工學碩士學位論文

전력변화에 따른 글라이딩 아크 플라즈마의

방전특성

Characteristics of Gliding Arc Plasma

from Power Change

2007年 12月

仁荷大學校 工學大學院

情報電氣工學科

金 鍾 珏

工學碩士學位論文

전력변화에 따른 글라이딩 아크 플라즈마의

방전특성

Characteristics of Gliding Arc Plasma

from Power Change

2007年 12月

指道敎授 申 白 均

이 論文을 碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 工學大學院

情報電氣工學科

金 鍾 珏

이 論文을 金泰佑의 碩士學位論文으로 認定함

2007 年 12 月

主審 : ㊞

副審 : ㊞

委員 : ㊞

- i -

요 약

산업활동의 부산물로서 발생하는 각종 유해물질을 분해하는 연구가 진행

되어 왔으며, 플라즈마의 특성을 이용한 연구가 활발히 진행되어 왔다.

글라이딩 아크 플라즈마는 고온 열적평형상태와 저온 열적 비평형 상태

가 동시에 존재하는 플라즈마로서 글라이딩 아크 플라즈마의 특성을 이용

하여 벤젠을 분해하는 실험을 수행하였다.

본 실험에서는 글라이딩아크 플라즈마를 발생시키기 위해 전력을 변화시

켜 플라즈마 상태를 분석하였으며 글라이딩 아크 플라즈마를 발생시켜 대

표적인 유기화합물인 벤젠의 분해효율을 측정해 보았다

- ii -

ABSTRACT

Various researches to resolve industrial toxic materials has been

carried out. Among them, the decomposition process using plasma

has been spotlighted. Gliding Arc Plasma have both thermal

equilibrium state and non thermal equilibrium state. The Gliding

Arc Plasma properties were tried to be controlled by power

change. Depending on the state of the Gliding Arc Plasma,

benzene decomposition rate was changed. Effect of power change

during the Gliding Arc Plasma generation on the benzene

decomposition rate was investigated. Benzene decomposition

efficiency was measured to evaluate the volatile organic

compounds (VOCs) destruction performance of the Gliding Arc

Plasma.

- iii -

목 차

요약…………………………………………………………………………………i

Abstract……………………………………………………………………………ii

목차…………………………………………………………………………………iii

그림목차……………………………………………………………………………iv

제 1 장 서 론…………………………………………………………………… 1

1.1 연구의 목적 및 배경…………………………………………………… 1

1.2 연구의 범위 및 방법…………………………………………………… 2

제 2 장 이 론………………………………………………………………… 3

2.1 플라즈마의 개요……………………………………………………………3

2.2 플라즈마의 생성과정………………………………………………………

1 1

2.3 플라즈마의 생성방법………………………………………………………

1 5

2.4 플라즈마의를 이용한 환경개선기술…………………………………29

제 3 장 측정 및 결과분석………………………………………………………37

3.1 실험장치 및 장비구성……………………………………………………37

3.2 글라이딩 아크 플라즈마의 생성………………………………………44

3.3 글라이딩 아크 플라즈마의 발생 분석…………………………………48

제 4 장 결 론………………………………………………………………………56

참고문헌……………………………………………………………………………57

- iv -

그림목차

그림 1 전자가 분자에 충돌할 때 나오는 특성

그림 2 플라즈마 발생 실험장치 및 스트리머 진행

그림 3 직류방전의 전압-전류 특성과 방전모드

그림 4 대기압 조건에서 바늘전극 형태 전극에 양의 고전압을 인가

했을 때 발생하는 코로나 방전의 모습

그림 5 전기집진 장치의 구조

그림 6 오존발생기의 구조

그림 7 실험장비 구성도

그림 8. 장비구성 사진

그림 9. 글라이딩 아크플라즈마 발생사진

그림 10. 가스채취 및 가스주입

그림 11. 전력변화에 따른 글라이딩 아크 플라즈마 발생상태

그림 12. 아크주기내의 플라즈마 파형 분석

- 1 -

제1장 서 론

1.1. 연구의 목적 및 배경

산업활동의 부산물로 발생되는 각종 유해 물질을 분해하는 여러 가지 연

구가 진행되어 왔고, 최근 들어 플라즈마 화학적 반응성을 이용한 연구가

활발히 진행되어 왔다.

글라이딩 아크 플라즈마의 경우 고온 열적평형 상태와 저온 열적 비평형

상태가 아크주의 진행에 따라 복합적으로 나타남으로 각 상태의 단점을

보완해주고 장점을 이용할 수 있는 방법으로 주목받고 있다.

글라이딩 아크 플라즈마의 경우 다른 여러 방법과는 달리 특별한 냉각시

스템이 필요하지 않아 플라즈마를 생성하는데 매우 편리할 뿐 아니라 그

응용에 있어서 설치비용을 줄일 수 있는 등의 여러 장점이 있다.[1]

본 실험에서는 대표적인 유기화합물인 벤젠을 글라이딩 아크 플라즈마를

이용한 분해 공정에서의 저비용 고효율의 최적화를 위한 전반적 기초 데

이터와 분해 반응의 전압에 따른 방전 특성을 해석하는데 그 의의가 있

다.

- 2 -

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 실험 장비를 구성하고 설치된 실험장비에 다양한 전력값

을 인가하여 이에 따른 글라이딩 플라즈마의 발생 및 벤젠가스의 분해 정

도를 분석하였다. 전력량의 변화에 따라 글라이딩 아크 플라즈마의 파형

변화를 관찰하였으며, 또 이에 따른 대표적인 유기화합물 벤젠의 분해능

을 분해율로서 분석하였다.

- 3 -

제2장 이 론

2.1. 플라즈마의 개요

2.1.1 주변의 플라즈마

고체, 액체, 기체의 상태를 물질의 3가지 상태라고 말한다. 기체상태의

물질에 열을 가하거나 기체 방전을 하면, 물질은 기체 분자들끼리 격렬하

게 충돌하여 기체 내부는 양이온과 전자가 발생하고 이것들이 움직여 떠

돌아 다니는 상태가 된다. 예로는 촛불속의 불꽃, 번개, 형광등, 네온사인

등이 있다. 이러한 상태를 물질의 제 4의 상태, 즉 플라즈마라 부른다.

플라즈마를 발생시키기 위해서는 열을 가하기 보다는 기체방전을 이용하

는 편이 플라즈마를 발생시키기에 더 수월하다. 대기압(고기압)에서 방전

을 하면 전자와 이온 그리고 중성입자간에 충돌이 격렬해 지며 입자간에

운동에너지 교환이 충분히 이루어 지고 열평형 상태가 된다. 전자, 이온

중성입자의 온도를 각각 Te, Ti, Tn 이라고 했을 때, 이들 세 종류의 입

자 온도가 거의 같아지는데 (Te≅Te≅Tn) 이와 같은 열평형 플라즈마

를 열 플라즈마 (Thermal Plasma) 라 한다. 한편 낮은 압력의 플라즈마

는 열적으로 비 평형상태가 된다. 즉 전자는 충돌에 의해 많은 운동에너

지를 잃지 않으므로 Te≫Ti≅Tn 인 상태가 된다. 저온 플라즈마는 공업

- 4 -

적으로 가장 널리 이용되고 있다[2].

2.1.2 플라즈마의 여러 가지 성질

플라즈마는 물리 화학적으로 여러 가지의 성질을 가진다.

첫째 플라즈마는 고온이기 때문에 운동에너지가 매우 크다. 둘째 전하를

갖는 입자들의 집단이기 때문에 전도성이 높아 금속처럼 전기를 잘 통한

다. 셋째 화학적으로 활성화시켜 반응성을 높일수 있다.

이와 같은 플라즈마의 성질은 플라즈마 안의 전자와 가체 분자와의 충돌

로부터 구할 수 있다. 그림 1과 같이 분자 XY에 전자 e가 충돌하는 경우

를 보면, 충돌에너지가 작을 때는 탄성충돌이 일어나며, 전자의 운동에너

지는 거의 변하지 않는다. 그러나 충돌에너지가 커짐에 따라 비탄성 충돌

을 하게 된다. 분자내의 핵 주위를 돌고 있는 궤도 전자가 충돌할 때 에

너지를 얻고, 그 결과 궤도 전자는 에너지 준위가 큰 상부의 궤도를 돌게

된다(여기현상) 이와 같은 높은 에너지 상태의 분자를 여기 분자라 부르

며 XY* 로 나타낸다. 일단 여기상태의 궤도에 오른 전자는 단시간 내에

낮은 에너지 준위의 궤도로 떨어져 그 때 남은 에너지는 빛으로 방출된다

(발광반응) 한편, 충돌하는 전자의 에너지가 전자의 구속 에너지 보다 높

게되면 분자내의 전자 e가 밖으로 빠져나오게 되어 이온화가 일어난다

(이온화 또는 전리반응) 또한 분자 XY의 결합이 끊어져 X와 Y로 분리되

- 5 -

는 경우도 있다 (해리반응) 결합에 관여하는 전자쌍을 : 로 표시하면, 해

리는 X:Y → X⁃ + ⁃Y 로 쓸수 있다. 이와 같이 X와 Y는 결합되지 않은

전자(부대전자)를 갖고 있기 때문에 화학반응을 일으키기 쉽다.

