[논문]음이온 생성을 위한 표면 유전체장벽방전의 설계조건 연구

신상문; 김정윤; 김종수; 최재하; 최원호

doi:10.5207/jieie.2014.28.1.114

음이온 생성을 위한 표면 유전체장벽방전의 설계조건 연구
A Study of The Surface Dielectric Barrier Discharge Design Conditions for Generating Negative Air Ions 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.28 no.1, 2014년, pp.114 - 122

신상문 (울산대학교 전기공학부 대학원) , 김정윤 , 김종수 (울산대학교 전기공학부) , 최재하 (울산대학교 전기공학부) , 최원호 (울산대학교 전기공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes a study of the design conditions of a planar surface dielectric barrier discharge (DBD) reactors for generating negative air ions. The capacity of negative air ion generated by the surface DBD reactor is affected by the shape, area ratio and the location of the discharge and induction electrodes of it. To study the optimal design conditions of DBD reactors, the electrodes printed on the substrate of a PCB board is utilized to conduct kind of experiments: the distance of the each electrode along with the X-Y axis, the area ratio of the discharge electrode to induction electrode, and the symmetrical and asymmetrical location of two electrodes. The ion generation capacity is inverse proportional to the gap increases along with X-Y axis. And the optimum ion concentration generated by the ionizer was inspected when the electrodes area ratio was 3 and 5 times of the symmetrical and asymmetrical experimental condition respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

두 전극의 위치가 대칭이고 면적비 5배일 경우에 최대가 되었으며, 비대칭일 경우 3배의 면적비일 때 음이온의 발생량이 최대가 됨을 알 수 있었다. 기존에 다수의 연구자에 의해 발표된 연구 결과와 본 연구의 결과를 종합하여 향후 최적의 음이온을 생성하기 위한 DBD 반응기의 설계 시 이용할 수 있는 설계 요인을 확보하였다. 본 연구의 설계 요인을 응용하여 다양한 전극 형태의 DBD 반응기를 설계하고 결과를 확인하는 것은 향후의 연구를 통해 확인하고자 한다.
본 논문에서는 PCB를 이용하여 표면 DBD방식의 DBD반응기를 설계하여 방전전극과 유도전극의 형태, 배치에 따라 달라지는 이온발생량을 실험을 통해 확인하고 기존에 발표되었던 연구를 종합하여 최적의 이온발생 조건을 정리하고자 한다.
본 논문에서는 전극 구조에 따라 달라지는 이온의 발생량을 확인하기 위하여 전극의 형태를 돌기나침 형태를 추가하지 않은 가장 단순한 형태인 직사각형의 막대 모양의 전극 구조를 이용하여 실험하였다.
본 논문에서는 평판형 표면DBD 방식으로 음이온을 발생하는 DBD반응기의 설계 조건을 확인하기 위한 연구를 수행하였다.
본 문헌에서는 전극 구조의 복잡함, 즉 격자의 내 외부에 추가한 침 형태의 전극이 많고 적음에 따라 이온의 발생량이 달라지는 것이 아닌 방전전극과 유도전극의 면적 비에 따라 이온의 발생량이 달라진다는 것을 기술하고 있다.
표면 DBD의 전극 구조와 배치에 의해 음이온 발생량이 어떻게 달라지는지를 실험을 통해 확인하였다. 길이방향의 X축 실험에서는 dx의 간격이 늘어날수록 음이온의 발생량이 줄어들었으며 Y축 실험에서는 dy가 0일 때 음이온의 발생량이 가장 많은 것을 알 수 있다.

