KR100530765B1 - Nanoporous dielectrics for plasma generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수㎚~수㎛ 직경의 세공(pore)을 가지는 나노 다공성 구조의 유전체를 이용한 플라즈마 전극 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma electrode device using a dielectric having a nanoporous structure having pores of several nm to several μm in diameter.
본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극은 규칙적 혹은 불규칙적인 나노 다공구조로 이루어진 유전체를 전극 위에 형성하고 이를 같은 형태의 전극과 대칭적으로 위치시키거나 다른 형태의 전극을 이용한 비대칭적인 구조로 방전을 시킨다. 이때 소자의 구조나 형태에 따라 유전체 장벽(DBD) 글로우 방전(부피 방전(Volume Discharge), 표면 방전(Surface Discharge), 공면 방전(Coplanar Discharge)등)이 관찰된다. 또한 나노 다공구조를 가지는 유전물질의 두께, 세공의 직경, 균일성, 다공도(porosity)등의 조건과 나노 다공구조 내부 혹은 이들의 표면에 도체나 반도체, 2차전자 방출물질 등을 삽입 또는 형성시킴으로서 플라즈마의 손쉬운 조건변화 및 안정성과 효율을 향상시킬 수 있다.The electrode having the nanoporous structure of the present invention forms a dielectric having a regular or irregular nanoporous structure on the electrode and places it symmetrically with the same type of electrode or discharges the asymmetrical structure using another type of electrode. . At this time, dielectric barrier (DBD) glow discharges (volume discharge, surface discharge, coplanar discharge, etc.) are observed according to the structure or shape of the device. In addition, by inserting or forming conductors, semiconductors, secondary electron emission materials, etc. in the nanoporous structure or on the surface of the dielectric material having a nanoporous structure, such as thickness, pore diameter, uniformity, and porosity. Easy change of plasma condition and stability and efficiency can be improved.
Description
본 발명은 플라즈마 방전 응용 기술의 하나로 나노 다공성 유전체를 가지는 플라즈마 전극을 이용하여 플라즈마의 안정적인 발생 과 유지 및 효율을 향상시키기 위한 기술로서 이들 플라즈마가 이용되고 있는 램프, 세정, 살균, 표면처리, 에칭 및 박막제조 등의 플라즈마 유발 물리적, 화학적 공정에 적용될 수 있는 기술이다.The present invention is a technique for improving the stable generation, maintenance and efficiency of plasma using a plasma electrode having a nanoporous dielectric as one of the plasma discharge application technology lamps, cleaning, sterilization, surface treatment, etching and It is a technology that can be applied to plasma-induced physical and chemical processes such as thin film manufacturing.
방전 플라즈마는 전자, 양이온, 음이온과 같이 전하를 띤 입자들의 집합체인 바, 특히 글로우방전(Glow Discharge) 플라즈마는 아크방전 플라즈마와 달리 열적 비평형 상태에서 높은 에너지와 반응성을 나타내는 특장점이 있어 에칭, 살균, 세정 또는 조명산업분야 등에서 매우 유익하게 사용되고 있으며 이의 응용 기술도 계속 늘어나고 있다.Discharge plasma is a collection of charged particles such as electrons, cations, and anions. Especially, glow discharge plasma has high energy and reactivity in thermal equilibrium, unlike arc discharge plasma. , Cleaning or lighting industry is very useful and its application technology continues to increase.
이러한 글로우방전 기술의 고효율화와 안정화를 실현하기 위한, 종래의 기술로는 핀(pin) 및 브러시(brush) 형태의 전극 구조(Akishev등 J.Phys.D., 1630, 1993); 유전체 장벽의 삽입(Kogoma등 J.Phys.D. 1125, 1990); 모세관(capillary)의 형성(Kunhardt, IEEE Trans. Plasma Sci., 189, 2000); 3극(triod) 구조(Penetrante등 J.Appl.Phys., 1332, 1986); 마이크로 구조를 갖는 전극을 이용한 시도(Gericke등, Vacuum, 291, 2002) 및 전도성 액체를 주입시킨 고저항의 음극 이용(Alexeff등 US Patent 6232723, 2001)등이 있다. 이 기술들은 주로 전극 및 유전체의 변형에 의한 전기 및 열적 불안정성의 완화와 글로우방전에서 아크방전으로의 전이를 제한하는 것에 초점이 맞추어져 있는데, 현재까지는 효율면이나 안정성 측면에서 제한적인 성과만을 나타내고 있다.Conventional techniques for achieving high efficiency and stabilization of such a glow discharge technique include pin and brush type electrode structures (Akishev et al. J. Phys. D., 1630, 1993); Insertion of a dielectric barrier (Kogoma et al. J. Phys. D. 1125, 1990); Formation of capillary (Kunhardt, IEEE Trans. Plasma Sci., 189, 2000); Triod structure (Penetrante et al. J. Appl. Phys., 1332, 1986); Trials using electrodes with microstructures (Gericke et al., Vacuum, 291, 2002) and the use of high resistance cathodes infused with conductive liquids (Alexeff et al. US Pat. No. 6,232,723, 2001). These technologies focus primarily on mitigating electrical and thermal instability due to deformation of the electrodes and dielectrics and limiting the transition from glow discharge to arc discharge, which has shown only limited performance in terms of efficiency and stability. .
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 유전체 장벽 방전의 특성을 유지하면서도 고효율, 저전압과 안정된 방전조건을 이루기 위해 유전체를 포함하는 전극 구조를 변화시킨 플라즈마 전극 장치를 제공하는데 그 개괄적인 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a plasma electrode device in which an electrode structure including a dielectric is changed to achieve high efficiency, low voltage, and stable discharge conditions while maintaining the characteristics of the existing dielectric barrier discharge. There is a general purpose.
본 발명의 다른 목적은 나노 다공구조를 갖는 유전체층과 또는 나노 다공구조 내부 혹은 이들의 표면에 도체나 반도체, 2차전자 방출물질 등을 삽입 또는 형성시킴으로서 이들을 이용하여 광범위한 기체압력범위에서 안정적인 글로우 방전을 유도하고, 전자의 밀도와 에너지 및 전류의 흐름을 조절함으로써 방전 중 오방전과 아크로의 전이방지, 내구성 증진, 나노 다공 구조로부터의 높은 2차전자(Secondary electron)의 발생과 높은 전기장의 형성 및 전계 방출(Field emission)을 유도하여 플라즈마의 방전개시전압과 유지전압을 기존의 플라즈마 전극보다 낮출 수 있는 플라즈마 전극 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to insert or form a dielectric layer having a nanoporous structure or a conductor, a semiconductor, a secondary electron emission material, or the like in or on the surface of the nanoporous structure, thereby providing stable glow discharge in a wide gas pressure range. By controlling the density of electrons and the flow of energy and current, preventing discharging and transition to arcing during discharge, enhancing durability, generating high secondary electrons from the nanoporous structure and forming high electric fields and field emission The present invention provides a plasma electrode device capable of lowering a discharge start voltage and a sustain voltage of a plasma than a conventional plasma electrode by inducing field emission.
