KR100572858B1 - Atmospheric pressure bulk plasma generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방전간극을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스가 외부로 누설되지 않고 전량 대면적의 글로우플라즈마 형성에 이용되기 때문에, 에너지 효율이 높고, 피처리물의 처리속도가 향상되도록 된 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치에 관한 것이다. In the present invention, since the gas activated in a high energy state while passing through the discharge gap is used to form a glow plasma with a large amount of large area without leakage to the outside, a large atmospheric pressure area with high energy efficiency and improved processing speed of the workpiece. It relates to a glow plasma generator.
본 발명에 따르면, 고주파의 전원(25)을 공급하여 대기압 상태에서 글로우플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서, 한 쌍의 부재로 이루어지며 일측 부재는 접지되고 타측 부재는 고주파 전원(25)에 연결되는 접지극(10) 및 전원극(20)과, 이 접지극(10)과 전원극(20) 사이에 설치되는 유전체(31)와, 이 유전체(31)와 소정간격 이격되도록 상기 접지극(10) 또는 전원극(20)의 중앙부에 오목하게 형성되어 밀폐된 통로를 형성하는 피처리물 이송경로(19)와, 이 피처리물 이송경로(19)의 적어도 일측에 피처리물 이송경로(19)에 비해 협소한 간격으로 상기 유전체(31)와 이격 형성된 방전간극(17)과, 이 방전간극(17)에 연통되도록 형성된 가스유입경로(11)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치가 제공된다. According to the present invention, in the apparatus for generating a glow plasma at atmospheric pressure by supplying a high-frequency power source 25, it is composed of a pair of members, one side member is grounded and the other member is a ground electrode connected to the high frequency power source 25 10 and the power source electrode 20, the dielectric material 31 provided between the ground electrode 10 and the power source electrode 20, and the ground electrode 10 or the power source electrode so as to be spaced apart from the dielectric material 31 by a predetermined distance. The workpiece transfer path 19 which is concave in the center portion of the workpiece 20 to form a closed passage, and at least one side of the workpiece transfer path 19 is narrower than the workpiece transfer path 19. A large atmospheric pressure plasma generating device comprising a discharge gap 17 formed at a distance from the dielectric 31 and a gas inflow path 11 formed to communicate with the discharge gap 17. Is provided.
Description
도 1은 종래의 대기압 플라즈마 발생장치의 구성도1 is a block diagram of a conventional atmospheric plasma generator
도 2는 본 발명의 일실시예를 보인 분해 사시도 Figure 2 is an exploded perspective view showing an embodiment of the present invention
도 3은 본 발명의 일실시예의 단면도Figure 3 is a cross-sectional view of one embodiment of the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
10 : 접지극 11 : 가스유입경로10: ground electrode 11: gas inlet path
15 : 함몰부 17 : 방전간극15: depression 17: discharge gap
19 : 피처리물 이송경로 20 : 전원극19: transfer path of the workpiece 20: power pole
25 : 전원25: power
본 발명은 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방전간극을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스가 외부로 누설되지 않고 전량 대면적의 글로우플라즈마 형성에 이용되기 때문에, 에너지 효율이 높고, 피처리물의 처리속도가 향상되도록 된 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치에 관한 것이다. The present invention relates to an atmospheric pressure large area glow plasma generating apparatus, and more particularly, because the gas activated in a high energy state while passing through the discharge gap is used to form a large-area glow plasma without leakage to the outside, The high pressure, large-area glow plasma generator is to improve the processing speed of the workpiece.
일반적으로, 대기압에서 저온 플라즈마를 안정적으로 발생시키는 기술은 각종 소재의 표면처리나, 세정작업, 독성물질의 제거, 살균 등 첨단재료나, 전자, 환경에 이르기까지 그 응용분야가 매우 광범위하다. In general, the technology for stably generating low-temperature plasma at atmospheric pressure has a wide range of applications ranging from surface treatment of various materials, cleaning operations, removal of toxic substances, and sterilization to advanced materials, electronics, and the environment.
