수소 첨가 아르곤 플라즈마 제트로 물 활성화와 농업 활용

초록

본 연구는 두 종류의 전압 공급 방식을 이용해 0 %–3.5 % 수소 함량을 가진 아르곤‑수소 혼합 가스로 대기압 플라즈마 제트를 생성하고, 전기·열·광학 특성을 정량화하였다. 두 플라즈마 소스는 동일한 반응 종을 생성했으나 고주파(PS #1)에서는 질소산화물(NO)이 추가로 관찰되었다. 물 활성화 실험에서 수소를 첨가하면 암모니아가 생성되어, 농업용 활성 물로서의 잠재적 가치를 제시한다.

상세 분석

본 논문은 대기압 플라즈마 제트(APPJ)의 새로운 운용 파라미터인 수소 함량과 전압 파형(주파수·진폭·웨이브폼)의 상호작용을 체계적으로 규명한다. 두 플라즈마 소스(PS #1: 27 kHz 사인파 변조, 588 Hz 반복, PS #2: 110 kHz 댐핑 사인파, 180 Hz 반복)는 동일한 DBD 구조와 동일한 기체 흐름(2 slm)을 공유하지만 전원 특성에서 차이를 보인다. 전기 특성 분석에서는 평균 방전 전력(P_dis)과 RMS 전류(i_RMS)가 H₂ 농도 증가에 따라 비선형적으로 변함을 확인했으며, 특히 PS #1에서 전력 상승이 더 뚜렷했다. 이는 고주파 전원에서 전자 충돌 횟수가 증가해 전자 밀도(n_e)가 상승하고, 결과적으로 방전 전력이 증폭되는 메커니즘으로 해석된다.

열 측정에서는 광섬유 온도 센서를 이용해 가스 온도(T_g)를 직접 측정했으며, H₂ 비율이 0 %에서 3.5 %로 증가함에 따라 T_g가 5–10 °C 정도 상승하였다. PS #1에서의 온도 상승이 PS #2보다 크게 나타난 것은 고주파 전압이 전자-분자 충돌을 촉진해 전자 에너지 분포를 고온 쪽으로 이동시키기 때문이다.

광학 방출 분광(OES) 분석에서는 OH(309 nm), O(777 nm), N₂(C‑B) 밴드(337 nm) 등 전형적인 RONS가 모두 검출되었으며, NH 라인(336 nm)도 H₂ 첨가 시 명확히 관찰되었다. 특히 NO(250 nm) 라인은 PS #1에서만 검출되었는데, 이는 고주파 전원에서 질소와 산소의 활성화가 강화되어 NO 생성 경로(N + O → NO)가 활성화된 결과로 보인다. 전자 밀도는 N₂(C‑B) 밴드 강도와 Boltzmann 플롯을 이용해 10¹⁴–10¹⁵ cm⁻³ 수준으로 추정되었으며, 회전 온도(T_rot)와 진동 온도(T_vib)는 각각 약 300 K와 3500 K로, 두 소스 간 차이는 미미했다. 이는 전압 파형이 전자 에너지 분포에 미치는 영향이 회전·진동 자유도보다는 전력 전달 효율에 더 크게 작용함을 시사한다.

물 활성화 실험에서는 플라즈마 제트를 직접 물 표면에 5 min간 조사했으며, H₂가 없는 경우 주로 H₂O₂와 NOₓ(특히 NO₂)가 생성되었다. 반면 3.5 % H₂를 포함한 가스로 운영할 경우, NH₃ 농도가 0.2–0.5 mg L⁻¹ 수준으로 검출되었다. 이는 플라즈마 내 NH 라디칼이 물과 반응해 암모니아로 전환되는 메커니즘으로, 농업용 비료 대체 물질로서의 활용 가능성을 열어준다. 또한, H₂ 첨가가 OH·와 O·의 농도를 약간 감소시키면서도 전체 RONS 총량은 유지되는 점은, 수소가 전자 재결합을 촉진해 플라즈마 화학을 미세 조정한다는 점을 보여준다.

결론적으로, 전압 주파수·파형과 수소 함량은 대기압 플라즈마 제트의 열·전기·화학적 특성을 독립적으로 조절할 수 있는 유효한 파라미터이며, 특히 고주파·고전압 파형(PS #1)에서는 NO 생성이 가능하고, 저주파·펄스 파형(PS #2)에서는 NH·NH₃ 생산에 유리함을 확인했다. 이러한 결과는 플라즈마 기반 물 활성화 기술을 목적에 맞게 맞춤 설계할 수 있는 근거를 제공한다.