KR100489508B1

KR100489508B1 - 저온 플라즈마 발생 장치 및 방법

Info

Publication number: KR100489508B1
Application number: KR10-2002-0032342A
Authority: KR
Inventors: 최진문; 정광호; 황정남
Original assignee: 황정남; 정광호; 최진문
Priority date: 2002-06-10
Filing date: 2002-06-10
Publication date: 2005-05-16
Also published as: KR20030095443A

Abstract

본 발명은 대기압 또는 저진공 상태에서의 저온 플라즈마 발생방법 및 장치에 관한 것으로, 일측으로 가스가 유입되어 타측으로 배출되는 플라즈마 챔버(50)와; 플라즈마 챔버(50)의 입구측으로 설치되어 인입되는 가스의 온도를 검출하는 온도센서(30); 인입되는 가스를 선택적으로 가열하는 히터(40); 플라즈마 챔버(50)의 내에 위치되어 플라즈마를 발생시키기 위한 시드플라즈마방전을 일으키는 적어도 두 개 이상의 시드플라즈마전극봉(60)(62)과; 상기 플라즈마 챔버(50)의 내측에서 전극봉(60)(62)을 중심으로 해서 전극봉에서 발생된 플라즈마를 외측으로 확산시키는 복수의 전극판(70~75); 상기 전극봉(60)(62)에 고전압을 한시적으로 인가하기 위한 고압전원부(90)와; 상기 고압전원부(90)로부터 출력되는 전압보다 작은 저압전원을 상기 전극판(70~75)에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부(94); 상기 전극판(70~75)에 고압전원을 인가하여 시드플라즈마를 확산시키는 펄스형 고압전원부(96); 챔버(50)의 외측에 배치되어 챔버내에 자기력선을 형성하는 영구자석(100)으로 구성되어 대기압 및 저진공 상태에서 저온 플라즈마 발생효율을 향상시키고 플라즈마 밀도를 높게 하고, 에너지의 절감 및 구조를 단순화할 수 있는 것이다.

Description

저온 플라즈마 발생 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING OF TEMPERATURE PLASMA}

본 발명은 저온 플라즈마를 발생하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기압 또는 저진공 상태하에서 고밀도의 저온 플라즈마를 효과적으로 발생시킬 수 있는 저온 플라즈마의 발생방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 전압 또는 가열 등에 의하여 기체가 전리(ionization)되어 전자 및 이온의 수밀도(number density)가 비약적으로 증가된다. 이와 같이 기체가 전리된 상태 즉, 전리기체를 플라즈마라 일컫는데, 이러한 플라즈마는 여러 가지 분야에서 널리 이용되고 있다.

이러한 저온 플라즈마는 산업 각 분야에서의 활용도는 매우 다양하다. 예를들면 대기환경오염의 주요 원인 중의 하나인 자동차 배기가스, 소각로, 난방장치, 화력발전소와 같은 산업시설의 배출가스 등을 정화하는데 응용되고 있다. 또한, 유해 유기물 가스를 정화하는데도 응용되며, 반도체 산업에서는 환경 문제와 공정상의 편의를 위해 기존의 화학적인 방법에 의한 반도체 처리 공정이 플라즈마를 이용한 공정으로 바뀌고 있다.

이와 같이 플라즈마는 다양한 분야에 폭 넓게 응용되는데 상압 혹은 저진공 상태에서 저온 플라즈마를 만드는 방법에는 유전체막방전(dielectric barrier discharge)을 이용한 것, 코로나방전(corona discharge)을 이용한 것, 마이크로웨이브를 이용한 것 등이 있다.

그러나, 종래의 플라즈마 발생 장치 및 방법은 인입되는 가스의 상태를 고려하지 않기 때문에 플라즈마 방전을 위한 전력의 낭비가 심할 뿐 아니라 플라즈마가 균일하지 못하고 안정적으로 생성되지 못하는 단점이 있었다.

즉, 예를 들어서 상온 1기압에서 인입 가스에 플라즈마 방전을 일으키기 위한 전기장의 세기는 400℃ 1기압에서 인입 가스에 플라즈마 방전을 일으키기 위한 전기장의 세기보다 약 5배정도 더 커야된다. 따라서 저온의 분위기속에서 플라즈마 방전을 일으켜 기체를 이온(ion)이나 라디컬(radical)상태로 만들기 위해서는 고온의 분위기에서보다 상대적으로 높은 전압을 필요로 하게 된다.

한편, 상기한 유전체막 방전 또는 코로나방전을 이용한 플라즈마 정화장치는 충분한 양의 이온이나 라디컬을 생성하기 위해 방전초기는 물론 방전상태를 유지하기 위해서 전극에 지속적으로 수만 볼트(volt) 이상의 고전압을 인가해 주어야만 하기 때문에 전력소모가 큰 문제점이 있었다.

