KR100239101B1 - 코로나 방전 장치 제조방법 - Google Patents

Abstract

연장된 서비스 기간 동안 제어된 적은 양의 오존을 발생시킬 수 있는 오존 발생기로서 사용하기에 적당한 코로나 방전 장치 제조 방법에 관한 것으로, 내화학적이고 전기적 절연 물질로 이루어진 보호층(68)에 의해 코팅된 제3 부유 전극(64)에 의해 서로 정전기 용량적으로 결합된 제1 및 제2 평면 전극(54, 56)이 제공된 코로나 방전 장치(50)의 예비 생산품을 제조하고, 그 후 예비 생산품의 초기 최소 섬락 전압 레벨보다 높은 전압 레벨을 갖는 고주파 교류 전압을 보호층이 경년 변화될 때까지 인가하여, 보호층의 경년 변화가 생산품마다 발생하는 초기의 최소섬락 전압의 변동을 감소시키도록 하고, 또한 얻어진 최종 생산품의 초기의 최소 섬락 전압을 낮추도록 한다.

Description

코로나 방전 장치 제조방법

제1도 내지 제3도는 여러 가지 종래 기술인 코로나 방전 장치의 개략적인 단면도.

제4도는 본 발명의 방법에 따라 제조된 코로나 방전 장치의 약간 확대된 스케일의 평면도.

제5도는 단면이 두께 방향으로 과장된 것을 도시한 것으로 제4도의 V-V선을 따라 취해진 단면도.

제6도는 두께 방향보다 축방향으로 크게 과장된 단면으로 제4도의 VI-VI선을 따라 취해진 단면도.

제7도는 제4도와 유사하지만 더 확대된 스케일의 장치의 도시도.

제8(a)도 및 제8(b)도는 본 발명에 따르는 방법을 도시한 생산 흐름도.

제9도는 검사와 측정에 사용되는 장치를 도시한 개략도.

제10도는 경년 변화되지 않은 보호층을 각각 가지는 코로나 방전 장치의 최소 섬락 전압의 변동을 도시한 그래프.

제11도는 보호 층이 없는 비교예의 최소 섬락 전압의 변화를 도시한 그래프.

제12도는 내지 제16도는 조건의 변화하에서 경년 변화된 코로나 방전 장치의 최소 섬락 전압의 변화를 도시한 그래프.

제17도는 본 발명의 방법에 따라 제조된 코로나 방전 장치로 측정한 오존 함유량의 변화를 도시한 그래프.

제18도는 함량이 변하는 유전체 세라믹의 부피 밀도(bulk density)를 도시한 그래프.

제19(a)도 내지 제19(e)도는 Ca0함량이 변하는 전도된 X선 회절 분석의 결과를 도시한 그래프.

제20도는 Ca0함량이 변하는 유전체 세라믹의 유전체 세기를 도시한 그래프.

제21(a)도 및 제21(b)도는 각각 1.0%와 0.5%의 Ca0 함량을 갖는 두 개의 견본의 금속화된 층의 단면을 도시한 스캐닝(scanning) 전자 현미경 포토그래프.

제22도는 Ca0함량이 변하는 유전체 세라믹의 장력 세기 도시한 그래프.

제23도는 다른 Ca0함량을 갖는 유전체 세라믹으로 만들어진 코로나 방전장치에 대해 전도된 수명 검사 결과를 도시한 그래프.

제24도는 코로나 방전 장치의 일부를 개략적으로 도시하는 제5도와 유사한 단면도.

제25도는 세라믹 층의 다양한 초기 전체의 유효 두께를 측정한 것에 따라 초기 최소 섬락 전압의 변화를 도시한 그래프.

제26도는 다양한 두께를 갖는 유전체 층의 항복 전압을 도시한 그래프.

제27도 및 제29도는 제4도와 유사하지만 다른 전극 패턴을 도시한 평면도.

제28도 및 제30도는 제5도와 유사하지만 각각 제27도의 XXVIII-XXVIII와 제29도의 XXX-XXX 의 선을 따라 취해진 단면도.

제31도 및 제32도와 제34도 내지 제37도는 제32도의 XXXI-XXXI 선을 따라 취해진 제31도의 단면과, 제31도의 XXXII-XXXII 선을 따라 취해진 제32도의 단면과, 제35도의 XXXIV-XXXIV 선을 다라 취해진 제34도의 단면과, 제34도의 XXXV-XXXV 선을 다라 취해진 제35도의 단면과, 제37도의 XXXVI-XXXVI 선을 따라 취해진 제36도의 단면과, 제36도의 XXXVII-XXXVII 선을 다라 취해진 제37도의 단면과 더불어 코로나 방전 장치의 다양한 배열을 도시한 개략적인 단면도.

제33도는 제31도 및 제32도를 도시한 배열의 등가 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

106 : 고전압 탐침 108 : 오실로스코프

110 : 전류 탈침 112 : 증폭기

본 발명은 악취를 풍기는 물질을 포함하는 대기의 방취를 위한 오존 발생기로 적합하게 사용될 수 있는 코로나 방전 장치 제조 방법에 관한 것이다.

불쾌한 냄새의 근원이 있는 화장실과 같은 생활 공간의 용이하고 안락한 제공을 위한 다양한 방취 기술은 대기 중으로부터 불쾌한 냄새를 제거하는데 사용되어 왔다.

종래의 방취기술은 오존 발생기로서 본 기술에서 통상적으로 언급된 오존 발생기의 사용을 일반적으로 포함한다. 많은 경우에 오존 발생기는 에를 들어 일본국 실용신안 공개 번호 제1-128822(1989)호에 기술된 바와 같이 오존 분해 촉매와 결합하여 사용된다. 특히, 오존 발생기는 대기 중에 포함된 악취를 퐁기는 물질이 팬(fan)에 의해 순환되게 하는 방취 장치의 공기통로에 배치된다. 고주파 선택 전압은 오존 발생기로 하여금 오존이 인위적으로 생산됨에 의하여 그것의 공기 갭을 통한 코로나 방전을 발생시키도록 이용한다. 공기 전파 악취물 뿐만아니라 오존 발생기에 의해 발생된 오존은 예를 들어 벌집형 구조로 형성된 다공 촉매 지지물에 의해 전달된 TiO₂및 M_nO와 같은 오존 분해 촉매와 접촉시킨다. 편리하게도, 오존 분해 촉매의 확장된 표면 영역은 그 위에 악취물을 효과적으로 포획하도록 제공한다. 촉매는 오존을 산소 분자 및 산소 원자로 분해시키는 기능이다. 역으로, 활성 산소는 그것을 무취의 또는 보다 적은 악취를 퐁기는 물질로 산화시키도록 촉매 표면상에 포획된 악취물과 반응한다. 예로서, 악취물이 H₂S 일 때 방취의 화학 반응은 다음과 같이 일어난다.

H₂S + 30₃→ SO₂+ H₂O + 30₂그후 방취 장치에 의해 이 방법에서 다루어진 공기의 유동은 대기중으로 방전된다.

오존이 유독성이 있고 독특한 냄새를 가지므로 방취 장치를 통과하여 처리된 공기는 오존에 화합되지 않는 것이 바람직하다. 이점에 대해서, 종래의 오존 분해 촉매의 중요 기능은 다음의 방법으로 어떤 과도한 양의 오존을 무해한 산소로 분해 하는 것이다.

20₃→ 30₂

그러나, 현재, 유용한 방취 장치에 있는 오존 크기의 양이 그 크기로 인하여 제한받기 때문에, 오존 분해 촉매의 전체 효율은 오존 발생기에서 생성된 오존의 대략 10%가 분해되지 않고 대기중으로 어쩔 수 없이 방출되는 결과로 대략 90%를 넘지 못한다.

본 발명자는 분당 100 리터의 흐름비로 공기의 흐름에 포함돈 약 0.02ppm 의 오존이 인간의 호흡기관에 영향을 미친다는 것을 관찰하였다. 오존 분해 촉매의 효율이 90%라 가정하면 바람직하게 오존 발생기는 분당 100리터의 흐름비로 공기 흐름에 대해 대략 0.2ppm 만큼 작은 정도보다 더 큰 생산비로 오존을 발생시키지 않게 한다.

방취 오존 발생기에 대한 다른 요구는 이러한 한정된 오존 발생 용량이 오존관의 사용기간 동안내내 주위를 충분히 방취시키기 위해 수년동안 계속 유지되어야만 한다는 것이다. 간략하면, 방취기에 응용하기 위한 오존 발생기를 디자인함에 있어서 극복 되어야만 하는 문제점은 제어된 소량의 오존이 지속되는 기간동안 일정하게 발생되는 것을 확실하게 해야하는 점이다.

