대기압 플라즈마 처리로 생성시킨 방전수 시스템의 전산모델링

Abstract

대기압 플라즈마에서 발생하는 각종 화학종들, 특히 반응성이 높은 활성 산소종과 질소종은 다양한 분야에서의 응용에 있어 중요한 역할을 한다. 특히 플라즈마 의학, 농업, 식품 분야에 활용을 위해 기초 연구 및 개발이 전세계적으로 활발히 진행되고 있는데, 최근에는 플라즈마 처리수, 즉 방전수의 응용 또한 중요해지면서 직간접적으로 플라즈마와 반응한 수용액의 성분을 파악하고자 하는 연구가 활발히 수행되고 있다. 경험적이고 실험적인 접근과 병행하여, 플라즈마로부터의 위치와 시간에 따른 여러 활성종의 조성비를 파악하는 것이 중요하며, 본 연구에서는 방전영역을 0차원으로 하고, 각각 1 cm 높이의 기체 및 수용액 영역을 1차원 유체모델로 고려해 세 영역을 하나의 시스템으로 취급하여 동시에 계산하는 전산모사 모델을 개발했으며, 이와 함께 대기압 유전 장벽방전에 직간접적으로 노출된 기체와 방전수의 화학반응을 모사하였다. 플라즈마는 20 kHz 주파수를 가지면서 전력밀도가 0.05 Wcm-²를 유지하도록 계산을 수행하였고, 발생한 화학종들이 기체, 수용액 영역으로 확산, 용해되면서 화학반응에 따른 각 화학종들의 농도를 시간, 공간에 대해 계산하여 100초 동안의 농도 변화를 관찰하였다. 그 결과 기체 상에서는 오존(O3)과 과산화수소(H2O2), 질소산화물, 수산화물 등의 농도가 높은 경향을 보였으며, 수용액 상에서는 기체 상에서 가장 농도가 높은 O3과, 비교적 용해도가 높은 H2O2와 HNO2, HNO3의 이온 형태인 NO2-, NO3- 이온의 농도가 높게 나타났다. 또한, H+ 이온의 농도가 높아지면서 자연히 pH 또한 점점 낮아지는 경향을 확인하였다. 개발된 모델은 방전수 및 플라즈마와 처리군의 화학적 상호작용들을 연구하고 이해하는 데 있어 유용한 기반이 될 것으로 기대한다.