플라즈마 과학 기술 - 대기압 플라즈마

아래의 글은 대전대학교 반도체 공학과 2학년 학생들의 여름 플라즈마 심화 교실의 첫 주 리포트의 내용이다.

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대기압 플라즈마

플라즈마는 물질의 네 번째 상태인 이온화된 기체를 의미한다. 플라즈마의 주요 특징으로는 높은 전기 전도성, 높은 반응도, 전자기장에 대한 큰 반응성, 발광 등이 있다. 또한, 화학 반응을 촉진하는 촉매로써 활용될 수 있다.

플라즈마는 진공부터 1기압 이상의 압력에서 발생할 수 있다. 특히, 우리가 사는 1기압 전후에서 발생하는 플라즈마를 대기압 플라즈마라고 한다. 대기압 플라즈마는 진공 플라즈마에 비해 플라즈마 발생에 필요한 장비의 가격이 저렴하고, 공기 환경에서도 발생할 수 있어, 피부재생, 미용, 살균, 재료의 표면 개질, 수처리, 악취 제거 등의 다양한 분야에 이용되고 있다.

대기압 플라즈마는 전자와 분자의 온도 비율에 따라 열 플라즈마와 저온 플라즈마로 나뉜다. 열 플라즈마의 분자 온도는 수천도 수준으로 주로 용접과 절단, 그리고 폐기물 처리 등에 이용되고 있다.

저온 플라즈마는 기체 온도가 상온 수준인 플라즈마로, 피부 재생, 살균, 재료의 표면처리 등에 활용된다.

방전 구조나 방전 모드에 따라 유전체 장벽 방전, 코로나 방전, 미세공동 음극 방전, 대기압 자기유도 플라즈마 방전 등이 대표적인 대기압 플라즈마원이다. 그리고 주파수에 따라 직류, 저주파, 라디오파, 마이크로파 플라즈마로 분류할 수 있다.

 

유전체 장벽 방전, DBD

유전체 장벽 방전은 고압 교류 전원을 이용한 대기압에서 발생이 가능한 플라즈마이다. 마주보는 두 개의 금속 전극에서 적어도 한 개는 유전체가 전극에 존재하는 덮여져 있는 구조에서 플라즈마는 유전체와 다른 한 개의 금속 전극 사이의 공간에서 발생한다.

DBD는 다양한 산업 및 과학 분야에서 널리 사용되며, 그 특성에 따라 다양한 응용이 가능하다.

 

주요 특징과 응용

1. 유전체 장벽: DBD는 일반적으로 두 전극 사이에 유전체(유리, 세라믹 등)를 두어 방전이 발생한다. 이는 전극 간 직접적인 접촉을 피하고, 전기적으로 격리된 상태에서 플라즈마를 생성할 수 있게 한다. 이 방전은 대기압에서 플라즈마를 생성하는 데 사용된다.

2. 저온 플라즈마: DBD의 기체온도는 일반적으로 상온에서 수십도이다 . 이는 많은 공정 및 응용에서 중요한 장점으로 작용한다. 예를 들어, 생물학적 시료나 열에 민감한 재료의 처리에서 유리할 수 있다.

3. 응용 분야: DBD는 표면 처리, 공해 저감, 광원, 화학 반응 촉진, 의료 기기 소독, 오존 생성 등 다양한 분야에서 사용된다. 예를 들어, 공장 배기 가스에서 오존을 생성하여 환경 오염을 줄이거나, 의료 장비 소독에 사용될 수 있다.

4. 전기적 제어: DBD는 전압 및 주파수를 조절하여 플라즈마의 특성을 제어할 수 있다. 이는 특정 응용에 맞춰 플라즈마의 에너지, 화학 반응을 최적화하는 데 유리하다. 전원의 주파수는 수백Hz에서 수MHz에 이르기까지 사용이 가능하다.

DBD는 그 유연성과 다양성으로 인해 연구 및 산업에서 널리 사용되며, 특히 환경 보호, 재료 처리, 의료, 식품 및 에너지 분야에서 중요한 기술로 자리 잡고 있다.

 

DBD는 크게 VDBD와 SDBD로 나뉜다.

1. 플라즈마 발생 위치:

- VDBD: 일반적으로 두 전극 사이에 유전체가 있는 공간에서 발생한다. 이러한 플라즈마는 체적 공간을차 지하며, 전극 사이의 전체 부피에서 방전이 일어난다.

- SDBD: 일반적으로 유전체 표면에 존재하는 금속전극과 유전체 사이의 공간에서 발생한다. 이때 유전체의 반대부는 전극이 존재한다.

2. 플라즈마 회로 모델링:

- VDBD. 저항과 커패시터 등을 이용한 회로 모델링이 가능하다.

- SDBD: 플라즈마 발생은 단순하지만, 해석의 복잡성으로 명확한 회로 모델링이 없다.

3. 응용 분야:

- 공통 : 살균, 미용, 수처리 및 유해 물질 제거에 활용된다.

- VDBD: 필름등의 표면 개질에 사용한다.

- SDBD: SDBD 전후의 기체의 유동이 난류에서 층류로 변환되는 것이 보고된 이후, 군사/항공 분야에 사용된다.

 

SDBD의 주요 특성과 응용

1. 표면 플라즈마: SDBD는 유전체와 전극 사이에서 공기중 수KV의 전압 환경하에 수십mm 길이의 플라즈마 발생이 가능하다.

2. 저온 플라즈마: SDBD는 공기중 상온에서 수십도에서 발생하므로 민감한 재료나 생물학적 시료의 처리에 적합하다.