이러한 대기압 플라즈마는 인가하는 주파수에 따라 크게 100㎑ 이하의 저주파 방식과, 100㎑ ~ 2㎒의 중주파 방식과, 2㎒ ~ 60㎒의 고주파 방식으로 대별된다. 이중에서, 상기 저주파 방식이나 중주파 방식은 대면적에서 쉽게 플라즈마를 발생시킬 수는 있으나, 고전압에 의한 안전성 문제나, 저전류에 의한 피처리물의 처리효율 감소, 오존의 발생, 안정된 글로우플라즈마 발생의 어려움, 대량의 비활성 가스공급의 필요성 등 여러 가지 문제점이 있다.The atmospheric plasma is roughly classified into a low frequency method of 100 kHz or less, a medium frequency method of 100 kHz to 2 MHz, and a high frequency method of 2 MHz to 60 MHz according to the applied frequency. Among them, the low frequency or the medium frequency method can easily generate plasma in a large area, but it is difficult due to safety problems due to high voltage, reduction of treatment efficiency due to low current, generation of ozone, and stable glow plasma. There are several problems, such as the need for a large amount of inert gas supply.
이에 반해, 고주파 방식은 낮은 전압에서 플라즈마를 유지하므로, 전류가 저주파방식에 비해 10~100배까지 흐르게 되어 플라즈마 밀도가 매우 높아서 표면처리 및 세정효과 등이 향상된다. On the other hand, since the high frequency method maintains the plasma at a low voltage, the current flows up to 10 to 100 times compared to the low frequency method, and the plasma density is very high, thereby improving the surface treatment and cleaning effect.
이러한 고주파 방식의 대기압 플라즈마 발생장치 중 그 대표적인 예가 도 1에 도시되어 있다. 이 대기압 플라즈마 발생장치는 소정간격 이격 설치되는 한 쌍의 부재로 이루어지며 일측 부재는 접지되고 타측 부재는 고주파 전원(25)에 연결되는 접지극(10) 및 전원극(20)과, 이 전원극(20) 및 접지극(10)의 내측면에 각각 설치되는 한 쌍의 유전체막(35)과, 이 유전체막(35) 사이에 설치되어 전원극(20)과 접지극(10) 사이에 하측으로 개구되는 방전간극(31)이 형성되도록 하는 중간 유전체(30)와, 상기 접지극(10) 내부에 형성되는 가스유입경로(11)와, 상기 가스유입경로(11)와 방전간극(31)을 연통시켜서 유입되는 가스를 방전간극(31)으로 고르게 공급되도록 하는 다수개의 가스방출용 오리피스(13)로 이루어진다. A representative example of such a high-frequency atmospheric plasma generator is shown in FIG. 1. The atmospheric pressure plasma generator is composed of a pair of members which are spaced apart by a predetermined interval, the
따라서, 이러한 대기압 플라즈마 발생장치는 전원극(20)에 고주파 전원(25)을 인가하면, 전원극(20)과 접지극(10) 사이의 방전간극(31)에 전기장이 형성되고, 가스유입경로(11)를 통해 방전간극(31)으로 유입되는 가스가 전기장에 의해 해리되면서 고에너지 상태로 활성화되어 플라즈마를 발생시키게 된다. Therefore, in the atmospheric plasma generator, when the high