종래 기술의 오존 발생기의 다양한 형태는 아래에서 주로 논의될 것이다. 오존이 인위적으로 생성되는 오존 발생기의 동작 원리는 1987년 정도로 일찍이 발표된 “지멘스 튜브(Siemens Tube)”에서 발견된다는 것이 본 기술에 공지되어 있다. 상기 장치는 대기압하에서 건조공기 또는 산소가 순환되는 고리형 공기 통로를 형성하는 이중벽 유리관이 제공된다. 내부전극은 유리관의 중심에 제공되고, 관을 둘러싼 외부 케이싱은 외부 전극으로써 역할한다. 교호하는 고전압이 내부 및 외부 전극 사이에 인가될 때 다른 경우에 코로나 방전으로써 공지된 조용한 전기 방전은 공기 통로를 통해 나타나고 그것에 의하여 산소가 오존으로 변화된다. 지멘스 튜브에 있어서, 코로나 방전은 유리관의 내부 표면상에 확산되고, 이 현상은 표면 크리패지(creepage) 또는 표면 섬락과 같이 본 기술에 공지되어 있다. 이러한 섬락은 전기 방전 칼럼을 야기시키도록 전극들 사이에 절연 장벽으로서 동작하는 유리관의 존재에 기인하고, 그것은 실제로 유리관의 표면에 걸쳐 분포되어지는 전극의 흐름 또는 아발란치(avalanches)이다.

최근의 오존 발생기는 일반적으로 반도체 디바이스의 제조 기술을 이용하여 제작되고, 한 개 이상의 평면 전극을 가지나 지멘스 튜브와 같은 원리로써 동작한다. 예를 들면 일본국 특허 번호 제61-231573(1983)호 및 일본국 특허 공개번호 제 60-157183(1985)호의 제2도는 코로나 방전 장치 또는 반대 전극형의 오존 발생기를 서술하고, 그것의 단면도는 본 발명에 첨부된 도면 중 제1도에서 개략적으로 재생된다. 그것에 도시된 바와 같이, 내부 평면 전극(10)은 절연 세라믹 재료의 기판(12)에 매립되고, 외부 전극(14)은 텅스텐 페이스트 인쇄술과 같은 금속화 기술에 의해 기판 표면상에 형성된다. 고주파 교호 전압이 전원(16)에 의해서 전극사이에 인가될 때, 전계는 절연층 양단에 발생된다. 제1도에서, 전계의 방향은 파선(8)으로 표시된 전력 라인으로 도시되고, 전력 라인은 직선(20)으로 표시된 등전위면과 직각을 이룬다. 외부전극 (14)이 내부전극(10)보다 좁기 때문에 등전위면(20)은 전계 부분을 대기갭 양단에 나타나도록 위쪽으로 퍼지게 된다는 것을 알아야 한다. 대기갭 양단에 인가된 전위가 그의 항복 전압을 초과하는 순간 대기갭의 항복은 직선(22)으로 제1도에 개략적으로 도시된 바와 같이 전력 라인을 따라 발생하는 전기 방전 결과에 의해 일어난다. 코로나 방전은 연속적으로 일어나는 각개의 불연속 전기 방전의 방전 칼럼군으로써 관측된다. 상기 코로나 방전으로 전술된 표면 크리패지 또는 섬락으로 인하여 절연 기판의 표면에 걸쳐 일정한 범위로 퍼지게 된다. 제1도에 재생된 바와 같은 반대 전극형태의 오존 발생기의 단점은 외부 전극(14)에 튼튼하고 확실하게 전기적 접속을 제공하기 어렵다는 것이다. 그리하여, 전원(16)으로부터 리드선 중 하나는 외부 전극의 상부 표면에 납땜된 그의 단부와 더불어 외부 전극 상에 연장되도록 필수적으로 배열되어야만 한다. 리드선 뿐만 아니라 납땜된 단부가 오존이 풍부한 영역에 이 방법으로 배열되므로 그것이 산화로 인하여 쉽게 덜어지게 되는 것은 위험한다. 외부전극은 오존에 의해 부식 받게 된다.

일본국 특허 공개 번호 제64-3304(1989)호 및 제1-246104(1989)호는 반대 전극형의 오존 발생기를 발표하고, 여기에서 외부전극을 보호 코팅에 의해 덮혀진다. 세라믹 코팅이 산화로부터 외부전극을 보호하는 반면, 상기 배치는 리드선 및 납땜 접속의 저하의 단점이 있다.

일본국 특허 공개 번호 제58-108559(1983)호 및 미합중국 특허번호 제4,783,716호는 절연층내에 나란한 배열로 병렬 배치된 한쌍의 내부 평면 전극을 가진 방전 장치를 기술한다. 그것의 단면 표시는 제2도에서 개략적으로 재생된다. 유리하게, 상기 병렬 배치된 전극 배열은 모든 리드선을 오존 풍부 영역으로부터 멀리 떨어진 장치의 낮은 측면에 위치하도록 할 수 있다. 따라서, 리드선은 오존에 의한 화학적 부식으로부터 보호된다. 그러나, 이러한 방전 장치는 상품화 되지 않았다. 추측컨데, 그 dlb는 적정량의 오존을 생성하는데 실패했기 때문이다. 병렬 배치 전극(24 및 26)간에 생긴 전계가 제2도에 도시된 바와 같이 절연층 내에 거의 제한되기 때문에, 대기 갭을 통해 강도 높은 코로나 방전을 발생하기에 충분히 강한 전계를 인가하기 어렵다고 믿어진다.

일본국 특허 공개 번호 제60-157183(1985)호는 그의 제4도 내지 제8도에서 교호 전압이 인가되도록 한쌍의 병렬 배치된 내부 전극 위에 놓이 부가적인 부유전극을 가진 고체 상태 방전 장치를 설명한다. 유사한 장치가 일본국 특허 공개번호 제62-51463(1987)의 제3도 내지 제13도와 일본국 특허 공개 번호 제3-190077(1991)의 제1도 내지 제4도에 기재되어 있다. 참조가 용이하도록, 상기 장치의 개략적인 단면도는 본 출원의 제3도에 다시 도시된다. 중간 부유 전극(28)이 내부 병렬 배치된 전극(30 및 32)을 서로 용량적으로 결합시키는 역할을 한다는 것을 제3도로부터 알 수 있다. 따라서, 제2도에 도시된 배열과 비교하면 부유 전극(28)의 존재는 대기 갭으로 전력선을 증가시키는데 기여하고, 그것에 의해 한 곳에 전극(28 및 30)간에 더 강한 코로나 방전을 유발시키며, 다른 곳에 전극(28 및 32)간에 보다 강한 코로나 방전을 유발시킨다.

그러나, 본 발명자의 실험 및 조사에 따라서 그것 내에 생성된 오존의 양은 시간이 경과함에 다라 급속히 감소한다는 사실이 명백하게 되었다. 외부 부유 전극(28)은 생성된 오존에 의한 화학적 부식 뿐만 아니라 코로나 방전에 의한 전기적부식을 받기 때문에 쉽게 산화된다. 더구나, 부유 전극은 충격에 기인한 스피터링(sputtering)에 의해 손상된다. 결국, 부유 전극의 전기 저항은 장치 작동됨에 따라 증가된다. 따라서, 첨부된 도면에 표시된 테스트 결과를 참조하여 이하 더욱 상세히 기술되는 바와 같이 코로나 방전을 트리거 하는데 필요한 최소 전압 레벨은 시간의 경과에 대응하여 증가한다. 이는 오존 발생기가 설정된 동작 전압에서 동작되는 경우, 코로나 방전의 세기가 경사지게 감소하므로 결과적으로 오존 발생기가 요구된 오존량을 발생시키지 못하게 된다는 것을 의미한다.

따라서, 본 발명의 목적은 개선된 코로나 방전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 오존이 연장된 기간 동안 일정한 비율로 생성되는 오존 발생기로서 사용하기 위한 코로나 방전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 지속돈 서비스 수명 기간 동안 제어된 소량의 오존을 발생시킬 수 있는 코로나 방전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 양질의 코로나 방전 장치가 대량 생산을 근거로 하여 제조되는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 다음과 같은 부유 전극을 위한 보호 코팅에 관련된 몇몇 발견들에 기초한다.

