방전 플라스마에 의한 환경개선기술의 이용은 정수장의 오존처리와 같은 대규모 설비부터 식품가공공장에서의 살균탈취 및 가정 내의 공기청정 등 중소규모의 분야까지 다방면에 걸쳐있다. 따라서 규모별 목적에 맞게 방전 플라스마를 효율적으로 생성시키는 기술은 에너지 절약의 관점에서도 중요한 문제라 할 수 있다. 강유전체 pb(Zr·Ti) O3제의 압전변압기(Piezo-electric Transformer: PT)는 압전효과를 이용한 소형 고전압 발생소자인데 최근 이를 독자적으로 이용한 방전 플라스마 발생 기술이 제안됐다. PT는 주로 액정 디스플레이의 백라이트용 전원으로 이용되어 왔으며, PT를 이용한 방전 플라스마 발생법은 고전압을 발생하는 압전소자 표면을 전극으로 하여 방전 플라스마를 생성시키는 것을 그 원리로 하고 있다. 이 경우 PT는 고전압 전원으로서만이 아니라, 방전전극으로서의 역할도 수행하기 위해 장치의 소형화와 함께 저전압 구동의 플라즈마 리액터를 구성할 수 있다. 본고에서는 PT를 이용한 방전 플라스마 발생 기술을 개설하면서 환경개선기술로의 응용이 기대되는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge: DBD)형 플라즈마 리액터의 동작특성과 이를 오존 발생기 및 엑시머 램프 등에 응용한 연구 사례를 중심으로 소개한다.
정리 편집부
압전변압기를 이용한 방전 플라스마 생성법 압전변압기의 동작원리
[그림 1]에 방전 플라스마의 생성에 이용되어 온 Rosen형 PT의 구조와 구동회로를 나타냈다. PT의 치수는 60×13×2mm이며, 길이방향 중앙을 경계로 1차측과 2차측 부분으로 나뉘어져 있다. 1차측 양면에는 전압을 입력하기 위한 1차측 전극이, 2차측 선단에는 고전압을 추출하는 2차측 전극이 각각 증착되어 있다. 또한, 1차측과 2차측 부분은 각각 그림 안에 흰색 화살표로 표시되어 있듯이 두께방향과 길이방향으로 분극처리되어 있다. PT의 1차측 전극 간에 수V~수십V의 교류전압을 인가하면 역압전 효과에 의해 1차측에서는 두께방향의 기계진동이 발생하고, 이것이 길이방향의 기계진동으로 2차측에 전파된다. 이때 인가전압의 주파수를 PT의 고유진동수와 일치시킴으로써 기계진동이 공진하여 PT 길이방향의 기계진동 변위는 최대가 된다. 이에 수반하여 2차측 부분에서는 압전효과로 기계진동의 크기에 대응한 고전압이 발생한다. PT의 기계진동에는 몇 가지의 공진모드가 존재하는데 본고에서는 (1/2)λ모드(26~27kHz)로 구동한 경우의 결과를 소개한다. [그림 1]에 이 진동모드에서의 기계진동 변위와 표면전위의 공간분포를 나타냈다. 진동변위는 PT의 양단에서 최대가 되며, 2차측 부분에서는 길이방향의 기계진동과 분극방향이 일치하므로 진동변위에 비례한 전압이 2차측 표면에 유기(誘起)된다.
생성 가능한 방전 플라스마와 전극 구조
PT와 조합해 사용하는 전극의 구조를 연구하여 저기압~대기압 또는 그 이상의 가스압력에서 각종 방전 플라스마를 생성할 수 있게 되었다. [그림 2]에 PT형 플라즈마 리액터를 통해 생성 가능한 방전 플라스마와 전극 구조를 나타냈다. 이 그림에서 (a)는 PT 2차측의 리드선을 떼어내고, 여기에 침상전극(針狀電極)을 설치한 구조다. 이 상태에서 PT를 구동하면 침 선단의 고전계에 의해 코로나 방전이 발생한다. 이 전극 구조를 이용한 오존 발생기가 개발되어 각종 재료표면에서의 오존소멸과정에 관한 연구에 응용되기 시작했다. 이것은 대기압 산소 중에서 약 10~100ppm의 오존을 생성할 수 있다고 한다. [그림 2](b)와 같이 수 Torr의 저기압의 방전용기 안에서 PT를 구동하면 고전압을 발생시키는 PT 2차측 표면과 접지된 방전용기 사이에 고전계가 형성되어 PT 주위에 방전이 발생한다. 이 방전은 강유전체의 PT와 금속제 용기 사이에서 발생하기 때문에 처음에는 「무성방전」으로 불렸지만, PT 주위의 방전발광이 직류글로방전의 발생기구에 의해 설명된다는 점과 방전개시특성 및 가스압력범위 등으로부터 저기압 중의 글로방전으로 여겨지고 있다. [그림 2](c)는 PT 2차측 표면과 금속제 배후전극을 갖는 유전체 전극에 의해 단갭(短gap)을 형성한 전극 구조이다. 배후전극을 접지한 상태에서 PT를 구동하면 DBD 발생기로서 동작한다. DBD는 한 쌍의 금속전극 간 적어도 어느 한쪽에 유전체를 삽입한 전극 구조에서 발생하는 방전이다. 전자 에너지가 중성의 원자 분자 및 이온의 에너지보다 충분히 높은 비열평형 플라스마를 대기압 하에서 안정하게 얻을 수 있기 때문에 오존 생성 및 플라즈마 디스플레이, 엑시머 램프 등에 이용되고 있다. 이처럼 PT를 이용함으로써 콤팩트한 DBD 발생기를 구현하고 있다.
