KR100584570B1

KR100584570B1 - 플라즈마 반응장치

Info

Publication number: KR100584570B1
Application number: KR1020060019449A
Authority: KR
Inventors: 차민석; 이대훈; 송영훈; 김관태; 이재옥
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2006-05-30

Abstract

본 발명은 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 관체를 통해 유입되는 원료의 진행방향이 상호 교차되도록 하여 원료 간의 혼합률을 높이고, 상기 원료에 반응로 내벽으로 뻗어나가려는 이동성을 향상시켜 플라즈마 반응효율을 높일 수 있으며, 또한, 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 배출 전 확장 및 체류되도록 하여 연속적인 플라즈마 반응을 구현할 수 있는 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.

플라즈마, 반응, 전극, 확장, 체류, 교차, 연속

Description

플라즈마 반응장치{Apparatus for Plasma Reaction}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타낸 종단면도,

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타낸 횡단면도,

도 3은 도 1에서 플라즈마 반응대가 확장되어 체류되는 모습을 보인 단면 예시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 반응로 11: 제1유입공간

12: 제2유입공간 15: 격벽

16: 홀 19: 유입홀

20: 원료유입관체 21: 제1유입관

23: 제2유입관 25: 배출구

30: 전극 40: 돌출부

41: 모서리 45: 첨단부

50: 플라즈마 반응장치

일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 등 세 가지로 나뉘는데, 상기 고체에 에너지를 가하면 액체가 되고, 이러한 액체에 다시 에너지를 가하면 기체가 되며, 이러한 기체에 보다 높은 에너지를 가하면 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태인 플라즈마가 발생되는데 자연상태에서는 번개, 오로라, 대기 속의 이온층 등으로 관찰되며, 일상 생활에서 볼 수 있는 인공적인 플라즈마 상태로는 형광등, 수은등, 네온사인 등이 있다.

이러한 플라즈마는 초고온에서 운동에너지가 큰 기체가 상호 충돌에 의해 원자나 분자로부터 음전하를 띈 전자로 분리된 것으로, 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하며, 전하의 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 거의 같은 밀도로 분포되어 전기적으로도 거의 중성인 상태이다.

상기와 같은 플라즈마는 아크와 같이 온도가 높은 고온 플라즈마와 전자의 에너지는 높지만 이온의 에너지가 낮아 실제로 느끼는 온도는 상온에 가까운 저온 플라즈마로 분류되는데, 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 생성한 다음 자기장 등을 이용해 이러한 상태를 유지하도록 하여 사용한다.

상기 플라즈마는 어떠한 압력조건에서 발생시키느냐에 따라 발생기술 및 활용처가 크게 달라지는데, 압력이 낮은 진공조건에서는 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 공정, 신소재 합성 공정에서는 플라즈마를 발생시켜 화학반응, 증착, 부식에 이용하고, 대기압 상태의 플라즈마는 환경에 유해한 가스를 처리하거나 새로운 물질을 만드는데 이용된다.

이와 같은 플라즈마를 이용하기 위한 플라즈마 반응장치는 빠른 시간 내에 반응을 시작할 수 있는 작동성과 높은 내구성 및 반응 효율성이 요구되며, 이에 플라즈마 반응시 전극 및 반응로의 형상, 반응을 위한 조건(예로서 전압, 첨가물) 등은 플라즈마 반응을 위한 결정적 인자로 작용하는 바, 상기 플라즈마 반응장치가 요구되는 성능에 부합되기 위해서는 바람직한 구성이 제시되어야 하며, 이와 더불어 반응조건이 최적화 제시된 플라즈마 반응방법의 기술이 제시되어야 할 것이다.

특히, 보다 효율적인 반응을 위해서는 반응로 내부로 유입되는 원료 간에 혼합이 용이해야 하며, 상기 원료가 국부적으로 체류됨 없이 반응로 내부에서 고른 분포로 이동되어야 한다.

