1. 서 론

곡률 반경이 다른 두 개 이상의 전극 사이에 높은 전위차가 형성되면 코로나 방전이 발생한다. 코로나 방전 시 생성된 이온으로부터 공기 중에 표류하는 주변 공기 분자로 운동량이 전달되면 유체의 흐름이 생성되는데 이 현상을 이온풍(Ionic wind) 혹은 전기유체역학(Electrohydrodynamic)이라 한다⁽¹⁾. 이온풍 발생장치는 구동 시 전력 효율이 높으며, 소음이 거의 발생하지 않는다. 또한, 시스템 구조를 유연하게 설계하기 용이하고 풍속 제어 및 소형화에 유리하기 때문에 다양한 연구 분야에 적용되고 있으며, 특히 냉각 분야와 추진 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 이온풍을 이용한 냉각장치는 열 제거가 필히 수행되어야 하는 마이크로 전자기기의 열 제거를 위해 소형화가 어렵고 자체적으로 발열이 일어나는 냉각팬을 대체하여 우수한 냉각 기능을 제공할 수 있다⁽²⁾. 그리고 추진 분야에서는 대기권 내의 추진체와 우주선의 보조 추진 장치로의 활용뿐만 아니라 2018년 MIT Johnson Indoor Track에서 수행한 이온풍 단일 추진 비행체의 55m 자유비행 연구 결과를 통해 화석연료의 연소 없이 무공해 추진이 가능함을 시사하였다⁽³⁾.

최대 이온풍속을 향상시키기 위해 코로나 전극과 유도 전극의 재질, 구조, 형태, 간격, 곡률 반경, 전극의 수 등에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔다. 최근에는 이온의 전계분포영역 자체에 영향을 주기 위해 코로나 전극과 유도 전극의 후단부에 가속전극을 설치하여 이온의 가속영역을 확장시키는 연구가 진행되었으나^(4-5), 기존의 연구 방법으로는 절연파괴전압에 제한되어 충분한 풍속을 얻기 어렵다. 따라서, 본 연구에서는 기존 연구 방법의 문제점을 해결하기 위해서 코로나 전극과 유도 전극을 직렬로 다단 구성하고 각 코로나 전극에 병렬로 전압을 인가하여 이온 생성량을 큰 폭으로 증가시켰다. 그리고 역전리와 이온의 이동거리를 고려하여 각 단 사이 간격을 조정함으로써 다음 단으로 이온풍속이 최대로 중첩될 수 있도록 하여 동 전압 시 단일 구성 대비 높은 이온풍속을 얻을 수 있음을 실험을 통해 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1의 (a)는 실험장치의 개략도이다. 실험장치는 이온풍 발생장치, 직류 고전압 전원장치, 전류 및 이온풍 측정장치로 구성되었다. 이온풍 발생장치 내의 코로나 전극은 스테인리스 스틸 재질의 침 전극(길이 5.0mm, 곡률반경 0.3mm)이며, 유도 전극은 구리 재질의 링 전극(외경 27.0mm, 내경 25.0mm, 두께 5.0mm)이다. 코로나 전극과 유도 전극 간의 간격(g)은 10.0mm로 고정하였다. 2차측의 코로나 및 유도 전극은 1차측 전극들과 동일한 크기와 재질로 구성하였으며 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극의 간격(d)을 20.0∼60.0mm로 가변시켰을 때 발생하는 이온풍속과 코로나 전류를 관찰했다. 2차측 코로나 전극 후단부에서 1차측 유도 전극으로 향하는 전계를 약화시키기 위해 코로나 전극 후단을 실리콘으로 코팅하였다.

