Development of a single spark discharger for highly efficient nanoparticle generation

Abstract

나노입자는 그 고유의 광학, 촉매, 전기적 특성 등으로 인하여 많은 분야에 사용 되고 있다. 나노입자를 생산하는 여러 방법 중, 스파크 방전을 이용한 나노입자 생산법은 방법의 편의성, 경제성, 생산된 나노입자의 순수성이 여타의 다른 방법에 비하여 뛰어나기 때문에, 많은 연구가 진행 되어 오고 있는 분야이다. 특히, 스파크 방전을 이용하여 발생된 나노입자는 그 중 일부가 공기 중의 하전된 형태로 존재한다는 장점이 있기 때문에, 에어로졸 기반의 정전기적 패터닝의 주된 재료로 사용되고 있다. 따라서 본 연구는, 스파크 방전 장치의 개선을 통하여, 스파크 방전을 통하여 발생한 나노입자의 생산 효율 및 생산량을 증가시키는데 그 목표를 갖고 진행하였다. 이를 위하여 스파크 방전 나노입자 발생 장치의 구성 요소 중, 스파크 방전 외부 회로를 변형 시켜, 하전 입자량 생산의 증가를 얻어내었다. 변형된 외부 회로에서는, 기존의 회로에 추가 전압공급장치와 저항을 병렬로 연결하여 스파크 방전 사이에 코로나 방전이 발생하도록 하였으며, 이를 통하여 양하전 입자량을 최대 약80퍼센트 증가 시킬 수 있었다. 또한, 코로나 방전이 일어나지 않는 스파크 전극을 사용한 비교 실험을 통하여, 본 회로가 코로나 방전을 통하여 하전된 나노입자 생산량 증가에 도움을 주고 있음을 밝혀 내었다. 또한, 본 연구에서는 나노입자 생산량 증가를 위한 방법 중 하나인, 스파크 방전 주파수를 늘리는 방법에 필요한 실험 변수들을 찾는 연구도 진행하였다. 기존의 봉-봉 구조의 스파크 방전 장치에서는 1kHz 이상의 스파크 방전 주파수를 얻어 낼 수 없었으나, 본 연구에서는 봉-판 구조, 와이어-판 구조의 스파크 방전 장치와의 비교 실험을 통하여, 고주파의 스파크 방전을 얻기 위해서는 스파크 방전 부분의 강한 전기장의 세기와 기체 유속의 증가가 필요하다는 사실을 밝혀 내었다. 위의 연구를 통하여, 실제 산업 현장에 적용 가능한 고주파 스파크 방전 장치의 전극 구조인 와이어-원통 구조를 개발하였으며, 시뮬레이션과 사전 연구를 토대로, 원통의 두께 및 와이어의 두께의 적합한 값에 대한 연구를 진행하였다. 또한, 이 전극 구조를 사용하여, 장시간의 고주파 스파크 방전에도 비슷한 나노입자 크기 분포를 얻을 수 있음을 확인하였다.