특히, 상기한 일련의 플라즈마 발생방법들은 대기압 또는 이와 근접한 저압상태에서는 플라즈마의 발생효율이 급격하게 떨어지는 문제를 갖고 있었다. 즉, 예컨데 약 760torr의 대기압 또는 이와 근접하는 100 ～760 torr정도의 저진공 상태에서는 기체의 활성화가 급격하게 저하되고 특히 플라즈마의 확산이 원할하게 이루어지지 않으므로 특정한 공간내에 광범위하면서도 고밀도의 플라즈마를 발생시키는 것은 매우 어려운 문제를 갖고 있는 것이다. 따라서, 플라즈마의 발생효율을 높이기 위해 압력을 플라즈마 발생에 유리한 진공에 인접할 정도로 강하시킨 상태에서 플라즈마를 발생시키고 위에서 살펴본 바와 같이 실질적으로 플라즈마의 발생을 위해 매우 높은 전압을 필요로 하고 있는 것이다.

또한, 인입 가스의 흐름이 연속적이지 않거나 일정하지 않은 경우 플라즈마 생성 효율이 떨어지게 된다. 즉, 코로나방전이나 유전체막 방전과 같은 경우 이를 방지하기 위해 복잡한 전극구조가 필요하며, 이로 인해 인입 가스가 흐르는 통로의 단면적에 대한 전극의 점유율이 증가하여 가스흐름에 대한 저항요인으로 작용하게 되는 것은 물론 그 경로도 곡선화시키게 되어 플라즈마 생성 효율을 저하시키는 요인으로 작용하고 있었다.

이러한 문제는 특히, 산업 시설이나 내연기관의 배출가스 정화에 적용되는 경우 배기가스의 흐름에 큰 저항을 주게 되어 장치의 동작에 영향을 줄 수 있으므로, 이를 해결하기 위해 배출가스 처리 시설이 거대화되고 그에 따른 부수적 유지 관리가 복잡해지는 문제점을 수반하고 있었다.

한편, 마이크로웨이브를 이용한 플라즈마 정화장치는 장치가 매우 복잡하여 실용적이지 못하다는 단점과 전력낭비가 심하다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 그 목적은 대기압 또는 저진공 상태하에서 저온 플라즈마를 효과적으로 발생시키며 동시에 발생된 저온 플라즈마를 밀도 높게 유지할 수 있는 저온 플라즈마의 발생장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 인입 가스의 상태에 따라 플라즈마의 발생조건을 최적화 할 수 있도록 하여 플라즈마의 발생 효율을 높일 수 있는 플라즈마 방생 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 낮은 전압으로도 방전상태를 양호하게 유지할 수 있도록 하여 에너지 소비를 줄일 수 있는 플라즈마 발생방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전극의 구조를 단순화하여 인입 가스의 흐름에 저항을 최소화하여 산업시설이나 내연기관 혹은 외연기관의 배출가스 정화에 적용되는 경우 배기 가스 흐름 저항을 줄임으로써 기관이나 장치의 동작 효율이 크게 저하되는 것을 막을 수 있는 플라즈마발생 방법 및 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 장치의 경량화 및 콤팩트화가 가능하여 설치 및 유지/보수시에 취급이 용이하게 되고, 플라즈마를 이용한 공정 작업을 효율적이며 연속적으로 낮은 진공 상태나 상압에서 할 수 있도록 하고, 생산단가를 크게 낮춤으로써 보급을 확대할 수 있으며, 제품에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 저온 상압 혹은 저진공 플라즈마 생성에 대한 방법 및 장치를 제공함을 목적으로 한다.

이러한 본 발명의 목적은 일측으로 가스가 유입되어 타측으로 배출되는 플라즈마 챔버와; 플라즈마 챔버의 입구측으로 설치되어 인입되는 가스의 온도를 검출하는 온도센서; 인입되는 가스를 선택적으로 가열하는 히터; 플라즈마 챔버의 내에 위치되어 플라즈마를 발생시키기 위한 시드플라즈마방전을 일으키는 적어도 두 개 이상의 시드플라즈마전극봉과; 상기 플라즈마 챔버의 내측에서 시드플라즈마전극봉을 중심으로 해서 시드플라즈마전극봉에서 발생된 플라즈마를 외측으로 확산시키는 복수의 전극판; 상기 시드플라즈마전극봉에 고전압을 한시적으로 인가하기 위한 고압전원부와; 상기 고압전원부로부터 출력되는 전압보다 작은 저압전원을 상기 전극판에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부; 상기 전극판에 인가되어 시드플라즈마를 플라즈마 챔버내에서 확산되도록 하는 펄스형 고압전원부; 플라즈마 챔버의 외측에 위치되어 챔버내측에 자기력선을 형성하는 영구자석으로 구성된 저온 플라즈마 발생장치에 의해 달성될 수 있다.

