[논문]유전체 장벽 방전을 이용한 오존 발생기의 전원장치 최적 설계 및 비교

김봉석; 신영철; 고광철

doi:10.4313/jkem.2011.24.1.57

문제 정의

논문에서 제안한 공진형 상용 DBD 전원 장치는 E class type 과 flying capacitor를 사용한 멀티레벨 LC타입 공진형 인버터로 부하의 임피던스 매칭 조건의 유지 이외에 추가적으로 스위칭 손실 및 동작 주파수 영역의 확대에도 목적을 두고 있다.
따라서 본 논문은 인가 전압의 크기가 정해진 DBD반응기 (반응기 내부 gap distance가 고정되어 있는 경우)의 면적 변화 또는 병렬 연결 운용시 기존의 최적화된 전원 장치를 재설계 및 추가 제작 단계를 간소화하기 위하여 DBD전원과 DBD 반응기 간의 임피던스 매칭 및 운전 조건 변화를 용이하게 하여 인가전압 대비 DBD 반응기 내부로 인가되는 방전전류 극대화 방법에 관련하여 기술하였다.
본 논문에서는 오존 발생용 DBD 전원 장치 중 전원 장치에서 DBD 반응기로의 효과적인 방전 에너지 공급 및 DBD반응기의 운전 변동 시 DBD 전원 장치의 개선 및 설계 방법을 제안하였다. 정현 입력 전압을 사용하는 DBD 전원 장치는 특정 공진 주파수에서 오존 발생량이 증가하기 때문에 DBD의 전원 장치와 DBD 반응기의 임피던스 매칭을 방전 전후에 유지시켜 인가 전압 대비 DBD 반응기에 흐르는 전류를 최대로 맞춰주고자 DBD 반응기의 임피던스 및 전원 장치의 임피던스를 평가하기 위한 모델링을 1차적으로 수행하였다.
그림 5는 방전 전후의 steady state discharging phase를 기술하기 위한 DBD 반응기의 회로 모델링이다. 본 연구는 방전 직전과 방전 이후의 안정 방전 상태에서의 임피던스 변화량을 기준으로 하여 DBD 전원 장치에서 임피던스 매칭을 유지하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 과도 상태 동안 DBD 반응기에서 가장 크게 변화하는 회로 정수 값인 C_g에서 C_s, C_s2 및 C_p 조합으로의 커패시턴스 변화 및 과도 방전 상태에서 안정 방전 상태로 전이 시 나타나는 레지스턴스 변화를 계산해야 한다. 위에 기술한 과도상태에서 커패시턴스 및 레지스턴스 변화량을 기술하기 위해 black box를 넣어 새롭게 DBD 반응기 모델링을 개선하였다.

