using a 1KW air plasma

(with plasma gas flow : 15liter/min)

- 131 -

라즈마 방 가스에 따른 향을 고찰하기 해 아르곤 가스와 공기

를 1 : 1 혼합하여 5liter/min의 라즈마 방 가스를 만들어 동일한 조건

에서 톨루엔에 한 처리효율을 측정하 다. 측정결과 라즈마 방 가스

로 공기만 처리했던 처리효율보다 30% 정도 높은 처리효율을 가졌다.

Rosocha67) 등은(1993) 아르곤과 공기에 해 산소분자의 자 충돌에 의

한 산소의 해리반응 속도상수를 보고하고 있다. 공기에서의 산소 해리반

응에 의한 산소 원자 발생속도는 아르곤에서의 산소원자 발생속도보다 약

10배가량 작다. 산소원자는 톨루엔의 분해에 이용되는 요 활성 자

하나이므로 공기만을 사용 했을 때 와 공기+아르곤을 혼합하여 투입하

을 때와는 분명히 처리효율이 다르게 나타났다. 이 실험을 바탕으로 라

즈마 방 가스로 아르곤만 투입하여 톨루엔 제거 실험을 수행하 지만 결

과 측정보다는 실험 과정에 요한 문제가 발생하기도 하 다. 아르곤

라즈마 방 가스로 톨루엔을 처리할 경우 산화반응에 필요한 산소의 부족

으로 석 반응기 내부에 탄소입자로 코 이 되며, 이 코 된 탄소입자

는 직 마이크로웨이 를 흡수하므로 석 이 직 가열되어 마이크로

웨이 라즈마 방 을 불안하게 만드는 것을 찰하 다. 상기 내용을

정리하면 아르곤, 산소나 기타 활성화 에 지가 작은 보조가스로 마이크

로웨이 라즈마에 한 처리효율을 높일 수 있다는 것이다.

- 132 -

600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

NO

x co

ncen

tratio

n(pp

mv)

Initial concentration(ppmv)

5liter/min, 10liter/min, 15liter/min

Fig. 3.55. By products(NOx) after plasma treatment for toluene as

function of input toluene concentration by using a 1KW air

plasma(with different plasma gas flow rate : 5 to

15liter/min)

- 133 -

4. 3KW 마이크로웨이 라즈마 용 실험

가. 3KW 마이크로웨이 라즈마 시뮬 이션 결과

본 시스템의 마그네트론에서 발생되는 주 수는 2.45GHz 기 이며, 이

를 송할 도 은 WR-430(109.2×54.6mm)을 사용하 다. 마이크로웨이

라즈마 구성은 송용 구형 도 과 3개의 stub tuner 그리고 1개

의 반응기(원형도 이 구형 도 에 수직으로 결합)로 구성하 다. 마

이크로웨이 라즈마 반응기는 속 원형 도 내부에 비유 율이

3.57인 원통형 quartz tube가 삽입되어진 구조로 되어 있다. 우선 기본

인 설계를 해 3개의 stub tuner가 도 으로 삽입되어 있는 길이를 0

으로 하고 Ansoft사의 자계 해석 로그램인 HFSS(High frequency

structure simulator)를 이용하여 도 내부의 계 분포를 고찰하 다.

라즈마는 기 에 지에 의하여 부분 으로 이온화된 기체로서 양이

온, 음이온, 자 반응성이 강한 성원자나 분자 등으로 구성되어 있

다.68) 그러므로 라즈마 반응기를 해석하기 해서는 라즈마 반응기구,

기장분포, 이온이나 라디칼들의 반응 달 상, 표면반응 등의 복잡

한 상들을 고려하여야한다.69) 한 라즈마 공정의 성능에 향을 미

치는 조작변수로서 압력, 출력, 주 수, 극물질, 유량, 온도 반응기체성

분등이 있다.70) 이와 같이 조작변수는 자에 지 분포함수, 반응물의 농

도, 이온 농도 이온에 지와 같은 라즈마의 특성에 총체 으로 향

을 주어 라즈마 공정의 성능을 좌우한다. 조작변수와 공정의 성능과의

상 계는 무 복잡하여 라즈마 반응기의 형태나 반응기체의 성분을

변경하거나 조작변수를 조 하는 일은 재까지도 상당부분 시행착오 법

에 의존하고 있다.

- 134 -

제작된 시스템은 반응기 우측에 sliding short가 내장된 구형 도 이

연결되어 있어 그 길이를 변화시켜 반응기의 심 부분에 계가 집 되

도록 할 수 있으며, Fig. 3.56부터 Fig. 3.59는 sliding short의 길이를

200mm에서 50mm까지 50mm 단 로 변화 시켰을 때 반응기 내의 계

분포를 확인하 다. 산해석 결과를 살펴보면 Fig. 3.58에서 보는 바와

같이 sliding short 길이가 100mm 후에 치하 을 때 반응기내 에

지가 넓게 분포되며 국부 인 에 지 집 상이 없었다.