상기 저압전원부와 상기 펄스형 고압전원부는 상호 간섭을 제어하기 위한 간섭제어기가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 전극판 사이의 상호 간섭을 최소화시키기 위한 고압 절연체를 개재하는 것이 바람직하다.

상기 복수의 전극판의 표면은 비교적 거칠게 구성하여 전극판 표면에서 다수의 국소전기장을 강하게 발생시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 각각의 전극판들은 상호 표면 거칠기를 다르게 구성하여 다양한 형태의 국소전기장을 발생시키도록 하는 것이 플라즈마 활성화를 유도하는데 바람직하다.

상기 시드플라즈마전극봉의 전극 쌍이 수준면에 있거나 수준면에 수직면에 있도록 구성된다.

상기 시드플라즈마전극봉의 단부는 일정간격을 두고 서로 대향하며 첨예하게 대립하거나 또는 구형으로 구성될 수 있다.

상기 저압전원부로부터 발생되는 전원은 고주파 또는 저주파 또는 직류중에서 선택된다.

상기 고압전원부로부터 발생되는 전원이 고주파 또는 저주파 또는 직류중에서 선택된다.

상기 영구자석의 주위를 전자파 차폐막으로 감싼 것을 특징으로 하는 저온 상압 혹은 저진공 플라즈마 발생 방법 및 장치.

상기 영구자석의 극성은 챔버의 원주방향 또는 길이방향으로 경계를 이루도록 구성될 수 있다.

상기 영구자석과 플라즈마 챔버 사이에는 단열재가 개재되는 것이 바람직하다.

상기 저압전원부와 펄스형 고압전원부 그리고 시드 플라즈마 발생용 고압전원부를 모두 차폐막으로 감싸 전자파를 차단하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 입구를 통해 챔버내로 가스를 도입시키는 단계와; 챔버의 중앙부에 제공되는 한쌍의 시드플라즈마 전극봉에 고압을 인가하여 시드플라즈마를 발생시키는 시드 플라즈마발생단계와; 시드 플라즈마 전극봉 주위에 배열된 복수의 전극판에 초기에는 고압펄스를 인가하여 플라즈마를 중심으로부터 반경방향 외측으로 확산시키는 플라즈마 확산단계와; 상기 시드플라즈마발생과 플라즈마 확산 단계 후 전극판에 저압전원을 인가하여 플라즈마 방전을 전극판내의 전체 영역으로 확산 유지시키는 플라즈마 유지단계; 상기 플라즈마 가스의 흐름에 대해 일정한 형태의 자기력선을 형성시켜 안정화하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생 방법에 의해서도 달성될 수 있다.

상기 챔버내로 도입되는 가스의 온도를 측정하여 설정온도 이하이면 히터가열후 챔버내로 도입시킨다.

상기 챔버의 외측에 영구자석을 배치하여 가스가 흐르는 방향과 평행한 방향 혹은 수직한 방행으로 수평자기력선 혹은 수직자기력선을 형성하여 플라즈마 가스의 흐름을 안정화한다.

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부도면을 참조하여 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부도면 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 인입되는 가스의 온도를 검출하는 온도센서(30)와, 인입된 가스를 가열하기 위한 히터(40)와, 히터(40)로 구동전력를 공급하기 위한 히터구동부(44)와, 플라즈마 챔버(50)내에 위치되어 플라즈마를 발생시키기 위한 시드플라즈마방전을 일으키는 적어도 두 개 이상의 시드플라즈마전극봉(60)(62)과, 플라즈마 챔버(50)의 내측에 위치되고, 시드플라즈마전극봉(60)(62)을 중심으로 해서 그 외측에 위치되어 중심에서 발생된 플라즈마를 외측으로 확산시키는 복수의 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)과, 시드 플라즈마를 발생시키기 위해 시드플라즈마전극봉(60)(62)에 예컨대, 5kV 정도 혹은 그 이상의 고전압을 한시적 혹은 연속적으로 인가하기 위한 저전력 고압전원부(90)와, 발생된 시드 플라즈마를 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)으로 확산시키기 위해 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 한시적 혹은 필요에 따라 연속적으로 인가하기 위한 저전력 펄스형 고압 전원부(96), 고압전원부(90)로부터 출력되는 전압보다 작은 예컨대, 3kV 미만의 저압전원을 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부(94)와, 각각의 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75) 사이에 개재되어 인접하는 전극판들의 간섭을 최소화하는 고압 절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)와, 플라즈마 챔버(50)의 외측에 위치되어 인입된 가스가 흐르는 방향과 평행한 수평자기력선 혹은 인입된 가스가 흐르는 방향에 수직인 수직자기력선을 형성하는 영구자석(100)과, 온도센서(30)로부터 검출되는 온도가 설정온도 이하인 경우 히터(40)를 " ON" 상태로 제어하여 인입가스를 가열하고, 그 온도가 설정온도를 초과하는 경우 히터(40)를 " OFF" 상태로 제어하는 동시에 시드 플라즈마 발생용 고압전원부(90)와 시드 플라즈마를 전극판으로 확산시킬 펄스형 고압 전원부(96)를 한시적으로 구동하는 제어신호를 출력하고, 저압전원부(94)를 지속적으로 구동하여 플라즈마가 플라즈마 챔버(50)의 중심으로부터 외측으로 확산 전이되도록 제어하는 제어부(200)로 구성하였다.상기 복수의 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)은 가능한 표면 거칠기를 거칠게 유지하되 각각 상호 다른 표면거칠기를 갖는다.

