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문제 정의
- 본 실험에서는 방전전극의 형상을 그물형(mesh type)으로 설정함으로서 연면방전과 무성방전을 오존생성에 동시에 이 용할 수 있게 하였다. 또한, 오존이 발생되는 방전공간으로부 터의 고농도의 오존과 열이 외측으로 즉시 방출될 수 있게 함은 물론, 발생된 오존이 고에너지 전자류로부터도 피할 수 있게 함으로서 고농도의 오존을 얻을 수 있는 가능성을 실험 적으로 검토하였다. 즉, 그물전극의 선폭과 그물코와 방전공 격이 오존발생에 미치는 영향을 실험적으로 조사한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
제안 방법
- 본 실험에서는 방전전극의 형상을 그물형(mesh type)으로 설정함으로서 연면방전과 무성방전을 오존생성에 동시에 이 용할 수 있게 하였다. 또한, 오존이 발생되는 방전공간으로부 터의 고농도의 오존과 열이 외측으로 즉시 방출될 수 있게 함은 물론, 발생된 오존이 고에너지 전자류로부터도 피할 수 있게 함으로서 고농도의 오존을 얻을 수 있는 가능성을 실험 적으로 검토하였다.
- 본 연구에서는 방전전극으로 그물코를 갖는 그물방전전극 을 유전체장벽상의 근접 공간에 설치하여 유전체 장벽하부에 밀착한 평판 전극간에 교류고전압을 인가하는 구조의 오존발 생장치를 제안하였다. 이와 같은 구조는 강력한 전계를 그물 전극의 연면에 발생시켜서 연면방전을 유발시킬 수 있고 또한 유전체 장벽상에 축적된 전하에 의한 공간상의 무성방전 도 동시에 발생시킬 수 있는 구조의 중첩형 오존발생장치로서 작동할 수 있을 것으로 사료되어 그물방전전극의 형상과 방전전극과 유전체 장벽간의 방전공격이 오존발생에 미치는 영향을 실험적으로 연구조사한 결과이다.
- 오존발생장치의 인입기체 로는 공업용 산소a, purity 95[%])를 사용하였으며, 인입산 소의 유량은 2[LPM]으로 고정하였다. 오존발생기의 냉각을 위해서 상온의 수도수를 냉각장치(Chiller, Accurate Gas Control system Inc. Model AG-T, USA)를 사용하여 5(℃] 로 냉각한 뒤 유속 3[LPM]으로 유도전극으로 사용된 알루미 늄판에 음각된 냉각통로로 유수하였다.
- 이때 방전전극으로 사용된 그물 (mesh) 전극의 그물코 (vacancy of mesh, VM)를 0.5, 0.8, 1.0, L5[mm]로 그물전극의 선폭(width of mesh, WM)을 0.3, 0, 5[mm]로 변화시키면 서 실험하였다. 왜냐하면, 그물전극의 선폭이 연면방전형성에 매우 큰 영향을 미칠 것이며, 방전간격 또한 무성방전 발생에 아주 큰 영향을 미칠 것으로 사료되기 때문이다.
- 왜냐하면, 그물전극의 선폭이 연면방전형성에 매우 큰 영향을 미칠 것이며, 방전간격 또한 무성방전 발생에 아주 큰 영향을 미칠 것으로 사료되기 때문이다. 접지전극으 로 사용된 알루미늄판을 음각(5[mm] depth, 30[mm] width) 하여 냉각수를 흘릴 수 있도록 함으로써 오존이 생성되는 방 전공간에서 방전시에 발생된 열을 효과적으로 냉각시킴으로 고농도의 오존을 얻을 수 있게 하였다.
