1. 서 론

플라스틱은 가볍고 내구성이 좋으며 성형하기 쉽고 저렴한 장점이 있어 다양한 산업에서 사용되며, 이에 따라 전 세계 플라스틱 생산량은 1950년 150만 톤에서 2021년 3억 9,070만 톤까지 매년 증가하고 있다^{[1, 2]}. 플라스틱 생산량이 증가함에 따라 큰 플라스틱에서 떨어져나오거나 생산과정에서 발생하는 미세플라스틱 문제가 최근 대두되고 있는데, 미세플라스틱은 5mm 미만의 작은 플라스틱을 의미하며, 그 작은 크기로 인해 쉽게 바람과 해류를 타고 이동할 수 있다. 이동한 미세플라스틱은 최근 강. 바다, 토양, 대기 등 자연환경에서 다량 발견되고 있어, 미세플라스틱 문제를 해결할 적절한 처리방법이 절실히 필요한 실정이다^[3].

최근 미세플라스틱 문제를 해결하기 위해 자연환경으로부터 미세플라스틱을 분리하는 기술과 미세플라스틱을 분해하는 기술이 활발히 연구되고 있다. 그중 분리기술의 경우 빠르고 효율 또한 높지만, 미세플라스틱 문제를 근본적으로 해결하지 못한다는 문제점이 있다^[4]. 분해기술의 경우 고도산화공정, 광촉매, 생물학적 등과 같은 다양한 방법이 있지만, 아직 분해 효율이 낮고 처리시간 또한 길다는 단점이 존재한다^[5-7]. 이러한 단점을 해결하기 위해 최근 유전체 장벽 방전(DBD: Dielectric Barrier Discharge)을 이용한 분해방법이 연구되고 있는데, DBD는 대기압에서 비교적 쉽게 플라즈마를 발생할 수 있어 현재 오염물질 제거, 표면처리 등 많은 분야에서 사용되고 있는 방법이다^[8]. DBD는 공기를 이온화시켜 -OH, O₃와 같은 활성산소종(ROS: Reactive Oxygen Species)과 자외선, 전자, 이온 등을 만들어낸다. 그중 ROS는 강력한 산화력으로 미세플라스틱의 C-C, C-H 결합을 끊고 물과 이산화탄소 등의 부산물로 분해한다. 자외선은 화학적 분해방법으로 미세플라스틱의 결합을 끊으며, 전자와 이온은 미세플라스틱 표면에 기계적인 충격을 주어 자외선과 함께 폴리머 라디칼(Polymer radical)을 형성해 플라스틱 분해에 기여한다^[9]. 따라서 DBD를 이용한 미세플라스틱 분해는 복합적인 분해요인으로 다른 방법에 비해 빠르게 미세플라스틱을 분해하는 방법이다.

현재 DBD를 이용한 미세플라스틱 분해는 아직 많은 연구가 이루어지지 않았는데, 특히 대부분 연구에서 처리 시 미세플라스틱의 제거량과 표면의 화학적 분석에 집중되어있다. 하지만 향후 장치의 대형화와 에너지 수율 등을 고려할 때 처리됨에 따라 변하는 방전특성은 매우 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 DBD를 이용한 미세플라스틱 처리 시 처리시간에 따른 방전특성 변화를 리사주 곡선을 통해 분석하였다.

2. 실험장치 및 실험방법

Fig. 1은 미세플라스틱 분해를 위한 DBD 플라즈마 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 스테인리스 재질 원형 전극(지름 50mm, 두께 50mm)에 세라믹 유전체 장벽(100mm×100mm, 0.64mm)을 부착한 부품 2개 사이 4mm 두께의 방전공간을 형성하여 DBD 장치를 구성하였다. 전압 인가를 위해 교류 고전압 전원을 사용하였고, 전극 양단 전압 측정을 위해 교류 고전압 프로브(P6015A, TEKTRONIX)와 오실로스코프(TDS2024B, TEKTRONIX)를 사용하였다. 또한, Q-V 리사주 곡선(Lissajous curve)과 방전 전류 그래프를 얻기 위해 측정 커패시터(100nF)와 측정 저항(1㏀)을 사용하였고 표적 입자는 149㎛ 크기의 저밀도 폴리에틸렌(LDPE:　Low-Density Polyethylene)을 사용하였다. LDPE 입자를 아래쪽 세라믹 판에 0.05g 투입한 뒤 15kV/100Hz 전압을 인가하였으며, 20분마다 리사주 곡선을 측정하여 최대 120분 동안 처리하였다. 모든 실험은 온․습도를 제어할 수 있고, 외부 바람을 차단할 수 있는 실험 챔버 내의 공기(24±2℃, 30±2% RH) 중에서 실시하였다.