상기 온도센서(30)는 플라즈마 챔버(50)의 내측 또는 외측에 위치될 수 있으며, 도시예에서와 같이 내측에 위치된 경우 인입되는 가스와의 직접접촉에 의해 온도를 검출하게 되고, 외측에 위치된 경우에는 플라즈마 챔버(50)를 통한 열전도에 의해 간접적으로 인입된 가스의 온도를 검출하게 된다.

상기 히터(40)는 플라즈마 챔버(50)의 내측 또는 외측에 설치될 수 있으며, 도시된 예에서와 같이 플라즈마 챔버(50)의 내측에 설치된 경우에는 인입된 가스를 직접가열하게 되고, 외측에 위치된 경우에는 플라즈마 챔버(50)을 통한 열전도에 의해 간접적으로 인입된 가스를 가열하게 된다.

히터(40)와 온도센서(30)는 인입 가스의 유량(流量) 및 유속(流速)에 따라 그 위치를 조정할 수 있도록 하여 인입되는 가스를 최적화 된 플라즈마로 전환할 수 있도록 하고 히터(40)의 기하학적 배치와 모양은 다양하게 하여 인입되는 가스를 최적으로 가열할 수 있도록 한다.

상기 저압전원부(94)는 플라즈마를 생성유지하기 위한 전기에너지를 공급하기 위한 것으로, 그 전원 출력은 교류 또는 직류를 출력할 수 있도록 구성되며, 직류를 출력하는 경우 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)의 극성은 서로 마주 보는 측에서 각각 양극(+)과 음극(-)이 인가되도록 접속할 수 있고, 원주방향을 따라 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 양극(+)과 음극(-)이 순차적으로 번갈아 인가되도록 접속할 수도 있다.

상기 각각의 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)들 사이에는 전극판들 간의 상호간섭을 방지하기 위한 고압 절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)가 개재되어 있다. 고압 절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)는 각각 산형으로 구성되어 있다.

또, 저압전원부(94)가 직류를 출력하는 경우에는 내부에 전압안정화를 위한 정류장치를 부가할 수도 있다.

그리고, 저압전원부(94)로부터 발생되는 전원은 고주파 또는 저주파전원으로 구성될 수 있으며, 고주파전원을 출력하도록 구성된 경우에는 고주파가 공간을 비교적 잘 통과하는 성질이 있고, 보다 작은 부피의 변성기로도 큰 전력의 저압전원을 만들어 낼 수 있으므로, 소형화에 유리하게 된다.

반면 저압전원부(94)가 저주파전원을 출력하도록 구성된 경우이고, 예를 들어서, 교류 60Hz의 저주파를 출력하도록 구성되면, 고주파전원에 비해 전자파의 강도가 상대적으로 약하기 때문에 전자파로부터의 위험성을 줄일 수 있게 된다.

한편, 고압전원부(90)와 저압전원부(94) 그리고 펄스형 고압전원부(96) 모두 고압과 저압의 전원을 발생시키기 위해서 외부로부터 공급되는 전원을 이용하여 발진기를 작동시키게 되고, 이 발진기의 출력이 전력용 소자를 경유 고압변성기(high voltage transformer)의 1차측에 인가되면, 고압변성기의 2차측에서 필요한 전압이 출력되는데, 이때 발진기와 고압변성기의 1차측 및 2차측에 흐르는 전류는 고주파 혹은 저주파(예: 수kHz)이므로, 이로부터 발생된 전자기파가 다른 전자기기에 영향을 주어 오동작을 일으키거나 노이즈(noise)를 발생시킬 수 있다.

이러한 오동작을 방지하기 위하여 고압전원부(90)와 저압전원부(94) 그리고 펄스형 고압전원부(96)의 전원입력단과 전압출력단을 모두 전자파 차폐막(도시 않됨)으로 감싸서 외부로 전자파가 전파되는 것을 어느 정도 차단할 수 있도록 구성할 수도 있다.

저압전원부(94)와 펄스형 고압전원부(96)는 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에서 만나므로 서로 작동 중 교란을 일으키거나 또는 저압전원부에 충격이 가해질 수 있는데, 이것을 방지하기 위하여 다이오드를 주 구성요소로 하는 고압차단기(110)가 저압전원부(94)쪽에 설치되어 있다.

