JP2013026118A

JP2013026118A - 常圧プラズマ装置及びこのための導波管

Info

Publication number: JP2013026118A
Application number: JP2011161823A
Authority: JP
Inventors: Ik Nyeon Kim; イクニョンキム; Young Yeon Ji; ヨンエンジ
Original assignee: Triple Cores Korea
Current assignee: Triple Cores Korea
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2013-02-04

Abstract

【課題】相対的により低い電力でも電場の集中を極大化させることができる新たな構造の導波管、及びそれを利用した常圧プラズマ装置を提供する。
【解決手段】導波管２００は、二重テーパ構造であって、導波管２００は、まず、マグネトロンで発生した電磁波が印加される第１高位部２１０と、第１高位部２１０の端部が連結されて、第１テーパ部２２０とを備え、第１テーパ部２２０を経つつ、電磁波は集中、密集される。第２高位部２３０の後段には、第２テーパ部２４０が備えられ、第２高位部２３０を経た電磁波は再び集中され、第２テーパ部２４０の後段に連結された低位部２５０で電磁波が集中され、最終の端部２５０ａから反射された電磁波と、二つの段差（第１高位部２１０と第１テーパ部２２０、第２高位部２３０と第２テーパ部２４０）を経つつ極大化された電磁波とは、低位部２５０で集中、極大化される。
【選択図】図２

Description

本発明は、常圧プラズマ装置及びこのための導波管に係り、より詳しくは、一つ以上の段差を有する導波管を通じて印加される集中効果と、発生したプラズマを安定に維持する効果とを同時に達成させることができる常圧プラズマ装置及びこのための導波管に関する。

従来のプラズマ発生装置は、電磁波を伝送する導波管と、プラズマインピーダンスを調整する３−スタブと、プラズマが発生するプラズマ発生部とを備え、プラズマ発生部には、放電管が備えられる。前記導波管に電磁波が伝達されれば、前記導波管のプラズマ発生部には、電界が集中してプラズマが発生する。

したがって、導波管は、電界をいかに効果的に集中させることができるかが重要な設計要因として作用する。

導波管の構造は、従来の矩形の形態のフラットな構造から次第にその高さが減る構造に発展した。

図１は、特許文献１に開示されたプラズマ反応器の全体の模式図である（以後、関連技術という）。

図１を参照すれば、特許文献１によるプラズマ反応器は、導波管から印加される電界（電磁波）を密集させるために、高さが所定の角度に減少するテーパ形状を有し、前記導波管の後段には、電場が印加されてプラズマが発生する反応器チャンバーが備えられる。しかし、特許文献１の関連技術は、反射される電磁波を最小化するための構成としてテーパされた導波管を開示するが、実際のプラズマが発生するチャンバーにおける実際の電場の集中効果は、導波管の後段に比べて低下するという問題がある。

韓国公開特許１０−２００８−００３３４０８号公報

本発明が解決しようとする課題は、相対的により低い電力でも電場の集中を極大化させることができる新たな構造の導波管、及びそれを利用した常圧プラズマ装置を提供するところにある。

前記課題を解決するために、本発明は、電磁波を供給する発振器と、前記発振器から入射された前記電磁波が伝送される導波管とを備える常圧プラズマ装置において、前記導波管は、少なくとも一つ以上の段差を有し、最終の低位部を含む導波管領域でプラズマが発生する常圧プラズマ装置を提供する。

本発明の一実施形態において、プラズマが発生する低位部の高さは、前記電磁波が入射される導波管の最初の高さより低く、前記導波管の段差のうち少なくともいずれか一つは、所定の角度で連続的に高さが減少するテーパ構造で具現される。

本発明の他の実施形態において、前記導波管の段差のうち少なくともいずれか一つは、９０°に高さが減少し、本発明のさらに他の実施形態において、前記低位部は、テーパ構造で高さが減少する。

本発明のさらに他の実施形態において、前記段差は、いずれも所定の角度ほど連続的に高さが減少するテーパ構造でいずれも具現される。

本発明は、また、二重テーパ構造の導波管であって、前記テーパ導波管は、所定の高さの第１高位部と、前記第１高位部の端部に連結されて、所定の角度に高さが減少する第１テーパ部と、前記第１テーパ部の端部に連結された第２高位部と、前記第２高位部の端部に連結された第２テーパ部と、前記第２テーパ部の端部に連結された低位部と、を備える導波管を備える常圧プラズマ装置を提供する。

本発明において、プラズマは、前記低位部または第２テーパ部またはその境界領域で発生し、前記第２高位部の高さは、前記第１テーパ部の端部の高さよりさらに高い。

本発明において、前記第２高位部は、所定のサイズ以上の長さを有するか、または０の長さを有する。

本発明は、前記課題を解決するために、前述した常圧プラズマ装置に使われる構造の導波管を提供する。

本発明による常圧プラズマ装置は、二つ以上の段差を有する導波管を通じて印加される集中効果と、発生したプラズマを安定に維持する効果とを同時に達成させることができる。

韓国公開特許１０−２００８−００３３４０８号公報に開示されたプラズマ反応器（以降、関連技術という）の全体の模式図である。本発明の一実施形態による導波管の断面を示す図面である。本発明の他の実施形態による導波管の断面図である。本発明のさらに他の実施形態による導波管の断面図である。本発明の実施形態にかかる導波管の試験結果を示す図である。高さが単純に連続的に減少する導波管の試験結果を示す図である。