또한, 연속적인 플라즈마 반응을 위해서는 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 체류 및 확장될 수 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유입되는 원료 간의 혼합률을 높이고, 상기 원료에 반응로 내벽으로 뻗어나가려는 이동성을 향상시켜 플라즈마 반응효율을 높일 수 있는 플라즈마 반응장치를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 배출 전 확장 및 체류되도록 하여 연속적인 플라즈마 반응을 구현할 수 있는 플라즈마 반응장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 플라즈마 반응장치에 있어서,원료유입관체를 통해 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급받고, 그 상단에는 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구가 형성되며, 길이방향으로 일정 구간은 원료의 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 확장될 수 있도록 그 내경이 상기 배출구 측으로 갈수록 증가되는 중공의 반응로와; 상기 반응로 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 발생시키기 위해 상기 반응로의 벽면과 이격되도록 상기 반응로의 저면을 통해 상기 반응로 상에 내입되는 전극과; 상기 플라즈마 반응대를 상기 배출구 측으로의 진행방향에 수직한 횡방향으로 유도하여 체류시키기 위해 상기 반응로의 내벽에 돌출형성되며 그 끝단에는 모서리가 형성된 돌출부;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 보다 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 더불어 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타낸 횡단면도이며, 도 3은 도 1에서 플라즈마 반응대가 확장되어 체류되는 모습을 보인 단면 예시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치(50)는 크게 반응로(10)와 전극(30)으로 구성된다.

상기 반응로(10)는 중공으로 이루어져 대략 원통의 형상을 취한다. 이러한 반응로(10)는 원료유입관체(20)를 통해 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급받고, 그 상단에는 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구(25)가 형성된다.

여기서, 상기 원료유입관체(20)는 다시, 제1유입관(21)과 제2유입관(23)으로 구성되는데, 상기 제1유입관(21)은 상기 반응로의 길이방향에 수직하도록 연통되며, 이때, 연통되는 지점은 후술될 전극(30)의 하부지점에 수평 대응됨이 바람직하다.

상기 제2유입관(23)은 상기 제1유입관(21)과 일정 각을 이루도록 상기 반응로(10)의 저면에 연통되며, 이때, 상기 제1 및 제2유입관(23)이 상호 이루는 각은 직각(90°)인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제1유입관(21) 및 제2유입관(23)이 반응로(10)와 연통된 구조 를 살펴보면 다음과 같다.

상기 반응로(10)의 벽체 상에는 상기 제1유입관(21)으로부터 유입되는 원료가 일시 저장되는 제1유입공간(11)이 형성되며, 다시, 상기 제1유입공간(11)으로부터 원료는 상기 반응로(10)의 내벽에 형성된 다수의 유입홀(19)을 통해 상기 반응로(10) 원주방향의 전구간으로 고르게 반응로(10)의 내부로 유입된다.

이에 더하여, 상기 유입홀(19)들은 상기 반응로(10) 내벽의 법선방향과 일정각을 유지하며 경사지게 즉, 스월(Swirl)구조를 갖도록 형성됨이 바람직한데, 이는 유입되는 원료가 상기 반응로(10)의 내부에서 회전류를 형성하며 진행될 수 있도록 하기 위함이다.

또한, 상기 반응로(10)의 저부에는 상기 제2유입관(23)으로부터 유입되는 원료가 일시 저장되는 제2유입공간(12)이 형성되며, 상기 제2유입공간(12)의 상측에 위치하도록 격벽(15)이 형성된다. 즉, 상기 격벽(15)은 상기 제2유입공간(12)과 반응로(10) 내부를 구획하는 것으로서, 원료의 출입을 위해 다수의 홀(16)이 형성된다. 이에 따르면, 상기 제2유입관(23)으로부터 유입되는 원료는 상기 제2유입공간(12)에 일시 머무르다가 상기 격벽(15)의 홀(16)을 통해 상기 반응로(10) 내부의 전면에 걸쳐 고르게 유입되는 것이 가능하다.

상기 전극(30)은 상기 반응로(10)의 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 발생시키기 위해 상기 반응로(10)의 저면을 통해 상기 반응로(10) 상에 내입되는 것으로서, 상기 반응로(10)의 벽면과는 일정 간격 이격된다.

상기 전극(30)의 형상에 있어서, 상기 전극(30)은 그 하부가 대략 원기둥의 형상을 취하며, 상부는 원추의 형상을 가져, 중앙부위의 폭이 상대적으로 확장된 형상을 갖는다. 따라서, 상기 전극(30)의 중앙부위에서는 반응로(10)의 내벽과 이루는 간격이 상기 전극(30)의 타 부위보다 협소하게 된다.

