KR100675752B1

KR100675752B1 - 플라즈마 반응기

Info

Publication number: KR100675752B1
Application number: KR1020060089186A
Authority: KR
Inventors: 민흥식; 안영근; 양성진
Original assignee: (주) 씨엠테크
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2006-09-14
Publication date: 2007-01-30
Also published as: JP5178725B2; EP2069047A1; EP2069047B1; US20100192542A1; CN101534930A; US8128884B2; JP2010503962A; WO2008032934A1; EP2069047A4; CN101534930B

Abstract

본 발명은 신뢰성 있는 내구성을 가지고, 안정적이며 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 성능을 가지도록 할 수 있다. 또한, 각종 시스템이 요구하는 위치에 간단하고 효율적으로 장착 운전할 수 있도록 한 플라즈마 반응기의 제공에 관한 것으로서, 플러스전극과 마이너스전극 및 스페이서를 순차적으로 적층하여 적층물을 구성하고; 상기 적층물은 적층물의 일측에만 적층물을 유지하는 반응기바디와; 상기 플러스전극과 마이너스전극은 스페이서에 의하여 기체가 통과할 수 있는 통로를 가지도록 교대로 반복하여 배열하고; 상기 플러스전극과 마이너스전극에는 열팽창 수축 등에 의해 국부적으로 열응력이 발생하지 않도록 방지하여 열충격 성능을 높일 수 있도록 응력을 분산시킬 수 있도록 변형방지수단을 더 구비하고; 상기 반응기바디에는 플러스 및 마이너스전극과 연결하기 위한 외부단자를 구비하고; 상기 반응기바디의 표면에 적층물의 적층 방향과 수직 방향으로 형성하여 케이스에 간단하게 고정시킬 수 있는 돌출부를 포함하는 것이다.

플라즈마, 반응기

Description

플라즈마 반응기{Plasma reactor}

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 정면 및 저면 사시도.

도 2는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 단면 상태의 구성도.

도 3은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극과 스페이서의 분해사시도.

도 4는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기에 적용되는 하나의 전극을 분해하여 도시한 사시도.

도 5는 도 4에 도시된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극의 A - A선을 따라서 취한 단면도.

도 6은 도 4에 도시된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극의 B - B선을 따라서 취한 단면도.

도 7은 도 4에 도시된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극의 C - C선을 따라서 취한 단면도.

도 8내지 도 12은 본 발명의 기술이 적용되는 플라즈마 반응기의 열충격에 따른 손상과 변형을 방지하기 위한 변형방지수단을 적용한 상태의 도면.

도 13은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 외부단자 위치의 가변상태를 도시한 사시도.

도 14는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 케이스 고정상태를 도시한 단면도.

도 15는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 외부단자 인출의 다른예를 도시한 구성도.

도 16은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 자유단제한구의 1예를 도시한 단면도.

도 17은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 자유단제한구의 2예를 도시한 단면도.

도 18은 본 발명의 2실시예가 적용된 플라즈마 반응기의 전극을 도시한 전개도.

도 19는 도 18에 도시된 플라즈마 반응기에 적용된 전극의 결합상태도.

도 20은 도 18에 도시된 플라즈마 반응기를 케이스와 결합한 상태를 도시한 단면도.

도 21은 본 발명의 3실시예가 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 정단면 및 측단면도.

도 22는 본 발명의 4실시예가 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 사시도.

도 23은 본 발명의 5실시예가 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 간략적인 단면도.

*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*

100; 플라즈마 반응기

101; 플러스전극

102; 마이너스전극

103; 스페이서

104; 적층물

105; 반응기바디

107; 변형방지수단

108,109; 외부단자

111; 수직연결전극

115; 주전극부

116; 수평연결전극

120; 보강기둥

121; 기둥홀

128; 케이스

130; 자유단제한구

본 발명은 플라즈마 반응기(Stacked Non-Thermal Plasma Reactor, NTPR)에 관한 것으로서, 전기적으로 잘 절연된 고전압 전원이 전극에 연결되도록 구성하여 낮은 전력을 사용하여, 안정적이고 균일한 플라즈마를 발생시키는 것이 가능한 동시에, 플라즈마장이 형성된 내부에 기체가 쉽게 통과하는 구조를 가지고 있는 플라즈마 반응에 관한 것이다.

상기 플라즈마 반응기의 용도는 자동차 배기가스의 입자 상태 또는 기체 상태의 유해물질을 감소 또는 제거시키는 시스템의 일부로 사용될 수 있거나, 물에 오존을 용해시키는 장치 등에서 오존을 발생시키는 데 사용될 수 있는 등과 같이 그 용도가 다양한 실정이다.

가솔린 엔진의 한계점인 열효율 향상과 연비 감소를 달성하는 대안으로서, 디젤엔진이 강력히 추천되고 있고, 사용자의 기호도 또한 이에 보조를 맞추고 있으므로 그 수요가 급격하게 증가할 것으로 보인다.

상기와 같이 디젤엔진의 사용이 계속 증가하면서, 많은 선진국에서는 디젤엔진의 배기가스의 배출 허용 기준을 강화하고 있고, 디젤엔진으로부터 배출되는 유해물질을 줄이도록 규제하고 있다. 이와 같은 규제가 유럽 및 미국을 중심으로 점점 강화되는 것에 수반하여, 기존의 방식인 후처리 장치와는 다른 새로운 개념의 배기 정화 장치가 요구되어 있다.

현재, 저온 플라즈마 반응(NTP Reaction)을 이용한 배기 정화 시스템이 NOx와 입자상태 물질(Diesel Particulate Matter)을 동시에 감소시킬 수 있기 때문에, 플라즈마 반응을 이용한 배기 정화시스템이 중요한 기술로서 인정되고 있다.

또한, 대기 중의 산소를 저온 플라즈마 반응에 의해 활성화시켜서 오존을 생 성시켜 물에 용해시키는 오존수 제조 기술은 강한 살균 또는 세정 작용을 촉진시키며, 물에 산소 용해도를 증가시켜서 용존 산소량을 증가시키는 등의 다양한 효과를 가지고 있다.

이러한 효과를 증진시키기 위해서는 오존수의 오존 농도를 증진시키는 것이 필수적이므로, 플라즈마 반응기와 용해시킬 물과의 거리를 가깝게 해야 하고, 용해시킨 물에 반복적으로 오존을 용해시켜야 하기 때문에, 다량의 수분을 함유한 기체에서도 안정적인 플라즈마 반응을 발생할 수 있도록 요구하고 있다.

고온의 열원이 없이도 유해가스를 분해 또는 산화처리하는 기술로서 저온 플라즈마 공법은 고전압 교류전력을 전기적 유전체로 구성된 반응기에 공급함으로서 상압조건에서 전자와 이온으로 구성된 저온 플라즈마를 발생시키고, 여기서 발생된 일부 에너지가 높은 전자들을 이용하여 유해가스와 화학반응을 일으키도록 하여 유해가스를 처리하는 것이다.

저온 플라즈마를 이용한 유해 가스 처리 기술로서;

1990년 9월 4일자로 Joseph G. Birmingham et al에게 허가된 미국특허 4,954,320 “반응 층상 플라즈마 공기정화(Reactive Bed Plasma Air Purification)”;

1993년 8월 17일자로 Carlos M. Nunes et al에게 허가된 미국특허 5,236,672 “휘발성 유기 화합물과 독가스의 코로나 파괴(Corona Destruction of Volatile Organic Compounds and Toxics)”, 그리고;

1997년 3월 11일자로 Toshiaki Yamamoto에게 허가된 미국특허 5,609,736 “ 보조 촉매 저온 플라즈마를 이용한 유해가스 제어를 위한 방법 및 장치(Methods and Apparatus for Controlling Toxic Compounds Using Catalysis-Assisted Non-Thermal Plasma)” 등이 있다.

상기와 같은 종래 기술들은 저온 플라즈마를 발생시키기 위해 펄스 전력을 사용하거나, 반응 후 발생될 수 있는 가스상의 2차 오염물질을 줄이고 반응 효율을 향상시키기 위해 반응기에 촉매 또는 강유전체 비드(Bead)를 충진하는 기술들을 제안하고 있다.

그러나, 이상의 종래 기술들은 공정 중에 발생된 에어로졸(aerosol)형태의 부산물이 반응기 또는 배관에 부착되어 막힘 현상을 초래하거나 반응기의 전기적 특성을 악화시켜 공정의 연속운전을 방해하고 있어 이들 제안된 기술을 실제로 상용화하여 운영중인 사례는 극히 드물다.

지금까지 제안된 저온 플라즈마 공정에 사용된 반응기는 대부분 원형의 실린더를 한 편의 전극으로 하고 실린더 내에 가는 선 또는 작은 직경의 튜브를 다른 한 편의 전극으로 이용하는 구조로 되어 있다.

이와 같은 형상의 반응기는 기존의 상용화된 중대형 오존 발생 장치와 유사하여 반응기 내에서 발생되는 열을 외부로 배출하여 운전 온도를 낮추는 데 유리한 점이 있으나 처리하는 가스의 유량에 비해 반응기가 커지는 단점이 있다.

한편, 플라즈마 발생 원리를 이용한 소형 오존 발생기의 경우, 반응기 내의 전극이 다층 평판으로 구성된 경우가 있다. 다층 평판 또는 다중 셀 전극은 널리 알려져 있는 전극 형상으로, 가장 큰 특성은 원통형 실린더 구조를 갖는 반응기 구 조에 비해 반응기 내에서 발생된 열이 외부로 전달되기 어려워 운전온도가 상승하는데 있다.

다층 평판 또는 다중 셀 전극을 갖는 반응기의 이러한 특성으로 인해 운전온도가 상승될수록 유해가스의 제거율이 상승하거나, 반응기 내에 부착된 부산물이 산화되어 제거되는 과정이 촉진될 수 있는 유해가스 제거공정에 유리할 수 있다.