본 발명의 또 다른 목적은 나노 다공 구조체의 손쉬운 유전특성 및 정전용량의 변화로 저소비전력 플라즈마 발생 장치에서 고에너지와 고밀도의 플라즈마 발생 장치 및 저압에서 상압 구동 플라즈마 발생 장치까지 다양한 기술 분야와 범위에서의 응용이 기능하도록 한 플라즈마 전극 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to change the dielectric properties and capacitance of the nanoporous structure in a variety of technical fields and ranges from low power plasma generator to high energy and high density plasma generator and low pressure to atmospheric pressure driven plasma generator. An object of the present invention is to provide a plasma electrode device in which an application functions.
본발명에 따른 유전체에는 모두 수㎚-수㎛까지의 직경(D)을 갖는 세공(pore)들이 배열되어 있는데, 그 배열 형태에 따라 유사한 크기의 세공들이 규칙적으로 분포되어 있는 것과 이와 반대로 불규칙적으로 분포되어 있는 것으로 분류할 수가 있다. 이하, 이러한 구조를 총칭하여 '나노 다공구조'라 하고, 이러한 구조를 포함하여 이루어진 유전체를 '나노 다공성 유전체'라 한다.In the dielectric according to the present invention, pores having a diameter (D) of several nm to several μm are arranged, and irregularly distributed pores having similar sizes are regularly distributed according to the arrangement form. It can be classified as being done. Hereinafter, such a structure is collectively referred to as a 'nano porous structure', and a dielectric including such a structure is referred to as a 'nano porous dielectric'.
그리고, 이러한 나노 다공구조 배열 형태는 선택된 유전체 물질의 특성과 제조 공정을 달리하여 얻어질 수 있으며, 각 배열 형태에 있어서의 나노 다공구조의 분포, 각 세공의 길이(L)와 직경(D) 및 세공간의 간격(d) 등도 그 형성 방법 및 조건을 변화시킴으로써 원하는 대로 조절할 수가 있다. 이하, 용어의 혼동을 피하기 위해 두께 또는 높이 개념도 모두 '길이'라는 용어를 사용하여 표현함을 밝혀 둔다.In addition, the nanoporous structure can be obtained by varying the characteristics and manufacturing process of the selected dielectric material, the distribution of the nanoporous structure in each configuration, the length (L) and diameter (D) of each pore and The gap d between the pores and the like can also be adjusted as desired by changing the formation method and conditions. Hereinafter, in order to avoid confusion of terms, the concept of thickness or height is also expressed using the term 'length'.
한편, 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 제조 방법은 대부분 습식 공정으로 이루어지기 때문에 각각의 세부 공정이 연속적으로 이루어 질 수 있다. 이외에도 전기·화학적인 방법을 사용할 수 있기 때문에 각종 변수 조절을 선형적(linear)으로 할 수 있고, 별 다른 제한 없이 나노 다공구조 유전체의 형태와 크기 또는 패턴 등을 쉽게 변경할 수가 있다.On the other hand, since the electrode device manufacturing method having a nano-porous structure of the present invention is mostly made of a wet process, each detailed process can be made continuously. In addition, since the electrochemical method can be used, various parameters can be controlled linearly, and the shape, size, or pattern of the nanoporous dielectric can be easily changed without any limitation.
도 1은 본 발명의 규칙적 배열 형태 중에서 기본적인 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 일부 발췌 사시도이다. 도 1에 도시한 나노 다공구조를 갖는 전극 장치는 크게 하부에 배치된 도체전극부(이하, 간단히 '전극부'라 한다)(10)와 전극부(10) 상에 형성되는 나노 다공성 유전체부(이하, 간단히 '유전체부'라 한다)(20)를 포함하여 이루어질 수 있다. 유전체부(20)는 다시 하부에 위치하며 나노 세공(이하, 간단히 '세공'이라 한다)(26)이 형성되어 있지 않은 소정 두께(t2)의 장벽층(22)과 세공(26)이 형성되어 있는 세공형성부를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하에서는 상기 세공형성부의 세공 주변 부분을 '세공주변부'(24)라 한다.1 is a perspective view of a portion according to an embodiment of an electrode device having a basic nanoporous structure in a regular arrangement of the present invention. The electrode device having the nanoporous structure shown in FIG. 1 has a conductor electrode portion (hereinafter, simply referred to as an “electrode portion”) 10 disposed largely below and a nanoporous dielectric portion formed on the electrode portion 10 ( Hereinafter, it may be made by including the 'dielectric portion') 20. The dielectric part 20 is located at the lower part again, and the barrier layer 22 and the pores 26 having a predetermined thickness t2, in which the nano pores (hereinafter, simply referred to as 'pore') 26 are not formed, are formed. It can be made including a pore forming portion. Hereinafter, the pore periphery of the pore forming portion is referred to as the 'pore periphery' 24.
전술한 구성에서, 세공(26)의 단면 형상은 원형 또는 기타 다른 형태로 구현될 수 있는데, 나노 세공의 직경(D) 대 길이(L)의 비 및 세공의 길이(L) 대 유전체부(20)의 전체 길이(t1)의 비는 나노 다공구조에 의한 효과 및 플라즈마의 에너지를 결정짓는 중요한 변수로서 응용 분야의 플라즈마 특성에 맞게 조절할 수가 있다. 또한, 장벽층(22)의 길이(t2)를 적절하게 조절하는 것에 의해 전극부(10)로부터의 전자의 이동 및 유전체부(20)의 정전용량을 변화시킴으로써 플라즈마의 밀도를 적절하게 조절할 수가 있다. 더욱이, 세공(26)의 개방단부를 완전 폐쇄시켜 나노챔버(Nano chamber) 형태의 공간을 만들거나 일부분만 폐쇄시키는 것에 의해 유전체부(20)에 인가되는 전계에 변화를 줄 수도 있다.In the above-described configuration, the cross-sectional shape of the pores 26 may be implemented in a circular or other form, such as the ratio of the diameter (D) to the length (L) of the nanopores and the length (L) of the pores to the dielectric portion 20 The ratio of the total length t1 of) is an important parameter that determines the effect of the nanoporous structure and the energy of the plasma, and can be adjusted according to the plasma characteristics of the application. In addition, by appropriately adjusting the length t2 of the barrier layer 22, the density of the plasma can be appropriately adjusted by changing the movement of electrons from the electrode portion 10 and the capacitance of the dielectric portion 20. . In addition, the open end of the pores 26 may be completely closed to make a space in the form of a nano chamber or to close a portion thereof to change the electric field applied to the dielectric part 20.
구체적으로, 세공(26)이 원형으로 구현되는 경우에 그 직경(D)은 수㎚에서 수㎛의 범위, 그 길이(L)는 수㎛에서 수백㎛의 범위에서 정해질 수 있고, 세공(26) 간의 간격(d)은 세공의 직경(D)과 같은 크기 범위 또는 그 이상, 즉 수㎚에서 수십㎛의 범위에서 형성될 수 있다.Specifically, in the case where the pores 26 are implemented in a circular shape, the diameter D thereof may be defined in the range of several nm to several micrometers, and the length L thereof may be determined in the range of several micrometers to several hundred micrometers. The spacing d between) may be formed in a size range equal to or greater than the diameter D of the pores, that is, in the range of several nm to several tens of micrometers.
