KR100586880B1 - 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원료가 스월구조의 유입홀로 유입되도록 하여 유입되는 원료가 회전류를 형성면서 진행하게 되고, 이에 따라 상기 원료가 제한된 체적의 플라즈마 반응공간에서도 충분히 반응됨과 동시에 보다 빠른 고온 플라즈마 반응을 이룰 수 있으며, 또한, 반응로의 상부의 폭이 확장되어 형성된 광역챔버를 통해 플라즈마 반응대가 배출전 확장되도록 하고, 확장단에 전극과 일정 이격된 모서리가 형성되도록 하여 형성된 플라즈마가 팽창 및 정체됨에 따라 플라즈마 반응대의 불연속성을 배제시킬 수 있는 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법에 관한 것이다.

플라즈마, 스월, 원추, 전극, 방전, 확장

Description

플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법{Apparatus for Plasma Reaction and Method of Plasma Reaction using it}

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치를 나타낸 종단면도,

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치에 의해 플라즈마 반응대가 확장된 모습을 나타낸 종단면도,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치에서 반응로에 원료유입관이 연통된 구조를 나타낸 횡단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 반응로 11: 배출구

13: 원료유입챔버 15: 반응챔버

17: 광역챔버 19: 모서리

20: 원료유입관 21: 유입홀

25: 보조원료유입관 30: 전극

50: 플라즈마 반응장치

본 발명은 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원료가 스월구조의 유입홀로 유입되도록 하여 유입되는 원료가 회전류를 형성면서 진행하게 되고, 이에 따라 상기 원료가 제한된 체적의 플라즈마 반응공간에서도 충분히 반응됨과 동시에 보다 빠른 고온 플라즈마 반응을 이룰 수 있으며, 또한, 반응로의 상부의 폭이 확장되어 형성된 광역챔버를 통해 플라즈마 반응대가 배출전 확장되도록 하고, 확장단에 전극과 일정 이격된 모서리가 형성되도록 하여 형성된 플라즈마가 팽창 및 정체됨에 따라 플라즈마 반응대의 불연속성을 배제시킬 수 있는 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법에 관한 것이다.

일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 등 세가지로 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 유지 하도록 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.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 원료가 제한된 체적의 플라즈마 반응공간에서도 충분히 반응됨과 동시에 보다 빠른 고온 플라즈마 반응을 이룰 수 있는 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플 라즈마 반응방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 플라즈마 반응대가 배출전 확장되게 하여 일시 정체시키고 이에 따라 플라즈마 반응대의 불연속성을 배제시킬 수 있는 플라즈마 반응장치 및 이를 이용한 플라즈마 반응방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은 상단에 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구가 형성된 중공의 반응로와; 상기 반응로의 내부로 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급하기 위해 상기 반응로의 하부에 연통되며, 상기 반응로의 내부에 위치한 입구가 상기 반응로 외주면의 법선방향과 일정 각도를 이루도록 경사지게 형성되어 공급되는 원료가 상기 반응로의 내부에서 회전류를 형성하며 진행되도록 하는 원료유입관과; 상기 반응로의 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 생성시키기 위해 상기 반응로의 저면으로 내입되며, 상기 반응로의 내벽과는 일정간격 이격되는 전극; 을 포함하여 구성되며, 상기 반응로는 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응시 플라즈마 반응대를 확장시켜 일시 정체시키기 위한 광역챔버가 형성되도록 상기 전극 보다 상측에 위치한 구간의 폭이 확장됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 플라즈마 반응방법에 있어서, 상단에 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구가 형성된 중공의 반응로에 원료유입관을 연통시켜 상기 반응로의 내부로 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급시키되, 상기 원료유입관은 상기 반응로의 내부에 위치한 입구가 상기 반응로 외주면의 법선방향과 일정 각도를 이루도록 경사지게 형성되어 공급되는 원료가 상기 반응로의 내부에서 회전류를 형성하며 진행되도록 하고, 상기 반응로의 저면으로는 상기 반응로의 내벽과 일정간격 이격되는 전극이 내입되어 공급되는 원료가 상기 반응로의 내벽과 전극 사이의 방전전압에 의해 플라즈마 반응되도록 하며, 상기 반응로의 상기 전극 보다 상측에 위치한 구간의 폭은 확장시켜 상기 반응로의 내부에 광역챔버가 형성되도록 하여, 상기 반응로의 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응시 상기 광역챔버에서 플라즈마 반응대가 확장되어 일시 정체되도록 하는 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 도면에 의거하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치에 의해 플라즈마 반응대가 확장된 모습을 나타낸 종단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치에서 반응로에 원료유입관이 연통된 구조를 나타낸 횡단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 반응장치(50)는 반응로(10), 전극(30), 원료유입관(20)을 포함한다.