여기서, 전술한 제1유입관(21)이 반응로(10)에 연통된 지점은 상기 전극(30)의 중앙부위보다 하부지점에 연통되는 것이며, 이에 따라, 상기 제1유입관(21)을 통해 유입되는 원료는 반응로(10) 내부의 전극(30) 하부 지점에서 상기 반응로(10) 저면에 연통된 제2유입관(23)을 통해 유입되는 원료와 충분히 혼합되어 플라즈마 반응되는 것이 가능하다.

한편, 본 발명에 입각하여 전술한 반응로(10)의 보다 특징적 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따르면, 상기 반응로(10)의 길이방향으로 일정 구간은 그 내경이 상단에 형성된 배출구(25) 측으로 갈수록 증가되는데, 이는 원료의 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 확장될 수 있도록 하기 위함이다. 여기서, 상기 반응로(10)는 전 구간에서 그 내경이 증가되도록 형성될 수 있으나, 상기 반응로(10)의 플라즈마 반응대가 생성되는 구간, 즉, 전극(30)보다 상측에 위치한 구간에서 그 내경이 증가하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 반응로(10) 중 내경이 증가된 구간의 내벽에는 그 끝단에 모서리(41)가 형성된 돌출부(40)가 돌출형성되는데, 상기와 같은 돌출부(40)는 상기 반응로(10)의 내부에서 생성된 플라즈마 반응대를 잡아두는 역할을 하게 되고, 이에 의해 상기 플라즈마 반응대가 확장 및 체류되는 것이 가능하다.

여기서, 상기 돌출부(40)는 상기 플라즈마 반응대가 다수의 층을 이루며 확장될 수 있도록 상기 반응로(10)의 길이방향으로 상호 연속되는 형태로 다수 형성되는 것이 바람직하다. 이에 더하여, 상기 돌출부(40)는 모서리를 중심으로 양면이 이루는 내각이 90°인 것이 바람직하다.

아울러, 각각의 돌출부(40)에는 상기 반응로(10)의 내부에서 모서리(41)보다 돌출되도록 링 형상의 첨단부(45)가 형성되는데, 이에 따르면, 상기 돌출부(40)의 끝단이 더욱 날카롭게 형성되어 플라즈마 반응대를 더욱 체류(잡아두는 효과가 증가됨에 따라)시키는 것이 가능하다.

이하, 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치의 작용 및 원리를 설명한다.

먼저, 원료유입관체(20)를 통해 플라즈마 반응 대상인 원료가 유입된다. 이때, 원료는 대기오염을 일으키는 가스, 또한, 환경오염물질, 개질반응을 위한 화학적 원료가 해당된다. 상기와 같은 원료 유입시, 유입되는 원료(2이상의 종류일 경우)는 플라즈마 반응 전에 상호 혼합되는데, 이때, 전극(30)의 하부 지점에서 충분히 혼합된다. 또한, 상기 유입되는 원료 중 제1유입관(21)을 통해 유입되는 원료는 상기 반응로(10) 길이방향에 수직하도록 유입되고, 제2유입관(23)을 통해 유입되는 원료는 상기 반응로(10)의 길이방향에 평행하도록 유입됨으로써, 유입되는 원료는 유량의 증가와 함께, 유동성이 향상되고 이에 따라, 상기 반응로(10)의 내부에서 상향 또는 횡방향으로 뻗어나가게 되며, 이는 상기 원료가 상기 반응로(10) 내부에서 특정부위에 국부적으로 체류되는 것을 방지한다. 이에 더하여, 유입되는 원료는 전극(30)의 상부 측에 형성된 플라즈마 반응대를 밀어주는 역할을 하게 되어, 결국, 상기 플라즈마 반응대가 반응로(10)의 길이방향으로 연장될 수 있도록 한다.

또한, 상기 제1유입관(21)은 상기 반응로(10)에 스월구조로 연통되는데, 이에 따르면, 유입되는 원료는 회전류를 발생시키며 진행하게 된다. 이때, 회전 진행되는 원료는 평편상 상기 전극(30)의 원주방향을 따라 연속적으로 진행함에 따라, 동 체적 대비 보다 높은 플라즈마 반응 영역 및 구간이 제공된다.

한편, 원료의 플라즈마 반응에 따라 생성된 플라즈마 반응대는 배출구(25)를 통해 바로 배출되려 하기 보다는 상기 반응로(10)의 내경이 증가된 구간에서 확장되어 체류되는데, 이에 따라, 선 생성된 플라즈마 반응대에 의해 후속 공급되는 원료가 계속적으로 플라즈마 반응되는 것이 가능하여, 결국, 연속적인 플라즈마 반응이 가능하게 된다.