Fig. 1의 (b)는 실험에서 사용된 이온풍 발생장치의 실 사진이다. 3D 프린터를 이용하여 PLA(polylatic acid) 재질의 원기둥 형태(외경 27.0mm, 내경 25.0mm, 두께 140.0mm)로 제작되었다. 실험에 사용된 전원의 극성은 정극성이며, 고전압 인가를 위해 고전압 발생장치(Ultravolt, 25A24-P30)를 이용하여 병렬로 1, 2차 코로나 전극에 연결하였고, 유도 전극은 공통접지를 하였다. 이온풍 발생장치에서 발생된 이온풍속은 디지털 풍속계(Testo, 425)를 2차측 전극 35.0mm 후방에 설치하여 측정된 풍속의 평균값을 사용했다. 코로나 전류는 디지털 멀티미터(Fluke, 179)를 사용하여 전압을 측정하고 측정 저항(5W, 1kΩ)을 이용하여 전류로 환산하였다. 또한, 서지로부터 측정기기 보호를 위해 서지어레스터를 설치하였다. 모든 실험은 외부 영향을 최소화하기 위해 아크릴 챔버 내에서 온도와 습도가 제어 가능한 공기 중(24±1℃, 23±1%RH)에서 수행되었다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 코로나 전극과 유도 전극을 2단 직렬 구성하고 코로나 전극에 병렬로 동 전압을 인가하여 코로나 방전 시 나타나는 $I_{C}-V_{A}$ ($I_{C}$ : 코로나 방전전류, $V_{A}$ : 코로나 전극에 인가된 전압) 특성을 나타낸 것이다. 실험은 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극의 간격(20.0, 40.0, 60.0mm)에 따른 결과와 1차측 전극만으로 구성된 단일 구성을 비교하여 수행되었다. 실험이 진행된 모든 조건은 코로나 전극에 인가된 전압이 6.0∼16.0kV인 구간에서 수행된 결과를 보여준다. 코로나 전류가 측정되기 시작하는 코로나 개시전압은 단일 구성 시 5.4kV, 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극의 간격이 20.0mm일 때 5.9kV, 40.0mm일 때 5.3kV, 60.0mm일 때 5.3kV로 1차측 전극과 2차측 전극의 간격이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 이는 2차측 코로나 전극에서 1차측 유도 전극으로 향하는 전계가 양측의 코로나 방전을 억제시켰기 때문이다⁽⁶⁾. 따라서, 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극의 간격이 증가함에 따라 6.0kV 지점에서 측정되는 코로나 전류가 증가했다. 또한, 동일한 원인으로 16.0kV 부근에서 2단 직렬 구성이 1차측 전극 단일구성에 비해 코로나 전류가 1.5∼1.85배 증가하여 6.0∼13.0kV의 전압 구간에서는 2단 구성으로 인해 전류가 2배로 측정되었으나 이후 구간에서는 2배 미만의 값이 측정되었다.

Fig. 3은 코로나 전극과 유도 전극을 2단 직렬 구성하고 코로나 전극에 병렬로 동 전압을 인가하였을 때 코로나 방전 시 $W_{S}-V_{A}$ ($W_{S}$ : 이온풍속, $V_{A}$ : 코로나 전극에 인가된 전압)의 특성을 나타낸 것이다.

1차측 단일 구성 시에는 절연파괴전압과 인접한 전압인 16.0kV를 인가하였을 때 1.32m/s의 이온풍속이 측정되었다. 반면 후단부에 직렬로 코로나 전극과 유도 전극을 추가했을 경우 이온 생성량이 크게 증가하였기 때문에 평균 이온풍속이 1.74m/s로 31∼53% 향상되었다⁽⁷⁾. 각 단의 간격이 가까울수록 이온풍의 중첩이 용이하여 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극 간격이 40.0mm일 때 간격이 60.0mm일 때 보다 더 강한 이온풍속이 측정되었다. 반면 간격이 20.0mm인 경우에는 오히려 현저히 낮아진 이온풍속이 측정되었는데, 이는 2차측 코로나 전극부터 1차측 유도 전극으로 향하는 전계가 강하게 형성되어 1차측에서 2차측으로 향하는 이온의 발산을 방해하였기 때문이다. 이러한 영향으로 인해 각 단 간의 간격이 줄어들었을 때 생기는 이득보다 손실이 강하게 작용함을 알 수 있다.

Fig. 4는 코로나 전극과 유도 전극을 2단 직렬 구성하고 코로나 전극에 병렬로 동 전압을 인가하여 코로나 방전 시 $E_{WG}-V_{A}$ ($E_{WG}$ : 전력대비 이온풍속 효율, $V_{A}$ : 코로나 전극에 인가된 전압) 특성을 나타낸 것이다. 6.0∼9.0kV에서 측정된 데이터는 낮은 전류로 인해 전력대비 효율이 상당히 높게 측정되어 전력대비 효율 분석에서 배제되었다.

1차측 단일 구성 시 다단 구성에 비해 1/2의 전압이 인가됨에도 전력대비 효율은 평균 40∼47%로 높았다. 앞서 도출된 코로나 전류, 이온풍속 분석 결과를 통해 분석했을 때 동 전압이 인가된 전극들이 증가하여 결과적으로 전류가 급증했지만 2차측 코로나 전극에서 1차측 유도 전극으로 향하는 전계가 양측의 전류를 감소시켜 증가한 전극 수에 비례하여 전류가 증가하지 않았고, 이온풍의 중첩으로 인해 이온풍속이 크게 향상되었기 때문이다. 다단 전극 구성 시 평균적으로 전극 간의 간격이 40.0, 20.0, 60.0mm 순으로 전력대비효율이 높은 결과가 나타났다. 코로나 전류 발생량은 간격이 좁을수록 감소하여 간격이 좁을 때 소비 전력은 줄었으나 전극 간격이 40.0mm일 때 간격이 20.0mm일 때 보다 이온풍속이 15% 정도 강하게 측정되었기 때문이다.

