• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.120.2-120.2
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• 2014

플라즈마 토치를 이용한 시료의 가스화용융 기술에 대하여 원리, 적용 분야, 그리고 현황에 대하여 소개한다. 플라즈마 토치는 아크방전이나 고주파에 의하여 상압 조건에서 기체를 열플라즈마로 만드는 장치이며, 산업적으로 대규모의 시료를 처리할 때는 주로 아크방전을 이용한 토치가 사용된다. 최근에는 이 플라즈마 토치가 주로 폐기물의 가스화 용융에 활용되고 있는데 이는 폐기물을 고온에서 처리할 경우 친환경적인 처리가 가능하며 경우에 따라서는 발생되는 합성가스를 이용하여 고효율로 전기를 생산할 수도 있기 때문이다. 또한 플라즈마 토치는 밀폐된 로에서 소량의 가스로 고온에서 동작할 수 있기 때문에 방사성폐기물이나 플럭스 등을 친환경적으로 용융하는 것이 가능하므로 이러한 적용 분야도 증가하고 있다. 이 발표에서는 플라즈마 토치기술과 이를 이용한 가스화/응용기술의 기본적인 소개와 함께 플라즈마 가스화용융기술을 이용한 폐기물의 가스화용융기술의 세계 현황과 국내현황, 그리고 GS플라텍의 기술 현황에 대하여 소개한다. 아울러 몇가지 구체적인 실제 플랜트를 소개하고 실제 가동 데이터와 상업적 운전 결과에 대하여도 소개하고자 한다.

• New & Renewable Energy
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• v.3 no.4
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• pp.77-89
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• 2007

폐기물의 플라즈마를 이용한 열분해-가스화-용융 처리공정은 청정연료 형태로 정화된 합성가스를 얻을 수 있고, 이 합성가스를 WGS 반응과 PSA 공법을 이용하면 고순도 수소로의 전환 및 회수가 가능하다. (주)애드플라텍에서는 자체 보유하고 있는 3톤/일급 플라즈마 폐기물 처리설비와 수소 정제/회수시스템을 연계하여, 페기물로부터 고순도 수소 생산($20Nm^3/h$이상)을 위한 플라즈마 폐기물 처리 추소 생산 통합시스템 개발을 진행하고 있다. 합성가스 내 질소 농도를 낮추기 위해 산소를 매질로 하는 100kw급 산소 플라즈마 토치를 제작하였다. 수소 정제/회수 시스템은 폐기물의 플라즈마 처리 후의 합성가스 생성량과 조성의 변화에 대응할 수 있도록 하였으며, WGS 반응기로 들어가는 합성가스를 가스 컴프레서를 통하여 최대 10기압으로 승압시키고, 고농도 일산화탄소의 효과적인 제거 및 열 회수 극대화가 이루어질 수 있는 최적의 가스처리 시스템으로 구현되도록 하였다. 설치 완료된 WGS 반응기의 성능시험을 플라즈마 처리설비와 연계하여 수행하였다. 합성가스 내 각각 34%와 25%의 일산화탄소 및 수소의 농도가 WGS 반응기를 거친 후, 일산화탄소는 0.1% 미만으로 제거되었으며 수소는 44%로 증가하여 WGS 반응기의 성능 수준이 매우 우수함을 확인하였다. 차기 년도에 설치/가동 예정인 수소 생산용 PSA는 최대 10기압 운전 및 상압재생 방식으로 운전되며 생산된 수소는 최소 99.99%이상의 고순도를 유지할 것으로 기대된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2007.11a
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• pp.627-632
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• 2007