또한, 상기 영구자석(100)도 전자파 차폐막으로 감싸 플라즈마 생성초기 및 유지시에 시드플라즈마전극봉(60)(62)과 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)으로부터 방사되는 전자파를 차단할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 이때, 전자파 차폐막은 동판, 동선과 함께 직조된 전자파 차폐섬유 등으로 구성될 수 있다.

시드플라즈마 전극봉(60)(62)는 상호 대향하는 방향을 첨예하게 대립하도록 구성하는 것에 의해 보다 낮은 전압으로 시드플라즈마를 생성할 수 있게 된다.

상기 영구자석(100)은 예컨대 속이 빈 일체형의 원통형으로 형성하고, 배기관(50)의 외주면을 감싸도록 플라즈마 챔버(50)에 끼워서 구성할 수 있다.

영구자석은 극의 경계가 종방향 또는 횡방향으로 형성되도록 구성될 수 있다. 즉, 동일반경의 부채꼴모양으로 된 여러 개의 자석을 플라즈마챔버(50)의 외주면을 감싸며 연결함으로써 원통형을 이루도록 구성하여 극의 경계를 종방향으로 구성하거나, 또는 링모양의 자석을 플라즈마 챔버(50)의 길이방향을 따라 복수개를 종방향으로 겹쳐서 구성하여 횡방향으로 극의 경계를 구성할 수도 있다.

또, 영구자석(100)은 자기력선이 플라즈마가 만들어지는 공간에 있도록 하기 위한 것으로, 이온이나 라디칼이 자기력선과는 수직 방향으로 움직이면서 연쇄적으로 더 많은 양의 이온과 라디칼을 형성하도록 하는 작용을 하며, 플라즈마가 보다 넓은 공간에 걸쳐서 높은 밀도로 형성되도록 하는 작용을 하게 된다.

그리고, 상기플라즈마 챔버(50)와 영구자석(100) 사이에는 단열재(도시 안됨)를 개재시켜서 플라즈마 챔버(50)로부터 고온의 열기가 영구자석(100)으로 전도되는 것을 차단함으로써 영구자석(100)이 플라즈마의 열에 의해 자력이 저하되는 것을 방지하도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 제어부(120)는 예컨대, 온도센서(30)로부터 검출된 인입 가스에 대한 아날로그 검출값을 디지털값으로 변환하기 위한 A/D 컨버터와, 비휘발성 메모리형태의 프로그램메모리, 휘발성 메모리형태이면서 고속의 액세스가 가능한 데이터메모리, 클럭발생부, 입출력 인터페이스회로 등이 내장되어 있는 일반화 된 임베디드형(내장형)의 마이크로 콘트롤러를 이용하여 구성될 수 있다.

이하에서는 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 플라즈마 발생방법 및 장치의 작용을 살펴본다.

먼저 온도센서(30)로부터 인입 가스의 온도가 검출되어 제어부(120)로 전송되면, 제어부(120)에서는 인입된 가스의 온도가 설정온도와 같거나 작은 경우 히터구동부(44)를 통해 히터(40)로 전류를 공급하여 인입된 가스를 가열하게 된다.

이후 온도센서(30)로부터 검출되는 인입 가스의 온도가 설정온도보다 큰 경우에는 히터(40)로 흐르는 전류를 차단하여 " OFF" 상태로 전환하여 인입된 가스가 설정온도 이상이 되도록 제어하게 된다.

즉, 온도센서(30)는 히터(40)보다 후단에 위치되며, 히터(40)를 통화한 인입가스의 온도를 검출하게 되도록 구성되어 있기 때문에 인입된 가스가 설정온도를 초과하면, 가열을 중지하고, 그 이하인 경우에는 다시 가열하는 피드백제어를 하여 인입되는 가스의 온도를 소정범위내에서 일정하게 유지하게 된다.

이때 인입되는 가스의 온도가 설정온도를 초과하여 히터(40)에 의해 가열되지 않고 그대로 통과되는 경우에는 온도가 낮을 때보다 적은 전력으로 플라즈마를 형성시킬 수 있게 된다.

따라서 상대적으로 고온(100℃ - 600℃) 상태의 인입가스를 이온이나 라디컬로 만들기 위해서는 상대적으로 저온(상온)에서의 경우보다 낮은 전력으로 플라즈마 방전을 일으킬 수 있을 뿐만 아니라 인입된 가스의 온도가 상대적으로 높은 상태에 있으므로, 약간의 에너지만으로도 인입된 가스를 활성상태로 만들 수 있어 적은 전력으로 공정에 필요한 플라즈마를 생성시킬 수 있다.