- 135 -

(a) XY electric field intensity (200mm)

(b) YZ electric field intensity (200mm)

(c) YZ electric field intensity (200mm)

Fig. 3.56. Electric field intensity distributions as function of sliding

short size (200mm)

- 136 -

(a) XY electric field intensity (150mm)

(b)YZ electric field intensity (150mm)

(c) YZ electric field intensity (150mm)

Fig. 3.57. Electric field intensity distributions as function of sliding

short size (150mm)

- 137 -

(a) XY electric field intensity (100mm)

(b) YZ electric field intensity (100mm)

(c) ZX electric field intensity (100mm)

Fig. 3.58. Electric field intensity distributions as function of sliding

short size (100mm)

- 138 -

(a) XY electric field intensity (50mm)

(b) YZ electric field intensity (50mm)

(c) ZX electric field intensity (50mm)

Fig. 3.59. Electric field intensity distributions as function of sliding

short size (50mm)

- 139 -

나. 3KW 마이크로웨이 라즈마 제작

라즈마는 일반 으로 성상태의 기체와는 달리 높은 에 지를 갖는

자와 이온 활성종이 포함되어 있으므로 압력이 증가될수록 큰 부피

의 라즈마 방 을 균일하게 제어하기 어려우므로 라즈마의 용성을

확 하기 해 진공장비를 배제한 기압 상태에서 면 의 라즈마를

발생시킬 수 있는 다양한 시스템과 기술이 많은 연구그룹들을 통해 시도

되고 있다. 구축한 3KW 의 휘발성 유기화합물 처리장치는 1KW 마

이크로웨이 라즈마 시스템을 통하여 확인된 마이크로웨이 라즈마

시스템의 용성을 바탕으로 실제 휘발성 유기화합물을 상으로 고효율

분해 가능한 시스템을 구 해 내는데 있으며 이는 휘발성 유기화합물 처

리 장치 외 PFC 공정, 면 라즈마 시스템 상용화에 앞서 기술 으

로 매우 요한 의의를 갖는다. 1KW 마이크로웨이 라즈마를 통해

구축된 시스템인 경우 분해공정 시험결과 자계 해석을 바탕으로 방

역은 방 내경 30mm에 당한 것으로 단되며 처리용량을 증가

시키기 해서는 방 역을 확 와 더불어 방 내로 유입되는 처리가

스 분자와 화학반응을 일으킬 수 있는 반응기내 체류시간을 높이는 것이

주요한 기술의 핵심으로 볼 수 있다.

1KW 마이크로웨이 라즈마의 방 처럼 quartz tube 과열로 인

한 방 으로 사용된 quartz tube내벽에 고온의 flame에 의한 손상을 발

견할 수 있었으며, 방 역이 일부로 축소되면 화학반응을 통해 분해되

는 분자의 수가 어들고 가스분해 효율 감의 주요원인이 될 뿐 아니라

작은 방 역내로 자 이온이 집 되어 류 도가 높아지므로 마

이크로웨이 가 투과되지 못하고 반사되는 상이 발생할 수 있다. 이런

경우 3KW 마이크로웨이 라즈마 시스템에서는 방 역내로 에 지

가 달되지 못하고 부분 마이크로웨이 발진부 쪽으로 되돌아 들어가

- 140 -

므로 isolator부에서 마그네트론을 보호하기 해 반사된 출력이 일정수

이상이 될 경우는 power supply로부터 마그네트론에 공 되는 고압 원

을 자동으로 차단하는 신호를 주기 때문에 마이크로웨이 가 공 되

지 않는 상태가 되며 처리 상가스에 한 분해공정을 제공할 수 없게 된

다.

3KW 마이크로웨이 라즈마 반응기는 처리가스 분해의 효율을

높이기 해서 방 의 길이를 되도록 길게 설정했으며 Fig. 3.60과 같이

vortex 형식의 투입 방식을 통해 반응에 필요한 긴 체류시간을 수 있

는 구조로 고온의 내벽을 보호 하도록 설계 되었다. 압력이 높은 경우의

방 상태는 유입되는 가스의 양 유동상태에 의해서도 크게 향을 받

게 된다. 유속이 느릴 경우, 안정하게 유지되던 방 이 유속이 빨라질 때

크게 치우치거나 streamer성으로 천이하여 불안정해지는 상을 흔히 발

견할 수 있다

- 141 -

In p u t

o u tp u t

In p u t

o u tp u t

Fig. 3.60. Schematic vortex structure diagram and flow direction for

3KW plasma reactor

(1) 발진부

고출력 마이크로웨이 power supply의 동작구조는 크게 원 control

부의 고압 발생부로 나 어진다. 마이크로웨이 power supply는 입력으

로부터 원을 받아 control부에서 각종 error 검출과 신호처리 고압제

어를 한 신호를 발생시키고 고압 발생부에서는 control부에서 신호를

받아 압은 고압으로 승압시키고 AC 압을 DC 압으로 정류시켜 마

그네트론에 공 한다. 정류하는 방식은 콘덴서를 이용한 반 배 압 방

식과 압 방식이 있는데 일반 으로 2KW 이상에서는 방식을

사용하며 본 연구에서는 3KW 마그네트론을 사용하 다. 3KW 마이크

로웨이 라즈마 시스템 구축을 한 반응기 설계 시 제작된 마이크로

웨이 generator의 발진주 수를 기 으로 하 다. 마그네트론은 anode

- 142 -

current voltage에 따라 출력의 세기가 달라지며 발진주 수 한 증

가하는 경향을 나타낸다.

(2) 주요부품 반응기

(가) 도

효율 인 도 의 size는 마이크로웨이 Power Source의 주 수에

의해 정해진 WR-340(Inside dimension: 3.40 × 1.70 inch) 과

WR-430(Inside dimension: 4.30 × 2.15 inch)두 종류가 있는데 본 연구에

서는 WR-430을 사용하 다.

