KR100630807B1 - 대면적 전기 방전 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

대면적 전기 방전 플라즈마 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은, 낮은 전압으로 대면적에 균일한 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시킬 수 있는 대면적 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 제공함에 있다.
본 발명은, 전압을 공급하기 위한 전원 공급부; 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 상기 전원 공급부와 연결되며 다수가 병렬로 배치된 제 1 전극과; 상기 다수의 제 1 전극과 일정 간격 이격된 제 2 전극과; 상기 가스가 공급되는 플라즈마 상자를 포함하고, 상기 다수의 제 1 전극 각각은 금으로 도금된 다수의 세선을 포함하는 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 제공한다.
본 발명은, 도금된 가는 세선을 사용함으로써, 낮은 전압에 의해서도 방전이 일어나 대면적에 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

대면적 전기 방전 플라즈마 발생 장치{Large area electric discharge plasma generator}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 플라즈마 발생 장치 110 : 전원 공급부
120 : 교류 전원 125 : 전압 레귤레이터
130 : 승압기 150 : 방전부
160 : 완충 회로 170 : 제 1 전극
171 : 금도금 세선 175 : 제 2 전극
180 : 플라즈마 상자 190 : 가스 공급부
본 발명은 전기 방전을 이용한 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
전기 방전에 의해 발생된 플라즈마는 사용 목적에 따라, 살균·멸균 처리, 고분자 분쇄, 동식물의 양육 촉진을 위한 음이온 생산 등에 사용된다.
플라즈마를 효과적으로 사용하기 위해서는 대면적에 균일한 방전을 유도하여야 한다. 종래에는 전기 방전을 위한 전극으로서 스테인리스 스틸(stainless steel) 소재의 핀(pin)을 사용하였다. 핀 끝을 통해 전자가 방출하여 가스를 플라즈마 상태로 만들게 된다.
그런데, 스테인리스 스틸은 일함수(work function)가 높기 때문에 방전 전압이 높아 장시간 사용시 방전 전극 끝이 쉽게 뭉겨져 둥글게 변하게 되므로 장시간 사용시 전면적에 균일한 방전을 일으킬 수 없는 문제가 발생하게 된다.
전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 낮은 전압으로 대면적에 균일한 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시킬 수 있는 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 제공함에 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 전압을 공급하기 위한 전원 공급부; 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 상기 전원 공급부와 연결되며 다수가 병렬로 배치된 제 1 전극과; 상기 다수의 제 1 전극과 일정 간격 이격된 제 2 전극과; 상기 가스가 공급되는 플라즈마 상자를 포함하고, 상기 다수의 제 1 전극 각각은 금으로 도금된 다수의 세선을 포함하는 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 제공한다.
여기서, 상기 전원 공급부는, 교류형 전압을 공급하기 위한 교류 전원과; 상기 교류 전원으로부터 공급된 전압을 제어하기 위한 전압 레귤레이터와; 상기 전압 레귤레이터를 통해 공급된 전압을 승압하기 위한 승압기를 포함할 수 있다.
그리고, 교류형 전압을 공급하는 제 1, 2 교류 전원과; 상기 제 1 교류 전원에 연결되어 교류 전압의 주파수를 발진하기 위한 주파수 발진기; 상기 주파수 발진기에 연결되어 발진된 교류 전압을 스위칭하는 스위칭 소자와; 상기 제 2 교류 전원에 연결되어 교류 전압을 정류하는 정류기; 상기 스위칭 소자와 상기 정류기에 연결되어 펄스 전압을 발생하는 펄스 발생기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전원 공급부와 연결되고, 상기 다수의 제 1 전극과 각각 연결되는 완충 회로를 더욱 포함하고, 상기 완충 회로는 저항과 캐패시터가 병렬로 배치될 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명은, 전압을 공급하기 위한 전원 공급부; 가스를 공급하기 위한 가스 공급부; 다수가 병렬로 배치된 저항과; 상기 저항의 양 끝단에 각 각 연결되는 세선과; 상기 세선 및 상기 전원 공급부와 연결되는 전선을 포함하고, 상기 세선은 금으로 도금된 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 제공한다.
여기서, 상기 전원 공급부는, 교류형 전압을 공급하기 위한 교류 전원과; 상기 교류 전원으로부터 공급된 전압을 제어하기 위한 전압 레귤레이터와; 상기 전압 레귤레이터를 통해 공급된 전압을 승압하기 위한 승압기; 상기 승압기로부터 승압된 전압을 정류하기 위한 정류기를 포함할 수 있다.