- 6 -

여 기 : XY + e → XY*

e

++

+

e

여기

전리

분자 XY

+

++

라디칼 X

라디칼 Y

해리전자

탈여기 : XY* + e → XY+hv(광자)

전 리 : XY + e → XY+ + 2eX+ + Y + 2e

해 리 : XY + e → X + Y + e

여 기 : XY + e → XY*

e

++

+

e

여기

전리

분자 XY

+

++

라디칼 X

라디칼 Y

해리전자

e

++

++

++

e

여기

전리

분자 XY

++

++

++

라디칼 X

라디칼 Y

해리전자

탈여기 : XY* + e → XY+hv(광자)

전 리 : XY + e → XY+ + 2eX+ + Y + 2e

해 리 : XY + e → X + Y + e

그림 1. 전자가 분자에 충돌할 때 나오는 특성

Fig 1. Characteristic when a electron clashed a molecule

- 7 -

2.1.3 플라즈마의 응용

에너지 분야에서는 초고밀도, 초고온 플라즈마를 생성하여 핵융합 반응

을 일으켜 발전을 하고자 하는 핵융합로가 주목받고 있다. 화석연료는 가

까운 장래에 확실히 고갈될 것일뿐 아니라 그 연소에서 발생되는 CO2에

의한 지구 온난화는 심각한 환경 문제로 대두되고 있다. 한편 핵분열 반

응엥 의한 원자력 발전의 연료인 우라늄 자원도 유한한 것이며 원자로의

안전성과 방사성 핵 폐기물의 처리가 문제시되고 있다. 이와 같은 상황에

서 핵융합 발전이 실현된다면 인류는 바닷물 중에 함유된 수소 동위원소

를 연료로 하여 반 영구적으로 깨끗한 에너지원을 확보하게 되는 것이다.

핵융합반응에서 발생된 중성자를 핵융합로 주위의 흡수 매질에서 흡수하

여 증기에너지로 바꾸고 이를 이용하여 터빈을 돌려 전기에너지로 발전을

한다. 식 (1)에 표시한 핵융합 반응을 연속적으로 지속시키기 위해서는

약 1억도 (10keV)에서 D-T 플라즈마를 고밀도 로 생성하여 1초 이상

의 긴 시간동안 유지해야 한다. 이를 실현하기 위해서는 중수소가스(D2)

와 삼중수소가스 (T2) 를 혼합하여 플라즈마를 발생하고, 초고온까지 플

라즈마를 가열하여 자기장으로 가두어 두는 방법이 이용되고 있다. 현재

이와 같은 핵융합의 대규모적인 연구개발이 국내외에서 활발하게 진행되

고 있으며 국제적인 협력 연구가 수행되고 있다(ITER).

- 8 -

2 D + 3 T → 4 He + n 식 (1)

(3.5MeV) (14.1MeV)

플라즈마의 발광을 이용하는 것으로는 형광등, 네온사인 등 조명용 방전

관이 일상적인 것으로 이용되고 있다. 그 외에도 기체 레이저, 플라즈마

디스플레이 패널 (PDP) 등에도 플라즈마가 이용되고 있다. 특히 디스플

레이 에서는 대화면화와 화소의 세밀화 등의 개발 연구가 활발하게 진행

되고 있다.

새로운 물질을 만들어 내는 재료공학 등의 분야에서는 플라즈마 프로세

스 또는 플라즈마 프로세싱이라 불리는 기술이 널리 이용되고 있다. 높은

압력의 아크 플라즈마는 방대한 열원이 되므로 세라믹이나 금속 등의 미

립자를 혼입시켜 단시간에 용해할 수 있다. 이것을 이용하여 용사, 제련,

표면개질, 미립자 제조 등에 활용하고 있다. 한편 플라즈마의 화학반응성

을 이용하여 박막성장(Deposition)이나 에칭(Etching)을 하는 기술은 첨

단 전자소자의 제조에 필수 불가결한 것이다. 원료가스를 주입하고 방전

하면, 높은 에너지의 전자가 가스분자와 충돌하고 분해되어 화학적으로

활성화 된 라디칼 종을 다양하게 만든다. 이 라디칼을 차례대로 기판 표

면에 흡착하여 라디칼들끼리 결합하는 표면화학 반응이 진행되어 새로운

화학 구조를 갖는 박막이 성장한다. 이것이 플라즈마 CVD (Plasma

Enhanced Chemical Vapor Deposition : PECVD)라고 불리는 기술로

- 9 -

서 태양 전지와 액정 디스플레이에 응용되고 있다. 나아가 여러 종의 중

합막(폴리머 막)의 제작, 다이아몬드 막이나 플러렌, 나노튜브 등의 신소

재 제조에 플라즈마가 이용되고 있다. 또한 금속 등의 고체 원료를 전자

빔 증발 법을 이용하여 플라즈마 속으로 증발, 주입하면 전리되어 이온이

만들어지고 이것을 기판으로 가속하여 표면을 개질하거나 박막을 성장 시

킬 수 있다. 이런 방법을 이온 플레이팅(Ion Plating)이라 한다.

한편 기판에 도달한 라디칼이 기판원자와 직접 화학 반응을 일으키고 휘

발성 기체가 되어 표면으로부터 점차 이탈함으로써(Vaporization) 점진

적으로 기판 표면이 깎여나가 식각이 일어나게 된다. 이와 동시에 플라즈

마 내의 이온을 가속 시켜 기판에 조사하면 이온이 부딪힌 면의 식각반응

은 촉진되어 방향성이 있는 에칭이 가능하게 된다. 이러한 방법을 반응성

이온에칭 (Reactive Ion Etching :RIE)이라 부른다. 이는 컴퓨터의 두뇌

부분인 CPU를 구성하는 대규모 집적회로 (Large-Scale Integration :

LSI)나 보조기억장치인 DRAM 등의 미세 가공에 반드시 필요한 기술이

다. 이온을 수백 eV 이상의 높은 에너지로 가속하여 고체 재료에 충돌시

키면, 재료를 구성하는 원자가 밖으로 튕겨져 나오는 현상 즉 스퍼터링

(Sputtering : 비산)이 일어난다. 이와 같은 방법으로 스퍼터링 된 입자

를 따로 기판 상에 퇴적시켜 박막을 만드는 방법도 널리 활용되고 있다.

플라즈마를 이용한 박막공정은 통상의 액체를 이용하는 습식 화학반응 공

- 10 -

정(Wet Process)에 비하여 여러 가지 이점이 있다. 첫째, 기체를 이용하

는 드라이 프로세서이기 때문에 폐액처리가 필요하지 않고, 배기가스처리

등의 공해 대책이 용이하다. 둘째, 액체를 이용하는 습식공정과 같이 반

응 용기를 가열하여 고온으로 할 필요가 없고 저온에서 높은 반응속도를

얻을 수 있다. 왜냐하면 플라즈마 내의 고 에너지 전자가 가스를 분해하

여 활성종을 대량으로 만들기 때문이다. 셋째, 식각을 할 때 습식 공정에

서는 액체가 기판에 접촉하는 곳부터 등방적으로 에칭이 진행되는데 반하

여, 반응성 이온 에칭에서는 이온 조사의 방향에 따라 이방성 에칭이 가

능하다. 이것은 특히 높은 정밀도의 가공을 필요로 하는 전자 디바이스

제작에 적합하다.

환경 우주 분야로 눈을 돌리면, 최근에 플라즈마를 지구 환경 보전에 이

용할 수 있지 않을까하는 기대가 높아지고 있다. 도시 쓰레기 처리, 금속

폐기물의 정련, 연소 후 발생되는 유해가스나 유기용매의 처리 등에 플라

즈마를 이용하는 연구가 진행되고 있다. 이 때 처리속도와 비용 등이 고

려되어 진공상태에서 방전하는 방식보다는 대기압에서 열 플라즈마 또는

코로나 방전등의 방법이 이용되고 있다[3],[4].