1차측 단일구성이 전력대비 효율은 좋았으나 다단 구성 전극 수에 비례한 효율은 내지 못했고, 절연파괴전압에 제한되어 최대 1.32m/s의 이온풍속이 측정되었다. 1단과 2단 간의 간격을 40.0mm로 다단 구성했을 때 전력대비 효율은 1차측 단일구성에 비해 낮았으나 최대 이온풍속을 1.82m/s까지 상승시킬 수 있는 점과, 이온 추진 장치에 소모되는 전력량이 매우 소량이라는 점을 고려할 때 이온풍 추진 장치의 고성능화에 더 알맞을 것이라 사료된다.

Fig. 5는 직렬 다단 전극 적용 시 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극 간 간격에 따른 전계해석 결과이다. 전계해석에서 사용한 조건은 정극성 코로나 방전

해석으로 코로나 전극에 15.0kV를 인가하고, 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극 사이의 간격을 4가지 (a) 20.0mm, (b) 30.0mm, (c) 40.0mm, (d) 50.0mm 경우로 나누어 해석하였다. (a)에서 2차측 코로나 전극으로부터 1차측 유도 전극으로 향하는 전계가 강하게 형성됨을 알 수 있다. 각 단의 간격이 증가함에 따라 전단으로 향하는 전계가 약화되며, 후단으로 발산되는 전계의 세기가 강화되어 (c)부터는 전단으로 향하는 전계에 비해 후단으로 향하는 전계가 더 강한 양상을 보이며 (d)에서는 2차측 코로나 전극에서 생성된 이온 대부분이 2차측 유도 전극으로 향하는 것을 알 수 있다.

Fig. 6은 1, 2차 코로나 전극의 edge 두 점이 접하는 연장선 위에서 전계가 첫 번째로 강한 지점과 두 번째로 강한 지점의 전계의 세기이다. 첫 번째로 강한 지점은 전단에서 생성된 전계이며 두 번째로 강한 지점은 후단에서 생성된 전계이다. 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극 사이의 간격이 좁을수록 전단에서 발산된 전계가 후단의 전계와 중첩, 보강되어 후단에서 발산되는 전계의 양이 증가한다. 그러나 간격이 일정 수치 이상 벌어지지 않으면 Fig. 6의 20.0mm 간격에서 나타난 것처럼 2차측 코로나 전극에서 1차측 유도 전극으로 향하는 전계가 강해져 전단에서 발산되는 전계가 상당히 감소하여 결과적으로 이온의 흐름이 원활하게 진행되지 못한다⁽⁸⁾. 간격이 30.0∼40.0mm까지 증가했을 때 후단에서 발산하는 전계의 양은 소폭 감소하였지만 전단에서 발산하는 전계의 양이 대폭 증가해 이온의 흐름이 원활하게 일어났다.

Fig. 7은 1, 2차 코로나 전극의 edge 두 점이 접하는 연장선 위에서 전계가 가장 약한 지점을 나타낸다. 간격이 30.0∼50.0mm일 때 간격의 증가에 따른 전계가 가장 약화된 지점의 변화는 거의 동일한 반면 간격이 20.0mm일 때는 급격하게 변화했다. 간격이 20.0mm미만 일 때는 2차측 코로나 전극에서 1차측 유도 전극으로 향하는 전계의 영향이 크지만 간격이 30.0mm이상 증가할 경우 2차측 코로나 전극으로부터 1차측 유도 전극으로 향하는 전계 세기의 감소량이 포화되는 것을 알 수 있다. 따라서, 간격이 50.0mm이상 증가하게 되면 전단에서 발산하는 전계의 양이 큰 변화가 없는 반면 전단에서 후단으로 중첩되는 전계의 양이 감소하여 간격이 30.0∼40.0mm 일 때 이온의 흐름이 가장 원활하다.

4. 결 론

본 연구에서는 최대 이온풍속을 증가시키기 위하여 이온풍 발생장치를 직렬 다단 전극으로 구성하고 각 단 사이 간격 조정에 따른 이온풍속과 전계분포의 변화를 실험을 통해 비교분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) 코로나 전극과 유도 전극의 단일구성에 비해 직렬 다단 전극 구성 시 최대 이온풍속이 증가하였다.

2) 직렬 다단 전극 구성 시 1차측 유도 전극과 2차측 코로나 전극의 간격이 감소함에 따라 2차측으로 향하는 전계의 중첩이 원활하게 일어나 후단에서 발산되는 전계 세기가 강화되었다.

3) 간격이 일정 수치 이하일 때 2차측 코로나 전극에서 1차측 유도 전극으로 향하는 전계가 강화되어 전단에서 발산되는 전계 세기가 크게 약화되었으나, 일정 수치 이상이 될 경우 전계 세기의 감소량이 포화되어 위 영향으로는 변화가 없었다.

4) 전계 세기의 감소량이 포화되는 최초 지점에서의 이온 풍속이 최대 1.82m/s로 가장 강하게 측정되었다.