KR100422108B1 - Apparatus for producing glow discharge plasma in atmosphere - Google Patents

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KR100422108B1 KR10-2000-0009718A KR20000009718A KR100422108B1 KR 100422108 B1 KR100422108 B1 KR 100422108B1 KR 20000009718 A KR20000009718 A KR 20000009718A KR 100422108 B1 KR100422108 B1 KR 100422108B1
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Abstract

본 발명은 대기압하에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure such that the temperature is low at atmospheric pressure and high density plasma can be generated.

이를 위해, 일측은 전원공급장치에 연결되고, 타측은 서로 이격된 채 마주보게 설치되고 접지되며 동일형상과 크기를 갖도록 구비된 한쌍의 전극과; 상기 전극중 전원공급장치에 연결된 전극의 하단면에 부착되는 다수의 구멍을 갖는 캐필러리디스크와; 상기 캐필러리디스크와 마주보며 접지된 전극의 상단면에 부착되는 쉴드디스크를 포함하여 구성된다. 이러한 구조의 전극에 공기, 물(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), CF4, 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8)등의 반응가스를 공급하고, 1~100KV의 전원을 가하면, 대기압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마가 발생된다. 그 플라즈마를 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 전등 제조 등에 활용한다.To this end, one side is connected to the power supply, the other side is provided with a pair of electrodes which are installed facing each other and spaced apart from each other and having the same shape and size; A capillary disc having a plurality of holes attached to a lower surface of an electrode connected to a power supply device among the electrodes; And a shield disk attached to the upper surface of the grounded electrode facing the capillary disk. The electrode of this structure is air, water (H 2 O), oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), argon (Ar), helium (He), methane (CH 4 ), ammonia ( When supplying reaction gases such as NH 3 ), CF 4 , acetylene (C 2 H 2 ), propane (C 3 H 8 ), and applying a power of 1 to 100 KV, the temperature is low at atmospheric pressure and Is generated. The plasma is used for bonding, polishing, cleaning, thin film deposition, sterilization, disinfection, ozone production, dyeing, etching, purification of tap water and wastewater, purification of air and automobile exhaust gas, and production of lamps.

이에 따라, 본 발명은 대기압에서 발생된 플라즈마가 아크로 전이하는 현상을 억제하며, 두 전극 사이에서 밀도가 높고 온도가 낮은 플라즈마를 균일하게 발생시킬 수 있는 효과를 제공한다.Accordingly, the present invention suppresses the transition of the plasma generated at atmospheric pressure into the arc, and provides the effect of uniformly generating a high density and low temperature plasma between the two electrodes.

Description

대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치{APPARATUS FOR PRODUCING GLOW DISCHARGE PLASMA IN ATMOSPHERE}A device for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure {APPARATUS FOR PRODUCING GLOW DISCHARGE PLASMA IN ATMOSPHERE}

본 발명은 대기압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure such that the temperature is low at atmospheric pressure and high density plasma can be generated.

통상, 코로나 방전은 금속과 같은 전도성 재료를 전극으로 사용하여 두 전극사이에 높은 전압을 가함으로써 전극에서 스트리머 플라즈마를 발생시켜 이루어진다.Typically, corona discharge is achieved by generating a streamer plasma at an electrode by applying a high voltage between two electrodes using a conductive material such as a metal as the electrode.

만약, 전극사이의 간격을 매우 좁힌 상태에서 전극사이에 전압을 가하게 되면 아크가 발생되며, 양자 모두 선형의 플라즈마 영역을 가지며 플라즈마 직경이 매우 작다.If a voltage is applied between the electrodes while the gap between the electrodes is very narrow, an arc is generated, and both have a linear plasma region and the plasma diameter is very small.

코로나 방전은 쉽게 아크 방전으로 전이되는데 이를 막기 위해 전원공급장치에서 단속적인 전압을 인가하는 방법이나, 전극에 저항을 연결하는 방법, 혹은 세라믹전극을 사용하는 방법 등이 쓰이고 있다.Corona discharge is easily transferred to arc discharge. In order to prevent this, a method of applying an intermittent voltage from a power supply, connecting a resistor to an electrode, or using a ceramic electrode is used.