- 11 -

2.2. 플라즈마의 생성과정

2.2.1 기체의 절연파괴

기체는 기본적으로 전기가 통하지 않는 절연성 매질이다. 기체를 원통

유리 용기에 주입하고 그림 2 와 같이 직류전원을 전극에 연결하는 전기

회로를 구성하였다. 회로에는 스위치 S를 연결하여 열고 닫음으로서, 유

리용기 내의 평행판 도체 전극인 음극과 양극 사이에 직류전압 V0를 인

가할 수 있게 하였다. 이 전압을 점점 높여가다 보면 어떤 값 Vs 값에

도달 했을 때 갑자기 전류가 흐르기 시작하고, 용기 안이 밝게 빛나는 플

라즈마가 가득하는 것을 관찰하게 된다. 이 같은 현상을 전극 사이의 기

체가 절연파괴(방전)되었다고 한다. 이 순간의 전압 Vs를 절연파괴전압

(불꽃전압)이라 한다. 예를 들면, 압력 p≈100Pa (약 1Torr) 전극간 거

리 l≈10cm 일때 절연파괴전압은 가스의 종류나 음극재료에 따라 다르지

만 대체로 Vs=400~600V 정도를 갖는다. 절연파괴가 일어나기 전에 진

공방전관 내의 평행판 전극은 축전기 경우와 같이 전기장 (E=V/l)이 일

정하며 전위 V는 선형적(직선적)으로 변한다. 절연파괴 직후 짧은 시간

에 밀도 1015 ~ 1017m-3 정도의 플라즈마가 방전관 안에서 발생하여 보

호저항 (Blocking Resistance) R(≅1kΩ)에 의해 제한되는 전류

I=10~200mA 가 흐른다. 이 플라즈마를 직류 글로우 방전 플라즈마라

고 한다. 방전 개시 후 양극의 전압 Va (=V0 - RI) 는 약 300V 정도

- 12 -

로 내려간다. 전위차가 줄어드는 이유는 플라즈마는 금속과 유사한 정도

의 도체 성질을 갖기 때문이며, 플라즈마 영역에서는 전위가 거의 일정한

크기를 갖게 된다. 하지만 음 전극 앞의 얇은 쉬스 근처에서는 전위가 급

격히 떨러진다. 이 영역에서는 강한 전기장 형성으로 가시광선 영역 보다

높은 에너지를 가져, 눈에 보이지 않는 파장의 빛이 방출되는 음극 암흑

부라 불리는 전위 변화 지역이다.

1993년 마크, 로에브 등은 스트리머(Streamer)라고하는 새로운 이론

모델을 도입하여, 방전개시전압이나 방전개시시간, 전극사이에 형성되는

수개의 가는 빛줄기 등을 설명하는데 성공하였다. 그림 2 와 같이 음극부

분에는 이미 존재하고 있던 배경전자가 씨앗이 되어, 외부 전기장 E0로

가속되면서 이온화 및 증식 과정을 반복하여 전자 덩어리를 만들어 양전

극으로 진행한다. 이 덩어리는 머리 쪽으로 전자가 밀집되어 기울기 분포

를 갖고 선두를 달리는 전자들은 매우 빠르지만 (≅2*105=m/s) 이온화

에 의해 새성된 이온들은 무거워서 거의 정지해 있다고 생각해도 좋다 .

전자 덩어리의 끝이 양전극에 접촉하면, 전자는 대부분 흡수되고 이온만

이 남게 된다. 이 때 양의 공간전하가 만드는 전기장이 외부전기장 E0 만

큼 커지면 광이온화로 생성된 전자를 씨앗으로 하는 작은 전자 기울기 덩

어리가 다수 발생한다.

그 기울기 머리 부분이 전자는 양이온의 무리속으로 흡수되어 플라즈마

- 13 -

상태가 된다. 이 플라즈마는 전도성이 있으므로 양극전압과 거의 같은 전

위를 갖고, 플라즈마 앞쪽 끝 부분의 전기장이 강해져서, 작은 전자 기울

기 덩어리를 만들며 흡수해 나가면서 음극을 향하여 플라즈마 영역이 자

라게 된다. 이렇게 해서 최종적으로 가느다란 플라즈마 기둥 (이것을 스

트리머라 부른다) 이 양극과 음극을 연결하여 전극 사이에 방전전류가 흐

른다[3],[5].

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V0

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양극

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리

머

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라

즈

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+

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+

+

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+

+

시간

전자사태

스

트

리

머

플

라

즈

마

외부전기장

E0

+ ++

++

+++

++

+

+

+

++

++

+

+

+

그림 2 플라즈마 발생 실험장치 및 스트리머 진행

Fig 2. experiment equipment of Plasma production and streamer

progress

- 15 -

2.3. 플라즈마의 생성방법

2.3.1 여러 가지 방전 방법 및 방전 모드

직류방전은 전극에 인가하는 전압의 극성이 시간적으로 변하지 않고 일

정하게 유지되는 조건에서 일어나는 방전을 의미한다. 인가전압의 양전위

쪽을 양극으로, 음 전위 쪽은 음극이라 부르며 플라즈마의 발생과 유지는

주로 음극 면 앞의 쉬스에서 전자의 가속과 플라즈마 속에서 줄 가열

(Joule Heating) 에 의해서 이루어진다. 이는 가장 간단하고 기본적인

방전방법으로 주로 플라즈마에서 이온이 가속되어 음극면과 충돌하면서

방출되는 2차 전자에 의해 유지된다. 하지만 이들 2차 전자들의 양은 많

지 않다. 음 극면 앞의 쉬스에는 방전유지에 필요한 강한 전기장이 형성

되고 이 때 방전전압은 수백 V 이상이 된다.

음극에서 전자의 방출량을 많게 하면, 방전개시 및 유지가 수월하고, 인

가전압이 낮아도 방전전류를 증가시킬 수 있다. 이런 조건을 갖기 위한

가장 간단한 방법은 텅스텐과 같이 용융점이 높은 금속을 2500℃ 정도로

가열하여 열전자를 방출시키는 직력 형태의 열 음극을 이용하는 방법이

다. 음극면에 일함수가 작은 물질(BaO, LaB6 등)을 이용하면 저온 900

~ 1500℃ 에서도 많은 열전자를 얻을 수 있다. 예를들면 BaO 와 같은

물질을 표면에 바르고, 간접적으로 전극의 뒷면을 가열하는 방열형 음극

도 자쥬 이용된다. 이와 같은 열음극방전의 경우에는 가열을 하지 않는

- 16 -

냉음극방전과 비교하면 0.1Pa 정도의 낮은 압력에서도 방전이 잘 유지되

고 전류 밀도는 몇 차수 이상 증가한다. 또한 방전전압이 이온화전압 정

도보다 낮아지게 되며 만일 페닝효과가 강하게 작용하는 경우에는 이온화

전압의 1/3~1/5 까지 방전전압이 내려가는 경우도 있다.

또한 한쪽이 막혀있고 다른 한편은 열려있는 직경 1cm 정로로 가는 원

통의 할로우 형 전극을 음극으로 이용하여 방전시키는 방법도 있다. 이

방법은 전류밀도가 증가하여 고밀도의 플라즈마가 얻어 진다는 장점이 있

으며 이를 할로우 음극방전이라 부른다. 할로우 음극에서 이온충격으로

방출시킨 2차 전자는 쉬스에 의해서 반경 방향으로 가속되며, 그 평균 자

유행정거리가 원통의 직경 d 보다 길게 되면 반대쪽의 음극 면으로 접근

하게 된다. 만일 쉬스 두께 dc 가 dc ≤ d/2 가 되면 음전극 앞 쉬스내

세서 전자는 운동에너지를 잃고 쉬스의 음전위에 의해서 반사되어 본래의

음극면을 향하여 되돌아 가속된다. 즉 원통내의 포텐셜 우물안에 높은 에

너지의 전자를 가두는 효과가 나타나서, 쉽게 빠져나가지 못하는 전자에

의한 이온화 횟수가 증가하여 플라즈마 밀도는 높아지게 된다. 이 장치의

양전극은 전자를 흡수하는 역할을 하므로 할로우 음극의 효과를 강화하기

위해서는 플라즈마를 가능한 넓은 음전극으로 덮고 양전극의 면적은 작게

하는 것이 중요하다.