- 50의 구형파 고주파 고전압 펄스전원을 실험실에서 제작하여 사용하였다. 펄스전압은 고주파 고전압 프로브 (Tektronix, P6015A)와 축적형 디지 털오실로스코프 (Tektronix, TDS360A) 로 측정하였으며, 전류프로브 (Tektronix, AM 503B)를 사용하여 방전전류를 측정하였다’
대상 데이터
- 유전체장벽으로 사용된 세라믹판과 유도전극사이의 긴밀한 접착과 효과적인 열 전달을 위해 대출력 반도체소자의 방열 재료로 사용되는 실리콘 화합물 (Silicone Compound, FORMSEAL NOVAGARDX 사용하였다. 고전압 전원장치 는 주파수와 시비율(duty ratio)이 각각 조절되는 저전압 구형파 출력전압(Square wave, VP=300[V], Ip=10[A])< 고주파 고전압 변압기(ferrite core, PC22 UU120X 160 x 20)를 사용하여 승압함으로써 출력 최대 전압은 6[kV], 최대 전류는 500[mA], 가변주파수 l~10[kpps], 가변시비율(duty ratio) 0.05~0.50의 구형파 고주파 고전압 펄스전원을 실험실에서 제작하여 사용하였다. 펄스전압은 고주파 고전압 프로브 (Tektronix, P6015A)와 축적형 디지 털오실로스코프 (Tektronix, TDS360A) 로 측정하였으며, 전류프로브 (Tektronix, AM 503B)를 사용하여 방전전류를 측정하였다’
- 그림 1은 본 실험에 사용된 중첩형 오존발생장치의 개략도를 나타낸 것으로 제안한 오존발생장치, 구형파 고전압을 공급할 수 있는 전원장치(HV source), 오존발생기에서 발생하는 열을 냉각하기 위한 냉각장치(아tiller), 오존발생기내에 산소를 공급할 수 있는 산소공급장치 (oxygen bombe), 발생된 오존량을 측정하기 위한 오존모니터(ozone monitor)로 구성되어 있다.
- 그림 2는 본 연구에서 제안한 오존발생장치의 개략도를 나타낸 것으로 유도전극으로 사용된 알루미늄냉각판(Al plate, lOtnimt], 180x250[mm2]), 방전전극으로 사용된 그물형 전극 (mesh electrode), 유전체장벽으로 사용된 세라믹판(dielectric barrier) 그리고 세라믹 장벽과 그물방전극간의 방전공간을 형성하면서 그물 방전전극을 고정지지하는 절연체 (gap spacer)로 구성되어있다.
- 유전체장벽으로 사용된 세라믹판과 유도전극사이의 긴밀한 접착과 효과적인 열 전달을 위해 대출력 반도체소자의 방열 재료로 사용되는 실리콘 화합물 (Silicone Compound, FORMSEAL NOVAGARDX 사용하였다. 고전압 전원장치 는 주파수와 시비율(duty ratio)이 각각 조절되는 저전압 구형파 출력전압(Square wave, VP=300[V], Ip=10[A])< 고주파 고전압 변압기(ferrite core, PC22 UU120X 160 x 20)를 사용하여 승압함으로써 출력 최대 전압은 6[kV], 최대 전류는 500[mA], 가변주파수 l~10[kpps], 가변시비율(duty ratio) 0.
성능/효과
- (1) 연면방전의 형태를 가지는 방전공격(S)=0.0[mm], 그물전 극의 선폭(WM)=0.5[mm]인 경우 그물코 하나의 길이가 가장 긴 그물코(VM)=1.5[mm]일 때 인가전압 5.3[kV], 방전전류 670[mA]에서, 2.03[vol%]의 최대오존발생량을 나타내었다.
- (2) 연면방전과 무성방전이 혼합된 형태를 가지는 경우에는 방전공격 (S)=0.65[mm], 그물전극의 선폭(WM)=0.3[mm], 그물코(VM)=0.8[mm]일 때 인가전압 5.6[kV], 방전전류 830[mA]에서, 2.96[vol%]로써 가장 많은 오존발생량을 나타내었다.
- (3) 연면방전만을 이용할 경우(S=0.0[mmD 최대오존발생량 2.03[vol%] 보다 연면방전과 무성방전을 공용한 경우 (S=0.4~0.8[mm]) 최대오존발생량 2.96[vol%]로 더 많은 오존발생량을 얻을 수 있었다.
- (4) 이상의 결과로부터 제안한 그물형 방전전극에서는 연면 방전에 의한 방전전류와 무성방전에의한 방전전류를 동시에 이용함으로써 방전개시 전압을 상대적으로 낮게 할 수 있으며 또한, 고농도의 오존은 발생시킬 수 있었다. 그물전극의 선폭과 그물코에서 최대 오존발생량을 얻기 위한 적정공간간격이 존재함을 알 수 있었으며 그물전극의 선폭과 그물코의 크기가 달라짐에 따라 최대오존발생 량을 얻기위한 적정공간간격(S) 또한 달라짐을 확인할 수 있었다.