이들 방법은 모두 대기압에서 대면적의 균일한 플라즈마를 얻기 어려운 문제점을 가지고 있으며, 또한 아크 방전으로 전환되는 것을 방지하기 위한 별도의 수단을 구비한 경우에는 플라즈마 밀도가 낮아 효율이 떨어지는 문제점을 가진다.All of these methods have a problem that it is difficult to obtain a uniform plasma having a large area at atmospheric pressure, and when a separate means for preventing the conversion to arc discharge is provided, the plasma density is low and the efficiency is low.

한편, 이들 대기압 글로우 방전 플라즈마는 금속을 비롯한 재료의 표면을 개질하거나, 또는 박막을 증착하는데 활용되고 있다.On the other hand, these atmospheric glow discharge plasmas are used to modify the surface of materials including metals or to deposit thin films.

종래에 표면에너지를 변화시켜 친수성과 소수성의 특성을 가질 수 있도록 하는 기술로 진공중에서 높은 에너지의 이온빔을 이용한 기술과 코로나 방전을 이용한 기술 등이 사용되어 왔다.Conventionally, a technique using a high energy ion beam in vacuum and a technique using corona discharge has been used as a technique for changing surface energy to have hydrophilicity and hydrophobicity.

진공중에서 높은 에너지 이온빔을 이용한 기술은 그 특성이 뛰어나나 진공장치를 수반하여야 하므로 장비가 고가이고, 단속적인 작업이 이루어지므로 처리실의 크기에 따라 시편의 크기 및 생산성에 제한을 받는다.The technology using high energy ion beam in vacuum is excellent in its characteristics, but it must be accompanied by a vacuum device, so the equipment is expensive and intermittent work is performed, which limits the size and productivity of the specimen depending on the size of the processing chamber.

그리고, 코로나 방전을 이용한 기술은 전극간 간격이 좁으므로 3차원적인 형상을 가지는 제품을 처리하기 어렵다는 단점을 가진다.In addition, the technique using the corona discharge has a disadvantage that it is difficult to process a product having a three-dimensional shape because the gap between the electrodes is narrow.

아울러, 대기압에서 발생되는 플라즈마는 쉽게 아크로 전환되며, 그 경우 고온의 플라즈마가 발생하므로 아크가 닿는 재료를 냉각시켜주어야 하므로 이로 인해전극의 수명이 단축되며 균일한 대면적의 플라즈마를 발생시키기 어렵게 된다.In addition, since the plasma generated at atmospheric pressure is easily converted into an arc, in which case a high temperature plasma is generated, it is necessary to cool the material to which the arc contacts, thereby shortening the life of the electrode and making it difficult to generate a uniform large-area plasma.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 새로운 구조의 전극을 사용하여 발생된 플라즈마가 아크 방전으로 전환되는 것을 억제하고 밀도가 높으며, 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and has been created to solve this problem. It is an object of the present invention to provide an apparatus for generating a glow discharge plasma at an atmospheric pressure to generate a plasma.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 글로우 방전 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 단면도,1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of an atmospheric pressure glow discharge plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention,

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1a,1b: 도체전극, 2 : 캐필러리디스크(capillary disk),1a, 1b: conductor electrode, 2: capillary disk,

3 : 쉴드디스크(shield disk), 4 : 구멍,3: shield disk, 4: hole,

5 : 전원공급장치.5: power supply.

