KR100879928B1 - 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 및 이를 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그리드 공동(gridded cavity) 구조를 이용하여 대면적의 플라즈마를 형성하도록 함으로써 대기압 하에서 피 처리물의 크기가 대면적인 대상물의 표면처리가 가능하도록 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 핵심인 플라즈마 반응기는, 플라즈마 생성을 위한 가스가 플라즈마 반응기 내부로 주입될 수 있도록 금속판의 다수 부분을 에칭시켜 다수의 작은 구멍 모양을 형성하는 반응가스 주입용 그리드 금속판, 플라즈마가 플라즈마 반응기 외부로 토출될 수 있도록 금속판의 다수 부분을 에칭시켜 다수의 작은 구멍 모양을 형성하는 플라즈마 토출용 그리드 금속판, 상기 반응가스 주입용 그리드 금속판과 상기 플라즈마 토출용 그리드 금속판을 마주하게 하고 주변을 금속판으로 둘러쌈으로서 공동(cavity) 구조를 형성하도록 하는 그리드 공동, 상기 그리드 공동 내부로 마이크로파를 입력하기 위한 마이크로웨이브 입력부, 상기 그리드 공동을 구성함에 있어서 그리드 공동 내부에서 특정 공진 주파수에 맞추어진 초고주파가 공진 현상을 일으켜 마주한 반응가스 주입용 그리드 금속판과 플라즈마 토출용 그리드 금속판 사이에 강한 전계가 인가되도록 구성하고, 상기 반응가스 주입용 그리드 금속판에 앞서 균일한 가스 주입을 위한 반응가스 주입부 등으로 구성된 대기압 대면적 고밀도 마이크로웨이브 플라즈마 반응기로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명을 위한 대면적 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 장치는, 상기 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 반응기와 함께, 마그네트론에 전원을 공급하기 위한 전원부, 2.45 GHz의 마이크로웨이브를 발생시키는 마그네트론, 마이크로웨이브의 회귀로 인한 마그네트론 손상방지를 위한 아이솔레이터(isolator), 부하가 걸리는 플라즈마 반응기 단으로의 마이크로웨이브 에너지 전달을 최적화하기 위한 임피던스 정합용 3-조절부 동조기(3-stub tuner), 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 주입부로 구성되는 데에 특징이 있다.

대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마, 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 반응기, 그리드 공동, 그리드 캐비티, 전자파 플라즈마

Description

마이크로웨이브 플라즈마 반응기 및 이를 포함하는 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치 {Microwave Plasma Reactor and Microwave Plasma Generator Comprising the Same}

도 1은 일반적인 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 나타낸 단면도

도 2는 본 발명에 따른 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 측면부에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 구성도

도 3은 본 발명에 따른 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 블록 구성도

도 4는 본 발명에 따른 마이크로웨이브 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 측면에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 직육면체형 반응기의 단면 개념도

도 5는 본 발명에 따른 마이크로웨이브 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 측면에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 직육면체 형 반응기의 반단면 사시 개념도

도 6은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 중앙에 설치된 또 다른 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 직육면체 형 반응기의 단면 개념도

도 7은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 입력부가 원통형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 측면에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 원통형 반응기의 반단면 사시 개념도

도 8은 본 발명에 따른 마이크로웨이브 입력부가 원통형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 중앙에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 원통형 플라즈마 반응기의 단면 개념도

도 9는 본 발명에 따른 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 중앙부에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전원부 2 : 마그네트론

3 : 아이솔레이터 4 : 도파관

5 : 3-조절부 동조기 6 : 반응가스 공급부

7 : 마이크로웨이브 입력부

8 : 마이크로웨이브 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기측면부에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 직육면체형 반응기

9 : 마이크로웨이브 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기중앙부에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 직육면체형 반응기

11 : 마이크로웨이브 입력부 12 : 반응가스 주입부

13 : (사각형) 반응가스 주입용 그리드 금속판

14 : (사각형) 플라즈마 토출용 그리드 금속판

15 : 토출된 마이크로웨이브 플라즈마

21 : 마이크로웨이브 입력부 22 : 반응가스 주입부

23 : (사각형) 반응가스 주입용 그리드 금속판

24 : (사각형) 플라즈마 토출용 그리드 금속판

51 : 마이크로웨이브 입력부 52 : 반응가스 주입부

53 : (원반형) 반응가스 주입용 그리드 금속판

54 : (원반형) 플라즈마 토출용 그리드 금속판

61 : 마이크로웨이브 입력부 62 : 반응가스 주입부

63 : (원반형) 반응가스 주입용 그리드 금속판

64 : (원반형) 플라즈마 토출용 그리드 금속판

100 : 도파관 200 : 석영관

300 : 반응가스 주입부 400 : 토출된 마이크로웨이브 플라즈마

본 발명은 대기압 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응가스 주입용 그리드 금속판과 플라즈마 토출용 그리드 금속판 사이에 형성된 그리드 공동 구조를 이용하여 반응가스의 주입을 균일하게 함과 동시에 그리드 공동 구조를 사용하여 반응가스 주입용 그리드 금속판과 플라즈마 토출용 그리드 금속판 사이에 강한 전계가 형성되도록 함으로써 대면적에 걸쳐 마이크로웨이브 플라즈마 발생시킬 수 있도록 하여주고, 반응가스 주입용 그리드 금속판과 플라즈마 토출용 그리드 금속판 사이에 균일하게 대면적으로 형성된 마이크로웨이브 플라즈마를 균일하게 토출시키는 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.