상기 전기 방전 플라즈마 발생장치는 가로 세로 각각 수 십 ~ 수 백 ㎝의 면적에서 플라즈마를 발생시키고, 상기 세선은 텅스텐을 포함한 낮은 일함수(work function)를 갖는 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명은 교류형 전압과 동시 방전회로를 사용하여 대기압 환경하에서 대면적에 고전압 균일 방전에 의한 플라즈마로 인해 고분자를 분쇄 및 이온화하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
<제 1 실시예>
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치(100)는 전압을 공급하기 위한 전원 공급부(110)와, 플라즈마화 할 가스를 공 급하기 위한 가스 공급부(190)와, 공급된 전원에 의해 방전이 발생하여 가스를 플라즈마화 하는 방전부(150)를 포함한다.
전원 공급부(110)는 교류형 전압을 공급하기 위한 교류 전원(120)과, 교류 전원(120)으로부터 공급된 전압을 제어하기 위한 전압 레귤레이터(125 ; voltage regulator)와, 전압 레귤레이터(125)를 통해 공급된 전압을 승압하기 위한 승압기(130)로 구성된다.
여기서, 교류 전원(120)은 일반적으로 공급되는 상용 교류 전원(60 ㎐, 220 V)이 사용될 수 있다. 교류 전원으로서 상용 전원을 사용할 수 있게 되어 별도의 고전압 교류 전원을 사용하지 않아도 플라즈마를 발생시키기 위한 교류 전원을 용이하게 공급받을 수 있게 된다.
전압 레귤레이터(125)는 교류 전원(120)으로부터 공급된 교류 전압의 부하 변동에 관계없이 일정한 교류 전압을 공급하는 기능을 하게 되는데, 높거나 낮은 전압이 공급되는 경우에 플라즈마 발생 장치(100)의 안정성을 위해 일정한 교류 전압을 공급하게 된다. 승압기(130)는 공급된 교류 전압을 일정 전압 이상으로 승압시켜 방전부(150)에서 방전을 용이하게 한다.
방전부(150)는 다수가 병렬로 배치된 제 1 전극(170)과, 제 1 전극(170)에 각각 연결되는 완충회로(160)와, 제 1 전극(170)과 일정 간격 이격된 제 2 전극(175)과, 플라즈마화 할 가스가 공급되는 플라즈마 상자(180)로 구성된다. 그리고, 방전부(150)는 가로 세로가 수 십~수 백 ㎝인 대면적으로 구성된다.
제 1 전극(170)은 플라즈마 상자(180)의 길이 방향을 따라 다수가 플라즈마 상자(180) 내에 병렬로 배치되고, 제 2 전극(175)은 제 1 전극(170)과 일정 간격 이격되어 플라즈마 상자(180)의 길이 방향을 따라 판 형태로 플라즈마 상자(180) 내에 위치한다.
제 1 전극(170)은 전자를 효과적으로 방출하기 위해 브러쉬(brush) 형태, 즉 다수의 세선(171)으로 이루어진다. 제 1 전극의 세선(171)은 직경이 수 ㎛의 값을 가지게 된다. 제 1 전극의 세선(171)은 내부가 텅스텐(W) 물질로 이루어지며, 외부는 금(Au)으로 코팅되어 있다. 세선(171)의 외부를 금으로 코팅함으로써, 플라즈마 가스와 화학적 반응을 억제하여 제 1 전극(170)의 수명이 향상된다. 그리고, 텅스텐은 융점(melting point)이 높고 일함수(work function)가 낮은 특성을 가지고 있어, 제 1 전극(170)은 낮은 전압 인가에 의해서도 효과적으로 전자를 방출할 수 있게 되고 고온에서도 견딜 수 있어 내구성이 향상된다.
따라서, 낮은 전압이 인가되더라도 플라즈마 상자(180) 내에서 방전이 발생하게 되고, 방전에 의해 가스는 플라즈마 상태가 된다. 특히, 병렬 배치된 다수의 제 1 전극(170)을 따라 동시에 방전이 일어나게 된다.
플라즈마 상자에는 공급된 가스가 플라즈마 상태가 되는데, 대기압 환경에서도 효과적으로 플라즈마가 발생하게 된다.