그러나, 이와 같이 고에너지 상태로 활성화된 가스는 피처리물(40)과 전원극(20) 사이 또는 피처리물(40)과 접지극(10) 사이로 분산되어 흐르기 때문에, 피처리물(40)과 전원극(20) 사이로 흐르는 가스는 전원극(20)으로부터 에너지를 공급받아서 지속적인 글로우플라즈마를 유지하게 되나, 피처리물(40)과 접지극(10) 사이로 흐르는 가스는 에너지 공급이 차단되므로 플라즈마를 유지하지 못하게 되어서, 결과적으로 활성화된 가스를 피처리물 처리작업에 이용하지 못하는 문제점이 있다. However, the gas activated in the high energy state is distributed between the
따라서, 종래의 대기압 플라즈마 발생장치는 방전간극(31)을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스를 제대로 활용하지 못함에 따라, 에너지의 손실량이 증가되고, 활성화된 가스의 일부만을 이용하여 피처리물을 처리하는 글로우플라즈마를 형성하기 때문에, 넓은 면적의 글로우 플라즈마를 형성하지 못하는 문제점이 있다. Therefore, the conventional atmospheric plasma generator does not properly utilize the gas activated in a high energy state while passing through the
또한, 상기 대기압 플라즈마 발생장치는 전원극(20)과 접지극(10)이 중간 유전체(30)를 중심으로 그 좌우측으로 설치됨에 반해, 피처리물(40)은 이러한 전원극(20)과 접지극(10)의 하측 공간부를 통과하면서 처리되기 때문에, 이송되는 피처리물(40)이 접지된 상태를 유지하면서 이송되어야만 전원극(20)과 피처리물(40) 사이에 고주파 전원(25)에 의한 플라즈마가 안정적으로 유지되어 목적하는 작업이 이루어지게 된다. In addition, the atmospheric pressure plasma generator has a
따라서, 피처리물(40)이 이송도중 접지판으로부터 들려지는 등의 이유로 접지상태로부터 해제되면, 처리작업이 안정적으로 이루어지기 어려운 등의 문제점이 있다.Therefore, when the
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 방전간극을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스가 외부로 누설되지 않고 전량 대면적의 글로우플라즈마 형성에 이용되기 때문에, 에너지 효율이 높고, 피처리 물의 처리속도가 향상되도록 된 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is that the energy which is activated in a high energy state while passing through the discharge gap is used to form a large-area glow plasma without leaking to the outside, resulting in energy efficiency. It is to provide an atmospheric pressure large-area glow plasma generating device that is high, and the processing speed of the water to be treated is improved.
본 발명에 따르면, 고주파의 전원(25)을 공급하여 대기압 상태에서 글로우플라즈마를 발생시키는 장치에 있어서, 한 쌍의 부재로 이루어지며 일측 부재는 접지되고 타측 부재는 고주파 전원(25)에 연결되는 접지극(10) 및 전원극(20)과, 이 접지극(10)과 전원극(20) 사이에 설치되는 유전체(31)와, 이 유전체(31)와 소정간격 이격되도록 상기 접지극(10) 또는 전원극(20)의 중앙부에 오목하게 형성되어 밀폐된 통로를 형성하는 피처리물 이송경로(19)와, 이 피처리물 이송경로(19)의 적어도 일측에 피처리물 이송경로(19)에 비해 좁은 간격으로 상기 유전체(31)와 이격 형성된 방전간극(17)과, 이 방전간극(17)에 연통되도록 형성된 가스유입경로(11)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치가 제공된다. According to the present invention, in the apparatus for generating a glow plasma at atmospheric pressure by supplying a high-
