KR100500431B1 - 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치 - Google Patents
코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 장치에 있어서, 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
본 발명의 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 아크발생을 방지하기 위하여 내부전극의 말단부를 세라믹 실딩(shielding)한 내부전극을 둘러싸도록 구비된 외부전극; 상기 내부전극과 외부전극이 전기적으로 절연되도록 내부전극과 외부전극 사이에 배치된 원통형이거나 다각형 중의 어느 하나의 튜브 형태인 유전체; 상기 내부전극과 외부전극 사이에 형성된 방전공간에 가스를 공급하기 위한 가스 공급수단; 및 상기 전극에 AC전압을 인가하기 위한 AC 전원을 포함하는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 외부전극은 코일 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
따라서, 본 발명의 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 코일형태의 전극에 의해 유도자기장이 형성되어 플라즈마 방전 공간에 형성되는 전기장의 세기가 극대화되도록 하여 전력의 소모를 현저히 줄이고, 방전이 어려운 기체를 효과적으로 분해하여 우수한 특성의 플라즈마가 분사될 수 있도록 하는 효과가 있다.
Description
본 발명은 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 내부전극과 외부전극의 구조와 형태를 기존의 단순한 봉 형태에서 코일형을 포함하는 다양한 형태로 설계하여 적용한 대기압 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.
종래의 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 장치는 미국 특허 제 6,429,400호에 개시된 것과 같이 유전체를 사이에 둔 봉 또는 튜브 중의 어느 하나의 형태를 가진 두 개의 전극사이에 수십Hz ∼ 수십 MHz의 주파수를 가진 전원을 인가하여 방전을 일으키는 방법에 의한 것이었다. 도 1은 상기의 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극구조를 나타낸 단면도로서, 봉형태의 내부전극(1)과 외부전극(2) 사이에 유전체(3)가 있어 유전막 방전에 의한 플라즈마를 생성하는 전극 구조이다.
그러나, 상기와 같이 봉 또는 튜브 중의 어느 하나의 형태를 가지는 전극이 장입된 종래의 대기압 플라즈마 장치는 플라즈마 방전 공간에 형성되는 전기장의 에너지가 약해서 기체의 유속을 이용하여 플라즈마를 분사시키더라도 전극에서부터 수 mm 이상을 분사시키기가 어렵다는 문제점이 있었다.
또한, 상기의 문제점을 해결하기 위해서는 전극에 인가되는 전압을 높이거나 내부전극과 외부전극간의 간격을 좁히는 방법 중의 어느 하나를 사용해야 하는데, 미국 특허 제 5,414,324호에는 대기압에서 플라즈마를 형성시키기 위한 장치로서 1-5kV, 1-100kHz로 전원을 가변할 때의 가스 조성, 전극간 간격에 따른 방전에 대한 연구를 수행한 바 있다. 그러나 전압을 높이게 되면 전력소모량이 커지므로 대용량의 피처리물을 처리할 경우에는 실질적으로 구현자체가 어렵고, 전극간의 간격을 좁히게 되면 높은 전류에 의한 전극손상과 고열을 수반하는 아크로의 전이가 일어나기 쉬운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유전막 방전에 의한 플라즈마 처리장치의 내부전극과 외부전극의 구조를 코일형으로 설계함으로써 패러데이의 전자기 유도법칙(Faraday's Law of Induction)에 의하여 방전 공간에 형성되는 전기장의 세기가 극대화될 수 있도록 함으로써 추가적인 전력소모 없이 높은 밀도의 플라즈마가 형성될 수 있도록 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 장치의 전극구조를 변형 설계하여 이루어진 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 의해 달성된다.
본 발명의 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 내부전극과 외부전극의 형태와 구조를 코일형을 포함하도록 설계하여 방전 공간에 코일형의 전극으로 인한 유도자기장이 형성되도록 하여 전기장의 세기가 극대화되도록 함으로써 전력의 소모를 현저히 줄이고, 방전이 어려운 기체를 효과적으로 분해하여 우수한 특성의 플라즈마가 분사될 수 있도록 한다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 2는 본 발명에 의해 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극구조를 나타낸 단면도이다.
