그림1.jpg

안녕하세요.

  질문하신 H2/O2 플라즈마 생성 시 폭발 안전성에 대한 답변을 드리고자 합니다. 흔히 H2와 O2의 폭발반응은 2H2+O2->2H2O의 단일반응인 것으로 이해하고 있으나 참고문헌에 따르면[1], H2와 O2의 실제 반응은 H, O, OH 등등 여러 라디칼들이 포함된 50여개 이상의 연속적인 반응으로 이루어져 있습니다. 이들 반응들은 생성물이 다시 반응물이 되어 서로가 그물처럼 연결되어 있어 매우 복잡하지만, 크게, 반응을 계속 이어나갈 수 있는 라디칼들을 만드는 chain-branching 반응과, 라디칼들을 없애 반응이 계속 일어나지 못하도록 작용하는 chain-breaking 반응으로 구분할 수 있습니다. 이 두 종류의 반응은 “압력, 온도와 혼합비율”에 따라 branching 반응이 우세해지기도, breaking 반응이 우세해지기도 합니다. 폭발이란 chain-branching 반응이 크게 우세한 상황을 말합니다.

  H2/O2의 반응 과정은 “압력, 온도 그리고 혼합비율”, 또한 챔버 시스템의 환경에 따라 다를 수 있습니다. 이론적으로는 특정 실험 환경에서의 실험결과를 branching과 breaking반응의 kinetic equation을 수치적으로 풀어냄으로써 설명한 결과들이 있습니다.

  가령 (Y. Liu and P. Pei, 2006)의 실험은 [첨부된 그림참조] 1:1 혼합비율의 특정온도에서 폭발반응이 일어나는 압력대가 구분됨을 알려주고 있습니다. 질문과 관련하여 특별히 주목할 부분은 특정 온도에서 특정 압력이하에서는 폭발이 일어나지 않았다는 사실입니다. 즉, 폭발에 대한 특정 압력/온도/혼합비율 영역이 있습니다. 자세한 내용은 논문을 참조하시길 바랍니다. 스파크나 불꽃과 같은 ignition source가 있을 때, 1:1의 혼합비에서 약 400mTorr 이하에서는 폭발이 일어나지 않음이 실험적으로 관찰된 결과도 알려져 있습니다.[2]

- 주의사항
  위와 같은 점들에도 불구하고 가연성 기체를 다루는 것은 큰 주의를 요합니다. 수소와 산소의 혼합물은 정전기가 일으키는 스파크(급격한 온도 상승 유발)에 의하여도 쉽게 폭발할 가능성이 있기 때문에, 각 기체가 반드시 충분히 진공이 잡혀있는 고진공상태의 챔버 내부에서만 혼합되도록 챔버 시스템을 설계하여야겠습니다. 가스 배관 연결을 확인 바랍니다.

-참고문헌-
[1] Y. Liu, P. Pei,Asymptotic Analysis on Autoignition and Explosion Limits of Hydrogen-Oxygen Mixture in HomogeneousSystems, International Journal of Hydrogen Energy, Vol.31, 2006.

[2] NASA, Safety Standard for Hydrogen and Hydrogen System, 2005.


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>안녕하세요
>제가 ICP 장비에서 플라즈마를 이용한 표면 처리 실험을 하고 있습니다.
>챔버내에 O2와 H2 가스를 혼합하여 플라즈마를 띄웠습니다.
>공정 압력은 10-3 torr 정도 이고 가스유량은 산소 10 : 수소 50 ~ 산소 50 : 수소 50 sccm 입니다.
>궁금한거는 산소와 수소가 만나면 폭발을 할 위험이 있는데요 안전한건지 궁금합니다.
>안전하다면 왜 안전 한건지 이유도 같이 알려 주시면 감사 하겠습니다.
>그리고 H2/O2 비율과 압력대 관련 가용영역 이러한 자료는 어디에서 구할수가 있을가요??
>인터넷으로 검색을 한다면 무슨 제목으로 검색을 해야 할가요? 현재 한참 검색을 해보았는데 아직 관련 자료응 얻지 못하였습니다.
>
>그리고 만일 안전 하다면... 혹시 고진공 수소와 산소 혼합가스로 플라즈마를 생성하는 과정에서 챔버내에 불꽃이나 스파크가 일어 난다면 그때는 폭발의 위험성이 큰거 겠죠??
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