상기 반응로(10)는 내부에 플라즈마 반응을 위한 공간이 형성되도록 중공으로 이루어져 있으며, 구체적인 구조 및 형상은 후술하기로 한다.

상기 전극(30)은 상기 반응로(10) 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 생성시키기 위해 상기 반응로(10)의 내벽과 일정간격 이격되는 형태 로 상기 반응로(10)의 저면으로 내입되는 것으로서, 그 형상에 있어서 다음과 같은 특징을 갖는다.

상기 전극(30)은 상부가 원추의 형상을 취하며 그 하부가 원기둥 형으로 연장된 형상을 갖는다. 이에 따라 상기 전극(30)은 대략 중앙 부위의 폭이 타 부위보다 상대적으로 확장된다. 여기서, 상기 전극(30)의 원기둥 형으로 연장 형성된 하부는 상기 전극(30)의 상부 보다 그 폭이 상대적으로 협소되며, 상기 전극(30)에서 원추의 꼭지점과, 상기 원추와 원기둥의 연결된 부위는 둥글게 만곡된다.

상기와 같은 전극(30)의 특징적 형상에 따르면, 상기 반응로(10) 내부의 전극(30)이 위치된 구간에는 후술될 원료유입관(20)이 연통되는 원료유입챔버(13)와 상기 원료유입관(20)으로부터 유입된 원료가 플라즈마 반응되는 반응챔버(15)가 형성된다. 즉, 상기 원료유입챔버(13)와 반응챔버(15)는 상기 전극(30)의 폭이 확장된 중앙 부위(원추 하부가 해당되는)에 의해 구획되는데 이때, 상기 원료유입챔버(13)는 원통형으로 협소하게 연장 형성되고, 상기 전극(30)의 폭이 확장된 부위와 반응로(10) 내벽의 간격은 상대적으로 좁아지게 됨에 기인하여 유입되는 원료는 상기 반응챔버(15)로 곧바로 진행되기 보다는 상기 비교적 넓은 체적을 갖는 원료유입챔버(13)에서 일시 정체되어 충분히 혼합된 후 상기 반응챔버(15)로 진행된다. 즉, 상기와 같은 전극(30)의 형상은 반응로(10) 내부의 전극(30)이 형성된 구간이 원료유입챔버(13)와 반응챔버(15)로 구획되도록 하고 상기 원료유입챔버(13)가 충분한 체적을 갖도록 하며, 상기 원료유입챔버(13)로부터의 원료가 상기 반응챔버(15)로 제한되어 진행되도록 함으로써 원료의 충분한 혼합을 가능케 하는 것이다.

한편, 전술한 바 있는 원료유입관(20)은 상기 반응로(10) 내부의 원료유입챔버(13)로 플라즈마 반응을 위한 원료를 유입하기 위해 상기 반응로(10)의 하부에 연통되는데, 그 수에 있어서 한정되지 않음은 물론이다. 여기서, 상기 원료유입관(20)의 반응로 내부에 위치한 입구(이하에서는 유입홀이라 함)는 상기 반응로(10)의 벽면과 경사진 형태 이른바, 스월(swirl)형태를 갖는다. 상기와 같은 유입홀(21)은 공급되는 원료가 상기 반응로의 내부에서 회전류를 형성하며 진행되어 유입되도록 하게 되는데, 이는 상기 원료가 반응챔버(15)에서도 회전류를 형성하면서 진행되는 것을 가능케 하며, 이에 따라 상기 원료는 상기 반응로(10)의 길이방향의 상측으로 곧바로 이동되기 보다는 원주방향으로 회전하면서 상측으로 이동된다. 상기와 같은 원료의 회전 진행은 동일 체적 대비 플라즈마 반응효율을 높이게 된다.