운전압력이 1Pa 이하로 같은 낮은 압력조건에서는 평균자유행정거리가

- 17 -

길어져서 이온화 충돌의 기회가 감소하므로 플라즈마의 생성 및 유지가

어려워진다. 이것을 가능하게 하는 방법으로써 앞에서 기술한 할로우형

음극을 사용할 수 있으며, 또한 자기장을 이용하는 방법도 유효하다. 그

중 하나는 PIG방전으로 10-4Pa까지 운전압력을 내릴 수 있어 진공펌프

에도 응용되고 있다.

자기장을 이용하는 또 하나의 방법은 마그네트론 방전이다. 마그네트론

방전은 음전극 면에서 방출된 2차 전자가 자기장에 의해 구속되어 E×B

드리프트하므로, 전자의 수명이 길어지게 된다. 이 외에 표편자기장으로

이용하는 방법도 유용하게 활용된다.

일반적인 직류방전의 형태의 그림 3과 같은 실험장비로 구성되며, 운전

압력이 1Torr (133Pa) 정도에서 직류방전을 일으킨다. 운전전압을 서서

히 증가시키면 방전전류는 증가하고 이 사이에는 아주 미약한 전류 (암전

류)가 불안정하게 흐르나, 아직은 지속적으로 전류가 이어지는 방전 이라

고 부를 수 없는 상태이다. 전압을 계속 높이면 전류가 급격히 증가하여

타운젠트 방전에 도달하고, 방전이 점화한다. 이때의 전압이 방전개시전

압이다. 방전이 시작되면, 전류가 증가하며 전압이 감소하는 영역 (전기

글로우 : Preglow)에 들어간다. 이와 같은 음저항 (dV/dI < 0)은 플라즈

마 밀도가 증가하여 플라즈마의 저항 (V/I)이 작아지기 때문에 일어나는

형상이다. 더욱 전류를 증가시켜 가면 전압이 일정하게 되는 영역 (정규

- 18 -

글로우 : Normal Glow)로 들어간다. 이같이 안정적인 전압특성은 전류

밀도 j가 지속되며, 전극 위의 방전면적 A 가 증가하면서 전체전류 I=Aj

는 증가하기 때문이다. 전류가 음전극 면적 전체에서 흐르는 점을 지나게

되면 전류밀도 j가 증가하며, 이에 의해 전체 전류기 증가하는 영역 (이

상글로우 영역 : Abnormal Glow)에 들어간다. 이와 같이 방전이 개시된

시점에서 전체 전류가 증가하는 시점 까지를 플라즈마가 눈부시게 빛나고

있다고 하여 글로우(Glow)라고 하는 용어를 사용하는 글로우 방전이라

한다. 계속 전압을 증가시키면 전극에 흐르는 전류의 양이 매우 커지고,

전극의 온도가 올라가면서 열전자들이 전극으로부터 쉽게 방출되면서 방

전전류가 증가하게 된다. 전압 V는 이온화 전압 아래로 낮아지는 점에

도달하게 되고 아크방전이 일어난다[3],[6]

- 19 -

AK

V0 R0

IV

0

200

400

600

800

1000

10-13 10-12 10-5 10-4 10-1 1 10

a

b c

d e

f

g

암전류타운젠트 방전

글로우 방전 아크방전

전류 I (A)

전압

V(V

)

AK

V0 R0

IV

0

200

400

600

800

1000

10-13 10-12 10-5 10-4 10-1 1 10

a

b c

d e

f

g

암전류타운젠트 방전

글로우 방전 아크방전

전류 I (A)

전압

V(V

)

그림 3. 직류방전의 전압-전류 특성과 방전모드

Fig 3. Voltage to Ampere Characteristic and discharge mode of

DC discharge

- 20 -

2.3.2 글로우 방전으로 만드는 저온 플라즈마

직류방전의 한 형태로써 글로우방전이라 불리는 모드가 있다. 이 방전모

드는 전압-전류 특성에 따라서 정규 글로우 (Normal Glow) 및 이상글

로우 (Abnormal Glow)로 나누어 진다. 이 글로우 방전으로 만들어지는

플라즈마는 전자온도가 이온 온도에 비해 높은 열적 상태 (열적으로 비평

형인 상태)로서 저온 플라즈마라고도 한다. 최근 반도체 소자를 제조하는

프로세스에 이용되는 고주파 방전등은 아주 밝게 빛이 나고 있으나 운전

압력, 플라즈마 밀도가 글로우 방전 모드와 비슷하다. 따라서 이를 RF 글

로우 방전이라 부르기도 한다.

압력 1Torr (133Pa) 정도의 직류 글로우 방전의 특성을 나타내는 상황

에서 가스 압력을 감소시키면 음극 영역의 길이가 길어지게 되고 그 만큼

양광주의 길이는 짧아지게 된다. 압력을 더 내리면 최종적으로 양광주는

소멸되고, 방전관 전체에 음극 글로우가 차게 된다. 방전을 유지하기 위

해서는 쉬스에 걸리는 전압이 높아지고 전기장도 강해지게 된다. 음극 글

로우의 주체가 되는 방전으로는 낮은 압력의 열음극 DC 방전이나 프로세

스에 많이 이용되는 평행 평판형 RF 방전이 있다. 한편 압력을

1Torr(133Pa)에서 높여주면 위와는 반대현상이 일어나는데, 음극글로우

와 양전극 쪽의 암흑부가 축소되며 양광주 영역은 넓어지게 된다. 이와

같은 글로우 방전은 일반적으로 100Torr (13.3KPa) 이하에서 보이는

- 21 -

현상이다. 1기압 정도의 높은 압력에서 글로우 방전을 유지하는 것은 가

능하지만, 외부회로 인자에 의한 영향을 크게 받으므로 외부회로 구성에

주의해야 하며, 음전극의 냉각을 잘 하지 않으면 아크방전으로 전이되기

쉽다. 이와 같은 높은 압력 글로우 방전도 최근 프로세스에 응용되어 그

중요성이 재인식되고 있다. 높은 압력의 직류 글로우 방전에서 전극 사이

의 거리가 길 때, 낮은 압력이 글로우 방전과 같이 음극 부근에서는 음극

쉬스 영역, 음극 글로우, 패러데이 암흑부가 보인다. 압력이 높기 때문에

입자간의 평균 자유 행정 거리는 짧으며 양광주는 반응관의 중앙에 집중

하게 된다. 또한 집중된 양광주가 반응관 안에서 진동하여 불안전하게 되

는 경우도 있다[3],[7].

2.3.3 아크방전으로 만드는 열 플라즈마

그림 3에서 전압-전류 특성과 같이 점 f 를 초과 하여 전류를 계속 증

가시키면 글로우 방전에서 아크방전 모드로 넘어간다. 글로우방전은 약

200V에서 0.5A 정도의 전류가 흐르는 것에 비해 아크방전은 가스의 이

온화전압정도 (≅20V)에서 30A 이상의 큰 전류가 흐른다. 그 외에도 압

력이나 음극의 상태에 따라서 여러 가지 형태의 낮은 전압, 큰 전류의 아

크방전이 있다. 이들은 어느 것도 글로우 방전과는 비교되지 않을 정도로

큰 전류가 흐르므로, 글로우 방전과는 비교되지 않을 정도로 큰 전류가

- 22 -

흐르므로, 글로우 방전과 같이 음극에서의 2차 전자 방출에 의한 방전보

다 전자 방출 효율이 좋은 다음과 같은 방법에 의해서 아크 방전을 일으

킬 수 있다.

1) 플라즈마로부터의 열 부하에 의해 음극이 고온이 되어 열전자를 방출

하는 경우

2) 외부로부터 인위적으로 음극을 고온으로 가열하여 열전자 방출을

일으키는 경우

3) 음극면의 강한 전기장에 의한 터널효과로 생성된 냉전자 방출(전기장

방출)의 경우

음극의 온도가 낮은 상태라도 그 곳에 국소적으로 강한 전기장이 걸리

면, 터널효과에 의해 음극으로부터 대량의 전자가 방출된다. 예를 들면,

음극표면이 오염되어 절연성의 얇은 막이 형성되면 막 표면에 양이온이

축적되어 양극전압 정도의 높은 전위가 형성된다. 이런 경우 막에는 강한

전기장이 형성되어 전기장 방출로 전자 방출이 발생하게 된다. 플라즈마

전이가 100V 이상 높은 경우 접지된 플라즈마 용기의 표면이 오염되어

있으면 반응기 내부에 다수의 발광점이 점멸하는 상태가 나타나며, 방전

전체가 불안정하게 되는 경우도 있다. 이 때 발광점은 전기장 방출에 의

한 마이크로 방전으로 생각할 수 있다.