한편, 도 1에 도시한 전극 장치에서 유전체부(20)는 세라믹 유전체, 예를 들어 다공성 양극 알루미나(porous anodic alumina)로 구현될 수 있는데, 이에 대해서는 전기·화학적 산화법을 통한 습식 제조기술이 이미 널리 알려져 있고, 그 공정기술 및 형성 메커니즘도 체계화되어 있어서 공정 변수의 조절이 자유롭다(Yakoleva등, Inorg. Mat., 34, 711, 1998, Jessensky등, Appl. Phys. Lett., 72, 1173, 1998).Meanwhile, in the electrode device illustrated in FIG. 1, the dielectric part 20 may be implemented with a ceramic dielectric, for example, porous anodic alumina. For this, wet manufacturing techniques through electrochemical chemical oxidation are already widely used. It is known, and its process technology and formation mechanism are well-organized so that the control of process variables is free (Yakoleva et al., Inorg. Mat., 34, 711, 1998, Jessensky et al., Appl. Phys. Lett., 72, 1173, 1998). ).
그 개략적인 제조 공정을 살펴 보면, 먼저 산용액 분위기에서 전극부로 사용될 알루미늄 기판을 전해연마(Electropolishing)한 후에 일차 전기산화(anodizing)시키거나 전사법을 이용한 패터닝을 이용하여 나노 자리를 형성(Seeding)한다. 이후, 이차 전기산화에 의해 나노 자리를 따라 유전체부(20)로 기능할 알루미나층을 원하는 길이(L)까지 형성시키는데, 이 과정 에서 인가 전압 및 전해액의 종류에 따라 소정 길이(t2)의 장벽층(22)이 전극부(10) 상에 자연스럽게 형성되게 된다. 그리고, 이러한 구조의 전극 장치에 의하면 유전체부(20)가 전극부(10)를 모태로 하여 형성되기 때문에 전극부(10)와 유전체부(20) 사이에 강한 결합력을 나타내며, 이에 따라 내구성 및 효율이 향상된 전극 장치를 제조할 수 있게 된다. 한편, 이 구조의 전극 장치에서 세공의 직경 조절은 전기산화시 사용되는 산 용액을 변경하거나 다공을 넓히는 공정(Pore widening)에 의해 달성될 수 있다.In the schematic manufacturing process, first, electropolishing an aluminum substrate to be used as an electrode part in an acid solution atmosphere, and then forming nanosites by primary electrooxidation or patterning using a transfer method. do. Subsequently, by forming the alumina layer to function as the dielectric portion 20 along the nanosite by the secondary electrooxidation to a desired length (L), in this process, a barrier layer having a predetermined length (t2) according to the applied voltage and the type of the electrolyte. 22 is naturally formed on the electrode portion 10. In addition, according to the electrode device having such a structure, since the dielectric part 20 is formed based on the electrode part 10, it exhibits a strong bonding force between the electrode part 10 and the dielectric part 20, thereby providing durability and efficiency. This improved electrode device can be manufactured. On the other hand, the pore diameter control in the electrode device of this structure can be achieved by changing the acid solution used in the electrooxidation or by widening the pores.
한편, 유전체로 유리 재질, 예를 들어 실리카 박막을 사용하는 경우에는 반도체 공정의 패터닝 식각을 통해 수십㎚에서 수㎛ 범위 직경의 세공을 갖는 나노 다공구조를 얻을 수 있다(Tonucci 등 Science, 258, 783, 1992). 한편, 경우에 따라서는 실리카 박막층에 나노 다공구조를 형성한 후에 전극부로 기능할 금속을 증착 하여 제조할 수도 있다.On the other hand, in the case of using a glass material, for example, a silica thin film as the dielectric, a nanoporous structure having pores ranging in diameter from several tens of nm to several μm can be obtained through patterning etching of a semiconductor process (Tonucci et al. Science, 258, 783). , 1992). Meanwhile, in some cases, the nanoporous structure may be formed on the silica thin film layer, and then metal may be deposited to function as an electrode.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 규칙적 배열 형태의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치의 다양한 실시예에 따른 단면도이다. 먼저, 도 2a에서는 도 1에 도시한 전극 장치에서 장벽층이 제거된 구조를 갖는 전극 장치를 도시하고 있다.2A-2C are cross-sectional views of various embodiments of an electrode device having a nanoporous dielectric in a regularly arranged configuration of the present invention. First, FIG. 2A illustrates an electrode device having a structure in which a barrier layer is removed from the electrode device shown in FIG. 1.
도 2b에서는 도 1에 도시한 전극 장치의 각 세공 내부에 소정 길이의 이물질, 예를 들어 Ni, Ag, Au, Graphite, MnO2, TiO2, Conducting Polymer 등의 도체나 반도체 물질 또는 MgO, BaO, KCl, NaCl, Diamond, SnO2 등과 같은 2차전자 방출물질이 삽입된 구조를 갖는 전극 장치를 도시하고 있다. 이 구조의 전극 장치에서, 이물질층(27)의 길이(h1)는 방전시 세공(26)을 통해 흐를 수 있는 전류 밀도와 직접 연관되는데, 예를 들어 수십㎚에서 수십㎛의 범위에서 정해질 수 있다.In FIG. 2B, a foreign material having a predetermined length, for example, a conductor or a semiconductor material such as Ni, Ag, Au, Graphite, MnO 2 , TiO 2 , Conducting Polymer, or MgO, BaO, in each pore of the electrode device shown in FIG. 1. An electrode device having a structure in which secondary electron emission materials such as KCl, NaCl, Diamond, SnO 2, and the like is inserted is shown. In the electrode device of this structure, the length h1 of the foreign material layer 27 is directly related to the current density that can flow through the pores 26 during discharge, for example, can be determined in the range of several tens of nm to several tens of micrometers. have.
도 2c에서는 이물질층(28), 예를 들어 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al:Li, Graphite, TiO2, MnO2 등과 같은 금속, 금속합금, 반도체 또는 MgO, BaO, LiF, KCl, NaCl, Diamond, SnO2 등과 같은 2차전자 방출물질이 도 1에 도시한 전극 장치의 각 세공주변부(26) 상에 코팅되어 이루어진 구조의 전극 장치를 도시하고 있는데, 이 경우에 이물질층(28)의 길이(h2)는 수㎚에서 수십㎚의 범위에서 정해질 수 있다.In FIG. 2C, the foreign material layer 28, for example, metals such as Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al: Li, Graphite, TiO 2 , MnO 2 , metal alloys, semiconductors, or MgO, BaO, LiF, FIG. 1 illustrates an electrode device having a structure in which secondary electron emission materials such as KCl, NaCl, Diamond, SnO 2, and the like are coated on the periphery of each pore 26 of the electrode device shown in FIG. 1. The length h2 of 28) can be determined in the range of several nm to several tens of nm.