(나) 화장치 연구

연속 인 안정 화 메인 반응기의 라즈마 화염의 안 성 확보를

해서 2차년 도에 개발된 Arc 방식과 UV를 이용한 방법으로 Scale Up

에 따른 용성 여부를 연구 검토 실험을 수행하 다. Plasma 화염의

화장치는 SiC 물질을 이용한 화방법으로 마이크로웨이 역에 SiC입

자성분(3∼4mm)을 두고 arc를 유도하여 라즈마를 발생시킨다. 이러한

라즈마 방식은 일본 라즈마 연구소 들의 기 실험(0.5∼1ℓ/min)에

서 작은 streak 라즈마가 발생되었다고 보고하고 있으며 본 연구에서도

비슷한 라즈마를 얻을 수 있었다. 본 반응기에 이러한 화 장치 방법

은 라즈마 방 가스 처리가스등의 반응기내 격한 조건 변화에

응성이 좋으며, 한 안정 인 방 이 이루어 질수 있도록 도와 다. 이러

한 화방식은 라즈마 가스의 유량 변화 가스 종류 변화 등 다양한

실험 조건에도 강한 라즈마가 유지 될 수 있도록 연구되었으며 Fig.

3.61와 같은 1KW 크기의 라즈마 토치를 제작 하 다. 3차년도 연구 개

- 143 -

발에 의해 확립된 33m3/hr Plasma 화장치 토치 연구는 2차년도

의 Arc 방식을 탈피하여 Sic물질을 이용하여 쉽게 화 될 수 있는 구조

로 메인 반응기의 3KW microwave plasma에 화를 한 자에 지

를 수 있는 구조이다.

Fig. 3.61. 1KW microwave plasma torch for plasma reactor

1KW microwave plasma 화용 토치의 라즈마 가스 공 은

vortex타입으로 투입되며, 이로 인해 1KW microwave plasma의 석

을 보호 해 수 있도록 설계 제작되었다. 제작된 1KW

microwave plasma는 자계 해석 로그램인 HFSS을 이용 하여얻

은 Fig. 3.62과 Fig. 3.63와 같은 결과를 바탕으로 설계 되었으며 안정

인 운 을 할 수 있었다.

- 144 -

Fig. 3.62. Electric energy field at xy plane for 1KW microwave plasma

torch

Fig 3.63. Electric energy field at yz plane for 1KW microwave plasma

torch with 20.15mm sliding short size

- 145 -

(다) 주요부품

3KW의 라즈마 발생장치의 개략 인 도면은 Fig. 3.64와 같으며 부

분별 설명은 다음과 같다.

Fig. 3.64. Schematic diagram of microwave plasma composition

① RF-변형Wave Guide : Magnetron에서 발생한 마이크로웨이 를 일

정한 방향으로 주사하는 기능.

② Circulator : Magnetron에서 발생한 마이크로웨이 가 웨이 가이드

를 통해 이동 후 반사 에 의해 Magnetron을 보호하는 기능을 한다.

- 146 -

③ Directional Coupler(반사 ): 반사된 마이크로웨이 의 Power량을

측정하기 한 Port.

④ Water Load :마이크로웨이 에 의해 발생된 열로부터 장치를 보호

하기 한 수냉식 방식의 냉각장치.

⑤ 3-Stub Tuner: Plasma 발생을 한 최 의 마이크로웨이 조건을

조 하는 부하임피던스 조정기.

⑥ Directional Coupler(입사 ) : Magnetron에서 Reactor방향으로 출력

된 마이크로웨이 의 Power량을 측정하기 한 Port.

⑦ Reactor : 마이크로웨이 에 의해 Plasma가 발생하는 곳으로서 ø50

의 Quartz Tube 외각으로 원형 도 으로 둘러싸여 있고 Plasma에서

발생한 열로부터 반응기를 보호하기 하여 원형 도 내부에 수냉식

냉각 장치를 하 다.

⑧ Sliding Short : 도 속의 마이크로웨이 도 치를 조정할 수

있는 장치이다.

⑨ Case : Magnetron을 고정 안착시키는데 사용됨

⑩ Magnetron : 일정한 크기의 마이크로웨이 를 발생시키는 장치이다.

⑪ Power Supply : 고출력 마이크로웨이 power supply 의 동작구조

는 크게 원 control 부의 고압 발생부로 나 어진다. 마이크로웨이

power supply는 입력으로부터 원을 받아 control부에서 각종 error 검

출과 신호처리 고압제어를 한 신호를 발생시키고 고압 발생부에서는

control 부에서 신호를 받아 압은 고압으로 승압시키고 AC 압을 DC

압으로 정류시켜 Magnetron에 공 한다.

- 147 -

Fig. 3.65. 3KW Microwave plasma system

- 148 -

다. 3KW 마이크로웨이 라즈마에 의한 톨루엔 처리 실험결과

Fig. 3.65은 3KW 마이크로웨이 라즈마의 체 반응장치를 나타

내었으며 Fig. 3.66은 Ar gas를 이용한 plasma 발생 시의 사진을 나타내

고 있다. 제작된 마이크로웨이 라즈마 반응기에서 안정된 라즈마

조건을 만들기 해 3-Stub Tuner, Sliding Short 조작을 통해 최 의

라즈마 발생 치를 확인 한 후 여러 가지 유량 실험을 하 다. 아르곤

투입시 워별(1KW ∼ 3KW) 유량 조건에서는 안정 으로 발생하

으며, Fig. 3.67은 실험에 사용되었던 최 의 마이크로웨이 라즈마

의 화염형태를 보여주고 있다.