그런데, 비교적 깨끗한 공기 또는 산소로부터 오존을 발생시키는 오존 발생기와는 달리 수분 및 입자 상의 물질이 다량으로 포함된 공기 및 배출가스를 처리하는 유해가스 처리공정에서는 아크 방전이 발생될 수 있어 원형 실린더 형상의 반응기를 치명적으로 파손시킬 수 있는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 수분 및 입자상 물질이 포함된 가스 내에서도 안정적으로 저온 플라즈마를 발생할 수 있는 다층 평판 또는 다중 셀 전극을 구비한 저온 플라즈마 반응기가 요구되고 있다.

플라즈마를 발생시키기 위한 전극의 모양은 기본적으로 봉(선) 대 봉(선), 봉(선) 대 평판, 평판 대 평판 등의 방법이 있으며, 아크 방전에 이르지 않고, 안정적인 플라즈마 방전을 위해서는 유전체 장벽(Barrier)의 설계 방식에 따라 DBD(Dielectric Barrier Discharge)와 Packed Bed방식으로 나뉜다.

플라즈마 발생장치는 전력을 일정 수준 이상으로 상승시키면 가스의 분해능력이 포화되어 그 이상의 에너지를 투입해도 유해가스 처리 능력이 높아지지 않게 되므로 전력을 많이 소모하게 된다.

또한, 인가전압을 과도하게 높이게 되면 플라즈마 방전 영역 내부에 부분적 으로 전자가 집중되어 아크 방전으로 전이될 가능성이 높아져 효율이 더욱 낮아지게 된다.

따라서 플라즈마 발생을 위한 유전체 전극을 일정 간격을 가진 다층으로 적층함으로써, 기체가 플라즈마에 노출될 수 있는 반응영역을 증가시키게 되어, 배기 가스 또는 반응시키고자 하는 기체의 처리 효율을 높일 수 있다.

이와 같이 다층의 유전체 전극을 이용한 플라즈마 반응기는 다양한 잇점을 가지고 있어서, 이들의 구성과 제조에 대한 다양한 기술들이 고안되고 있다.

가장 최근에 등록 또는 공개된 다층의 유전체 전극을 이용한 플라즈마 반응기 기술로서;

2005년 12월 27일자로 Bob Xiaobin Li et al에게 허가된 미국특허 6,979,892 “저온플라즈마 반응기를 위해 밀착 동시소성되어 샌드위치된(사이에 끼워진) 전극(Laminated Co-fired Sandwiched Element For Non-Thermal Plasma Reactor)”;

2005년 7월 14일자로 콘도우 아츠오 등이 출원하여 공개된 일본특허 2005-188424 “플라즈마 발생 전극 및 플라즈마 반응기” 등이 있다.

미국특허 6,979,892는 전기 전도성을 가진 전극이 세라믹 유전체 내부에 내재되어 동시소성에 의해 제조하고, 제조된 유전체 전극들이 서로 일정한 간격의 배기 가스 통로(기체의 유로)를 가지며, 서로 반대 극성의 전극면이 마주보도록 배열하여 스페이서로 적층, 접합된 구조를 제안하고 있다.

여기에는 동시소성에 의해 제조된 유전체 전극과 스페이서가 서로 접합되는 부분의 중심에 수직적으로 전기를 통전시키는 통로를 내부적으로 가지고 있어서 다 양한 사용환경, 특히 다량의 수분 및 입자 상의 물질을 포함한 기체에 노출되는 배기가스 환경 등에서 절연 신뢰성을 높임으로서 안정적인 플라즈마 발생이 가능하도록 하고 있다.

그러나, 이 고안은 내부적으로 잘 절연된 전기적 통로를 가지고 있지만, 전극이 내재된 세라믹 유전체가 대향하는 전극의 수직적 연결통로를 동시에 가지고 있기 때문에 서로 반대 극성의 두 수직연결 적층물에 동시에 고정되도록 되어 있다.

따라서, 기체 유로를 가지고 일정한 간격으로 적층된 유전체 전극은 기체의 온도 변화가 매우 심할 경우, 예를 들어, 자동차의 배기 가스 환경, 고온 소각로 배기 가스 환경 등에서, 유전체 전극의 개별적 열팽창 수축을 제한하기 때문에, 국부적으로 매우 큰 열응력에 노출되어 파괴될 수 있다.

전극이 내재된 세라믹 유전체를 동시소성에 의해 제조함으로써 고전압이 인가되는 전극의 절연 방법은 효과적이나, 이들을 전기적으로 연결하는 전극 연결선은 동시소성 온도와 같은 조건에서 전기적 연결과 전기적 절연을 실현할 수 없으므로 매우 고가의 백금 전극을 사용해야 했으며, 각 전극들을 일정간격으로 적층하는 온도와 분위기가 유전체 전극을 제조하는 온도와 분위기와 상이하여 접합층 간의 열적 불균형(Thermal Mismatch)으로 인한 국부적인 열변형 응력으로 층분리가 될 가능성을 내포하고 있다.

따라서, 상기의 기술은 플라즈마 발생 전극에 인가되는 고전압을 안정적으로 제어하여 안정적인 플라즈마를 발생시키고자 각 전극의 외부를 유전체화시키고, 고 가의 금속을 사용하여 이 유전체 전극의 전기적 연결과 전기적 절연성을 실현하고자 하였으나, 열변화가 심한 사용 환경에서 유전체의 균열(Crack), 층분리(parting line gap, split gap)가 발생할 수 있게 되어 있어, 근본적인 과제를 해결하지 못하였다.

출원 공개되어 있는 일본특허2005-188424는 온도변화가 심한 사용환경, 특히 자동차용 배기가스 또는 소각로의 유해물질을 제거하는 환경 등에서, 서로 대향하는 각 유전체 전극을 고정하는 하나의 고정단부와 반대편 쪽에 또 하나의 자유단부를 두어, 열팽창 수축 등에 의한 변형을 자유롭게 할 수 있도록 함으로써, 국부적으로 발생할 수 있는 열응력을 완화시킬 수 있는 개선이 이루어졌으나, 다음과 같은 다양한 근본적인 문제점을 가지고 있다.

상기의 기술에 의해 플라즈마 반응기를 완성하기 위해서는, 구조물을 케이스에 고정시키는 면압에 의해 다층 플라즈마 반응 전극의 고정단부가 지지부재로 이루어진 적층물에 고정되는 것인데, 이는 분리된 층(parting line gap, split gap)을 처음부터 가지게 되는 것이다.

따라서 최적의 형상(Gap간 간격, 절연거리 등)으로 반응기가 케이스에 설치되더라도, 플라즈마 반응기와 이것에 면압을 가하고 있는 케이스체가 온도변화에 따라 열팽창 수축을 반복하게 되고, 또한 배기가스 압력이 지속, 반복적으로 반응기에 가해지고 있게 되면, 일정한 형상을 유지하는 것이 곤란하게 된다.

고정단부의 고정이 단순히 면압에 의해 이루어질 경우, 층간 이격은 지속적으로 확대될 수 있을 뿐만 아니라, 수분, 입자성 물질을 다량 함유한 기체에 노출 되는 환경에서 수분, 입자성 물질이 지속적으로 분리된 층(parting line gap, split gap)에 유입될 수 있으므로 고전압을 사용하는 환경을 고려할 때, 매우 부적절한 구조라고 할 수 있다.

이를 보완하기 위해서는 제한된 유전체 전극의 면적에 대해 보다 많은 절연거리가 부여되어야 하며, 또한 절연용 부재와 적층방법이 매우 복잡하게 되면서도 절연 신뢰성을 확보하기는 더욱 어려워질 수 있다.

즉, 외부전원과 연결된 단자들이 케이스 내부의 수분, 입자상 물질 등에 노출되기 쉽게 되어 있어서, 아크(ark) 또는 이상방전을 유도하기가 용이해진다. 구조적으로 볼 때, 이러한 반응기는 그 무게가 증가하게 되고, 제조 비용도 증가하게 된다.

이러한 저온 플라즈마 반응기는 그 특성상 고전압의 안정적 제어를 위해서 전극 및 전극 간 연결의 절연성이 매우 중요하게 된다.

반면, 고전압을 사용하는 플라즈마 반응기의 특성상 대부분의 재료가 세라믹 절연물로 이루어지게 되는데, 이는 특별히, 엔진의 배기가스 등과 같이 배기 온도의 급격한 변화가 발생하는 환경에 노출될 경우, 급격한 온도변화에 취약할 수밖에 없고, 반응 전극 및 전극 연결부 등에 균열, 파괴, 층분리 등이 발생하게 되면서, 고전압이 잘 제어되어야 하는 절연물의 목적이 상실된다.

따라서, 플라즈마 반응기는 절연성이 필수적일 뿐만 아니라, 사용 환경에 적응이 가능한 내열충격(Durability of Thermal Shock) 성능(Performance)을 보유해야 하는 것, 또한 필수적이다.

이는 재료적 관점에서 재료의 열적, 기계적 물성(Thermal, Mechanical Property)을 향상시켜 내열충격 성능을 향상시킬 수 있으나, 플라즈마의 발생 효율 및 내구성 등을 만족하는 재료의 전기적 특성, 특히 절연 능력 및 유전 강도(Dielectric Strength)등이 우수한 재료를 기준으로 고려할 때는 그 선택이 제한될 수도 있다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서 열변화가 심한 사용 환경, 특히 자동차용 배기가스 환경과 같이 기체 온도의 변화가 심한 환경에서 반응기에 국부적으로 발생할 수 있는 열응력을 흡수할 수 있는 구조를 가지고 있고, 수분, 입자상 물질 등을 포함하는 기체 흐름에 노출되더라도 전기적인 절연성을 확보할 수 있으며, 반응기가 장착되는 케이스의 한 측면에 고정시키는 방법을 간단하게 함으로써, 반응기에 불필요한 압력을 가하지 않으면서, 신뢰성 있는 고정이 가능한 플라즈마 반응기와 그 제조방법을 제안하는 것이다.

