대기압 미세 방전에 의해 유도된 플라즈마 화학반응의 분광학적 연구
Spectroscopic Investigation of Plasma Chemical Reactions Induced by Microdischarge at Atmospheric Pressure
초록/요약
This dissertation addresses a study on atmospheric pressure non-thermal microplasma in general, more specifically on spectroscopic diagnosis of some plasma chemical reactions induced by the plasma and on applicability of the plasma in some uses. The microplasmas were generated by resorting to discharge modes such as some variations of dielectric barrier discharge (DBD) and also a variation of corona discharge called a microdischarge inside a porous ceramic (MIPC). The DBD used in this study incorporates nano-porous alumina films as the dielectric barriers, which were produced by an electrochemical process. The electrode configurations based on the nano-porous barriers include a slot electrode and a bundle-type system. The slot electrode system was arranged by placing two aluminum (Al) rods covered with nano-porous alumina film in parallel with a certain gap while the bundle system was constructed by arranging four cylindrical electrodes in parallel such that they share a common inner space. Plasma chemical reactions induced in such microplasma were monitored using optical emission spectroscopy, FT-IR spectroscopy, UV-Visible spectroscopy, time-resolved optical emission spectroscopy and high resolution ICCD (intensified charge coupled device) photography to gather information on the degree of non-equilibrium, electron density, uniformity of plasma reaction and concentrations of transient species. The vibrational temperature of most systems exceeded 3000 K, far above the rotational temperature which was around 300 K. It was found that the humidity level in He gas is a critical factor of assuring the uniformity of regular DBD. The microplasmas were applied in such uses as glass surface treatments, ozone synthesis, and energy-related technology. For ozone synthesis based on the bundle discharge in air it was found that the system of the nano-porous barrier consumed far less power than the system of regular barrier. It was also found that ozone yield in air was lowered due to the formation of NOx. Slot microplasma was found to be effective for continuous low temperature surface treatments. MIPC was more effective than the bundle type DBD in inducing the decomposition of methanol to produce hydrogen gas. For use of the microdischarge in energy-related applications the pulsed power form is much more energy efficient than continuous DC or AC power form.
more초록/요약
대기압 비평형 미세방전 플라즈마에서의 플라즈마 화학을 상세한 분광학적 진 단을 이용하여 연구하였고 그 반응성을 몇 가지 응용 분야에 적용하였다. 미세방전의 발생은 유전체 장벽 방전 (DBD) 과 다공성 세라믹 내부의 미세 방전(MIPC)으로 불리는 코로나 방전 등 두 가지 형태에 의존하였다. 유전체 장벽 방전에서 사용되는 유전체로는 전기 화학적 반응으로 형성된 나노 다공성 알루미나 박막을 사용하였다. 전극의 구조로는 slot 혹은 묶음(bundle) 등의 기하적 형태를 채 택하였다. Slot 전극 구조 체계는 나노 다공성 알루미나 박막으로 덮인 두 개의 알루 미늄 막대가 일정한 간격으로 평행하게 배열되어 있는 형태이고, 묶음 전극 구조는 네 개의 원통형 전극이 내부 공간을 공유하면서 평행하게 배치되어 있는 형태이다. 미세 방전에 의해 유도된 플라즈마의 화학반응에서 비평형의 정도, 전자 밀 도, 플라즈마 반응의 균일성과 생성 종들의 농도 등의 정보를 얻기 위해 광 방출 분광법, 적외선 분광법, 가시광-자외선 분광법, 시간 분해 광 방출 분광법과 시간분 해 ICCD 이미지 측정 등의 방법들을 사용하였다. 대부분의 방전에서 진동 온도는 3000 K 를 초과하지만 회전 온도는 이보다 훨씬 낮아 300 K 정도를 보였다. 또한, 헬륨 가스 안의 습도는 일반적인 DBD의 균일성을 결정하는 중요한 인자임을 확인 하였다. 유리 표면 처리, 오존 생성, 에너지 관련 기술에 미세 방전의 응용을 시도 하였다. 묶음 전극 구조 체계를 사용한 공기 중에서의 오존의 합성에서 일반 유전 체 보다 나노 다공성 유전체를 사용한 경우에 훨씬 더 적은 전력이 소모됨을 확인 하였다. 또한, 공기 중에서의 오존 수득률의 감소는 NOx의 영향임을 확인하였다. Slot 미세 방전은 연속적인 낮은 온도 표면 처리에 효과적임을 확인하였다. 메탄올 을 분해하여 수소를 생산하는 경우 MIPC가 묶음 전극 구조 DBD 보다 더 효과적이 었다. 에너지와 관련하여 미세 방전을 응용할 경우 펄스 형태 전원이 DC 또는 AC 전원 형태 보다 훨씬 더 큰 에너지 효율을 보였다.
more목차
감사의 글 = ⅰ
초록 = ⅱ
목차 = ⅲ
List of Tables = ⅵ
List of Figures = ⅶ
제1장. 서론 = 1
1.1 대기압 플라즈마 = 1
1.1.1 대기압 플라즈마 소개 = 1
1.1.2 대기압 글로우 유전체 장벽 방전 = 5
1.2 다양한 미세 방전 소자 = 7
1.3 기존의 연구들과 그 문제점 = 9
1.4 논문의 목적과 동기 = 11
제2장. 실험 = 17
2.1 미세 방전 전극의 제작 = 17
2.2 미세 방전 장치 = 22
2.2.1 방전 특성 분석 방법 = 22
2.2.2 대기압 slot과 bundle 미세 방전 = 24
2.2.3 대기압 RF 유전체 장벽 방전 = 26
2.2.4 대기압 다공성 세라믹 내부 미세 방전 = 27
2.3 미세 방전의 플라즈마 화학 반응으로의 적용 = 28
2.3.1 습도 효과 = 28
2.3.2 표면 처리 = 30
2.3.3 오존 생성 = 32
2.3.4 메탄올/물 혼합 가스에서의 미세 방전 = 33
제3장. 미세 방전 특성과 논의 = 35
3.1 Slot 미세 방전 = 36
3.2 Bundle 미세 방전 = 55
3.3 다공성 세라믹 내부 미세 방전 = 72
3.4 RF 유전체 장벽 방전 = 80
3.5 RF 유전체 장벽 방전에서 습도 영향 = 83
제4장. 플라즈마 화학 과정에서 미세 방전의 적용 = 94
4.1 Slot 미세 방전을 이용한 표면 처리 = 94
4.2 Bundle 미세 방전을 이용한 오존 생성 = 101
4.3 나노 다공성 유전체 미세 방전과 다공성 세라믹 내부 미세 방전을 이용한 메탄올/물 혼합 가스에서 수소 생산 = 109
4.3.1 Bundle 미세 방전 = 112
4.3.2 다공성 세라믹 내부 미세 방전 = 121
4.3.3 비평형 플라즈마에서 비열적 전자와 들뜬 상태 분자의 이완 = 128
제5장. 요약 및 앞으로의 과제 = 136
References = 141
Publication List = 150
Abstract = 155