한편, 제 1 전극(170)은 완충회로(160)와 연결되는데, 완충회로(160)는 저항(R)과 캐패시터(C)가 병렬적으로 배치되어 있다. 캐패시터(C)는 저항(R)의 급격한 전압 충격을 방지하기 위해서 저항(R)과 병렬적으로 배치된다. 사용되는 저항(R)은 수 ㏁의 저항값을 갖게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 병렬 배치된 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 방전이 균일하게 발생하게 된다. 특히, 낮은 전압에 의해서도 방전이 효과적으로 발생하게 된다. 따라서, 낮은 전압에 의해서도 가로 세로가 수 십~수 백 ㎝인 대면적에 균일한 방전을 일으켜 플라즈마를 효과적으로 발생시킬 수 있게 된다. 또한, 플라즈마는 대기압 환경하에서 효과적으로 발생할 수 있게 된다.
특히, 공급되는 가스로 산소(O2)를 사용하게 되면, 방전에 의해 O3 와 OH- 라디칼(radical)이 생성될 수 있게 된다.
또한, 직류형 전원을 사용하게 되면 직류 고전압이 인가되어 양이온이나 음이온을 효과적으로 발생시킬 수 있게 된다.
전술한 바와 같은 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 사용하게 되면 대면적에서 균일한 방전을 일으켜 플라즈마를 발생시킬 수 있게 되며, 그에 따라 살균, 멸충 및 영양액의 이온화로 동식물의 영양 섭취 및 흡수를 용이하게 하여 발육성장을 촉진할 수 있게 된다.
<제 2 실시예>
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 제 2 실시예에서는 본 발명의 제 1 실시예와 동일하거나 대응되는 사항에 대해서는 설명을 생략한다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치(200)는 펄스 발생기 회로를 사용하여 방전을 일으킨다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치(200)는 전압을 공급하기 위한 전원 공급부(210)와, 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(290)와, 공급된 전원에 의해 방전하여 가스를 플라즈마화 하는 방전부(250)를 포함한다.
전원 공급부(210)는 교류형 전압을 공급하는 제 1, 2 교류 전원(220a, 220b)과, 제 1 교류 전원(220a)에 연결되어 교류 전압의 주파수를 발진하기 위한 주파수 발진기(240), 발진된 교류 전압을 스위칭하는 스위칭 소자(241), 제 2 교류 전원(220b)에 연결되어 교류 전압을 정류하는 정류기(243), 스위칭 소자(241)와 정류기(243)에 연결되어 펄스 전압을 발생하는 펄스 발생기(242)로 구성된다. 여기서, 스위칭 소자(241)는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)와 같은 전력용 반도체 소자를 사용할 수 있고, 펄스 발생기(242)는 IGBT, GTO(Gate Turn-Off)와 같은 반도체 소자를 사용할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 전원 공급부를 통해 공급된 고주파의 교류 전압을 통해 방전부에서 방전이 효과적으로 발생하게 되는데, 교류 전압의 주파수를 높여주게 되면 두 전극(270, 275) 사이에 방전 전압을 낮출 수 있어 방전이 더욱 효과적으로 일어나게 된다.
<제 3 실시예>
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치를 도시한 도면이다.
본 발명의 제 3 실시예에서는 본 발명의 제 1, 2 실시예와 동일하거나 대응되는 사항에 대해서는 설명을 생략한다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치는 음이온을 효과적으로 발생시키기 위한 구성을 갖게 된다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전기 방전 플라즈마 발생 장치(300)는 전압을 공급하기 위한 전원 공급부(310)와, 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스 공급부(390)와, 공급된 전원에 의해 방전하여 가스를 플라즈마화 하는 방전부(350)를 포함한다.
전원 공급부(310)는 교류형 전압을 공급하기 위한 교류 전원(320)과, 교류 전원으로부터 공급된 전압을 제어하기 위한 전압 레귤레이터(325)와, 전압 레귤레이터(325)를 통해 공급된 전압을 승압하기 위한 승압기(330)와, 승압기(330)로부터 승압된 전압을 정류하기 위한 정류기(343)로 구성된다.
방전부(350)는 다수가 병렬로 배치된 저항(R)과, 저항(R)의 양 끝단에 연결되는 세선(371)과, 세선(371)과 연결되는 전선(385)으로 구성된다.