본 발명은 상술된 스퍼터링과 산화로부터 부유 전극을 보호하기 위하여 시도되었다. 상기 목적을 위하여, 세라믹 물질로 된 보호 층으로 덮인 부유 전극을 각각 가지는 코로나 방전 장치의 복수개의 이상적인 실험예를 준비하였다. 작동 중, 최소 섬락 전압이 어떻게 전체 작동 시간의 함수로서 변하게 되는지 알아보기 위하여 이런 예들이 검사되었다. 여기에서 사용하고 청구 범위에서 사용하는 “최소 섬락 전압” 은 전압 인가시 즉 상당한 지연시간 없이 거의 즉시로 대기 갭을 가로질러 코로나 방전 장치가 코로나 방전을 일으키는데 필요한 최소 전압을 의미하고 있다. 마찬가지로, “초기 최소 섬락 전압” 은 쓰이지 않은 새로운 코로나 방전 장치에서 처음에 관찰된 최소 섬락 전압을 의미한다. 각각의 예에 적용된 고주파 교호전압의 전압 레벨을 코로나 방전이 관찰될 때까지 점차적으로 증가시키는 방식을 사용하여 최소 섬락 전압의 측정이 실행되면, 그 후 최소 섬락 전압이 결정된다.

예상했던 바와 같이, 검사한 예들을 통하여, 초기 최소 섬락 전압이 제3도에 도시된 바와 같이 부유 전극이 덮여있지 않은 장치의 그것과 비교하여 훨신 더 높다는 것으로 관찰되었다. 이것은 보호층의 존재가 전자를 공급함으로써 전자를 공급함으로써 전극의 부유를 방지하기 때문에 그 결과로 아마도, 주어진 전압 레벨에서 코로나 방전이 일어나는데는 상당한 지연 시간이 필수적이다.

그렇지만, 초기 최소 섬락 전압은 예측할 수 없는 폭으로 예에서 예로 변하는 것이 밝혀졌다. 아마도, 이것은 보호 코팅의 표면의 거칠기와 관련된다. 초기 최소 섬락 전압의 이런 큰 폭의 변동은 코로나 방전 장치가 대량 생산 기술에 의해 제조되고 미리 예정된 등가 전압에서 작동하는 경우 바람직하지 않다.

보다 중요한 것은, 검사된 예들의 최소 섬락 전압이 전체 작동 시간의 함수로서 점차적으로 낮아진다는 것을 본 발명자가 발견했다는 것이다. 이것은 종래의 코로나 방전 장치와 비교하여 최소 섬락 전압이 전술된 바와 같이 연속 작동에 따라 증가한다는 점이다. 상기 발견에 고무되어, 본 발명자는 코로나 방전에 의한 보호 코팅을 경년 변화시킬 목적으로 초기 최소 섬락 전압 보다 더 높은 고주파 교류 전압을 실험 예에 시험적으로 적용해 보았다. 놀랍게도, 그러한 경년 변화된 보호 코팅을 가지는 예가 경년 변화되지 않은 예어서 관찰된 것보다 훨씬 더 좁은 초기 최소 섬락 전압을 나타내는 것을 발견하였다. 게다가 초기 최소 섬락 전압은 경년 변화 결과로서 상당히 낮추어져 있다는 것을 발견하였다.

이러한 발견에 기초하여, 본 발명은 오존 발생기(ozonizzr)로 사용되는 코로나 방전 장치의 제조 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 코로나 방전 장치의 앞의 제품은 알루미나 세라믹(Alumina ceramics)과 같은 절연체의 기판 안에 매립된 한 쌍의 공간 평면 내부 전극이 준비된다. 게다가, 예비 생산 제품은 기판 위에 배치된 외부 부유 전극을 포함하고 있다. 부유 전극은 알루미나 세라믹과 같은 내화학적 전기 절연물질의 보호층으로 덮여 있다. 본 발명에 따르면, 이러한 준비된 예비 생산품의 보호층은 코로나 방전 장치의 최종 생산품을 얻기 위하여 경년 변화 시키는데, 예비 생산품의 초기 최소 섬락 전압 레벨 보다 더 높은 전압을 가지는 고주파 교호 전압을 적용한다.

보호층의 경년 변화의 원리와 메카니즘이 분명하지는 않지만, 경년 변화는 최종 생산품의 초기 최소 섬락 전압을 낮추는 것 뿐만 아니라 초기 최소 섬락 전압의 변동 범위를 줄이는 데는 분명한 효과가 있다.

바람직하게는, 외부 전극과 내부 전극 사이에 있는 절연체층의 항복 전압보다 약간 낮은 전압에서 10초 이상 경년 변화를 실행시킨다.

본 발명의 다른 특징과 장점은 다음의 기술로서 분명하게 될 것이다.

이제 제4도 내지 제7도를 참조하면, 본 발명에 따르는 코로나 방전 장치의 작동 모드와 일반적인 구조가 기술될 것이다. 제4도 내지 제6도에 도시된 바와 같이, 한상의 평면 내부 전극(54 및 56)이 매립된 알루미나 세라믹과 같이 코로나 방전 장치(50)는 유전체 물질의 기판(52)을 포함한다. 각각의 전극(54 및 56)은 연장된 브릿징 부분(62)에 의해 서로 접속되어 있는 직사각형의 내부 부분(58)과 순환 단자 부분(60)을 가지고 있다. 코너부분이 둥글게 되어 있는 연장된 외부 전극(64)은 내부 전극(54 및 56)의 내부 부분(58)이 겹쳐있고 그 사이에 끼워진 유전체 세라믹(66)이 있는 방식으로써, 유전체 기판(58)의 상부 표면에 배열되어 있다. 도면에서는 크게 과장되어 도시되어 있지만, 유전체 층(66)의 유효 두께 D는 약 25 내 75 마이크로미터이고 실제로 거리가 1mm 인 내부 전극(54 및 56) 사이의 수평 거리보다 작다. 외부 전극(64)은 알루미나 세라믹과 같은 유효 두께가 약 7내지 20 마이크로미터인 내호학적 전기 절연 물질의 보호층(68)으로 덮여 있다.

제5도에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 금속 전도체(70 및 72)는 세라믹 기판(52) 양단에 연장하고 내부 전극(54 및 56)의 순환 단자 부분의 단부에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 전도체(70 및 72)의 다른 단부는 각각 기판(52)의 아래 표면에 제공된 한 쌍의 단자(74 및 76)에 접속되어 있다.

사용시에는, 제5도에 도시된 바와 같이, 코로나 방전 장치(50)는 리드 선(78 및 80)에 의하여 내부 전극(54 및 56)사이의 고주파 교호 전압을 인가하도록 종래의 전원(82)에 접속되어 있다. 외부 전극(64)은 내부 전극(54 및 56)에 부분적으로 겹쳐져 있고, 유전체층(66)이 그 사이에 있기 때문에, 외부 전극(64)과 내부 전극(54 및 56) 사이의 각각에 생성되어서 코로나 방전은 제5도 및 제6도의 활모양의 화살표로 표시한데로 부유 전극과 내부 전극 사이의 대기층을 가로질러 발생한다.

코로나 방전은 부유 전극이 내부 전극(54 및 56)위에 겹쳐 놓여 있는 윤곽을 따라 일어날 것이다. 부유 전극은 내부 전극(54 및 56)과 개별적으로 겹쳐있고, 실시예에서, 제7도에 도시된 바와 같이, 부유 전극의 양끝 모서리가 둥글기 때문에 코로나 방전이 일어나는 곳을 따라 V-모양의 불연속 영역이 두 군데 있다. 세라믹 코팅(68)이 있기 때문에, 제7도에 도시된 바와 같이, 보호층의 표면 위의 음영 되어있는 곳에서 천천히 또는 갑자기 코로나 방전이 일어난다. 코로나 방전 장치(50)에 의해 발생된 오존의 양은 대략 방전이 일어난 그 표면 영역에 비례하므로 내부 전극(54 및 56)에 관련하여 겹쳐있는 외부 전극(64)에 따른 전체 수평 길이에 비례한다는 것을 알아야 한다. 외부 부유 전극(64)의 길이를 변환시킴으로서 코로나 방전 장치(50)의 오존 발생량은 아주 정확하고 쉽게 제어할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따르는 코로나 방전 장치(50)는 제어된작은 발생 비율로 오존을 발생시킬 수 있다.

부유 전극의 둥근 코너 부분이 코로나 방전의 지역화를 유리하게 예방한다는 것 또한 주목할 만 하다. 만약 그렇지 않고, 외부 전극(64)의 단부가 날카롭게 형성된다면, 코로나 방전은 그 날카로운 모서리에 집중하게 되어, 부유 전극(64)과 보호 코팅(68)은 아주 빨리 해를 입는 원인이 된다.

다음에, 본 발명에 따르는 코로나 방전 장치(50)를 만드는 방법은 제8(a)도 및 제8(d)도에 도시된 발생 흐름도를 참조로 기술된 것이다.

