1. 서론

전자기술의 발달에 따라 전자기기들의 무게 및 크기가 줄어들고 있지만 이에 반해 성능은 고성능화가 되고 있다. 이에 따라 단위 면적당 발생되는 발열량의 증가로 인해 기능저하 및 수명감소가 되고 있어 전자장비의 냉각 시스템에 대한 관심이 대두되고 있다⁽¹⁾. 이에 대한 냉각 방법으로 냉각팬 또는 이온풍을 이용하는 방법이 있다. 냉각팬은 주로 모터를 사용하고 있어 소음이 발생하고, 구조적으로 소형화가 힘들기 때문에 초소형전자제품에 적용하기 어렵다. 그러나 이온풍을 이용한 냉각방식은 소음 문제가 없으며, 풍속 제어 및 구조적 유연성이 좋아 소형화가 가능하다는 이점이 있다⁽²⁾.

이온풍은 현재 다양한 분야에서 연구가 수행되고 있으며, 1791년에 최초로 Haukesbee에 의해 이온풍을 발견한 이후, Owsenek는 이온풍의 열전달 효율에 관한 연구결과를 발표하였다⁽³⁾. 그리고 최근 도시바(Toshiba Corporation)에서는 노트북의 냉각팬과 자체 제작한 이온풍 발생장치의 냉각효율을 비교하여 이온풍의 냉각성능이 우수하다는 연구결과를 발표하였다⁽⁴⁾. 또 다른 연구 분야로는 이온풍을 이용한 추진 분야가 있으며, 1967년대 Christenson과 Moller가 최초로 추진 분야에 이온풍을 적용한 연구를 시작하였다. 최근에는 태양광 발전을 이용하여 이온풍을 발생시키고 이를 소형 항공기에 적용하여 추진 장치로 사용이 가능여부에 대한 검토가 이루어지고 있다⁽⁵⁾.

현재 이온풍속의 발생 효율을 증가시키기 위해 전극의 구조 및 형태, 전극간 거리, 전극의 재질 등에 관한 연구가 활발하게 이루어지고 있지만, 이온풍속을 증가시키는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 이온풍속을 증가시키기 위하여 기존의 전극 구조에서 가속 전극을 추가 적용하고 유도 전극과 가속 전극의 형태 및 조합에 따른 EHD 특성을 실험적 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1의 (a)는 실험장치의 개략도로, 실험장치는 이온풍 챔버, 직류 고전압 전원장치, 측정장치로 구성되었다. 이온풍 챔버의 구성요소인 코로나 전극은 스테인리스스틸 재질의 침 전극(길이 50.0mm, 곡률반경 0.5mm)을 사용하였으며, 유도 전극과 가속 전극은 링 또는 메쉬 전극으로 링 전극(외경 29.0mm, 내경 25.0mm, 두께 2.0mm)은 구리 재질이고 메쉬 전극(그물코의 크기는 가로×세로 2.0×2.0mm, 두께 0.3mm)은 스테인리스스틸 재질을 사용하였다. 가속 전극은 코로나 전극에서 발생된 전자를 가속시키기 위해 사용하였다. Fig. 1의 (b)는 실험에서 사용된 이온풍 챔버로 3D 프린터를 이용하여 플라스틱 재질의 정사각형(35.0×35.0×124.0mm³)형태로 제작하였다. 실험에 사용된 전원장치로는 고전압 전원장치(25A24-P30, 25A24-N30)를 사용하였으며, 이온풍 발생을 위한 전원은 코로나 전극과 접지 전극 사이에는 부극성을 사용하였으며, 전자의 가속을 위해 가속 전극과 접지 전극 사이에는 정극성을 사용하였다. 측정 장치로는 고전압 프로브(80k-40, Fluke)와 디지털 멀티미터(73401, Yokogawa)를 통해 전압을 측정하고, 측정 저항(1kΩ)을 통해 코로나 방전 전류를 측정하였다. 그리고 서지로부터 측정기기를 보호하기 위해 서지어레스터를 연결하여 사용하였다. 실험 장치에서 발생되는 이온풍속은 디지털 풍속계(425, Testo)를 이용해 가속 전극으로부터 50.0mm 떨어진 곳에 풍속을 3번 측정하여 평균값을 나타내었다. 이 실험에서 사용된 변수로는 유도 전극과 가속 전극의 구조로서 링대 링, 링대 메쉬, 메쉬대 링, 메쉬대 메쉬 4가지를 사용하였다. 인가전압은 절연파괴전압에 도달할 때까지 1.0kV씩 (0.1 kV/sec) 증가시켜 실험을 수행하였으며, 모든 실험은 온도와 습도가 제어 가능한 실험장치내의 공기(29±1℃, 40±2% RH)중에서 실험을 실시하였다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 코로나 전극과 유도 전극사이에 인가된 전압에 따른 $I_{c}-V_{a}$ ($I_{c}$ : 코로나 방전전류, $V_{a}$ : 인가전압) 특성을 나타낸 것이다. Fig. 2의 (a), (b), (c), (d)는 유도 전극과 가속 전극에 사용된 전극의 조합에 따른 특성을 나타낸 것으로 (a)는 링대 링, (b)는 링대 메쉬, (c)는 메쉬대 링 그리고 (d)는 메쉬대 메쉬 구조에서 수행된 결과이다. Fig. 2의 (a), (b), (c), (d)모두 코로나 개시전압에서 코로나 방전 전류가 흐르기 시작하고 인가전압이 증가할수록 코로나 방전 전류도 증가하다가 절연파괴전압에 이르는 전형적인 코로나 방전 특성을 보여주고 있다⁽⁶⁾. 코로나 개시전압은 (a), (b), (c), (d)의 4가지 유형 모두 3회 측정 시 평균적으로 5.0∼6.0kV 사이에서 발생되며, 절연파괴전압은 가속 전극에 인가된 전압이 0, 5.0, 10.0kV로 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 또한 가속 전극에 인가된 전압이 증가될수록 최대 방전 전류가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 코로나 전극 부근에서 발생된 동하여 트랩 되지만, 가속 전극에 전압을 인가하면 전전자 및 음이온이 전기력선을 따라 유도 전극으로 이자가 유도 전극을 통과하여 가속 전극으로 이동하게 되며 이로 인해 유도 전극에 트랩되는 전자가 줄어들어 절연파괴전압이 높게 나타났다⁽⁷⁾.