아울러, 본 발명 실시예에 따르면, 상기 반응로(10)의 구조 및 형상이 바람직하게 제시되는데, 이는 다음과 같다.

상기 반응로(10)는 중공으로 이루어지며, 외관상 대략 원통의 형상을 취한다. 또한, 하부에 상기 원료유입관(20)이 연결됨은 전술한 바 있다. 또한, 상기 반응로(10)의 상단은 개구되어 배출구(11)가 형성된다. 상기 배출구(11)는 플라즈마 반응된 물질을 배출하기 위해 형성된 것이다. 여기서, 상기 반응로(10)의 상부는 그 폭이 확장되어 상기 반응로(10) 내부 상측에는 광역챔버(17)가 형성된다. 이때, 상기 광역챔버(17)는 상기 전극(30)의 상부 끝지점 보다 상측에 위치하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 반응로(10)는 상기 전극(30) 보다 상측에 위치한 구간의 폭이 확장된 것이다. 상기한 바에 따르면, 상기 반응로(10)의 내부는 하측에서 상측의 순으로 원료유입챔버(13), 반응챔버(15), 광역챔버(17)가 각각 형성되는데, 상기 광역챔버(17)는 상기 반응챔버(15) 보다 확장됨에 기인하여, 원료가 상기 반응챔버(15)에서 플라즈마 반응되면, 플라즈마 반응대가 상기 광역챔버(17)를 통해 확장되어 일시 정체되며, 이는 결국 플라즈마 반응 생성물의 체류시간을 증가시키게 되어 추가적인 고온 상태의 반응을 유리하게 하며, 플라즈마 형성의 불연속성을 배제시킬 수 있는 작용효과를 발생시키게 된다. 여기서, 상기 반응로(10)의 상기 광역챔버(17)와 반응챔버(15)의 구획된 지점, 즉, 상기 반응로(10) 내부의 확장된 시점은 둥글게 만곡되기 보다는 모서리(19)가 형성되는 것이 바람직한데, 이를 위해, 상기 반응로(10)의 상기 전극(30) 보다 상측에 위치한 구간은 직각 형태로 단을 지고 확장된다. 상기와 같은 반응로(10)의 직각 형태의 확장구조에 의하면 상기 광역챔버(17) 내에서 플라즈마 반응대의 횡방향 확장성을 보다 높일 수 있으며, 형성된 모서리(19)에 플라즈마가 부착된 채로 회전되어 연속적인 반응이 가능하다.

상기 광역챔버(17)에 의해 정체 플라즈마가 형성될 경우 상기 전극(30)의 상부 끝지점에서 상기 반응챔버(15)와 광역챔버(17) 사이에 형성된 모서리(19)에 걸쳐 회전하는 플라즈마가 형성되는데 상기 반응챔버(15)와 광역챔버(17) 사이에 형성된 모서리(19)와 상기 전극(30)의 상부 끝지점과의 거리가 형성된 플라즈마의 전자 온도를 결정하는 요소가 된다.

한편, 상기 반응로(10)에 상기 광역챔버(17)로 추가적인 원료를 공급하기 위한 보조원료유입관(25)을 연통시키게 되면, 상기 광역챔버(17) 상에서 추가된 원료에 의해 추가되는 반응이 일어나는 것이 가능하다.

또한, 상기 반응로(10)에서 상기 배출구(11)의 직경을 상기 광역챔버(17)의 직경보다 작게 형성시킬 경우 플라즈마 반응 물질이 상기 광역챔버(17)에서 더욱 체류 및 정체되도록 할 수 있음은 당연하다.