제안 방법

Black box로 표현된 방전 개시 전압에 대한 영향 및 transient discharging phase는 실제 그림 7에서 보여지는 것처럼 실험 파형의 V_input (t) 대비 V_measure (t)를 측정하고 V_input (S) 및 V_measure (S)로 변환하여 분석되었다.
DBD전원과 DBD반응기의 임피던스 매칭을 가장 큰 전원 장치의 설계 변수로 잡은 이유는 1-100kHz의 동작 주파수 영역을 지니는 AC전원 인가형 DBD 전원의 경우, DBD 반응기와 고주파 변압기의 2차측 임피던스 값에 따라 공진 주파수가 존재하여 이 공진 주파수 대역에서 오존 발생량이 최대로 나타나는 특성이 존재하기 때문이다. DBD반응기의 임피던스 특성 및 변화를 예측하기 위해서 첫 번째로 2-port circuit matrix (2단자쌍 회로망 해석법)를 이용한 전기 모델링을 통하여 DBD 반응기에서 방전 개시 전/후의 임피던스 변화를 DBD 반응기 및 DBD 반응기 내부의 회로 모델링을 통하여 예측하였다.
그림 6 및 7의 결과를 기반으로 하여 구성된 black box는 그림 8과 같이 제너 다이오드로 구성되는 회로로 제작하였으며, 이는 방전 직전 및 안정 방전 상태로의 전이 전후만을 기술하도록 구성하였다. 구성된 회로 모델은 DBD 전원 장치에서 방전 전후의 DBD 반응기의 레지스턴스 및 커패시턴스의 변화량의 정도를 예측하여 방전 전후 단계에서 DBD 반응기와 전원장치 사이의 임피던스 매칭을 유지하도록 하는 모델로는 효과적으로 판단된다.
그림 9와 10에서 보여 지는 바와 같이 C_compensation이라는 커패시턴스 성분을 전원 장치에 인가하여 방전 개시 후 반응기의 커패시턴스 값과 전원 장치의 커패시턴스 성분의 값을 일치시켜 반응기와 전원 장치간의 임피던스를 매칭시키는 방법을 제시하였다.
따라서 DBD 반응기의 방전 전후 모델링을 통하여 DBD 전원 장치에서 보상 방법을 제시하였으며, 실험 파형의 비교에 있어서 class E type과 flying capacitance를 사용하는 resonant inverter 방식은 모두 LC공진 특성을 이용하여 DBD 반응기와 DBD전원 간의 임피던스 매칭이 유지도록 설계 되었다. 기존의 LC 공진형 전원 장치와 비교하여 가장 큰 특징은 추가적으로 DBD반응기 내부의 임피던스 성분 중 커패시턴스 변화량에 관련하여 C_compenstion을 고안하여 기체 방전/전후에 있어서 DBD반응기 내부의 급격한 임피던스 변화를 보상하도록 제안하였다.
따라서 DBD 반응기의 방전 전후 모델링을 통하여 DBD 전원 장치에서 보상 방법을 제시하였으며, 실험 파형의 비교에 있어서 class E type과 flying capacitance를 사용하는 resonant inverter 방식은 모두 LC공진 특성을 이용하여 DBD 반응기와 DBD전원 간의 임피던스 매칭이 유지도록 설계 되었다. 기존의 LC 공진형 전원 장치와 비교하여 가장 큰 특징은 추가적으로 DBD반응기 내부의 임피던스 성분 중 커패시턴스 변화량에 관련하여 C_compenstion을 고안하여 기체 방전/전후에 있어서 DBD반응기 내부의 급격한 임피던스 변화를 보상하도록 제안하였다.
방전이 개시 된 후에 안정 상태의 방전이 DBD 반응기 내부에 형성되면 sheath capacitance (C_s, C_s2)가 형성된다. 안정 상태에서의 플라즈마 column은 플라즈마 커패시턴스 (C_p) 및 플라즈마 레지스턴스 (R_p)의 조합으로 기술하였다.
본 연구는 방전 직전과 방전 이후의 안정 방전 상태에서의 임피던스 변화량을 기준으로 하여 DBD 전원 장치에서 임피던스 매칭을 유지하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에, 과도 상태 동안 DBD 반응기에서 가장 크게 변화하는 회로 정수 값인 C_g에서 C_s, C_s2 및 C_p 조합으로의 커패시턴스 변화 및 과도 방전 상태에서 안정 방전 상태로 전이 시 나타나는 레지스턴스 변화를 계산해야 한다. 위에 기술한 과도상태에서 커패시턴스 및 레지스턴스 변화량을 기술하기 위해 black box를 넣어 새롭게 DBD 반응기 모델링을 개선하였다.
(S)에서 분리하여 계산하기 위해서는 방전 개시 전압 및 방전에 의한 전압 강하 특성에 관련한 데이터가 필요하며, 이때 전압 강하 전/후에 대한 커패시턴스 변화량에 대하여 충분한 해석이 필요하다는 점이 그림 7 (b)에 근거하여 나타나고 있다. 인가 전압에 의한 방전 개시 현상을 기술하기 위하여 사용된 black box는 과도 상태에서 레지스턴스 변화를 보여주는 기존의 연구에 근거하여 두 개의 제너 다이오드의 접합으로 표기하였으며 [5-7], 안정 방전 상태에서의 제너 레지스턴스는 매우 작아 플라즈마 레지스턴스 (R_p)에 큰 영향을 미치지 못한다고 판단하였다.
임피던스 변화에 대한 DBD 반응기의 방전 현상에 있어서 가장 주요하게 변화되는 회로 정수 값은 기체 방전에 의한 커패시턴스 값의 변화로 예측했으며, 이 특정 커패시턴스 값의 변화 및 DBD 반응기의 회로 변화 값에 따른 임피던스 매칭을 유지시키기 위하여 상용 인버터 타입 DBD 전원 장치에서 공진형 DBD 전원 장치를 제시하였다.
본 논문에서는 오존 발생용 DBD 전원 장치 중 전원 장치에서 DBD 반응기로의 효과적인 방전 에너지 공급 및 DBD반응기의 운전 변동 시 DBD 전원 장치의 개선 및 설계 방법을 제안하였다. 정현 입력 전압을 사용하는 DBD 전원 장치는 특정 공진 주파수에서 오존 발생량이 증가하기 때문에 DBD의 전원 장치와 DBD 반응기의 임피던스 매칭을 방전 전후에 유지시켜 인가 전압 대비 DBD 반응기에 흐르는 전류를 최대로 맞춰주고자 DBD 반응기의 임피던스 및 전원 장치의 임피던스를 평가하기 위한 모델링을 1차적으로 수행하였다.
커패시턴스 값 Ccompensation은 방전 전후의 Cg값과 Cp, Cp'의 합성 값 사이의 커패시턴스 값이 사용되었으며, 방전 실험에 따른 오존 발생량의 측정에 따라 Ccompensation 값을 조정하였다.