알루미나 세라믹-형성 물질과 같은 세라믹-형성 유전체 물질의 슬러리(slurry)가 먼저 준비되고, 닥터 블레이드 과정(doctor blade process)과 같은 종래의 과정에 의해 그린 시트(green sheet)로 형성된다. 그러면 제5도의 (70 및 72)에 도시된 전도체를 받아 들이기 위한 한쌍의 관통 홀을 형성하게 끔 시트를 펀칭한다. 상기 목적을 위해, 스크린 프린팅(screen printing)과 같은 종래의 프린팅 기술에 의해 텅스텐과 같은 전기적 전도성 물질을 포함하는 페이스트로 관통 홀이 채워지게 된다. 건조시킨후에, 내부 전극(54 및 56)의 전극 패턴과 단자(74 및 76)의 단자 패턴은 관통 홀에 채워진 페이스트 (86)와접촉되도록, 그린 시트의 윗표면과 그 반대 표면에 각각 종래의 프린팅 기술에 의해 전도성 물질 페이스트로 프린팅된다. 전성 물질의 페이스트의 단자 패턴(92)도 또한 후술하겠지만 전기 히터(heater)의 단자를 제공하기 위하여 그린 시트의 반대 표면 위에 프린팅된다. 건조 시킨 후에, 매끄럽지못한 표면을 매끄럽게 하기 위해 뜨겁게 하여 누른다.

그린 시트와 똑 같은 성분으로 된 세라믹-형성 유전체 물질은 유전체 층(66)을 형성하기 위하여 종래의 스크린 프린팅 기술에 의해 프린팅된다. 건조시킨 후에, 전도성 물질의 페이스트의 전극 패턴(94)은 외부 부유 전극(64)을 제공하기 위하여 절연층 위에 프린팅 되고, 다시 건조시킨다. 그런 후에, 내화학적 전기 절연 물질은 보호층(68)을 형성하기 위하여 스크린 프린팅 된다. 알루미나 세라믹이 내화학적 이고 전기적으로 절연일 때, 유전체층(66)으로 형성된 세라믹-형석 유전체 물질의 페이스트는 형성된 보호층(68)으로 제공되기 위해 쓰여진다. 건조시킨 후에, 생산품은 코로나 방전 장치의 예비 생산품을 얻도록 감소하는 대기에서 소결(sintering)된다. 양호하게, 단자(74, 76 및 92)는 리드 선의 일렬 묶음을 쉽게 하기 위하여 니켈 도금을 한다.

코로나 방전 장치의 준비된 에비 생산품은 내부 전극(54 및 56)사이에 고주파 교호 전압을 인가함에 의해 최종 생산품을 얻기 위하여 경년 변화시킨다. 경년 변화의 전압은 예비 생산품의 초기 최소 섬락 전압보다 더 높아야만 한다. 그렇지만, 경년 변화의 전압은 유전체층(66)의 항복을 야기시킬 정도로 높아서는 안된다. 바람직하게는, 경년변화는 유전체층(660의 항복 전압 보다 약간 낮은 전압에서 실행시킨다. 경년 변화는 약간 낮은 전압에서 실행시킨다. 경년 변화는 최종 생산품의 초기 최소 섬락 전압은 경년 변화가 본질적으로 낮춰진 후까지도 계속될 수도 있고 초기 최소 섬락 전압은 경년 변화가 실질적으로 제거된 후까지도 계속될 수가 있다. 바람직하게는, 경년 변화는 5초 이상, 양호하게 10초 내지 30초 동안 실행하는 것이 좋다.

경년 변화 후, 이미 제조된 싱글 칩 저항(97)과 같은 전기 히타는 히타 단자(92)에 접촉되도록 기판(52)에 부착한다. 전기 히타의 사용은 코로나 방전 장치가 작동하는 동안에 보호 코팅(68)에 습기가 차는 것을 방지하는 것이 바람직하고 습기가 있는 상태에서조차도 장치의 온존 발생량을 유지하는 것이 바람직하다. 마지막으로, 리드 선은 관련 단자들과 납땜시키고 종래의 넣어진 수지는 납땜된 전기적 접속을 밀봉하도록 주형된다.

[예 1]

세라믹 형성 물질은 Al₂O₃를 약 99.5% 함유하는 고순도의 알루미나 분말 859, 고령석(kaolimite)을 약 89.6% 함유하는 고령토 122, MgCO₃12, C_aCO₃7 물 700의 비율로 혼합하여 준비한다. 그런다음 혼합물은 평균 입자 크기가 3 마이크로미터 정도로 작아질때까지 알루미나 볼 밀(Alumina ball mill)로 가루로 만든다. 그후 물의 함유량이 0.3% 이하를 함유하는 세라믹 형성 물질을 얻기 위하여 혼합물을 건조시킨다. 형성 물질 225 는 폴리비닐부틸란 18, 디부틸프탈레이트 15, 해교제18, 톨루엔 62, 이소프로필 알콜 26의 비율이다. 혼합물은 약 20 시간정도 알루미나볼 밀로 혼합되고 가스를 제거하기 위해 진공기에 넣는다. 그후 혼합물을 세라믹 형성 물질의 슬러리를 얻기 위하여 약 20시간동안 경년 변화시킨다. 그리고 나서 준비된 슬러리는 종래의 닥터 블레이드 방법을 써서 약 0.83mm 두께의 길고 가느다란 그린의 세라믹 물질로 되도록 회전시킨다. 이 작은 조각들을 프레스에 보내어 거기서 시트(sheet)로 잘려지고 각각의 시트에 관통 홀을 뚫는다. 그리하여 준비된 그린 시트(green sheet) 중 몇몇은 나중에 언급되겠지만 알루미나 페이스트를 형성하도록 남겨 놓는다.

그린 시트의 관통 홀은 스크린 프린팅에 의한 종래의 텅스텐 페이스트로 채워지게 된다. 건조된 후에, 텅스텐 페이스트의 단자 패턴은 각 그린 시트의 일면에 프린팅 되어 다시 건조된다. 그후, 내부 전극을 위한 텅스텐 페이스트의 프린팅된 패턴은 각 그린 시트의 다른 면에 스프린 프린트에 형성되고 다음에 건조된다. 생산품은 약 20초 동안 약 섭씨 60도에서 뜨겁게 압축된다. 그후, 유전체층의 알루미나 페이스트는 스크린 프린팅에 의해 내부 전극 패턴 상부에 피복된다. 유전체층과 기판의 아래층 사이의 입자 크기를 일정하게 하기 위하여 절연층의 스크린 프린팅에 유용한 알루미나 페이스트는 몇 개의 그린 시트를 뜨겁게 함으로써 그리고 종래의 페이스트 형성 매개물을 첨가함으로써 휘발성 부가물을 증발시키도록 편리하게 준비된다. 건조시킨 후에, 외부 부유 전극의 전극 패턴은 텅스텐 페이스트를 사용하여 스크린 프린팅 되고 생산품을 건조된다. 그 후, 부유 전극 패턴은 보호층을 제공하기 위한 비슷한 알루미나 페이스트의 스크린 프린트에 의해 덮혀지고 생상품은 다시 건조된다. 그리하여 준비된 복수개의 에비 생산품은 코로나 방전 장치의 일련의 에비 생산품을 얻기 위하여 온도의 변화가 300℃에서 1580℃가 되는 소결로에서 약 30시간동안 기압이 감소되는 풍부한 니트로겐에서 소결된다.

상기 방식으로 준비된 예비 생산품의 경우에, 유전체층(66)의 평균 두께(D)는 약 50마이크로미터이고 보호층(68)의 평균 두께는 약 10 마이크로미터이다. 유전체층(66)과 보호층(68)으로 형성된 알루미나 세라믹은 Al₂O₃가 약 92.5%, SiO₂가 약 5.7%, C_aO가 약 1%, MgO가 약 0.6%등으로 불순물이 균형을 이루고 있다.

예비 생산품은 후술되는 바와 같은 변하는 조건하에서 경년 변화되고 경년변화의 효과는 최소 섬락 전압의 변호를 측정함에 의해 조사된다. 비교를 위하여, 보호층이 없는 코로나 방전 장치의 몇몇 비교예를 만들어서 검사한다. 예비 생산품이 보호층으로 덮혀있지 않은 외부 부유 전극을 제외한 방식으로 비교 예들이 똑같은 방식으로 만들어진다.