도 2a 내지 도 2c에 도시한 실시예 이외에도, 도 2a에 도시한 전극 장치의 세공 내부에 도 2b에서 설명한 바와 같은 이물질층을 삽입한 것, 도 2a에 도시한 전극 장치의 세공주변부 상에 도 2c에서 설명한 바와 같은 이물질부층을 코팅한 것 또는 도 2c에 도시한 전극 장치의 세공 내부에 도 2b에서 설명한 바와 같은 이물질층을 삽입한 것 등의 실시예도 가능할 것이다.In addition to the embodiment shown in Figs. 2A to 2C, the foreign material layer as described in Fig. 2B is inserted into the pores of the electrode device shown in Fig. 2A, and the pore peripheral portion of the electrode device shown in Fig. 2A is shown in Fig. 2C. Embodiments such as coating the foreign material layer as described above or inserting the foreign material layer as described in FIG. 2B into the pores of the electrode device shown in FIG. 2C may be possible.
도 3은 본 발명의 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 전극 장치에서는 전극부(10) 상에 나노미터에서 마이크로미터 범위의 입자 크기를 갖는 콜로이드 형상의 유전 물질, 예를 들어 알루미나, 실리카, Polystyrene 등이 소정 길이만큼 적층되어 유전체부(50)를 이루고 있는 바, 도면 부호 54는 세공주변부를, 56은 세공을 나타낸다. 그리고, 이 구조의 전극 장치에서는 유전 물질의 종류나 증착 조건을 달리함으로써 유전체부(50)의 나노 다공구조를 제작할 수 있으며, 도 3에서는 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 도시하고 있다.3 is a cross-sectional view of an electrode device having a nanoporous dielectric having an irregularly arranged shape according to the present invention. As shown in FIG. 3, in the electrode device according to the present embodiment, a colloidal dielectric material having a particle size ranging from nanometers to micrometers on the electrode unit 10, for example, alumina, silica, polystyrene, or the like, may be used. Laminated by a predetermined length to form the dielectric part 50, reference numeral 54 denotes a periphery of the pore and 56 denotes a pore. In the electrode device having this structure, the nanoporous structure of the dielectric part 50 can be fabricated by varying the type of dielectric material or the deposition conditions, and FIG. 3 illustrates an electrode device having a nanoporous structure having an irregular arrangement. .
한편, 도 3에 도시한 전극 장치는 자발적인 침전이나 전기화학적 방법, 플라즈마 젯(Jet), 전기영동(Electrophoretic)법, 졸-겔(Sol-Gel)법 등 다양한 방법을 통해 형성할 수가 있다. 그리고, 유전체 재료를 선택함에 있어서는 적절한 내구성과 유전율 정도를 고려하면 되지만, 전극부(10)와 유전체부(50) 간의 접합 특성이 우수한 물질을 선택함이 바람직하다. 특히, 무기염 중에서 CsI, KCl 등과 같은 물질들은 높은 2차전자 방출효과와 증착시 박막이 컬럼(Column) 형태로 성장하는 것으로 알려져 있고 이 역시 채널 플레이트(Channel Plate)로 응용이 시도(Shikhaliev 등 Nucl.Inst.Met. Phys.Res. 487, 676, 2002)된 바 있어서, 도 2a 내지 도 3의 전극 장치에 대한 유전체 재료로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 나노 구조의 다이아몬드 및 DLC(Diamond Like Carbon) 등도 내구성이 클 뿐만 아니라 낮은 전자 친화도를 나타내기 때문에 도 3에 도시한 전극 장치에서 유전체 재료로 채택될 수 있을 것이다.Meanwhile, the electrode device shown in FIG. 3 may be formed by various methods such as spontaneous precipitation, electrochemical method, plasma jet, electrophoretic method, and sol-gel method. In selecting the dielectric material, an appropriate durability and a degree of permittivity may be taken into consideration, but it is preferable to select a material having excellent bonding characteristics between the electrode portion 10 and the dielectric portion 50. Particularly, among inorganic salts, materials such as CsI and KCl are known to have high secondary electron emission effect and thin film grows in the form of column during deposition, and this is also an application as a channel plate (Shikhaliev et al., Nucl). Inst.Met.Phys.Res. 487, 676, 2002), which may be used as the dielectric material for the electrode device of FIGS. 2A-3. In addition, nanostructure diamond and DLC (Diamond Like Carbon) may also be adopted as a dielectric material in the electrode device shown in FIG. 3 because of their high durability and low electron affinity.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 불규칙적 배열 형태를 갖는 나노 다공구조 유전체를 갖는 플라즈마 전극 장치의 여러 실시예에 따른 단면도이다. 도 4에 도시한 전극 장치는 불규칙적인 나노 다공구조를 갖고 있는 바, 이러한 전극 장치 역시 유전체 장벽 방전에 이용될 때 높은 전자 방출 효과에 의한 구동전압의 감소 및 안정화 효과를 얻을 수가 있다. 도 4의 전극 장치에서, 세공(66),(66')의 직경(D)은 수㎚에서 수백㎚에 걸쳐서 분포되는데, 그 길이(L) 대 직경(D)의 비율, 즉 종횡비는 도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 도시한 전극 장치의 그것과 유사한 값을 또는 그 이상으로 정해질 수 있다.4A and 4B are cross-sectional views of various embodiments of a plasma electrode device having a nanoporous dielectric having an irregular arrangement of the present invention. The electrode device shown in FIG. 4 has an irregular nanoporous structure, and when such electrode device is also used for dielectric barrier discharge, it is possible to obtain a driving voltage reduction and stabilization effect due to a high electron emission effect. In the electrode arrangement of FIG. 4, the diameters D of the pores 66, 66 ′ are distributed over several nm to several hundred nm, with the ratio of length L to diameter D, i.e., aspect ratio, being shown in FIG. 1. And a value similar to that of the electrode device shown in FIGS. 2A to 2C or higher.
한편, 도 4에 도시한 전극 장치는 도 4a에 도시한 바와 같이 유전체부(60)가 불규칙적인 나노 다공구조를 갖고 있는 것과 도 4b에 도시한 바와 같이 전극부(60') 자체가 불규칙적인 나노 다공구조를 갖고 있는 것으로 분류할 수 있는데, 도 4a에 도시한 전극 장치의 경우에는 도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 도시한 전극 장치를 제조하는 과정에서 각종 공정 변수를 조절하는 것에 의해 얻어질 수가 있다. 도 4a에서 부호 60은 유전체부를, 64는 세공 주변부를, 66은 세공을 나타낸다.On the other hand, in the electrode device shown in Figure 4 as shown in Figure 4a, the dielectric portion 60 has an irregular nanoporous structure, and as shown in Figure 4b, the electrode portion 60 'itself is irregular nano It can be classified as having a porous structure. In the case of the electrode device shown in Fig. 4A, the number obtained by adjusting various process variables in the process of manufacturing the electrode device shown in Figs. 1 and 2A to 2C can be obtained. have. In Fig. 4A, reference numeral 60 denotes a dielectric part, 64 denotes a periphery of a pore, and 66 denotes a pore.