성능/효과

3.1에서 제안한 바와 같이 일정 임피던스 특성을 보여주는 전원과 DBD반응기의 고유 임피던스는 LC공진 방법을 사용하여 임피던스 매칭이 가능하며 이 때 인가 전압 대비 전류는 가장 효과적일 것으로 판단된다. 그림 9에서 제시한바와 같이 Pre-discharging phase에서 DBD system은 간단한 인덕턴스와 커패시터의 조합으로 모델링이 가능하지만, 방전이 개시된 이후 R_p 및 C_p와 C_p'의 급격한 변화로 인하여 임피던스 매칭이 이루어지지 않는다.
그림 6 및 7의 결과를 기반으로 하여 구성된 black box는 그림 8과 같이 제너 다이오드로 구성되는 회로로 제작하였으며, 이는 방전 직전 및 안정 방전 상태로의 전이 전후만을 기술하도록 구성하였다. 구성된 회로 모델은 DBD 전원 장치에서 방전 전후의 DBD 반응기의 레지스턴스 및 커패시턴스의 변화량의 정도를 예측하여 방전 전후 단계에서 DBD 반응기와 전원장치 사이의 임피던스 매칭을 유지하도록 하는 모델로는 효과적으로 판단된다.
따라서 두 전원 장치 모두 임피던스 매칭에는 효율적으로 판단되었으나, 결과적으로 2 “L/min”의 가스 입력, 25 “kHz”의 동작주파수, 3 “kV”의 정현파형 입력 방전 조건에서 커패시턴스 보상을 사용하지 않는 전원 장치를 사용했을 경우 120 “g/cm3”의 오존 발생량을 측정한데 비하여, 그림 8에서 제시된 두 가지 방식의 전원 장치 모두 오존 발생량 부분에 있어서 15∼20 “%” 정도의 향상이 있었음을 측정하였다.
또한 비선형 시변환 전기 회로 특성을 지니는 기체 방전 메커니즘에서 기존의 DC-DC, AC-DC 변환기법에서 사용되는 공진 회로의 개념에 의한 임피던스 매칭이 방전 효율의 향상에 영향을 주는 것으로 판단된다.
본 논문에서 제시한 전원 장치를 사용할 경우, 특정 DBD 반응기의 임피던스 특성에 최적화된 DBD 전원 장치를 DBD반응기의 방전 면적 및 운전 조건을 변환하여 사용 시, DBD전원 장치와 고주파 변압기의 재설계 및 추가 제작 단계 없이 DBD반응기 임피던스 변화를 LC공진형 인버터 타입을 사용하여 전원과 DBD 반응기의 임피던스를 보상이 가능하며, 전원 자체는 soft switching이 가능하기 때문에 상용 AC전원에 비하여 넓은 동작 주파수 영역에서 동작시킬 수 있는 장점이 있다.