- 23 -

전기장방출을 이용한 아크의 전형적인 예는 수은 아크이다. 이는 수은

(액체)을 음극으로 하여 그 증기를 이온화하여 낮은 전압에서 수천 암페

어를 흘리는 방전방법이다. 방전하고 있을 때 은색인 수은의 액체표면을

보면 흰색으로 빛나는 점이 움직이며 도는 것을 관찰할 수 있는데, 이것

은 음극 발광점(Cathode Spot)이라고 불리는 것으로 모든 전류가 그곳

에 집중된다. 이 발광점은 0.1μm 정도의 두께인 음극암부를 갖고 그 사

이에 10V 정도의 전압이 걸려 전기장 방출이 일어나고 있다고 생각된다.

그러나 이 전기장의 세기로는 아직 불충분 하다는 이론도 있어 아직도 이

발광점의 형성 메커니즘에 대해서는 해결되지 않은 사항이라 볼 수 있다.

구리의 용융점은 1083℃ 이므로 열전자 방출을 일으킬 정도의 고온은 아

니다. 그러나 구리 전극의 경우에도 큰 전류가 흐르는 아크 방전이 일어

난다. 이 경우에도 전기장 방출이 작용하고 있다고 보여진다.

압력이 10Torr (1.33kPa) 정도 보다 낮은 압력에서 아크방전을 일으킬

때는 글로우 방전과 같이 전자온도 Te가 이온온도 Ti나 중성분자의 온도

Tn에 비해 높다. 그러나 100Torr (13.3kPa)가 넘는 높은 압력에서는

입자 사이의 충돌이 격렬하게 일어나 에너지 교환이 진행되므로 이들 입

자들의 온도가 거의 같아져 Te≅Ti≅Tn 이 되고, 열플라즈마가 생성된

다. 또한 입자의 분포함수는 맥스웰 분포에 매우 근접하게 된다. 이 상태

를 국소열평형 (Local Thermal Equilibrium : LTE)이라고 한다

[3],[7].

- 24 -

2.3.4 코로나 방전으로 만드는 높은 압력의 저온 플라즈마

전극 주변의 전기장이 대단히 불균일하고 압력이 높은 경우에는 코로나

방전이라 불리는 미약한 불안정한 방전이 일어난다. 그 전형적인 방전의

예는 그림 4와 같이 접지한 넓은 평판 전극을 마주보고 있는 바늘 형태

의 전극에 정전압을 인가한 경우에 발생하는 공기중의 대기압 코로나 방

전이다. 전극의 간격을 수cm 로 하고 인가전압을 양 2000V로 하면, 바

늘의 끝부분이 얇은 빛의 막으로 둘러싸이는 것을 보게된다(a). 이 때 전

극 사이에는 수 μA 정도 밖에 되지 않는 미약한 전류가 흐르며 이를 글

로우 코로나(막 형태의 코로나)라 부른다. 다시 전압을 증가시키면 바늘

의 끝에서 평판을 향하여 길게 늘어나는 형태의 발광부가 나타나며(b)

이를 브러쉬 코로나라 한다. 육안으로는 판단할 수 없지만 이 코로나 방

전은 불안정한 점멸상태에 있다. 그 중 하나의 방전펄스에 대한 전류파형

을 조사하면, 시작속도가 빠르고 폭이 좁은 펄스 형태의 전류가 반복되고

있다는 것을 알 수 있다. 전압을 다시 높이면 바늘의 끝에서 늘어난 발광

부는 평판전극 까지 이어져 많은 수의 가느다란 실 모양의 발광부가 여러

곳에서 나타나고, 그것들은 따로 따로 점멸을 반복한다. 이와 같은 상태

의 코로나를 스트리머 코로나라 부른다. 이상의 설명과 같이 바늘을 전극

으로 했을 때 전압이 증가와 함께 여러 가지 방전 현상이 나타나면서, 최

종적으로 큰 전류가 안정하게 흐르는 불꽃방전 (스파크)의 상태에 도달한

- 25 -

다. 인가전압의 극성을 반전시켜 바늘에 음전압을 가할 때 형성되는 음

(전극)코로나는 양(전극)코로나와는 달리 방전전압에 의한 형태의 명료한

변화는 보이지 않는다. 이 음극코로나는 대개 스트리머 코로나와 비슷하

지만, 전류의 점멸은 적고 글로우적인 성질을 갖는다. 음극 코로나는 주

로 분자의 전자충돌 이온화에 의해 형성되고 양극 코로나는 주로 광 이온

화에 의해 진행한다고 생각된다[3].

- 26 -

(a)

(b)

(c)

고전압바늘전극

글로우코로나

평판전극

브러쉬코로나

스트리머코로나

(a)

(b)

(c)

고전압바늘전극

글로우코로나

평판전극

브러쉬코로나

스트리머코로나

그림 4 대기압 조건에서 바늘전극 형태 전극에 양의 고전압을 인가했을

때 발생하는 코로나 방전의 모습

Fig 4. Corona discharge when positive high voltage was induced

to a needle electrode with atmosphere pressure

- 27 -

2.3.5 마그네트론 방전 장치

평판 형태의 음극면에 평행으로 자기장을 걸어서 방전시키는 방법이 마

그네트론 방전법이다 이와 같은 방법으로 생성된 플라즈마를 직류 마그네

트론 플라즈마라 부른다. 일반적으로 압력≅5mTorr (아르곤)에서 전압

Vd≅600V 에 20mA/cm2 정도의 높은 전류 밀도의 방전이 얻어진다. 이

때 음극면 위에 수 mm의 얇은 암흑부를 거쳐서 밝게 빛나는 도너츠 형

태의 고밀도 플라즈마가 형성된다. 이와같이 낮은 압력에서 높은 밀도의

플라즈마가 생성되는 이유는 2차전자가 E×B 드리프트에 의하여 선회하

는 운동의 효과 (마그네트론 효과) 때문이다. 플라즈마 속의 양이온은 음

극 암흑부의 전압강하로 가속되어 음극 면에 충돌하고 그 곳에서 2차 전

자를 방출시킨다. 이 2차 전자들은 암흑부의 전기장에 의해서 가속되어

eVd(예를들면 600eV)정도의 높은 에너지를 얻는다. 이 높은 에너지의

전자는 자기장이 없는 곳에서는 전극 사이의 거리만큼만 이동해도 양 전

극에 흡수되어 소멸되므로, 그 수명은 짧아져 이온화 효율이 좋지 않다.

마그네트론 플라즈마는 전류밀도가 높고 600eV나 되는 높은 에너지로

이온이 음극과 충돌하므로 음극 재료를 고속으로 스퍼터링 한다. 낮은 압

력이므로 스퍼터링 된 입자의 평균 자유행정 거리는 길고, 음극에 마주

보고 설치된 기판 위에 스퍼터 된 입자들이 축적되어 박막이 형성되게 한

다. 마그네트론 방식의 방전은 스퍼터링에 의한 여러 가지 종류의 박막

- 28 -

제조에 기본 장비로 널리 활용되고 있다. 예를 들면 Al, W, Ti 등의 금속

박막이나 산화막, 질화막 등의 제작에 널리 이용되고 있다. 직류 마그네

트론 플라즈마는 직류전류를 흘릴 필요가 있으므로 음극재료 (스퍼터 재

료)는 전기 전도도가 좋은 물질이어야 한다. 따라서 절연성 박막의 스퍼

터링이나 에칭에서는 RF 마그네트론 플라즈마가 이용되고 있다. 즉, 음극

에 RF 전압을 부유 (Floating) 상태로 인가하면 양이온의 충전이 어려워

서 (음이온 충전이 빠름) 전극표면에는 직류 자기 바이어스 전압(Self

Bias)이 발생한다. 이 표면전압에 의해 이온들이 가속되어 절연성 음극재

료를 스퍼터링하는 것이 가능해진다[3].

- 29 -

2.4. 플라즈마를 이용한 환경개선 기술

최근 큰 문제로 자리 잡은 지구온난화의 주범들은 CO, CH4, NOx, SF6

등과 같은 가스들이며 오존층을 파괴하는 CF3Cl 등과 같은 염소를 포함

하는 플로린 가스들은 PCB 제조나 자동차의 배기가스 등에서 방출된다.