本発明の効果、特徴、概要は、後述の添付図面を参照した以下の実施形態により明らかになる。本開示は、例示にすぎず他の形態を含み、以下に示す実施形態に限定されるように解釈されるべきではない。これらの実施形態は、本開示が完成したものであり、当業者にとって、本開示の範囲を伝えるためのものである。専門用語は特定の実施例を説明するために用いられるものであり、実施例を限定することを意図するものではない。また、単数形の記載は、文脈が明確に指定するものでなければ複数も同様に意図する。また、明細書中に“備える”の語は、特徴、数値、工程、操作、要素、組み合わせを特定するものであり、他の１以上の特徴、数値、工程、操作、要素、組み合わせやそれらのグループの追加を排除するものではない。

以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施形態をより詳細に説明する。図面上の同じ構成要素については、同じ参照符号を使用し、同じ構成要素について重複した説明は省略する。

明細書の全体において、ある部分がある構成要素を“備える”という時、これは、特に逆になる記載がない限り他の構成要素を除くものではなく、他の構成要素をさらに備えることを意味する。また、明細書に記載された“…部”、“…器”、“モジュール”、“ブロック”などの用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアやソフトウェアまたはハードウェア及びソフトウェアの結合で具現される。

本発明は、一つ以上の段差を有する導波管を通じて印加される集中効果と、発生したプラズマを安定に維持する効果とを同時に達成させることができる。

ここで、高さは、電磁波が印加される導波管の一方向での長さを意味し、低位部は、その長さが短くなって電磁波が集中される領域を意味する。

本発明者は、従来の技術のように、その高さが連続的にまたは非連続的に減少する導波管の場合、平行な導波管に比べて電磁波の集中効果が発生する点は認められるが、その効果が考えより大きくないという点に注目し、それを改善するために、少なくとも一つ以上の段差を導波管に備えることで、共鳴（resonance）による電磁波の集中効果を極大化させると共に、最終的に電磁波が反射される導波管の端部に低位部を構成し、前記低位部を備える領域でプラズマを発生させて、電磁波の密集、集中と共に、改善されたプラズマ安定性を同時に達成した。本明細書で使われる段差は、導波管の高さが減った後、再び大きくなる技術的構成であって、高さが低くなる一部分と高くなる一部分とを含む構造を意味する。

前記技術的構成により、本発明の一実施形態による導波管は、最初の導波管の高さより低い高さの最終の導波管の端部を備え、その間に少なくとも一つ以上の段差をおく。前述したように、本明細書における段差は、高さが減った後、再び大きくなる構造を意味する。

図２は、本発明の一実施形態による導波管の断面を示す図面である。しかし、本発明は、下記の導波管の形状にその範囲が限定されない。

図２を参照すれば、本発明による導波管２００は、二重テーパ構造であって、前記導波管２００は、まず、マグネトロンのような発振器から発生した電磁波が印加される第１高位部２１０と、前記第１高位部２１０の端部が連結されて、所定の角度にその高さが減少する第１テーパ部２２０とを備える。前記第１テーパ部２２０を経つつ、電磁波は集中、密集される。

前記第１テーパ部２２０の後段の端部（ここで、後段は、電磁波が印加される方向での後段を意味する）には、再び所定の長さの平行な構造の第２高位部２３０が備えられ、第１高位部−テーパ部−第２高位部を経つつ、導波管の高さは減った後、再び大きくなる（段差の発生）。これによって、第１テーパ部２２０で密集、集中された電磁波は、第２高位部２３０で共振効果を発生させるが、従来の所定の角度に減る導波管は、エネルギーが密集されて反射されれば、導波管の端から端まで反射されるが、本発明による導波管は、反射されたエネルギーが反射される方向で見る時、二番目に高さが減った部分（図２では、第１テーパ部の後段）によりそれ以上反射が進められない。その結果、印加される方向で最初に高さが減った部分（第１テーパ部以内）のみで電磁波がより密集される。したがって、二番目に高さが減った部分（第２テーパ部）の位置によって電場の強度が変わることからみて、特定の波長部分を集中または消滅させることで、最初に減った高位部でより強い電場が現れ、これは、結局、全体的な電場強度の増加につながる。第２高位部の高さは、多様に構成できるが、共振効果の側面で見る時、少なくとも第１導波管の後段の高さｈ１より高いことが望ましい。

前記第２高位部２３０の後段には、再び第２テーパ部２４０が備えられるが、これによって、第２高位部２３０を経た電磁波は再び集中され、前記第２テーパ部２４０の後段に連結された低位部２５０で電磁波が集中され、この時、導波管の最終の端部２５０ａから反射された電磁波と、二つの段差（第１高位部と第１テーパ部、第２高位部と第２テーパ部）を経つつ極大化された電磁波とは、前記低位部２５０で集中、極大化される。