Fig. 1. Schematics of experimental setup

3. 실험결과 및 고찰

Fig. 1의 DBD 장치 내부 사진은 15kV/100Hz인가 시 방전 사진이다. 전압 인가 시 균일한 방전영역이 나타나며 자외선 또한 확인할 수 있다.

Fig. 2는 시간에 따른 전압, 전류 그래프이다. 100Hz 주파수 인가에 따라 0.01초 주기로 정현파 전압이 나타나며, DBD 장치의 방전으로 전류가 발생하는 영역(Ron)과 방전이 종료되는 충전영역(Roff)이 반복해서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 DBD 장치의 충․방전특성을 잘 보여주는 결과이며 본 연구의 실험장치에서는 약 9kV에서 방전이 시작되며, 20.2kV 정도의 최대 전압에서 방전이 종료되어 –9kV로 다음 방전이 시작될 때까지 충전영역이 나타났다.

Fig. 3은 처리 전 LDPE와 120분 DBD 플라즈마 처리 후 LDPE의 사진이다. 처리 후 미세저울을 통해 질량 변화를 측정하였을 때 질량은 초기 투입량 대비 5.44% 감소하였으며 아래의 사진과 같이 산화되어 백색이었던 입자가 갈변한 것을 확인할 수 있다. 또한, 기존 아래쪽 유전체에 투입한 입자는 실험 이후 양쪽 유전체 모두에 존재하였는데, 이는 입자가 하전되어 유전체에 부착되었기 때문이다.

Fig. 4는 처리시간별 Q-Va 리사주 곡선으로, DBD 장치의 특징을 잘 나타내는 그래프이다. 본 연구에서 리사주 곡선은 반시계 방향으로 그려지는데, 입자를 투입하지 않은 ‘no particle’ 그래프의 경우 Fig. 2의 결과와 마찬가지로 9kV에서 방전영역(Ron)이 시작되고 최대 전압 부근에서 방전이 종료됨과 동시에 충전영역(Roff)이 시작되어 –9kV 부근에서 종료되며, 충․방전을 반복한다. 또한, 입자 투입 후 처리시간이 지남에 따라 전하량 값이 줄어들어 전체적인 리사주 곡선의 크기가 감소하며, 방전 시작 전압이 증가하는 등 변화가 발생하였다. 특히 입자 투입 직후 방전이 가장 활발하게 발생하여 0분 시점에서 가장 큰 리사주 곡선을 보였다. Fig. 3의 처리 전 LDPE 사진과 같은 초기 LDPE 입자의 배치는 방전 플라즈마에 의해 곧바로 120분 처리 후 사진과 같은 배치가 되는데, 이후에는 처리시간에 따라 입자의 배치는 변하지 않고 입자량만 감소하므로 리사주 곡선의 기울기가 크게 변하지 않아 20∼120분의 리사주 곡선 형태가 나타난다. 리사주 곡선에서 기울기는 정전용량을 의미하며, 이는 뒤에서 자세히 설명할 것이다.

Fig. 5는 처리시간별 리사주 곡선의 방전영역을 확대한 그래프이다. 0분을 제외한 그래프의 경우 처리시간이 증가할수록 방전 시작 전압이 증가하는 현상을 보이는데, 이는 입자가 제거됨에 따라 유전체 사이 거리가 멀어지고 높은 전압에서 방전이 시작되어 점점 충전영역이 길어짐을 의미한다. 따라서 충분히 시간이 지날수록 Fig. 5 내부 그래프와 같이 입자가 없는 ‘no particle’ 그래프와 비슷한 현상을 보이며, 방전 시작 전압은 20분 그래프의 4kV 부근에서 120분 그래프의 7kV까지 증가하였다. 이는 입자가 초기 배치된 이후 DBD 플라즈마에 의해 미세플라스틱이 분해되면서 내부 입자량이 줄어들어 발생한다고 판단된다. 또한, 최대 인가전압에서의 전하량은 처리시간이 길어질수록 감소하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6은 처리시간별 리사주 곡선의 충전영역을 확대한 그래프이다. 최대 인가전압을 포함한 대부분 인가전압에서 처리시간이 길어질수록 낮은 전하량을 보인다. 또한, Fig. 5와 비슷하게 처리시간이 길어질수록 방전 시작 또한 늦어져, 20분의 경우 –4kV에서 방전이 시작되었지만 120분과 ‘no particle’의 경우 각각 –7, -9kV에서 방전이 시작되어 절댓값이 더 높은 전압에서 방전영역이 시작되는 것을 확인할 수 있다.

식(1), (2)에서 C_on은 방전영역 정전용량[F], C_d는 유전체 장벽 정전용량[F], C_p는 내부 입자의 정전용량[F], C_off는 충전영역 정전용량[F], C_a는 내부 기체의 정전용량[F]이다.

