1. 서 론

전기 코로나 방전은 대개 서로 다른 곡률 반경을 가진 두 개 이상의 전극 사이에 높은 전위차가 인가 될 때 발생된다. 코로나 방전으로 인해 나타나는 현상 중 하나로 생성된 이온이 마찰을 통해 주위 공기 분자로 운동량을 전달하면 유체의 흐름이 생성된다^(1-3). 1960년대 이 원리를 발견한 과학자들은 이런 현상을 전기유체역학(electrohydrodynamic) 추진력 또는 이온풍(ionic wind)이라고 불렀다. 이온풍 챔버 내에서 전기유체역학의 기본 방정식은 전압과 전류, 전기장의 관계를 나타내는 다음의 식들로 표현 할 수 있다⁽⁴⁾.

($\rho_{c}$: 공간 전하 밀도, $\varepsilon_{0}$: 공기의 유전율, $j$ : 전류밀도, $b$ : 이온의 이동도, $V$ : 전압, $E$ : 전계강도)

최근 이와 같은 현상을 이용하여 냉각, 추력 분야에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. IT산업의 급격한 발전에 따른 전자기기들의 크기는 작아지는 반면 고직접화 된 반도체소자의 사용이 늘어남에 따라 냉각 시스템의 중요성이 점점 높아지고 있다. 기존의 냉각방식은 주로 냉각팬을 사용하여 왔으며 이는 기계적 소음, 마모, 발열 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 반해 이온풍을 이용한 방식은 소음의 억제, 소형화, 냉각효율 향상, 에너지소모를 줄일 수 있다^(5-8). 또한 이온풍을 강하게 할 경우 비행기 프로펠러와 같은 강한 추진력을 만들어 낼 수 있다. 이를 이용하여 이온풍 비행기(ion-drive aircraft) 또는 이온 추진장치(ion thruster, ion lifter)에 대한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다^(9-11).

지금까지 수행된 연구는 주로 두 전극(코로나전극, 유도전극)의 구조, 면적, 거리, 곡률반경, 재질, 전극의 수, 다단구성 등에 관한 연구가 수행되었다[2-8, 12-14]. 그러나 기존의 수행된 연구에서는 이온의 가속영역이 제한적이어서 이온의 풍속을 증가시키는데 한계를 가지고 있다. 이와 같은 가속영역의 한계점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 두 전극 이외에 가속 전극을 설치하고 가속 전극의 수를 증가시켜 가속영역을 확장함으로써 이온 또는 전자들을 효과적으로 가속하여 이온의 풍속을 증가 시킬 수 있음을 실험적으로 연구하였다.

2. 실험 장치 및 방법

그림 1의 (a)는 이온풍 실험장치의 개략도를 나타낸 것으로, 크게 이온풍 발생 챔버, 전원장치, 측정장치로 구성되어 있다. 이온풍 발생 챔버는 그림 1의 (b)에서 보여지는 것과 같이 전극과 챔버 외형으로 구성되어 있으며, 전극으로는 침형 코로나전극, 링형 유도전극 그리고 링형 가속전극로 구성된다. 이온풍 챔버의 외형은 아크릴 관(내경 25 mm, 외경 35 mm, 길이 140 mm)을 사용하였으며, 코로나전극으로는 스테인리스 재질의 침을 사용하였고, 유도전극과 가속전극은 황동 재질의 링전극(내경 26 mm, 외경 28 mm, 길이 15mm)을 사용하였다. 코로나 전극과 유도전극간의 간격(s)은 15 mm로 고정하고, 유도전극과 가속전극간의 간격(g)은 10 mm로 하여 실험을 진행하였다. 전원장치로는 직류 고전압 발생장치(Ultravolt, 25A24-P30, 25A24-N30)를 사용하여 코로나전극과 가속전극에 직류 고전압을 인가하고, 인가된 전압은 고전압 프로브(Fluke, 80k-40)와 디지털 멀티미터(Fluke, 179)로 측정하고, 발생된 풍속은 유도전극의 100 mm 후방에 풍속계(Testo, 425)를 설치하여 평균 풍속을 3회 측정하였으며, 코로나 방전전류는 측정 저항(5 W, 1 kΩ)과 디지털 멀티미터(Yokogawa, 73401)를 사용하여 전압을 측정하고 이를 전류로 환산하여 계산하였다. 또한 서지로부터 측정기기 보호를 위해 서지어레스터를 설치하였다. 모든 실험은 온습도가 제어가 가능한 실내의 실험챔버 내 공기 중(21±1 ℃, 32±2 % RH)에서 실시하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

