A STUDY ON A PORTABLE MICROWAVE PLASMA TORCH AND ITS APPLICATIONS

Abstract

이 논문에서 제시된 마이크로웨이브 플라즈마 토치는 환경, 화생 독가스 제독 및 나노 기술 분야에 중요한 역할을 할 것으로 기대되며 기타 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 따라서 기존 플라즈마 토치와 관련된 문제점을 극복 할 수 있는 새로운 플라즈마 토치의 개발 및 연구가 이루어 지고 적용 가능한 산업분야에 대해 평가되어야 할 것이다. 이 논문에서는 CF₄, NF₃, SF_(6)의 분해, 화생 독가스의 제독, 탄소나노튜브(CNT)의 합성을 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마 토치 응용연구가 실행되었다. CF₄ 분해 연구에서 FTIR과 QMS 데이터로부터 얻어진 분해효율은 산소의 양에 의존하면서 각각 99.4%와 96%를 얻었다. NF₃와 SF_(6)의 분해연구에서는 1.4 kW의 파워에서 각각 99.9999%와 90.1%의 분해효율을 달성하였다. 유사 작용제와 실제 작용제를 이용한 제독 연구에서, 분당 1000 리터의 공기유량에 희석된 톨루엔 가스는 직렬 연결된 3개의 플라즈마 토치에 의해 65%가 분해되었다. 이 때의 단위 유량(liter) 당 소비된 에너지(joul)는 173이였다. 이 값은 Penetrante 등에 의해 연구된 펄스 코로나 방전의 393 (j/l) 보다 훨씬 적은 것이다. 실제 작용제로서 포스겐의 제독 연구에서는 800 와트의 파워에서 100%에 가까운 효율을 달성하였다. 이 때의 플라즈마 부산물들은 염소가스, 이산화탄소, 일산화탄소 등 이였다. 고온에서의 탄소나노튜브 합성에 관한 많은 연구 결과는 원자화된 카본과 나노 크기의 금속 촉매의 형성이 필수 조건이라는 것이다. 이런 맥락에서 마이크로웨이브 플라즈마 토치로 C₂H₂와 Fe(CO)_(5)를 주입하여 탄소나노튜브가 합성되었다. 이 연구에서 플라즈마 토치와 함께 적용된 고온 노의 온도를 700 ℃부터 1000 ℃까지 증가시킴에 따라 합성된 탄소나노튜브의 밀도가 증가한다는 것이 전자주사현미경(SEM)의 관찰로부터 확인되었다. 각각의 온도에 따른 탄소나노튜브의 평균 직경은 700 ℃에서 47.78 nm, 800 ℃에서 70.95 nm, 900 ℃에서 81.55 nm, 그리고 1000 ℃에서는 111.9 nm 였다. 그 결과 탄소나노튜브의 직경뿐만 아니라, 성장률 또한 온도의 함수라는 것이 확인되었다. 투과전자현미경(TEM)의 분석으로부터 탄소나노튜브는 대나무 모양과 같은 구조를 가지고 있는 것으로 확인되었다. 대나무 모양의 탄소나노튜브 형성은 활성화된 질소에 의해 형성된 것으로 확인되었다. 더욱이, 라만(Raman) 스펙트럼 분석은 온도가 증가함에 따라 결정성과 수율 또한 증가한다는 것을 보여 주고있다.