Fig. 7은 Fig. 5와 Fig. 6 그래프의 기울기를 이용해서 계산한 처리시간별 정전용량 그래프이다. 방전영역의 정전용량(C_on)과 충전영역의 정전용량(C_off)은 리사주 그래프의 방전영역과 충전영역의 기울기를 통해 구할 수 있다^[10]. 방전영역의 경우 플라즈마 발생으로 인해 내부 기체의 정전용량은 무시되며, 전극과 결합한 유전체와 내부 미세플라스틱 입자의 정전용량만을 고려하는데, 이는 식(1)으로 표현할 수 있다. 그러나 충전영역의 경우 방전이 발생하지 않으므로 내부 기체의 정전용량을 고려해야 하며, 이는 식(2)으로 표현할 수 있다^[11].

Fig. 7의 방전영역의 경우 초기 방전이 가장 활발히 발생하는 0분을 제외한 그래프는 정전용량의 변화가 거의 없는 것을 확인할 수 있다. 이는 Fig. 5에 나타나듯 처리시간이 길어짐에 따라 방전 개시 전압이 증가했지만, 최대 인가전압에서 전하량 또한 감소하여 그래프가 평행 이동했기 때문에 기울기의 변화가 거의 없어 정전용량이 일정한 것으로 판단된다. 충전영역의 경우 정전용량의 변화가 거의 나타나지 않지만 120분 정도 충분히 많은 시간이 지나면 정전용량이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 최대 인가전압에서 감소하는 전하량보다 방전 시작 지점에서 감소하는 전하량이 더욱 작아져 기울기가 완만해져 정전용량이 감소하는 것으로 판단된다.

식(3)에서 P는 DBD 장치 소비전력[W], E는 DBD 장치 에너지[J], f는 주파수[Hz], C_p는 프로브 커패시터[F], Va는 인가전압[V], Q는 전하량[C]을 의미한다.

Fig. 8은 식(3)으로 계산한 처리시간별 DBD 장치 소비전력 그래프이다. 식(3)은 리사주 곡선의 면적과 같은 값을 나타내며, 처리시간이 길어질수록 DBD 장치의 소비전력은 감소하였다. Fig. 8에서 0분의 경우 8.44W에서 120분의 경우 6.28W로 초기 소비전력대비 25.59% 감소하였으며, 내부 입자가 없는 경우의 소비전력인 6.24W에 수렴하는 모습을 보였다. 이 결과는 Fig. 4의 리사주 곡선을 통해서도 예상할 수 있으며, 처리시간이 길어질수록 리사주 곡선의 면적은 점차 줄어들어 내부 입자가 없는 ‘no particle’ 그래프와 비슷해진다. 이는 앞서 언급한 것과 같이 처리시간이 길어질수록 내부 입자량의 변화로 점차 하전량이 감소하고 방전 개시전압이 증가함에 따라 리사주 곡선의 면적이 감소하여 발생한 결과이다.

Fig. 2. Va-Time, I-Time characteristics of DBD device

Fig. 3. Image of pure LDPE and LDPE after 120 minutes treatment

Fig. 4. Q-Va Lissajous curve based on treatment time

Fig. 5. Discharge area of Q-Va Lissajous curve based on treatment time

Fig. 6. Charge area of Q-Va Lissajous curve based on treatment time

Fig. 7. Capacitance-treatment time graph of discharge and charge areas

Fig. 8. P-treatment time graph

4. 결 론

본 연구는 DBD를 이용한 미세플라스틱 처리 시 처리시간에 따른 DBD 방전특성과 소비전력의 변화를 리사주 곡선을 통해 연구하였으며, 결과는 다음과 같다.

1) DBD 플라즈마를 이용한 LDPE 처리 시 120분 후 질량은 5.44% 감소하였고, 처리 후 입자는 갈변하여 산화된 것을 확인할 수 있다.

2) LDPE 입자 투입 후 처리시간이 길어질수록 리사주 곡선의 면적은 감소하고, 방전 개시전압은 증가하며, 전하량은 감소하는 결과를 보였다.

3) 리사주 곡선 기울기를 통해 계산한 DBD 장치 정전용량은 처리시간이 길어짐에 따라 방전영역은 큰 변화가 없었지만, 충전영역의 경우 감소하는 경향을 보였다.

4) 리사주 곡선의 면적을 통해 계산한 DBD 장치의 소비전력은 처리시간이 길어짐에 따라 지속해서 감소하였으며, 내부 입자가 없을 경우의 소비전력 값으로 수렴하였다.

향후 연구에서는 미세플라스틱 분해에 따른 방전특성 변화를 다양한 조건에서 좀 더 면밀히 연구할 필요가 있으며, 본 연구결과는 DBD 장치를 이용한 미세플라스틱 분해 및 에너지 수율 연구에 기초자료로써 활용할 수 있을 것이다.