DBD형 플라즈마 리액터의 동작특성
[그림 1]에서와 같이 PT 동작 시 기계진동의 공진에 의해 2차측 표면전위는 길이방향에 대해 정재파상(狀)으로 분포한다. 따라서 2차측 표면을 방전전극으로 사용하는 경우에는 표면전위와 방전전력의 공간분포를 자세히 알아두는 것이 중요하다. 여기서는 PT형 플라즈마 리액터의 표면전위와 방전전력 공간분포의 측정법 및 그 결과를 소개한다.
표면전위 분포와 방전전력 공간분포 [그림 3]은 PT를 사용한 DBD형 플라즈마 리액터의 표면전위와 방전전력 측정장치이다. 기본적인 구조는 [그림 2](c)와 같지만, PT의 표면전위와 방전전력을 위치분해하여 측정하기 때문에 금속제 배후전극이 길이방향으로 12분할되어 있다. 배후전극 1개의 치수는 13×1.5mm이며, 길이방향으로 2mm의 간격을 두고 배치했다. 각 배후전극과 어스 간에는 1nF의 전류 적분용 콘덴서 Ci가 접속되어 있다. 유전체 전극에는 두께 1mm의 소다 유리를 사용하였으며, 갭 길이는 0.3mm이다. 이 장치에서 DBD가 발생하지 않을 정도의 낮은 인가전압으로 PT를 구동하면 각 배후전극 Ei(i= 1,2,3…12)에서의 PT 표면전위 Vi는 갭 간의 정전용량 Cg와 유전체의 정전용량 Cd, 전류 적분용 콘덴서 Ci로 분압된다. 따라서 각 분할전극에서의 표면전위 Vi는 다음 식으로 나타난다.
여기서 CT는 Cg, Cd, Ci의 직렬 합성 용량이며, Vci는 Ci 양단의 전압이다. Ci와 CT는 다른 실험에 의해 구해지므로 Ci 양단의 전압 Vci를 오실로스코프로 측정하고, (1)식을 이용하여 비(非) 방전 시의 PT 표면전위를 결정할 수 있다.
[그림 4](a)는 PT의 2차측 전압을 500~1500V로 하여 얻어진 비방전 시의 2차측 표면전위 분포이다. 그림에서 플롯이 측정값이며, 실선은 PT의 기계진동이 이상적인 정재파 분포라 가정하고 실험결과에 맞춘 이론곡선이다. 어느 경우도 PT 선단(χ=0mm) 부근에서 표면전위가 높게 나타났고, 1차측으로 갈수록 낮아졌다. 1차측 전압이 낮은 경우 실험결과가 이론곡선과 잘 일치한다는 점에서 PT가 정재파 진동을 일으켜 진동변위의 크기에 비례한 표면전위가 2차측에 발생한다고 생각할 수 있다. 그러나 1차측 전압이 높아지면 PT 선단 부분의 표면전위가 저하한다.
1차측 전압을 보다 높게 하면 전극 간에 DBD가 발생한다. 이 경우라도 각 배후전극에서 리사주 도형을 측정함으로써 DBD 발생 시의 표면전위와 방전전력의 공간분포를 결정할 수 있다. 그 결과를 [그림 4](b)에 나타냈다. 방전 발생 시의 표면전위(● 표시)는 비방전 시보다 선단부분에서의 저하가 현저하게 나타나는데, 이것은 PT의 출력 임피던스가 높기 때문에 방전 시 특히 부하가 큰 PT 선단 부분에서 표면전위가 저하된 것으로 생각된다. 방전전력의 공간분포(○ 표시)는 PT 선단에서 0.38W로 가장 높게 나타나고, 1차측으로 갈수록 감소하여 PT 선단에서 19mm 이상 떨어지게 되면 방전전력은 0이 된다. 방전발광 사진으로 판단하면, 방전전력이 검출된 범위와 방전발생영역이 잘 대응하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 그림 (b)의 방전전력 공간분포를 길이방향에 대해 적분하여 전체 방전전력을 구했더니 약 2.6W가 나왔다.
이와 같이 PT의 길이방향으로 배후전극을 분할한 구조를 통해 PT 2차측의 표면전위와 방전전력의 공간분포를 알 수 있다.