예비 생산품의 경년 변화 뿐만아니라 최소 섬락 전압의 측정은 제9도에 도시된 장치를 사용함으로써 수행된다. 교호 전원(100)에서 나오는 교류는 종래의 안정화된 전원(102)에 의해 안정화되고 고정된 15KHz 의 출력 주파수를 가지는 종래의 가변 전압-고주파수 고-전압 전원(104)에 공급된다. 전원(104)에서 나오는 출력은 한 쌍의 리드 선을 통하여 검사중인 특별한 코로나 방전 장치에 인가된다. 전원(104)에서 나오는 가변 출력 전압은 이와쯔(Iwatsu) 캄파니에서 내놓은 모델 HV-P30인 종래의 고전압 탐침(106)에 의해 검출되고 리드 선으로 접속되어 있다. 탐침(106)에서 나오는 출력은 피크 투 피크(peak-to-peak) 전압을 가시적으로도 측정할 수 있도록 종래의 오실로스코프(108)의 제1 채널로 전송된다. 코로나 방전 장치르르 통하여 흐르는 전류의 강도는 리드 선 중의 하나와 관련된 종래의 전류 탐침(110)에 의해 픽업되고, 전류 탐침(110)의 출력은 종래의 증폭기(112)에 의해 증폭된 후에 오실로스코프의 제2 채널로 보내진다.

예비 생산품의 경년 변화는 다양한 전압과 시간 조건에서 수행된다. 즉, 한 시리즈의 예비 생산품은 설정된 시간의 주어진 전압에서 경년 변화되고, 다른 시리즈는 다른 시간의 똑같은 전압에서 경년 변화되고 또 다른 시리즈는 다른 시간의 다른 전압에서 경년 변화된다. 또 다른 시리즈의 예비 생산품은 경년 변화없이 검사와 측정이 그대로 유지된다.

특별한 코로나 방전 장치의 최소 섬락 전압에서의 변화는 다음 방식으로 측정된다. 고-주파수 고-전압 전원(104)이 켜진 후에, 전압 증가로 약 10초 동안 코로나 방전이 일어날때까지 전압 제어 다이얼을 출력 전압이 증가되도록 손으로 작동시킨다. 코로나 방전의 발생은 전류 탐침(11)에 의해 검출된 것처럼 코로나 방전 장치를 통하여 흐르는 전류의 파형을 검사함으로써 검출되고 제2채널을 경유하여 오실로스코프(108)에 나타나며, 코로나 방전의 발생을 가시적으로 확인할 수 있다. 그후, 고 전압 탐침(106)에 의해 검출된 것처럼 오실로스코프는 전압을 알 수 있도록 제1채널로 전환된다. 그래서 사용하지 않은 코로나 방전 장치에서 검출된 전압이 위에서 발견된 경우와 같이 초기 최소 섬락 전압이 된다. 그러면, 검사 중에 있는 각 코로나 방전 장치는 약 2.000초의 최대 주기 동안에 약 5.4KVpp 의 정상적으로 작동하는 피크 투 피크 전압에서 작동된다. 작동은 똑같은 방식으로 최소 섬락 전압을 측정하기 위하여 다양한 작동 위상에서 때때로 불연속이다.

보호층의 효과와 경년 변화의 효과는 최소 섬락 전압의 측정 결과가 나타나있는 제10도 내지 제16도의 그래프를 참조하여 논의될 것이다. 이들 그래프에서, 두 번째로, 위에서 언급된 정상 작동 전압의 작동의 세로 좌표는 KVpp의 최소 섬락 전압을 나타내고 가로좌표는 전체 시간을 표시한다. 전체에서 5에서 10까지의 일련의 코로나 방전 장치에서 측정된 결과인 최대값, 최소값 그리고 최소 섬락 전압의 평균값이 각각 원, 삼각형 그리고 점으로 표시되어 나타나있다.

제10도의 그래프를 먼저 참조하면, 결코 경년 변화되어 있지 않은 시리즈의 예비 생상품의 측정에서처럼 그 최소 섬락 전압의 변화가 작동의 전체 시간의 함수로서 도시되어 있다. 이 그래프에서 주목되는 것은, 경년 변화되지 않은 보호층을 가지는 코로나 방전 장치에서, 초기 최소 섬락 전압, 즉, 작동 시간이 제로일 때 나타난 최소 섬락 전압은 변화 범위가 약 4.4KVpp에서 약 5.1KVpp 까지의 큰 범위로 장치에서 장치로 변화된다는 것이다. 본 발명은 초기 최소 섬락 전압에서 그러한 큰폭의 변화는 아마도 층이 세라믹 형성물질의 소결에 의해 형성되어 있으므로 보호층(68)의 표면 거칠기가 장치마다 다르기 때문일 것이라고 생각한다. 제10도의 그래프에서 또한 주목할 것은, 장치가 정상 작동 전압에서 작동됨에 따라 최소 섬락 전압에서 변화의 크기는 급속하게 감소되고 평균 최소 섬락 전압은 점차적으로 낮아진다. 이것은 세라믹 보호층 표면 위의 미시적인 돌출 부분들이 코로나 방전의 에너지에 의하여 부드러워 진 것이 원인일 것이다.

제11도의 그래프를 참조하면, 외부 부유 전극이 덮여 있지 않은 코로나 방전의 비교예에서 측정된 최소 섬락 전압의 변화가 도시되어 있다. 제10도의 그래프에 도시된 결과와 비교해보면, 초기 최소 섬락 전압은 상당히 낮아졌고 그 변화는 보호층이 없기 때문에 매우 작다. 그렇지만, 최소 섬락 전압이 전체 작동 시간에 대하여 점차적으로 증가하고 있는 것이 보일 것이다. 이것은 명백히 산화와 스퍼터링으로 인한 부유 전극의 전기 저항의 증가가 원인이다.

제12 내지 제16도의 그래프는 다른 조건하에서 본 발명에 따라 경년 변화된 다른 일련의 코로나 방전 장치에서 얻어진 검사 결과를 도시한 것이다.

제12도는 먼저 일련의 코로나 방전 장치를 7KVpp에서 3초 동안 경년 변화시킨 검사 결과를 도시한 것이다. 제10도의 그래프와 비교해서 최소 섬락 전압에서 주목되는 것과 별 차이가 없다. 보호층의 특성을 개선시키기에는 경년 변화 정도가 불충분하다고 생각된다.

제13도는 두 번째로 일련의 코로나 방전 장치를 7KVpp에서 30초 동안 경년 변화시킨 검사 결과를 도시한 것이다. 제10도 및 제12도와 비교해보면 초기 최소 섬락 전압의 변화 범위가 매우 좁아졌다는 것이 주목된다. 거기에다가 평균 초기 최소 섬락 전압이 상당히 낮아졌다. 장치가 5,4KVpp의 정상 작동 전압에서 작동됨에 따라 최소 섬락 전압은 앞의 작동 위상(the earlier phase of operation)에 약간의 이동(slight drift)이나 과도적 회복(transitional recovery)이 나타나지만 이후로는 계속해서 감소한다.

제14도는 세 번째로 일련의 코로나 방전 장치를 7KVpp에서 300초 동안 경년 변화 시킨 검사 결과를 도시한 것이다. 평균 최소 섬락 전압은 제13도에서 도시된 것보다 낮지만 과도적 회복은 상당히 높다.

제15도 및 제16도는 네 번째와 다섯 번째로 일련의 코로나 방전 장치를 8KVpp에서 각각 30초와 120초동안 경년변화시켜 얻은 결과를 도시한 것이다. 이들 조건하에서의 경년변화는 초기 최소 섬락 전압을 낮게 할 뿐만아니라 초기 최소 섬락 전압을 감소시키는데도 또한 효과적이다. 7KVpp 또는 그 이상되는 전압에서 적어도 30초 동안 경년 변화시킨 복수개의 코로나 방전 장치를 매분당 10리터의 흐름 속도로 흐르는 건조한 공기의 흐름속에서 6.000 시간동안 작동시키고 발생되는 오존의 양을 검사한다. 검사 결과를 제17도의 그래프에 도시하였다. 이것으로 주목되는 것은, 충분히 경년 변화된 코로나 방전 장치는 전체 6.000시간의 작동 주기를 통하여 약 2ppm의 오존을 발생시킬 수 잇다. 6.000 시간 작동 후에는 오존 발생의 기울기가 초기 발생의 약 30%에도 미치지 못한다.

[예 2]

다른 일련의 실험은 높은 절연 강도의 절연층(66)을 제공할 수 있는 알루미나 세라믹의 최적의 하성과 코로나 방전 장치의 연장된 수명을 알아보도록 실해오디었다. 다양한 CaO 함량을 가지는 그린 시트(green sheet)를 예 1과 비슷한 방식으로 준비하고 프린트된 전극 패턴의 텅스텐 페이스트를 준비한다. 금속화된 알루미나 세라믹의 다섯 개의 견본을 얻도록 예 1과 똑같은 방식으로 생산품을 소결시킨다. 알루미나 자기의 다섯 개의 견본의 CaO 양은 퍼센트 중량으로 각가 0.5%, 0.8%, 1.0%, 1.2% 그리고 1.5%를 함유한다. 이 견본들은 다양하게 검사 및 분석되어 그 결과가 아래와 같이 기술된다.