내부전극을 둘러싸도록 구비된 외부전극; 상기 내부전극과 외부전극이 전기적으로 절연되도록 내부전극과 외부전극 사이에 배치된 유전체; 상기 내부전극과 외부전극 사이에 형성된 방전공간에 가스를 공급하기 위한 가스 공급수단; 및 상기 전극에 AC전압을 인가하기 위한 AC 전원을 포함하는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 외부전극(5)이 코일 형태로 이루어진 것을 특징으로 하며, 내부전극(4)은 일자형의 봉형태, 코일형태, 망형태, 또는 끝부분이 부채꼴이거나 링모양의 형태, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나의 형상을 가지며, 그 말단부에 아크가 발생하는 것을 막기 위하여 세라믹 실딩(shielding)(6)이 된 것을 특징으로 한다. 여기에서 내부전극(4)에 전압을 인가하는 AC전원이 연결되고 외부전극에 접지되거나 내부전극과 외부전극의 극성을 바꿀 수도 있으며 전원공급장치에 따라서는 두 전극 모두에 고전압을 인가할 수도 있다. 즉, 내부전극과 외부전극 중 어느 한 쪽을 고전압(±)으로 인가시키고 다른 한 쪽을 접지시키거나, 내부전극과 외부전극 어느 한 쪽에 +전극을 인가시킨다면 다른 한 쪽에는 -전극을 인가시킨다.
이 때 상기의 내부전극(4)과 외부전극(5)은 금속을 포함하는 전도성 물질로 하는데, 내부전극(4)은 방전이 쉽게 이루어질 수 있도록 금속표면에서 2차 전자(secondary electron)의 방출이 많은 백금(Pt), 텅스텐(W) 또는 은(Ag) 중의 어느 하나의 재질로 구성되거나 이러한 재질로 도금된 재질이 사용되며, 내부전극(4)의 직경은 유전체의 내부 직경보다 작은 0.1∼100mm로 한다.
또한 외부전극(5)은 전도성 물질로서 내식성이 강한 알루미늄(Al), 스테인레스 강(STS), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 텅스텐(W), 백금(Pt) 중의 어느 하나의 재질이거나 이들의 합금, 부도체의 피복으로 덮여있는 것 중의 어느 하나를 포함하여 이루어진 와이어를 코일 형태로 감아서 사용한다. 이 때의 와이어의 직경는 0.1∼10mm이며, 이웃하는 코일간의 거리는 3mm 이내로 한다.
유전체(3)는 유전상수가 높은 산화물 계열의 세라믹인 MgO, Al2O3, TiO2
, SiO2 중의 어느 하나의 재질로 한다.
상기의 가스공급부로 공급되는 가스는 플라즈마를 원하는 곳까지 분사하기 위해서 공급하게 되는데, 분사관의 내부 직경은 가스의 종류 및 유량에 따라 달라지며 0.5∼100mm, 두께는 20mm 이내로 한다. 반응가스는 표면개질, Si 에칭, 포토 레지스트 에칭, 살균, 필름 증착 중의 어느 한 가지 용도를 가진 플라즈마 처리 장치가 어떤 용도에 사용되느냐에 따라서 N2, O2, H2O, He, Ar, CO
2, CO, H2, NH3, CF4, C2F6, Air, CH4, C2H6 중의 어느 한 가지의 기체를 사용하게 되는데, 예를 들어 친수처리(hydrophilic)시에는 N2, O2, He, Ar 등이 사용되며, 소수처리(hydrophobic) 시에는 CH4, C2F6와 같은 기체가 사용된다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의한 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 코일 형태의 전극에 고주파수, 고전압이 인가되어 두 전극 사이에 발생하는 전기장(Electric field)에 추가적으로 패러데이의 전자기 유도법칙(Faraday's Law of Induction)에 의한 유도자기장이 발생하게 된다.