다층의 유전체 전극을 가진 저온 플라즈마 반응기를 구성함에 있어서, 하나의 적층물에 반대되는 극성을 가지며 서로 잘 절연된 두 개의 수직연결선이 설치되고, 이 적층물의 한 측면으로 서로 반대되는 극성의 유전체 전극이 교대로 일정한 간격을 두고 설치되어 기체의 유로를 형성함과 동시에 플라즈마 발생영역을 제공하는 구조를 구성하여, 기체의 온도가 매우 심하게 변화하는 환경에 놓인 유전체 전극이 열팽창 수축을 자유롭게 함으로써 국부적인 열응력의 발생을 최소화시킬 수 있다.

상기에서 서술한 바와 같은 구성으로, 반대극성의 두 외부단자를 한 개의 적층물에 형성시킬 수 있어서 케이스의 고정시키는 방법이나 외부전원의 공급, 연결하는 방법을 매우 단순하고 용이하게 하여, 반응기에 가해질 수 있는 기계적, 전기적 불안정성을 회피하고, 플라즈마 발생의 안정성을 확보할 수 있는 구조를 제공한다.

수직과 수평으로 연결된 내부 전기적 통로가 Glass용융 또는 세라믹 소결 등의 접합 밀봉으로 절연시키는 방법을 제공하여, 진동 및 배기가스 압력 등에 의해 구조가 변형되지 않도록 고정시키며, 수분, 입자상 물질 등이 적층선 틈으로 침투되는 것을 차단하여 안정적인 플라즈마장이 형성될 수 있는 구조를 제안한다.

또한 유전체 전극의 주전극부와 수직연결 전극부 등에 Slit, Hole, Circle 등의 다양한 형상을 부여하여, 각 요소에서 국부적인 열응력이 분산될 수 있는 구조를 제공한다.

상기에 서술한 구성으로 적절한 실시 예를 통해, 반응기의 다양한 구성을 제공함으로써 절연성과 내열충격성을 동시에 향상시키고, 기계적, 전기적 불안정성을 제거할 수 있는 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 정면 및 저면 사시도, 도 2는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 단면 상태의 구 성도이다.

본 발명의 기술이 적용되는 플라즈마 반응기는 균일하고 안정적인 플라즈마를 낮은 전력으로 발생시키는 것이 가능한 동시에, 그 내부를 통과하는 기체의 통과저항을 작게 할 수 있고, 통과하는 기체가 다량의 수분, 부식성 기체, 입자상 유해 물질 등을 함유하고 있거나, 기체의 심한 온도변화가 주는 열충격 환경 등, 선택적으로 또는 종합적으로 반응기에 가해지는 환경에 대해서도 안정적인 운전이 가능하도록 내구성을 증진시킨 구조의 플라즈마 반응기 및 그 제조방법을 제공하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 플라즈마 반응기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이, 극성이 서로 다른 플러스전극(101)과 마이너스전극(102) 및 스페이서(103)를 순차적으로 적층하여 적층물(104)을 구성하고 상기 적층물(104)은 적층물(104)의 일측에 적층물(104)과 동일한 재질의 반응기바디(105)로 유지하도록 구성한다.

상기 적층물(104)을 구성하는 플러스전극(101)과 마이너스전극(102)은 스페이서(103)에 의하여 기체가 통과할 수 있는 통로(106)를 가지도록 교대로 반복하여 배열구성한다.

상기 적층물(104)의 어느 한 측에만 반응기바디(105)로 고정되는 형태가 되도록 하여 적절한 응력 분산형상을 가지도록 구성하고, 열팽창 수축 등에 의해 국부적으로 열응력이 발생하지 않도록 방지하여 열충격 성능을 높일 수 있도록 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 변형방지수단(107)을 더 구비한다.

상기 적층물(104)의 어느 한 측에 위치하는 반응기바디(105)에 플러스 및 마 이너스전극(101,102)과 연결하기 위한 외부단자(108,109)를 구비하므로 다량의 수분, 입자상의 유해물질, 부식성 기체 등 전기적 절연 능력을 약화시키는 다양한 환경의 기체로부터 고전압에 노출되는 전원 연결부가 단순하고 효과적으로 차단될 수 있는 구조를 가짐으로서 절연신뢰성을 높일 수 있는 장점을 가진다.

상기 플라즈마 반응기(100)를 케이스에 고정하기 쉽도록 반응기바디(105)의 표면에 적층물(104)의 적층 방향과 수직 방향으로 돌출부(110)를 형성하여 케이스에 간단하게 고정시킬 수 있으며, 전체적으로 경량화가 가능하게 구성된다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 도전성 전극을 내장하여 인접한 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)과는 절연되어 있으면서, 인접한 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)들 간에는 전기적으로 동일한 극성을 가지도록 연결하는 수직연결전극(111)을 가진다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)들은 서로 수직연결전극(111)으로 연결되어 적층물(104)을 고정하는 반응기바디(105)의 표면에 구비되는 외부단자(108,109)에 연결되고, 상기 외부단자(108,109)는 펄스 또는 교류 전원에 연결되어 마주보는 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 내장되는 도전성전극영역에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성된다.

도 3은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극과 스페이서의 분해사시도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기에 적용되는 하나의 전극을 분해하여 도시한 사시도, 도 5는 도 4에 도시된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극의 A - A선을 따라서 취한 단면도, 도 6은 도 4에 도시된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극의 B - B선을 따라서 취한 단면도, 도 7은 도 4에 도시된 플라즈마 반응기에 적용되는 전극의 C - C선을 따라서 취한 단면도이다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 플라즈마를 발생시키는 영역의 주전극부(115)를 플러스 및 마이너스전극(101,102) 전반에 걸쳐 형성하고, 상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층부위에 구비하는 두 개의 수직연결전극(111)과 두 개의 수직연결전극(111) 중 하나와 주전극부(115)를 연결하는 수평연결전극(116)으로 구성한다.

상기 수직연결전극(111)은 플러스 및 마이너스전극(101,102)면에 대하여 수직방향으로 관통하는 하나 이상의 도전홀(117)을 포함하고, 상기 도전홀(117)에는 도전성 금속과 같은 도전재(118)가 채워지거나, 도전홀(117)의 내부 표면에 금속과 같은 도전재(118)를 도포하여 도전홀(117)을 포함하는 두 면의 전극 간에 전기적 연결을 가능하도록 한다.

상기 주전극부(115)와 연결되지 않은 수직연결전극(111)은 인접한 반대전극을 가지는 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 수직방향으로 전기적 연결되도록 하여 효과적으로 절연된 두 가지 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층 배열을 실현할 수 있다.

상기의 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 공지된 동시 소성 기술을 이용하여 하나의 그린 시트(Green Sheet)상의 미소성 성형체에, 본 발명에 부합하는 패턴으로 도전성 금속층을 도포하여 주전극부(115)를 형성하고, 같은 방법으로 수직연결전극(111)패턴을 가진 그린시트를 준비하여, 이 두 그린 시트를 라미네이 션(Lamination) 및 동시 소성(Co-firing)에 의해 주전극부(115)와 수직연결전극(111)을 가지도록 제조할 수 있다.

더욱 바람직하게는 상술한 방법으로 플러스 및 마이너스전극(101,102)뿐만 아니라, 반대극성을 가지고 교대로 배열된 각 플러스 및 마이너스전극(101,102)들 간의 전기적 연결을 동시소성에 의해 하나의 적층물(104)로 형성시키는 것이지만,

동시소성과정에서는 각 기체유로를 형성함과 동시에 균일한 플라즈마 발생을 위한 전극 간격을 정밀하게 제어하는 것이 어려우며, 각 세라믹 그린 시트의 유기결합제와 적층물을 형성시키는 라미네이션(Lamination)과정에 사용되는 유기물 등을 배출시키는 탈지 공정이 매우 복잡하고, 높은 비용을 요구하므로 상업적 생산을 불리하게 만드는 단점이 있다.

하나의 대안으로 본 발명에서 제안하는 방법은 동시소성에 의해 도전성 전극을 절연시키는 방법을 대신하여, 두 개의 세라믹 소결체에 전극을 형성시키고, 이들을 접합하기 위해 세 전극부분을 제외한 전면 또는 수직연결전극 부분만 제외한 전면에, 접합이 가능한 Glass, 또는 세라믹 접합제를 도포, 탈지하여, 용융접합 또는 소결접합 등으로 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 구성하는 것이다.

또한, 2 개의 반대 극성을 가진 수직연결전극(111)을 제외한 전면에 Glass, 또는 세라믹 접합제를 도포하고, 탈지된 스페이서(103)를, 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 함께 용융접합 또는 소결접합으로 적층물(104)을 구성하는 것이다.

여기서, 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 제조하는 과정과, 스페이서(103)를 포함한 절연 적층물(104)을 구성하는 과정은 동시에 이루어질 수 있다.

Glass 용융접합이라 함은 보통 400~1000℃ 정도에서 완전히 용융되어 세라믹 표면에 비정질 상태로 결합층을 형성할 수 있는 것을 말하며, 세라믹 소결접합이라 함은 보통 1000℃~1600℃ 정도에서 세라믹 입자들의 성장, 수축, 또는 생성, 소멸 등을 통해 세라믹 표면에 비정질 상태와 결정 입자 상태가 혼합된 결합층을 형성할 수 있는 것을 말한다.

온도변화가 심한 환경에 노출되는 경우에, 세라믹 소결체의 소결온도와 세라믹 소결체의 접합온도와 많은 차이가 날 경우, 열적 불균형(Thermal Mismatch)이 심화될 수 있으며, 온도가 서로 같을 경우, 소결체의 변형이 일어나거나, 과소결에 의한 소결체 강도저하가 발생할수 있으므로 적절한 온도를 선택하는 것이 필요하다.

상기와 같은 방법은 소결된 세라믹 평판을 사용하기 때문에 일정간격을 가지고 적층되어야 하는 플러스 및 마이너스전극(101,102)이 변형될 가능성이 적으며, 전극 형성과 접합제를 도포, 탈지하는 과정이 접합하기 전에 쉽게 이루어질 수 있기 때문에 현실적으로 유용한 방법이다.