제18도는 다섯 개의 견본을 측정한 알루미나 세라믹의 부피 필도를 도시한 것이다. 제18도의 그래프에서, 측정된 부피 밀도 외 최소값, 최대값, 평균값은 각각 원, 삼각형, 점으로 도시되었다. 평균 부피 용적은 CaO의 함량이 0.8% 내지 1.2%가 더 높았고 CaO 의 양이 약 1% 일 때 피크 값(peak value)을 가진다는 것이 주목된다. 이것은 약 1%의 CaO 함량의 경우에, SiO₂의 입자들에 의해 결합된 알루미나 입자를 함유하는 세마릭 구조가 가장 밀접하게 되어있고 내부 공간에서 훨씬 자유스럽다는 것을 의미한다.

이것은 X-ray 확산 분석에 의해 제1 제19도 A에서 Z까지의 재현된 결과를 증명해준다. 도시된 바와 같이, 멀라이트(mullite, 2SiO₂3Al₂O₃)는 CaO 의 함량이 0.8% 이거나 그보다 적을 경우 형성되고, 반면에 회장석(Anorthite, CaO Al₂O₃2SiO₂)은 CaO의 함량이 1.5% 이거나 그보다 많을 경우 형성된다. 멀라이트(mullite)나 회장석(Amorthite)은 바람직하지 않게 CaO₂를 소모하고 SiO₂입자의 형성을 방해한다고 생각된다.

제20도는 일련의 견본들의 유전체 강도검사를 실행한 결과를 나타낸다. 제20도의 그래프도 마찬가지로, 원, 삼각형, 점은 측정된 유전체 강도의 최대값, 평균값을 각각 나타낸다. 제20도에서 주목할 것은, CaO의 함량이 약 1% 일 때 알루미나 세마믹이 최대 유점체 강도를 나타낸다는 것이다. 이것은 분명히, 1%의 CaO 의 함량에 있어서, 유전체 세라믹이 딴 방법으로 너무 일찍 방전되는 결과를 초래하는 무익한 방전이 일어나지 않은 정도로 내부 공간을 최소화하기 때문이다. 마찬가지로, CaO 의 함량을 1%로 조절함으로서 유전체층의 높은 유전체 강도를 제공할 수 있다.

제21(a)도 및 제21(b)도는 전자 현미경으로 관찰하여 CaO의 양이 각각 1.0%와 0.5%인 두 개의 견본의 금속화된 층의 단면도를 나타낸느 미시적인 포토그래프이다. 제21(b)도부터 주목되는 것은, CaO의 함량이 0.5%일 경우, 많은 수의 내부 공간이 텅스텐 입자들에서 뿐만 아니라 금속화된 전극층과 알루미나 자기 사이의 접촉 영역에서도 형성된다는 점이다. CaO의 양이 1.0%인것과 비교해보면, 텅스텐 입자 사이의 입자간 공간 뿐만 아니라 알루미나 세라믹과 금속화된 층사이의 틈에 제21(a)도의 사진에서 명백한 것처럼 SiO₂입자가 채워지게 된다. 이것은 알루미나 세라믹의 CaO 함량이 알루미나 세라믹 물질에서 금속화딘 층까지 소결되는 동안에 일어난 SiO₂입자의 이동에도 효과가 있다는 것을 나타낸다. 분명히, 내부 및 틈 사이의 공간 형성을 방해하는 것에 대해서, SiO₂입자의 충분한 이동은 CaO가 1.0% 일 경우 일어난다. 금속화된 층까지의 내부 공간의 형성은 이 점에서 이익이 되지 못하고, 금속화된 층을 횡단하는 쓸모없는 방전을 야기시키고, 전극의 전기 저항은 초기에 증가하여 그 결과로 코로나 방전 장치의 수명을 짧게 한다. 틈 사이의 공간 형성은 유전체층의 파손을 일으키는 이러한 틈 사이의 공간을 횡단하는 무익한 방전 때문에 바람직하지 못하다. 그러므로, CaO 양의 최적화로, 유전체층의 높은 유전체 강도와 코로나 방전 장치의 연장된 수명을 제공할 수 있다.

제22도의 그래프는 금속화된 층과 각각의 견본들과의 사이에 적용된 인장 내력(tensile stress)의 인장 검사(tensile test)결과를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, CaO의 함량이 1%인 경우 인장 강도가 최대값을 가진다. 이 검사 결과는 텅스텐 입자사이의 입자간의 공간뿐만 아니라 알루미나 세라믹과 금속화된 층사이의 틈에도 CaO의 함량이 1%인 경우 이동된 SiO₂입자로 충분히 채워져 있다는 사실을 입증한다.

코로나 방전 장치의 2가지 예가 CaO의 양이 0.5%인 알루미나 세라믹으로부터 예 1과 비슷한 방식으로 준비되어 있다. 이러한 예 뿐만 아니라 CaO의 함량이 약 1%인 알루미나 세라믹으로 만들어진 예 1의 일련의 예비 생산품들까지도 다양한 전압 조건하에서 유전체층이 얼마나 파손되는 것에 잘 견디는 가를 알아보는 수명 검사가 이루어진다. 수명 검사 결과가 제23도의 그래프에 도시되어 잇는데 세로 좌표는 인가된 전압을 나타내고 세로 좌표는 계산척(logarithmic scale)으로 파손이 일어나기 전의 경과된 전체 시간을 나타낸다. 교차 표시로 도시된 바와 같이, CaO의 함량이 0.5%인 알루미나 세라믹으로 만들어진 코로나 방전 장치는 7KVpp의 인가 전압에서 80초만에 파손되고 5.7KVpp의 정격 작동 전압에서 600시간을 지속하지 못한다. 비교해보면, C??의 함량이 약 1%인 알루미나 세라믹으로 만들어진 예비 생산품은 5.7 KVpp의 정격 작동 전압보다 높은 전압에서 6.000 시간 이상을 지속하고 따라서 평균값을 나타내는 경사진 점선이 원으로 표시된 것을 이해할 수 있다.

유전체 층은(1)비교적 경년 변화되는 단기간 동안에 인가되는 높은 경년 변화 전압뿐만 아니라(2) 비교적 정상적으로 작동되는 코로나 방전 장치의 수명동안 인가되는 낮은 작동 전압에서도 잘 견디어내야만 한다. 제23도에 도시된 검사 결과는 CaO 의 함량이 1%인 경우에, 8KVpp의 전압에서 100초 이하의 경년변화는 유전체층의 파손을 우연히 일으키지 않는다는 것을 의미한다.

[예 3]

앞에서 언급한 코로나 방전 장치에서는, 유전체(66)의 두께(D)와 보호층(68)의 두께(d)는 항복을 피할 수 있을 만큼 충분히 커야하고 외부 전극(64)을 충분히 보호할 수 있어야 한다. 그렇지만 만약에 과도하게 증가한다면, 인가된 전압의 대부분은 유전체 물질의 분극(polarigation)에 소모되기 때문에 공기층을 가로지르는 코로나 방전을 발생시키기 위하여 높은 작동 전압이 요구된다. 그러므로, 두께의 상한(upper limit)은 코로나 방전 장치가 작동이 되는 것에서 계속되는 작동 전압에 의해 제한 받게 되는데, 바꿔 말하면, 전압은 계속 작동시키는데 유용한 고주파 전원의 크기와 비용(cost)에 의해 제한 받게 된다. 제13도를 참조해서 위에서 언급된 것처럼 장치의 최소 섬락 전압은 작동 중에 약간의 이동이나 상승이 일어나기 때문에, 코로나 방전 장치의 경년 변화는 초기 최소 섬락 전압이, 경년 변화 후에, 목표했던 계속되는 작동 전압보다 낮추어진 그런 정도에서 실행되어야 한다. 조사는 이루어졌고 실험은 유용한 전원에 가해지는 제한과 함께 허용되는 두께 범위를 결정되도록 행해졌으며, 결과는 아래에 기술될 것이다.

제24도를 참조하여 코로나 방전 장치의 부분에서, 전압(V)이 내부 전극(54 및 56)사이에 인가되면, 전계는 외부 부유 전극(64)과 각각의 내부 전극 사이에 형성된다. 유전체층(66)과 보호층(68)을 가로지르며 형성된 전계의 벡터가 수직이라고 가정하면, 다음의 관계가 정립된다.

V/2 = Ed · (D + 2d) + Eg · X (1)

여기서 Ed는 유전체층과 보호층을 가로지르며 형성된 전계 세기, Eg는 공기층을 가로지르며 형성된 전계 세기, X는 공기층 전체 길이, D는 유전체층(66)의 두께, d는 보호층(66)의 두께이다.