Fig. 3.66. 3KW Microwave Ar gas plasma flames

- 149 -

Fig. 3.67. Strong and stable Ar gas plasma flame for 3KW microwave

plasma

Fig. 3.68은 3KW air 라즈마를 이용하여 마이크로웨이 워

(2KW)에서 유기용제 투입농도에 따른 DRE(%)를 나타내었다. 이 결과

값을 고찰해보면 1KW 마이크로웨이 라즈마의 실험에서처럼 같은

출력, 같은 유량에서 투입된 휘발성 유기화합물의 농도가 증가할수록 처

리효율이 반비례하여 낮아지는 것이 아니었고, 1KW 에 비해 단 유량

당 단 에 지가 었어도 처리효율이 높았던 것은 이온화가 쉬운 라즈마

기체로 아르곤을 사용하 으며 반응기내에 휘발성 유기화합물 반응 시간을

늘릴 수 있는 Vortex구조의 투입방식으로 기인한 것으로 사료된다. 체류시

간에 한 처리효율 연구는 보다 많은 연구가 지속되어야 될 것 같다.

- 150 -

70 75 80 85 90 95 1000

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

Initi

al c

once

ntra

tion(

ppm

v)

DRE(%) Fig. 3.68. Destroy removal efficiency of Toluene as function of initial

concentration by using 3KW Ar plasma

- 151 -

Fig. 3.69은 마이크로웨이 워(3KW)에서 산소투입량에 따른

DRE(%)를 나타낸 그림이다. 기 산소유량이 증가할수록 높은 DRE(%)

가 나타났으며 산소 투입량 8% 이후는 뚜렷한 증가가 보이질 않았다. 산

소투입은 반응내부의 산화력 증가와 련이 있는 것으로 사료되며, 한

산소 가스는 이온화 에 지가 작기 때문에 마이크로웨이 라즈마에 의

해 쉽게 이온화가 된다는 장 이 있다. DRE(%)는 산소 1.6%이상에서

98%정도의 제거효율을 나타내었다. 원자상의 산소와 탄소와의 반응은 일

산화탄소와 반응하여 이산화탄소를 만든다.(O+CO->CO2) 이 반응은 상

으로 늦은 로세스이다. 그러나 산소와 고체탄소의 불 균질 반응은 아

주 빠르게 진행하며 특히 탄소 표면에서 더욱 심해진다. 카본의 산화에

한 많은 연구에도 불구하고 주생성물이 어떻게 생성되는가는 정확히

측하는데 는 한계가 있다. 산소량이 증가할수록 이산화탄소 발생량이 증

가하 으며, 일산화탄소인 경우는 이와 반 되는 상이 있었다. 이를 이

용한 반응기 운 상태를 확인할 수 있는 지시 값으로 이용 가능하다고

단된다.

- 152 -

0 2 4 6 8 10 1295

96

97

98

99

100

DR

E(%

)

Influent oxygen loading rate(%)Fig. 3.69. Destroy removal efficiency of Toluene as function of influent

oxygen loading rate by using 3KW Ar plasma

Fig. 3.70, Fig. 3.71는 3KW Power의 Plasma로 톨루엔 처리시 산소의

주입량에 따른 배출가스 의 CO2농도와 CO 농도를 나타낸 것이다. O2의

주입농도가 증가함에 따라 완 산화에 따른 CO2의 농도가 증가하고,

CO의 농도가 감소됨을 알 수 있다.

- 153 -

2 4 6 8 10 122000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

CO

2(pp

mv)

Influent oxygen loading rate(%)Fig. 3.70. After plasma treatment for toluene by product(CO2) of

Toluene as function of influent oxygen loading rate by

using 3KW Ar plasma

- 154 -

2 4 6 8 10 120

500

1000

1500

2000

2500

CO

(ppm

v)

Influent oxygen loading rate(%)Fig. 3.71. After plasma treatment for toluene by product(CO) of

Toluene as function of influent oxygen loading rate by

using 3KW Ar plasma

- 155 -

Fig. 3.72은 마이크로웨이 워(3.0KW)에서 스 투입량에 따른

DRE(%)를 측정한 결과이다. 스 량이 증가 할수록 DRE%가 떨어짐을

알 수 있었는데, 이는 유 율이 높은 스 이 라즈마 내의 내부 에 지

라즈마 화염온도를 감소시켜 나타나는 상으로 사료되며 과다한 스

투입시 보다 높은 워가 필요함을 나타낸다. 산소와 원자상의 수소와

의 반응에 있어서 혼합하면 상온에서는 단지 물만이 생성됨을 확인하

다. 그러나 반응 생성물을 액체질소에 의해 랭하면 수분 외에 H2O2도

생성되었다. 이 라디칼의 생성은 차가운 반응기 벽에서 다음과 같은 조건

으로 생성될 것으로 생각된다. H2O+H2+W->OH+H20+W, H+O2->OH+O

로 에 지를 흡수할 가능성이 높다고 한다.