사용되는 저항(R)은 수 ㏁의 저항값을 갖게 된다. 그리고, 세선(371)은 제 1 실시예의 제 1 전극의 세선(도 1의 171 참조)과 동일한 물질로 구성된다. 즉, 내부는 텅스텐(W) 물질로 이루어지고 외부는 금(Au)으로 코팅되어 있다. 따라서, 낮은 전압에 의해 방전이 일어나게 되며 플라즈마 가스와 반응을 억제하여 내구성을 향상시킬 수 있게 된다. 한편, 세선(371)은 직경이 수 ㎛의 값을 가지게 된다.
전선(385)은 전원 공급부의 정류기(343)와 연결되어 세선(371)에 정류된 전압을 전달하게 된다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 전기 방전 플라즈마 장치는 음이온을 효과적으로 발생시키게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기 방전 플라즈마 장치는 낮은 교류 전압을 사용하여 대면적에 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 균일하게 발생하는 플라즈마에 의해 영양분자 등의 고분자를 효과적으로 분쇄할 수 있고, 음이온을 효과적으로 발생시킬 수 있게 된다.
특히, 동식물의 사료로 사용되는 고분자에 대해 전기 방전 플라즈마 장치를 사용하여 분쇄 및 이온화하게 되면, 섭취와 동화를 가속할 수 있게 된다. 따라서, 수경재배나 비닐하우스에서 재배되는 각종 농산물의 성장 속도를 향상할 수 있게 된다. 그리고, 양식 어류 등의 사료를 재가공 처리하여 성장률을 제어할 수 있게 된다. 또한, 방류 오수를 정화(살균·멸균)할 수 있게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예는, 본 발명의 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 대한 다양한 변형이 가능하다. 그와 같은 변형이 본 발명의 정신에 포함되는 범위 내에서, 본 발명의 권리 범위에 속한다 함은 자명한 사실이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은, 도금된 가는 세선을 사용함으로써, 낮은 전압에 의해서도 방전이 일어나 대면적에 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 전압을 공급하기 위한 전원 공급부;
    가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    상기 전원 공급부와 연결되며 다수가 병렬로 배치된 제 1 전극과;
    상기 다수의 제 1 전극과 일정 간격 이격된 제 2 전극과;
    상기 가스가 공급되는 플라즈마 상자를 포함하고,
    상기 다수의 제 1 전극 각각은 금으로 도금된 다수의 세선을 포함하는 전기 방전 플라즈마 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    교류형 전압을 공급하기 위한 교류 전원과;
    상기 교류 전원으로부터 공급된 전압을 제어하기 위한 전압 레귤레이터와;
    상기 전압 레귤레이터를 통해 공급된 전압을 승압하기 위한 승압기를 포함하는 전기 방전 플라즈마 발생 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    교류형 전압을 공급하는 제 1, 2 교류 전원과;
    상기 제 1 교류 전원에 연결되어 교류 전압의 주파수를 발진하기 위한 주파수 발진기;
    상기 주파수 발진기에 연결되어 발진된 교류 전압을 스위칭하는 스위칭 소자와;
    상기 제 2 교류 전원에 연결되어 교류 전압을 정류하는 정류기;
    상기 스위칭 소자와 상기 정류기에 연결되어 펄스 전압을 발생하는 펄스 발생기를 포함하는 전기 방전 플라즈마 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부와 연결되고, 상기 다수의 제 1 전극과 각각 연결되는 완충 회로를 더욱 포함하고, 상기 완충 회로는 저항과 캐패시터가 병렬로 배치된 전기 방전 플라즈마 발생장치.
  5. 전압을 공급하기 위한 전원 공급부;
    가스를 공급하기 위한 가스 공급부;
    다수가 병렬로 배치된 저항과;
    상기 저항의 양 끝단에 각각 연결되는 세선과;
    상기 세선 및 상기 전원 공급부와 연결되는 전선을 포함하고,
    상기 세선은 금으로 도금된 전기 방전 플라즈마 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    교류형 전압을 공급하기 위한 교류 전원과;
    상기 교류 전원으로부터 공급된 전압을 제어하기 위한 전압 레귤레이터와;
    상기 전압 레귤레이터를 통해 공급된 전압을 승압하기 위한 승압기
    상기 승압기로부터 승압된 전압을 정류하기 위한 정류기를 포함하는 전기 방전 플라즈마 발생장치.
  7. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 전기 방전 플라즈마 발생장치는 가로 세로 각각 수 십 ~ 수 백 ㎝의 면적에서 플라즈마를 발생시키고, 상기 세선은 텅스텐으로 이루어진 전기 방전 플라즈마 발생장치.
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