상기한 본 발명의 목적은 일측은 전원공급장치에 연결되고, 타측은 접지되며 서로 이격되어 상호 마주보게 설치된 동일형상과 크기를 갖는 한쌍의 전극과; 상기 전극중 전원공급장치에 연결된 전극의 하단면에 부착되는 다수의 구멍을 갖는 캐필러리디스크와; 상기 캐필러리디스크와 마주보며 접지된 전극의 상단면에 부착되는 쉴드디스크를 포함하여 구성함에 의해 달성된다.The object of the present invention is a pair of electrodes having the same shape and size, one side is connected to the power supply, the other side is grounded and spaced apart from each other; A capillary disc having a plurality of holes attached to a lower surface of an electrode connected to a power supply device among the electrodes; It is achieved by including a shield disk attached to the top surface of the grounded electrode facing the capillary disk.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 개략적인 전극구조를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a schematic electrode structure according to an embodiment of the present invention.

도 1의 도시와 같이, 본 발명에 따른 대기압하 플라즈마 발생장치는 서로 마주보는 전극구조를 갖는다.As shown in FIG. 1, the plasma generator under atmospheric pressure according to the present invention has an electrode structure facing each other.

금속으로 된 두 개의 전극(1a,1b)은 서로 마주보게 설치되고, 상기전극(1a,1b)중 일측 전극(1a)은 전원공급장치(5)와 연결되고 타측 전극(1b)은 접지된다.Two electrodes 1a and 1b made of metal face each other, one electrode 1a of the electrodes 1a and 1b is connected to the power supply 5, and the other electrode 1b is grounded.

상기 전극(1a,1b)이 서로 마주보는 면에는 디스크를 장착하되 일측에는 다수의 관통된 구멍(4)을 갖는 캐필러리디스크(2)가 장착되고 타측에는 구멍이 없는 쉴드디스크(3)가 장착된다.On the side where the electrodes 1a and 1b face each other, a disk is mounted on one side, but a capillary disk 2 having a plurality of through holes 4 is mounted on one side thereof, and a shield disk 3 having no hole on the other side is mounted. Is mounted.

예컨대, 상기 캐필러리디스크(2)는 전원공급장치(5)와 연결된 전극(1a)측에 장착하고, 쉴드디스크(3)는 접지된 전극(1b)측에 장착함이 바람직하다.For example, the capillary disk 2 is preferably mounted on the electrode 1a side connected to the power supply 5, and the shield disk 3 is mounted on the grounded electrode 1b side.

상기 캐필러리디스크(2) 및 쉴드 디스크(3)는 알루미나(A2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영 등의 절연특성이 우수한 재료를 사용하며, 이러한 재료의 디스크(2,3)들은 금속 도체전극(1a,1b)만을 사용하여 전압을 가하였을 때 발생하는 아크의 생성을 억제하게 된다.The capillary disc 2 and the shield disc 3 have excellent insulation properties such as alumina (A 2 O 3 ), boron nitride (BN), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and quartz. A material is used, and discs 2 and 3 of this material suppress the generation of an arc generated when a voltage is applied using only the metal conductor electrodes 1a and 1b.

아울러, 상기 캐필러리디스크(2)에 구멍이 없을 경우 높은 전압을 가하여야만 플라즈마를 발생시킬 수 있고 그 발생된 플라즈마는 낮은 밀도를 갖게 되는 바, 전기한 바와 같이 한쪽 디스크, 즉 캐필러리디스크(2)에는 구멍(4)을 갖도록 하고 그 마주보는 면의 쉴드디스크(3)에는 구멍을 갖지 않도록 함으로써 플라즈마 발생을 위한 전압을 낮추고 발생된 플라즈마 밀도도 높일 수 있게 된다.In addition, if there is no hole in the capillary disc 2, the plasma can be generated only by applying a high voltage, and the generated plasma has a low density. As described above, one disk, that is, the capillary disc By having the hole 4 in the second part and not having the hole in the shield disk 3 on the opposite side, the voltage for plasma generation can be lowered and the generated plasma density can be increased.

또한, 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있도록 하기 위해서는 상기 캐필러리디스크(2) 구멍(4)의 직경(D)은 0.3~1mm, 그리고 두께는 0.01~10mm 범위가 가장 바람직하다.In addition, in order to easily generate a plasma, the diameter D of the capillary disc 2 hole 4 is preferably 0.3 to 1 mm, and a thickness of 0.01 to 10 mm.

