KR100784413B1 - 플라즈마 아크 토치 및 그 플라즈마 아크 토치를 이용한스크러버 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 아크 토치 및 이를 이용한 스크러버에 관한 것으로, 본 발명 플라즈마 아크 토치는 인가된 전압에 따라 열전자를 방출하는 음극봉과, 상기 음극봉과 소정거리 이격되어 전압의 인가시 아크 방전을 발생시키는 제1양전극과, 상기 제1양전극의 하단부에 위치하며, 상기 음극봉과 제1양전극에서 발생된이송아크 방전이 유지되도록 하며, 내열성이 상기 제1양전극에 비해 더 우수한 제2양전극과, 상기 음극봉과 제1양전극 사이에 플라즈마 생성가스를 공급하는 플라즈마 가스공급관을 포함한다. 이와 같이 구성된 본 발명은 고열이 발생되는 양전극 부분을 전도성이 우수한 제1양전극과 내열성이 우수한 제2양전극으로 분리하여 구성함으로써, 고열에 의한 양전극의 수명단축을 방지하여 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

플라즈마 아크 토치 및 그 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버{Plasma arc torch and scrubber which uses the plasma arc torch}

도 1은 종래 플라즈마 아크 토치의 개략적인 구성도이다.

도 2는 일반적인 이송식 플라즈마 아크 토치의 아크의 이동 모식도이다.

도 3은 본 발명 플라즈마 아크 토치의 바람직한 실시예에 따른 구성도이다.

도 4는 본 발명 플라즈마 아크 토치의 아크 이동 모식도이다.

도 5는 본 발명 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버의 바람직한 실시예에 따른 구성도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100:플라즈마 아크 토치 10, 110:음극봉

20, 120:몸체 30, 130:제1양전극

40, 140:제2양전극 50:플라즈마 가스 공급관

150:폐가스 공급관 200:챔버

300:냉각부

본 발명은 플라즈마 아크 토치 및 그 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극의 수명을 증가시킨 플라즈마 아크 토치 및 그 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마 아크 토치는 음전극과 양전극 사이의 아크방전을 이용하여 플라즈마 생성가스를 플라즈마 상태로 전환하여 고온의 화염을 발생시키는 것으로, 그 화염의 온도 또한 제어가 가능하다.

상기와 같이 플라즈마 아크 토치는 두 전극 사이의 아크방전에 기인하는 화염을 발생시키기 때문에 필연적으로 하나의 전극에 접하는 부분에서 고온의 화염이 발생하며, 그 화염 및 아크방전에 의해 전극이 쉽게 손상된다.

종래에는 구조적인 차이는 있지만 대부분 구리 양전극을 사용하고 있으며, 이와 같은 종래 플라즈마 아크 토치를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 플라즈마 아크 토치의 개략적인 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래 플라즈마 아크 토치는 일단에 첨점부를 가지는 음극봉(1)과, 냉각수 순환관(도면 미도시) 등의 관로가 내부에 위치하며, 상기 음극봉을 지지하는 몸체(2)와, 상기 몸체(2)의 타단에 결합되는 링형의 양전극(3)과, 상기 양전극(3)과 음극봉(1)의 사이에 플라즈마 가스를 유입시키는 플라즈마 가스 유입관(4)을 포함한다.

상기 음극봉(1)과 양전극(3)은 상호 소정거리 이격되어 있으며, 음극봉(1)과 양전극(3)의 사이에 전위차가 발생하면, 음극봉(1)의 첨점부와 양전극(3) 사이에 아크가 발생된다.

상기와 같은 아크방전의 조건은 다른 방전에 비해서는 양전극(3)과 음극봉(1) 사이의 전위차가 낮은 상태에서, 음극봉(1)의 열전자가 방출되어 강한 전류가 양전극(3)과 음극봉(1) 사이에 흐르게 되며, 이때 음극봉(1)와 양전극(3)의 사이는 플라즈마 상태가 된다.

상기와 같은 전류의 흐름은 연속적이며, 상기 플라즈마의 온도는 3,000 내지 6000℃ 정도이다.

특히, 양전극(3) 부분의 온도가 높으며, 전극물질의 일부가 승화된다.

상기 플라즈마 가스 유입관(4)을 통해 음극봉(1)과 양전극(3)의 사이에 공급되는 플라즈마 가스가 플라즈마화되어 고열에 의한 화염이 발생된다.

도 2는 도 1에 있어서, I 부분을 확대한 일반적인 이송식 플라즈마 아크 토 치의 아크의 이동 모식도이다.

