디젤 엔진에서 배출되는 미세먼지를 저감할 수 있는 플라즈마 버너 기술에 대해 말해 보십시오.

1. 플라즈마의 특성

플라즈마는 기체 상태의 분자에 열, 빛 또는 전기를 통해 높은 에너지가 공급될 경우에 발생되며, 그림 1과 같이 전기적 극성을 갖는 전자나 이온으로 구성된 이온화된 기체(ionized gas)의 일종이다. 플라즈마는 ① 전기적 극성을 갖는 전자와 이온의 수밀도(number density)가 특정 값 이상으로 높아야 하며, ② 이로 인해 플라즈마 입자의 운동이 전기적 극성이 없는 기체분자들의 운동인 브라운(Brown) 운동과는 다른 특징을 갖고 있어야 한다. 예를 들어 전기적 극성을 갖는 플라즈마 입자의 운동(motion)은 주변의 전자기장을 변화시키게 되며, 변화된 전자기장은 멀리 떨어진 다른 입자의 거동에 영향을 미치게 된다. 이처럼 플라즈마 입자의 움직임은 가까운 거리에서 충돌(collision)을 일으킬 수 있는 입자뿐만 아니라 멀리 떨어진 입자의 거동에도 영향을 주기 때문에 입자들이 집단적인 움직임(collective motion)을 하는 특징을 갖고 있다. 한편, 열역학적인 관점에서 기체 상태와 플라즈마가 크게 다른 특징은 ① 플라즈마를 구성하고 있는 전자, 이온 및 중성기체(neutral gas)의 에너지는 기체 상태의 분자 에너지에 비해 수십에서 수백 배 이상 크고, ② 플라즈마 입자는 각 입자의 전기적 하전량과 질량에 따라 서로 다른 온도 즉, 열열학적으로 비평형 상태에 놓이는 경향이 있다는 점을 들 수 있다.

2. 플라즈마를 이용한 연소기술

플라즈마 기술을 연소에 적용한 대표적인 사례로 가솔린 엔진의 스파크 점화기(spark ignitor), 가스터빈 또는 석탄 보일러 연소기와 같은 대형 연소기에 아크 플라즈마를 이용한 점화기를 들 수 있다. 현재 실용화된 점화기에 이용되고 있는 스파크 및 아크 플라즈마는 전자 및 이온의 온도가 각각 수천 K 수준으로 유사한 평형(equilibrium) 플라즈마로 분류되며, 이러한 고온의 플라즈마는 열화학 반응에 필요한 열은 물론 저온조건에서도 점화반응을 진행시킬 수 있는 화학적 활성 종(chemically active species, 전자, 이온, 라디칼, 여기된 분자 등)을 발생하고 있다. 향후의 점화기술은 플라즈마 발생영역의 범위가 고온 플라즈마에 비해 넓은 저온 플라즈마를 활용한 점화기술이 유망하며, 현재 초희박 엔진에 해당 기술을 적용하려는 연구개발이 여러 연구 기관에서 진행되고 있다.

최근 경유차에서 배출되는 매연을 95%까지 감축해 미세먼지를 획기적으로 줄일 수 있는 플라즈마 버너가 장착된 매연저감장치(DPF, Diesel Particulate Filter)가 개발되었다. 이번 개발은 소형 플라즈마 DPF 장치로 기존 버너 크기의 10분의 1에 불과하고 가격이 자렴하며 배기가스 온도가 낮아도 매연을 태울 수 있는 장점을 가진다.

특히나 기존 버너의 경우 배출가스 온도가 낮아 시동을 걸 때 나오는 질소산화물 정화용 촉매가 제대로 작동하지 않는 등의 문제가 있었지만, 이번 개발된 플라즈마 DPF는 배출가스 온도가 높아 질소산화물을 효과적으로 처리할 수 있다.