[논문]유전체 장벽 방전내에서 오존발생 특성

이형호; 조국희; 김영배; 서길수

유전체 장벽 방전내에서 오존발생 특성
Ozone Generation Characteristics in Dielectric Barrier Discharge 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. C/ C, 전기물성·응용부문, v.49 no.12, 2000년, pp.673 - 678

이형호 (한국전기연구소 전기물리그룹) , 조국희 (한국전기연구소 전기물리그룹) , 김영배 (한국전기연구소 전기물리그룹) , 서길수 (한국전기연구소 전기물리그룹)

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The dielectric barrier discharge(DBD) is a common method to create a nonthermal plasma in which electrical energy is used to create electrons with a high average kinetic energy. The unique aspect of dielectric barrier discharges is the large array of short lifetime(10ns) silent discharges created over the surface of the dielectric. A silent discharge is generated when the applied voltage exceeds the breakdown voltage of the carrier gas creating a conduction path between the applied electrode and grounded electrode. As charge accumulates on the dielectric, the electric field is reduced below the breakdown field of the carrier gas and the silent discharge self terminates preventing the DBD cell from producing a thermal arc. In fact, the most significant application of dielectric barrier discharges is to generate ozone for contaminated water treatment. Therefore, experiments were perfomed at 1∼2[bar] pressure using a coaxial geometry single dielectric barrier discharge for ozone concentrations and energy densities. The main result show that the concentration and efficiency of ozone are influenced by gas nature, gas quantity, gas pressure, supplied voltage and frequency.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는 2전극-1 갭의 동축형 오존방전관으로 전기적 무성방전에 의해 발생되는 오존의 농도 및 효율특성에 대해서 논했다. 실험에 사용된 오존방전관은 유량이 적을수록 농도가 상승하였고, 동일유량에 대해 인가전압을 증가 시킴에 따라 오존의 농도가 계속적으로 증가하는 경향을 보였고 인가전압이 상승함에 따라 수율은 감소하였다.
본 연구에서는 오존발생기의 전극구조, 원료가스 종류, 유량 및 기압의 변화에 따른 특성을 살펴보기 위하여 오존발생기를 제작한 후 인가전압(9~ 12[kVD을 변화시키면서 오존발생기에서 발생하는 오존농도를 측정하였고 효율을 계산하였다.
본 연구에서는 오존수율을 리샤쥬 도형 및 방전전력을 측정하여 산출하였다.

제안 방법

그림에서와 같이 공기는 공기저장기를 통해 오존생성에 영향을 미치는 수분 제거와 오존 농도 및 효율의 향상을 도모하고 오존발생기의 재질을 보호하기 위한 제습장치(냉동식+흡착식) 를 거쳐 유출되는 가스에 대해 유량을 flowmeter(0~25[ I /min], Chiyoda seiki社, Japan)로 조정하면서 오존발생기 내부로 유입하였고 산소 또한 압축된 원료가스로서 공기와 같이 유량을 조절하여 유입하였다.
매회 측정시 방전전압, 방전전류, 방전전력 및 오존생성농도를 각각 5회 측정하여 그 평균치를 채택하였으며, 중첩방전형 오존발생기의 방전공간 내에 존재하는 불순물을 제거하고, 방전환경을 일정하게 하기 위해 전압을 인가하지 않고 유량올 일정하게 하여 3분 정도 강제 배기시킨 후 측정을 하였다.
수 있도록 구성되어 있다. 방전전력은 digital power meter 및 리샤쥬 도형을 이용하여 오존발생관 전체회로에 소모되는 전력을 digital storage oscilloscope (LeCroy 9350AL, 500MHz, lGs/s)로 측정한 후 관측하였다. 오존생성농도를 정확하게 측정하기 위해 오존발생기내에서 발생한 오존화 가스를 매 실험마다 0.
본 연구에서는 이미 무성방전형 오존발생기가 상용화되어 있으나, 저자들에 의해 설계 . 제작된 2Electrode-lGap 오존방전관으로 농도 및 효율을 개선시키고자 원료가스인 공기 및 산소를 가지고 인가전압, 인가주파수, 유량 및 기압을 조절하면서 측정하였다.
방전전력은 digital power meter 및 리샤쥬 도형을 이용하여 오존발생관 전체회로에 소모되는 전력을 digital storage oscilloscope (LeCroy 9350AL, 500MHz, lGs/s)로 측정한 후 관측하였다. 오존생성농도를 정확하게 측정하기 위해 오존발생기내에서 발생한 오존화 가스를 매 실험마다 0.5U/min]으로 샘플링 하여 자외선 흡수방식의 기상용 오존 모나터(미국 IN USA사, 농도측정범위 : 0~ 200[g/m, ])로 측정하였고, 유량 및 방전전력의 변화에 따른 오존생성농도와 오존생성수율등을 측정 및 계산하 였다.
저자들에 의해 설계 . 제작된 2Electrode-lGap 오존방전관으로 농도 및 효율을 개선시키고자 원료가스인 공기 및 산소를 가지고 인가전압, 인가주파수, 유량 및 기압을 조절하면서 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용한 방전관은 그림 4와 같이 동축 원통구조로 2개의 전극( 내부전극, 외부전극 )으로 구성되어 있으며, 스테인레스 파이프(내부직경 : 72.6[inin], 길이 : 1300[mm])내에 유전체로 사용된 pyrex 유리관(외부직경 : 70[mm] 길이 : 1300[mm], 두께 : 2.5(皿1])을 삽입한 구조로 유리관 내부를 코팅하여 내부전극으로 사용하였으며, 스테인레스 파이프는 외부전극으로 접지되어 있다. 스테인레스 파이프 내부와 파이렉스 유리사이는 방전갭으로서 거리는 1.