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 가스유입경로(11)와 방전간극(17) 사이의 연통부에는 방전간극(17)에 비해 넓은 간격으로 상기 유전체(31)와 이격 형성된 함몰부(15)가 형성되고, 이 함몰부(15)에는 착탈가능하게 삽입되어 이 함몰부(15)를 부분적으로 밀폐하는 실링바아(16)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 대기압 대면적 글로우플라즈마 발생장치가 제공된다.According to another feature of the present invention, the communication portion between the
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 일실시예를 보인 분해 사시도와 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 플라즈마 발생장치는 전원극(20)과 접지극(10) 사이로 밀폐된 피처리물 이송경로(19)가 형성되고, 이 피처리물 이송경로(19)의 적어도 일측에는 방전간극(17)이 형성되어서, 이 방전간극(17)을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스가 외부로 누설됨이 없이 전량 전원극(20)과 접지극(10) 사이의 피처리물 이송경로(19)로 공급되어서 대면적의 글로우플라즈마를 형성하도록 하므로써, 피처리물을 보다 안정적이고 신속하게 처리함은 물론, 에너지 효율을 높일 수 있도록 한 것이다. 2 and 3 are exploded perspective and sectional views showing an embodiment of the present invention, respectively. Referring to this, the plasma generating apparatus has a
상기 접지극(10)은 알루미늄합금이나 스테인레스 스틸 등의 금속 블록으로서, 그 상면 중앙부에는 전후로 관통되도록 오목하게 평면 가공된 피처리물 이송경로(19)가 형성된다. 또한, 상기 피처리물 이송경로(19)의 양측에는 내부의 가스유입경로(11)와 연통되는 한 쌍의 함몰부(15)가 형성되며, 이 함몰부(15)와 피처리물 이송경로(19) 사이에는 유전체(31)와 소정 갭 이격되도록 평면 가공된 방전간극(17)이 연통 형성된다. 이때, 상기 함몰부(15)와 방전간극(17)은 접지극(10)의 전후단 인접부위까지만 연장 형성되어서 공급되는 가스가 접지극(10)의 전후방으로 유출되지 않고 피처리물 이송경로(19)로만 공급될 수 있도록 한다. The
또한, 상기 방전간극(17)은 접지극(10)의 외곽부 표면보다 1~20㎜ 낮게 평면 가공되어 이 간격으로 유전체(31)와 이격되도록 하며, 상기 피처리물 이송경로(19) 는 방전간극(17)에 비해 상대적으로 더 낮게 평면 가공되어서 피처리물은 원활하게 통과되되 방전간극(17)에서 발생된 플라즈마가 안정적으로 유지될 수 있도록 적절한 깊이로 평면 가공된다. 이때, 상기 방전간극(17)을 1~20㎜의 좁은 갭으로 형성한 이유는 플라즈마의 초기 점화를 원활하게 하기 위함이다. In addition, the
또한, 상기 방전간극(17)은 피처리물 이송경로(19)를 향한 폭이 0.1㎜~50㎜로 형성됨이 안정된 글로우플라즈마를 유지할 수 있어서 바람직하며, 0.1㎜보다 작을 경우에는 플라즈마의 초기점화가 어렵고, 50㎜이상일 경우에는 이 방전간극(17)에서 소모되는 전력 소모량이 커져서 피처리물 이송경로(19)에서 글로우플라즈마를 유지하기가 어려운 문제점이 있다. In addition, the
또한, 상기 가스유입경로(11)는 접지극(10)의 양측 내부에 함몰부(15)와 연통되도록 형성되되, 함몰부(15)와 연통되는 부분에는 다수개의 오리피스(13)가 형성되어 가스가 이 오리피스(13)를 통해 함몰부(15) 전체구간에 고르게 공급될 수 있도록 구성된다. 이때, 상기 가스유입경로(11)로는 아르곤 또는 헬륨 가스만을 공급하거나, 이들 가스에 미량의 산소 또는 질소를 혼합한 가스를 공급하여 활성라디칼의 양을 극대화시키게 된다. 또, 상기 가스유입경로(11)와 연결되는 도면에 도시되지 않은 가스공급로에는 가스를 예열하여 공급하기 위한 히터가 장착되기도 한다. In addition, the
그 외에도, 상기 접지극(10)의 둘레부 상면에는 사각의 테두리프레임(18)이 고정 설치되어서, 이 테두리프레임(18)의 내측에 전원극(20)이 삽입 설치될 수 있도록 구성된다. In addition, a