2005년부터 지구 온난화를 우려하여 각 나라마다 이산화탄소 배출 한도

를 규제하는 교토의정서가 발효되면서 각국의 유해가스 배출량 자체가 제

약을 받게 되었다. 따라서, 연소배기가스의 정화, 도시 먼지의 처리, 산업

폐기물의 처리 등의 환경개선에 플라즈마를 이용하는 기술이 개발되고 있

다. 폐기물 처리장치에 사용되는 플라즈마는 대기압에서 만들어지고 정상

적인 열평형상태 (Te≅Ti≅Tn)을 갖는 아크플라즈마(열 플라즈마)와 펄

스방전을 반복하는 비열평형 코로나 플라즈마(Te>Ti, Tn)가 이용된

다.[3]

2.4.1 전기집진장치 와 공기청정기

석탄화력발전소, 제철소, 폐기물 소각로 등의 보일러에서 나오는 연료배

기가스에는 대량의 미세입자 (Dust, Mist, Suite)가 포함되어 있다. 이들

을 포집하여 제거하기 위해서 전기집진장치가 오래전부터 이용되어 왔다.

그 구조는 그림 5와 같다. 동작원리는 대기압의 코로나 방전으로 발생하

는 비열평형 플라즈마를 이용하고 있다. 접지한 두장의 평판(집진판)을

- 30 -

30cm 정도의 간격으로 설치하고 그 가운데에는 수 개의 가는 방전선

(직경≅ 2nm)을 방전 틀에 지지하여 몇 가닥으로 당겨서 팽팽하게 설치

하고, 여기에 음의 직류 고전압(≅45kV 정도)을 인가하면 0.2mA/m 정

도의 방전전류가 흐른다. 이들 방전선 주위에는 코로나방전으로 형성된

청백색 빛을 내는 플라즈마가 발생한다. 이 두 장의 집진판의 사이를 배

기관으로 하여 연소배기 가스를 흘리면 그 중에 포함된 미세 입자들에 전

자가 부착되어 음으로 대전되고, 강한 전기장에 의해 집진판에 이끌려 평

판위에는 미세입자들이 포집되고 정화된 가스를 연통을 통해 배출된다.

실제로 1000MV 화력발전소에서 이용되고 있는 전기 집진장치는 높이

26m, 폭 87m, 깊이 18m로 매우 큰 것이다. 한편, 가정이나 병원용 공

기청정기로는 소형으로 만들어져 시판되고 있으며, 담배연기나 먼지, 꽃

가루, 황사 등의 실내공기 오염을 제거하는 곳에 사용된다[3],[8].

- 31 -

방전선

(-45kV)

코로나방전

집진전극

방전틀(테두리)

배기가스

먼지(dust)

방전선

(-45kV)

코로나방전

집진전극

방전틀(테두리)

배기가스

먼지(dust)

그림 5. 전기집진장치의 구조

Fig 5. Construction of a electric dust collector

- 32 -

2.4.2 오존발생기

대기 중에서 전기불꽃이 발생할 때에 독특하고 자극적인 냄새가 나는 경

우가 있다. 이는 방전이 일어날 때 공기중의 산소로부터 산소원자 3개로

구성된 분자, 오존(O3)이 만들어지기 때문이다. 오존은 강한 산화력을 가

지고 있기 때문에 악취의 원인들을 산화 분해하여 탈취시키는데 이용하려

는 연구가 오래전부터 진행되어 오고 있다. 최근 공업용의 대형 오존발생

기(Ozonizer)가 개발되어 살균, 산화, 탈색, 탈취 등에 널리 이용되고 있

다.

오존의 발생에는 그림 6에 나타난 바와 같이 유전체 격벽(Barrier) 방

전 (Dielectric Barrier Discharge : DBD 혹은 Silent Discharge : 큰

소리가 나지 않으므로 무성상전 이라고도 한다)이 이용되고 있다. 두 장

의 평행판 전극을 유리와 같은 유전체로 덮어 건조한 공기 또는 산소의

압력을 대기압에 가깝게 해서 그림과 같이 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르게

한다. 양 전극 사이에 10kV 정도의 교류전압(주파수 50Hz ~ 10kHz)을

가하면 그림에서 점선으로 나타낸 것처럼 짧은 시간에 점멸을 반복하는

미세한 방전기둥(직경≅0.1nm, 방전펄스폭=수십 nm, 전자밀도≅

1020m-3)이 전극 사이에 다수 발생한다. 이와 같은 펄스방전이 되풀이

될 수 있는 이유는 유전체가 방전을 방해하는 격벽으로서 작요하기 때문

이다. 즉, 유전체는 절연물이므로 그 표면에는 방전에 의해 운반된 전자

- 33 -

나 이온이 축적될 수 있다. 방전에 의해 전극 표면에서 축적된 전하들은

공간 전기장을 강하게 만들어 방전을 도와준다. 방전이 진행되어서 전극

면과 만나게 되면 플라즈마 전하가 전극면의 전하들과 재결합이 일어나면

서 축적된 면전하가 지워지게 되고 공간 전기장은 급격하게 줄어들어 방

전이 중지되고 아크로 전이되지 않는다. 다시 외부 전기장이 인가되고 이

온화가 개시도어 이런 주기를 되풀이하는 코로나 방전으로 이어진다. 이

렇게 유전체 내에서의 방전은 코로나 방전으로 성장하여 스트리머 방전으

로 가지만, 유전체에 의해서 아크방전으로 이행되지 않는 특징이 있다.

또한 짧은 시간의 펄스방전이 진행됨으로 이온이 가속되기 전에 방전이

끝나 전극의 과도한 가열이 일어나지 않는다는 장점도 있다.

격벽 방전 플라즈마 내의 전자는 산소분자와 충돌하여, 해리반응

O2 + e → 2O + e

에 의해 산소원자를 만든다. 이 원자는 다음과 같은 3체 충돌반응

O + O2 + M → O3 + M

을 일으켜 오존을 발생시킨다. 여기서 제 3체 M은 O, O2 또는 O3가 된

다. 최근 오존 생성 효율을 높이는 연구가 현재 활발히 진행되고 있다

[3],[9].

- 34 -

O2 O2 + O3

미소방전기둥

유전체

교류고전압

O2 O2 + O3

미소방전기둥

유전체

교류고전압

그림 6. 오존발생기의 구조

Fig 6. Construction of Ozone generator

- 35 -

2.4.2 열 플라즈마에 의한 도시쓰레기 처리

일반 도시쓰레기를 800~900℃의 소각로에서 연소한 후에 남는 재나 전

기 집진기로 포집된 재에는 중금속류나 다이옥신 류가 포함되어 있다. 이

들 유해물질을 분해하거나 무해화 하거나 배출을 억제하는 것이 요구되

고, 이를 폐기재들을 소각재와 함께 고온으로 녹인 후, 고화(유리화)시켜

서 지하에 묻어버리거나 토목자재로서 재활용하는 방안이 제안되고 있다.

소각재의 주 성분은 실리카 (SIO2), 알루미나(AL2O3), CaO 등이고 용

융점이 1100℃ 이상으로 높다. 따라서 이것을 녹이는데 필요한 열원으로

서 대기압의 직류아크 플라즈마(열 플라즈마)가 이용되고 있다. 예를 들

면 1500kW의 직류 플라즈마토치 2개를 사용하여 1일당 52톤의 폐기된

재를 처리할 수 있다.

방전가스로서 압축공기를 이용하고, 그라파이트(Graphite:탄소봉)를 음

극으로 하여 금속원통에 양전압을 인가하면 토치에서 아크플라즈마가 원

통으로부터 분출되어 음극용기에 도달한다. 이 용기에 투입되는 소각재를

고온, 고밀도의 플라즈마에 의해서 용융되어 비등점이 낮은 물질은 기체

가 되어 배기되고 다이옥신류는 99.9% 분해된다. 용융점이 높은 금속산

화물은 환원되어 원자까지 분해되고 금속으로 녹아있다. 용기 내에서 녹

고 남아 있는 찌꺼기 덩어리는 걷어내어 급냉시키면 고체화 된다. 용기

바닥에 남은 용융금속은 정기적으로 꺼낸다. 이와 같이 플라즈마 처리는

- 36 -

소각재를 용융 고화하여, 폐기물의 체적을 반감시키는 동시에 무해화 하

는 역할을 한다[3].

- 37 -

제3장 측정 및 결과분석

3.1. 실험장치 및 장비구성

3.1.1 장비구성도

실험을 수행하기 위하여 아래와 같이 장비를 구성하였다. 적색라인은 전

원선을 나타내며, 갈색라인은 전원을 측정하기 위한 계측라인을 나타낸

다. 짙은 파란색 라인은 실험에 사용된 공기(벤젠을 포함)라인을 나타내

며, 초록라인은 실제로는 구성하지 않았으나, 분해 전, 후의 가스를 분석

하기 위한 가스분석 라인으로 표현하였다.