- 80[mm]인 경우 다른 두 경우에 비해 낮은 오존발생량을 보여주었다. 결과로부터 알 수 있듯 이 그물전극의 선폭 (WM) 을 0.3[mm], 그물코 (VM) 를 0.8[mm]로 고정하고 오존발생특성실험을 한 결과 일정한 방 전공격이 존재하는 경우 그물전극의 연면에서 발생하는 연면 방전전류와 방전공격에서 발생하는 무성방전전류를 동시에 이용함으로써 방전공격이 없는 경우에 비해 고농의 오존을 발생시킬 수 있고 또한, 제안한 그물형 방전전극에서는 주어진 그물전극의 선폭과 그물코에서 최대 오존발생량을 얻기위한 적정공간간격이 존재함을 알 수 있다.
- (4) 이상의 결과로부터 제안한 그물형 방전전극에서는 연면 방전에 의한 방전전류와 무성방전에의한 방전전류를 동시에 이용함으로써 방전개시 전압을 상대적으로 낮게 할 수 있으며 또한, 고농도의 오존은 발생시킬 수 있었다. 그물전극의 선폭과 그물코에서 최대 오존발생량을 얻기 위한 적정공간간격이 존재함을 알 수 있었으며 그물전극의 선폭과 그물코의 크기가 달라짐에 따라 최대오존발생 량을 얻기위한 적정공간간격(S) 또한 달라짐을 확인할 수 있었다.
- 이상의 실험결과로부터 제안한 그물형 방전전극에서는 주 어진 그물전극의 선폭과 그물코에서 최대 오존발생량을 얻기 위한 적정공간간격이 존재함을 알 수 있었고 그물전극의 선 폭과 그물코의 크기가 달라짐에 따라 적정공간간격 또한 달 라짐을 확인할 수 있었다.
- 3〔mm]로 했을 경우의 그물코(VM)의 크기에 따른 전류-전압특성과 오존발생특성을 보여주고 있다. 인가전압의 증가에 따른 전류-전압특성은 그림 5 및 7과 비 그림 9 그물코(VM)에 따른 l-V 특성 (방전공격(S)=0.8[mm], 그물전극의 선폭(WM)=0.3[mmD 슷한 결과를 보여주었다.
- 5~L5[mm]로 가변했을 경우의 전류-전압특성을 나타낸 것이다. 주파수가 4.5[kHz]인 구형파 펄스 고전압이 실험용 오존발생장치의 그 물방전전극과 유도전극간에 인가되면 전압이 낮을 때는 그림 3의 점선처럼 변위전류가 흐르기 시작하고 방전의 형상을 세 밀히 관찰한 결과, 인가전압이 높아져서 약 2[kV]에서 그물 전극의 연면에서 약한 글로우(weak glow)상의 연면방전이 개시하여 인가전압의 증가에 따라 정상 글로우(normal glow) 상의 연면방전이 먼저 그물방전극의 날카로운 연면에서 발생 하고 인가전압이 증가함에 따라 방전전류도 크게 증가하여 5[kV]에서는 여러개의 아-크 방전주(arc discharge column) 상의 강력한 방전으로 발전하여 가며, 이는 그물코가 클수록 전류도 크게 증가하여 가는 것을 보여준다.
후속연구
- 본 연구에서는 방전전극으로 그물코를 갖는 그물방전전극 을 유전체장벽상의 근접 공간에 설치하여 유전체 장벽하부에 밀착한 평판 전극간에 교류고전압을 인가하는 구조의 오존발 생장치를 제안하였다. 이와 같은 구조는 강력한 전계를 그물 전극의 연면에 발생시켜서 연면방전을 유발시킬 수 있고 또한 유전체 장벽상에 축적된 전하에 의한 공간상의 무성방전 도 동시에 발생시킬 수 있는 구조의 중첩형 오존발생장치로서 작동할 수 있을 것으로 사료되어 그물방전전극의 형상과 방전전극과 유전체 장벽간의 방전공격이 오존발생에 미치는 영향을 실험적으로 연구조사한 결과이다.
- 한편, 방전전극의 연면과 유전체장벽상에서 공간으로 진전 방전하는 무성방전을 동시에 발생시킬 수 있는 구조가 제안 된다면 이는 매우 효과적으로 오존을 발생시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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