상기 전원극(20)은 고주파 전원(25)이 접속되는 알루미늄합금이나 스테인레스 스틸 등의 금속 블록으로서, 테두리프레임(18) 내측으로 삽입 설치되며, 그 저면에는 유전체(31)가 개재되어 접지극(10) 상면에 밀착 설치되어 밀폐된 피처리물 이송경로(19)가 형성된다. 이때, 상기 테두리프레임(18)과 전원극(20) 사이에는 절연재(12)가 개재된다. 이때, 전원극(20)으로 공급되는 고주파 전원(25)으로는 2㎒ ~ 60㎒의 주파수를 갖는 전원(25)이 이용되며, 바람직하기로는 13.56㎒ 대역의 고주파 전원(25)이 사용된다. The
상기 유전체(31)는 접지극(10)과 전원극(20) 사이에 설치되어 전원(25) 인가시 아크가 발생되지 않고, 글로우플라즈마가 형성되도록 하기 위한 것으로, 통상 알루미나, 석영 등을 사용하며, 가스의 증대를 위하여 산화마그네슘 박막을 1~20㎜코팅하여 사용한다.The dielectric 31 is installed between the
상기 실링바아(16)는 접지극(10)의 함몰부(15)에 착탈가능하게 삽입되어 함몰부(15)를 부분적으로 밀폐하여 공급되는 가스의 공급량과 공급위치를 조절하는 것으로, 가스를 소량으로 공급하면서 피처리물을 처리할 경우에도 이 가스의 밀도를 일정하게 유지하기 위한 것이다. The
이상의 구성에 의한 본 발명의 작용예에 대해 설명하면 다음과 같다. Referring to the working example of the present invention by the above configuration is as follows.
상기 플라즈마 발생장치는 전원극(20)과 접지극(10) 사이에 밀폐된 피처리물 이송경로(19)가 형성되고, 이 피처리물 이송경로(19)의 양측에는 방전간극(17)이 형성되어서, 이 방전간극(17)을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스가 외부로 누설됨이 없이 전량 전원극(20)과 접지극(10) 사이의 피처리물 이송경로(19)로 공급되도록 하여 대면적의 글로우플라즈마를 보다 안정적으로 유지되도록 하여 피처리물의 처리속도를 높일 수 있음은 물론, 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 것이다. In the plasma generating apparatus, a
이때, 상기 피처리물 이송경로(19)의 글로우 플라즈마가 외부가스와의 매칭상태의 불안정 등으로 혹시 꺼지게 되더라도 방전간극(17)으로부터 발생된 플라즈마에 의해 자동적으로 글로우 플라즈마가 다시 켜지게 되어 안정적인 글로우플라즈마를 형성하게 된다. At this time, even if the glow plasma of the
또한, 상기 플라즈마 발생장치는 피처리물이 전원극(20)과 접지극(10) 사이로 통과되면서 처리되기 때문에, 다양한 소재의 피처리물을 별도로 접지시키지 않더라도 전원극(20)과 접지극(10) 사이에서 발생되는 글로우플라즈마에 자동으로 노출되어서 표면처리나, 세정, 살균 작업 등이 안정적으로 균일하게 이루어지게 된다.In addition, since the plasma generating apparatus is processed while the workpiece is passed between the
이상에서와 같은 본 발명에 의하면, 방전간극(17)을 통과하면서 높은 에너지 상태로 활성화된 가스가 외부로 누설됨이 없이 전원극(20)과 접지극(10) 사이의 밀폐된 피처리물 이송경로(19)로 공급되어 대면적의 글로우플라즈마를 보다 안정적으로 유지되도록 하므로써, 피처리물의 처리속도를 높일 수 있음은 물론, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. According to the present invention as described above, the closed workpiece transfer path between the
또한, 피처리물이 직접 전원극(20)과 접지극(10) 사이로 통과되면서 처리되기 때문에, 별도로 접지시키지 않더라도 글로우플라즈마에 자동으로 노출되어서 안정적이고 균일한 처리작업이 이루어지게 되는 장점이 있다.In addition, since the object to be processed is directly processed between the
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2004
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