Fig. 2의 (a), (b)는 유도 전극이 링 구조로서 유도 전극이 메쉬 구조인 (c), (d)에 비해 가속 전극에 인가된 전압이 0, 5.0, 10.0kV로 증가함에 따라 방전 전류의 감소가 높은 것으로 나타났다. 이는 유도 전극이 메쉬 구조의 형태일 경우 코로나 전극과 직각방향으로 놓여있어 전자가 유도 전극에 트랩되는 비율이 높지만, 링 구조의 형태일 경우 코로나 전극과 수평방향으로 전자가 비교적 유도 전극을 쉽게 통과할 수 있어 유도 전극이 메쉬 구조의 형태 보다 링 구조의 형태를 적용했을 때 전류 감소량이 높은 것으로 나타났다.

Fig. 3은 코로나 전극과 유도 전극사이에 인가된 전압에 따른 $W_{s}-V_{a}$ ($W_{s}$ : 이온풍속, $V_{a}$ : 인가전압) 특성을 나타낸 것이다. 이온풍은 5.0∼6.0kV 사이에서 풍속이 발생해 인가전압이 증가할수록 풍속이 증가하며, 이는 방전 공간 내에서 형성된 전계에 의해 가속된 전자가 중성기체분자와 충돌하여 이온풍을 발생시키기 때문에 인가전압이 증가하면 이온풍속도 증가하게 된다. 이는 다음 식(1)에 의해 나타낼 수 있다⁽⁸⁾.

($F$ : 단위 체적 전기력[N/m³], $q_{e}$ : 전하량[C/m³], $E$ : 전계의 세기[V/m])

가속 전극에 0, 5.0, 10.0kV의 전압을 인가 시 이온풍속도 인가전압에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 이는 유도 전극과 가속 전극사이에 전압이 인가되면 Fig. 2에서 나타난 것과 같이 코로나 방전에 의해 생성된 전자가 유도 전극으로 트랩 되지 못하고 가속 전극 쪽으로 이동하는 비율이 증가하게 되고, 통과된 전자가 유도 전극과 가속 전극 사이에 생성된 전계에 의해 식(1)과 같은 쿨롱의 힘을 받게 되어 풍속이 더욱 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 3의 (a), (b)는 (c), (d)에 비해 가속 전극의 전압증가에 따라 이온풍속의 증가가 높아지는 것을 알 수 있다. 이는 유도 전극의 구조가 링 형태일 때 유도 전극을 통과하는 전자의 양이 많아져서 이온풍속의 증가가 높아지는 것으로 나타났다.