성능/효과

실험에 사용된 오존방전관은 유량이 적을수록 농도가 상승하였고, 동일유량에 대해 인가전압을 증가 시킴에 따라 오존의 농도가 계속적으로 증가하는 경향을 보였고 인가전압이 상승함에 따라 수율은 감소하였다. 또한 유량이 증가함에 따라서는 방전전력이 같을 때 수율은 크게 나타났다.
본 연구를 위해 제작된 오존방전관은 압력이 높아질수록 오존농도가 상승하다가 1.5[bar]에서 포화되어 감소하는 경향이 나타났고, 유량 및 전압을 일정했을 때 60[Hz] 및 800[Hz]의 오존농도는 17.4[g/W] 및 92.4[g/m2]으로 측정되어 약 5.3배 증가되었음을 알 수 있었다.
실험결과 오존방전관은 압력이 높아질수록 오존농도가 상승하다가 1.5[bar]에서 포화되어 감소하는 경향을 나타냈다.
논했다. 실험에 사용된 오존방전관은 유량이 적을수록 농도가 상승하였고, 동일유량에 대해 인가전압을 증가 시킴에 따라 오존의 농도가 계속적으로 증가하는 경향을 보였고 인가전압이 상승함에 따라 수율은 감소하였다. 또한 유량이 증가함에 따라서는 방전전력이 같을 때 수율은 크게 나타났다.
오존방전관은 유량이 적을수록, 인가전압이 커질수록 농도가 상승하였고, 수율은 감소하였고, 유량이 증가함에 따라서는 방전전력이 같을 때 수율은 크게 나타났다. 원료가스유량이 5[2/min]이고, 인가전압 ll[kV]에서 산소와 공기의 오존농도를 비교해보면 17.
원료가스 유량이 /min]이고, 인가전압 에서 산소와 공기의 오존농도를 비교해보면 17.4[g/m']와 8.2[g/m'] 로서 약 2배가 증가했으며, 수율 또한 2배 증가되었다.
그 이유는 비교적 높은 유량에서 오존농도가 포화되어 오존발생량이 상대적으로 크게 나타나 수율도 상승한 것이다. 원료가스 유량이 5[<!/min]이고, 인가전압 ll[kV]에서산소와 공기의 오존농도를 비교해보면 17.4[g/m2]와 8.2[g/ m']로서 약 2배가 증가했으며, 수율 또한 2배 증가되었다. 이것은 산소를 사용한 경우가 공기를 사용할 때보다 무성방전과 반응하여 오존을 생성할 산소분자의 수가 더욱 많기 때문인 것으로 사료된다.
원료가스유량이 5[2/min]이고, 인가전압 ll[kV]에서 산소와 공기의 오존농도를 비교해보면 17.4[g/trf]와 8.2[g/m']로서 약 2배가 증가했으며, 수율 또한 2배 증가되었다. 오존방전관 면적이 2배일 때 오존농도는 약 2.

후속연구

상용화 되어 있는 제품이다. 본 연구에서는 계속적인 실험을 통해 수질오염 방지기술의 일환으로 폐수를 중수로 활용할 수 있도록 대용량 수처리를 위한 고농도/고효율 오존발생시스템 개발시 기초자료로 활용할 계획이다.

참고문헌 (11)

田中正明, 'オゾナイザの諸特性,' 靜電氣學會誌, Vol. 7, No. 3, pp. 150-158, 1983
杉光英俊, 'オゾンの基礎と應用,' pp. 281-316, 1996
Yoshihiro Konishi, 'A Novel Silent Discharge Type Ozonizer using Pulse Density Modulated High Frequency Inverter,' IEEE pp. 764-772, 1999
R. Peyrous, 'The Effect of Relative Humidity on Ozone Production by Corona Discharge in Oxygen or Air,' Ozone Science and Engineering, Vol. 12, pp. 19-40, 1990
岸田治夫, '放電によるオゾン生成における重疊效果に關する硏究,' pp. 14-26, 1998
조국희, 이형호, '중첩방전형 오존발생기의 오존농도와 수율의 관계,' 대한전기학회 경남지부 추계학술발표 논문집, pp. 67-70, 1998
조국희, 이형호, '동축형 전극길이 변화시의 연면무성방전에 의한 오존발생특성,' 대한전기학회 논문지 Vol. 48C, No. 12, pp. 791-797, 1999

원문보기 상세보기
Yukiharu Nomoto, 'The Effect of Hybridization of Silent Surface Discharge on Ozone Yield,' ED-93-10, pp. 261-264, 1990
Moo Been Chang, 'Experimental Study on Ozone Synthesis via Dielectric Barrier Discharges,' Ozone Science and Engineering, Vol. 19, pp. 241-254, 1997

상세보기
民田太一郞, 'V-Q Lissajous圖形を用いたac-PDP放電諸量の側定,' ED-96-274, 1996
F.N. Najm, 'A Survey of Power Estimation Techniques in VLSI Circuits,' IEEE Trans. on VLSI Systems, pp. 446-455, Dec. 1994

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