- 38 -

MIXTURE G

AS

CARRIER G

AS

Vent

①

②

③④⑤⑥⑦⑧

MIXTURE G

AS

MIXTURE G

AS

CARRIER G

AS

Vent

①

②

③④⑤⑥⑦⑧

그림 7. 실험장비 구성도

Fig 7. Formation of experimental equipment

① 전극 (Electrode)

② 오실로스코프 (Oscilloscope)

③ 전력변환장치 (Transformer)

④ 가스분석기 (Gas Chromatography)

⑤ 가스 통 (Gas Bottle)

⑥ Ball Flowmeter

⑦ MFC

⑧ Septum

- 39 -

3.1.2 장비개요

전극은 SUS 304 재질을 사용하였고, 전원은 최대 10kV 100mA 의 승

압된 교류 전원이었다. 전극에 인가되는 전압을 측정하기 위하여 고전압

Prove를 사용하여 오실로스코프와 실험장비를 연결하였고, 실험가스의

양을 정확히 주입하기 위하여 MFC (Mass Flow Controller)를 사용하

여 실험장비와 Gas Bottle 을 연결하였다. 가스의 분석은 Septum 으로

부터 분해되기 전의 가스 및 분해 후 가스를 주사기로 채취 하여 가스의

분해정도를 분석하였다.

- 40 -

Septum

Septum

GC

Gas Bottle

MFC-Sierra c100

고전압 Prove-P6012

전극 및 플라즈마 발생장비

Oscilloscope-tektronix

Transformer

VentSeptum

Septum

GC

Gas Bottle

MFC-Sierra c100

고전압 Prove-P6012

전극 및 플라즈마 발생장비

Oscilloscope-tektronix

Transformer

Vent

그림 8. 실험장비사진

Fig 8. Experimental equipment Pictures

- 41 -

3.1.3 벤젠의 특성

벤젠은 고리형 분자의 일종으로 흔히 '벤젠 고리'라는 말을 사용하기도

한다. 벤젠을 비롯해 벤젠 고리를 포함하는 화합물을 방향족화합물이라고

하는데, 벤젠은 여러 방향족화합물 중 가장 간단한 분자로 콜타르를 분별

증류하여 얻을 수 있다. 또 석유로부터 얻어지기도 한다.

벤젠의 구조에 대해서는 여러 가지 제안이 있었으나, 1865년에 독일의

화학자인 케쿨레가 제안한 구조가 가장 타당한 것으로 인정받아 일반적으

로 사용되었다. 케쿨레가 제안한 벤젠의 구조는 6개의 탄소원자가 육각형

모양으로 연결되어 있고, 단일결합과 이중결합이 교대로 존재하는 구조이

다. 그리고 각 탄소에는 수소원자가 하나씩 결합되어 있다.

그런데 케쿨레의 구조에는 문제점이 있다. 바로 벤젠의 실제 결합길이를

설명하지 못한다는 것이다. 이중결합은 단일결합에 비해 강하게 결합하고

있는 상태이기 때문에 결합길이는 단일결합에 비해 짧다. 따라서 만약 케

쿨레가 제안한 구조가 옳다면 벤젠을 구성하는 탄소원자들 사이의 거리는

두 종류로 측정될 것이다. 하지만 실제로는 그렇지 않다.

일반적으로 탄소원자간의 단일결합길이는 0.154nm(나노미터)이고, 이

중결합을 이루고 있는 탄소원자간의 결합길이는 0.134nm이다. 그렇다면

벤젠에서 역시 0.154nm, 0.134nm와 비슷한 두 종류의 결합길이가 측정

되어야 할 텐데 실제로 벤젠에서 탄소 사이의 결합길이는 모두 0.140nm

- 42 -

로 나타났다. 6개의 탄소-탄소 결합이 모두 0.140nm의 길이를 갖는 것

은 모든 탄소-탄소 결합의 세기가 같다는 뜻이다. 그리고 결합길이가 단

일결합 길이와 이중결합 길이의 중간 정도에 해당하므로 벤젠의 탄소-탄

소 결합의 세기 또한 단일결합과 이중결합의 사이에 있다는 것을 알 수

있다. 결국 벤젠의 실제 구조는 단일결합과 이중결합이 고정되어 교대로

존재하는 것이 아니고 모든 결합이 1.5결합이라고 생각할 수 있다.

이러한 결과를 설명하기 위해 도입된 것이 바로 공명구조이다. 벤젠 고

리에서 탄소-탄소 결합에 참여하는 전자의 수는 총 18개인데, 이중 12

개는 두개씩 짝을 지어 결합을 형성하면서 총 6개의 단일결합을 이루고,

남은 6개의 전자는 모든 탄소들 사이를 자유롭게 옮겨 다닌다. 그래서 평

균적으로 하나의 탄소-탄소 결합에 전자가 하나씩 더 존재하는 것으로

계산되어 1.5결합을 이룬다는 것이다. 이렇게 전자들이 어느 한 곳에 고

정되어 있지 않고 분자 사이를 자유롭게 오가기 때문에 공명구조라고 한

다. 벤젠처럼 공명구조를 갖는 분자들은 비슷한 분자식을 가지면서 공명

구조가 존재하지 않는 분자들에 비해 에너지가 낮은 안정한 분자를 형성

한다[10].

벤젠은 매우 안정적인 분자에 속하기 때문에 반응성이 약하다. 특히 첨

가반응은 잘 일어나지 않으며 일어나는 대부분의 반응은 치환반응이다.

벤젠이 일으키는 치환반응에는 할로겐화반응, 니트로화반응, 술폰화반응,

- 43 -

알킬화반응 등이 있다. 첨가반응이 일어나기는 매우 어렵기 때문에 첨가

반응을 진행하고자 할 때는 니켈과 같은 촉매를 이용한다.

- 44 -

3.2 글라이딩 아크 플라즈마의 생성

3.2.1 전원인가에 따른 글라이딩 아크 플라즈마의 생성

실험 장비를 구성한 후 장비에 벤젠 및 공기 혼합 가스를 흘려주고 전원

을 인가하여 전원을 천천히 상승시켜 주면 전극의 간격이 가장 가까운 부

분에서 아크 플라즈마가 발생한다. 발생된 플라즈마는 가스의 흐름으로

인하여 전극을 타고 전극의 상부로 이동한다. 상부로 이동한 플라즈마는

전극의 마지막 부분에서 플라즈마 상태를 유지하다가 사라지며 아크가 사

라지면 동시에 전극의 간격이 가장 가까운 부분에서 아크가 재 발생하며

이와 같은 생성을 반복한다.

- 45 -

(1) 아크생성 (2) 아크이동

(3) 아크이동 (4) 아크소멸

그림 9. 글라이딩 아크플라즈마 발생사진

Fig 9. Pictures of Gliding Arc Plasma

- 46 -

3.2.2 분해 전, 후 가스분석

벤젠을 포함한 공기는 MFC(Mass Flow Controller) 에 의해

2000sccm 으로 실험장비로 유입된다. 본 실험에서는 벤젠의 분해 정도

를 분석하기 위하여 실험장비 전, 후단에 Septum(가스채취장비)을 설치

하여 벤젠이 글라이딩 아크 플라즈마에 의하여 분해되기 전, 그리고 분해

된 후의 가스 내부의 벤젠의 양을 GC(gas chromatography)를 통하여

분석하였다.

- 47 -

(1) Septum 사진

(2) Septum 으로부터 분해 전, 후 의 가스를 채취

(3) 채취한 가스를 가스분석기에 주입

그림 10. 가스채취 및 가스주입

Fig 10. Gas picking and gas injection

- 48 -

3.3. 글라이딩 아크 플라즈마 발생분석

3.3.1 전력변화에 따른 주기의 변화

일반적을 열역학적 안정화 상태를 유지하기 위한 단위길이 당 소요 전력

은 50~70kW/m로 간주한다[11],[13]. 그러므로 아크 채널의 길이기 길

어질수록 열 역학적 안정화 상태를 유지하기 위한 전력이 증가하여야 한

다. 바꾸어 말하면 전력량이 커지면 상대적으로 아크채널이 오랫동안 유

지되고 단위시간당 주기가 짧아지게 된다[12].