도 2를 참조하면, 일반적인 이송식 플라즈마 아크 토치에서의 아크는 최초 음극봉(1)의 첨점에서 가장 가까운 양전극(3)의 근접점(A)으로 전자가 방출되어 생성되며, 그 생성된 아크는 상기 양전극(3)의 아크유지면(B)을 따라 상하로 이동한다.

상기 설명한 바와 같이 플라즈마 아크 토치는 양전극(3) 부근에서 고열이 발생되는 것으로 양전극(3)이 쉽게 손상되어 14시간 정도의 짧은 주기마다 양전극(3)을 교체해야 한다.

특히, 생성된 아크가 이동하는 근접점(A)을 제외한 아크유지면(B)이 쉽게 손상되어, 교체 대상인 손상된 양전극(3)의 형상은 근접점(A) 부분만이 잔존하는 링이 된다.

이와 같이 종래 플라즈마 아크 토치는 텅스텐인 음극봉(1)과 구리인 양전극(3)을 사용하며, 그 양전극(3)의 수명이 짧아 유지비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 종래 플라즈마 아크 토치를 적용한 스크러버는 상기 플라즈마 아크 토치의 양전극(3)에 대한 짧은 교체 주기마다 폐가스의 처리를 중단해야 하는 등의 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명은, 종래와 동일 조건에서 아크 방전이 가능하며 양전극의 수명을 연장시킬 수 있는 플라즈마 아크 토치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 플라즈마 아크 토치를 사용하는 스크러버에서 폐가스의 처리 공정이 중단되는 주기를 보다 연장할 수 있는 플라즈마 아크 토치 및 그 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버를 제공함에 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 플라즈마 아크 토치는 인가된 전압에 따라 열전자를 방출하는 음극봉과, 상기 음극봉과 소정거리 이격되어 전압의 인가시 아크 방전을 발생시키는 제1양전극과, 상기 제1양전극의 하단부에 위치하며, 상기 음극봉과 제1양전극에서 발생된이송아크 방전이 유지되도록 하며, 내열성이 상기 제1양전극에 비해 더 우수한 제2양전극과, 상기 음극봉과 제1양전극 사이에 플라즈마 생성가스를 공급하는 플라즈마 가스공급관을 포함한다.

또한, 본 발명 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버는 인가된 전압에 따라 열전자를 방출하는 음극봉과, 상기 음극봉과 소정거리 이격되어 전압의 인가시 아크 방전을 발생시키는 제1양전극과, 상기 제1양전극의 하단부에 위치하며, 상기 음극봉과 제1양전극에서 발생된 아크 방전이 유지되도록 하며, 내열성이 상기 제1양전극에 비해 더 우수한 제2양전극과, 상기 음극봉과 제1양전극 사이에 폐가스를 공 급하는 폐가스 공급관을 구비하는 플라즈마 아크 토치와, 상기 플라즈마 아크 토치의 하부측에 밀폐된 공간을 제공하여 폐가스가 정화처리될 수 있도록 하며, 정화된 폐가스가 배출되는 배출구를 구비하는 챔버와, 상기 챔버의 하부측에 결합되어 상기 챔버를 냉각시키는 냉각부를 포함하는냉각부를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 3은 본 발명 플라즈마 아크 토치의 바람직한 실시예에 따른 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명 플라즈마 아크 토치의 바람직한 실시예는 일단에첨점을 구비하여 열전자를 방출하는 음극봉(10)과, 상기 음극봉(10)을 지지하며 내부에 냉각수 순환관(도면 미도시) 등이 구비된 몸체(20)와, 상기 몸체(20)의 상기 음극봉(10)의 첨점과 인접한 부분에 결합되어 초기 아크 방전이 이루어지도록 하는 제1양전극(30)과, 상기 제1양전극(30)의 저면측에서 소정거리 이격된 위치의 몸체(20)에 결합되어 상기 제1양전극(30)에서 발생된 아크 방전 지속적으로 유지되도록 하며, 내열성이 우수한 제2양전극(40)과, 상기 제1양전극(30)과 음극봉(10)의 사이로 플라즈마 생성 가스를 공급하는 플라즈마 가스 공급관(50)을 포함한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 플라즈마 아크 토치의 구성 및 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 음극봉(10)의 재질은 텅스텐을 사용할 수 있으며, 상기 제1양전극(30)의 재질은 상온에서의 저항율이 1.724X10^-2Ω㎜²/m인 구리를 사용할 수 있다.

이는 제1양전극(30)으로 상기 음극봉(10)의 열전자가 용이하게 방출되어, 강한 전류가 흐를 수 있도록 한 것이다.