폐기물의 플라즈마를 이용한 열분해-가스화-용융 처리공정은 청정연료 형태로 정화된 합성가스를 얻을 수 있고, 이 합성가스를 WGS 반응과 PSA 공법을 이용하면 고순도 수소로의 전환 및 회수가 가능하다. (주)애드플라텍에서는 자체 보유하고 있는 3톤/일급 플라즈마 폐기물 처리설비와 수소 정제/회수시스템을 연계하여, 폐기물로부터 고순도 수소 생산 ($20Nm^3/h$ 이상)을 위한 플라즈마 폐기물 처리 수소 생산 통합시스템 개발을 진행하고 있다. 합성가스 내 질소 농도를 낮추기 위해 산소를 매질로 하는 100kW급 산소 플라즈마 토치를 제작 하였다. 수소 정제/회수 시스템은 폐기물의 플라즈마 처리 후의 합성가스 생성량과 조성의 변화에 대응할 수 있도록 하였으며 WGS 반응기로 들어가는 합성가스를 가스 컴프레서를 통하여 최대 10기압으로 승압시키고, 고농도 일산화탄소의 효과적인 제거 및 열 회수 극대화가 이루어질 수 있는 최적의 가스처리 시스템으로 구현되도록 하였다. 설치 완료된 WGS 반응기의 성능시험이 플라즈마 처리설비와 연계하여 수행되었으며 WGS 반응기를 거친 일산화탄소의 농도는 1.5% 미만으로 분석되었다. 차기 년도에 설치/가동 예정인 수소 생산용 PSA는 최대 10기압 운전 및 상압재생 방식으로 운전되며 생산된 수소는 최소 99.99%이상의 고순도를 유지할 것으로 기대된다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.802-805
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• 2009

생활폐기물을 플라즈마 가스화하고 얻어지는 합성가스로부터 수소를 생산하는 파일럿플랜트 건설 계획을 소개한다. 이 파일럿플랜트는 현재 가동 중인 청송군의 10톤/일급 플라즈마 가스화 시설을 고농도 합성가스를 생산하는 시설로 변경하고 수소전환반응기와 수소 PSA 장치를 부착하여 99.999% 순도의 수소 $200Nm^3/h$을 생산하여 연료전지 발전하는 것으로 계획되어 있다. 이 파일럿플랜트는 $20Nm^3/h$ 급의 폐기물 플라즈마 가스화 - 고순도 수소 생산 기술개발 완료에 이은 상용화 실증 시설이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.161-161
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• 2014

열플라즈마는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자(원자 및 분자)로 구성된 부분 이온화된 기체로, 국소열평형상태를 유지하여 구성입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 화염 형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마의 특성을 이용하여, 종래 기술에서는 얻을 수 없는 다양하고 효율적인 산업적 이용이 활발히 진행되고 있다. 용사코팅은 노즐 출구를 통해서 외부로 방출되는 열 플라즈마 화염을 이용하는 것으로 이 화염의 와류 특성으로 인하여 외기의 가스가 화염내부로 침투하는 특성을 가진다. 이러한 현상은 열원의 냉각효과 외에도 외기를 구성하는 기체 분자의 내부 유입을 의미하는 것으로 대기 상태에서 공정이 이루어진다면 열원 내로 유입되는 대기 내의 산소가 모재 표면과 반응하여 산화가 진행된다. 이러한 산화과정은 용사 코팅의 품질을 저하시키는 요인이 되므로, W, Ti 등과 같은 반응성이 높은 재료의 코팅은 산화과정을 방지하기 위하여 진공에서 코팅을 하여야만 한다. 진공 플라즈마용사코팅은 진공 또는 저압의 불활성 분위기 중에서 열플라즈마 화염에 용사재료를 투입하여 플라즈마 화염 내부에서 순간적으로 이를 용융시킨 후 고속으로 분출, 모재에 적층시키는 코팅공정이다. 이때 분말상의 용사재료를 고속으로 화염 중심에 투입하여 최대 에너지 전달이 이루어지도록 하는 것이 적층효율 및 코팅품질을 향상에 필수적이다. 하지만 플라즈마 화염 내부를 고속으로 이동하는 입자의 온도와 속도 및 궤적을 측정하여 제어하는 것은 매우 어렵기 때문에, 통상 형성된 코팅의 구조와 두께로부터 경험적으로 파라미터를 결정하는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 초고속 레이저 카메라와 이미지 분석용 소프트웨어를 이용하여 플라즈마 화염내의 비행입자 궤적을 추적하고, 이를 통해 분말 이송가스의 유량이 코팅 효율 및 미세구조에 미치는 영향을 조사하였다. 플라즈마 화염은 중심부가 가장 높은 온도와 속도를 가지고 있기 때문에, 분말 이송가스의 유량이 적을 경우 투입된 분말은 단지 플라즈마 화염의 상부 경계면을 지나는 궤적을 갖게된다. 이로 인해 분말의 용융이 충분히 이루어지지 않아 적층 효율이 낮고 미용융 입자 및 기공이 많은 미세구조를 보였다. 이송가스 유량을 증가시키게 되면, 분말의 궤적은 플라즈마 화염의 중심부를 지나게 되어 적층 효율이 증가하고 미세구조 또한 개선되었다. 하지만 이송가스 유량이 지나치게 클 경우, 투입된 분말 입자는 플라즈마 화염을 조기에 관통하게 되어 비행궤적은 온도와 속도가 낮은 영역에 형성되었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.71.1-71.1
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• 2013