이와 같은 온도센서(30)와 히터(40)가 예를 들어서, 산업시설의 굴뚝이나 자동차의 배기관(50)에 적용되는 경우 배출가스의 상태에 따라 저전력으로 플라즈마를 대량으로 형성할 수 있게 되고, 배출가스의 버려지는 열을 이용하기 때문에 정화나 공정 작업에 필요한 에너지소비를 줄일 수 있게 된다.

한편, 플라즈마 챔버(50)를 통과하는 인입 가스가 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)과 시드플라즈마전극봉(60)(62)이 위치한 지점을 통과하면서, 제어부(120)에 의해 고압전원부(90)로부터 시드전극봉(60)(62)에 고압이 인가되며 시드전극봉(60)과 또 다른 시드전극봉(62)사이에는 고밀도의 시드플라즈마가 발생된다. 이와 같이 시드플라즈마가 만들어지고 동시에 펄스형 고압전원부(96)가 턴-온되어 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 한시적으로 고압전원이 공급된다. 따라서, 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)들 사이에서는 고전압플라즈마방전이 일어나게 된다.

상기 펄스형 고압전원부(96)는 예컨대, 5kV 이상의 고주파(RF, radio frequency) 또는 저주파(LF, low frequency)의 교류 고압전원으로 만들어지는 펄스형 고전압을 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)들에 인가하게 된다. 전극판들 사이에는 고압펼스가 발생하여 챔버내의 분위기가 매우 활성화되어진다. 따라서, 고전압에 의해 시드전극봉(60)과 시드전극봉(62)사이에서 발생되어 있는 시드플라즈마가 고압펄스의 영향으로 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)사이의 공간으로 확산되어 챔버내에 전체적으로 플라즈마가 형성된다.

이 펄스형 고전압에 의한 플라즈마는 플라즈마 챔버내의 전기적 전도성을 증가시키는 역할을 하게 되고, 이어지는 저압전원부(94)에 의한 저압전원으로도 충분히 양호한 통전이 일어나 플라즈마의 밀도가 증가하게 된다.

이와 같이 구동초기에 고압전원부(90) 및 펄스형 고압전원부(96)에 의해 챔버(50)내에 플라즈마가 생성된 후에는 제어부(120)에 의해 저압전원부(94)가 턴-온되고, 펄스형 고압전원부(96)는 턴-오프된다. 따라서 시드플라즈마전극봉(60)(62)의 외측에 위치된 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 저압전원이 가해지게 되는데, 이때 펄스형 고전압에 의해 발생되어 있던 플라즈마는 저압의 전원이 인가된 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)을 향해서 외측으로 급속도로 확산 전이되어 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)사이에 저압에 의한 플라즈마 방전이 일어날 수 있는 조건이 형성되며 고밀도의 활성이 강한 이온이나 라디컬이 생성된다.

즉, 대기압에서 방전이 일어나서 일단 플라즈마가 생성되고 나면, 플라즈마를 유지하기 위한 전압은 낮아도 되며, 전압이 낮아지게 되면, 저압전원부(94)에 의한 소비전력도 크게 감소하게 되며, 높은 유지전압에서와 비교해서 동일한 양의 이온이나 라디칼을 생성시킬 수 있게 된다.

한편, 플라즈마 챔버(50)의 외측에서 이 플라즈마 챔버(50)를 감싸고 있는 영구자석(100)은 플라즈마 챔버(50)의 내측에 인입된 가스가 흐르는 방향과 평행한 방향으로 수평자기력선 혹은 인입된 가스의 흐름에 수직방향인 수직자기력선을 형성하기 때문에 플라즈마는 보다 정형화된 움직임을 갖게 되는 동시에 플라즈마 중심부의 밀도가 높아져서 하전입자들 간의 충돌이 잦아지게 되어 플라즈마의 생성속도 및 량을 촉진시키게 되고, 플라즈마가 자기력선을 따라서 고르게 분포되도록 하는 작용을 하게 된다.

위와 같이 플라즈마 챔버(50)내에서 형성된 플라즈마는 인입되는 가스를 활성상태로 하여 해리 및 재결합을 촉진하여 질소산화물이나 일산화탄소, 탄화수소, 유기 유해가스 등의 인입 가스를 정화하는 작용을 하게 되거나, 플라즈마 처리 공정이 필요한 곳에 쓸 수 있게 된다.

이때 위와 같은 방법에 의한 장치가 산업시설의 배출가스나 내연기관 이나 외연 기관의 배출가스 정화에 적용되면, 시드플라즈마전극봉(60)(62)과 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)의 구조가 매우 단순하고 횡단면 면적이 플라즈마 챔버(50)의 단면적에 비해 매우 적고, 그 경로 또한 직선화되어 있기 때문에 인입되는 가스의 흐름에 저항을 덜 주게 되어 기관이나 가스 발생장치에 영향을 주어 산업 설비나 기관의 효율이나 출력이 크게 떨어지는 것을 막을 수 있게 된다.