Fig. 4는 유도 전극과 가속 전극 4가지 조합에서 인가전압이 8.0∼16.0kV 사이의 이온풍속 증가율을 나타낸 그래프로, 풍속 증가율은 다음 식(2)를 이용하여 구한 것이다.

($W_{a}$ : 가속 전극에 전압이 5.0, 10.0kV에서의 풍속[m/s], $W_{0}$ : 가속 전극에 전압 미인가시의 풍속[m/s])

Fig. 4에서 나타난 것 같이 인가전압을 증가시킬수록 풍속증가율은 감소하는 것으로 나타났다. 이는 Fig. 3에서 나타난 것 같이 가속 전극에 0, 5.0, 10.0kV를 인가했을 때 각각의 풍속은 증가하지만, 기울기의 크기는 비슷하게 나타나기 때문에 초기 풍속과 가속된 풍속의 차는 인가전압과 무관하게 일정한 것을 알 수 있다. 그러므로 식(2)에서 분자($W_{a}-W_{0}$)는 일정하지만, 분모($W_{0}$)는 증가하기 때문에 낮은 전압에서의 이온풍속 증가율은 높게 나타나고, 높은 전압에서의 이온풍속 증가율은 낮게 나타난다.

Fig. 4의 (a), (b)는 가속 전극에 5.0, 10.0kV를 인가하였을 때 이온풍속의 증가율로 각각의 조합에서 최대 이온풍속 증가율은 링대 메쉬일 때 약 43%와 77%, 링대 링일 때 약 40%와 71%, 메쉬대 메쉬일 때 약 31%와 50% 그리고 메쉬대 링일 때 약 13%와 36%로 나타났다. 가속 전극에 인가된 전압이 5.0 kV보다 10.0 kV일 때의 이온풍속 증가율이 높게 나타나며 전극의 형태 및 조합이 유도 전극이 링이고, 가속 전극이 메쉬일 때 이온풍속 증가율이 높게 나타났다.

Fig. 5는 가속 전극에 10.0kV를 인가하였을 때 유도 전극과 가속 전극사이의 전계 분포 시뮬레이션을 나타낸 것이다. Fig. 5의 (a)는 링대 링 구조에서 전계 분포가 챔버 표면을 따라 발생되는 것으로 나타나며, 링대 메쉬 구조에서의 전계 분포는 링 전극에서 메쉬 전극의 중심으로 발생한다. Fig. 5의 (b)는 메쉬대 링 구조의 전계 분포로서 메쉬 전극의 중심에서 챔버 표면 쪽으로 발생되고, 메쉬대 메쉬 구조의 전계 분포는 평등전계와 동일하게 나타났다. 이와 같이 유도 전극 및 가속 전극의 형태 및 조합에 따른 각기 다른 전계가 형성되며 이에 따른 풍속의 증가율도 다르게 나타났다⁽⁹⁾.

4. 결 론

본 연구는 이온풍속을 증가시키기 위하여 기존의 전극 구조(침대 링, 침대 메쉬)에서 가속 전극을 추가 적용하고 유도 전극과 가속 전극의 형태 및 조합에 따른 이온풍속을 변화를 실험적 연구하였으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 실험에서 사용된 유도 전극과 가속 전극의 4가지 조합인 링대 링, 링대 메쉬, 메쉬대 링, 메쉬대 메쉬 전극 구조 모두 이온의 풍속을 효과적으로 가속하였다.

2) 유도 전극은 링일 때 가속 전극은 메쉬일 때 이온풍속 증가율이 큰 것으로 나타났다.

3) 이온풍속 증가율은 인가전압이 증가할수록 줄어들며, 전극 조합에 따라 풍속 증가율은 다르게 나타났다.

향후 연구에서는 이온풍속을 효과적으로 향상시킬 수 있는 방법에 대한 폭 넓은 연구를 수행할 예정이다.