또 하나의 바람직한 방법은 공지된 기술인 동시소성방법으로 제조되어 주전극부(115)가 내장되어 있고, 2개의 수직연결전극(111)이 있어 이들 중 하나와 주전극부(115)를 연결하는 수평연결전극(116)으로 구성된 플러스 및 마이너스전극(101,102) 소결체와, 세라믹 소결체로 2개의 수직연결전극(111)으로 구성된 스페이서(103)를 세라믹 소결 접합으로 적층하는 것이다.

본 발명에 부합되는 플라즈마 반응기(100)의 플러스 및 마이너스전 극(101,102)은 유전체 세라믹 소결체를 이용하여 제조될 수 있으며, 기판 경계면으로부터 적절한 절연거리를 가지는 내부에 도전성 금속층이 형성되고, 이를 사이에 위치시켜 두 개의 유전체 세라믹이 접합된 주전극부(115)와 수평연결전극(116) 및 수직연결전극(111)으로 유전체 전극을 형성하게 된다.

이와 같은 구성은 하나의 적층물(104)에 서로 절연되어 있는 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 교대로 배열함에 있어서, 제한된 절연 공간을 효율적으로 배분할 수 있는 특징을 가지고 있다. 또한 서로 절연된 내부단자간의 선택적인 전기적 통로를 가지는 설계가 가능하기 때문에 이러한 전기적 통로들과 연결된 외부단자들의 배치는 자유롭게 이루어질 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 특징적 형상을 가진 플라즈마 반응기(100)에 적층되는 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 소결체의 한 면이 패턴화된 주전극부(115)와 수직연결전극(111), 수평연결전극(116)과 접합면(119)을 포함하고 있고, 다른 면은 2개의 수직연결전극(111)과 접합면(119)을 형성시켜 스페이서(103)와 접합될 수 있도록 준비하여 적층물(104)을 일시에 접합하는 방법이 있고, 성형체 내부에 상기의 배열로 도전성 전극막을 형성시켜서 동시소성을 하는 방법, 또는 세라믹 소결체 내부에 상기의 배열로 도전성 전극막을 형성시켜서 세라믹 소결접합에 의한, 전극이 내재된 세라믹 소결체를 먼저 준비하여 적층물(104)을 접합하는 방법이 있다.

상기의 세라믹 소결체는 공지의 다양한 세라믹 기판 제조기술에 의해 준비된 판형의 세라믹 소결체는 수직연결을 위한 하나 이상의 도전홀(117)이 적층부위 두 곳에 배치되어 있고, 공지된 종래의 기술로 접합면에 수직한 방향으로 기계적 강도를 강화시킬 수 있는 보강기둥(120)을 삽입 접합할 수 있는 기둥홀(121)이 적층부위 중앙 부분인 수직연결전극(111) 사이에 배치되어 있다. 또한, 본 발명에 의해 완성된 플라즈마 반응기(100)가 케이스에 고정을 용이하게 할 수 있도록 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층부위 양측에 돌출부(110)를 일체로 형성하여도 된다.

세라믹 소결체를 이용하여 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 구성함에 있어서, 주전극부(115), 수직연결전극(111), 수평연결전극(116) 등을 구성하는 전극 층은 도전성이 우수한 금속을 주성분으로 하는 것이 바람직하며, 주성분으로서 텅스텐, 몰리브데늄, 망간, 크롬, 니켈, 철, 은 동, 백금, 및 팔라듐으로 되는 무리로부터 적어도 한 종류의 금속을 선택하는 전극재료를 예로 들 수 있다.

또, 이 전극 층의 두께로서는 플라즈마 발생 전극의 소형화 및 배기가스 등을 처리하는 경우에, 마주보는 전극 상호간을 통과하는 유체의 저항을 감소시켜야 하는 등의 이유로, 0.01~0.1㎜인 것이 바람직하고, 0.01~0.015인 것이 보다 바람직하다.

상술한 전극 층은 세라믹 소결체에 막 형태로 구성되고, 구체적인 도포 방법으로, 예를 들면, 스크린 인쇄, 캘린더 롤(calendar roll), 스프레이(spray), 정전도장, 딥(dip), 나이프 코터(knife cotter), 화학증착, 또는 물리증착 등을 적절한 예로서 들 수 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 전도성 막이 형성된 후에 표면 평활성이 우수하고, 또한 두께가 얇은 전극 층을 용이하게 형성할 수 있다.

전극 층을 세라믹 소결체에 도포하는 때에는 전극 층이 주성분으로 하는 금 속의 분말과, 유기바인더와 터피네올 등의 용제를 혼합하여 도체 페이스트를 형성하고, 상술한 방법으로 세라믹 소결체에 도포하여 형성할 수 있다. 또 세라믹 소결체와의 밀착성 및 소결성을 향상시키도록 필요에 따라 상술한 도체 페이스트에 첨가제를 더해도 좋다.

내부에 전극 층을 가진 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 구성하기 위해서는 적절한 절연거리로 배치된 전극 층을 가지며, 서로 대칭인 두 개의 세라믹 판형 소결체를 접합할 수 있도록 접합면(119)을 형성시켜야 한다. 이와 같이 접합되는 두 개의 세라믹 판형 소결체의 접합되는 면에는 모두 수직연결전극(111)을 가지고 있으면서, 이들 중 적어도 한 개의 세라믹 판형 소결체에는 하나의 수직연결전극(111)과 수평연결전극(116)으로 연결된 주전극부(115)를 가지고 있어야 한다.

접합제는 수직연결전극(111)에 도포되지 않도록 하면서, 주전극부(115) 또는 수평연결전극(116)에 도포되지 않거나 도포되어도 상관없으며, 특별히 제한하는 것은 아니지만, 접합 또는 절연의 신뢰성을 높이기 위해서는 접합제가 도포되는 면적이 넓게 설계하는 것이 바람직하다.

접합제는 Glass용융, 또는 세라믹 소결에 의해 두 세라믹 소결체를 일체의 세라믹으로 접합이 가능한 것으로, 알루미나, 실리카, 지르코니아, 산화붕소, 산화나트륨, 산화칼륨, 산화칼슘, 산화마그네슘 등의 성분을 적절히 혼합하여 제조할 수 있다. Glass용융에 의한 접합은 상기의 성분들이 혼합된 입자들의 상이 비정질 형태로 되어 있는 것으로 비교적 저온에서 용융에 의한 접합을 할 수 있는 것이고, 세라믹 소결에 의한 접합은 상기의 성분들이 비정질 상 또는 결정질의 상이 혼합되 어서 용융된 비정질층뿐만 아니라, 결정질의 입자들의 결합된 형태가 포함된 접합을 말하는 것이다.

상기 결정질의 상을 대신하여 접합온도보다 높은 융점의 비정질의 상을 가진 입자를 사용하여도 무방하다. 세라믹 소결은 그 접합온도가 높을 뿐만 아니라, 산화분위기 또는 환원분위기 등 다양한 환경에서 접합이 가능한 특징을 가지고 있다.

종래의 기술에서는, 고온 동시소성에 의해 제조되어 신뢰성이 높은 절연성 유전체 전극으로, 일정한 간격을 가지는 전형적인 적층형 플라즈마 반응기 구조를 구성하기 위해서, 각 유전체 전극의 적층은 산화분위기의 Glass 용융에 의한 접합을 이용할 수밖에 없었기 때문에, 유전체 전극의 수직연결 홀(hole)을 포함하는 수직연결 전극부는 백금과 같이 고온에 견딜 수 있으며, 내산화성이 우수한 고가의 희귀금속을 사용할 수밖에 없었다.

즉, 고온 동시소성 방법을 사용하기 위해서는 우수한 도전성을 지니며 세라믹 소결온도에서 적절한 소결 결합이 가능하고 저가의 전극 재료이지만, 환원 분위기에서 안정한 W 또는 Mo 과 같은 고융점의 전극을 사용하기 때문에, 산화분위기에서 고온에 노출되는 공정에서는 수직연결부를 통해 열처리 분위기에 노출될 경우 산화되어 전기 전도성을 상실하게 된다.

이를 방지하기 위해서는 플러스 및 마이너스전극(101,102) 제조뿐만 아니라 적층 접합방법도 동시소성에 의해 제조되어야 하지만, 앞서 설명한 바와 같이 적층 접합을 동시소성에 의해 제조하고자 할 경우, 주전극부(115)의 전극면의 간격을 일정하게 제어하기 어렵다는 점과 구조물 내부에 포함된 유기물의 탈지를 위해서는 매우 불안정한 제조공정을 가질 수밖에 없는 등의 문제점이 있으므로 2종류의 전극체계를 사용할 수밖에 없다.

본 발명의 한 특징인 세라믹 소결에 의한 접합을 사용한다면, 전극의 재료를 2종류의 체계로 구성할 필요가 없고 저가의 우수한 장점을 가진 전극재료를 사용하는 것이 가능하게 된다.

Glass용융 또는 세라믹소결에 의한 접합제는 상기의 성분을 포함하는 Glass-세라믹 분말과 유기바인더와 터피네올 등의 용제를 혼합하여 접합제 페이스트를 형성하고, 스크린 인쇄, 캘린더 롤(calendar roll), 스프레이(spray) 등의 공지되어 있는 다양한 도막 형성방법으로 세라믹 전극 소결체에 도포하여 형성할 수 있다.

상기의 전극층을 가진 세라믹 소결체에 접합면(119)을 형성하고, 탈지 또는 탈지 및 준소결이 완료되면 접합이 가능한 상태가 된다.

상기의 세라믹 소결체를 이용한 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 제조는 단독으로 제조될 수도 있고, 적층 접합과 동시에 접합이 될 수 있는데, 후자의 경우 주전극부(115)가 있는 반대 면, 즉 스페이서(103)와 접합되는 면에는 전기적 수직연결 및 절연접합이 이루어지도록 두 수직연결전극(111)에 전극층을, 그리고 이를 제외한 면에 접합면(119)을 형성시켜서 탈지 또는 탈지 및 준소결이 완료된 상태가 되도록 한다.