메탄가스와 이산화탄소는 지구온난화 가스이기 때문에 배출규제가 점차 강화될 것으로 전망되고 있다. 또한 이들 가스는 매립지 또는 바이오 공정을 통해 발생되는 가스이기 때문에 단순히 배출을 억제하는 데 그치지 않고 보다 적극적으로 활용해야할 필요성이 있다. 현재 메탄과 이산화탄소를 동시에 활용하는 기술로는 촉매공정을 통해 메탄과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 전환하는 방법이 대표적이나, 본 공정은 $800{\sim}900^{\circ}C$의 고온조건을 필요로 하고 고압조건에서 다량으로 생성되는 탄소에 의한 촉매 활성도의 저하문제로 인해 해당 기술의 실제 보급에 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 플라즈마를 활용한 메탄가스 개질(reforming) 기술은 고온 플라즈마인 경우 60~70년 전부터 상용화 사례가 있으며, 저온 플라즈마의 경우는 약 10여 년 전부터 개질반응의 공정온도를 낮추려는 연구를 중심으로 기초연구가 수행되어왔다. 이들 플라즈마를 활용한 메탄개질 기술은 메탄의 직접분해, 부분산화, 수증기 개질 및 건식개질 등으로 분류되는 데, 최근 지구온난화가스인 이산화탄소의 처리에 대한 관심이 높아지면서 이산화탄소를 활용하는 건식개질 기술에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 현재 플라즈마 건식개질기술에서 주된 이슈는 높은 전력비용이고, 이를 낮추기 위해 촉매를 활용하거나 플라즈마 발생을 최적화하려는 연구가 진행되고 있다. 본 발표에서는 플라즈마를 활용한 건식개질 기술의 장단점, 실용화 가능성 및 향후의 과제를 다루고 있으며, 이를 위해 기계연구원에서의 연구결과 및 국내외 연구실의 결과를 살펴보았다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.119.2-119.2
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• 2014

대기환경 규제가 강화됨에 따라 기존 기술 대비 획기적인 성능과 가격 경쟁력을 갖춘 새로운 대기환경 기술에 대한 수요가 지속적으로 요구되고 있다. 특히 최근에는 종래의 분진, 이산화황가스 및 질소산화물에 대한 규제와 더불어 지구온난화가스인 이산화탄소, 과불화화합물 (Perfluorocompounds, PFCs), 메탄가스 등에 대한 규제가 강화되면서 이에 대응할 수 있는 대기환경 기술의 수요가 늘고 있다. 한국기계연구원에서는 지난 10 여 년간 지구온난화가스이자 난분해성 가스인 메탄 및 PFCs 가스를 플라즈마 화학반응 공정을 통해 분해하는 연구를 수행해왔으며, 이를 바탕으로 산업에 적용할 수 있는 기술개발도 병행하여 수행하였다. 현재 개발된 기술 가운데 일부는 산업에 실제로 적용되고 있으며, 이를 통해 산업현장에서는 지구온난화가스는 물론 질소산화물과 같은 다른 종류의 규제물질도 동시에 저감할 수 있었다. 본 발표에서는 플라즈마를 활용하여 난분해성 가스인 메탄과 PFCs를 분해하는 기술의 특성을 살펴보았으며, 이를 바탕으로 산업현장에 적용된 대기환경기술이 어떻게 활용되고 있는지를 소개하고 있다. 본 발표에서 다루게 될 플라즈마 발생기술은 펄스 코로나, 유전체장벽방전, 마이크로웨이브 토치, 아아크 토치 등이며, 플라즈마 발생조건은 수 torr 이하의 진공조건부터 및 대기압 조건에 이르고 있다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.08a
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• pp.295-295
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• 2012

