1. 서 론

유전체 장벽 방전(DBD : Dielectric Barrier Discharge)은 방전 전극과 유도 전극 사이에 유전체를 삽입하여 교류 고전압을 인가하면 발생하며, 상온 대기압 환경에서도 효과적인 플라즈마를 발생시킬 수 있는 방전으로써 오존 생성, 표면처리, 오염물질 제거, 유체 유동 제어 등 다양한 분야에 활용되고 있다^[1-3]. 방전 전극과 유도 전극 그리고 유전체의 배치에 따라 체적 유전체 장벽 방전(VDBD : Volume Dielectric Barrier Discharge)와 표면 유전체 장벽 방전(SDBD : Surface Dielectric Barrier Discharge)로 나눌 수 있다. VDBD의 경우 플라즈마 발생량이 많기 때문에 주로 오존 생성, 오염물질 제거, 표면처리에 활용되며, SDBD의 경우 VDBD보다 플라즈마 생성량은 적지만 장치의 구조가 간단하고 부피가 작으며 전극 배치가 비교적 자유롭기 때문에 특정 방향으로 플라즈마를 발생시킬 수 있어 플라즈마 액츄에이터로써 미세한 유체 유동 제어에 활용되고 있다^[4-6].

DBD는 비교적 낮은 전압으로 많은 플라즈마를 발생시킬 수 있고 DC 코로나 방전과 비교하여 유전체 장벽이 전극 사이에 위치해 있어서 전극 간 아크 발생 위험이 현격히 낮다. 이를 이용하여 VDBD를 미세/초미세 입자의 하전에 적용하여 전기집진 분야에 활용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다^{[7, 8]}. 그러나 VDBD의 경우 구조상 입자와 유체가 통과하는 단면적이 작고 여러 층을 적층하여 사용할 경우 부피가 매우 커지는 단점을 가진다. 그리고 입자의 유동 방향과 방전 공간 내 전하의 움직임이 수직이 되기 때문에 입자가 방전 공간을 통과하지 못하고 유전체 장벽에 붙어서 플라즈마 생성을 저해시키고 집진효율을 떨어뜨릴 수 있다. 그리고 인가전압 파형에 따른 DBD 특성을 연구한 사례가 있지만, 구형파와 삼각파 등 비교적 규칙적인 비정현파에 대한 연구에 국한되어 있다^{[9, 10]}.

따라서 본 연구에서는 VDBD보다 구조가 단순하고 입자의 유동을 방해하지 않는 SDBD를 입자 하전 방식으로 사용하기 위한 기초 연구로써 효과적인 플라즈마 생성을 위해 4가지 유형의 저주파 교류 고전압 파형에 따른 SDBD 장치의 에너지 및 전력 소비 특성을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 교류 인가전압 파형에 따른 SDBD의 에너지 소비 특성을 연구하기 위한 실험 및 장치 개략도를 나타낸 것이다. 다양한 파형의 교류 고전압을 인가하기 위하여 각기 다른 출력 전압 파형을 가지는 점화용 변압기 4대를 사용하였으며, 각 변압기의 1차측 입력/2차측 출력, 주파수 사양은 Table 1과 같다. 점화용 변압기의 1차측에 220V를 인가하기 위한 저전압 교류 전원 장치(PS-61005)를 사용하였다. SDBD 장치의 전극은

Fig. 1. Schematics and photograph of experimental setup

구리 재질의 평판을 사용하였으며, 방전전극은 50mm× 10mm, 유도전극은 방전전극 면적의 3배가 되도록 50mm×30mm, 전극 간격은 0mm가 되도록 제작하였다. 유전체 장벽은 100mm×100mm×2.2mm 크기의 Pyrex glass 평판을 사용하였다. 인가전압과 방전 전류를 측정하기 위하여 교류 고전압 프로브(P6015A, Tektronix)와 오실로스코프(TDS2024B Tektronix), 측정 저항(1kΩ)을 사용하였다. 그리고 Q-V 리사주 곡선을 얻기 위하여 측정 커패시터(Type 1 : 254.38pF, Type 2, 3, 4 : 1.59nF)을 사용하였다. 모든 실험은 온·습도를 제어가 가능한 실험 챔버 내의 공기(24±2℃, 30±2% RH) 중에서 실시하였다.

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 2는 4가지 유형의 교류 고전압 파형에 따른 SDBD의 전하량(Q)-인가전압(VA) 리사주 곡선을 나타낸 그래프이다. SDBD 발생 시 생성되는 Q는 방전 발생 시 측정 커패시터 양단의 전압(VPC)를 측정하여 아래의 식 (1)을 통해 계산할 수 있다.

Q : 방전 시 생성되는 전하량[C], C : 측정 커패시터의 커패시턴스[F], VPC : 측정 커패시터 전압[V]

Type 1, 4는 하나의 큰 파형이 60Hz 주기로 반복되며, 큰 파형은 약 12kHz 정도의 주파수를 가지는 작은 교류 파형으로 이루어져 있다. 두 파형의 특징은 Type 1의 경우 정극성과 부극성 피크 전압의 크기가 모두 약 7kV로 대칭을 이루지만 Type 4의 경우 정극성 피크 전압이 약 15kV, 부극성 피크 전압은 약 –6kV로 비대칭 파형이다. 이러한 차이점으로 인해 유사한 파형처럼 보이지만 전하량에서 차이를 보인다. 그리고 두 파형의 경우 60Hz에 해당하는 큰 파형이 고주파수의 작은 파형으로 이루어져 있기 때문에 전체적인 형태는 일반적인 DBD 방전의 리사주 곡선 형태인 타원형을 가지지만 1바퀴 그려지는 동안 많은 방전이 빠르게 발생하여 상당히 불안정한 형태를 가진다. Type 2는 펄스 파형으로 짧은 시간 동안 약 15kV의 높은 전압이 인가되어 순간적으로 많은 양의 전하를 생성시키고 반대 극성의 펄스가 시작되기 전까지 측정 커패시터에 전하가 충전 상태를 유지한다. 다만, 다른 파형에 비해 강한 방전이 발생한 이후 다음 방전 발생까지 시간이 오래 걸리기 때문에 전체적인 전하 생성량은 적다. Type 3은 정현파에 가까운 전압 파형을 가지고 있어서 안정적인 리사주 곡선을 가진다.

