전자기장을 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 활성종 증대 기술

Abstract

제4의 물질 상태로 잘 알려진 플라즈마는 외력에 반응하는 이온 가스가 단일 개체로 행동하는 형태로 구성된다. 우주에서 가장 풍부한 물질이기 때문에 그 행동과 특성은 다양한 분야에 종사하는 과학자들에게 큰 관심거리인 동시에 플라즈마의 복잡한 성질을 완전히 이해하는 것은 그들에게 큰 숙제로 남아있다. 하지만 근래 수행되고 있는 연구를 기반으로 플라즈마의 이해도가 높아지고 있으며 화학적 반응성이 높은 활성종의 풍부한 소스로써 그 효과를 입증하여 다양한 응용 분야에서의 사용을 증가시켰다. 많은 플라즈마 응용 기술에서 활성종의 역할은 매우 중요한 것으로 알려져 있기 때문에 ‘활성종의 생성을 효과적으로 증가시키는 방법’에 대한 질문이 호기심을 불러 일으켰다. 반응도, 온도, 전자밀도, 기체밀도, 부피 등과 같이 활성종 생성에 직접적으로 영향을 미칠 수 있는 요인들은 많이 있지만, 본 논문에서는 대기압에서 방전된 플라즈마의 부피만을 증가시켜 활성종 생성을 향상시키는 방법에 초점을 맞추었다. 극선택적 활성종 생성을 위해 필요한 활성종 또는 중성입자를 전자 또는 다른 활성종과 반응시키는 것이 가장 효과적이겠지만 활성종의 짧은 수명과 반응을 위한 극선택적 환경을 갖추기가 매우 어렵다. 그렇기에 대상 활성종 생성에 필요한 활성종 또는 중성입자의 밀도를 효과적으로 증대 시키기 위해 플라즈마의 부피를 키워 반응 면적을 넓히는 것을 목표로 하였다. 본문에는 대기압 플라즈마 부피 증대를 위한 두 가지 방법이 제시되어 있다. 하나는 고 큐 인자 실시간 임피던스 매칭이 가능한 공진기를 사용하는 것이고 다른 하나는 추가 고주파 전자기장을 생성된 플라즈마에 인가하여 플라즈마의 부피를 증대 시키는 방법이다. 한국생산기술연구원의 최준 박사님의 동축 전송선 공진기 (CTLR)에서 영감을 받아 새롭게 설계된 마이크로파 공진기는 CTLR 및 여러 형태의 마이크로파 공진기의 몇 가지 제한 사항을 보완하였다. 새로이 설계된 마이크로파 공진기는 자체적으로 또는 별도의 추가 부품없이 실시간 임피던스 매칭이 가능하며, 고효율 유지 및 대역폭 범위를 제공할 수 있는 특징이 있다. 이를 이용하여 발생시킨 플라즈마의 부피는 기존 공진기들 보다도 우수하지만 단일 주파수 전력원의 사용은 플라즈마 부피 확장에 명백한 한계가 존재한다. 따라서 마이크로파 플라즈마 주위에 추가 RF 전자기장을 인가해 전자의 가속을 자극하여 플라즈마 시스와 벌크의 팽창을 촉진시키는 기술을 개발하였다. 앞서 언급된 새로운 디자인의 마이크로파 공진기는 플라즈마와 같이 불특정 임피던스를 가진 부하에 최적화되어 있지만 본 디자인의 고 큐 인자 특성을 고려하면 고주파수 안테나의 디자인으로 폭 넓은 응용 분야에 접목시킬 수 있을 것으로 기대된다. 전자기장을 인가하여 플라즈마의 부피를 확장시키는 기술의 경우, RF 주파수에 국한되어 있지 않으며 연구 목적과 상황에 따라 DC, LF (저주파수), RF, MW (마이크로파) 등과 결합하여 플라즈마의 효과를 극대화 시킬 수 있다. 본 연구팀이 최근에 수행하고 있는 연구들의 성과 및 결과들을 봤을 때, 앞으로 플라즈마 응용 분야가 반도체 플라즈마 기술에 이어 보다 더 활성화될 것으로 전망된다. 부록에는 본문에서 다룬 강화된 대기압 플라즈마를 이용한 플라즈마 응용 기술 여섯 가지를 선보였다. 바이오메디칼 응용 분야 중 하나인 급성상처 치유, 최근 많은 관심을 받고 있는 친환경 수소 생산 기술, 자동차 실내 공기 청정 기술, 미용 분야인 치아 미백 젤 생산 기술, 친환경 건식 환원 기술, 그리고 폐수 처리 기술의 기본적인 배경과 실험 내용 그리고 플라즈마의 효과를 서술하였다. 그 외 건식 산화 기술, 표면 친수성 조절 기술, 탄화수소 개질, 플라즈마 전해 양극산화 코팅 기술 (plasma electrolytic oxidation) 등과 같은 대기압 마이크로파 플라즈마를 이용한 다른 실험들도 진행하였지만 기초 연구 수준으로 진행하였기에 포함하지 않았다. 굉장히 다양한 분야에 플라즈마를 접목시킬 수 있고 앞서 언급된 응용 기술 이외에도 더 많은 종류의 기술이 존재할 것으로 예상된다. 석박통합 학위 과정동안 수행했던 플라즈마 응용 기술 분야 중 가장 시간과 노력을 많이 들인 친환경 건식 환원 기술과 친환경 수소 생산 기술이 좀 더 증진되어 상용화 되기를 희망한다.

Plasma, also known as the fourth state of matter, consists of a gas of ions responding to external forces as a single entity. Because it is the most abundant matter in the universe, its behavior and characteristics are of great interests to scientists in many disciplines. It is indeed still too far from fully understanding the complex nature of plasma, but a better understanding and the effectiveness of plasma have attracted much attention and increased its uses in various applications as a plentiful source of chemically reactive species. As the role of chemically reactive species is known to be very important in many plasma applications, especially in atmospheric pressure, a question of ‘how to effectively increase the generation of reactive species?’ piqued the curiosity. There are many factors that can affect the generation of reactive species like reaction rate, temperature, electron density, gas density, volume, etc. This dissertation, however, focuses on the methods of enhancing the radical production by increasing the volume of discharged plasma only. Two methods are thoroughly introduced in the main text, one with an in-situ tunable resonator with high quality factor and the other one with field-enhanced plasma using two high frequency power sources. The newly designed microwave resonator, inspired by the coaxial transmission line resonator (CTLR) of Dr. Choi, J, complements some limitations of CTLR and other microwave resonators; providing in-situ tunability, high efficiency, and wide bandwidth coverage on its own. It is perceived that the use of a single frequency source has an evident limit to volume expansion. Therefore, an additional RF field was applied around the microwave plasma to stimulate the acceleration of electrons promoting the prodigious expansion of the sheath and bulk.