아울러, 상기 쉴드디스크(3)는 0.01∼10mm 의 두께를 가져야만 상기 전극에 합당한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.In addition, the shield disk 3 may have a thickness of 0.01 to 10 mm to generate a plasma suitable for the electrode.

플라즈마 발생을 위해 전원공급장치(5)에서 주파수 대역은 50Hz∼2450MHz, 전압의 범위는 220V∼100kV의 유니폴라펄스 또는 바이폴라펄스를 사용함이 바람직하다.In the power supply device 5 for generating plasma, it is preferable to use a unipolar pulse or bipolar pulse having a frequency band of 50 Hz to 2450 MHz and a voltage range of 220 V to 100 kV.

플라즈마가 발생되면 전류가 흐르며, 처리공정에 따라 허용 전류를 변화시킴으로써 플라즈마 밀도를 제어하는 바, 허용 전류의 범위는 1mA ∼100A로 하여준다.When the plasma is generated, the current flows, and the plasma density is controlled by changing the allowable current according to the treatment process. The allowable current range is 1mA to 100A.

이때 발생되는 플라즈마는 낮은 온도의 플라즈마로써 별도로 냉각장치가 필요 없으며, 전극 사이에서 대면적의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.The plasma generated at this time is a low temperature plasma, and does not require a separate cooling device, and thus a large area uniform plasma can be obtained between the electrodes.

이러한 플라즈마는 반응가스의 활성도를 높여 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 전등 제조 등에 사용할 수 있는 바, 예컨대 상기 전극(1a,1b)들 사이로 공기, 물(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), CF4, 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8)등의 가스를 단독, 또는 혼합하여 공급한 후 전원을 가하여 대기압에서 플라즈마를 발생시키며 그 발생된 플라즈마를 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 전등 제조 등에 유용하게 활용할 수 있다.These plasmas can be used for bonding, polishing, cleaning, thin film deposition, sterilization, disinfection, ozone production, dyeing, etching, water and wastewater purification, purification of air and automobile exhaust gas, etc. For example, air, water (H 2 O), oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), argon (Ar), helium (He), and methane (B) between the electrodes 1a and 1b. CH 4 ), ammonia (NH 3 ), CF 4 , acetylene (C 2 H 2 ), propane (C 3 H 8 ) and the like, or a mixture of gas supplied after supplying power to generate a plasma at atmospheric pressure The generated plasma can be usefully used for bonding, polishing, cleaning, thin film deposition, sterilization, disinfection, ozone production, dyeing, etching, purification of tap water and waste water, purification of air and automobile exhaust gas, and lamp manufacturing.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.As described in detail above, the apparatus for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure according to the present invention provides the following effects.

첫째, 캐필러리디스크 전극과 쉴드디스크 전극이 서로 마주보는 구조로 이루어진 대기압 플라즈마 발생장치는 두 전극 사이에서 온도가 낮고, 밀도가 높으며, 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 또한 플라즈마가 아크로 전이되는 현상이 억제되고 별도의 냉각장치가 필요없다.First, an atmospheric pressure plasma generator having a structure in which a capillary disk electrode and a shield disk electrode face each other may have a low temperature, a high density, and a uniform plasma between the two electrodes. In addition, the phenomenon in which the plasma is transferred to the arc is suppressed and a separate cooling device is not necessary.

둘째, 대기압에서 플라즈마 밀도가 높음은 물론 에너지 상태가 높은 래디칼을 형성하며, 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 전등 제조 등에 활용할 수 있다.Second, it forms radicals with high plasma density and high energy at atmospheric pressure, bonding, polishing, cleaning, thin film deposition, sterilization, disinfection, ozone production, dyeing, etching, water and wastewater purification, air and automobile exhaust, etc. Can be used for purification and lamp manufacturing.

