대기압 플라즈마 제트 토치의 설계에 관한 연구

Abstract

대기압 플라즈마 제트는 플라즈마원의 한 종류로서, 대기압에서 작동하며 비교적 저온의 제트를 분출한다. 진공 설비가 필요없는 단순한 작동 여건 덕택에, 표면처리에 사용되어왔던 기존의 저압 플라즈마원들을 대체할 것으로 기대되고 있다. 대기압 플라즈마 제트의 공정 변수에 관한 많은 연구가 있어 왔으나, 작동거리(제트 출구와 대상물과의 거리)에 대한 연구는 드물다. 이는 제트에 포함된 활성종의 비활성화를 최소화하기 위해 대기압 플라즈마 제트의 작동 거리는 짧을수록 좋다는 사실에 기인하지만, 그럼에도 불구하고 기하학적인 형상 등의 제한으로 지근거리에서의 작동이 어려울 때에는 원거리에서의 작동이 필요하다. 본 연구에서는 특히 제트의 길이에 초점을 맞추어, 유체역학적인 특성이 대기압 플라즈마 제트에 미치는 영향을 알아보았다. 플라즈마 가스의 유량이 높으면 층류-난류 천이에 의해 플라즈마 제트의 길이가 짧아지는 현상이 관찰되었는데, 이는 원거리에서의 작동에는 층류 플라즈마 제트가 적절함을 시사한다. 노즐 출구에 짧은 길이의 속이 빈 원통을 부착하는, 작은 기하학적 형상 변경에 의해서도 층류 플라즈마 제트의 길이는 현저하게 신장됨을 관찰하였다. 층류 플라즈마 제트의 길이를 더욱 신장시키기 위해 보조 가스를 주입하는 방안을 제안하였으며, 만족할 만한 결과를 얻었다. 신장된 층류 플라즈마 제트의 길이에 따른 반응성의 향상은 플라즈마 표면 처리 후에 접촉각을 측정하여 검증하였다.