PT형 플라즈마 리액터의 응용
오존 발생기
PT를 이용한 오존 발생기에는 PT 1개를 이용한 단독 운전형과 PT 2개를 이용한 병렬 구동형이 있다. 본고에서는 후자인 병렬 구동형 오존 발생기에 대해 소개한다. PT의 병렬구동이란 같은 형태를 한 PT 2개의 1차측 전극을 병렬로 접속하여 하나의 전원으로 구동하는 방법이다. 여기에서는 2차측 전극을 마주 보게 하여 배치한 PT 2개의 양면에 유전체 전극을 대향시켜 배치함으로써 방전공간을 형성했다. 갭 길이는 0.3mm이다. 이 상태에서 PT를 구동하면 [그림 5]와 같이 좌우의 PT 양면(상하)에서 DBD가 발생하므로 여기에 산소를 공급하면 오존이 생성된다.
[그림 6](a)는 에너지 밀도와 오존 농도의 관계를 나타내고 있다. 이 그림에서 에너지 밀도가 낮은 경우는 오존 농도가 가스 유량에 거의 의존하지 않고 직선적으로 증가한다. 그러나 에너지 밀도가 높아지면 오존 농도는 가스 유량에 의존하며 포화 경향을 보인다. 높은 에너지 밀도 영역에서 생기는 오존 농도의 포화는 주로 리액터 내부의 온도상승에 따른 오존의 열분해에 의한 것으로 보이며, 이것은 방전전류 밀도의 증가 및 PT의 기계진동에 따른 발열이 원인인 것으로 추정된다. 최대 오존 농도는 에너지 밀도 28.6W·min/L에서 74.8g/m3(N)이다. [그림 6](b)에 오존 생성 효율을 나타냈다. 오존 생성 효율은 에너지 밀도가 증가함에 따라 낮아지는 경향이 있으며, 에너지 밀도 2.2W·min/L에서 최대 296g/kWh가 얻어지고 있다. 이것은 수처리 및 반도체 프로세스에 이용되는 경우를 포함하여 실온에서 동작하는 DBD형 오존 발생기 중 가장 높은 생성 효율이다. 따라서 PT형 오존 발생기는 특히 저농도의 오존을 고효율로 생성할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
[그림 7]에 손바닥 사이즈의 오존 리액터와 구동용 전원을 일체화시킨 소형 오존발생시스템을 나타냈다. 장치의 전체 치수는 150×280×180mm, 총 중량은 5.4kg이다. 산소원료로 했을 경우에 얻어지는 최대 오존 발생량은 약 1.57g/h이고, PT로의 투입전력으로 평가한 최대 오존 생성효율은 152g/kWh이다. 연속운동 시 변화하는 PT의 공진주파수를 자동추종하는 기능 및 인가전압을 주기적으로 ON/OFF함으로써 PT로의 투입전력을 제어하는 PWM제어기능 등을 탑재해 시스템의 고효율화 및 오존 생성의 안정 실현을 지향하고 있다.
엑시머 램프
PT를 이용한 엑시머 램프의 전극 구성은 [그림 2](c)와 거의 동일하다. 유전체 전극을 두께 1mm의 소다 유리로 하여 그 한쪽에는 배후전극이 증착되어 있다. 갭 길이는 2mm이다. 이를 He/Xe(10.8%) 혼합가스로 채운 방전용기 중에서 구동하면 전극 간에 발생한 DBD로부터 Xe2 엑시머에 의한 172nm의 진공 자외선이 방사된다. 이 방사광의 발광 스펙트럼을 방전용기 측면에 설치한 진공자외분광장치(眞空紫外分光裝置)에 의해 측정했다. 방전발광의 관측은 [그림 2](c)의 전극 면에 대해 수평방향으로 실시하고 있다.
[그림 8](a)는 1차측 전압 40V, 가스압력 50Torr와 1000Torr에서 측정한 엑시머 램프의 발광 스펙트럼이다. 가스압력 1000Torr에서 Xe2 엑시머에서 방사되는 172nm에 피크를 갖는 발광 스펙트럼이 관측되어 PT가 Xe2 엑시머 광원으로서 동작하고 있음을 알 수 있다.
한편, 가스압력 50Torr에서는 172nm의 발광은 보이지 않고, Xe공명선에 의한 147nm의 발광이 지배적이다. [그림 8](b)는 172nm과 147nm의 발광강도의 가스압력 의존성을 나타낸 것이다. 가스압력의 증가에 따라 172nm의 발광강도가 높아지는데 이것은 엑시머 생성의 3체 충돌〔Xe* + Xe + M → Xe2* + M(M은 He 또는 Xe)〕이 증가했기 때문으로 판단된다.
[그림 9]에 휴대·가반성(可搬性, portability)을 중시한 소형 엑시머 램프를 소개한다. 치수는 120×64×50mm(돌기부분 제외)이다. PT 1차측 전압 5~40V, 가스압력 400~1000Torr에서 작동하며, 방전전력은 최대 0.6W이다. 광전관에 의해 램프에서의 진공 자외선 방사를 확인하고 있다.
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