제안 방법

ON/OFF 스위칭 제어부는 구형파(Square pulse)를 만드는 목적으로 설계한다. 12V의 전압을 20～25%의 On duty ratio가 되도록 설계하였다. DBD반응기는 전압이 인가 될 때 커패시터처럼 동작하게 된다.
DBD 반응기는 표면 DBD방식의 방전을 일으킬 수 있도록 유전체 평판의 양 면에 금속 전극을 배치한 구조로 제작하였다.
그림 13과 같이 25×1mm의 전극을 상단 면에 배치하여 방전전극으로 이용하고, 하단면에는 고정된 길이 25mm에 폭 ‘s-w’를 1mm부터 9mm까지 2mm씩 증가할 경우에 이온발생량을 측정하였다.
그림 9는 15×1mm의 전극을 상단면에 배치하고 동일한 크기의 전극을 하단면에 배치하여 간격 ‘dy’을 상단-하단 전극이 대칭일 때(-1mm)와 ‘dy'를 0mm부터 5mm까지 증가시키면서 이온발생량을 측정하였다.
단 면에 인쇄된 전극 구조를 상하로 겹쳐 표면DBD 방전 구조를 구성하여 길이방향(X-축 방향), 두께방향(Y-축 방향), 방전전극과 유도전극을 대칭하여 방전전극의 면적을 넓혔을 때와 두 전극을 비대칭으로 배치하여 유도전극의 면적을 넓혔을 때의 음이온 발생량을 측정 및 비교하였다.
망을 이루는 격자 사이사이에 돌기를 추가하여 방전전압을 낮추면서 오존의 발생량을 줄일 수 있는 전극 구조를 제시하였다.
방전전극, 유전체기판, 유도전극의 위치와 크기에 따라 달라지는 이온의 발생량을 측정하여 최적의 이온발생 조건을 찾기 위한 실험을 수행하였다.
방전전극과 유도전극의 면적에 따른 이온발생량을 측정하였다.
방전전극과 유도전극의 크기, 상대위치, 대칭, 비대칭의 조건을 달리하여 음이온 발생량을 비교분석하였다.
본 연구를 수행하기 위해 PCB를 이용하여 방전전극과 유전체, 유도전극과 유전체를 각각 따로 제작한 후 전극이 인쇄된 기판의 조합을 이용하여 각각 다른 조건에서 이온생성 실험을 하였다.
상단면에 배치한 전극의 크기를 25×1mm로 고정하고 하단면의 전극을 고정된 길이 25mm에 폭 ‘a-w’를 1mm부터 5mm까지 1mm씩 증가할 때의 이온 발생량을 측정하였다.
상용으로 소개된 이오나이저의 경우 세라믹 재료에 후막 기술을 이용하여 제작되어 있으나 본 논문에서는 다양한 방전조건에서 실험하기 위하여 반응기를 PCB로 제작하여 실험하였다.
실험을 위해 상단면(혹은 하단면)에만 전극을 설계하였으며 표면 DBD 구조를 이루기 위해서는 그림의 PCB 보드의 한 쪽을 상단면에, 다른 쪽을 하단면에 배치하여 구현한다.
압전 변압기를 구동하기 위한 전력증폭기의 종류로는 Push-Pull, Half-Bridge, Class-E 구조가 사용되고 있으며 본 논문에서는 좁은 면적의 보드상에서 최소의 부품 수로 구현할 수 있는 Class-E 구조를 사용하였다[12-13].
그림 13과 같이 25×1mm의 전극을 상단 면에 배치하여 방전전극으로 이용하고, 하단면에는 고정된 길이 25mm에 폭 ‘s-w’를 1mm부터 9mm까지 2mm씩 증가할 경우에 이온발생량을 측정하였다. 이 실험은 상단면의 방전전극과 하단면의 유도전극의 배치를 y축 방향에서 대칭으로 실험하였다. 실험 결과는그림 15와 같이 유도전극의 폭이 1mm, 3mm일 때 음이온 발생량이 증가하다가 5mm일 때 가장 많은 이온이 발생하였고 7mm부터는 발생량이 줄어들었다.
이온발생량 실험은 크기 290×290×270mm인 아크릴 챔버 내에 제작한 이오나이저를 그림 6와 같이 설치하여 이온 농도를 측정하였다.
전극을 Y-축 방향으로 이동할 때의 이온 발생량을 측정하였다. 그림 9는 15×1mm의 전극을 상단면에 배치하고 동일한 크기의 전극을 하단면에 배치하여 간격 ‘dy’을 상단-하단 전극이 대칭일 때(-1mm)와 ‘dy'를 0mm부터 5mm까지 증가시키면서 이온발생량을 측정하였다.
제작한 PCB의 전극에 전압을 인가하기 위한 전선을 붙인 후 전극보호 및 절연을 위해 우레탄 절연물질을 전극이 있는 면에 도포하였다.

대상 데이터

6이다. 기판의 두께는 0.2mm로 제작하였다. 제작한 PCB의 전극에 전압을 인가하기 위한 전선을 붙인 후 전극보호 및 절연을 위해 우레탄 절연물질을 전극이 있는 면에 도포하였다.
방전전극으로 사용한 전극의 크기는 25×1mm의 구리 전극이며 우레탄 전극보호층의 두께는 약 0.06mm이다.
본 설계에서는 주파수, On duty ratio 를 실험의 조건에 맞추어 조정하기 위해 비안정 멀티바이브레이터를 이용하였다.
사용한 압전변압기는 로젠(Rosen)형의 승압용 압전변압기로 상용품인 MPT2805C00R2 (Konghong, 중국)를 사용하였으며 5×28×2.75mm의 사이즈에 공진주파수 120kHz에서 50배의 승압을 하는 변압기이다[14].
실험을 위해 설계한 이오나이저는 그림 1과 같이 ON/OFF스위칭 제어부(1차 함수 발생기), 2차함수 발생기, 고전압 변환부, DBD반응기로 구성된다.