한편, 플라즈마 챔버(50)와 영구자석(100) 사이에 단열재(도시 않됨)를 삽입하게 되면 플라즈마 챔버(50)로부터 영구자석(100)으로 상대적 고온의 열이 전도되는 것을 대부분 차단하여 자력이 약화되는 것을 방지하는 작용을 하게 된다.

그리고, 펄스형 고압전원부(96)와 저압전원부(94) 그리고 시드 플라즈마 발생용 고압전원부(90)의 전원입력단과 전압출력단에 설치되는 전자파 차폐막(도시 않됨)은 이 고압전원부(90)와 저압전원부(94) 그리고 펄스형 고압전원부(96)로부터 발생되는 전자파가 외부로 전파되는 것을 차단하여 외부기기의 오동작을 방지하는 작용을 하게 되며, 영구자석(100)의 외측을 감싸는 전자파 차폐막(도시 않됨)도 시드플라즈마전극봉(60)(62)과 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)으로부터 방사되는 전자파가 외부로 전파되는 것을 차단하는 작용을 하게 된다.

한편, 도3에는 본 발명에 따른 플라즈마 발생방법 및 장치의 다른 실시예가 도시되어 있다. 이에 따르면 시드플라즈마 전극봉(60)(62)의 단부가 구형으로 구성되어 있다. 이와 같이 시드플라즈마 전극봉의 단부를 구형으로 구성하는 것에 의해 전극봉이 고열로 인해 소모되는 것을 방지하여 내구성 및 작동 안정성을 높일 수 있다.

또한, 고압 절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)를 사다리꼴 형태로 구성하여 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)사이를 명확히 구분하여 전극판들 간의 상호간섭으로 인해 플라즈마생성 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 플라즈마 방전개시에는 한시적으로 펄스형 고전압을 이용하고 방전개시 후 플라즈마 방전유지를 위해서는 저전압을 지속적으로 인가하도록 구성되므로써 인입되는 가스의 상태에 알맞게 이용하여 저전력으로 플라즈마 방전을 유지시키기 때문에 전력소모를 크게 줄일 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 플라즈마가 발생되는 플라즈마 챔버내에서 차지하는 전극의 단면적이 기존에 비해 적고, 그 경로 또한 직선화되어 있기 때문에 인입되는 가스의 흐름에 저항을 덜 주게 되며, 특히 이러한 구조의 전극이 산업시설이나 내연기관 및 외연기관의 가스 배출시설에 적용되는 경우 플라즈마 챔버로 인입되는 가스의 흐름을 원활하게 하여 동일조건하에서 기존의 플라즈마 배출가스 정화장치에 비해 작은 공간에서도 처리속도를 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

전체적인 장치를 작은 크기로 경량화할 수 있기 때문에 플라즈마 챔버의 설치가 용이하게 되는 것은 물론이고, 생산단가를 크게 낮출 수 있게 되는 효과가 있으며, 유지 보수가 쉽게 되어 제품에 대한 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

또한 고밀도 고용량 고안정성의 저온 플라즈마를 생산할 수 있으므로 산업시설 등 플라즈마를 필요로 하는 곳에서 생산성 향상을 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발생장치를 개략적으로 나타낸 블록구성도

도 2는 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발생장치의 챔버를 길이방향으로 절단한 측단면도

도 3은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 발생장치의 다른 실시예의 요부 구성을 나타낸 도면

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

30 : 온도센서 40 : 히터

44 : 히터구동부 50 : 플라즈마 챔버

60,62 : 시드플라즈마 전극봉 70,71,72,73,74,75 : 전극판

80,81,82,83,84,85 : 고압 절연체

90 : 고압전원부 94 : 저압전원부

96 : 펄스형 고압 전원부 100 : 영구자석

110 : 고압차단기 120 : 제어부

Claims

일측으로 가스가 유입되어 타측으로 배출되는 플라즈마 챔버(50)와;

플라즈마 챔버(50)의 입구측으로 설치되어 인입되는 가스의 온도를 검출하는 온도센서(30)와;

인입되는 가스를 선택적으로 가열하는 히터(40)와;

플라즈마 챔버(50)의 내에 위치되어 플라즈마를 발생시키기 위한 시드플라즈마방전을 발생시키는 적어도 두 개 이상의 시드플라즈마전극봉(60)(62)과;

상기 플라즈마 챔버(50)의 내측에서 시드플라즈마전극봉(60)(62)을 중심으로 해서 시드플라즈마전극봉에서 발생된 플라즈마를 외측으로 확산시키는 복수의 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)와;

상기 시드플라즈마전극봉(60)(62)에 고전압을 한시적으로 인가하기 위한 고압전원부(90)와;