Claims (7)

일측은 전원 공급장치(5)에 연결되고 타측은 접지되며, 서로 이격되어 마주보게 설치된 동일 형상과 크기를 갖는 한쌍의 전극(1a, 1b);One side is connected to the power supply (5), the other side is grounded, a pair of electrodes (1a, 1b) having the same shape and size spaced apart from each other installed facing each other; 상기 전극(1a,1b)중 전원공급장치(5)에 연결된 일측 전극(1a)의 하단면에 부착되며 직경 0.3 내지 1mm의 관통된 구멍(4)을 갖는 캐필러리디스크(2); 및A capillary disc (2) attached to a lower surface of one electrode (1a) connected to the power supply device (5) of the electrodes (1a, 1b) and having a through hole (4) having a diameter of 0.3 to 1 mm; And 상기 캐필러리디스크(2)와 마주보며 상기 전극(1a,1b)중 접지된 전극(1b)의 상단면에 부착되는 쉴드디스크(3)를 포함하며,A shield disk 3 facing the capillary disk 2 and attached to an upper surface of the grounded electrode 1b of the electrodes 1a and 1b, 유니폴라펄스 또는 바이폴라펄스에 의해 작동되는, 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.A device for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure, operated by unipolar or bipolar pulses. 제1항에 있어서, 상기 전극(1a,1b)은 도체 금속으로 형성되고;The electrode according to claim 1, wherein the electrodes (1a, 1b) are formed of a conductor metal; 상기 캐필라리디스크(2) 및 쉴드디스크(3)는 절연특성이 우수한 알루미나(A2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.The capillary disk 2 and the shield disk 3 are selected from alumina (A 2 O 3 ), boron nitride (BN), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and quartz having excellent insulating properties. Apparatus for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure, characterized in that formed by any one. 제1항에 있어서, 상기 캐필러리디스크(2)의 두께(t)가 0.01~10mm이고, 구멍(4)의 직경(D)과 캐필러리디스크(2) 두께의 비(t/D)가 0.01~100인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.The thickness (t) of the capillary disk (2) is 0.01 to 10 mm, and the ratio (t / D) of the diameter (D) of the hole (4) to the thickness of the capillary disk (2). Is 0.01 to 100, the apparatus for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure. 제1항에 있어서, 상기 쉴드디스크(3)의 두께는 0.01∼10㎜ 인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.The apparatus of claim 1, wherein the shield disk (3) has a thickness of 0.01 to 10 mm. 제1항에 있어서, 상기 전원공급장치(5)는 주파수 대역이 50Hz∼2450MHz, 인가 전압이 220V∼100kV이고, 사용 전류가 1mA ∼100A 인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.2. The apparatus of claim 1, wherein the power supply unit (5) has a frequency band of 50 Hz to 2450 MHz, an applied voltage of 220 V to 100 kV, and an operating current of 1 mA to 100 A. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 전극(1a,1b) 사이로 공기, 물(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), CF4, 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8), 물등을 단독, 또는 이들 가스를 혼합하여 이루어진 반응가스를 공급함과 아울러 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 하는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.The method of claim 1 or claim 5, wherein between the electrodes (1a, 1b), air, water (H 2 O), oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), hydrogen (H 2 ), argon (Ar), Helium (He), methane (CH 4 ), ammonia (NH 3 ), CF 4 , acetylene (C 2 H 2 ), propane (C 3 H 8 ), water and the like or a mixture of these gases Apparatus for generating a glow discharge plasma at atmospheric pressure, characterized in that for supplying and applying a voltage to generate a plasma. 제1항의 장치를 재료의 접합, 연마, 박막증착, 염색 또는 에칭; 수돗물 또는 폐수의 살균, 소독 또는 정화; 공기 또는 자동차 배기가스의 정화; 오존 제조; 또는 전등 제조에 사용하는 방법.The apparatus of claim 1 comprising bonding, polishing, thin film deposition, dyeing or etching of materials; Sterilization, disinfection or purification of tap or waste water; Purifying air or automobile exhausts; Ozone manufacturing; Or a method used to manufacture a light.
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