또 플라즈마 발생 전극을 구성하는 판상의 세라믹체는 상술한 것처럼, 플러스 및 마이너스전극(101,102)으로서의 기능을 가지는 것이고 전극 층이 판상의 세라믹체 내부에 설치되는 상태로 사용함으로써, 전극 층 단독으로 방전을 행하는 경 우와 비교하여 스파크(spark) 등의 이상 방전을 감소시키게 하고, 작은 방전을 복수의 위치에서 생기게 하는 것이 가능해진다.

이와 같은 복수의 작은 방전은 스파크(spark)등의 방전에 비교하여 흐르는 전류가 적기 때문에, 소비 전력을 현저하게 낮출 수 있으며, 또한 플러스 및 마이너스전극(101,102) 상호간에 흐르는 전류가 제한되고, 온도 상승을 수반하지 않는, 소비 에너지가 적은 Non-Thermal Plasma를 발생시킬 수 있다.

판상의 세라믹 소결체는 유전율이 높은 재료를 주성분으로 하는 것이 바람직한데, 예를 들면, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소, 코디어라이트, 물라이트, 티탄-바륨계 산화물, 마그네슘-칼슘-티탄계 산화물, 바륨-티탄-아연계 산화물, 질화규소, 질화알루미늄 등을 적절히 이용할 수 있다.

내열 충격성이 우수한 재료를 주성분으로 하게 되면, 플라즈마 발생 전극을 고온 또는 온도 변화가 심한 조건하에 있어서도 운용하는 것이 가능해진다. 또 유전율이 높은 재료를 이용하는 경우, 방전 효율이 높기 때문에, 유전체 전극의 크기를 작게 하는 것이 가능해지고, 높은 열팽창에 의한 큰 변형으로 발생되는 열응력 감소시키게 할 수 있다.

본 발명의 특징적인 형상으로 제조하기 위한 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 제조방법은 세라믹 소결 접합 또는 Glass 용융접합에 한정되는 것이 아니고, 동시소성에 의해 소결된 유전체 전극을 사용하는 것도 가능하다.

널리 공지된 기술인 동시소성에 의해 유전체 전극을 구성함에 있어서, 주전극부(115), 수직연결전극(111), 수평연결전극(116) 등을 구성하는 전극 층은 도전 성이 우수한 금속을 주성분으로 하는 것이 바람직하며, 주성분으로서 텅스텐, 몰리브데늄, 망간, 크롬, 니켈, 철, 은 동, 백금, 및 팔라듐으로 되는 무리로부터 적어도 한 종류의 금속을 선택하는 전극재료를 예로 들 수 있다.

상술한 전극 층은 테이프상의 세라믹 성형체에 막 형태로 구성되고, 구체적인 도포 방법으로, 예를 들면, 스크린 인쇄, 캘린더 롤(calendar roll), 스프레이(spray), 정전도장, 딥(dip), 나이프 코터(knife cotter), 화학증착, 또는 물리증착 등을 적절한 예로서 들 수 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 막 형성 후의 표면 평활성이 우수하고, 또한 두께가 얇은 전극 층을 용이하게 형성할 수 있다.

전극 층을 테이프 상의 세라믹 성형체에 도포하는 때에는 전극 층의 주성분인 금속 분말과, 유기바인더와 터피네올 등의 용제를 혼합하여 도체 페이스트를 형성하고, 상술한 방법으로 테이프 상의 세라믹 성형체에 도포하여 형성할 수 있다. 또 테이프 상의 세라믹 성형체와의 밀착성 및 소결성을 향상시키도록 필요에 따라 상술한 도체 페이스트에 첨가제를 더해도 좋다.

테이프 상의 세라믹 성형체는, 세라믹 기판용의 세라믹 그린 시트를 적절히 이용할 수 있다. 이 세라믹 그린 시트는 그린 시트 제작용의 슬러리 또는 페이스트를 닥터블레이드법, 캘린더법, 인쇄법, 리버스 롤 코터 법, 압출법 등의 종래 공지의 방법에 따라, 소정의 두께가 되도록 성형하고 형성할 수 있다. 이와 같이 형성되는 세라믹 그린 시트는 절단, 절삭, 관통 구멍의 형상 등으로 가공을 하거나, 여러 장의 그린 시트를 적층한 상태로 열압착 등에 따라서 하나의 시트로 만들어진 적층물을 이용해도 좋다.

상술한 그린 시트 제작용의 슬러리 또는 페이스트는 소정의 세라믹 분말에 적당한 바인더, 소결 조제, 가소제, 분산제, 유기 용매 등을 배합하고 조정한 것을 적절히 이용할 수 있고, 예를 들면, 이 세라믹 분말로서는 알루미나, 물라이트, 코디어라이트, 질화규소, 질화알루미늄, 세라믹 유리, 유리 등의 분말을 적절한 예로서 들 수 있다. 또 소결 조제로서는 알루미나의 경우, 산화규소, 산화마그네슘, 산화칼슘, 산화티탄, 산화지르코늄 등을 적절한 예로서 들 수 있다. 또한, 소결조제는 세라믹 분말 100질량부에 대하여, 3~10질량부 더하는 것이 바람직하다. 가소제, 분산제, 및 유기 용매에 관해서는, 종래 공지의 방법에 사용되고 있는 가소제, 분산제 및 유기 용매를 적절히 이용할 수 있다.

또한, 판상의 세라믹체의 기공률은 0.1~35%인 것이 바람직하고, 0.1~10%인 것이 더욱 바람직하다. 이처럼 구성하는 것에 의해, 서로 마주 보는 전극 간에 효율적으로 플라즈마를 발생시킨 것이 가능해지고, 저에너지화를 실현할 수 있다.

전극 층과 Glass 용융이나 세라믹 소결에 의해 접합이 가능한 접합층이 형성된 두 장의 세라믹판 소결체들, 이러한 세라믹 소결체로 접합된 유전체 전극, 또는 고온 동시소성에 의해 제조된 유전체 전극 등으로 적층형 플라즈마 반응기를 제조하기 위해, 기체 유로를 가짐과 동시에 플라즈마 반응 영역을 제공하는 일정한 간격을 제공하며, 한편 반대 극성으로 구성 배치된 수직연결선을 서로 또는 외부 케이스 등과 절연거리를 확보하게 해 주는 기능의 스페이서(103)는 다음과 같이 준비된다.

앞서 설명한 바와 같이, 다양한 접합 방법 중 동시 소성에 의한 적층 접합은 많은 문제점을 가지고 있으므로, 적층 접합은 세라믹 소결 또는 Glass 용융에 의한 접합방법이 바람직하며, 스페이서(103)는 이러한 접합 방법에 적용될 수 있도록 준비된다.

세라믹판 소결체로서 스페이서(103)는 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층부위와 동일한 형상을 가진다. 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 접합되어 하나의 적층물(104)을 형성시키는 스페이서(103)는 두 개의 반대극성을 가진 수직연결전극(111)과 이들을 제외한 접합면(119)이 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 접합되는 양면에 형성된다.

여기서 수직연결전극(111)은 하나 이상의 도전홀(117)을 포함하고 있으며, 공지된 종래의 기술로 도전홀(117)의 내부가 도전재(118)로 채워져 있거나(Via-Fill), 내부 면이 도전성 금속과 같은 도전재(118)로 도포하여(Through-Hole), 서로 반대 면에 위치한 수직연결전극(111)과 전기적으로 연결할 수 있다.

상기의 스페이서(103)는 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 열적, 기계적 특성이 비슷하며, 전기적으로 절연능력이 우수한 재료를 선택하는 것이 바람직한데, 예를 들면, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 산화규소, 코디어라이트, 물라이트, 티탄-바륨계 산화물, 마그네슘-칼슘-티탄계 산화물, 바륨-티탄-아연계 산화물, 질화규소, 질화알루미늄 등에서 적어도 하나의 재료를 선택하여 적절히 이용할 수 있다.

상기 방법으로 제조된 플러스 및 마이너스전극(101,102), 또는 적층접합에 의해 하나의 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 형성할 수 있는 대칭의 두 전극 세라믹 소결체들은 인접한 플러스 및 마이너스전극(101,102)과는 전기적으로 절연되어 있으면서, 인접한 두 플러스 및 마이너스전극(101,102) 간에는 전기적으로 연결된 구조로 배열하여 적층을 구성한다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102), 스페이서(103) 등, 적층 배열되는 부위에 수직연결전극(111)을 구성하는 도전성 전극층은 접합되는 부위의 수직연결전극(111)을 구성하는 도전성 전극층과 접촉 접합되면서, 같은 면에 반대극성을 가진 수직연결전극(111)과, 그리고 스페이서(103)의 가장자리와 절연을 유지하는 접합면(119)으로 구성되는 것이 바람직하다.

적층을 위한 접합은 동시소성법, Glass 용융, 세라믹 소결 등의 방법을 이용할 수 있으나, 동시소성법은 소결과정에서 기체유로를 형성하는 간격을 정밀하게 제어하기가 곤란하며, 그린시트 및 전극도포 등의 단계와 적층 밀착(Lamination)단계 등에 사용되는 유기결합제, 유기용매 등이 다량 함유되어 있어 이들을 탈지하는 공정이 매우 불안정한 것이기 때문에, 대량 생산에 적용하는 것은 바람직하지 않다.

반면, 세라믹소결 또는 Glass용융에 의한 접합방법은 이미 소결이 완료된 소결체를 사용하기 때문에 접합과정에서 휘어짐 등의 변형이 발생하지 않도록 할 수 있으며, 접합 전 단계에서 손쉽게 탈지 또는 준소결(Semi-firing) 등을 용이하게 할 수 있기 때문에, 공정을 제어하기 쉽고, 신뢰성 있는 절연 적층물을 구성하는 것이 가능하게 된다.

보다 바람직한 방법은 세라믹소결에 의한 접합으로, 동시소성 또는 세라믹 소결접합에 의해 제조된 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 제조환경, 즉 유사한 온도와 유사한 분위기에서 접합할 수 있는 방법이므로 열적 균형 또는 절연신뢰성을 동시소성에 의한 공법과 유사한 결과물을 얻는 것이 가능하게 한다.