반면에, 자체에 불규칙한 나노 다공구조가 형성된 전극부(60')는, 예를 들어 실리콘의 전기, 광화학적 식각을 통해 얻어질 수가 있는데, 이렇게 얻어진 전극부(60') 위에 증착, 열산화 또는 전기적 산화법 등을 이용하여 절연막(67)인 수㎚의 산화실리콘막을 형성하고 다시 그 위에 게이트 층(전극) 등으로 기능하게 될 수㎚에서 수십㎚ 범위의 금속 박막층(68)을 코팅하여 전극 장치를 제조할 수가 있다. 이러한 구조의 전극 장치는 전계방출표시(Field Emission Display) 소자에서 이용되고 있는 BSD(Ballistic electron Surface-emitting Device) 구조와 같은 전극 형태를 갖게 되어 고밀도의 전자빔 방출 효과를 얻을 수가 있다(Ichihara 등 J. Cryst. Growth, 1915, 2002).On the other hand, the electrode portion 60 'having its own irregular nanoporous structure can be obtained, for example, by electrochemical or photochemical etching of silicon, which is deposited, thermally oxidized or The electrode device is formed by forming a several nm silicon oxide film, which is an insulating film 67, by using an electrical oxidation method, and then coating a metal thin film layer 68 in the range of several nm to several tens nm, which will function as a gate layer (electrode) and the like. It can manufacture. The electrode device having such a structure has an electrode shape similar to that of the BSD (Ballistic electron Surface-emitting Device) structure used in the field emission display device, thereby obtaining a high-density electron beam emission effect (Ichihara et al. J.). Cryst. Growth, 1915, 2002).
한편, 전술한 실시예 이외에도 카본나노튜브, W, Mo, Ag, Au, CdS, TiO2 등의 전자방출 물질들이 나노 섬유 형태로 이루어진 나노구조체를 사용하여 본 발명 전극 장치로 구현할 수도 있을 것인 바, 이러한 재료들을 사용하면 적층시 형성된 입자들의 나노 다공구조 또는 나노다발(bundle)로 부터 발생하는 전계 및 2차전자 방출 효과에 의해 플라즈마 효율을 향상시킬 수 있다. 다만, 이들 나노구조 유전체 자체의 내구성 및 이들과 이들 하부의 전극부간의 접합성이 플라즈마를 안정되게 유지하는 중요 인자로 작용할 것이며, 내구성을 높이기 위해 플라즈마에 잘 견디는 Boride, Carbide, Nitride, Oxide계 세라믹을 나노구조체 주변에 코팅할 수 있다.On the other hand, in addition to the above-described embodiment, the electron-emitting materials such as carbon nanotubes, W, Mo, Ag, Au, CdS, TiO2 may be implemented in the electrode device of the present invention using a nanostructure made of nanofiber form, Using these materials, plasma efficiency can be improved by the effect of electric field and secondary electron emission from nanoporous structures or nanobundles of particles formed during lamination. However, the durability of these nanostructure dielectrics themselves and the bonding between them and the electrode portion below them will act as an important factor to maintain the plasma stable. Boride, Carbide, Nitride, and Oxide-based ceramics that withstand plasma well to increase durability It can be coated around the nanostructures.
고분자 역시 저온 플라즈마를 생성하는 경우에 유전체부로 이용될 수 있는 바, 특히 나노 다공성을 가지는 내열성 고분자 중 Polycarbonate, Polystyrene, Polyester 및 전도성 혹은 반도체 특성을 갖는 고분자들이 우수한 내구성과 공정성을 갖고 있기에 본 발명 전극 장치에서의 유전체부로 사용될 수 있을 것이다.The polymer may also be used as a dielectric part when generating low-temperature plasma. Among the heat-resistant polymers having nanoporosity, polycarbonate, polystyrene, polyester and polymers having conductive or semiconductor characteristics have excellent durability and processability, and thus, the electrode device of the present invention It can be used as a dielectric part in.
이하에는 본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치가 채택된 플라즈마 방전 장치의 다양한 실시예에 대해서 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the plasma discharge device employing the electrode device having the nanoporous structure dielectric of the present invention will be described.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 2극형 플라즈마 발생 장치의 다양한 실시예를 보인 표시도이다. 먼저, 도 5a에서는 일측에는 일반적인 도체전극(70)이 배치되고 타측에는 본 발명의 전극 장치가 마주 하는 구조의 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있다. 물론, 도 5a에는 도 1에 도시한 전극 장치가 예시하였지만, 이에 국한되는 것은 아니고 도 2a 내지 도 2c, 도 3 및 도 4에 도시한 전극 장치가 모두 사용될 수 있을 것이다.5A to 5D are display diagrams illustrating various embodiments of a bipolar plasma generator using at least one electrode device having a nanoporous dielectric of the present invention. First, in FIG. 5A, a general conductor electrode 70 is disposed on one side and a plasma generator having a structure in which the electrode device of the present invention faces the other side. Of course, although the electrode device shown in FIG. 1 is illustrated in FIG. 5A, all of the electrode devices shown in FIGS. 2A to 2C, 3, and 4 may be used.
도 5b에는 마주하는 양측 전극 모두를 본 발명의 전극 장치를 사용하여 구현한 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있다. 도 5b에 도시한 전극 장치 또한 예시된 구조에 국한되지 않고, 도 2a 내지 도 2c, 도 3 및 도 4에 도시한 전극 장치가 동종 또는 이종끼리 다양하게 조합되어 제조될 수 있을 것이다.FIG. 5B shows a plasma generator in which both opposite electrodes are implemented using the electrode device of the present invention. The electrode device shown in FIG. 5B is also not limited to the illustrated structure, and the electrode devices shown in FIGS. 2A to 2C, 3 and 4 may be manufactured in the same or different combinations.
한편, 도 5a 및 도 5b에 도시한 플라즈마 발생 장치의 전원(80)으로는 직류, 펄스화된 직류, RF 또는 마이크로웨이브뿐 아니라 수 kHz~수십 kHz의 낮은 주파수대의 교류가 사용될 수 있다.On the other hand, as the power source 80 of the plasma generating apparatus shown in Figs. 5a and 5b, not only direct current, pulsed direct current, RF or microwave but also alternating frequency bands of several kHz to several tens of kHz can be used.
도 5c에는 공면방전(Coplanar discharge)형 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있는 바, 예시된 구조에 국한되지 않고, 도 2a 내지 도 2c, 도 3 및 도 4에 도시한 전극 장치가 동종 또는 이종끼리 다양하게 조합되어 제조될 수 있을 것이다.5C illustrates a coplanar discharge plasma generating apparatus, and is not limited to the illustrated structure, and the electrode apparatus illustrated in FIGS. 2A to 2C, 3, and 4 may be the same or different. May be prepared in combination.