P= V*I = W*L 식 (2)

(P : 전력량, V:전압, I:전류, W:단위길이당 소요전력량, L:아크채널 길이

- 49 -

Non-thermal

gliding arc discharge

Thermal gliding

arc discharge

High powerLow power

Non-thermal

gliding arc discharge

Thermal gliding

arc discharge

High powerLow power

그림 9. 전력변화에 따른 글라이딩 아크 플라즈마 상태

Fig 9. Gliding arc plasma state when power was changed

- 50 -

3.3.2 전력변화에 따른 아크주기의 분석

본 실험에서는 전력량을 다음과 같이 세 가지 조건으로 변화하며 실험을

수행하였다. 글라이딩 아크 플라즈마는 소요전력이 높을수록 아크를 유지

할 수 있는 시간이 길어짐을 알 수 있었고, 초당 반복되는 아크의 주기가

짧아짐을 알 수 있었다.

(1) 128 W : 초당 주기반복 수 3회

(2) 75 W : 초당 주기반복 수 8회

(3) 67 W : 초당 주기반복 수 17회

- 51 -

- 0 . 4 - 0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4

0 . 0

2 . 0 k

4 . 0 k

6 . 0 k

8 . 0 k

e x t i n c t i o ni g n i t i o n

1 p e r i o d

Vo

lta

ge

(V)

T i m e ( s e c )

(1) 조건 1에서 출력 그래프

- 0 . 4 - 0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4- 2 . 0 k

0 . 0

2 . 0 k

4 . 0 k

6 . 0 k

8 . 0 k

1 0 . 0 k

vo

lta

ge

(V)

T i m e ( s e c )

(2) 조건 2에서의 출력 그래프

-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0

1k

2k

3k

4k

5k

6k

Volta

ge(V

)

Time(sec)-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0

1k

2k

3k

4k

5k

6k

Volta

ge(V

)

Time(sec)

(3) 조건 3에서의 출력 그래프

그림 11. 전력 변화에 따른 아크 주기 분석

Fig 11. Arc period analysis when power was changed

- 52 -

3.3.3 아크 주기 내의 플라즈마 상태 분석

열적 평형 상태 및 열적 비평형상태의 분석을 위하여 아크주기를 확대하

여 그 상태를 비교 분석하였다. 전력량이 가장 작은 3번째 조건에서는 열

적평형 상태 및 열적 비평형상태가 모두 불안정한 상태로 존재 하였으며,

상태의 정확한 구분이 어려웠다. 중간 상태인 2번째 조건에서는 열적 비

평형 상태의 모양은 구분할 수 있었으나 불안정한 상태를 유지하고 있었

다. 전력량을 가장 높인 1번째 조건에서는 열적 평형상태 및 열적 비평형

상태 모두가 안정적인 상태를 유지하였으며, 특히 글라이딩 아크 플라즈

마의 전형적인 파형을 나타냄을 확인하였다.

- 53 -

0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7

0 . 0

2 . 0 k

4 . 0 k

6 . 0 k

8 . 0 k

1 0 . 0 k

e q u i l i b r i u m s t a t e ( i g n i t i o n )

n o n - e q u i l i b r i u m s t a t e ( e x t i n c t i o n )

Vo

lta

ge

(V)

T i m e ( s e c )

(1) 조건 1에서의 출력파형

0 . 0 3 0 . 0 4 0 . 0 5 0 . 0 6 0 . 0 7

0 . 0

2 . 0 k

4 . 0 k

6 . 0 k

8 . 0 k

1 0 . 0 kn o n - e q u i l i b r iu m s t a t e( e x t i n c t i o n )

e q u i l i b r iu m s t a t e( i g n i t i o n )

Vo

lta

ge

(V)

T i m e ( s e c )

(2) 조건 2에서의 출력파형

- 0 . 0 2 - 0 . 0 1 0 . 0 0 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 3

0 . 0

2 . 0 k

4 . 0 k

6 . 0 k

8 . 0 k

1 0 . 0 k n o n - e q u i l i b r i u m s t a t e( e x t i n c t i o n )

e q u i l i b r i u m s t a t e( i g n i t i o n )

Vo

lta

ge

(V)

T i m e ( s e c )

(3) 조건 3에서의 출려파형

그림 12. 아크주기내의 플라즈마 파형분석

Fig 12. Plasma wave analysis in arc period

- 54 -

3.3.4 플라즈마 방전에 의한 벤젠분해상태 분석

글라이딩 아크 플라즈마에 의한 벤젠의 분해상태를 분해 전, 후의 가스

를 채취하여 가스 분석기(GC)를 통해 측정하였다. 벤젠의 분해율은 전력

량이 클수록 높은 것으로 나타났다. 전력량이 증가할 수록 한 주기 내 열

적 비평형 상태가 뚜렷이 나타나는 것으로 보아 플라즈마의 열적 비평형

상태가 길어 질수록 분해율이 높음을 의미한다는 것을 알 수 있었다.

× 식 (3)

- 55 -

조건inlet

(Peak rate)

outlet (Peak rate)

67 W 75 W 128 W

1 11.4 5.5 3.6 1.2

2 10.7 5.6 3.9 1.2

3 11.2 5.9 3.9 1.1

평균 11.1 5.66 3.8 1.16

DR(%) 49 65.7 89.5

표1. 전력량의 변화에 따른 벤젠의 분해율

- 56 -

제4장 결론

본 연구는 글라이딩 아크 플라즈마를 발생시켜 대표적인 휘발성유기화합

물인 벤젠을 분해하는 과정을 연구함으로써 환경처리분야에 유용한 기초

자료를 제공하고자 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.

글라이딩 아크 플라즈마는 대기압의 상태에서 아크 플라즈마를 발생시켜

가스의 흐름에 의해 열적 평형상태 및 열적 비평형상태가 한 주기 동안

동시에 나타나는 플라즈마이다. 글라이딩 아크 플라즈마의 장점은 분해하

고자 하는 가스 자체가 냉각제로 작용하므로 대기압에서 실험을 수행하는

데 문제가 없었으며, 이로 인해 별도의 냉각장치를 필요로 하지 않는다는

것이다.

일정전력 이상에서 글라이딩 아크 플라즈마가 안정되게 유지되었으며,

일정전력 이하에서는 글라이딩 아크 플라즈마가 유지되지 못하고 소멸됨

을 알 수 있었다. 전력이 감소할수록 한 주기 내에 아크 채널의 생성 및

소멸의 주기가 짧아짐을 알 수 있었으며, 글라이딩 아크 플라즈마가 안정

되게 유지되는 상태 즉 열적 비평형 상태가 커질수록 유기화합물인 벤젠

의 분해 효율이 높음을 알 수 있었다.

- 57 -

참고문헌

[1] O. Mutaf-Yardimci, A. V. Saveliev, A. A. Fridman, and L. A.

Kennedy “Thermal and nonthermal regimes of gliding arc discharge

in air flow”, J. Appl. Phys, 87, 4, 2000.

[2] 박덕규, “플라즈마 물리공학”, 청문사, 2005

[3] 김곤호, 양성채, "플라즈마 일렉트로닉스", (주)교학사, 2006

[4] 伏見康法債責任集, "플라즈마 사융합", 共立出版, 1997

[5] 武全進, 기체방전의 기초, 동경전기대학출판사, 1993

[6] Y.Raizer, "Gas discharge physics, Springer-verlag, 1987

[7] J.R.Roth, "Industrial plasma engineering", Vol.1 Principles,

Institute of Physics Publishing, 1995

[8] A.Matsuda, Plasma Phy. Control. Fusion, 39, 1997, p.A431

[9] 三坂俊明, 플라즈마 사융합학회지, 74(1998), p.128

[10] Martin pope, "Electronic Process in Organic Crystals and

Polymers", Oxford University Press, 2002, p. 553

[11] Alexander Fridman, Sergei Nester, Lawrence A. Kennedy,

Alexei Saveliev, Ozlem Mutaf-Yardimci "Gliding arc plasma"

Progress in Energy and Combustion Science 25 (1999)

211-231

[12] 이덕출, 황명환, "고전압 플라즈마 공학", 동일출판사, 1997

[13] Frank-Kamenetski DA. “Diffusion and heat transfer in chemical

kinetics”, Moscow, Nauka, 1987: 491.

제1장 서론1.1 연구의 목적 및 배경1.2 연구의 범위 및 방법

제2장 이론2.1 플라즈마의 개요2.2 플라즈마의 생성과정2.3 플라즈마의 생성방법2.4 플라즈마의를 이용한 환경개선기술

제3장 측정 및 결과분석3.1 실험장치 및장비구성3.2 글라이딩 아크 플라즈마의 생성3.3 글라이딩 아크 플라즈마의 발생 분석

제4장 결론참고문헌