1. 서 론

코로나 방전은 전기장 분포가 매우 불평등할 때 발생하는 자립 방전(Self-sustained discharge) 현상이며, 이온화는 곡률 반경이 작은 전극 주위에서 발생한다^[1]. 코로나 방전의 이온화로 인해 생성된 전자, 양이온, 음이온은 방전 전극과 유도 전극의 극성에 따라 생성된 전기장을 따라 이동하며 주변 중성 기체 분자와 충돌하여 운동량을 전달한다. 운동량 전달로 인해 유도된 중성 기체 분자의 유동으로 발생하는 바람을 이온풍(Ionic wind) 또는 전기풍(Electric wind)이라 한다^[2-6]. 이러한 이온풍은 움직이는 부품이 없고, 빠른 응답 시간, 낮은 소음과 유지보수 비용 등의 이점을 가지며 전기 추진, 집적 회로의 냉각 기술로 연구되고 있다^[7-9].

일반적으로 이온풍을 발생시키기 위해 곡률 반경이 작은 전극에 (+) 또는 (-)극성 전압을 인가하고 곡률 반경이 큰 전극에 접지를 인가하여 코로나 방전을 발생시킨다. 그러나 과거 이온풍을 이용한 추력 실험인 이온 리프터 실험과 NASA에서 수행한 실험에 따르면 곡률 반경이 작은 전극에 접지를 인가하고 곡률 반경이 큰 전극에 (+) 또는 (-) 극성 전압을 인가하니 일반적인 코로나 방전에 의한 이온풍 특성과 상이한 결과를 얻었다는 연구가 보고 되었지만 특성 차이가 발생한 이유를 설명하고 있지는 않다^{[10, 11]}.

DC 코로나 방전 연구에서 인가 전압의 극성에 따른 연구는 흔히 정방전과 부방전의 차이를 연구하는 것으로 이를 반대로 인가하여 방전 특성의 차이를 본 연구는 보고된 바가 없다^{[12, 13]}.

따라서 본 연구에서는 인가 전압의 극성에 따른 DC 코로나 방전의 특성을 실험하기 위한 기초 연구로써 침 대 링형 전극을 사용하여 인가 전압의 극성별 방전 전류와 이온풍속의 비교를 통해 실험적으로 연구하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 인가 전압 극성에 따른 이온풍 특성 실험을 위한 실험 개략도와 실제 장치를 나타낸 그림이다. 침 전극은 곡률반경이 0.2mm이며 스테인리스 재질이고, 링형 전극은 지름 80mmΦ, 두께 10mm, 높이 50mm이며 알루미늄 재질이다. 침 전극과 링 전극의 간격은 링 전극 끝단의 중앙을 기준으로 20mm이며, 각 전극은 아크릴 재질의 관 내에 고정시켰다. 극성 별 직류 전압 인가를 위해 정극성 직류 고전압 발생장치(25A24-P30, ULTRAVOLT)와 부극성 직류 고전압 발생장치(25A24-N30, ULTRAVOLT)를 사용하였다. 인가 전압은 직류 고전압 프로브(80K-40, Fluke)를 사용하여 측정하였고, 코로나 방전 전류는 측정 저항(1kΩ, 5W)과 멀티미터(8808A, Fluke)를 사용하여 측정된 전압을 전류로 환산하였다. 이온풍속 측정을 위해 열선식풍속계(Testo 425)를 이용하여 접지전극이 끝나는 지점에서 40mm, 침 전극의 침 끝의 연장선이 되는 지점에서 1분 동안의 평균 풍속을 측정하였다. 모든 실험은 풍속에 영향을 미치지 않도록 외부 바람을 차단할 수 있는 실험챔버 내 공기(23±2℃, 35±2% RH) 중에서 실시하였다.