아울러, 본 실시예에서는 상기 반응로의 상부가 1회 확장됨을 보였으나, 다단으로 다수회 확장될 수 있음도 가능하며, 이 또한 본 발명의 범주에 속함을 밝혀둔다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 원료가 스월구조의 유입홀로 유입되도록 하여 유입되는 원료가 회전류를 형성면서 진행하게 되고, 이에 따라 상기 원료가 제한된 체적의 플라즈마 반응공간에서도 충분히 반응됨과 동시에 보다 빠른 고온 플라즈마 반응을 이룰 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 반응로의 상부의 폭이 확장되어 형성된 광역챔버를 통해 플라즈마 반응대가 배출전 확장되게 함으로써 일시 정체시키고 이에 따라 플라즈마 반응대의 불연속성을 배제시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 상단에 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구(11)가 형성된 중공의 반응로(10)와;

   상기 반응로(10)의 내부로 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급하기 위해 상기 반응로(10)의 하부에 연통되며, 상기 반응로(10)의 내부에 위치한 입구가 상기 반응로(10) 외주면의 법선방향과 일정 각도를 이루도록 경사지게 형성되어 공급되는 원료가 상기 반응로(10)의 내부에서 회전류를 형성하며 진행되도록 하는 원료유입관(20)과;

   상기 반응로(10)의 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 생성시키기 위해 상기 반응로(10)의 저면으로 내입되며, 상기 반응로(10)의 내벽과는 일정간격 이격되는 전극(30);

   을 포함하여 구성되며, 상기 반응로(10)는 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응시 플라즈마 반응대를 확장시켜 일시 정체시키기 위한 광역챔버(17)가 형성되도록 상기 전극(30) 보다 상측에 위치한 구간의 폭이 확장됨을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응로(10)의 상기 전극(30) 보다 상측에 위치한 구간은 상기 반응로(10) 내부가 확장되는 시점에 모서리(19)가 형성되도록 직각 형태로 단을 지고 확장된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극(30)은 상부가 원추의 형상을 취하며 그 하부가 원기둥 형으로 연장된 형상을 가져 그 중앙 부위의 폭이 확장된 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 반응로에는 상기 광역챔버(17)로 추가적인 원료가 공급되어 반응될 수 있도록 보조원료유입관(25)이 연통되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치.
5. 플라즈마 반응방법에 있어서,

   상단에 플라즈마 반응물을 배출시키기 위한 배출구(11)가 형성된 중공의 반응로(10)에 원료유입관(20)을 연통시켜 상기 반응로(10)의 내부로 플라즈마 반응을 위한 원료를 공급시키되, 상기 원료유입관(20)은 상기 반응로(10)의 내부에 위치한 입구가 상기 반응로(10) 외주면의 법선방향과 일정 각도를 이루도록 경사지게 형성되어 공급되는 원료가 상기 반응로(10)의 내부에서 회전류를 형성하며 진행되도록 하고, 상기 반응로(10)의 저면으로는 상기 반응로(10)의 내벽과 일정간격 이격되는 전극(30)이 내입되어 공급되는 원료가 상기 반응로(10)의 내벽과 전극(30) 사이의 방전전압에 의해 플라즈마 반응되도록 하며, 상기 반응로(10)의 상기 전극(30) 보다 상측에 위치한 구간의 폭은 확장시켜 상기 반응로(10)의 내부에 광역챔버(17)가 형성되도록 하여, 상기 반응로(10)의 내부에 공급된 원료의 플라즈마 반응시 상기 광역챔버(17)에서 플라즈마 반응대가 확장되어 일시 정체되도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치를 이용한 플라즈마 반응방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 반응로(10)의 상기 전극(30) 보다 상측에 위치한 구간은 상기 반응로(10)의 내부가 확장되는 시점에 모서리(19)가 형성되도록 직각 형태로 단을 지게 확장시킨 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치를 이용한 플라즈마 반응방법.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 전극(30)은 상부가 원추의 형상을 취하며 그 하부가 원기둥 형으로 연장된 형상을 가져 그 중앙 부위의 폭이 확장되도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치를 이용한 플라즈마 반응방법.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 반응로(10)에는 상기 광역챔버(17)로 추가적인 원료의 공급을 위한 보조원료유입관(25)을 연통시켜 상기 광역챔버(17) 상에서 추가되는 반응이 일어나도록 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응장치를 이용한 플라즈마 반응방법.

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