또한 접합단계에서 접합 층과 수직방향으로 보강기둥(120)을 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 스페이서(103)에 형성되는 기둥홀(121)에 삽입시켜 접합함으로서 적층되는 플러스 및 마이너스전극(101,102) 및 스페이서(103)의 강도를 증진시키며, 접합 과정에서 수직연결전극(111)의 위치와 접합면(119)의 위치가 쉽게 정렬된 접합이 이루어지게 하는 효과를 가질 수 있도록 한다.

상기 보강기둥(120)의 삽입되는 위치는 정렬이 용이한 위치, 절연 거리 등을 고려하는 것이 바람직하며, 적층물의 내부 또는 외부와 접하여 이루어지는 것이 바람직하다. 특히, 플러스 및 마이너스전극(101,102)와 스페이서(103)의 내부 위치보다는 외부에 접하는 위치에 삽입하여 접합하는 것이, 그 허용되는 삽입공차가 커서 보강기둥(120)과 기둥홀(121)의 가공이 용이하고, 적층 배열 및 조립 시 그 방법이 더 간단하여, 생산성 및 제조 신뢰성을 높일 수 있기 때문에 더욱 바람직하다.

상기 보강기둥(120)의 단면 형상은 원형의 튜브나 봉 또는 다각형의 튜브나 봉 등, 어떠한 형상이더라도 본 발명의 특징을 적용시키는 것이 가능하다. 이들의 재질은, 알루미나, 실리카, 코디어라이트, 지르코니아, 물라이트, 질화 규소, 질화알루미늄, 등 내열충격성, 강도가 높고 접합제로 접합이 가능하며, 적절한 절연능력을 지닌 것이 바람직하다.

도 8내지 도 12은 본 발명의 기술이 적용되는 플라즈마 반응기의 열충격에 따른 손상과 변형을 방지하기 위한 변형방지수단을 적용한 상태의 도면이다.

본 발명에서 제안하는 플라즈마 반응기(100)의 구조적 형상은 열충격을 구조적으로 흡수할 수 있는 특징을 가지고 있다.

각 대향하는 플러스 및 마이너스전극(101,102)면 사이에 기체의 흐름 경로가 형성되어 있는 플라즈마 반응기(100)의 특성상, 플러스 및 마이너스전극(101,102)부의 표면 온도는 기체의 온도와 신속한 열교환이 일어나면서, 온도의 변화속도가 빠르게 일어날 수 있다.

이러한 구조적인 환경은 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 열팽창계수에 따른 변형, 즉 팽창 수축을 수반하게 되는데, 이때 그 변형이 자유롭지 못할 경우, 재료는 강한 응력을 가지게 되고, 그 응력이 재료의 취약부에 집중될 경우, 균열 또는 파괴가 일어날 수 있다.

또한, 플러스 및 마이너스전극(101,102)이 온도변화에 따라 열팽창 수축으로 변형이 자유로울 수 있다고 하더라도, 특히 그 변화의 폭이 크거나 급격할 경우, 전극면 전체에 강한 인장응력 또는 압축응력이 한 방향으로 발생할 수가 있다.

따라서, 이와 같은 상황에서도 재료의 파괴를 방지할 수 있도록 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 형성하는 변형방지수단(107)은, 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 가장자리에 적절한 크기와 간격을 유지하게 형성하는 틈(slit;122), 또는 호(arc;123)를 형성시키거나, 내부에 적절한 구멍(hole;124)을 형성하여도 된다.

이러한 형상은 온도변화에 따라 전극면이 팽창, 수축 등의 변형으로 인해 어 느 한 방향으로 응력이 발생하는 상황에서도, 그 응력의 방향을 전극면 전체에 분산시켜서, 재료의 파괴를 최소화시킬 수 있는 특징을 가지고 있다.

급격하게 온도가 변화하는 환경에서 재료파괴를 방지하는 또 하나의 관점은 하나의 결합체로 일체화된 플라즈마 반응기(100)에서 온도의 차이가 어느 한 부분에 집중되지 않도록 하는 것이다.

즉, 열교환이 쉽게 일어나 기체의 온도와 쉽게 평형상태에 도달할 수 있는 유전체 전극의 주전극부(115)의 영역과 상대적으로 열용량이 높아 기체의 온도와 쉽게 평형상태에 도달하지 못하는 적층물(104)의 경계면은 매우 큰 온도 기울기를 가지고 있다.

따라서, 이러한 부분의 온도 기울기를 완만하게 하기 위하여 적층물(104)의 열용량을 줄이고, 원활한 열교환을 위해 적층물(104)의 표면을 증가시키는 것은 바람직한 방법이 된다.

또한, 주전극부(115)의 폭(125)이 수직연결전극(111)의 폭(126)보다 좁고 주전극부(115)와 수직연결전극(111)의 연결부(127)는 기체의 흐름 통로에 속하도록 하거나, 스페이서(103)가 기체의 유로까지 확장된 형태와 적층물(104) 내부로 줄어든 형태가 교대로 배열된 형상을 가지도록 구성하는 것도 바람직하다.

도 13은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 외부단자 위치의 가변상태를 도시한 사시도이다.

본 발명의 구성에서, 외부단자(108,109)의 위치는, 기체가 통과하는 통로(106)가 형성됨과 동시에 플라즈마가 발생하는 영역에 속한 면을 제외한 반응기 바디(105)의 어느 한 면에 적절히 배치할 수 있으며, 같은 면에 또는 서로 다른 면에 필요로 하는 절연거리를 유지하면서 동일면 또는 서로 다른 면에 위치시킬 수 있다.

또한 케이스(128)에 고정된 플라즈마 반응기(100)가 놓이는 주변 환경에 따라 외부단자(108,109)의 위치는 서로 마주 보도록 놓아야 할 수도 있고, 직각으로 또는 특정한 각도로 놓여야 할 수 있으므로 하나의 적층물(104)에 두 개의 외부단자(108,109)를 위치시키는 것은 전원연결의 방법을 제한하지 않을 뿐만 아니라, 다양한 해결방법을 제시한다.

또한 반대 극성의 전원 단자 또는 케이스(128)와의 절연거리를 최대한 안전하게 확보할 수 있는 방법으로 외부단자(108,109)부분은 반응기바디(105) 표면에서 내부 쪽으로 후퇴한 면에 위치시키고, 그 주변부의 적층물(104) 표면은 적절한 높이로 돌출시켜서 기둥을 형성시키면, 제한된 범위에서도 충분한 절연거리를 확보할 수 있다.

본 발명은 케이스(128)에 삽입되는 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 기체가 통과하는 통로(106)가 있는 면에 인접한 표면에 적절한 돌출부(110)가 있어서 플라즈마 반응기(100)가 위치해야 하는 케이스(128)에 쉽게 고정될 수 있도록 함으로서 보다 용이하고 단순하게 고정시킬 수 있다.

도 15는 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 외부단자 인출의 다른예를 도시한 구성도이다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102) 중 고전압을 인가받는 플러스전 극(101)과 접지를 수행하는 마이너스전극(102)들이 각각 분리되어 외부전원과 연결되기 위해 각 위치에 놓인 단위 전극과 스페이서(103)의 수직연결전극(111)는 외부전원이 연결되는 방향의 표면(129)에 연결되도록 구성하여 외부단자(108,109)를 형성시킨다.

상기 외부단자(108,109)는 플라즈마 반응기(100)가 장착되는 케이스(128) 또는 외부단자(108,109)의 전극부에 전원을 공급하는 반대 극성의 금속단자로부터 충분한 절연거리를 확보하기 위하여 외부단자(108,109)의 전극이 적층물(104) 표면보다 내부에 위치시키고 외부전극부와 인접한 적층물(104)의 표면을 돌출되도록 구성할 수 있다.

이와 같은 구성으로 전원을 공급하는 반대극성의 외부단자(108,109) 간의 거리에 대한 제약을 적게 받을 수 있으며, 보다 신뢰성 있도록 절연거리를 유지하는 설계가 가능하도록 한다.

플라즈마 반응기(100)가 반복적으로 고온에 노출되는 환경에 있을 경우, 상기 외부단자(108,109) 표면의 내식성 또는 내산화성을 증가시키기 위해 전해 Ni도금 또는 Ni-B 등의 무전해 도금으로 Ni 도금층을 형성시키고, 내산화성 은납재(Brazing Filler), 예를 들어 Ag 등으로 적절히 절첩된 금속 Sheet를 브레이징하는 구성을 사용할 수 있다. 상기의 금속 sheet는 Ni, 또는 Ni-Fe계 합금 등을 사용하는 것이 가능하다.

또 하나의 방법으로, 적층 및 접합 소결하는 단계에서, 수직연결을 위한 내부단자와 외부단자(108,109)를 연결하는 부분의 스페이서(103)와 플러스 및 마이너 스전극(101,102)의 수직연결전극(111)이 맞닿는 곳에 금속 Sheet를 삽입하여 적층 및 소결하여 전기적으로 연결하는 것이다.

이러한 금속 sheet의 용융점은 접합온도와 같거나 높은 재료이며, 내부단자에 사용된 금속층과 접합소결 온도 및 그 분위기에서 물리화학적으로 반응하여 결합할 수 있는 재료로서, Ni, Mo, W, Ni-Fe계 합금 등에서 선택할 수 있다.

내부단자에 연결된 금속Sheet는 필요에 따라 도금 및 내산화성 금속을, 예를 들어 Ag, 용융브레이징에 처리하여, 표면의 내식성을 강화시킬 수 있다. 외부전원용 플러그가 일정한 압력으로 단자부와 접촉하는 경우에는 절첩하여 내부단자와 연결된 외부단자(108,109)를 형성시킬 수 있으며, 외부전원용 전선을 상기 금속sheet와 브레이징 납땜, 용접, 압착 등의 방법으로 연결할 수 있다.

도 16은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 자유단제한구의 1예를 도시한 단면도, 도 17은 본 발명의 기술이 적용된 플라즈마 반응기의 자유단제한구의 2예를 도시한 단면도이다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 한 측면은 적층물(104)에 고정되어 있고, 다른 한 측면은 자유단 형태로 유지되게 제조되는 데, 플라즈마 반응기(100)가 다양한 진동에 노출되는 경우, 특히, 플라즈마 발생 영역에 놓인 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 길이가 긴 경우에는 적층물(104)의 반대 위치에 있는 자유단 부위는 그 변형량이 커질 수 있다.