마지막으로, 도 5d에는 표면방전(Surface discharge)형 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있는 바, 예시된 구조에 국한되지 않고, 도 4에 도시한 전극 장치도 사용될 수도 있을 것이다.Finally, a surface discharge plasma generating apparatus is shown in FIG. 5D, and the electrode apparatus shown in FIG. 4 may be used without being limited to the illustrated structure.
한편, 도 5a 내지 도 5d에 도시한 플라즈마 발생 장치의 구동전원(80)은 방전기체의 종류에 따라 수십V에서 수백V 범위의 전압과 수백㎂/㎠에서 수십㎃/㎠의 범위의 전류밀도를 갖는 것을 사용할 수가 있다. 높은 에너지의 플라즈마가 필요한 경우에는 수㎸에서 수십㎸의 전압을 인가할 수도 있다.Meanwhile, the driving power supply 80 of the plasma generating apparatus shown in FIGS. 5A to 5D has a voltage ranging from several tens of volts to several hundred volts and a current density ranging from several hundreds of kilowatts / cm 2 to several tens of kilowatts / cm 2 depending on the type of discharge gas. You can use what you have. If a high energy plasma is needed, a voltage of several kilowatts to several tens of kilowatts may be applied.
방전기체 압력은 수 Torr에서 상압까지 가능하며, 더욱이 방전기체의 흐름 속에서도 방전이 가능하다. 전극간의 거리는 방전기체의 압력과 응용 분야에 따라 다양하게 변화시킬 수 있는 바, 대략 수백㎛에서 수십㎝의 범위에서 정해질 수 있다. 그리고, 전극의 전체 두께 및 면적에는 제한이 없고, 유전체부의 특성상, 전류의 흐름이 제한되어 있으므로 외부 밸러스트(Ballast)를 사용하지 않아도 된다. 또한, 경우에 따라 전극 내부에 기체 유동장치(Gas Flow System)를 설치하여 나노 다공구조 사이로 기체를 유입시킬 수 있다. The discharge gas pressure can be from several torr to normal pressure, and moreover, the discharge gas can be discharged even in the flow of the discharge gas. The distance between the electrodes can be variously changed according to the pressure of the discharge gas and the application field, and may be determined in the range of about several hundred μm to several tens of centimeters. In addition, the total thickness and area of the electrode are not limited, and since the flow of current is limited due to the characteristics of the dielectric part, it is not necessary to use an external ballast. In addition, in some cases, a gas flow system may be installed inside the electrode to introduce gas into the nanoporous structure.
도 6은 본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 3극형 플라즈마 발생 장치의 일 실시예를 보인 표시도 이다. 도 6의 실시예 에서는 도 2c에 도시한 전극 장치가 사용되고 있는 바, 구동 조건은 도 5에 도시한 플라즈마 발생 장치와 거의 일치하며, 다만 게이트층으로 기능하는 이물질층(28)에 인가되는 전압(84)이 양극과 음극 사이에 인가된 전압(82)보다 작다. 한편, 구동원으로 교류전원을 사용하는 경우에는 스위치(86)를 단락시킨 후 게이트층에 직류 전압을 인가하거나 접지 시키면 된다.FIG. 6 is a display diagram showing an embodiment of a tripolar plasma generator using at least one electrode device having a nanoporous dielectric of the present invention. In the embodiment of FIG. 6, the electrode device shown in FIG. 2C is used, and the driving conditions are substantially the same as those of the plasma generating device shown in FIG. 5, except that the voltage applied to the foreign material layer 28 serving as the gate layer ( 84 is less than the voltage 82 applied between the anode and the cathode. On the other hand, in the case of using an AC power source as a drive source, the switch 86 may be shorted, and then a DC voltage may be applied or grounded to the gate layer.
한편, 도 4b에 도시한 전극 장치를 사용하여 도 6에 도시한 플라즈마 발생 장치를 제조할 수도 있는데, 이 경우에 금속 박막층(68)이 게이트층으로 기능하게 될 것이다.On the other hand, the plasma generating device shown in Fig. 6 may be manufactured using the electrode device shown in Fig. 4B, in which case the metal thin film layer 68 will function as a gate layer.
도 7은 유전체부를 다공성 양극 알루미나로 한 도 1 구조의 전극 장치를 사용하여 제조한 도 5a의 플라즈마 발생 장치('샘플a'라 한다)의 전기적 특성을 보인 그래프인 바, 유전체부(20)의 두께는 대략 17㎛, 면적은 2.5㎝ X 3㎝, 세공(26)의 직경(D)은 약 50㎚였다. 그리고, 그 상대 전극으로는 투명 전극인 ITO를 사용하였고, 두 전극간의 간격은 1㎜였으며, 방전기체로 네온을 사용하였고, 압력은 50 Torr였다.FIG. 7 is a graph showing electrical characteristics of the plasma generating apparatus (referred to as “sample a”) of FIG. 5A manufactured by using the electrode apparatus of FIG. 1 having the dielectric portion made of porous anode alumina. The thickness (D) of approximately 17 micrometers in thickness, 2.5 cm x 3 cm, and the pore 26 was about 50 nm. As the counter electrode, ITO, which is a transparent electrode, was used, the distance between the two electrodes was 1 mm, neon was used as the discharge gas, and the pressure was 50 Torr.
한편, 이와의 비교를 위해 알루미나 분말 재질로 이루어진 불균일 유전체부를 채택한 도 3의 전극 장치를 사용하여 샘플a와 동일한 구조의(단 두께는 20㎛) 플라즈마 발생 장치('샘플b'라 한다)를 제조한 후에 그 전기적 특성을 함께 측정하였다.On the other hand, for comparison, a plasma generating device (referred to as 'sample b') having the same structure as the sample a (with a thickness of 20 μm) was manufactured using the electrode device of FIG. The electrical properties were then measured together.
도 7에 보인 바와 같이, 2, 4, 6 kHz의 교류에서 측정된 I-V곡선 상에서 이들 사이에 나타난 가장 큰 차이는 구동전류로서, 동일한 구동전압이 인가된 경우에 샘플b가 샘플a보다 2~3배 이상 더 많은 전류를 소모하고 있음을 알 수 있었다. 이는 규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치가 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치보다 적은 누설 전류를 가지며 효과적으로 전류를 제한하고 있음을 나타낸다. 그리고, 동일한 구동 전압 하에서는 샘플a 및 샘플b모두에서 유사한 세기의 플라즈마 발광세기를 나타내는 바, 결과적으로 샘플a의 플라즈마 발생 효율이 샘플b보다 2~3배 더 높음을 알 수가 있다.As shown in FIG. 7, the largest difference shown between them on an IV curve measured at an alternating current of 2, 4, and 6 kHz is a driving current, and sample b is 2 to 3 than sample a when the same driving voltage is applied. It can be seen that more than twice as much current is being consumed. This indicates that an electrode device having a nanoporous structure in a regular arrangement has less leakage current and effectively limits current than an electrode device having a nanoporous structure in an irregular arrangement. Further, under the same driving voltage, the plasma emission intensity of the sample a and the sample b showed similar intensity, and as a result, the plasma generation efficiency of the sample a was 2 to 3 times higher than that of the sample b.