상기 제1양전극(30)의 형상은 링형이며, 보다 바람직하게는 내주면에 단차를 가져 열전자의 유입부분 면적이 보다 작도록 하는 것이 바람직하며, 특히 그 링형 제1양전극(30)의 내주면에 단차를 가져 상기 제2양전극(40)과 인접하는 저면의 면적이 음극봉(10)과 인접하는 상면의 면적보다 더 넓게 하는 것이 바람직하다.

이는 최초의 아크방전이 제2양전극(40)과 인접하는 제1양전극(30)의 내주면 하부측에서 이루어지도록 함으로써, 발생된 아크가 쉽게 제2양전극(40)으로 이동하여 그 제2양전극(40)을 따라 상하 왕복 이동을 할 수 있도록 하기 위한 것이다.

또한, 상기 제2양전극(40)의 재질은 저항률이 상기 제1양전극(30)에 비해 높더라도, 내열성이 강한 재질을 선택하여 사용한다.

상기 제2양전극(40)은 원통형 형상이며, 내주면 또한 단차가 없이 평탄한 것이 바람직하다.

상기 제2양전극(40)은 내열성이 우수한 그라파이트(graphite)를 사용할 수 있으며, 그 그라파이트에 SiC가 코팅된 것을 사용할 수 있다.

이와 같이 그라파이트 또는 SiC가 코팅된 그라파이트 재질의 제2양전극(40)을 사용함으로써, 실질적으로 전류가 지속적으로 유지되는 제2양전극(40)의 손상을 줄일 수 있게 된다.

도 4는 상기 도 3에서 I' 부분을 확대한 플라즈마 아크 토치의 아크 방전 이동 모식도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는 상기 제1양전극(30)으로 음극봉(10)의 전자가 방전되면서 발생하며, 발생 후의 아크 방전은 제2양전극(40)으로 이동하며, 그 제2양전극(40)에서 상하 왕복 이동을 하게 된다.

즉, 상기 제1양전극(30)은 근접점의 역할을 하며, 제2양전극(40)은 아크유지면의 역할을 하게 된다.

이와 같이 제2양전극(40)은 아크 방전이 지속적으로 유지되어 그 주위의 온도가 상승하게 되나, 제2양전극(40)의 재질이 그라파이트 또는 SiC로 코팅된 그라파이트이며, 이는 내열성이 우수하여 쉽게 손상되지 않는다.

따라서 본 발명은 전도성이 우수한 제1양전극(30)과 내열성이 우수한 제2양전극(40)을 사용하여 아크 방전이 쉽게 발생 및 유지되도록 함과 아울러 그 아크 방전이 유지되는 양전극의 수명을 연장할 수 있게 된다.

일반적으로 구리의 녹는점은 약 1083℃이나, 그라파이트나 SiC는 녹는점이 결정구조 등에 따라 차이는 있으나 3000℃ 이상이므로, 그 아크방전에 의한 고온의 열에도 쉽게 손상되지 않는다.

따라서, 본 발명 플라즈마 아크 토치를 연속으로 사용하는 경우에도 수개월 동안 사용할 수 있게 되어 수명을 대폭 연장시킬 수 있게 된다.

도 5는 본 발명 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버의 바람직한 실시예에 따른 구성도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버의 바람직한 실시예는 일단에 첨점을 구비하여 열전자를 방출하는 음극봉(110)과, 상기 음극봉(110)을 지지하며 내부에 냉각수 순환관 등이 구비된 몸체(120)와, 상기 몸체(120)의 상기 음극봉(110)의 첨점과 인접한 부분에 결합되어 초기 아크 방전이 이루어지도록 하는 제1양전극(130)과, 상기 제1양전극(130)의 저면측에서 소정거리 이격된 위치의 몸체(120)에 결합되어 상기 제1양전극(130)에서 발생된 아크 방전 지속적으로 유지되도록 하며, 내열성이 우수한 제2양전극(140)과, 상기 제1양전극(130)과 음극봉(110)의 사이로 폐가스를 배출하는 폐가스 공급관(150)을 포함하 는 플라즈마 아크토치(100)와, 상기 플라즈마 아크토치(100)가 상부에 결합 고정되도록 하며 상기 플라즈마 아크토치(100)에서 발생된 화염 등에 의해 상기 폐가스를 정화 처리하는 챔버(200)와, 상기 챔버(100)의 하단부에 결합되어 챔버(100)를 냉각시키는 냉각부(300)를 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버의 구조 및 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 플라즈마 아크 토치의 형상을 상기 도 3의 실시예를 통해 상세히 설명한 바와 같이 양전극이 전도성이 우수한 제1양전극(130)과 내열성이 우수한 제2양전극(140)으로 분리되어 있는 것을 사용한다.