3. 응용 분야: SDBD는 표면 소독, 접착 강화, 코팅 개선, 재료 표면 기능화 등 다양한 분야에서 사용된다. 예를 들어, 의료 기기 표면 소독, 항균코팅 적용, 산업 부품의 표면 개질 등에 활용될 수 있다.

4. 전기적 제어: SDBD에서는 전압 및 주파수를 조절하여 플라즈마의 길이 및 밀도등을 조절할 수 있다. 이는 특정 응용에 맞춰 표면 처리의 효율성을 최적화하는 데 도움을 준다.

플라즈마 발생 메커니즘

플라즈마는 전기장을 통해 기체를 이온화하여 발생한다. 전자는 강한 전기장하에 가속되고 기체 분자들과 충돌하여 기체를 여기나 이온화시킨다. 이 과정에서 전자가 기체 분자를 이온화시키고, 더 많은 전자와 이온을 생성하게 된다. 이 과정을 통해 플라즈마가 형성된다.

Surface DBD에서는 이 과정이 유전체와 전극사이의 공간에서 발생된다. 고전압이 인가되면 유전체와 전극 사이의 전자들이 플라즈마 발생을 유발한다.

- 유전체 위의 전극에 음전위가 인가되면, 전극에서 전자가 방출되고 가속하여 플라즈마가 발생한다. 전자들의 일부는 유전체 표면위에 존재하게 된다. 유전체 위의 전자들에 의하여, 플라즈마 발생에 필요한 전압이 낮아지는데 이를 메모리 효과라고 한다.

- 유전체 위의 전극에 양전위가 인가되면, 유전체 표면위에 존재하는 전자들이 전극 방향으로 가속하여 플라즈마를 발생시킨다. 전극에 플라즈마가 충돌 시, 전극으로부터 전자들이 튀어나오는 현상이 발생되고, 이는 전위가 음전위로 바뀔 때의 플라즈마 발생에 필요한 전자들이 된다.

대기압 플라즈마의 한계

대기압 플라즈마는 진공 플라즈마보다 제작에 상대적으로 적은 비용으로 생성이 가능하지만, 헬륨이나 아르곤, 질소를 사용시 진공 대비 가스 사용량이 많다.

또한 대기에 노출된 상태에서 플라즈마 발생에 NF3등의 유해 가스를 사용할 수 없다.

공기중에 플라즈마를 발생할 때, 오존이 발생한다. 법적 허용치 이상의 오존 발생으로 인하여, 의료기기로 활용이 제한적이다. 왜냐하면 오존을 장시간 호흡하면 호흡기에 염증을 일으킬 수 있어 주의가 필요하다.

대기압 플라즈마 활용

대기압 플라즈마는 여러 산업 분야에서 다양한 활용이 이루어지고 있다. 주요 활용 사례는 다음과 같다.

1. 공해 저감: 대기압 플라즈마는 소각장에서 발생하는 유해 물질, 특히 질소산화물의 저감에 사용된다. 예를 들어, 일산화질소와 오존이 반응하여 이산화질소로 산화되고, 이를 다시 플라즈마에서 발생한 OH 라디칼과 반응시켜 질소와 산소로 분리할 수 있다. 이를통해 공장 배기 가스의 유해 물질을 효과적으로 제거할 수 있다.

2. 농업 및 식품 산업: 플라즈마로 처리한 방전수를 농업용수 및 살균수로 사용할 수 있다. 수산기는 대표적인 활성 산소종으로, 물과 플라즈마 반응에서중요한 역할을 하며, 산화력이 커 수질 정화, 폐수 처리, 세척, 멸균, 소독, 암세포 제거 등에 활용될 수 있다. 그러나 수산기를 대량으로 생성하기 어렵고 생존이 짧아 플라즈마 기술을 적극적으로 활용하는 데 한계가 있다.

3. 오존 생성: 대기압 플라즈마에 공기를 주입하여 오존을 생성할 수 있다. 생성된 오존은 찬장, 진공 청소기, 환기 시스템, 쓰레기통 등 일상 용품의 소독및 살균에 사용될 수 있다.

 

대기압 플라즈마의 미래 전망

대기압 플라즈마는 다양한 분야에서의 응용 가능성과 효율성으로 인해 주목받고 있다. 특히 환경 보호, 재료 처리, 의료, 식품 산업 등 여러 분야에서 그 잠재력을 발휘할 것으로 기대된다. 지속적인 연구와 발전을 통해 대기압 플라즈마 기술은 더욱 넓은 범위에서 활용될 것이다. 새로운 응용 가능성을 탐구하고, 플라즈마 기술을 발전시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이를 통해 대기압 플라즈마의 특성을 이해하고 최적화함으로써, 미래의 다양한 산업 및 과학 기술발전에 기여할 수 있을 것이다.

결론

대기압 플라즈마는 물질의 네 번째 상태로서, 다양한 산업 분야에서 그 잠재력을 발휘하고 있다. 사용이 편리하고 응용 분야가 넓은 반면, 많은 가스를 소모하고 공정 가스의 선택이 제한적이라는 단점도 있다.

 

유전체 장벽 방전은 대기압 플라즈마의 한 종류로, 다양한 산업 및 과학 분야에서 널리 사용된다. 특히 공해 저감, 농업 및 식품 산업, 오존 생성 등 여러 분야에서 유용하게 활용될 수 있다. 지속적인 연구와 기술 발전을 통해 대기압 플라즈마는 미래 산업의 중요한 기술로 자리 잡을 것으로 예상된다.