일반적으로 대기압 마이크로웨이브 플라즈마는 국소적인 유효단면적의 플라즈마를 형성시키는 플라즈마 반응기를 사용하고 있다.

그 일례로서 도 1에서와 같이 도파관(100)의 일단으로부터 사용되는 마이크로웨이브의 약 1/4 파장 길이 되는 지점에 설치된 구멍에 석영관(200)을 안치하여, 반응가스 주입부(300)을 통하여 공급된 반응가스로부터 발생된 플라즈마를 토출(400) 시키는 구조를 가진다.

그러나 이와 같은 대기압 마이크로웨이브 플라즈마 반응기는 플라즈마 유효 직경이 수 센티미터 이내로 협소함으로 인해, 마이크로웨이브 플라즈마가 여타 DBD 플라즈마 방식에 비하여 고밀도 플라즈마 임에도 불구하고 이를 이용하여 금속, 플라스틱 등의 재질로 이루어진 외장재를 대상으로 하는 대면적 내지는 대량의 표면처리를 하기에 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 대면적화가 용이한 공동구조를 이용하면서 전계강도가 강한 반응가스 주입용 그리드 금속판과 플라즈마 토출용 그리드 금속판 사이에 반응가스의 균일한 주입 및 플라즈마 토출을 용이하도록 다수의 홀을 형성시킴으로써 마이크로웨이브 플라즈마 발생에 필요한 강한 전계는 대면적 그리드 금속판에 걸쳐 균일하게 유지하면서 반응가스 및 플라즈마는 대면적의 반응가스 주입용 그리드 금속판 및 플라즈마 토출용 그리드 금속판을 통한 주입 및 토출이 가능하도록 함으로써 대기압 상태에서 대면적의 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하는 데에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도 4 및 도 5에 의하여 설명을 하면, 강한 전계가 유지되는 두 마주하는 금속판으로서 다수의 홀이 형성된 반응가스 주입용 그리드 금속판(13)과 플라즈마 토출용 그리드 금속판(14)을 두고 그리드 공동 내에 마이크로웨이브를 주입하기 위한 마이크로웨이브 입력부(11)를 통하여 소정의 마이크로웨이브를 주입하는 단계, 반응가스 주입부(12)를 통한 반응가스를 주입하는 단계, 반응가스 주입용 그리드 금속판(13)을 통해 주입된 반응가스를 균일하게 그리드 공동내로 주입하는 단계, 폭과 각각의 길이를 조정함으로써 대면적화가 용이하면서 원하는 주파수 대역에서의 마이크로웨이브 공진이 가능한 공동구조를 형성하고, 그리드 공동내에 마이크로웨이브를 주입하기 위하여 마이크로웨이브 입력부(11)를 통하여 소정의 마이크로웨이브를 주입하는 단계, 주입된 반응가스를 두 그리드 금속판 사이의 강한 전계 사이를 통과하도록 함으로써 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시키는 단계, 대면적으로 발생되어진 마이크로웨이브 플라즈마를 플라즈마 토출용 그리드 금속판(14)을 통해 균일하게 토출시키는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 입력부가 직육면체형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 측면부에 설치된 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 장치의 구성도로서, 반응가스 공급부(6)에 의하여 헬륨, 네온, 아르곤, 질소, 산소 및 공기 등을 포함하는 반응가스가 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(8)에 공급되며, 전원부(1)에 의하여 공급되어진 전원을 공급받아 마그네트론(2)에서 마이크로웨이브가 발생되어지고, 그 발생되어진 마이크로웨이브는 도파관(4)을 따라 전송되어 후단의 반사파로 인한 마그네트론의 손상을 방지하기 위하여 설치된 아이솔레이터(3)를 지나 다시 도파관(4)을 거치게 되고, 마이크로웨이브 플라즈마 반응기와의 임피던스 정합을 이루기 위한 3-조절부 동조기(5)를 지나서 도파관(4)을 거친 후 마이크로웨이브 입력부(7)를 통하여 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마 반응기(8)내에서 대면적의 마이크로웨이브 플라즈마가 발생 및 토출되어진다.