Fig. 2는 실험에 사용된 인가 전압의 극성 종류를 나타낸 그림이다. Fig. 2(a)와 (c)는 곡률 반경이 작은 침 전극에 (+) 또는 (-) 극성을 인가하고 곡률 반경이 큰 링 전극에 접지를 인가한 일반적인 정, 부방전을 나타낸 것이다. 이에 반해 Fig. 2(b)와 (d)는 이와 반대로 곡률 반경이 작은 침 전극에 접지를 인가하고 곡률 반경이 큰 링 전극에 (-), (+)를 인가한 경우이다. 일반적으로 (a)와 (b)의 경우를 정방전이라 하고 (c)와 (d)의 경우를 부방전이라 하며, 전기장의 방향과 분포, 세기 등 전자기적인 차이를 보이지 않을 것으로 사료된다. 그러나 본 연구에서는 (a)와 (b), (c)와 (d)의 방전 특성의 차이를 알아보기 위해 (a), (c)를 각각 정방전(Positve discharge), 부방전(Negative discharge)이라 하고 (b), (d)를 각각 역(Reverse)부방전, 역(Reverse)정방전이라 구분하도록 하겠다.

본 연구의 결과를 분석하기 위하여 높이가 10mm인 링형 전극을 이용하여 추가적인 실험을 진행하였으며, 링형 전극의 높이를 제외한 나머지 실험 조건은 본 실험과 동일하였다.

Fig. 1. (a) Schematics of experimental setup and (b) photograph of device

Fig. 2. Polarity type of apllied voltage (a) Positive, (b) Reverse negative, (c) Negative, (d) Reverse positive discharge

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 3은 침대 링형 전극 구조의 이온풍 발생 장치에 인가된 전압의 극성별 IC-VA 특성을 나타낸 그래프이다. 0V부터 코로나 방전이 안정적으로 발생하는 8kV까지는 1kV 단위로 증가시켰고 8kV 이후부터는 4kV 단위로 24kV까지 전압을 인가하였다. 24kV까지 인가 할 때까지 절연파괴에 의한 아크 방전은 4가지 극성에서 모두 나타나지 않았다. 부방전과 역정방전의 경우 인가전압과 코로나 방전 전류가 (-)로 측정되었지만 Fig. 3에서는 모두 절대값을 취하여 (+)로 표현하였다.

코로나 개시 전압은 측정 저항을 통해 전압이 측정되기 시작하는 인가 전압으로 정의하였으며, 정방전이 4.70kV로 가장 낮고 부방전 5.29kV, 역부방전 5.78kV, 역정방전 5.86kV로 나타났다. 정방전과 부방전을 비교할 경우 정방전이 코로나 개시 전압이 낮고 정방전에 해당하는 역부방전과 부방전에 해당하는 역정방전을 비교할 경우 역부방전이 낮은 것을 알 수 있다. 그러나 정방전과 역부방전, 부방전과 역정방전을 비교할 경우 곡률이 작은 침 전극에 접지를 인가한 경우가 모두 코로나 개시 전압이 높았다.

방전 전류의 경우, 인가 전압이 커지면서 부방전과 역정방전은 방전 전류가 급격히 증가하는 부방전의 특성을 나타냈고, 정방전과 역부방전은 코로나 개시 전압 부근에서는 각각 부방전과 역정방전보다 높지만 인가 전압이 증가하면서 부방전과 역정방전보다 낮은 방전 전류가 측정되었으며, 22kV부터 스트리머가 발생하면서 전류가 급격히 증가하는 정방전의 특성을 나타냈다.

Fig. 4는 침대 링형 전극 구조의 이온풍 발생 장치에 인가된 전압의 극성별 인가 전압(VA)-이온풍속(vw) 특성을 나타낸 그래프이다.

Fig. 4(a)는 정방전과 역부방전에서의 이온풍속 특성이며, 역부방전이 정방전 대비 전체적으로 낮은 이온풍속이 발생하였다. 이는 앞서 Fig. 3에서 정방전과 역부방전의 방전 전류의 차이에 의한 결과로 판단된다.

Fig. 4(b)는 부방전과 역정방전에서의 이온풍속 특성이며, 정방전과 역부방전의 관계와 비슷하게 역정방전이 부방전 대비 전체적으로 낮은 이온풍속을 나타냈다.