상기 적층물(104)의 반대위치에 놓인 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 자유단부위는 자유로운 팽창, 수축이 적층물에 수평 방향으로 가능할 뿐만 아니라, 적층물에 수직 방향으로도 과도한 변형량으로 움직이는 것이 가능하게 된다.

이와 같은 상황에 놓일 경우, 플라즈마 발생의 균일성이 상실될 수도 있으며, 유전체 전극의 파괴를 유발할 수 있다. 따라서, 유전체 전극의 변형에 대해, 특히 적층물(104)의 수직 방향으로 과도한 변형이 발생하지 않도록 그 변형량을 제한해야 할 경우에는 자유단제한구(130)를 더 구비한다.

상기 자유단제한구(130)는 각 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 자유단부에 제한물(131)을 고정되거나 접합하는 방법을 사용할 수 있는데, 전체적으로는 플러스 및 마이너스전극(101,102)이 적층물(104)의 수평 방향으로 팽창 수축을 자유롭게 하기 위해서 플러스 및 마이너스전극(101,102) 간의 고정은 이루어지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

상기 제한물(131)의 한 면은 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 한 면에 고정 또는 접합되고, 다른 한 면은 떨어진 상태로 유지되게 하는 것이다.

물론, 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 자유단부를 관통하는 봉이나 튜브와 같은 유지구(132)에 제한물(131)이 유지되도록 하여도 되며, 이 경우 제한물(131)은 어느 한 측면에도 접합, 고정되지 않도록 하여도 상관이 없다.

즉, 적층물(104)에 수직 방향으로의 변형량만 제한할 수 있으며, 수평 방향으로는 그 팽창 수축을 제한하지 않도록 접합, 고정하는 것이 바람직하다.

상기 제한물(131)의 형상은 특별히 제한하지 않으며, 높이는 플러스 및 마이너스전극(101,102) 간의 간격에 대해 0.9~1.0배로 하는 것이 바람직하고, 그 크기는 플라즈마 발생 영역을 방해하지 않는 정도의 크기이면 본 발명의 목적에 부합될 수 있다.

상기 제한물(131)의 위치는 적층물(104)의 측면에 형성된 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 어느 부분에 위치하여도 상관없으나, 보다 바람직한 위치는 적층물(104)의 반대편, 즉, 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 수직 방향으로 가장 큰 변형량이 예상되는 부분에 설치되어야 하며, 기체의 흐름 및, 플라즈마 발생의 균일한 방전을 방해하지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.

또, 도시는 생략하지만, 본 실시의 형태의 플라즈마 반응기(100)에 있어서는, 플라즈마 발생 전극에 전압을 인가하기 위한 전원을 구비하고 있어도 좋다. 이 전원에 관해서는 플라즈마를 유효하게 발생시킬 수 있는 전기를 공급할 수 있는 것이면, 종래 공지의 전원을 이용할 수 있다.

또, 본 실시의 형태의 플라즈마 반응기에 있어서는 전원을 가진 구성으로 하지 않고, 외부의 전원으로부터 전류를 공급하는 구성으로 하여도 좋다.

본 실시의 형태에 사용되는 플라즈마 발생 전극에 공급하는 전류에 관해서는 발생시킨 플라즈마의 강도에 따라서 적절하게 선택하고 결정될 수 있다. 예를 들면, 플라즈마 반응기를 자동차의 배기계 중에 설치하는 경우에는, 플라즈마 발생 전극에 공급하는 전원은, 전압이 1㎸이상의 직류 전류, 피크(peak) 전압이 1㎸이상이면서 1초당의 펄스(pulse) 수가 100 이상(100㎐이상)인 펄스(Pulse) 전류, 피크(peak)전압이 1㎸이상이면서 주파수가 100 이상(100㎐이상)인 교류(Pulse) 전류, 또는 이러한 어느 쪽이든 둘을 중첩하게 되는 전류인 것이 바람직하다. 이처럼 구성하는 것에 의해, 효율적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

이와 같이 제조되어 케이스(128)에 삽입된 플라즈마 반응기(100)는 기체 온도의 변화가 심한 환경이나, 절연을 방해할 수 있는 다양한 부식성 기체, 수분, 입자상 유해 물질 등이 함유된 기체의 환경뿐만 아니라, 기계적 진동이 심한 환경에서도 균일하고 안정적인 운전이 가능하게 되는 특징적인 장점을 가지게 된다.

도 18은 본 발명의 2실시예가 적용된 플라즈마 반응기의 전극을 도시한 전개도, 도 19는 도 18에 도시된 플라즈마 반응기에 적용된 전극의 결합상태도, 도 20은 도 18에 도시된 플라즈마 반응기를 케이스와 결합한 상태를 도시한 단면도이다.

본 발명의 특징을 확인할 수 있는 2실시예로서, 개별적으로 외부단자(108,109)를 가진 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 제조하여 편향된 위치에 외부단자(108,109)를 가지는 적층물(104)로서 Glass용융 접합된 플라즈마 반응기(100)의 제조 방법을 설명한다.

플라즈마 발생 전극을 제조하는 하나의 예로서, 비교적 저가의 전극재료인 W, Mo등을 사용하고, 유전율과 절연성이 높으며, 유전강도가 우수한 알루미나계의 세라믹을 사용하여 유전체 전극을 제조할 수 있다.

이를 제조하는 방법은 도전성 전극 층이 두 세라믹 그린 시트 사이에 내재된 동시소성법이 있고, 두 세라믹 소결체 사이에 도전성 전극층과 접합층 형성시켜, 세라믹 소결 접합으로 도전성 전극이 내재된 유전체 전극을 사용할 수 있다.

접합되는 2종의 세라믹 소결체 또는 세라믹 그린시트로 주전극부(115)와 주전극부(115)로부터 인출되는 외부전극(135)를 가지는 전극시트(133)와 외부단자 홀(136)과 인출홀(137)을 가지는 접합시트(134)로 구성된다.

접합이 가능한 두 장의 전극시트(133)와 접합시트(134)는 외부전극(135)과 외부단자홀(136)이 일치하도록 마주보며 접합소결, 또는 라미네이션 및 동시소성을 하여 전극이 내장된 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 제조한다.

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 외부전극(135)에 Ni 전해도금, 또는 무전해 Ni-B등으로 도금 처리하여 Ag은납재를 사용하여 Ni선 등으로 Brazing하는 데, 이 때 외부전극(135) 또는 Ni선의 산화를 방지하기 위하여 단자와이어(138)를 니켈시트(140)가 덮고 있는 형상으로 제조하는 것이 바람직하다.

상기 단자와이어(138)를 외부전극(135)에 Brazing접합을 할 때, Brazing접합이 되는 단자와이어(138)와 은납재(139)(Wire, Sheet 또는 페이스트)를 외부전극(135)에 위치시키고, Ni Sheet(140)로 그 위에 덮어서 용융브레이징을 실시한다.

이렇게 함으로서 Brazing 접합되는 단자와이어(138)와 외부전극(135) 사이에 놓여 용융 접합된 Ag층이 단자와이어(138)의 외경과 니켈Sheet(140)의 전 표면에 형성되기 때문에 산화분위기, 1000℃이하에서 간단한 열처리 과정에서는 외부전극(135)이 산화되지 않도록 방지할 수 있다.

여기서 단자와이어(138)는 구체적으로 Ni와이어(141) 2가닥 이상, Ag와이어(142) 1가닥 이상으로 구성되어, 브레이징 중에 Ni와이어(141) 표면이 은납재(139)로 용융 코팅되도록 할 수 있기 때문에, 산화분위기, Glass용융에 의한 적층 접합시 산화되지 않도록 방지할 수 있으며, 전원 연결을 위해 납땜도 가능하게 된다.

상기 외부전극(135)에 산화방지 처리가 된 플러스 및 마이너스전극(101,102)과, 스페이서(103)에 Glass용융 접합이 가능한 접합제를 도포하여 적층 접합하며, 이 때, 기둥홀(121)에 보강기둥(120)을 삽입하여 수직접합 연결을 강화시킬 수 있다. 접합 후, 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 외부전극(135)에 연결된 단자와이어(138)를 정렬홈(143)에 같은 극성끼리 정렬시키고, 적층물(104)을 적절한 케이스(128)에 삽입하여 고정시킨다.

상기와 같은 플라즈마 반응기(100)는 개별적으로 인출된 단자와이어(138)에 의해 각 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 전원을 공급할 수 있으며, 서로 반대되는 극성의 단자와이어(138)끼리, 또는 케이스(128)와 단자와이어(138)가 절연될 수 있도록 별도의 절연물(144)을 적층물(104)과 케이스(128) 사이에 삽입할 수 있다.

이와 같은 구성은, 방전을 위한 고전압 전원을 공급하기 위한 외부단자(108,109)들을 적층물(104)의 한 쪽에 모두 절연시켜 두 개의 반대극성을 가진 전원에 연결한 것으로, 적층물(104) 간의 열적 불균형(Thermal Mismatch)에도 불구하고, 이러한 구성이 가능한 것은 케이스(128)에 장착할 때 전원 공급부를 열변화가 심한 기체 유동 통로로부터 영향을 적게 받거나, 받지 않도록 구성할 수 있는 본 고안의 특징 때문이다. 따라서. 다양한 접합 적층에 의해 적층물간의 접합층에 다소 열적 불균형이 존재하더라도, 파괴에 이르지 않도록 할 수 있는 독특한 구성이라고 할 수 있다.

도 21은 본 발명의 3실시예가 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 정단면 및 측단면도이다.

본 발명의 특징을 표현하는 또 다른 하나의 실시 예로서 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 튜브형으로 하여 플라즈마 반응기(100)를 구성하고 있다.