図３は、本発明の他の実施形態による導波管の断面図であって、前記第２高位部は、所定の長さを備えず、連続的な二重テーパ構造を有する。すなわち、第１高位部２１０と第１テーパ部２２０とを備え、第１テーパ部２２０の端部に直ちに第２テーパ部２４０が備えられる。すなわち、前記構成において、第２高位部の長さは０となるが、図２と同様に一つの段差（高さが減った後、再び大きくなる構成）が構成されるということが分かる。

図２及び図３では、導波管の段差をテーパ構造で具現した技術的構成を開示した、テーパ構造ではない９０°に単純に段差をおくことも可能である。

図４は、本発明のさらに他の実施形態による導波管の断面図である。

図４を参照すれば、前記導波管は、第１高位部４１０と第２高位部４３０との間に他の低位部４２０が備えられる。すなわち、９０°に減少する低位部を経つつ、電磁波は整流され、より大きい高さの第２高位部４３０で電磁波の共鳴、共振効果が発生する。

以後、第２高位部４３０の後段には、テーパ部４４０が備えられ、これを経つつ共鳴、共振された電磁波は集中される。前記テーパ部４４０の後段には、再び第２低位部４５０が備えられ、端部から反射された電磁波と、テーパ部を経つつ集中された電磁波とは低位部で集中される。

したがって、本発明による常圧プラズマ装置のプラズマ発生領域（地点）は、多段の段差を有する導波管の最後に備えられた低位部の全部または少なくともその一部を含む領域となる。これによって、生成されたプラズマが工程ガスの流量変化などにもかかわらず、安定に維持される。

このように、段差は、所定の角度に一定の長さの間に高さが減少するテーパ構造または９０°に減少する直角構造の形態に具現され、少なくとも最初の段差部を経た電磁波は、最初の段差部よりさらに大きい体積の領域に進入する。本発明は、一つ以上の段差をさらに有し、導波管の最終の低位部でプラズマが発生する任意のあらゆる導波管を本発明の範囲で請求する。

図５は、本発明の一実施形態による構造の導波管についての実験結果を示し、図６は、高さが単純に連続的に減少する導波管についての結果を示す。

図５及び図６を参照すれば、本発明によって、一つ以上の段差を有する導波管の終端部分（すなわち、低位部を含むテーパ部）で発生したプラズマの強度（図面のＥ−ｆｉｌｅｄに対応する）が、段差なしに連続的に高さが減少する従来の技術による導波管に比べてはるかに高いということが分かる。

本発明による常圧プラズマ装置は、二つ以上の段差を有する導波管を通じて印加される電磁波の集中効果と、発生したプラズマを安定に維持する効果とを同時に達成させることができる。

本発明は、実施形態に関連して説明したものであるが、特許請求の範囲に規定された開示から逸脱しない範囲において、当業者が行う種々の変更や改良を含むことは明確である。

Claims

電磁波を供給する発振器と、前記発振器から入射された前記電磁波が伝送される導波管とを備える常圧プラズマ装置において、前記導波管は、少なくとも一つ以上の段差を有し、最終の低位部を含む導波管領域でプラズマが発生することを特徴とする常圧プラズマ装置。
プラズマが発生する低位部は、前記電磁波が入射される導波管の最初の高さより低いことを特徴とする請求項１に記載の常圧プラズマ装置。
前記導波管の段差のうち少なくともいずれか一つは、所定の角度で連続的に高さが減少するテーパ構造で具現されたことを特徴とする請求項１に記載の常圧プラズマ装置。
前記導波管の段差のうち少なくともいずれか一つは、９０°に高さが減少する構造で具現されたことを特徴とする請求項１に記載の常圧プラズマ装置。
前記低位部は、テーパ構造で高さが減少したことを特徴とする請求項３に記載の常圧プラズマ装置。
前記段差は、所定の角度で連続的に高さが減少するテーパ構造でいずれも具現されたことを特徴とする請求項３に記載の常圧プラズマ装置。
前記導波管は、二重テーパ構造を有し、
前記テーパ導波管は、
所定の高さの第１高位部と、
前記第１高位部の端部に連結されて、所定の角度に高さが減少する第１テーパ部と、
前記第１テーパ部の端部に連結された第２高位部と、
前記第２高位部の端部に連結された第２テーパ部と、
前記第２テーパ部の端部に連結された低位部と、を備えることを特徴とする請求項３に記載の常圧プラズマ装置。
プラズマは、前記低位部または第２テーパ部またはその境界領域で発生することを特徴とする請求項７に記載の常圧プラズマ装置。
前記第２高位部の高さは、前記第１テーパ部の端部の高さより高いことを特徴とする請求項７に記載の常圧プラズマ装置。
前記第２高位部は、所定のサイズ以上の長さを有することを特徴とする請求項７に記載の常圧プラズマ装置。
前記第２高位部の長さは、０であることを特徴とする請求項７に記載の常圧プラズマ装置。
請求項１ないし１１のうちいずれか一項に記載の常圧プラズマ装置用の導波管。