D 더하기 2d (D + 2d)의 전체 유효 두께를 가지는 일련의 예비생산품은 예 1과 비슷한 방식으로 이루어져 있다. 약 30초 동안 7KVpp에서 경년 변화된 후, 초기 최소 섬락 전압은 측정되고, 측정 결과는 제15도의 그래프에 도시되었고 세로 좌표는 단위가 KVpp 인 초기 최소 섬락 전압을 나타내고 가로좌표는 단위가 ㎛인 전체 유효 두께(D)를 나타낸다. 제25도의 그래프에 도시된 관계로부터 다음의 함수가 얻어진다.

Ui = 0.03 (D + 2d) + 2.2 (2)

Ui는 단위가 KVpp 인 초기 최소 섬락 전압이다.

목표했던 작동 전압이 초기 최소 섬락 전압보다 더 높아짐에 따라 (Vo ＞ Vi), Vo ＞ 0.03 (D + 2d) + 2.2 (3)

일반적으로 유용한 고주파 전원의 크기와 비용 면에서, 정상 작동 전압(Vo)는 6KVpp 이상 되지 않는 것이 적당하다. 작동 중에 일어나는 앞에서 안급된 최소 섬락 전압의 이동을 고려하며, 만약 Vo = 6KVpp이면, 초기 최소 섬락 전압은 약 4,9KVpp가 적당하다. 이 경우에, 식(2)로부터, 전체 유효 두께(D + 2d)는 대략 90(D + 2d = 90)이다. 보호층(68)의 평균 두께(D)가 10마이크로미터로 가정하면 유전체층(66)의 최대 두께는 70마이크로미터이다.

유전체층(66)의 최소 두께는 거기서부터 절연파괴 전압 (breakdown voltage)에 의해 제한 받는다. 제26도의 그래프에 도시된 검사 결과에 따라, 항복 전압은 유전체층(66)의 다양한 두께를 제한하고, 항복을 피할 수 있는 유전체층(66)의 최소 두께는 25마이크로미터로 여겨진다.

보호층(68)에 요구되는 두께는 부식 검사(corrosion test)로 검사되었다. 두께(d)가 7마이크로미터인 경우 보호층은 부식으로부터 외부 전극을 충분히 보호 할 수 있는 것으로 판명되었다. 또한, 보호층의 두께가 20마이크로미터 이상 되는 경우, 전압이 인가된 후에 지연되는 지연 시간과 코로나 방전이 개시되기 이전의 지연 시간은 금지되는 것으로 판명되었다.

결론적으로, 코로나 방전 장치의 목표했던 작동 전압이 6KVpp 인 경우, 유전 체층(66) 두께의 적정 범위는 약 25 내지 70마이크로미터이고 보호층(68)의 바람직한 두께는 약 7 내지 20마이크로미터이다.

다르게 스크린 프린트된 전극 패턴을 가지는 코로나 방전 장치의 다른 실시예는 제27도 내지 제30도를 참조하여 기술할 것이고, 제4도와 제5도의 것과 똑같은 구성 부분들은 접미사 A, B와 함께 비슷한 참조 번호로 표시될 것이다. 이들 실시예는 앞에서 언급된 실시예와 똑같은 방식으로 이루어질 것이고 다른 사항들만 기술할 것이다. 제27도와 제28도를 참조하면, 안쪽부와 단자부를 접속하는 브릿지가 내부 전극(54A 및 56A)각각에 외부 부유 전극(64A)으로부터 분기되어 있다. 또한, 내부 전극들 위에 놓여있닌 외부 부유 전극(64A)은 각가의 내부 전극의 안쪽부의 세로 길이를 넘어서까지 길게 늘여져 있다. 비슷하게, 제29도와 제30도에 도시된 실시예에서, 내부 전극 패턴(54B 및 56B)은 외부 부유 전극(64B)의 늘여져 있는 끝부분까지 중심부가 오목하게 들어가 있다. 이런 것들로 해서, 코로나 방전은 제27도 및 제29도의 음영이 넣어진 영역이 도시된 바와 같이, 직선으로 평행하게 그어진 부분에서만 발생하게 된다. 이것은 코로나 방전이 외부 전극의 끝부분에 집중되는 것을 방지하는데 도움이 되어, 외부 전극의 때이른 파손을 피할 수 있게 해준다.

본 발명의 장점이 완전히 보존되는 동안에, 장치의 작동 전압이 감소되도록 특별히 고안된 코로나 방전 장치의 다양한 설비들이 제31도 내지 제37도에 도시되어 있다. 또한 이들 도면에서, 제4도 및 제5도에 도시된 것과 같은 구성 부분들은 접미사 C, D 및 E와 비슷한 참조 번호에 의해 고안되어 있다.

제31도와 제32도를 참조하면, 내부 전극(54C 및 56C)은 사각형 모양이고 같은 표면 영역을 가지고 있다. 외부 전극(64C)은 제1 내부 전극(54C)의 전체를 겹치게 하는 좀 더 큰 부분(120)과 제2 내부 전극(56C)의 부분을 겹치게 하는 좀더 작은 부분(122)을 포함하고 있다. 전압(V)이 전원(8)으로부터 내부 전극(54C)과 (56C)사이에 인가되면, 정전기 캐패시턴스 (C₁및 C₂)가 외부 부유 전극(64C)과 한쌍의 캐패시터(124 및 126)는 외부 전극(64C)에 의하여 직렬 접속된 것으로 간주할 수 있기 때문에 전압(V)은 제1 캐패시터(124) 양단의 전위차(V1)와 제2 캐패시터(126) 양단의 전위차(V2)의 합이다. 즉, V = V₁+ V₂제1 내부 전극(54C)과 부유 전극(64C) 사이의 겹치는 영역을 S1, 제2 내부 전극(56C)과 부유 전극(64C) 사이의 거리를 D2, 유전체 층(66C)의 유전체 상수를 ∈ 이라 하면, 캐패시턴스(C₁및 C₂)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

C₁= ε · S1/D1

C₂= ε · S2/D2

일반적으로, 캐패시턴스(C)를 가지는 캐패시터에 누적되는 정전하(electrostatic charge) (Q)는 Q = CV 이다. 그러므로, 캐패시터(124 및 126)의 정전하(Q1 및 Q2)는 각각 다음과 같이 표현할 수 있다.

Q₁= ε · S1/D1 · V₁

Q₂= ε · S2/D2 · V₂

캐패시터(124 및 126)는 외부 전극(64C)에 의해 서보 전기적으로 접속되어 있기 때문에, Q1 = Q2 .

그러므로, ε · S1/D1 · V₁= ε · S2/D2 · V₂(4)

D1 = D2 이므로, K = S1/S2 로 놓으면, 식(4)은 다음과 같이 나타난다.

K · V₁= V₂(5)

V = V₁+ V₂, V₁= V - V₂이므로, 식(5)에 V₁= V - V₂를 대입하면, K · (V - V₂) = V2

그러므로, V2 = 1/(1+1/K) · V (6)

만약 겹치는 영역(S1)이 S₂보다 10 배 더 크게 고안되었다면 K = 10 이므로, V₂는 거의 0.9V 가 된다.

마찬가지로, 제4도 및 제5도의 코로나 방전 장치와 비교해서 제1의 한쌍의 전극(54 및 64)사이의 정전기 캐패시턴스는 제2의 한쌍의 전극(56 및 64)사이의 캐패시턴스와 같아서 인가된 전압 V는 두 쌍의 전극에 나누어져서 똑같이 분배되며, 제31 도 및 제32도에 도시된 코로나 방전 장치는 외부 전극(64C)의 작은 부분(122)과 제2의 내부 전극(56C)사이에 코로나 방전을 발생시키는데 훨씬 낮은 전압에서 작동될 수가 있으며, 제31도에 굵은 선으로 도시되어 있다.

제34도 및 제35도는 겹치는 영역(S1 및 S2)은 같지만 제1의 내부 전극(54D)과 외부 부유 전극(64D)사이의 거리(D1)는 제2의 내부 전극(56D)과 외부 전극(64D) 사이의 거리(D2) 보다 훨씬 작은 다른 실시예를 도시한다. S1 = S2 이므로, 다음의 식이 식(4)으로부터 얻어진다.

V₂= 1/(1 + D1/D2) · V (7)

만약 D1 및 D2가 D1/D2 = 0.3으로 선택되었다면, V₂= 1/(1+0.3) · V = 0.77V

결과적으로, 제2의 내부 전극(56D)과 외부 전극(64D) 사이에 인가된 전압은 전원(82)의 전압과 근사하게된다. 그러므로, 제34도 및 제35도에 도시된 코로나 방전 장치(50D)는 제4도 및 제5도의 장치에서 요구되는 전압보다 낮은 전압에서 제2의 내부 전극(56D)과 외부 전극(64D)사이에만 코로나 방전이 일어나도록 작동시킬 수 있다.