한 라즈마 방 가스로 아르곤과 공기를 혼합하여 처리효율을 확인

한 결과 Table 8과 Table 9와 같은 결과를 얻었다. 공기 투입량이 많아

질수록 처리효율이 떨어짐을 나타내었으며. 이는 방 에 필요한 방 가스

의 이온화 에 지가 상 으로 공기가 높기 때문에 발생되는 상으로

단된다. 한 공기 투입량이 많을수록 높은 NOx가 발생하 다. 마이크

로웨이 워(2.0KW)에서 스 투입량에 따른 DRE(%)를 측정한 결과이

다. 스 량이 증가 할수록 DRE%가 떨어짐을 알 수 있었는데, 이는 유

율이 높은 스 이 라즈마 내의 내부 에 지 라즈마 화염온도를 감

소시켜 나타나는 상으로 사료되며 이러한 이유로 스 투입시 질소산화

물 발생이 어지는 것으로 사료된다.

- 156 -

0 5 10 15 20 25 3090

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

DR

E(%

)

Influent moisture loading rate(%)Fig. 3.72. Destroy removal efficiency of Toluene as function of influent

moisture loading rate by using 3KW Ar plasma

- 157 -

Table 8. Removal efficiency of Toluene and emission rate of NOx as

function of mixture ratio of plasma gases (Ar : Air)

방 가스 혼합비율DRE%(투입농도 :

1120ppmv)NOx

발생량

(ppm)NO NO2

Ar(100):Air(10) 99.51 997 12.7Ar(80):Air(20) 99.43 1225 52.7Ar(70):Air(30) 94.21 3692 182Ar(60):Air(40) 91.12 - -

Ar(50):Air(50) 88.3 - -

Ar(40):Air(60) 85.53 - -

Table 9. Removal efficiency of Toluene and emission rate of NOx as

function of mixture ratio of plasma gases(Ar : Air : Vapor)

방 가스 혼합비율

DRE%(투입농도 : 1120ppmv)

NOx

발생량

(ppm)

f

투입 수분량

NO NO2Ar(100):Air(10) - 99.51 997 12.7

Ar(100):Air(10) 1.48ml/min 97.02 771 10.4

Ar(100):Air(10) 4.25ml/min 92.18 423 5

- 158 -

5. 통합시스템 운 경제성 평가

본 연구의 목표는 낮은 농도의 오염 공기를 효율 으로 처리할 수 있

는 ‘마이크로웨이 를 이용한 흡탈착 농축 장치 라즈마 처리 설비’에

한 반응 메커니즘 확립 용성에 한 연구이다. 이에 련하여 마

이크로웨이 가열에 합한 흡착제를 개발하 으며, 개발된 흡착제를

상으로 균등가열이 가능한 흡탈착 농축장치를 설계 제작하 다. 한 후

처리 개념의 마이크로웨이 라즈마 시스템을 설계 제작하여 운

실험을 수행하 다. Fig. 3.73는 본연구의 공정 흐름 도를 보여 다. 크게

흡탈착 농축시스템, 냉각 응축시스템, 마이크로웨이 라즈마로 나뉘는

데 처리용량비로 산정하며 166:1:1 수 으로 후처리에 많은 부하를 인

컴펙트한 공정이다. 흡착은 일정한 유속 유량으로 흡착되며 반응기내

의 흡착제가 포화상태에 이르면 마이크로웨이 에 의해 탈착이 이루어지

고 탈착된 휘발성 유기화합물은 냉각응축 공정을 거쳐 회수되며 회수 과

정에서 발생되는 휘발성 유기화합물은 마이크로웨이 라즈마 공정에서

최종처리 된다.

미국 텍사스 학교의 에 지 센터에서 1998년 10개 공정을 상으로

경제성을 평가한 가 있다. 경제 분석의 기 인 자료는 Environmental

Protection Agency(EPA)의 “Control technologies for Hazardous Air

Pollutants"를 참조로 실제 엔지니어에게 도움을 주고자하는 취지하에 조

사된 결과를 살펴보면, 기존 공정에서 경제성을 평가할 때 회수된 유기용

제의 가격을 산출하지 않는 경향이 있다고 하 다. 하지만 회수된 유기용

제의 가격은 체 공정의 운 비용에 상당하다고 한다. David W.

Priceand Philip S. Schmidt71)의 논문은 10개의 공정(Thermal Oxidation,

Catalytic Oxidation, Regener Thermal Oxidation, Rotary Concen

Oxidation, Fluid Bed Ads Oxidation, Fluid Bed Ads Recovery, Fluid

- 159 -

Bed MW Regen, Fixed bed Steam Regen, Fixed bed Hot gas Regen,

Fixed bed MW Regen을 상으로 유기용제 회수 후 경제 가치를 고려

하여 환산한 경제성 결과가 Table 10과 같다. 본 연구의 논제와 비슷한

시설인 Fixed bed MW Regen을 심으로 경제성을 평가하여 추측해 낼

수 있는데, 시설별 높은 열 회수 효율은 Regener Thermal Oxidation >

Thermal Oxidation > Rotary Concen Oxidation > Catalytic Oxidation

순이었다. 장치 운 에 들어가는 총에 지 량(MBtu/hr)은 산화시스템 일

수록 천연가스의 연료량 많으며, 재생시설 Fluid Bed Ads Recovery,

Fixed bed Steam Regen, Fixed bed Hot gas Regen일때 스 량이 최

로 사용되었음을 알 수 있다. 상 으로 마이크로웨이 를 이용한 시설

은 력사용량은 많지만 천연가스 스템 사용량이 없기 때문에 상

으로 낮은 에 지 소모를 한 것으로 본다. 한 사용된 에 지 기 의 비

용으로 처리된 VOC 량으로 나 계수에서 Fixed bed MW Regen가

0.206으로 Fixed bed Hot gas Regen의 0.205와 유사하며 Thermal

Oxidation, Catalytic Oxidation의 0.476, 0.433보다 낮음을 알 수 있다. 하

지만 더욱 더 고부가치 용을 해서는 회수 상 물질의 경제 가치가

높을수록 좋으며, 마이크로 재생 시 활성이 강해야하며, 마이크로 재

생은 어떤 특정한 조건에서는 매우 합리 인 기술이 될 수 있다. 뿐만 아

니라 마이크로 시스템 비용들은 총 시스템 비용들의 비교 작은 부분

이며，효율 인 운 을 통하여 회수 시스템과 후처리 시스템의 비용 일

수 있을 것으로 본다.