그러나 정방전과 역부방전간의 차이와는 달리 큰 차이는 나지 않는 것을 알 수 있는데, 이는 Fig. 3에서 부방전과 역정방전의 방전 전류가 크기의 차이는 있지만 경향의 차이는 없지만, 정방전과 역부방전의 경우에는 크기도 역부방전이 전체적으로 낮고 경향의 차이가 어느 정도 발생하기 때문으로 판단된다.

Fig. 5는 전극 간격이 40mm이고 링 전극의 높이가 10mm인 장치를 사용하여 부방전과 역정방전에서의 방전 전류와 이온풍속 특성을 나타낸 그래프이다. 전극 간격이 본 실험인 20mm 보다 멀어져서 절대적인 전류 값과 이온풍속이 낮지만 링 전극의 길이가 짧아짐에 따라 두 극성간의 방전 특성이 거의 차이가 나지 않는 것을 알 수 있다.

이와 더불어 침-평판 및 침-메시 전극 구조에서도 동일한 실험을 진행하였지만, 두 극성 간의 방전 특성 차이는 나타나지 않았다. 이를 통해 본 연구의 실험에서 정방전과 역부방전, 부방전과 역정방전 간의 방전 특성에서 차이가 발생한 이유로는 곡률반경이 큰 링 전극의 길이가 길어짐에 따라 침 전극과 링 전극 사이의 전위 분포와 전계 분포가 영향을 받기 때문으로 판단된다. 특히 이러한 영향은 전계 강도가 약한 낮은 전압에서 더욱 뚜렷하게 나타나고 인가 전압이 증가하면서 영향이 감소하는 것으로 판단된다.

Fig. 3. I-V characteristics under different polarity conditions in the needle-to-cylinder electrode configuration

Fig. 4. Ionic wind velocity under various polarity conditions (a) Positive, and reverse negative, (b) Negative, reverse positive

Fig. 5. I-V characteristics (a) and Ionic wind velocity (b) under negative and reverse positve polarity at 10mm ring electrode

4. 결 론

본 연구에서는 인가 전압 극성에 따른 DC 코로나 방전 특성을 알아보기 위한 기초 연구로써 침 대 링형 전극 구조의 이온풍 발생 장치를 통해 인가 전압의 극성별 방전 전류와 이온풍속을 측정 및 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 인가 전압의 극성에 따라 코로나 개시 전압은 정방전이 4.70kV로 가장 낮고 부방전 5.29kV, 역부방전 5.78kV, 역정방전 5.86kV로 나타났다. 방전 전류의 경우 부방전과 역정방전은 부방전의 특성, 정방전과 역부방전은 정방전의 특성이 나타났지만 역정방전과 역부방전은 각각 부방전과 정방전보다 낮은 방전 전류가 측정되었다.

2) 방전 전류의 차이가 남에 따라 인가 전압의 극성에 따른 이온풍속도 정방전과 역부방전, 부방전과 역정방전 간에 차이가 발생하였다. 특히 정방전과 역부방전의 이온풍속 차이가 크고 부방전과 역정방전의 차이는 크지 않다.

3) 링 전극의 길이가 50mm보다 짧은 10mm 길이의 링 전극으로 부방전과 역정방전 실험을 추가적으로 진행하여 두 극성간의 차이가 나지 않는 것을 확인하여 본 연구에서 나타난 인가 전압의 극성에 따른 방전 특성 차이는 곡률 반경이 큰 전극의 형상과 구조에 의한 것으로 판단된다.

향후 연구에서는 인가 전압의 극성별 방전 전류의 파형 측정과 전위 및 전계 분포 시뮬레이션 수행을 통해 인가 전압의 극성에 따른 방전 특성을 더욱 면밀히 연구할 예정이며, 본 연구 결과는 하나의 극성을 가지는 전원장치로 양극성 방전 실험이 가능한지 여부를 판단할 수 있는 기초자료로써 활용될 수 있을 것이다.