제36도 및 제37도를 참조하면, 두 쌍의 전극의 캐패시턴스에 특징 지워진 배치(arrangement)는 다른 유전체 상수를 가지는 유전체 물질을 사용함으로서 다르게 만들 수 있다. 예를 들면, 절연 기판(52E)의 왼쪽 반(130)은 15-1000의 절연 상수 ε1을 가지는 티탄산염 세라믹(titanate ceramic)으로 이루여져있고, 기판의 오른쪽반(132)은 8-10의 절연 상수 ε2를 가지는 알루미나 세라믹으로 이루어져 있다.

이상으로부터, 식(4)은 다음과 같이 표현된다.

ε1 · S1/D1 · V₁= ε2 · S2/D2 · V2 (8)

D1 = D2, S1 =2 이므로 식(8)으로부터 다음의 식을 유도할 수 있다.

V₂= 1/(1 + ε2/ε1) · V (9)

유전체 물질이 ε1 = 100 및 ε2 = 10으로 가정하면 ε2/ε1 = 0.1 이므로, V₂= 1/(1 + 0.1) · V = 0.9V

그러므로, 제2 내부 전극(56E)과 외부 전극(64E)사이에 인가된 전압은 전원(82)의 전압(V)에 근사하게 된다. 마찬가지로, 제4도와 제5도에서 요구되는 전압 보다 훨씬 낮은 전압을 인가함으로써, 코로나 방전 장치(50E)는, 제36도에 굵은 선으로 도시된 바와 같이, 제2의 내부 전극(56E)과 외부 전극(64E)사이에 코로나 방전이 일어나도록 작동시킬 수 있다.

Claims (15)

1. 오존 발생기(ozonizer)로 사용하기 위한 코로나 방전 장치(corona discharge device) 제조 방법에 있어서, 유전 물질로 이루어진 기판(52)내에 매립된 공간적으로 떨어져 있는 제1평면 전극 및 제2평면 전극과, 이들 사이에 고주파 교류 전압을 인가하기 위해 상기 제1평면 전극 및 상기 제2평면 전극에 접속되어 있는 단자 수단(terminal means)과, 상기 제1평면 전극 및 상기 제2평면 전극에 대해서 공간적으로 떨어져서, 평행하게, 적어도 부분적으로 중첩하는 관계로 상기 기판 상에 배치되어 있는 제3전극과, 상기 제3전극을 덮고 있는 내화학적이며 전기적 절연 물질(chemically-resistive electrically-insulating material)로 이루어진 보호층(protective layer)을 포함하며, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 제1 및 제2전극과 상기 제3전극 사이의 최소 거리보다 더 큰 거리로 서로 측면으로 떨어져있는(laterally spaced apart) 코로나 방전 장치의 예비 생산품(foreproduct)을 제조하는 단계와, 코로나 방전 장치의 최종 생산품을 얻기 위하여, 상기 예비 생산품의 초기 최소 섬락 전압 레벨(initial minimum flashover voltage level) 보다 높은 전압레벨을 가지는 고주파 교류 전압을 상기 제1전극 및 제2 전극 사이에 인가하여, 선정된 시간 주기동안 상기 예비 생산품(96)의 상기 보호층(68)을 경년 변화(aging)시키는 단계를 포함하는 코로나 방전 장치 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 경년 변화 단계는 상기 제1 및 제2전극과 상기 제3전극 사이에 위치한 상기 유전 물질 층의 절연파괴(breakdown) 전압보다 약간 낮은 전압에서 수행되는 코로나 방전 장치 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 경년 변화 단계는 적어도 약 5초 동안 수행되는 코로나 방전 장치 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 기판은 약 90내지 94% 중량비의 Al₂O₃, 약 4내지 8% 중량비의 SiO₂, 약 0.9 내지 1.1% 중량비의 CaO 및 약 0.5 내지 0.9% 중량비의 MgO 로 구성되는 알루미나 세라믹(alumian ceramic)으로 이루어진 코로나 방전 장치 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 동일 평면상에 있으며, 상기 경년 변화 단계는 상기 최종 생산품의 초기 최소 섬락 전압이 다음 식

   Ui = 0.03 (D +2d) + 2.2

   를 만족하게 하는 시간 및 전압에서 수행되며, 여기서, Ui는 상기 최종 생산품의 KVpp 단위의 초기 최소 섬락 전압이고, D는 상기 제1 및 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치한 상기 유전 물질 층의 마이크로미터 단위의 유효 두께이며, d는 상기 보호층의 마이크로미터 단위의 유효 두게인 코로나 방전 장치 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극은 동일 평면상에 있고, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 제3전극 사이에 위치하는 상기 유전 물질 층의 유효두께 및 상기 보호층의 유효두께는 다음 관계식

   Vo ＞ 0.03 (D + 2d) + 2.2

   을 만족하도록 선택되며, 여기서, Vo는 상기 코로나 방전 디바이스의 KVpp 단위의 정상 동작 전압이고, D는 상기 제1 및 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치하는 상기 유전 물질 층의 마이크로미터 단위의 유효 두께이며, d는 상기 보호층의 마이크로미터 단위의 유효두께인 코로나 방전 장치 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 제3 전극 사이에 위치한 상기 유전 물질 층의 유효 두께는 약 25 내지 70 마이크로미터가 되도록 선택되며, 상기 보호층의 유효 두께는 약 7 내지 20마이크로미터가 되도록 선택되어져서 상기 최종 생산품이 약 6KVpp 보다 작거나 같은 동작 전압에서 동작되도록 하는 코로나 방전 장치 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 제3 전극은 코로나 방전 칼럼(corona discharge columns)의 집중을 방지하기 위해 둥근 모서리를 가지도록 구성되어 있는 코로나 방전 장치 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 제3 전극은 상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나의 외형(contour)을 넘어서 확장될 정도의 길이를 가져서, 코로나 방전이 상기 전극들중 하나와 상기 제3 전극 사이에서 제3 전극의 외형의 선형 부분을 따라서만 발생 되도록 하는 코로나 방전 장치 제조 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 코로나 방전 장치는 상기 제1 및 제3 전극 사이의 정전 용량(electrostatic capacitance)은 상기 제2 및 제3 전극 사이의 정전 용량과 다르도록 설계되고 구성되어 있는 코로나 방전 장치 제조 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 제3 전극이 상기 제1 및 제2 전극 중 하나 위에 중첩 되는 면적(S1)은 상기 제3 전극이 상기 제1 및 제2 전극 중 다른 것 위에 중첩되는 면적(S2) 보다 크게 되는 코로나 방전 장치 제조 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제3 전극 사이의 거리 (D1)는 상기 제2 및 제3 전극 사이의 거리 (D2)와 다른 코로나 방전 장치 제조 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제3전극 사이에 위치한 상기 유전 물질 층의 유전 상수는 상기 제2 및 제3 전극 사이에 위치한 상기 유전 물질 층의 유전 상수와 다른 코로나 방전 장치 제조 방법.
14. 제1항에 있어서, 상기 코로나 방전 장치의 예비 생산품은 원래 고주파 교류 전압이 인가할 때 거의 동시에 코로나 방전이 발생되는 초기 최소 섬락 전압을 가지며, 상기 최종 코로나 방전 장치는 상기 초기 최소 섬락 전압 보다 낮은 유효 동작 전압 레벨을 가지는 코로나 방전 장치 제조 방법.
15. 제1항에 있어서, 상기 코로나 방전 장치의 예비생산품을 제조하기 위한 단계는 세라믹-형성 유전 물질(ceramic-forming dielectric material)로 이루어진 그린 시트(green sheet) 제조 단계와, 상기 그린 시트를 가로질러 한 쌍의 떨어져 있는 스루홀(through hole) 형성 단계와, 한쌍의 상기 단자 수단을 형성하기 위해 금속성 입자를 포함하는 페이스트(paste)로 상기 홀을 채우는 단계와, 상기 그린 시트의 표면 상에 각각 상기 단자 수단과 접촉하는 상기 페이스트로 이루어진 한쌍의 상기 떨어져 있는 제1 및 제2 전극을 형성하는 단계와, 상기 제1 및 제2 평면 전극 상부에 세라믹-형성 유전 물질층을 형성하는 단계와, 상기 세라믹-형성 유전 물질층 상부에 상기 제1 및 제2 전극에 대하여 적어도 부분적으로 중첩하는 관계로 상기 페이스트로 이루어진 상기 제3 전극을 형성하는 단계와, 상기 제3 전극을 내화학적이고 전기적 절연 물질로 이루어진 보호층으로 덮는 단계와, 상기 예비 코로나 방전 장치를 얻기 위하여 이와 같이 형성된 생산품을 소결(sintering)하는 단계를 더 포함하는 코로나 방전 장치 제조 방법.