한편, 내구성을 비교해볼 때, 샘플b에서는 500-600V에서 절연파괴(breakdown) 현상이 일어난 반면에 샘플a에서는 1000V 이상의 전압에서도 절연파괴 현상이 일어나지 않았음은 물론이고 방전 중에서도 전극의 손상이 관찰되지 않았다. 샘플a와 샘플b 모두에서 거의 균일한 플라즈마가 형성되었으며, 상압에서도 구동이 가능하였다.On the other hand, when comparing the durability, the breakdown phenomenon occurred at 500-600V in sample b, while the breakdown phenomenon did not occur at a voltage of 1000V or higher in sample a, and the electrode was not observed during discharge. Did. Nearly uniform plasma was formed in both sample a and sample b, and it was possible to operate at normal pressure.
도 8은 도 5a의 플라즈마 발생 장치에 의해 발생된 매우 균일한 플라즈마를 보인 사진인 바, 이 실험예에서는 유전체부의 면적을 4㎝ X 4㎝로 제조하였다. 또한, 이 실험예에서 방전개시전압은 100 Torr 네온가스 분위기에서 약 130V(2kHz 교류)였으며, 유전체부의 전체 면적에서의 균일한 플라즈마 형성은 약 160V 이상에서 이루어졌다. 상압의 네온가스 분위기에서는 방전개시전압이 위의 예에서보다 약 30~60V 증가되었으며, 이때의 방전개시 전기장은 약 800~900V/㎝로 종래 장벽방전의 방전개시 전기장인 약 2~3kV/㎝보다 매우 낮음을 알 수 있다.FIG. 8 is a photograph showing a very uniform plasma generated by the plasma generating apparatus of FIG. 5A. In this experimental example, an area of a dielectric part was manufactured at 4 cm × 4 cm. In this experimental example, the discharge start voltage was about 130V (2kHz alternating current) in a 100 Torr neon gas atmosphere, and uniform plasma formation was performed at about 160V or more over the entire area of the dielectric part. In the atmospheric pressure neon gas atmosphere, the discharge start voltage was increased by about 30 ~ 60V than in the above example, and the discharge start electric field was about 800 ~ 900V / cm, which is more than about 2-3kV / cm which is the discharge start electric field of conventional barrier discharge. You can see that it is very low.
도 9a 및 도 9b는 각각 도 6에 도시한 플라즈마 발생 장치에서 외부의 구동 방법을 달리한 경우에 있어서의 플라즈마 발생 사진인 바, 유전체부로는 20㎛ 길이의 다공성 양극 알루미나를 사용하였으며, 그 상부의 게이트층은 50㎚ 길이의 알루미늄을 증착하여 형성하였다.9A and 9B are photographs of plasma generation when the external driving method is different in the plasma generating apparatus shown in FIG. 6, respectively, and a porous anode alumina having a length of 20 μm is used as the dielectric part. The gate layer was formed by depositing 50 nm long aluminum.
구체적으로 도 9a는 이물질층인 게이트층을 단락시킨 후 교류전원 하에서 발생된 플라즈마를 나타내고 있으며, 도 9b는 게이트층을 접지시킨 후 교류전원 또는 직류전원 하에서 발생된 플라즈마를 나타내고 있는 바, 게이트층이 증착된 부분에서 강한 플라즈마가 발생함을 보여주고 있다. 이것은 도 6의 플라즈마 발생 장치에서는 게이트층을 중심으로 강한 전기장이 형성됨을 의미한다. 특히, 구동전류는 도 9b의 경우가 도 9a의 경우에 비해 약 50~200% 정도 증가 하는데 반하여 이로부터 약 10~20배 정도 증가한 플라즈마 광세기가 관찰되어 플라즈마 효율이 크게 향상됨을 알 수 있다.Specifically, FIG. 9A illustrates a plasma generated under AC power after shorting the gate layer, which is a foreign material layer, and FIG. 9B illustrates a plasma generated under AC power or DC power after grounding the gate layer. It is shown that a strong plasma is generated in the deposited portion. This means that in the plasma generator of FIG. 6, a strong electric field is formed around the gate layer. In particular, it can be seen that the driving current is increased by about 50 to 200% compared to the case of FIG. 9A, whereas the plasma light intensity increased by about 10 to 20 times is observed, thereby greatly improving the plasma efficiency.
본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 플라즈마 전극 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.The plasma electrode device having the nanoporous structure dielectric of the present invention is not limited to the above-described embodiment and can be modified in various ways within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 플라즈마 전극 장치에 따르면 다음과 같은 구체적인 효과가 발휘된다.According to the plasma electrode device having the nano-porous structure of the present invention as described above, the following specific effects are exerted.
1) 저압 및 상압의 다양한 기체에서 안정적인 글로우 방전이 발생될 수 있다.1) Stable glow discharge can occur in various gases at low and normal pressures.
2) 유전체부의 형성시, 세공의 직경과 길이 및 분포, 세공의 봉합 여부, 장벽층의 길이를 조절하는 등으로 전자의 밀도와 에너지 및 전류의 흐름을 손쉽게 조절할 수 있고, 아크 방전으로의 전이를 방지할 수 있으며, 나아가 플라즈마 밀도도 조절할 수 있다.2) When forming the dielectric part, it is possible to easily control electron density, energy and current flow by adjusting the diameter and length and distribution of pores, sealing of pores, length of barrier layer, etc. It is possible to prevent and further control the plasma density.
3) 글로우 방전시 음극강하(Cathode Fall)를 최소화하고 또한 일정하게 유지시킬 수가 있기 때문에 안정된 전자 밀도에 의해 아크 방전으로의 전이를 방지할 수 있다.3) Since glow fall can be minimized and kept constant, the transition to arc discharge can be prevented by stable electron density.
4) 유전체부가 갖는 채널 형태의 나노 다공구조는 전자의 증폭(Avalanche like propagation)을 유발시킴으로써 전자의 밀도를 크게 증가시킬 수 있다. 4) The nanoporous structure in the form of a channel having a dielectric part can greatly increase electron density by causing avalanche like propagation.
5) 좁은 면적에 전하를 집중시켜 전기장을 크게 증가시킬 수 있으며, 구조를 변경하는 것에 의해 전기장을 쉽게 조절할 수가 있다.5) The electric field can be greatly increased by concentrating electric charges in a small area, and the electric field can be easily adjusted by changing the structure.
6) 나노 다공구조 내에 도체 및 반도체, 2차전자 방출물질등과 같은 이물질을 삽입함으로써, 전자방출 효율을 향상시킴과 아울러 전류의 흐름 조절로 아크 방전으로의 전이를 감소시킬 수 있고, 플라즈마 밀도도 조절할 수 있다.6) By inserting foreign materials such as conductors, semiconductors and secondary electron emission materials into the nanoporous structure, the electron emission efficiency can be improved and the flow to the arc discharge can be reduced by controlling the flow of current. I can regulate it.
7) 나노 다공구조 내에 높은 2차전자 방출효과를 나타내는 이물질을 삽입함으로써 2차전자의 생성을 촉진시킬 수 있다.7) It is possible to promote the generation of secondary electrons by inserting foreign substances showing high secondary electron emission effect in the nanoporous structure.
