NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 4, 2003…495
NRL
National Research Laboratory (국가지정연구실)
송 형 근
한국과학기술연구원 청정기술센터 [email protected]
연구실 소개
본 연구실은 1972년 신설된 이래 약 30여년 동 안 대한민국 화학산업의 발전에 중요한 역할을 담 당하여 왔다. 최근 5년간 집중적으로 플라즈마 공 정에 관한 연구를 수행하였으며 2001년 국가지정 연구실로 선정되어 향후 5년간 플라즈마를 이용 한 화학공정 연구를 계속 수행하게 되었다.
지난 20세기에 화학공업은 비약적인 발전을 하 였으며, 인류의 삶의 질을 높이는 데에 지대한 공 헌을 하였다. 이는 화학공업을 통하여 회분식공정 이 연속공정으로 대체되면서 화학물질들이 대량 으로 생산될 수 있었기 때문이다. 하지만 현재 화 학공업은 기술적으로 포화되어 있을 뿐 아니라, 새로운 개념의 화학공정의 정립을 필요로 하고 있 다. 즉, 최근의 화학공업은 새로운 형태의 반응을 필요로 하고 있다. 이러한 관점에서 본 연구에서 추진하고자 하는 플라즈마 및 촉매를 이용한 반응 공정은 화학공정분야에 새로운 이정표를 제시할 것으로 예상된다.
화학공업의 주원료인 원유가 고갈되면 이를 매 장량이 풍부한 천연가스나 석탄이 대신하게 된다.
따라서 기존에 원유를 원료로 사용하는 화학공장
들의 공정을 그대로 이용하기 위해서는 천연가스 를 반응성이 높은 적당한 원료로 변환하는 과정이 필요하다. 즉, 메탄을 반응시켜서 C2 혹은 C3 화 합물로 변환만 시키면 거기서 각종 화학공업의 원 료를 쉽게 만들어낼 수 있다. 지금까지는 이를 위 하여 촉매만을 사용한 반응을 많이 연구하였지만, 전환율이 매우 낮아서 실용화를 하는 데에 한계에 부딪혀 있다. 따라서 전환율을 높일 수 있는 획기 적인 반응방법의 개발이 절실히 요구되며 경제적 인 공정이 개발되는 경우 화학공업이 갖는 시장규 모를 고려하면 그 의미는 지대하다 할 것이다.
본 연구실에서는 새로운 개념의 반응 공정으로 써 플라즈마의 높은 반응성과 기존의 촉매의 특성 을 살려서 반응성이 낮은 화합물을 쉽게 고부가가 치의 물질로 변환시켜 이용할 수 있는 경제성 있 는 공정 개발을 목표로 하고있다.
연구과제의 내용
플라즈마 기술의 특징으로는 플라즈마의 높은 에너지를 에너지원으로 사용할 수 있는 많은 응용 기술이 있다는 점이다. 현재 많이 응용되는 분야 는 전자재료분야, 환경분야, 용접, 용융, 코팅 등이
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http://pccp.kist.re.kr
496…NICE, 제21권 제4호, 2003
N·R·L·소·개
있다. 고온 플라즈마는 용접이나 용융, 소각 등 매 우 높은 온도를 필요로 하는 공정에 사용된다. 저 온 플라즈마는 이온화된 정도가 낮은 상태로서 CVD, diamond-like carbon film, polymer 코팅 등의 코팅분야, 고분자 중합, 생약학 및 광학 등의 분야에서 많이 사용되고 있다. 이와 같이 플라즈 마 기술은 산업 전반에 걸쳐 다양한 응용이 이루 어지고 있어 분야에 따라서 이미 많은 연구가 이 루어졌거나, 이루어지고 있는 필수 기본 기술로 발전하고 있다. 이러한 플라즈마 기술의 연구 필 요성은 논의의 여지가 없으나 현재 일부 응용분야 를 제외하고는 국내에서 개발된 기술이 거의 없기 때문에 기초적인 플라즈마의 특성 연구 및 이를 이용한 응용 연구가 절실히 필요한 시점이다.
플라즈마 응용분야 중 화학반응 기술은 저온 플 라즈마를 이용하여 기존의 방법으로 반응이 어려운 물질들을 반응시키거나 난분해성 화합물을 분해하 거나 혹은 기존의 화학반응을 대체하기 위한 기술 이다. 그러나 이 분야의 연구는 다른 응용분야에 비 해 거의 연구가 이루어지지 않고 있는 실정이다. 플 라즈마의 높은 에너지를 이용하면 주로 고온을 필 요로 하는 화학반응을 쉽고 경제적으로 수행할 수 있다. 따라서 본 기술은 다양한 형태의 플라즈마에 대한 기초 지식을 바탕으로 복잡한 메커니즘을 가 지는 화학반응을 원하는 방향으로 유도할 수 있는 방법 및 그 공정을 개발하는 것을 내용으로 하고 있 으며 이는 플라즈마 응용의 한 분야로서 향후 기술 우위를 점할 수 있는 유리한 기술로 판단된다.
