KR101006382B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 발생을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
본 발명의 플라즈마 발생장치는, 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지에 의해 플라즈마 방전을 유도하는 하나 이상의 플라즈마 방전부; 및 상기 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지를 상기 플라즈마 방전부로 유도하는 하나 이상의 유전체 공진기를 포함하고, 상기 유전체 공진기는 유전체를 포함하고, 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅된다.
플라즈마, 발생, 전자기에너지, 방전, 실드층

Description

플라즈마 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING A PLASMA}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 발생을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마는 섭씨 5000도 이상의 고온에서 물질이 이온화 된 상태로서, 고체,액체, 및 기체 다음인 제4의 물질상태이다. 가속된 입자와의 충돌 또는 강력한 전기장 하에서의 전하운동에 의하여 원자나 분자들로부터 음전하를 딴 전자가 분리된다. 분리돤 전자와 그 모태가 되는 양전하를 띤 분자가 혼재되어 있는 상태가 바로 제4의 물질상태 혹은 플라즈마(plasma) 라고 불리우고 있다.
우주의 약 99퍼센트는 플라즈마 상태로 구성되어 있으며,나머지 1퍼센트에 속하는 지구상에서 우리들이 그 우주공간에 흔히 존재하고 있는 플라즈마를 지상에서 재현하여 산업적으로 응용하기 위한 노력을 기울이고 있다. 플라즈마는 발생 조건과 성질에 따라 매우 다양한 밀도와 온도를 지닌다.
우주공간에서의 1개/10m3 비율로 플라즈마가 존해하는 데에 반하여, 지상에서 즉 대기압 환경에서 마이크로 웨이브(microwave)를 이용하여 발생시킨 플라즈마 는 1012~1013/cm3의 밀도로 전하를 띤 입자들이 존재한다. 이와 같이 대기 중에서 가스방전에 의한 플라즈마의 온도는 수천도에 이르지만 핵융합을 위한 플라즈마 토카막 장치 내에서는 1억도 정도의 초고온 상태가 된다. 대기중에서 우리가 사용하는 플라즈마는 대개가 수천도 이하 내지 상온에 가까운 저온 플라즈마로서 통칭하여 저온/상압 플라즈마라고 부르고 있다.
플라즈마를 발생시키기 위한 방법으로서, 가속입자를 원자 혹은 분자에 충돌시킴으로서 이온화 시키기도 하지만, 산업적으로 응용되고 있는 플라즈마는 주로 외부에서 전기장을 인가하여 가스방전을 유도함으로써 이온화 되면서도 전체적으로 중성인 부나 혹은 원자들로 구성되어 있다.
플라즈마 종류는 이러한 전기장 인가방식에 있어서 사용되는 주파수에 따라 MF(Medium Frequency) 플라즈마, RF(Radio Frequency) 플라즈마, 및 마이크로웨이브(Microwave) 플라즈마 등으로 구분된다.
이러한 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생장치에는 다양한 종류가 있으며, 그 구조 내지 인가 주파수에 따라 플라즈마의 발생효율에 많이 차이가 있었다.
하지만, 종래의 플라즈마 발생장치는 플라즈마의 발생 효율이 낮을 뿐만 아니라, 그 구조가 복잡하여 제조단가가 높은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 매우 단순한 구조를 적용함으로써 그 제조단가를 대폭 절감할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마의 발생효율을 매우 향상시킨 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는,
전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지에 의해 플라즈마 방전을 유도하는 하나 이상의 플라즈마 방전부; 및
상기 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지를 상기 플라즈마 방전부로 유도하는 하나 이상의 유전체 공진기를 포함하고,
상기 유전체 공진기는 유전체를 포함하고, 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체 공진기의 내부에는 하나 이상의 공동이 형성되고, 상기 플라즈마 방전부는 상기 공동의 내부공간에 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 방전부는 상기 유전체 공진기로부터 이격되어 배치되고, 상기 유전체 공진기 및 플라즈마 방전부는 한 쌍의 필드 프로브를 통해 전기적으로 접속 된 한 쌍의 전원공급단 및 상기 전원공급단 사이에 배치된 방전공간을 포함한다.