8) 나노 다공구조는 나노 크기로 균일하여 유전체 장벽 방전시 발생하는 필라멘트나 국부적인 마이크로 플라즈마의 생성를 억제할 수가 있는데, 이에 따라 아크방전으로의 전이가 제한됨으로써 균일한 플라즈마를 생성시킬 수가 있다.8) The nanoporous structure is nano-sized and uniform, thereby suppressing the generation of filaments or local microplasma generated during dielectric barrier discharge. Accordingly, the transition to arc discharge is restricted, thereby producing a uniform plasma.
9) 저압에서 상압에 이르는 넓은 범위의 기체압력 하에서의 동작 및 직류, 펄스화 직류, 교류, RF 또는 마이크로웨이브와 같이 다양한 종류의 구동 전원 하에서의 동작 및 다양한 부피의 플라즈마 형성 등 구동 조건이 광범위하기 때문에 다양한 분야에서 응용될 수가 있다.9) Because of the wide range of operating conditions such as operation under a wide range of gas pressures from low pressure to atmospheric pressure, operation under various kinds of driving power sources such as direct current, pulsed direct current, alternating current, RF or microwave and plasma formation of various volumes It can be applied in the field.
10) 벌크형의 유전체부에 비해 유전 특성 및 정전 용량이 넓은 범위에서 변화되기 때문에 구조의 변화를 통해 유전 특성 및 정전 용량을 원하는 대로 조절할 수가 있다.10) Dielectric properties and capacitances are changed in a wide range compared to the bulk dielectric parts, so that the dielectric properties and capacitances can be adjusted as desired by changing the structure.
11) 나노 다공구조의 유전체부 위에 도체 및 반도체, 2차전자 방출물질등과 같은 이물질층을 형성하는 경우에는 플라즈마 발생시 높은 전자 방출을 기대할 수 있으며, 이물질층으로 낮은 일함수(Work function)를 갖는 물질을 사용하게 되면 전자방출 효율을 더욱 높일 수 있다.11) In the case of forming foreign material layers such as conductors, semiconductors, and secondary electron emission materials on the dielectric part of the nanoporous structure, high electron emission can be expected during plasma generation, and have a low work function as the foreign material layer. The use of the material can further increase the electron emission efficiency.
12) 유전체부로 내열성, 내화학성 또는 내조사성(Radiation)을 갖는 물질을 사용함으로써 플라즈마 발생 장치의 수명을 연장할 수 있다.12) The life of the plasma generating apparatus can be extended by using a material having heat resistance, chemical resistance, or radiation resistance as the dielectric part.
13) pD규칙(Paschen의 법칙)의 제한에 의해 나노 채널안에서는 플라즈마가 형성되기 거의 불가능하여 플라즈마에 의한 나노 다공구조의 손상이 줄어들고, 이에 따라 장치의 수명이 연장될 수 있다.13) Due to the limitation of the pD rule (Paschen's law), it is almost impossible to form plasma in the nanochannel, thereby reducing the damage of the nanoporous structure by the plasma, thereby extending the life of the device.
14) 나노 다공구조내의 표면적 증가로 열 방출성이 커지고, 이에 따라 내부 발생열의 축적에 의한 효율 저하를 줄일 수가 있다.14) The heat dissipation is increased by increasing the surface area in the nanoporous structure, thereby reducing the efficiency decrease due to the accumulation of internal generated heat.
15) 도체전극부와 유전체부를 일체로 형성할 수 있기 때문에 이들 사이의 접합력이 향상되어 저항열의 발생량이 줄어들고, 내구성이 우수하여 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한 공정의 단순화로 대면적의 플라즈마 발생 장치의 제조가 가능하여 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.15) Since the conductor electrode portion and the dielectric portion can be integrally formed, the bonding force between them is improved, so that the amount of heat of resistance is reduced, and the durability can be maintained to maintain high efficiency. In addition, by simplifying the process, it is possible to manufacture a large-area plasma generating apparatus can greatly improve the economics.
도 1은 본 발명의 규칙적 배열 형태 중에서 기본적인 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 일부 발췌 사시도,1 is a partial perspective view according to an embodiment of the electrode device having a basic nanoporous structure in a regular arrangement of the present invention,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 다양한 실시예에 따른 단면도,2a to 2c are cross-sectional views according to various embodiments of the electrode device having a nanoporous structure of a regular arrangement of the present invention,
도 3은 본 발명의 규칙적 또는 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 단면도,Figure 3 is a cross-sectional view according to an embodiment of the electrode device having a nanoporous structure of regular or irregular arrangement of the present invention,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 불규칙적 배열 형태를 갖는 나노 다공구조를 갖는 플라즈마 전극 장치의 여러 실시예에 따른 단면도,4A and 4B are cross-sectional views according to various embodiments of a plasma electrode device having a nanoporous structure having an irregular arrangement of the present invention;
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 2극형 플라즈마 발생 장치의 다양한 실시예를 보인 구동 표시도,5A to 5D are driving display diagrams showing various embodiments of a bipolar plasma generator using at least one electrode device having a nanoporous structure of the present invention;
도 6은 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 3극형 플라즈마 발생 장치의 일 실시예를 보인 구동 표시도,6 is a drive display diagram showing an embodiment of a tripolar plasma generator using at least one electrode device having a nanoporous structure of the present invention;
도 7은 유전체부를 알루미나로 한 도 5a 구조의 플라즈마 발생 장치의 전기적 특성을 보인 그래프,7 is a graph showing the electrical characteristics of the plasma generator of FIG.
도 8은 도 5a 구조의 플라즈마 발생 장치에서 전극부에 균일하게 발생된 플라즈마를 보인 사진,8 is a photograph showing a plasma uniformly generated in the electrode unit in the plasma generating apparatus of FIG.
도 9a 및 도 9b는 각각 도 6에 도시한 플라즈마 발생 장치에서 외부의 구동 전원을 달리한 경우에 있어서의 플라즈마 발생 사진이다.9A and 9B are photographs of plasma generation when the external driving power sources are different in the plasma generator shown in Fig. 6, respectively.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***
10: 도체전극부, 20, 20', 60: 유전체부,10: conductor electrode portion, 20, 20 ', 60: dielectric portion,
22: 장벽층, 24, 24': 세공주변부,22: barrier layer, 24, 24 ': periphery,
26, 26', 66, 66': 나노 세공, 27, 28: 이물질층,26, 26 ', 66, 66': nanopores, 27, 28: foreign material layer,
50: 유전체부, 54: 세공주변부,50: dielectric portion, 54: periphery,
56: 나노 세공, 60': 나노다공구조 전극부,56: nano-pores, 60 ': nano-porous electrode portion,
67: 절연층, 68: 금속박막층,67: insulating layer, 68: metal thin film layer,
70:, 90: 일반 전극, 80, 82, 84: 구동 전원,70 :, 90: normal electrode, 80, 82, 84: driving power source,
86: 스위치86: switch
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