염소와 불소 혼합가스와 펄스 직류 전원 플라즈마를 이용하여 GaAs/$Al_{0.2}Ga_{0.8}As$의 선택적 식각을 연구하였다. 식각 주요 공정 변수는 혼합 플라즈마에서 불소 가스의 유량(0~50%) 이었다. 다른 공정 조건은 공정 압력, 펄스 파워, 펄스 주파수, 리버스 시간이 이 있다. 저진공(~100 mTorr) 플라즈마에 대한 연구로 한정하여 기계적 펌프만을 사용하여 공정을 진행하였다. 오실로스코프(Oscilloscope) 데이터에 의하면 가스의 조성 변화에도 척에 걸리는 입력 전압과 전류가 거의 변화가 없었다. $BCl_3/SF_6$플라즈마에서 $SF_6$가스가 10%의 조성에서 GaAs와 $Al_{0.2}Ga_{0.8}As$의 식각 선택비가 약 50:1로 우수한 결과를 나타내었다. 혼합 플라즈마에서 $SF_6$가스의 증가는 GaAs의 식각율과 선택도를 감소시켰다. 그리고 불소 성분 가스의 조성비가 일정량 이상일 경우에는 GaAs와 $Al_{0.2}Ga_{0.8}As$가 거의 식각되지 않았다. 위의 결과들을 종합적으로 보면 펄스 직류 전원 $BCl_3/SF_6$플라즈마에서 불소의 조성비는 GaAs의 선택적 식각에서 중요한 역할을 함을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.142-142
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• 2013

DBD (Dielectric Barrier Discharge) 대기압 플라즈마를 이용한 a-Si 식각기술에 대한 연구결과를 논하고자 한다. 기술개발의 목적은 대면적 TFT-LCD 혹은 Flexible Display 공정에 적용가능한 대기압 플라즈마 식각장치의 개발 및 검증이다. 실험에서 식각 가스로는 SF6, NF3 등을 사용하였으며, 질소를 기본 가스로 사용하였다. 검증용으로 개발된 대기압 플라즈마 식각 장치는 대기압 플라즈마 장치를 연속적으로 통과하는 in-line system 형식으로 개발되었다. 검증에 사용된 대기압 플라즈마 장치는 300 mm의 방전 폭으로 1세대 LCD기판의 처리가 가능하다. 대기압 플라즈마 식각 기술 개발에서 식각율에 영향을 미치는 변수들은 기판의 온도, 식각가스의 농도, 기판의 이송속도, 기판과 플라즈마 발생장치 사이의 간격 그리고 플라즈마의 인가 전력 등으로 크게 구분지어 생각할 수 있다. 개발된 식각 장치는 SF6를 사용하는 경우 최대 환산 식각율은 500 nm/min 정도이다. 식각 기술에서 중요한 식각 Uniformity와 그와 연관된 a-Si/SiNx 식각 선택비는 사용하는 가스의 Recipe 개발에 중점을 두고 연구를 진행하였다. 식각 Uniformity는 약 7% 이내의 균일도를 갖고 a-Si/ SiNx의 선택비는 10이상의 결과를 얻었다. 또한 식각 가스는 식각 profile에 영향을 줄 수 있는데 대기압 환경에서 형성되는 collisional sheath에도 불구하고 비 등방성 식각이 가능하였다.

• Proceedings of the KWS Conference
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• v.43
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• pp.49-51
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• 2004

레이저 아크 하이브리드 용접에서 보호가스로 헬륨을 사용하였을 때 레이저에 의해 발생하는 금속 증기가 아크 플라즈마의 거동에 미치는 영향에 관하여 시뮬레이션 하였다. 해석에 필요한 기본적인 물성치들은 헬륨과 금속 증기의 부분압에 따라 비율로서 결정하였고 아르곤을 사용하였을 때와 비교하여 헬륨 플라즈마의 특성을 파악하였다. 또한 보호가스의 종류에 따라 레이저 빔의 흡수율을 계산하여 고옥의 플라즈마가 발생할 때 헬륨 보호가스가 적당함을 보였다.