후속연구

하지만, 공진주파수가 기체 방전이 없는 경우, 20kHz 주파수 근처에 측정되는데 비하여 최대 오존 발생량은 25kHz 근처에서 측정되는 것으로 측정됐으며, 이는 기체 방전에 의한 임피던스 변화에 의한 DBD 반응기 내부로 인가되는 방전 전류의 양이 차이가 나기 때문으로 판단되었다. 따라서 만약, DBD 반응기의 방전 면적 변화 및 DBD 반응기의 병렬 운전 등을 통한 오존 발생량 증대를 고려할 때, DBD 전원 장치와 DBD 반응기의 임피던스 매칭 조건을 유지시켜 준다면 추가적인 고주파 변압기 제작 및 전원의 재설계 없이 DBD전원의 보정이 가능할 것으로 판단된다.
이는 전원 장치와 DBD 반응기 사이의 임피던스 매칭으로 인한 최대 에너지 전달 방법이 오존 발생량과 직접적으로 밀접하게 연관되어 있지 않음을 의미한다. 따라서 오존 발생량을 효과적으로 증대시키기 위해서는 electron temperature를 효과적으로 높일 수 있는 또 다른 연구가 필요할 것으로 판단된다.
상용전원과 동일 운전 조건에서 간단한 전원의 추가회로를 통하여 향상된 오존 발생량을 보여주고 있으나, 획기적인 오존 발생량 특성은 보여지지 않고 있다. 하지만, DBD 반응기의 변화 및 DBD반응기의 운전 조건 변화에 의한 DBD 전원의 최적설계에 있어서 논문에서 제시한 방법은 추가적인 전원의 재설계 및 제작이 필요없이 간단한 조정으로 인가 전압 대비 최적 방전 전류를 DBD 반응기에 투입이 가능하기 때문에, AC전원을 사용하는 DBD 전원의 설계에 있어서 매우 효과적으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DBD전원과 DBD반응기의 임피던스 매칭이 가장 큰 전원 장치의 설계 변수로 잡힌 이유는?	DBD전원과 DBD반응기의 임피던스 매칭을 가장 큰 전원 장치의 설계 변수로 잡은 이유는 1-100kHz의 동작 주파수 영역을 지니는 AC전원 인가형 DBD 전원의 경우, DBD 반응기와 고주파 변압기의 2차측 임피던스 값에 따라 공진 주파수가 존재하여 이 공진 주파수 대역에서 오존 발생량이 최대로 나타나는 특성이 존재하기 때문이다. DBD반응기의 임피던스 특성 및 변화를 예측하기 위해서 첫 번째로 2-port circuit matrix (2단자쌍 회로망 해석법)를 이용한 전기 모델링을 통하여 DBD 반응기에서 방전 개시 전/후의 임피던스 변화를 DBD 반응기 및 DBD 반응기 내부의 회로 모델링을 통하여 예측하였다.
	기본 DBD 전원 장치 특성은 무엇에 따라 결정되는가?	이는 DBD에 있어서 전원 장치의 가장 중요한 설계 파라미터인 인가 전압의 크기, 인가 전압의 파형, 동작 주파수, 소모 전력, duty rate 등이 DBD 반응기의 형태 및 DBD 환경에 대해 매우 크게 달라지기 때문이다. 기본 DBD 전원 장치 특성은 DBD 반응기의 크기, 주입가스의 압력, 반응기 내부 패스의 형상, 전극간의 거리, 유전체의 종류, DBD 반응기 내부의 방전 전후의 회로 특성에 따라 결정된다. 게다가, DBD를 사용한 오존 발생 장치들은 안정상의 이유 및 상압의 기체 방전 특성으로 인하여 직접적으로 DBD 반응기 내부의 물리적 특성을 측정할 수 없는 문제점이 발생하기 때문에 일반적인 DBD용 전원장치의 설계 및 제작은 인가 전압/전류의 크기 및 입력 전력 대비 오존 발생량을 점차 개선하는 방향으로 수행되고 있다.
	DBD 메커니즘을 사용하여 오존을 발생시키는 방법에 있어서 DBD 반응기의 형태는 크게 실린더 타입과 평판 타입이 있는데 그 특징은?	DBD 메커니즘을 사용하여 오존을 발생시키는 방법에 있어서 DBD 반응기의 형태는 크게 실린더 타입과 평판 타입이 사용된다. 실린더 타입의 DBD 반응기의 경우 DBD 반응기의 유전체 및 반응기를 비교적 쉽게 조정 가능하기 때문에 방전 전압을 효과적으로 증대시킬 수 있다. 하지만, 단일 실린더 타입 DBD 반응기는 많은 오존을 발생시키기에는 방전 면적이 작기 때문에, 평판 타입의 DBD 반응기가 동일 크기의 반응 면적에 있어서 비교적 오존 발생 측면에 있어서 효과적일 것으로 판단된다.

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