마이크로웨이브 토치를 이용한 스팀 플라즈마 발생 및 특성 연구

Abstract

현재 플라즈마는 다양한 산업 분야에서 널리 이용 되고 있다. 그러나 대부분의 플라즈마는 고가의 진공장비의 도움을 받아 낮은 기압에서 발생되어진다. 플라즈마를 좀더 실용적인 측면에서 산업분야에 적용하기 위해서는 고가의 진공 장비가 필요없는 대기압에서의 발생이 필요하다. 이러한 맥락에서 본 연구실에서는 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 토치를 개발하여 응용하여 왔다. 기존의 마이크로웨이브 플라즈마 토치는 산소, 질소, 아르곤 등의 가스를 이용하였다. 그러나 스팀 플라즈마는 기존의 사용 되어진 가스들이 아닌 물을 이용해 플라즈마를 발생 시킨다. 발생되어진 플라즈마는 고온의 열원을 제공하며, 스팀을 이용하여 플라즈마를 발생시켜, 화학적인 반응식에 의해 물 분자는 이온화 되며 H, OH, O 등의 여러 가지 활성종들을 제공한다. 본 논문에서 제시된 마이크로웨이브 스팀 플라즈마는, 스팀 플라즈마를 이용한 물 분석, 원자로 폐열 및 스팀을 이용한 수소제조, 합성 시 고온을 필요로 하는 나노 파티클 합성, 반도체 라인에서 발생되어지는 폐가스 분해에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 기타 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 본 논문에서는 2.45 GHz의 마이크로웨이브를 이용한 스팀 플라즈마의 개발 및 진단에 관한 연구가 실행되었다. 발생되어진 스팀 플라즈마의 부피는 마이크로웨이브 파워가 증가하는 것에 비례하여 플라즈마 부피가 증가하였다. 또한 플라즈마의 길이도 파워가 증가하는 것에 비례하여 증가하였다. 발생되어진 스팀 플라즈마는 두가지 영역의 색깔을 보이고 있다. 실험자의 눈으로 관찰하기 어려울 정도의 밝은 백색영역과 붉은색의 영역이 존재한다. 밝은 백색의 영역은 온도가 높은 부분이며, 붉은색의 영역은 온도가 낮은 영역이다. 밝은 백색영역의 고온 영역은 분자분광 스펙트럼을 이용하여 가스온도를 측정하였으며, 붉은색의 저온 영역은 Thermocouple을 이용하여 가스 온도를 측정하였다. 분자분광 스펙트럼은 화염 온도와 플라즈마와 같은 뜨거운 가스들을 관찰할 수 있는 효과적인 방법이다. 그 중에서 OH 스펙트럼은 산소와 수소를 포함하는 화염과 뜨거운 가스에서 종종 관찰된다. 특히, 대기 중에서 발생된 플라즈마의 경우, 대기 중에 존재하는 수분(H2O)에 의하여 OH분자 스펙트럼을 관찰 할 수 있다. 또한 물을 플라즈마 가스로 사용하는 스팀 플라즈마의 경우 쉽게 OH분자 스펙트럼을 관찰 할 수 있다. 이런 OH 분자의 회전운동에 관계되는 온도를 회전 온도라고 하며 대기압 플라즈마의 경우 높은 압력으로 인해 중성종과 이원자 분자간의 잦은 충돌이 발생하게 된다. 이때 회전온도와 엔탈피 밸런스로 결정되는 가스 온도에 근접하게 된다. 따라서 OH 분자 스펙트럼을 분석하여 대기압 플라즈마의 가스 온도를 얻을 수 있다. 스팀 플라즈마의 가스 온도는 중심부에서부터 6500 - 1000 K의 온도 영역을 보였다. 또한 넓은 영역을 관찰 할 수 있는 분자분광을 이용하여 OH 라디칼과 산소, 수소 원자를 확인 하였다. 또한 발생되어진 스팀 플라즈마의 안정성 시험에서 2시간 이상의 안정성을 확인하였다.