Water Discharge Plasma 수중 방전 관련 질문입니다.
2014.07.31 13:56
안녕하세요 김곤호 교수님 저는 수중방전 관련 연구를 하고있는 학생입니다.
수중 방전관련해서 부족한 점이 너무 많아서 이렇게 질문을 드리게 되었습니다.
1. DC50V이하의 저전압 수중방전에서 UV가 발생하지 않을시 OH라디칼이나 플라즈마를 측정할수 있는 방법이 있는지 궁금합니다.
2. 저전압 수중방전에서 전기분해와 수중 플라즈마 방전의 차이점을 알고 싶습니다.
3. 전극의 형상과 인가전압[pulsed,pulseless]에 따라 전자가 받는 에너지[eV]를 구할수 있는 식이나 내용과 관련된 책이 있는지 궁금합니다.
4. 수중방전에서 아크, 코로나, 글로우 방전 각각의 특징을 알고 싶습니다.
저는 수중 플라즈마 방전에 대해서 공부하고 있는 학생 윤성영입니다.
1. 50 V 이하의 DC에서 플라즈마가 발생한다는 점은 매우 흥미롭습니다.
자세한 실험 조건에 대해서 알지 못하지만, 물 안에서 플라즈마가 발생이 되었을 때
전기신호와 발광신호는 모두 관찰가능합니다.
전기신호를 통해서 다소 관찰이 어렵다 하더라도, 발생이 되지 않았을 때와 비교해보면
전류와 전압에서의 변화를 관찰을 할 수 있을 것입니다.
광신호는, 전해질이 아니라면, 크게 2개의 종에서의 신호를 관찰할 수 있습니다.
하나는 OH, 다른 하나는 H 신호 입니다. 이중 OH는 306-310 nm UV영역에서 관찰이 되고,
H는 656.3 nm 혹은 486.1 nm에서 관찰됩니다. OH의 UV 신호가 관측되지 않았다면
가시광 영역을 확인해 보시기 바랍니다.
그리고 OH에 대해서는, DMPO라는 화학약품을 섞은 물에서 플라즈마를 발생하면
Electron Spin Resonance 라는 장비를 통해서 분석이 가능합니다.
Lifetime이 짧으므로 플라즈마 발생 후 10분 이내에 분석을 해야 검출 가능합니다.
2. 전기분해와 수중 플라즈마의 차이는 우선 방전이 일어났다는 점에서 다릅니다.
전기분해는 전극의 표면에서 화학반응을 통해서 기체가 형성되는 것입니다.
NaCl 전해질 (소금물)을 예로 들면, 음극에서는 H2, 양극에서는 Cl2가 형성됩니다.
교류로 전압을 인가하면 2 kHz 이상의 높은 주파수를 인가하게 되면
원소가 전극의 표면에서 화학반응이 일어날 시간이 확보하지 못해서 이온의 전류로
인해서 전기가열이 일어나서 온도상승으로 인해 전극의 온도가 올라가서 기포가 만들어집니다.
플라즈마의 방전은 위와 같은 과정으로 만들어진 기포의 내부에서 방전전기장 이상의 전압이 인가
될 때 만들어 집니다.
요약하면 전기분해는 물분자의 산화/환원 반응으로 기포만 만들어 집니다.
플라즈마 방전은 전기장으로 에너지를 받은 전자가 물분자들을 이온화 하는 현상입니다.
3. DC를 인가해서 플라즈마를 만들 경우, 플라즈마는 전극을 덮은 혹은 전극 주변의 기포 내부에서
형성이 되게 됩니다. 이 때 전자의 에너지는 기포 내부에 인가되는 전압과 기포의 두께로 결정이
됩니다. 단순하게 결정되지는 않습니다. 물은 유전율이 약 80으로, 일반적인 유전체에 비해서
상당히 높은 편이기 때문에 기포의 표면을 따라서 플라즈마가 진행하게 될 수도 있기 때문입니다.
정리된 책인 없지만, 아래 붙이는 관련 논문을 참고하시면 도움이 될 것 같습니다.
전기분해 및 플라즈마 방전비교:
Yoon S-Y, Kim S-J, Lee S, Hong J W, Kim K-W K-H, Seol Y-J and Kim G-H 2013
Driving frequency dependency of gas species in the bubble formation for aqua-plasma generation
Curr. Appl. Phys. 13 S54–S58
전해질 내부에서의 플라즈마 방전 형성조건:
Yoon S-Y, Jang Y C, Lee S-H, Hong J W, Hong Y K and Kim G-H 2012
Characteristics of vapor coverage formation on an RF-driven metal electrode to
discharge a plasma in saline solution Plasma Sources Sci. Technol. 21 055017
Schaper L, Graham W G and Stalder K R 2011
Vapour layer formation by electrical discharges through electrically conducting
liquids—modelling and experiment Plasma Sources Sci. Technol. 20 034003
물 내부의 기포 표면을 따라 진행되는 플라즈마의 특성 (시뮬레이션):
Babaeva N Y and Kushner M J 2009
Structure of positive streamers inside gaseous bubbles immersed in liquids
J. Phys. D. Appl. Phys. 42 132003
4. 아크/코로나/글로우 방전이 물 안에서 가지는 특성에 대해서는 각 플라즈마의 기본적인 특성에
기반해서 이해할 수 있습니다.
방전 전류의 세기에 따라 말씀드리면,
코로나의 경우에는 non-uniform한 전기장에서 형성이 됩니다. 이 때는 기체와 전자의 온도가 다르며
상온에 가까운 기체의 온도와 달리 전자의 온도는 ~10 eV 수준으로 상승합니다. 하지만 전자의 밀도는 낮아서
방전 전류는 수 mA 정도에서 형성이 됩니다.
Glow 방전은 수십~수백 mA의 전류가 흐르며, 이 때는 플라즈마가 방전이 되었을 때 전극에 인가되는
인가전압이 감소되는 것이 전압신호에서 감지가 되기 시작합니다. 동시에 전류가 증가하게 됩니다.
코로나와 달리 전자의 밀도가 증가해서 플라즈마의 전기전도도가 상승해서 전극간의 임피던스가 낮아져서
전압이 유지되기 어렵기 때문입니다.
아크방전은, 만약 플라즈마가 수 초 이상으로 연속적으로 유지될 경우, 기체와 전자의 온도가 유사하게 되고
(약 ~수천 - 만 K) 수~수십 A의 전류가 흐르게 됩니다. Glow 방전보다도 전압이 강하됩니다.