Fig. 2. Q-VA Lissajous curve of SDBD according to applied voltage waveforms

리사주 곡선을 통한 SDBD 장치의 에너지 소모량은 식 (2)를 이용하여 리사주 곡선의 면적을 계산하여 얻을 수 있고, 전력 소모량은 식 (3)과 같이 에너지 소모량에 주파수를 곱해서 계산한다.

E : 소모 에너지[J], VA : 인가전압[V], 측정 커패시터의 커패시턴스 [F], VPC : 측정 커패시터 전압 [V], f : 인가전압의 주파수[Hz]

Fig. 3은 측정저항을 통해 측정된 방전 전류(IR)와 SDBD 장치의 에너지 소모량을 인가전압 파형에 따라 나타낸 것이다. 인가전압과 방전 전류의 곱을 이용한 에너지 및 전력 소모량은 아래의 식 (4), (5)를 통해 계산할 수 있다.

IR : 방전 전류[A], f : 인가전압의 주파수[Hz]

인가전압과 방전 전류의 곱을 누적하는 방식으로 계산하기 때문에 둘 중 하나가 0인 구간에는 증가하지 않고 방전이 활발하게 발생하는 구간에서 급격하게 증가한다. Type 1, 4의 경우는 큰 파형의 1주기 동안 매우 짧은 주기로 방전이 발생하여 에너지 소모량이 지속적으로 증가하였다. Type 2, 3의 경우 1주기 동안 방전이 간헐적으로 발생하여 방전이 발생하는 순간 급격한 에너지 소모량 증가를 보이고 방전이 종료되면 에너지 소모량이 증가하지 않는다.

Fig. 4는 앞에서 리사주 곡선과 VA×IR을 이용해 계산한 소모 전력량을 인가전압 파형별로 정리한 것이다. 가장 많은 소모 전력을 나타낸 것은 Type 4이며, 리사주 곡선을 통해 계산된 값은 4.75W, VA×IR를 이용하여 계산된 값은 6.10W이다. 이 같은 차이가 발생하는 이유로는 리사주 곡선의 형태가 불안정하여 면적 계산 시 오차가 많이 발생하고 전압과 전류를 곱할 경우 반대 부호의 데이터가 곱해져 소모 에너지가 감소하는 구간이 존재하기 때문으로 판단된다. 그리고 방전이 발생하지 않는 구간이 긴 Type 2의 경우가 가장 낮은 소모 전력을 나타내었다. Type 3의 경우 Type 4보다 낮은 전력 소모량을 가지는 것으로 나타났다. 이를 통해 SDBD 장치를 입자 하전 장치로 사용할 경우 Type 1이나 4와 같은 파형의 인가전압을 이용하되 Type 4와 같이 정, 부극성 전압이 비대칭적인 파형을 이용하는 것이 효과적이라 할 수 있다.

Fig. 3. Calculated energy consumtion of SDBD according to applied voltage waveforms

Fig. 4. Calculated power consumption by Lissajous curve and VI according to applied voltage waveforms

Fig. 5. Photograph of SDBD according to applied voltage waveforms

Fig. 5는 기타 조건들이 동일한 상황에서 인가전압 파형별 SDBD 방전을 나타낸 사진(ISO 감도: 1600, 노출 시간: 2초)이다. 사진에서 나타난 방전은 Type 4가 가장 활발하며 Type 1, 3, 2 순서이다. 이를 Fig. 4와 비교할 경우 리사주 곡선을 이용하여 계산된 전력 소모량의 경향과 일치하는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구는 SDBD 장치를 입자 하전용으로 사용할 경우 효과적인 전하 생성을 위한 기초 연구로써 다양한 형태의 인가전압 파형별 SDBD 장치의 소모 에너지 및 전력을 측정하는 실험을 수행하였으며, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1. 리사주 곡선은 인가전압 파형에 따라 다양한 형태로 측정되었으며, Type 1과 4의 경우 인가전압 파형이 복잡하고 짧은 시간 동안 많은 방전이 연속적으로 발생하여 많은 에너지 및 전력 소모량을 가지지만 매우 불안정한 형태를 나타내었다.

2. 인가전압과 방전 전류를 이용하여 계산된 에너지 및 전력 소모량의 경우에도 Type 1의 경우 약 0.012J, 0.2W이고 Type 4가 0.1J, 6.1W로 Type 2, 3 보다 높게 측정되었다.

3. Type 4의 경우 리사주 곡선과 VI를 이용한 계산 방법에서 각각 4.75W, 6.10W로 다른 형태의 인가전압 파형보다 많은 에너지 및 전력 소모량을 나타내었다. 이는 방전 사진을 통해 시각적으로도 확인할 수 있다.

본 연구의 결과는 SDBD를 사용하는 다양한 연구 분야에서 전원 장치를 선정할 때 기초자료로써 활용될 수 있을 것이다. 향후 SDBD를 이용한 입자 하전 및 집진 연구를 수행하여 인가전압 파형별 입자 하전 및 집진 효율 특성을 연구할 예정이다.