도전성 전극층 또는 금속봉이 내장된 튜브타입(145)으로 구성하여 한 방향으로 배열하고, 서로 다른 극성을 지닌 튜브(145)를 같은 방향으로 적절한 간격을 두고 배열하여 플라즈마 발생이 가능하게 하고, 서로 다른 극성을 가지는 튜브(145)의 외부단자선의 위치를 적층물(104)의 다른 높이에서 집전시켜서 적절한 절연거리를 가지게 할 수 있게 한 것이다.

도 22는 본 발명의 4실시예가 적용된 플라즈마 반응기를 도시한 사시도이다.

플러스 및 마이너스전극(101,102)을 평판타입(146)과 튜브타입(145)을 혼합하여 이용한 것으로 서로 다른 극성의 외부단자가 다른 적층물(104)의 다른 높이에서 집전시켜서 적절한 거리를 가지게 할 수 있다.

도 23은 본 발명의 기술이 적용된 3실시예와 4실시예의 변형예를 도시한 것으로서, 튜브타입(145) 또는 평판타입의 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 수직연결전극(111)을 가지는 평판(150)을 적층하여 반응기바디(105)를 구성하고, 상기 반응기바디(105)에 형성되는 튜브홀(151)과 전극홀(152)에 튜브타입(145) 또는 평판타입의 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 반응기바디(105)의 적층방향에 대하여 수직이 되게 삽입한 후 반응기바디(105)와 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 동시에 결합시켜 플라즈마 반응기(100)를 만들어도 된다.

이와 같이 만들어진, 플라즈마 반응기(100)는 1,2실시예의 플라즈마 반응 기(100)의 장점을 그대로 유지하면서 반응기바디(105)에 접합 또는 결합된 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 구조적인 강도를 증진시킬 수 있으며 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 수직연결전극(111)간의 효과적인 통전이 가능하고 배선의 간편성과 반대극성과의 절연 통제가 용이한 장점을 가진다.

상기와 같은 본 발명은 플라즈마 발생 전극을 한 쪽으로 배치시켜 다중 셀의 플라즈마 반응기를 제조하는 방법은 다양한 전극형태에 의해서도 시행될 수 있으며, 다양한 사용 환경에 적용되어 우수한 내열 충격성, 절연성을 가지고 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 구조를 가지게 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 플라즈마 반응기는 기체의 온도변화가 매우 심한 환경이나, 부식성 기체, 입자상의 유해물질, 다량의 수분 등이 함유되어 절연성을 취약하게 할 수 있는 다양한 환경, 예를 들어 자동차 엔진의 배기가스, 각종의 고온 소각로의 배기가스를 정화시키는 시스템의 일부로서, 또는 고농도의 오존수를 제조하는 오존 발생기 등의 다양한 응용 제품으로서, 신뢰성 있는 내구성을 가지고, 안정적이며 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있는 성능을 가지도록 할 수 있다. 또한, 각종 시스템이 요구하는 위치에 간단하고 효율적으로 장착 운전할 수 있는 구조를 가지고 있으므로 상업적 적용을 확대할 수 있는 많은 효과를 기대하게 하는 발명이다.

Claims

플러스전극(101)과 마이너스전극(102) 및 스페이서(103)를 순차적으로 적층하여 적층물(104)을 구성하고;

상기 적층물(104)은 적층물(104)의 일측에만 적층물(104)을 유지하는 반응기바디(105)와;

상기 플러스전극(101)과 마이너스전극(102)은 스페이서(103)에 의하여 기체가 통과할 수 있는 통로(106)를 가지도록 교대로 반복하여 배열하고;

상기 플러스전극(101)과 마이너스전극(102)에는 열팽창 수축 등에 의해 국부적으로 열응력이 발생하지 않도록 방지하여 열충격 성능을 높일 수 있도록 응력을 분산시킬 수 있도록 변형방지수단(107)을 더 구비하고;

상기 반응기바디(105)에는 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 연결하기 위한 외부단자(108,109)를 구비하고;

상기 반응기바디(105)의 표면에 적층물(104)의 적층 방향과 수직 방향으로 형성하여 케이스에 간단하게 고정시킬 수 있는 돌출부(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 도전성 전극을 내장하여 인접한 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)과는 절연되어 있으면서, 인접한 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)들 간에는 전기적으로 동일한 극성을 가지도록 연결하는 수직연결전극(111)을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)들은 서로 수직연결전극(111)으로 연결되어 적층물(104)을 고정하는 반응기바디(105)의 표면에 구비되는 외부단자(108,109)에 연결되고,

상기 외부단자(108,109)는 펄스 또는 교류 전원에 연결되어 마주보는 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 내장되는 도전성전극영역에서 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 플라즈마를 발생시키는 영역의 주전극부(115)를 플러스 및 마이너스전극(101,102) 전반에 걸쳐 형성하고;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층부위에 구비하는 두 개의 수직연결전극(111)과;

상기 두 개의 수직연결전극(111) 중 하나와 주전극부(115)를 연결하는 수평연결전극(116)으로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 하나의 그린 시트(Green Sheet)상의 미소성 성형체에;

도전성 금속층을 도포하여 주전극부(115)와 수직연결전극(111) 턴을 가진 그린시트를 준비하고;

상기 두 그린 시트를 라미네이션(Lamination) 또는 동시소성(Co-firing)에 의해 주전극부(115)와 수직연결전극(111)을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 스페이서(103)는 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 접합되어 하나의 적층물(104)을 형성하도록 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층부위와 동일한 형상을 가지도록 하고;

상기 스페이서(103)는 두 개의 반대극성을 가진 수직연결전극(111)과;

상기 수직연결전극(111)을 제외한 접합면(119)이 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 접합되는 양면에 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 변형방지수단(107)은, 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 가장자리에 형성하는 틈(slit;122) 또는 호(123)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 변형방지수단(107)은 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 내부에 형성하는 구멍(hole;124)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 변형방지수단(107)은 기체가 통과하는 통로(106)까지 확장된 형태의 스페이서(103)와;

상기 적층물(104) 내부로 줄어든 형태의 스페이서(103)가 교대로 배열되게 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 적층물(104)의 적층물(104)의 열용량을 줄이면서 원활한 열교환이 가능하도록 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 주전극부(115) 폭(125)이 수직연결전극(111)의 폭(126)보다 좁고 주전극부(115)와 수직연결전극(111)의 연결부(127)는 기체의 흐름 통로에 속하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 외부단자(108,109)는 기체가 통과하는 통로(106)가 형성됨과 동시에 플라즈마가 발생하는 영역에 속한 면을 제외한 반응기바디(105)의 어느 한 면 또는 다른 면에 절연거리를 유지하여 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)에는 적층물(104)의 수직 방향으로 과도한 변형이 발생하지 않도록 그 변형량을 제한할 수 있는 자유단제한구(130)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 주전극부(115)와;

상기 주전극부(115)로부터 인출되는 외부전극(135)를 가지는 전극시트(133)와;

외부단자홀(136)과 인출홀(137)을 가지는 접합시트(134)로 구성하고;

상기 전극시트(133)와 접합시트(134)는 외부전극(135)과 외부단자홀(136)이 일치하도록 마주보게 접합하고;

상기 외부전극(135)에는 외부단자(108,109)인출을 단자와이어(138)를 연결하고;

상기 단자와이어(138)는 산화방지가 되도록 니켈시트(140)로 덮어서 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 스페이서(103)의 접합부위에는 접 합 층과 수직방향으로 강도를 증진시키고 수직연결전극(111)의 위치와 접합면(119)의 위치가 쉽게 정렬을 용이하게 할 수 있도록 보강기둥(120)을 삽입할 수 있는 기둥홀(121)을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 도전성 전극층 또는 금속봉이 내장된 튜브타입(145)으로 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 1 항에 있어서;

상기 플러스 및 마이너스전극(101,102)은 평판타입(146)과 튜브타입(145)을 혼합하여 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서;

상기 튜브타입(145) 또는 평판타입의 플러스 및 마이너스전극(101,102)는 수직연결전극(111)을 가지는 평판(150)을 적층하여 구비되는 반응기바디(105)에 형성되는 튜브홀(151)과 전극홀(152)에 반응기바디(105)의 적층방향에 대하여 수직이 되게 삽입한 후 반응기바디(105)와 플러스 및 마이너스전극(101,102)을 동시에 결합시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 2 항에 있어서;

상기 수직연결전극(111)은 플러스 및 마이너스전극(101,102)면에 대하여 수직방향으로 관통하는 하나 이상의 도전홀(117)을 포함하고;

상기 도전홀(117)에 채워지는 도전재(118) 또는,

상기 도전홀(117)의 내부 표면에 도포하는 도전재(118)에 의하여 도전홀(117)을 포함하는 두 면의 전극 간에 전기적 연결을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 4 항에 있어서;

상기 주전극부(115)와 연결되지 않은 수직연결전극(111)은 인접한 반대전극을 가지는 플러스 및 마이너스전극(101,102)과 수직방향으로 전기적 연결하여 절연된 두 가지 반대 극성의 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 적층 배열을 실현할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 12 항에 있어서;

상기 자유단제한구(130)는 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 자유단부에 제한물(131)을 고정 또는 접합하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 13 항에 있어서;

상기 제한물(131)은 플러스 및 마이너스전극(101,102)이 적층물(104)의 수평 방향으로 팽창 수축을 자유롭게 할 수 있도록 제한물(131)의 한 면은 플러스 및 마 이너스전극(101,102)의 한 면에 고정 또는 접합되고, 다른 한 면은 떨어진 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 13 항에 있어서;

상기 제한물(131)은 플러스 및 마이너스전극(101,102)의 자유단부를 관통하는 유지구(132)에 접한 또는 고정하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 13 항에 있어서;

상기 제한물(131)의 높이는 플러스 및 마이너스전극(101,102) 간의 간격에 대해 0.9~1.0배로 하는 것이 바람직하고, 그 크기는 플라즈마 발생 영역을 방해하지 않는 정도의 크기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.
제 13 항에 있어서;

상기 제한물(131)의 위치는 플러스 및 마이너스전극(101,102)에 수직 방향으로 가장 큰 변형량이 예상되고 기체의 흐름 및, 플라즈마 발생의 균일한 방전을 방해하지 않는 곳에 구성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 반응기.