- 160 -

Sampling port 2.

Sampling port 1. Sampling port 3.

Sampling port 4.10kw

microwave

3kw- microwave plasma

Oxygen, Ar gas input

Vapor water input

Condenser

Vacuum pump

Gas bumper

Vacuum controller

Clean gas vent

toulene

Heating metal

Fig. 3.73. Schematic diagram of an integrated VOC treatment system

to concentrate 10KW level VOCs in the heat gas stream and

to recover VOCs thought condensation and to destroy finally

emitted VOCs

- 161 -

Table 10. Comparison of VOC control technologies for the PTE flow conditions

Case1

Thermal

Oxidation

Case2

Catalytic

Oxidation

Case3

Regener

Thermal

Oxidation

Case4

Rotary

Concen.

Oxidation

Case7

Fluid.

Bed Ads.

Oxidation

Case8

Fluid.

Bed Ads.

Recovery

Case9

Fluid.

Bed. MW

Regen

Case10

Fixed

bed

Steam

Regen

Case11

Fixed

bed

Hot Gas

Regen

Case12

Fixed

bed

MW3)

Regen

Pressure drop (H2O)

19

14

25

68

88

8.3

12

12

Adsorbent inventory (lbm)-

--

-45,700

45,700

38,800

128,600

48,400

49,400

Heal recovery (%)

70

50

95

70

--

--

-

Utilities

Power (KW)

538

396

709

322

547

475

737

331

742

683

Natural gad (scfm)

1,450

954

411

14

0-

--

--

Steam (lbm/hr)

--

-0

1,239

-3,600

1,700

-

Total energy (MMBfu/hr)92.6

61.4

32.1

4.2

5.7

6.7

7.7

8.5

10.4

7.2

TCI ($)

1,664,0002,429,0003,801,0003,462,000

2,563,002,563,0002,731,0002,042,0003,069,0003,099,000

Total operating cost ($/yr)1,800,0001,640,000902,500

430,400

375,200

422,100

496,800

778,400

758,800

462,100

Power ($/yr)

186,900

137,300

246,000

111,700

189,800

164,800

255,700

115,000

257,400

237,000

Natural gas ($/yr)

1,690,0001,110,000479,000

16,000

0-

--

--

Steam ($/yr)

--

--

-43,700

-127,000

88,000

-

Nitrogen ($/yr)

--

--

25,900

25,900

-25,900

-

Colling water ($/yr)

--

--

-23,000

23,000

13,100

5,500

1,000

Adsorbent repl.($/yr)

-271,400b-

138,700

57,300

57,300

48,500

396,600

183,800

499,600

504500Other ($/yr)

92,100

122,700

177,600

164,000

128,100

128,100

164,400

126,700

148,300

149,500

Capital recovery ($/yr)

270,800

395,500

618,900

563,600

417,300

417,300

444,600

183,800

499,600

524,500

COS ($/lb VOC)

0.476

0.433

0.323

0.211

0.168

0.178

0.200

0.205

0.268

0.205

COS W/ recov.4 ($/lb)

0.476

0.433

0.323

0.211

0.168

(0.032)

(0.010)

-0.058

(0.004)

- 162 -

제4장 연구개발 목표 달성도 외기여도

Plasma의 발생가스에는 주로 공기, Ar, He, Steam등이 사용되며

재 개발된 Plasma로는 공기 Ar가스 Plasma가 표 이다. 공기의

Plasma의 경우는 원료를 손쉽게 구할 수 있다는 장 은 있지만 라즈마

가스와의 반응에 의하여 반응 후에 공기에 포함된 질소(N2) 성분의 산화

로 NOx등의 오염물질 등을 형성할 수 있기 때문에 Plasma 처리 후에 다

시 NOx성분 등을 제거하기 한 후처리 가스 처리설비가 요구되는 경우

가 생길 수 있다고 하겠다.

본 연구에서는 공정 에 발생할 수 있는 악취 VOCs의 효율 인

처리를 해 Microwave를 이용한 흡착된 VOCs 악취 성분 탈착 기술

과 Microwave Plasma를 이용한 VOCs 악취 성분에 한 효율 인

처리 기술을 개발이다.