상기 유전체 공진기의 외부면 중에서 일부에는 실드층이 코팅되지 않고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역에 튜브가 설치되고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역과 인접한 튜브의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체는 단일의 유전체 재질 또는 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종 재질로 구성된다.
상기 유전체는 상기 플라즈마 방전부에 인접한 부분과 그 외 나머지 부분으로 구분되어 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종재질로 구성된다.
상기 플라즈마 방전부와 인접한 공동의 내벽면 및 실드층의 표면에 절연체 재질의 보호층이 코팅된다.
상기 유전체 공진기는 그 내부에 제1 및 제2 공동을 가지고, 상기 제1공동은 상기 제2공동 보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1공동의 내벽면을 제외한 제2공동의 내벽면 및 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되고, 상기 제1공동의 내부공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성된다.
상기 제1 및 제2 공동 내에는 유전상수가 1 이상인 유전체 물질이 개재된다.
상기 제1 및 제2 공동은 격리벽에 의해 분리될 수 있다.
상기 유전체 공진기는 그 내부에 직선형 공동을 가지고, 상기 직선형 공동의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 직선형 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 한 다.
상기 플라즈마 방전부의 내/외로 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름을 유도하는 튜브를 더 포함한다.
상기 튜브의 길이방향으로 복수의 유전체 공진기가 배치될 수 있다.
상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 튜브는 부도체 재질로 이루어질 수 있다.
상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하지 않게 설치되는 경우, 상기 튜브는 도전체 재질로 이루어질 수 있다.
상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 플라즈마 방전부와 인접하는 튜브의 외주면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅된다.
상기 튜브는 그 내주면 또는 외주면에 촉매 성분이 코팅된다.
상기 튜브는 그 내부에 하나 이상의 내관이 배치되고, 상기 내관 및 튜브의 내주면 또는 외주면에는 촉매 성분이 코팅된다.
상기 튜브의 내부에는 허니콤 구조가 형성된다.
상기 튜브의 내부에는 다공성 세라믹 재질이 개재된다.
상기 튜브의 내주면에는 복수의 돌기가 튜브의 길이방향으로 형성된다.
이상과 같은 본 발명은, 매우 단순한 구조를 적용함으로써 그 제조단가를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 전자기 에너지를 유전체에 의해 플라즈마 방전부로 효율적 으로 전달하여 플라즈마 방전을 보다 효과적으로 유도함으로써 플라즈마의 발생효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 초고속 에칭 및 코팅기술, 반도체 패키징, 디스플레이, 물질의 표면 개질 및 코팅, 나노분말의 생성, 유해가스 제거 및 산화성 기체의 생성 등과 같이 다양한 용도로 활용될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생장치는 플라즈마 방전을 유도하는 플라즈마 방전부(10) 및 상기 플라즈마 방전부(10)로 MF(Medium Frequency), RF(Radio Frequency), 및 마이크로웨이브(Microwave) 등과 같은 전자기 에너지를 전달하는 유전체 공진기(20)를 포함한다.
유전체 공진기(20)는 소정의 유전율을 가진 유전체(21)를 포함하고, 유전체(21)는 공기, 세라믹, 합성수지 등과 같이 플라즈마의 발생을 용이하게 하는 유전율을 가진 다양한 종류의 유전체로 이루어질 수 있다. 그리고, 유전체 공진기(20)는 그 외형이 원통형, 육면체, 프리즘 등과 같이 다양하게 성형될 수 있다.
유전체(21)의 표면은, 플라즈마 방전부(10)와 인접한 부분을 제외하고는, 전자기 에너지의 반사를 위한 도전체 재질의 실드층(22a, 22b)으로 코팅될 수 있다.
유전체 공진기(20)는 그 내부에 제1 및 제2 공동(23, 24)이 형성되고, 제1공동(23)은 제2공동(24) 보다 작은 내경을 가지며, 이러한 구조를 통해 플라즈마 방전부(10)로 전자기 에너지를 보다 효과적으로 전달할 수 있다.