그림 2는 코로나전극과 유도전극 이외에 추가로 가속전극을 다단으로 설치하여 정･부극성 코로나 방전 시 $\mathrm{I}_{\mathrm{Cl}^{-}} \mathrm{V}_{\mathrm{Cl}}$ ($\mathrm{I}_{\mathrm{Cl}}$ : 코로나 방전전류, $\mathrm{V}_{\mathrm{Cl}}$ : 코로나 전극에 인가전압) 특성을 나타낸 것이다. 실험은 코로나 방전의 극성, 가속전극 단수에 따른 4가지 조건(가속전극이 없을 때, 1단, 2단, 3단)에 따라 수행되었다. 실험이 진행된 4가지 조건 모두 코로나 전극에 인가전압이 9~16 kV 구간에서 수행된 결과를 보여준다. 실험에서 정극성은 코로나 전극(+), 유도 전극(접지), 가속전극(-)를 인가한 것이고, 부극성은 코로나 전극(-), 유도전극(접지), 가속전극(+)를 인가한 것을 나타낸다. 코로나 전극에 인가되는 전압이 커질수록 방전전류는 증가하였으며, 동일한 전압에서 정극성보다 부극성 방전이 방전 전류가 더 높게 측정되었다. 가속전극에 인가되는 전압의 크기를 8 kV로 고정하고, 1) 가속전극이 없을 때, 2) 가속전극이 단수가 1단→2단→3단으로 증가할수록 방전전류가 감소하는 특성을 보여준다. 이는 가속전극에 인가되는 전압으로 생성된 유도전극과 가속전극 사이의 전계에 의해 유도전극을 통과하는 양이온(정극성) 또는 전자(부극성)의 양이 증가하여 가속전극에 의해 포집된 양이 많아진 것으로 사료된다.

그림 3은 다단 가속전극을 설치하였을 때, 정･부극성 $\mathrm{W}_{\mathrm{S}}-\mathrm{V}_{\mathrm{Cl}}$($\mathrm{W}_{\mathrm{S}}$ : 풍속, $\mathrm{V}_{\mathrm{Cl}}$ : 코로나 전극에 인가전압) 특성을 나타낸 것이다. 가속전극에 인가되는 전압은 고전압 저항을 사용하여 각단의 전위차가 8 kV가 되도록 인가하였다.

가속전극을 다단으로 설치한 경우, 정･부극성 모두 가속전극의 단수에 비례하여 이온풍속이 증가하였다. 이는 가속전극의 단수가 증가함에 따른 이온 또는 전자의 가속영역이 확대되어 이온풍속이 증가한 것으로 보인다. 정극성과 부극성의 특성을 비교하면, 정극성은 가속전극이 없을 때 인가전압 9~16 kV 구간의 평균풍속이 0.75 m/s이고, 부극성은 0.82 m/s로 평균풍속이 약 9.33%가 증가하였지만 인가전력은 약 64.01%로 더 많이 사용하였다.

그림 4는 가속전극이 없을 때를 기준으로 가속전극을 다단으로 적용하였을 때 $\mathrm{W}_{\mathrm{SIR}^{-}} \mathrm{V}_{\mathrm{Cl}}$ ($\mathrm{W}_{\mathrm{SIR}}$ : 풍속증가율, $\mathrm{V}_{\mathrm{Cl}}$ : 코로나 전극에 인가전압) 특성을 보여준다. 정극성의 경우 가속전극의 단수가 1 → 2 → 3단으로 증가할 때 9~16 kV 구간의 평균풍속은 0.75 → 0.82 → 0.86 → 0.94 m/s로 증가하였으며 이를 평균풍속증가율로 나타내면 9.33 → 14.06 → 24.89% 상승하였다. 부극성의 경우 평균풍속은 0.82 → 0.94 → 0.99 → 1.02 m/s로 증가하였으며 이를 평균풍속증가율로 나타내면 가속전극 단수변화에 따라 14.23 → 19.86 → 24.32% 상승하였다. 정･부극성에서 전반적으로 인가전압이 높아질수록 풍속의 증가비율이 감소하는 것은 풍속의 증가 기울기가 일정하게 상승하였기 때문에 이를 비율로 나타내면 감소하는 경향이 되며, 또한 인가전압이 점점 높아져 절연파괴전압에 근접할수록 풍속이 서서히 포화하는 경향을 보여주기 때문이다.

