방전 플라즈마의 활용

ㄱ. 전공 공부/플라즈마

방전 플라즈마의 활용

공돌이의 재테크 이야기 2020. 10. 1. 11:18

[부분 방전에 의한 대전현상 응용 - 전기집진]
전기적인 방법을 이용하여 가스 중에 부유하는 미립자인 분진 등을 대전시켜 쿨롱의 힘을 활용하여 미립자를 포집하고, 분진을 제거하는 것을 전기집진이라고 한다.
접지한 집진 전극인 평행 평판 전극(+) 사이에 가느다란 선 전극(-)을 매달고 양쪽 전극 사이에 직류 또는 펄스 전압인 고전압을 인가하면, 전극의 표면에 (-)corona 방전이 발생하면서 전자를 주위에 방출시킨다. 여기에 분진을 포함한 가스를 통과시키면 corona에 의해서 생긴 음이온이나 전자가 부착하여 분진을 음으로 대전시킨다. 그 결과, 분진은 집진 전극에 흡착되어 가스로부터 포진되고, 전기집진이 이루어진다. 필요에 따라서 집진용 필터를 같이 사용할 수 있으며, 공장의 매연처리나 가정용 공기청정기 등의 기본원리를 제공하고 있다.

[부분 방전에 의한 대전현상 응용 - 정전도장]
전기집진의 원리를 이용하면 도장작업을 효율적으로 할 수 있으며, 이것은 Harl Ransburg가 그리드 식에 의한 정전도장(electrostatic coating)을 실용화시킨 것에 기초를 둔다. 원리는 칠감을 작게 만들어 전계 내에 분사하면 칠감 입자가 대전 되어 칠감 입자는 전기력선을 따라 이동하고, 반대 극성인 피 도장 물의 표면에 균일하고, 강하게 부착되게 된다.
칠감은 압력이 가해진 노즐에서 분사되고 미립화되어 분출될 때, 방전 전극의 코로나 방전으로 (-)전하를 얻어 피 도장 물의 앞면은 물론 뒷면까지 부착되고, 피 도장 물은 컨베이어에 의해 적외선 전구의 건조기를 통과하는 사이에 건조된다.
정전도장의 장점은 칠감의 낭비가 적으며, 얼룩이 없는 견고한 도장이 가능하고, 컨베이어에 의해 연속작업이 가능하여 대량생산의 뛰어난 특징을 가지고 있다는 것이다.

[부분 방전에 의한 대전현상 응용 - 정전 공기 청정]
가정뿐만 아니라 공장에서 먼지로 인해 비위생적으로 되고, 제품의 질에 적지 않은 영향을 미친다. 특히, 직물공장에서는 그 피해가 막대하고, 기계적 청정 방법만으로 먼지를 제거하는 것은 거의 불가능하다. 이 같은 경우는 Cottrell 집진장치의 원리를 응용한 정전 공기 청정장치(electrostatic air cleaner)를 사용하면 미세한 먼지도 쉽게 제거할 수 있다. 기계적 수단으로 제거할 수 있는 것은 0.2 ~ 10㎛ 정도의 입자지만, 정전형 공기 청정장치로는 0.001㎛ 정도의 작은 입자까지 제거할 수 있다.
원리는 먼지가 유입되면 corona 방전으로 양(+)전하가 주어지므로 정전계에 진입하면 음(-)의 전극 판에 축적된다.

[플라스마 광 이용 - 조명용 광원]
현재 조명용으로 쓰이고 있는 대부분 광원은 플라스마 발광을 이용하고 있다. 예를 들면, 형광램프는 수은 증기 중에 있어서 플라스마가 발생시키는 강한 자외선으로 방전관의 내면에 바른 형광물질에 조사하여 가시광으로 변환한다. 점등하고 있을 때의 방전관 내의 수은 증기의 압력은 6(m torr) 정도이다.
도로조명이나 공원조명의 경우에는 고압 수은 램프, 금속 헬 라이트 램프, 고압 나트륨램프를 쓰고 있다. 이 중에서 고압 수은 램프는 형광관 속에 Ar(아르곤)와 미량의 수은을 넣었다. 전압을 가하면 주 전극과 시동 전극 사이에서 아르곤의 방전이 발생하고, 이 방전 열로 수은이 증발하여 수은 arc 방전이 발생한다. 방전 개시 후, 시간이 잠깐 지나면 수은 증기의 압력은 수 기압으로 변하여 청백색의 강한 빛을 내게 된다. 증기 온도를 높이게 되면 발광효율이 높아지므로 2중 관으로 하여 그사이에 질소가스를 넣기도 한다.

[플라스마 광 이용 - 레이저]
레이저는 통신, 계측, 광전자기(홀로그래피, 광디스크, 프린터 등), 가공, 의학, 핵융합 연구 등의 여러 분야에서 활용되고 있다.
플라스마 영역에서는 전리와 여기가 매우 활발하므로, 이것을 이용해서 엑시머 레이저나 헬륨-네온 레이저 등이 펌프질 광원으로 활용된다.
엑시머 레이저는 자외선 영역의 고출력 펄스 레이저로 여기 시키기 위해서는 고전압 펄스 방전이 쓰이며, 광화학 반응에 의한 박막의 형성이나 미세가공, 핵융합 연구 등에 활용되고 있다.

[플라스마 광 이용 - PDP]
PDP는 기체 방전 플라스마로부터 나오는 빛을 이용하여 문자 또는 그래픽을 표시하는 소자이다. PDP는 전극이 플라스마에 직접 노출이 되어 전도전류가 전극을 통해 직접 흐르는 직류형(DC형) PDP와 전극이 유전체로 덮여 있어 직접 노출이 되지 않아 변위전류가 흐르게 되는 교류형(AC형) PDP로 구분을 한다. 방전가스로부터 나오는 가시광을 직접 이용하는 경우는 대부분 단색표시 PDP 소자에서 이용된다.
플라스마 디스플레이는 40인치 이상의 대형화와 컬러화가 가능하며 넓은 시야각을 갖는 등 다른 평판 소자에서 찾아볼 수 없는 고유한 장점을 많이 갖고 있다. 가스 방전에 의한 인공 플라스마로부터의 발광현상의 관측은 18세기 초에 볼트에 의해 전지가 발명되어 인공적으로 가스방전을 시킬 수 있게 되면서 시작이 되었으며, 19세기 중엽 Faraday 등의 여러 학자에 의해 가스 방전 현상에 관한 광범위한 연구가 이루어졌고, 이를 통해 x선이나 전자 등이 발견이 이루어졌다.
PDP가 40인치 이상의 대형평판 표시소자로 제작이 가능한 이유는 매우 강한 비선형성, 기억 기능, 장수명, 고휘도 및 고 발광 효율, 넓은 시야각, 컬러화의 용이성, 낮은 제조 비용 등이다.