이러한 상태에서 도 4 내지 도 5에 의해 도 1에서와 같은 마이크로웨이브 플라즈마 반응기에 의해 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마를 형성하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

헬륨, 네온, 아르곤, 질소, 산소 및 공기 등을 포함하는 플라즈마 발생을 위한 반응가스가 반응가스 주입부(12)를 통하여 그리드 공동내로 공급되어 지며, 마이크로웨이브는 마이크로웨이브 입력부(11)를 통하여 그리드 공동 내로 입력되어 지고, 이렇게 입력되어진 마이크로웨이브는 반응가스 주입용 그리드 금속판(13)과 플라즈마 토출용 그리드 금속판(14) 사이에서 강한 전계를 형성하면서 반응가스 주입용 그리드 금속판(13)과 플라즈마 토출용 그리드 금속판(14) 사이를 통과하는 반응가스를 방전시켜 마이크로웨이브 플라즈마를 형성하도록 하여주며, 형성된 마이크로웨이브 플라즈마는 플라즈마 토출용 그리드 금속판(14)을 통하여 토출되어진다. 이때, 그리드 공동의 구조는 그 높이와 각각의 길이에 따라 원하는 공진주파수를 유지할 수 있으므로 길이방향의 길이가 수 센티미터 내지는 수십 센티미터 등 원하는 대면적화가 가능하도록 하여준다.

또 다른 실시 예로서, 도 6과 같이 마이크로웨이브 입력부(21)를 직육면체형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 중앙부에 설치하고, 반응가스 주입부(22)를 그 인접한 위치에 설치하는 직육면체형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 형성할 수도 있다.

또 다른 실시 예로서, 도 7과 같이 원통형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 구성함에 있어서 마이크로웨이브 입력부(51)를 원통형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 측면부에 설치하고 반응가스 주입부(52)를 그리드 공동 상부 중앙에 설치하며, 원반형의 반응가스 주입용 그리드 금속판(53)과 원반형의 플라즈마 토출용 그리드 금속판(54)으로 이루어진 그리드 공동으로 원통형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 형성할 수도 있다. 이때, 그리드 공동의 구조는 그 높이와 직경 및 각각의 길이에 따라 원하는 공진주파수를 유지할 수 있으므로 원하는 대면적에 맞는 대면적화가 가능하도록 하여준다.

또 다른 실시 예로서, 도 8과 같이 원통형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 구성함에 있어서 마이크로웨이브 입력부(61)를 원통형의 마이크로웨이브 플라즈마 반응기 중앙에 설치하고 반응가스 주입부(62)를 그 인접한 위치에 설치하고, 원반형의 반응가스 주입용 그리드 금속판(63)과 원반형의 플라즈마 토출용 그리드 금속판(64)으로 이루어진 그리드 공동으로 원통형 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 형성할 수도 있다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 대면적화가 용이한 그리드 공동 구조를 가짐으로써 대기압 하에서 대면적의 마이크로웨이브 플라즈마를 형성 및 토출시켜 대면적의 피처리물 및 대량의 피처리물들의 플라즈마 전처리가 가능하도록 하여 줌으로써 그동안 고밀도 플라즈마라는 장점에도 불구하고 대량생산에 적용하기 어려웠던 문제점을 극복하여 경제성과 양산성을 갖춘 대기압 대면적 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 플라즈마 전처리가 용이하도록 하였다.

Claims (6)

1. 반응가스 공급원으로부터의 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 주입부;

   상기 반응가스 주입부로 공급된 반응가스를 반응기 내에 주입하기 위한 다수의 구멍이 형성된 반응가스 주입용 그리드 금속판;

   상기 반응기에 마이크로웨이브를 공급하기 위한 마이크로웨이브 입력부; 및

   상기 반응가스 주입부를 통해 반응기 내에 공급된 반응가스와 상기 마이크로웨이브 입력부를 통해 공급된 마이크로웨이브의 반응에 의해 형성된 플라즈마를 토출하기 위한 다수의 구멍이 형성된 플라즈마 토출용 그리드 금속판을 포함하며,

   상기 반응가스 주입용 그리드 금속판과 상기 플라즈마 토출용 그리드 금속판은 서로 마주보며 나란하게 배치되어, 상기 반응가스 주입용 그리드 금속판과 상기 플라즈마 토출용 그리드 금속판 사이에는 그리드 공동이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마이크로웨이브 입력부가 마이크로웨이브 플라즈마 반응기의 중앙에 설치되고, 상기 마이크로웨이브 입력부 인접한 위치에 반응가스 주입부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 반응기.
3. 반응가스를 공급하기 위한 반응가스 공급부;

   전원을 공급하기 위한 전원부;

   상기 전원부로부터 공급된 전원에 의하여 마이크로웨이브를 발생시키기 위한 마그네트론;

   상기 마그네트론으로부터 발생된 마이크로웨이브를 전송하기 위한 도파관;

   상기 도파관의 경로에 배치되며, 후단의 반사파로 인한 마그네트론의 손상을 방지하기 위한 아이솔레이터;

   제 1항에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 반응기와의 임피던스 정합을 이루기 위한 3-조절부 동조기;

   상기 도파관으로부터는 마이크로웨이브가 입력되고, 상기 반응가스 공급부로부터는 반응가스가 공급되는 제 1항에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 반응기를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치.
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