상기 제1양전극(130)과 음극봉(110)의 사이 영역에 위치하는 공급하는 폐가스 공급관(150)을 통해 폐가스가 공급된다.

상기 폐가스는 반도체, 평판 디스플레이 등의 제조에 사용된 인체 유해물질, 공해유발물질 등을 포함하는 것으로, 대기중에 배출되기 전에 스크러버를 통해 정화시킨 후 배기한다.

상기 폐가스 공급관(150)을 통해 공급된 폐가스는 상기 음극봉(110)과 제1양전극(130) 또는 음극봉(110)과 제2양전극(140) 사이의 아크 방전에 의해 플라즈마로 상변환되고, 그 아크 방전에 의한 화염에 의해 정화된다.

실질적으로 이와 같은 정화처리는 상기 제2양전극(140) 주변에서 주로 이루어지게 된다.

상기와 같은 정화처리를 위하여 상기 제2양전극(140)의 하부에 밀폐된 공간이 챔버(200)에 의해 제공된다.

상기 챔버(200)는 상기 플라즈마 아크 토치(100)에 의해 폐가스가 정화될 공간을 제공하며, 그 챔버(200)의 일측에는 정화 처리된 폐가스가 배출될 수 있는 배출구를 가진다.

상기 플라즈마 아크 토치(100)는 제1 및 제2양전극(130, 140) 및 몸체(120)에 냉각을 위한 냉각수가 흐르고 있으며, 상기 챔버(200)는 그 하부에 설치된 냉각부(300)에 의해 냉각된다.

상기와 같은 본 발명 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버는 폐가스를 발생시키는 공정이 진행되는 동안에는 지속적으로 정화처리가 이루어져야 하며, 정화처리를 중단해야 하는 때는 상기 공정 또한 중단이 되어야 한다.

상기와 같은 공정의 중단은 생산성의 저하 및 수율의 저하를 유발할 수 있으며, 본 발명은 상기 플라즈마 아크 토치(100)의 제2양전극(140)의 수명을 연장하여, 잦은 공정중단이 발생되는 것을 방지함으로써 반도체 또는 평판 디스플레이 제 조의 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 개념을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치는 고열이 발생되는 양전극 부분을 전도성이 우수한 제1양전극과 내열성이 우수한 제2양전극으로 분리하여 구성함으로써, 고열에 의한 양전극의 수명단축을 방지하여 수명을 연장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버는 폐가스의 정화처리 지속시간을 연장함으로써, 제조공정이 중단되는 주기를 보다 길게 하여 생산성을 높이고, 수율을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 인가된 전압에 따라 열전자를 방출하는 음극봉;

   상기 음극봉과 소정거리 이격되어 전압의 인가시 아크 방전을 발생시키는 구리 재질의 제1양전극;

   상기 제1양전극의 하단부에 위치하며, 상기 음극봉과 제1양전극에서 발생된이송아크 방전이 유지되도록 하며, 내열성이 상기 제1양전극에 비해 더 우수한 그라파이트 또는 SiC가 코팅된 그라파이트 재질의 제2양전극; 및

   상기 음극봉과 제1양전극 사이에 플라즈마 생성가스를 공급하는 플라즈마 가스공급관을 포함하는 플라즈마 아크 토치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1양전극은 설치상태에서 하단측 내경이 상부측 내경에 비해 더 좁은링형전극인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치.
3. 삭제
4. 인가된 전압에 따라 열전자를 방출하는 음극봉과, 상기 음극봉과 소정거리 이격되어 전압의 인가시 아크 방전을 발생시키는 제1양전극과, 상기 제1양전극의 하단부에 위치하며, 상기 음극봉과 제1양전극에서 발생된 아크 방전이 유지되도록 하며, 내열성이 상기 제1양전극에 비해 더 우수한 제2양전극과, 상기 음극봉과 제1양전극 사이에 폐가스를 공급하는 폐가스 공급관을 구비하는 플라즈마 아크 토치;

   상기 플라즈마 아크 토치의 하부측에 밀폐된 공간을 제공하여 폐가스가 정화처리될 수 있도록 하며, 정화된 폐가스가 배출되는 배출구를 구비하는 챔버; 및

   상기 챔버의 하부측에 결합되어 상기 챔버를 냉각시키는 냉각부를 포함하는 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1양전극은 구리이고, 제2양전극은 그라파이트 또는 SiC가 코팅된 그라파이트인 것을 특징으로 하는 플라즈마 아크 토치를 이용한 스크러버.

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