본 장치 개발을 해 1,2차년도 연구를 효율 으로 수행함으로 최종

년도 연구개발 목표 달성도를 100% 이상 달성하 다. 주요 연구 결과로

써 Microwave Power의 변동 유량 변화에 따른 일정한 Microwave

Plasma 발생기법과 이에 사용될 Plasma 화장치를 개발하 고,

Microwave 에 지를 효율 으로 흡수할 수 있도록 반응기의 체류시간을

확보 가능한 사이클론 형태의 Plasma Reactor 설계 개발을 하 다. 개

발된 Plasma 장치의 효율을 측정하기 해 Toluene으로 선정 하 고, 각

각의 가스에 의한 처리효율이 높게 측정되었다. 악취 VOCs처리 방법

으로 Microwave Plasma 처리 방법이 매우 효율 높은 방법임을 입증하

다. 한 공정 에 방출되는 VOC 악취 성분은 배출 농도가 낮기 때

문에 이를 농축하여 처리하는 방법이 매우 효율 이기 때문에 본 연구에

는 처리 장비로 Microwave Plasma 장치에 연결하여 사용할 수 있는

- 163 -

Microwave를 이용한 흡탈착 농축장치에 해 기본 인 설계와 여러 가

지 기 를 실험을 통하여 기본 모델을 확립하 다.

Microwave를 이용한 흡탈착 농축 설비는 기존의 활성탄 탈착시 Hot

Steam, Hot Air보다 에 지 효율 측면 탈착효율시 우수함을 측정하

고 Microwave 흡착탑의 흡착층 투과 깊이를 증가시키기 하여 반응기

구조 연구 개발을 하 다. 3차년도 연구에서는 마이크로웨이 라즈

마의 경우는 33m3/hr 처리용량, 마이크로웨이 흡탈착 농축 장치는 소규

모 실증 랜트 처리용량(1,000m3/hr) 설계 제작하고 이를 하나의 통

합 리 시스템으로 연결하여 랜트를 개발 하 으며, 각각의 설비에

한 개별 시제품 역시 제작하 다. 주요 연구 사항은 다음과 같다.

1. 소규모 실증 규모의 Microwave를 이용한 흡탈착 농축 설비

(1,000m3/hr)의 시제품화

마이크로웨이 분산을 해 직사각형타입의 빈 공간 내에 마이크로웨

이 분산을 확인 하 으며 이를 토 로 마이크로웨이 침투 깊이를 고

려한 도 의 투입 치를 균일 분산 가열이 이루어지도록 할 수 있는

반응기 구조를 확립하 다. 한 도 에 슬롯을 만들어 마이크로웨이

의 집 을 방지하여 국부가열로 인한 VOCs 발화가능성을 배재하 다.

VOCs흡착력과 마이크로웨이 침투효과가 뛰어나도록 제조된 제오라이

트(5-7mm) 흡착제를 개발하여 안정성 경제성을 극 화 하 다.

제조된 제오라이트는 5-7mm 크기로 제작되었으며, 제오라이트와 알루

미나를 7 : 3 으로 혼합하여 열처리하 다. 한 마이크로웨이 의 균일

분산을 하여 지름 150mm의 회 슬롯을 장착하 고, 220mm*250mm

*1200mm size의 용량 흡착탑 2기를 병렬 연결하여 흡착용량 처리효

율을 개선하 다.

- 164 -

가열이나 연소에 의한 VOCs의 변형 없이 유기용제의 회수가 가능하도

록 제작ㆍ개발하 으며, 좁은 공간에도 쉽게 설치할 수 있는 실 규모 size

로 개발되었다. on/off방식으로 제작되어 운 이 용이하고, 열 없이 운

이 가능하도록 설계되어 기존의 Hot steam방식이나 Hot Air방식에 비

하여 효율성 경제성이 뛰어나 실 용에 유리하도록 개발되었다.

2. Microwave Plasma (33m3/hr)의 시제품화

연속 인 안정 화 메인 반응기의 라즈마 화염의 안 성 확보를

해서 2차년 도에 개발된 Arc 방식과 UV를 이용한 라즈마 Torch를

개발하여 안정 인 라즈마 발생을 가능하게 하 다. Plasma 화염의

화장치는 SiC 물질을 이용한 화방법으로 마이크로웨이 역에 SiC입

자성분(3∼4mm)을 두고 arc를 유도하여 라즈마를 발생시켜 메인 반응

기의 3KW microwave plasma에 화를 한 자에 지를 수 있도

록 하 다.

제품의 안정성 확보를 해 반응기 외부에서 모든 제어를 할 수 있게

설계되었고, 장치의 모든 제어과정은 자식으로 작동 될 수 있게 설계하

다.

다음 Fig. 4.1은 기존 3KW방식의 개량형인 원형 라즈마 발생장치로

서 Microwave의 공간 안에서의 회 을 이용하여 에 지 집 을 가능하

게 하 다. 기존 라즈마 발생장치와 같은 2.45GHz의 주 수를 사용하며

WR-340도 을 이용하여 원형타입으로 제작하 다. 하부에는 1KW 픞

라즈마 토치를 장착하여 안정 인 라즈마 발생을 가능하게 하 다.

재 시제품을 제작하여 Test 에 있다.

