플라즈마와 기체 시스템 내 화학종 발생 및 광분해 효과 전산 모델링

Abstract

대기압 플라즈마의 특성 중 하나는 고농도 활성 산소종 및 질소종(RONS)을 발생시키는 것이며, 이러한 특성으 로 인해 플라즈마는 의학, 파밍(식품 및 농업) 분야에 활용도가 높아 물리, 화학적 기초연구 외에도 산업적 응용 연 구도 활발히 진행되고 있다. 이러한 플라즈마의 여러 활용 중에서 플라즈마의 직간접적인 처리를 통해 농산물의 보관 기간을 연장하고 품질을 유지 또는 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 농업 분야의 응용에 있어 중요한 화학종들 중 하나는 일산화질소(NO)로, 이는 생산된 농산물의 후숙을 억제할 뿐만 아니라 저장 기간에 큰 영향을 미치는 에틸렌 제거와도 관련이 있기 때문이다. NO는 플라즈마에서도 일정 온도 이상의 고온에서 충분히 발생하 기 때문에, 농산물에 영향을 끼치지 않도록 플라즈마가 최소한의 열을 발생시키거나 처리대상과 멀리 떨어진 상태 에서 가능한 한 NO를 많이 발생시킬 수 있는 최적 구동조건을 찾는 것이 중요하다. 그리고 이러한 NO는 활성종들 의 광분해에 의해서도 발생된다고 알려져 있다. 본 연구에서는 플라즈마에서부터 확산되는 여러 화학종들의 조성 및 NO 순도, 그리고 광분해에 의한 NO의 발생량을 전산모델과 실험을 통해 파악 및 비교 분석하였다. 플라즈마 처리 시간 및 플라즈마 발생원으로부터의 거리에 따른 활성종들의 농도 분포를 파악하기 위해 플라즈마 영역을 0 차원으로, 기체영역을 1차원으로 계산하는 전산모델을 개발했으며, 대기압 표면유전장벽방전에서 발생한 여러 화학종들이 기체영역으로 확산, 화학반응으로 인해 시간에 따라 변화되는 농도 분포를 관찰하였다. 또한 자외선 광분해에 의한 전체 화학종들의 농도 분포의 변화를 관찰하고, 습도 및 자외선의 스펙트럼 및 세기에 의한 영향도 파악하였다. 개발된 모델은 플라즈마에서 발생되는 NO의 발생시간 및 농도 분포를 파악하고, 외부 자외선 광원으 로 NO 발생 및 활성종을 제어하는 데 유용할 것이며, 더 나아가 최적조건을 찾기 위해 플라즈마에 인가되는 전력 을 바꾸었을 때 일어나는 조성 변화 등을 연구하는 데 유용한 기반이 될 것으로 기대된다.