KR100460601B1 - 플라즈마 발생용 복합소재 전극 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 교류 플라즈마 발생장치의 전극을 세라믹과 금속의 복합소재로 하여 대기압하에서도 아크 방전(Arc discharge)을 방지하는 플라즈마 발생용 복합소재 전극 및 그 제조방법에 관한 것으로, 교류 플라즈마 발생용 전극에 있어서, 상기 전극의 표면은 절연층과 금속층이 축차적으로 형성된 다층 또는 절연물질과 금속의 혼합층으로 구성되는 것을 특징으로 하며, 또한 플라즈마 발생용 전극의 제조에 있어서, 상기 전극의 표면에 용사코팅 방법에 의하여 절연층과 금속층을 축차적으로 코팅시킨 다층을 형성시키거나, 절연물질과 금속분말의 혼합물을 용사코팅하여 혼합층을 형성시키는 것을 특징으로 하여, 낮은 전압 하에서도 전류량을 증가시켜 플라즈마 발생 효율을 현저하게 향상시킬 수 있으며 용사코팅방법에 사용하여 제조할 수 있으므로 제조공정을 단순화시킬 수 있으며 제조단가를 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 교류 플라즈마 발생장치의 전극을 세라믹과 금속의 복합소재로 하여 대기압하에서도 아크 방전(Arc discharge)을 방지하는 플라즈마 발생용 복합소재 전극 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 물질은 고체, 액체 및 기체의 3가지 상태로 존재하지만, 기체상태에서 온도가 더욱 상승하게 되면 원자가 이온화되면서 양전하를 띤 이온과 전자로 분리되어 전자가 더 이상 원자에 속박되지 않은 상태로 되며, 자유롭게 이동할 수 있는 상태가 된 하전입자의 모임인 이온화된 기체 즉, 플라즈마의 상태로 된다.
이와 같은 플라즈마 상태에서는 하전입자와 중성입자가 존재하며 여기된 중성입자가 낮은 에너지 상태로 떨어지거나 이온이 전자와 재결합하면서 기체 고유의 빛을 내게 된다.
따라서 플라즈마는 고온과 발광의 특성을 가지며, 전기적으로 도전성을 갖는 등 고체, 액체 및 기체와 다른 성질을 가지므로 물질의 제 4 상태로 불리워진다.
한편, 대기압 하에서의 수소플라즈마에 대하여는 1933년 Von Engel에 의하여 보고되었으며, 대기압 플라즈마(Atmospheric pressure glow plasma)에 대하여는 1987년 Kanazawa와, 1989년 Okazaki에 의하여 그 가능성이 확인되었다.
이러한 대기압 플라즈마는 광원(Light source), 화학 합성(Chemical syntheses), 화학 레이저(Chemical lasers), 박막 증착(Film deposition), 표면 처리(Surface treatment), 플라즈마 중합(Plasma polimerization), 녹스 제거(NOXremoval) 등에 응용되며, 점점 그 응용분야가 확대되고 있다.
그런데, 상기의 대기압 플라즈마 기술의 핵심은 아크 방전을 억제하는 것에 있다.
종래에는 고주파(kHz) 하에서 헬륨(He) 가스를 이용하여 전극에 유전체(Dielectric) 절연판을 부착시키거나, 단부가 뾰족한 텅스텐 와이어를 브러쉬 스타일로 전극 상부에 부착시켜 대기압 하에서의 아크 방전을 억제시키면서 플라즈마를 발생시키는 방법을 사용하였다.
최근에는 Kunhardt(미국 특허 제5,872,426호)에 의하여 절연판에 모세관 구멍을 뚫어 모세관 현상(Capillary effect)에 의하여 절연판만을 사용하는 것보다 플라즈마 발생효율을 향상시키는 기술도 창안되었다.
그러나, 이와 같은 종래의 장치에는 브러쉬 스타일의 텅스텐 와이어에 전압의 안정을 위하여 축전기(Capacitor)를 연결한 후에 전극을 부착시키든지, 세라믹 절연체에 수많은 마이크론 사이즈의 구멍을 형성시킨 절연체의 제조는 용이하지 않으므로 상용화에 있어서 많은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술에 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 금속의 상부표면에 용사코팅 방법을 사용하여 100㎛ 이상의 두꺼운 복합소재(Semi-dielectric composit) 코팅층을 형성시킴으로써 아크 방전을 억제하여 플라즈마 발생 효율이 우수한 대기압 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생용 복합소재 전극 및 그 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 전극을 사용한 교류 플라즈마 발생장치의 개략도.
도 2a는 본 발명을 구성하는 다층(Multi-layer) 전극을 나타내는 개략도.
도 2b는 본 발명을 구성하는 혼합층(Mixed-layer) 전극을 나타내는 개략도.
도 2c는 알루미나 단일 전극을 나타내는 개략도.
도 3a, 3b 및 3c는 각각 다층 전극, 혼합층 전극 및 알루미나 단일 전극의 경우 플라즈마 발생시 전압변화를 나타내는 그래프.