제1공동(23)의 내벽면 일부를 제외한 제2공동(24)의 내벽면에는 제2실드층(22b)이 코팅된다. 이에 의해, 전자기 에너지는 제1공동(23)의 내벽면(실드층이 코팅되지 않은 부분)을 통해 제1공동(23)의 내부공간으로 전달되고, 제1공동(23)의 내부공간에서 플라즈마의 방전이 유도된다. 즉, 제1공동(23)의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 이와 같이 본 제1실시예는 플라즈마 방전부(10)가 유전체 공진기(20) 내에 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 도 31에 도시된 바와 같이, 제1공동(23)의 내벽면 상부 또는 하부에는 제2실드층(22b)이 부분적으로 코팅될 수 있고, 이에 따라 제1공동(23)의 제2실드층(22b)이 코팅되지 않은 부분의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 제1공동(23)의 하부 및 상부에는 배기가스, 산소가스, 분말, H2O증기 등과 같은 각종 처리물질의 흐름을 안내하는 제1 및 제2 튜브(31, 32)가 설치되고, 이 튜브(31, 32)들은 플라즈마 방전부(10)와 소통한다. 이와 같이 플라즈마 방전부(10)와 직접적으로 접촉하지 않는 튜브(31, 32)는 도전체 또는 부도체 재질 등으로 이루어질 수 있고, 특히 상기 튜브(31, 32)들이 도전체 재질로 이루어질 경우 전자기 에너지의 외부 누출을 방지하는 실드(shield) 역할을 할 수도 있다.
이와 달리 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)의 제1공동(23) 및 제2공동(24) 내에 단턱진 튜브(33)가 삽입될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)의 제1 및 제2공동(23, 24)에는 1 이상의 유전상수를 가진 유전체 물질(M)이 충전될 수 있고, 이 유전체 물질(M)은 그 내부에 제3공동(25)을 형성한다. 유전체 물질(M)의 제3공동(25)에는 직선형 튜브(straight tube, 34)가 삽입되어 설치되며, 유전체 물질(M)은 그 조성 및 유전율이 유전체(21)과 동일하거나 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 그리고, 제1공동(23)과 인접한 내부공간에는 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
특히, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 방전부(10)와 직접적으로 접촉하는 튜브(33, 34)는 유전체(21)로부터의 전자기 에너지 전달을 용이하게 할 수 있도록 산화알루미늄(Al2O3, alumina), 석영(quartz), 다공성 세라믹 등과 같은 부도체 재질로 이루어짐이 바람직할 것이다.
또한, 튜브(33, 34)는 그 내주면 또는 외주면에는 백금 또는 TiO2 광촉매 등과 같은 촉매물질이 코팅됨으로써 배기가스의 정화효율 또는 오존가스 발생효율 등을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이, 플라즈마 방전부(10)와 접촉하는 튜브(33, 34)의 일측 외주면에는 도전체 재질의 실드층(39)이 코팅될 수도 있다. 즉, 도 7에 예시된 바와 같이 플라즈마 방전부(10)의 하류 또는 상류측에만 코팅될 수도 있고, 도 8에 예시된 바와 같이 플라즈마 방전부(10)의 상류 및 하류 양측에 실드층(39)이 코팅될 수 있다. 이러한 실드층(39)에 의해 전자기 에너지가 외부로 누설됨을 방지할 수 있다.
그리고, 도 4에 예시된 바와 같이, 본 실시예의 유전체 공진기(20)는 제1공동(23)의 내벽면 및 플라즈마 방전부(10)에 근접한 실드층(22a, 22b)의 일부에 절연체 재질의 보호층(29)이 코팅될 수 있다. 이 보호층(29)은 유전체(21)의 외부면에 코팅된 제1실드층(22)과 제2공동(23)의 내벽면에 코팅된 제2실드층(22a) 사이에서 발생할 수 있는 방전을 미연에 방지할 수 있다. 그외 도전체 재질의 실드층(22a, 22b)이 산화에 의해 부식됨을 방지할 수도 있다.
이와 달리, 보호층(29)은 도 5에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 실드층(22a, 22b) 및 제1공동(23)의 내벽면에 전체적으로 코팅될 수도 있다.