플라즈마는 발생방법에 따라 다양한 형태의 플 라즈마를 생성할 수 있고 이를 각각 다른 용도로 사용할 수 있다는 점이 특징이다. 화학반응에 있 어서 현재 이용 가능한 형태의 플라즈마로는 발생 방법에 따라 여러 형태로 분류되는데, 이들 각 방 법은 이미 응용 분야에 따라서 많이 이용되고 있 기 때문에 발생장치 및 기본 장비의 수급에는 큰
문제가 없는 상태이나 이들 가운데 원하는 화학반 응에 적합한 단독 혹은 복합 플라즈마를 선택하고 반응의 생산성 및 수율을 향상시키기 위한 기초 기술과 공정기술을 접목하여 실용 가능한 공정을 개발하는 것이 향후 중점적으로 연구될 과제다.
다시 말해서, 플라즈마 화학반응공정 개발은 일단 원하는 반응기구에 가장 적합한 형태의 플라즈마 를 선정하고 원하는 전환율 및 수율을 얻을 수 있 는 가능한 다양한 촉매를 포함하는 공정을 구성하 고 설계한 뒤, 고압의 전원을 사용하는 플라즈마 의 안정성을 고려하여 쉽게 이용할 수 있는 공정 의 선택이 이루어져야 한다.
여러 형태의 촉매와 플라즈마를 사용하여 화학 반응을 시키는 경우 몇몇 반응들은 플라즈마의 에 너지만으로 반응을 유도할 수 있는 경우도 있었으 며, 촉매에 의하여 40% 이상 향상된 선택도를 얻 는 경우도 있었다. 따라서 플라즈마 반응에의 촉 매의 이용은 향후 연구되어야할 매우 중요한 과제 라 할 수 있다. 실제로 플라즈마 화학반응에 있어 서 가장 문제가 되는 부분이 반응 생성물의 선택 도 문제로서, 이를 해결하기 위한 대안으로서 촉 매의 이용은 매우 중요한 해결 방안으로 판단된다.
본 연구에서는 이러한 필요성을 인식하고 여러 촉 매를 이용한 실험을 수행한 경험을 바탕으로 이를 수정, 보완하여 응용함으로써, 선택도 및 전환율의 향상을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 배 경을 바탕으로 본 연구실에서 최근 수행하고 있는 그림 1. 플라즈마 촉매 반응의 개념도.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 4, 2003…497
N·R·L·소·개
연구 주제를 다음에 나열하였다.
1. 순수 메탄의 전환반응을 통한 higher hydro- carbon 합성
–메탄으로부터 고부가가치의 화합물 직접 제조 (에틸렌, 프로필렌 등)
2. 메탄과 이산화탄소를 이용한 합성가스 제조 –대표적인 온실가스인 이산화탄소를 활용하는
한 방법으로 천연가스와 이산화탄소를 이용하 여 액체 연료의 원료가 되는 합성가스 제조 3. 메탄과 수증기를 이용한 수소제조
–메탄에 수증기와 같은 별도의 수소원을 첨가 하여 다량의 수소를 제조
4. 플라즈마 촉매반응 특성 규명
–여러 종류의 촉매 실험을 통하여 상용촉매의 플라즈마 반응 이용 가능성 확인
5. 플라즈마 반응용 촉매의 개발 –새로운 개념의 플라즈마 촉매 연구 6. 플라즈마를 이용한 PFC 분해기술
–반도체 공정에서 많이 배출되는 온실가스인 PFC를 제거하기 위한 방법으로 플라즈마 이용 7. 플라즈마를 이용한 탄화수소 개질 공정
–고온 플라즈마인 플라즈마 토치를 이용하여 연료전지 등의 연료를 공급하기 위한 탄화수 소 개질기 개발
8. 플라즈마를 이용한 유해 염소화합물 제거 –플라즈마를 이용하여 다이옥신 등의 유해 염
소화합물을 제거
주요 보유장비 및 기기
·GC/MS system
·Gas Chromatograph
·HPLC
·FT-IR
·UV/VIS Spectrophotometer
·Mass spectrometer
·Ozone Analyzer
·COD meter
·Microscope
·Programmable Automatic RLC meter
·Digital Oscllloscope
·Reflectometer
·pH meter
·Ozone generator(100g/Nm3)
·Autoclaves
·Rotary evaporator
·Thin-film evaporator
·Glove box
·Furnaces
·Ovens
·Power supplies :
–High frequency AC power supply (10kV, 1000W, 40kHz)
–Bipolar pulse power supply (10kV, 2000W, 2kHz & 40kHz) –Unipolar pulse power supply
(10kV, 1000W, 20000pps)
–DC power supply for torch plasma (110V, 70A)
–DC power supply(10kV, 500W & 2000W) –RF power supply
(13.56MHz, 300W & 600W) –Microwave plasma generator
(2,45GHz, 1000W)
–Pulse power supply for Corona discharge (±40 kV, 180 Hz, 펄스폭 1µs)
–DC power supply for spark discharge (30kV, 10mA)