도 4a, 4b 및 4c는 각각 다층 전극, 혼합층 전극 및 알루미나 단일 전극의 경우 플라즈마 발생시의 전류변화를 나타내는 그래프.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 고주파 전원 2 : 가스유입구
3 : 전극 지지대 4 : 금속전극
5 : 복합소재 전극 6a : 다층 전극
6b : 혼합층 전극 6c : 알루미나 단일 전극
7 : 전극
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생용 복합소재 전극은, 교류 플라즈마 발생용 전극에 있어서, 상기 전극의 표면은 절연층과 금속층이 축차적으로 코팅된 다층 또는 절연물질과 금속의 혼합층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 플라즈마 발생용 전극의 제조에 있어서, 상기 전극의 표면에 용사코팅 방법에 의하여 절연층과 금속층을 축차적으로 코팅시킨 다층을 형성시키거나, 절연물질과 금속분말의 혼합물을 용사코팅하여 혼합층을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면과 표를 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 전극을 사용한 교류 플라즈마 발생장치의 개략도이며, 도 2a, 2b 및 2c는 용사코팅으로 형성시킨 전극을 나타내는 개략도이다.
상기 용사코팅이란 용융 상태의 금속이나 세라믹스 등의 입자군을 피처리물 표면에 내뿜어서 적층 피막을 형성시키는 코팅방법이다.
하기의 표 1은 용사코팅으로 제작된 전극의 종류를 나타내는 표이다.
| 구 분 | 두 께(mm) | 구 성 |
| Multi-layer coating | 1 | 100㎛Al2O3및 40㎛NiCrAl의 다층 복합소재 |
| Mixed-layer coating | 1 | Al2O3와 20%의 NiCrAl의 혼합층 복합소재 |
| Alumina single coating | 1 | Al2O3단일층 |
도 2a는 본 발명을 구성하는 다층(Multi-layer) 전극을 나타내는 개략도로서, 본 발명의 실시예에 의하면 흰색의 100㎛ Al2O3와 검은색의 40㎛ NiCrAl(NI343 powder/metco) 코팅층이 축차적으로 형성되어 있다.
그리고 도 2b는 본 발명을 구성하는 혼합층(Mixed-layer) 전극을 나타내는 개략도로서, 본 발명의 실시예에 의하면 전극은 Al2O3와 20%의 NiCrAl 분말을 혼합하여 코팅된 조직으로 Al2O3조직 내부에 수㎛ 두께의 금속코팅층이 포함되어 있다.
한편 도 3c의 알루미나 단일 전극을 나타내는 개략도로서, 코팅층은 Al2O3의 단일층으로 구성되어 있다.
도 3 및 도 4는 상기 표 1에 기재된 3종류의 전극을 사용하여 23kHz의 주파수와 ±10kV의 전압의 교류전원을 가하여 1기압의 헬륨가스 조건 하에서 플라즈마를 발생시켰을 때, 전압 및 전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3의 플라즈마 발생시의 전압변화를 나타내는 그래프에 도시된 바와 같이, 도 3a의 다층 전극의 경우 4.5kV에서, 도 3b의 혼합층 전극의 경우 5.2kV에서, 도 3c의 알루미나 단일 전극의 경우 5.5kV에서 각각 안정적으로 플라즈마를 발생시키고 있음을 알 수 있다.
그리고 도 4의 플라즈마 발생시의 전류변화를 나타내는 그래프에서 사인파(Sine wave) 곡선은 고주파에 의한 노이즈로 고려되며, 피크 내부의 면적(검은 부분)을 플라즈마 발생 전류량으로 추산할 수 있다.
이로부터 도 4c의 알루미나 단일 전극에 비하여 도 4b의 혼합층 전극, 도 4a의 다층 전극의 복합소재 전극 순서로 상대적으로 넓은 피크 내부 영역을 나타내어낮은 전압에서 안정적으로 많은 전류가 흐르고 있으므로 플라즈마에서 발생하는 발광율도 훨씬 높음을 알 수 있다.
따라서 플라즈마 발생 효율이 알루미나 단일 전극, 혼합층 전극, 다층 전극 순으로 증가함을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 교류 플라즈마 발생용 전극을 사용하면, 대기압 플라즈마 발생을 위하여 종래의 절연체를 사용하는 전극에 비하여 상대적으로 낮은 전압 하에서 전류량을 증가시켜 플라즈마 발생 효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.
또한 본 발명의 전극은 용사코팅 방법을 사용하여 제조할 수 있으므로 제조공정을 단순화시킬 수 있으며 제조단가를 현저히 낮을 수 있는 효과가 있게 된다.
Claims (4)
- 교류 플라즈마 발생용 전극에 있어서, 상기 전극의 표면은 절연층과 금속층이 축차적으로 코팅된 다층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 복합소재 전극.
- 교류 플라즈마 발생용 전극에 있어서, 상기 전극의 표면은 절연물질과 금속의 혼합층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 복합소재 전극.
- 교류 플라즈마 발생용 전극의 제조에 있어서, 상기 전극의 표면에 용사코팅 방법에 의하여 절연층과 금속층을 축차적으로 코팅시킨 다층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 복합소재 전극의 제조방법.
- 교류 플라즈마 발생용 전극의 제조에 있어서, 상기 전극의 표면에 절연물질과 금속분말의 혼합물을 용사코팅하여 혼합층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생용 복합소재 전극의 제조방법.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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