그림 5는 다단 가속전극의 적용에 따른 작용원리(a)와 Comsol Multiphysics을 사용하여 전계해석 결과(b)를 나타낸 것이다. (a)는 코로나전극에서 코로나 발생으로 인한 이온의 생성 영역, 이동(1차 가속) 영역, 가속(다단 가속)영역으로 설명 할 수 있다. (b)의 전계 해석에서 사용한 조건은 정극성 코로나 해석으로 코로나전극에 15.0 kV를 인가하고, 가속전극의 4가지 조건 1) 가속전극을 전압을 인가하지 않았을 때, 2) 가속전극이 1단(-8 kV), 3) 가속전극이 2단 (-8 kV, -16 kV), 4) 가속전극이 3단(-8 kV, -16 kV, -24 kV)으로 해석하였다. 고전적인 이온풍 발생 장치의 모델인 코로나전극과 유도전극만으로 이루어진 AE0에서 가속전극의 단수가 1 → 2 → 3으로 증가함에 따라 AE1 → AE2 → AE3로 구분하여 나타내었고, 이를 서로 비교하면 AE0 → AE1 → AE2 → AE3 순으로 가속전극을 추가함으로써 생성된 전계에 의해 전자 또는 이온의 가속영역도 확장됨을 알 수 있다.

그림 6은 가속전극에 전압을 인가하지 않았을 때 유도전극과 각각의 가속전극에서 포집되는 이온 또는 전자의 비율을 알아보기 위한 실험의 개략도이다.

코로나 전류는 정･부극성 모두 코로나전극과 유도전극 사이의 강한 전계에 의해 생성된 이온 또는 전자의 흐름이다. 이는 전류로 나타낼 수 있으며, 유도전극 방향으로 이동하는 이온 또는 전자의 총량을 $\mathrm{I}_{\mathrm{CT}}$로 표시하고, 유도전극에 포집되는 이온 또는 전자를 $\mathrm{I}_{\mathrm{IE}}$, 가속전극에서 포집되는 이온 또는 전자를 $\mathrm{I}_{\mathrm{AE}}\left(\mathrm{I}_{\mathrm{AE}}=\mathrm{I}_{\mathrm{AE} 1}+\mathrm{I}_{\mathrm{AE} 2}+\mathrm{I}_{\mathrm{AE} 3}\right)$로 나타낼 수 있다. 또한 가속전극을 통과한 이온 또는 전자를 $\mathbf{I}_{\mathrm{AEP}}$라고하면 $\mathrm{I}_{\mathrm{CT}}=\mathrm{I}_{\mathrm{IE}}+\mathrm{I}_{\mathrm{AE}}+\mathrm{I}_{\mathrm{AEP}}$로 나타낼 수 있다.

표 1은 그림 6의 전류 측정 개략도와 같이 회로를 구성하고 정･부극성에서 유도전극($\mathbf{I}_{\mathrm{IE}}$) 및 가속전극($\mathrm{I}_{\mathrm{AE} 1}, \mathrm{I}_{\mathrm{AE} 2}, \mathrm{I}_{\mathrm{AE} 3}$)에서 측정된 코로나 전류를 나타낸다. 정･부극성 모두 인가전압의 증가와 함께 코로나 전류가 증가하였으며, 9~16 kV 구간의 유도전극의 측정전류 대비 모든 가속전극에서 측정되는 전류의 평균은 정･부극성에서 각각 약 1.05%, 1.16%를 나타내었다. 이는 정･부극성에서 가속전극에 전압을 인가하지 않았을 때 약 1% 전자 또는 이온이 유도전극을 통과함을 알 수 있다. 그러나 그림 1과 같이 가속전극에 전압을 인가하는 회로를 구성하고 9~16 kV 구간에서 가속전극에 전압을 인가하지 않았을 때 전류대비 가속전극이 3단 일 때의 유도전극에서 측정되는 코로나 전류의 감소율은 정･부극성에서 각각 약 32.26%, 23.42% 이다. 이는 다단 가속전극에 인가되는 전압 즉 전계에 의해 약 20~30% 전자 또는 이온이 유도전극을 통과하여 이온풍의 가속에 기여함을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 침대 링형 구조의 이온풍 발생장치의 후단에 링형 가속전극을 다단으로 설치하여 적용함으로써 이온의 풍속변화를 실험적으로 연구하여 가속전극의 다단 효과를 비교분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

1) 정･부극성 코로나 모두 인가전압 및 가속전극의 단수(1~3단)에 비례하여 이온의 풍속이 증가하였다.

2) 가속전극의 적용 시 유도전극에서 포집되는 전자 또는 이온의 양이 줄어드는 반면 유도전극을 통과하는 양이 증가하여 이온풍의 가속에 영향을 주었다.

3) 가속 전극의 단수를 늘려 전자 또는 이온의 가속 영역을 확장할 수 있다.

이상의 결과로 부터 기존의 침대 링형 이온풍 발생장치 후단에 가속전극을 다단 적용함으로써 전자 또는 이온의 가속영역을 확장함으로써 이온의 최대 풍속을 효과적으로 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 추후 연구에서는 가속전극의 효과를 극대화 시킬 수 있는 다양한 방법에 대한 연구를 수행 할 예정이다.