성능/효과

두 전극의 위치가 대칭이고 면적비 5배일 경우에 최대가 되었으며, 비대칭일 경우 3배의 면적비일 때 음이온의 발생량이 최대가 됨을 알 수 있었다.
또한 방전전극과 유도전극을 X축 기준으로 대칭으로 배치하고 유도전극의 폭을 넓혀 주었을 때 본 실험 에서는 유도전극이 1mm이고 방전전극이 5mm일 때, 즉 두 전극의 면적비가 5배일 때 가장 많은 음이온이 발생하는 것을 알 수 있었다.
본 실험결과는 참고문헌[9]에서 소개하고 있는 실험의 경우 방전전극과 유도 전극의 면적비가 2～3배일 때 이온의 발생량이 가장 많은 실험 결과를 보여주고 있으나 본 실험에서는 5배의 면적 비에서 가장 많은 이온이 발생하였다.
이 실험은 상단면의 방전전극과 하단면의 유도전극의 배치를 y축 방향에서 대칭으로 실험하였다. 실험 결과는그림 15와 같이 유도전극의 폭이 1mm, 3mm일 때 음이온 발생량이 증가하다가 5mm일 때 가장 많은 이온이 발생하였고 7mm부터는 발생량이 줄어들었다. 즉방전전극과 유도전극의 면적비가 5배(5mm)일 때 음이온의 발생량이 최대가 되는 것을 확인하였다.
실험을 통해 측정한 이온발생량은 폭 ‘a-w’가 1mm에서 3mm까지 증가하다가 3mm가 될 때, 즉 방전전극과 유도전극의 면적비가 3배가 될 때 최대의 이온이 발생하였으며 거리를 늘리면 늘릴수록 음이온의 발생량이 줄어드는 것을 확인하였다.
실험 결과는그림 15와 같이 유도전극의 폭이 1mm, 3mm일 때 음이온 발생량이 증가하다가 5mm일 때 가장 많은 이온이 발생하였고 7mm부터는 발생량이 줄어들었다. 즉방전전극과 유도전극의 면적비가 5배(5mm)일 때 음이온의 발생량이 최대가 되는 것을 확인하였다.
또한 방전전극의 형태가 망(grid)과 침상 (pointed needle like)이 조합된 형태이기 때문에 본 연구에서 실험한 것과 동일한 조건에서 비교하기에는 어려움이 있다. 하지만 두 전극의 겹치는 면적비에 의해 이온 발생량의 차이가 있다는 것은 기존의 연구와본 연구의 결과를 통해 동일하게 발생하는 것을 확인하였으며 전극를 설계할 때 참조할 수 있는 중요한 정보임을 알 수 있다.

후속연구

기존에 다수의 연구자에 의해 발표된 연구 결과와 본 연구의 결과를 종합하여 향후 최적의 음이온을 생성하기 위한 DBD 반응기의 설계 시 이용할 수 있는 설계 요인을 확보하였다. 본 연구의 설계 요인을 응용하여 다양한 전극 형태의 DBD 반응기를 설계하고 결과를 확인하는 것은 향후의 연구를 통해 확인하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	표면 DBD 플라즈마 반응기의 장점은 무엇인가?	반면 표면 DBD 플라즈마 반응기(Surface DBD Plasma Reactor, 이하 DBD반응기)는 동일한 이온 발생량에 대한 전력 소비가 DC를 사용하는 침형 전극에 비해 낮은 장점이 있으며 유전체면의 상단면에 배치된 방전전극에 의해 2차원적인 이온발생이 가능하여 공간 내에서의 이온발생량 변화가 적은 장점이 있다. 또한 침형전극에 비해 낮은 전압에서 방전이 가능하여 먼지 흡착에 의해 오염이 잘되지 않으며 방전전극의 배치에 따라 표면 전체에서 방전을 일으킬 수 있다[6-7].
	이오나이저가 개발된 이유는 무엇인가?	실내 공기 질을 개선하기 위한 이오나이저(Ionizer)의 개발은 부유미생물의 제거, 악취 제거, VOC감소 등에 유용성을 보여주고 있으며 이오나이저를 이용하여 공기 질을 개선하는 것은 가스필터, 고체 매질 필터, 전기집진기, 오존발생기나 촉매 등의 기술을 사용 하는 것에 비하여 유해물질의 분해에 있어 더욱 다양한 장점을 가지고 있다[1]. 또한 실내공간에서의 인간의 기분을 쾌적하게 할 수 있으며 스트레스의 감소에 도 기여를 하는 것으로 알려졌다[2].
	침형전극의 경우 먼지를 주기적으로 제거해야 하는 이유는 무엇인가?	또한 고전압이 인가되는 전극 주변으로 공기 중의 먼지를 끌어당겨 흡착하게 되고 두꺼워진 먼지 층은 코로나방전을 방해하게 된다. 이오나이저의 사용시간이 길어질수록 두꺼워진 먼지 층으로 인하여 방전을 하지 못하게 되고 이온 발생이 제한되는 문제가 발생 한다. 따라서 정기적으로 침형전극의 먼지를 제거해야 하는 문제가 있다.

참고문헌 (14)

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MPT2805C00R2 Product specification, http://www.konghong.com/english/Content.asp?id27&n_id24&subs_type6&subs_id66&urlszuzhi.asp

저자의 다른 논문 :

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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