- 165 -

Fig 4.1. Schematic diagram for 3KW circular resonance plasma

reactor

3. 마이크로웨이 흡탈착 농축 설비와 라즈마장치를 연계한 악취

VOCs 처리 장치의 실증 랜트화(처리용량 : 1,000m3/hr)

Plasma 발생장치 흡탈착 장치 등의 단일 공정을 한 각각의 설계

인자를 산출하여 고효율을 갖는 1,000m3/hd 의 악취 VOCs처리

System 완성하 다. 1,2차년도 연구 결과를 토 로 연구 개발한 실증규모

의 시스템은 아날로그 시스템으로 자동화 운 이 가증하도록 하 으며,

각 부분별 기 주요 장비는 10KW 흡탈착 설비 1기, 3KW 라즈마

설비 1기, 1KW 라즈마 토치로 제작하 다. 체 인 처리장치의 계

략 인 형태는 Fig. 3.8과 같다. 악취 VOC를 포함하는 공정 의 배가

스는 흡착탑으로 주입되어 악취 VOC성분은 농축되고, 정화된 가스는

배출구로 배출된다. 흡착탑이 포화 농도 가까이 농축되어 오염물질의

농도가 규제 이상의 방출될 경우 자동으로 처리가스가 Microwave에 의

하여 탈착되고 탈착된 농축 가스는 Microwave Plasma 장치에 의하여

- 166 -

처리된다. 필요시 처리된 가스는 다시 흡착탑으로 주입되어 반복으로

Plasma에 의하여 처리된다. 따라서 완 처리된 clean 가스만 배출구로

나가게 되는 하나의 통합 리 시스템을 연구개발 하 다.

- 167 -

제5장 연구개발결과의 활용계획

Microwave에 의한 Plasma 발생기술은 작업상의 용이 과 유지 리

측면에서도 기존의 Plasma 발생기술에 비하여 기오염 방지기술로서

매우 활용가치가 높다고 할 수 있고 아울러 다양한 산업 장에도 용성

이 매우 넓다고 하겠다.

1. 활용분야

가. 유류제조업, 도장산업체, 화학공장 각종 배출시설 업체에 용

(1) 재의 흡착제를 이용한 기오염 방지시설은 흡착제를 교체하거나

탈착에 많은 에 지의 손실 경비가 소요된다. 그러나 Microwave에 의

한 탈착은 은 에 지를 이용하여 흡착제를 반 구 으로 사용하며 탈착

을 가능하게 하는 기술로써 복잡한 장비의 추가 없이 탈착효과를 증 시

킬 수 있다고 본다.

(2) 제품 완성 시 인근에 있는 업체를 선정하여 실제 장착 운 하여 높

은 제거효율을 주변 업체에 인식시킴

나. 디젤엔진의 후처리 기술

(1) 재 디젤엔진의 후처리 기술이 여러 각도로 연구 에 있으나 본

Plasma 발생 기술로 Soot , NOx , DTF 등을 제거 산화를 통하여

기오염을 방지 할 수 있다.

(2) 재 소규모의 처리장치가 실험 에 있으며 실제 디젤엔진에 부착

하여 처리효율을 측정할 정임.

다. 소량의 독성가스 제거 처리장치

(1) 반도체 공정 등에서 발생하는 PFC 등의 독성가스를 포집하여 처리

하는 장치로 활용가능하며 반도체 공정이외에 소량의 독성가스 배출억제

- 168 -

에 Plasma 발생장치를 사용하여 제거할 수 있다.

라. 악취제거 설비

(1) Plasma를 이용하여 악취발생 원인 물질을 제거하여 쾌 한 환경을

조성

2. 기업화

가. 2004년도 후반기에 특허출원계획 : Microwave를 이용한 Plasma 유

해가스 제거 처리장치

나. 특허출원

(1) microwave를 이용한 휘발성 유기화합물 흡탈착 장치(2004.7.30. 특

허출원번호 60483)

(2) Plasma 반응기(2004.9.13. 특허출원번호 73146)

(3) Plasma 반응기(2004.10.18. 특허출원번호 83189)

다. 2004년도 후반기에 실 규모 장치의 설계 인자 도출 실시 설계를

통하여 본 장치가 최소의 비용으로 최 의 효율을 가질 수 있도록 제품화

할 계획이다.

라. 단계 으로 기오염방지 산업 련 인증 획득

․ 품질보증 지정업체 인증

․ 환경마크 : (사)환경마크 회

․ 정부조달청 지정 우수제품 생산회사 인증

3. 추가기술개발

가. 다양한 장에 용 가능한 흡착제 개발 자동화 기술

- 169 -

나. Plasma 발생기술 다양화 연구

4. 기술이 방안 보 방안

시장 조사를 통하여 국내, 국외의 기오염 방지시설 사용업체의 수요

를 악하고 일정 규모의 시험 설비업체를 정함으로써 이 장치의 처리효

율 등을 입증할 정이다. 한 북소재 S사의 유기용제 회수 시설 련

하여 3차년 도에 개발된 마이크로웨이 흡탈착장치를 유기용제 회수시설

로의 환을 실증 랜트에서 확인할 정이다. 이와 더불어 홈페이지 개

설을 통한 홍보, 상담을 통한 본 기술의 효능 경제성 부각, 기존에 사

용되는 방지시설의 단 부각, 그리고 고효율의 방지시설 설치의 필요성

의 정보를 제공함으로서 기업체 스스로 본 기술의 사용 필요성을 인지시

키도록 할 것이다. 한 공해 감시설로의 정부조달청 지정 우수제품 생

산회사 인증 획득 필요시 환경박람회 참가 등을 통하여 설비의 우수성

을 홍보하여 기존시설의 보완 신규시설 설치 시 본 설비를 선택하여

사용토록 유도할 정이다.

- 170 -

제6장 참고문헌

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주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 환경기술개

발사업의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경

부에서 시행한 환경기술개발사업의 연구결과

임을 밝 야 합니다.

3. 국가과학기술 기 유지에 필요한 내용은

외 으로 발표 는 공개하여서는 아니됩니

다.