즉, 상기한 바에 의하면, 공급되는 원료는 새롭게 생성되는 플라즈마 반응대에 의해 플라즈마 반응되는 것이 아니라, 이미 생성된 플라즈마 반응대에 의해 플라즈마 반응되며, 이에 따라, 원료의 플라즈마 반응을 위해 매번 플라즈마 반응대를 생성킴에 따른 플라즈마 반응 상의 손실을 방지할 수 있다.

아울러, 상기 반응로(10)의 내벽에 형성된 돌출부(40)와 상기 돌출부(40)에 형성된 첨단부(45)는 플라즈마 반응대의 끝단이 점착되도록 하는데, 이는 상기 플라즈마 반응대를 횡방향으로 더욱 유도하고 확장된 플라즈마 반응대를 잡아두는 역할을 하게 되어 플라즈마 반응의 연속성을 더욱 배가시키게 된다.

이때, 상기 플라즈마 반응대가 상기 반응로(10)의 길이방향으로 확장(제2유 입관으로 유입되는 원료가 플라즈마 반응대를 상측으로 가압함에 의해)되더라도 상기 반응로(10)의 상부 측에서 정체 및 체류되는 작용효과는 유지되는데, 이는 전술한 바 있는 돌출부(40) 및 첨단부(45)가 상기 반응로(10)의 길이방향으로 다단 형성된 것에 기인한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 서로 다른 관체를 통해 유입되는 원료의 진행방향이 상호 교차되도록 하여 원료 간의 혼합률을 높이고, 상기 원료에 반응로 내벽으로 뻗어나가려는 이동성을 향상시켜 플라즈마 반응효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 배출 전 확장 및 체류되도록 하여 연속적인 플라즈마 반응을 구현할 수 있는 효과가 있다.

이와 같은 일련의 효과들을 통해 본 발명은 원료의 신뢰성 있는 개질 반응을 가능케 함은 물론, 환경오염물질을 효과적으로 처리하도록 하여 환경을 이롭게 하는 매우 유익한 발명이다.

Claims

플라즈마 반응장치에 있어서,

원료유입관체(20)를 통해 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급받고, 그 상단에는 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구(25)가 형성되며, 길이방향으로 일정 구간은 원료의 플라즈마 반응시 생성되는 플라즈마 반응대가 확장될 수 있도록 그 내경이 상기 배출구(25) 측으로 갈수록 증가되는 중공의 반응로(10)와;

상기 반응로(10) 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 발생시키기 위해 상기 반응로(10)의 벽면과 이격되도록 상기 반응로(10)의 저면을 통해 상기 반응로(10) 상에 내입되는 전극(30)과;

상기 플라즈마 반응대를 상기 배출구(25) 측으로의 진행방향에 수직한 횡방향으로 유도하여 체류시키기 위해 상기 반응로(10)의 내벽에 돌출형성되며 그 끝단에는 모서리(41)가 형성된 돌출부(40);

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반응로(10)는 상기 전극(30)보다 상측에 위치한 구간에서 그 내경이 증가하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 1 항에 있어서,

상기 원료유입관체(20)는 상기 반응로(10)의 길이방향에 수직하도록 연통되는 제1유입관(21)과;

상기 제1유입관(21)과 일정 각을 이루도록 상기 반응로(10)의 저면에 연통되는 제2유입관(23);

을 포함하여 구성되어 상기 제1유입관(21) 및 제2유입관(23)을 통해 유입되는 원료가 상호 혼합되어 상기 전극(30) 측을 향하여 상향 진행되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 3 항에 있어서,

상기 제1유입관(21)과 제2유입관(23)이 이루는 각은 90°인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,

상기 반응로(10)의 내벽에는 상기 제1유입관(21)과의 연통을 위한 유입홀(19)이 다수 형성되며, 상기 유입홀(19)들은 상기 반응로(10)의 내부로 유입되는 원료가 회전류를 형성하며 진행될 수 있도록 상기 반응로(10) 내벽의 법선방향과 일정각을 유지하며 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부(40)는 상기 모서리(41)를 중심으로 양면이 이루는 내각이 90°인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부(40)는 상기 반응로(10)의 길이방향으로 상호 연속되도록 다수 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
제 1 항에 있어서,

상기 돌출부(40)에는 그 끝단이 더욱 날카롭게 이루어지도록 링 형상의 첨단부(45)가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.