상기 고압전원부(90)로부터 출력되는 전압보다 작은 저압전원을 상기 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 지속적으로 인가하기 위한 저압전원부(94)와;

상기 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)에 인가되어 시드플라즈마를 플라즈마 챔버내에서 확산되도록 하는 펄스형 고압전원부(96)와;

플라즈마 챔버(50)의 외측에 배치되어 챔버내측에 자기력선을 형성하는 영구자석(100)으로 구성된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서 상기 저압전원부(94)와 상기 펄스형 고압전원부의 전압으로 인한 충격을 제어하는 고압차단기(110)가 설치된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마의 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75) 사이의 상호 간섭을 최소화시키기 위한 고압 절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)를 개재한 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 3항에 있어서 상기 고압절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)는 정상부가 상기 플라즈마 챔버(50) 중심을 향하는 산형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치
제 3항에 있어서 상기 고압절연체(80)(81)(82)(83)(84)(85)는 사다리꼴 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치
제 1항에 있어서 상기 복수의 전극판(70)(71)(72)(73)(74)(75)은 각각의 표면 거칠기가 서로 다른 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서 상기 시드플라즈마전극봉(60)(62)의 전극 쌍이 수준면에 있거나 수준면에 수직인 면에 있는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 7항에 있어서 상기 시드플라즈마 전극봉(60)(62)은 서로 대향하며 첨예하게 대립하여 일정간격을 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 7항에 있어서, 상기 시드플라즈마 전극봉(60)(62)은 일정간격을 갖으며 그 단부가 구체로 구성된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도센서(30)는 플라즈마 챔버(50)의 내측에 설치된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마발생 장치.
제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도센서(30)는 플라즈마 챔버(50)의 외측에 설치된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터(40)는 플라즈마 챔버(50)의 내측에 설치되어 인입되는 가스를 필요에 따라 직접 가열하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 히터(40)는 플라즈마 챔버(50)의 외측에 설치되어 인입되는 가스를 플라즈마 필요에 따라 챔버(50)를 통한 열전도에 의해 간접적으로 가열하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 저압전원부(94)로부터 발생되는 전원은 고주파인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 저압전원부(94)로부터 발생되는 전원은 직류인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 저압전원부(94)로부터 발생되는 전원은 저주파인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 펄스형 고압전원부(96)의 펄스 간격과 모양은 가변가능하게 구성한 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 고압전원부(90)로부터 발생되는 전원이 고주파인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 고압전원부(90)로부터 발생되는 전원이 저주파인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 고압전원부(90)로부터 발생되는 전원이 직류인 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 1항 내지 제 6항중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구자석(100)의 주위를 전자파 차폐막으로 감싼 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 21항에 있어서, 상기 영구자석(100)의 극성은 원주방향으로 경계를 이루는 복수의 부채꼴형 자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 21항에 있어서, 상기 영구자석(100)은 극성은 상기 플라즈마 챔버(50)의 길이방향을 따라 경계를 이루는 복수의 링형 자석으로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 21항에 있어서, 상기 영구자석(100)과 플라즈마 챔버(50) 사이에 단열재가 추가로 개재된 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
제 21항에 있어서, 상기 저압전원부(94)와 펄스형 고압전원부(96) 그리고 시드 플라즈마 발생용 고압전원부(90)를 모두 전자파 차폐막으로 감싼 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생장치.
입구를 통해 챔버내로 가스를 도입시키는 단계와;

챔버의 중앙부에 제공되는 적어도 두개 이상의 시드플라즈마 전극봉에 고압을 인가하여 시드플라즈마를 발생시키는 시드 플라즈마발생단계와;

시드 플라즈마 전극봉 주위에 배열된 복수의 전극판에 초기에는 고압펄스를 인가하여 플라즈마를 중심으로부터 반경방향 외측으로 확산시키는 플라즈마 확산단계와;

상기 시드플라즈마발생과 플라즈마 확산 단계 후 전극판에 저압전원을 인가하여 플라즈마 방전을 전극판내의 전체 영역으로 확산 유지시키는 플라즈마 유지단계;

상기 플라즈마 가스의 흐름에 대해 일정한 형태의 자기력선을 형성시켜 안정화하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생 방법.
제 26항에 있어서, 상기 챔버내로 도입되는 가스의 온도를 측정하여 설정온도 이하이면 히터가열후 챔버내로 도입시키는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생방법.
제 26항에 있어서, 상기 챔버의 외측에 영구자석을 배치하여 가스가 흐르는 방향과 평행한 방향으로 수평자기력선을 형성하여 플라즈마 가스의 흐름을 안정화 하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생 방법.
제 26항에 있어서, 상기 챔버의 외측에 영구자석을 배치하여 가스가 흐르는 방향과 수직한 방향으로 수직자기력선을 형성하여 플라즈마 가스의 흐름을 안정화 하는 것을 특징으로 하는 저온 플라즈마 발생 방법.