이 때 전원은 주파수가 10∼수GHz의 범위를 가지는 AC로 공급하고, 좀 더 양호하게는 1kHz∼수십 MHz가 사용된다. 그리고, 가스 공급부에서 유입된 가스는 분사관 내에서 방전이 되고, 이 때 생성된 플라즈마는 분사관을 통하여 대기 중으로 분사된다.
도 3은 상기의 내부전극을 코일형태로 변형하여 내부전극(7) 및 외부전극(5)이 모두 코일형의 전극일 경우의 실시예를 나타내고 있다. 또한 이와 같이 내부전극(7)이 코일형태인 실시예에 국한되지 아니하고, 상기에서 기술된 것과 같이 내부전극이 봉형태, 망형태, 또는 끝부분이 부채꼴이거나 링모양, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나의 형상을 가지는 경우를 모두 적용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 전극의 구조를 코일형을 포함하도록 설계하여 플라즈마 방전에서 발생되는 전기장(Electric field)에 추가적으로 유도자기장이 발생하게 되므로 방전공간에 형성되는 전기장의 세기가 극대화되도록 함으로써 전력의 소모를 현저하게 줄이고, 높은 밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 내부전극의 끝부분의 형태를 방사상의 형태로 적용시킬 때 피처리물의 처리면적을 넓힐 수 있고, 봉형태, 코일형태, 망형태, 링형태, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나의 형상을 가지는 내부전극을 적용시킬 때 유전막 방전에 의한 플라즈마 발생 효과 뿐만 아니라 유도형 방전효과까지 얻을 수 있으며, 끝부분을 세라믹 실딩하거나 형태를 달리함으로써 아크를 제어할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전극 구조의 변형 예를 도시한 것으로서, 내부전극과 외부전극이 모두 코일형일 때의 대기압 플라즈마 처리장치의 전극 구조를 나타낸 단면도이다.
((도면의 주요부분에 대한 부호의 설명))
3. 유전체 4. 내부전극
5. 외부전극 6. 세라믹 실딩(shielding)
7. 코일형 내부전극
Claims (10)
- 아크발생을 방지하기 위하여 내부전극의 말단부를 세라믹 실딩(shielding)한 내부전극을 둘러싸도록 구비된 외부전극;상기 내부전극과 외부전극이 전기적으로 절연되도록 내부전극과 외부전극 사이에 배치된 원통형이거나 다각형 중의 어느 하나의 튜브 형태인 유전체;상기 내부전극과 외부전극 사이에 형성된 방전공간에 가스를 공급하기 위한 가스 공급수단; 및상기 전극에 AC전압을 인가하기 위한 AC 전원을 포함하는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서,상기 외부전극은 코일 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 내부전극은 일자형의 봉형태, 코일형태, 망형태, 또는 끝부분이 부채꼴이거나 링모양의 형태, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기의 내부전극은 백금(Pt), 텅스텐(W), 은(Ag) 중의 어느 하나의 금속으로 이루어지거나 도금된 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기의 외부전극은 알루미늄(Al), 스테인레스 강(STS), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 텅스텐(W), 백금(Pt) 중의 어느 하나의 금속으로 이루어지거나 이들의 합금, 부도체의 피복으로 덮여있는 와이어를 코일 형태로 감아서 사용되는 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 상기 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 코일을 구성하는 와이어의 직경이 0.1∼10mm이며, 이웃하는 코일간의 거리는 3mm 이내임을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기의 내부전극과 외부전극 중 어느 한 쪽을 고전압(±)으로 인가시키고 다른 한 쪽을 접지시키는 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기의 내부전극과 외부전극 중 어느 한 쪽을 + 전극에 인가시켰다면 다른 한 쪽은 - 전극에 인가시키는 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 피처리물의 플라즈마 처리면적을 넓히기 위해서 상기 유전체의 말단부를 방사상의 형태로 변형한 것을 특징으로 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치.
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2002
- 2002-09-26 KR KR10-2002-0058341A patent/KR100500431B1/ko not_active IP Right Cessation
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