한편, 보호층(29)은 무기계 유리 조성물, 유기계 수지 조성물 등과 같이 다양한 종류의 절연재질로 이루어질 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, MF(Medium Frequency), RF(Radio Frequency), 및 마이크로웨이브(Microwave) 등과 같은 전자기 에너지를 유전체 공진기(20)로 공급하는 전자기 에너지원의 일례로서 증폭기(AM)가 적용된 구조를 예시하고 있다. 유전체 공진기(20)에 구동용 프로브(41) 및 피드백 프로브(42)가 설치되고, 구동용 프로브(41)에는 증폭기(AM)의 출력측이 접속되며, 피드백 프로브(42)에는 증폭기(AM)의 입력이 접속된다. 피드백 프로브(42)와 증폭기(AM)의 입력 사이에는 위상 천이기(PS, phase-shifter)가 설치된다. 증폭기(AM) 및 위상천이기(PS)는 마이크로프로세서(MP)에 의해 제어된다. 마이크로프로세서(MP)에는 센서(S)가 접속하며, 이 센서(S)는 플라즈마 방전부(10)에 근접하여 배치되어 플라즈마의 발생량, 품질 등 을 감지한 후에 그 신호를 마이크로프로세서(MP)로 전송한다.
그 외에도, 전자기 에너지원으로는 반도체 장치, 속도변조관(klystron), 마그네트론(magnetron) 등과 같이 다양한 장치가 이용될 수 있다.
한편, 유전체 공진기(20)의 공진 주파수(F0)는 도 1을 참조하여 살펴보면, 유진체 공진기(20)의 전체 높이(H), 유전체 공진기(20)의 전체 직경(Φ), 제1공동(23)의 두께(t), 제1공동(23)의 직경(Φ1), 제1공동(23)과 제2공동(24)의 직경차이(d), 피드(41, 42)의 위치(l), 피드(41, 42)의 높이(h) 등과 같은 각종 기하적 형상 내지 치수 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 유전체(21)는 도 1 내지 도 5에 예시된 바와 같이 동일한 조성 및 유전율을 가진 단일의 유전체 재질로 이루어질 수 있지만, 도 9 및 도 10에 예시된 바와 같이 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종재질(21a, 21b)로 구성될 수도 있다. 즉, 플라즈마 방전부(10)에 인접한 유전체(21a)는 그 외 나머지 부분의 유전체(21b)와 비교하여 그 조성 및 유전율이 서로 다르게 형성될 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 발생장치는 튜브(31, 32, 33, 34)를 통해 플라즈마 방전부(10)에서 발생된 플라즈마를 소정의 필요개소로 공급하는 플라즈마 발생원의 역할을 할 수 있고, 튜브(31, 32, 33, 34)를 통해 공급되는 배기가스를 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜 배기가스를 분해 내지 정화시킬 수 있다. 그외에도 산소(O2)가스를 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜 오존(O3)가스를 생성할 수 있고, H2O 증기를 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반 응시켜 살균 및 세척 등에 이용되는 SHV(Super Heated Vapor)을 발생시킬 수 있으며, Ar가스 등과 함께 미세한 세라믹분말 또는 금속 분말 등을 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜(플라즈마 분쇄방식) 나노 사이즈(nano size)의 분말을 생성하는 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.
그리고, 제1공동(23)은 도 1 내지 도 5에 예시된 바와 같이 유전체 공진기(20)의 상단 또는 하단에 편향되어 위치할 수 있고, 도 6에 예시된 바와 같이 제2공동(24)의 중앙부에 위치할 수도 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 제1 및 제2 공동(23, 24)이 격리벽(26)에 의해 서로 분리될 수 있다.
유전체 공진기(20)의 유전체(21)는 그 외부면에 제1실드층(22a)이 코팅되고, 제1공동(23)의 내벽면을 제외한 즉, 제2공동(24)의 내벽면에는 제2실드층(22b)이 코팅될 수 있다. 이에 따라, 전자기 에너지원으로부터 공급된 전자기 에너지는 유전체(21)를 통해 제1공동(23)의 내부공간으로 전달됨으로써 제1공동(23)의 내부공간에서 플라즈마 방전이 유도된다. 즉, 선행하는 실시예와 마찬가지로 제1공동(23)의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 제1공동(23) 내에는 내관(35a) 및 외관(35b)으로 이루어진 2중관 구조의 튜브(35)가 삽입되고, 이 튜브(35)는 부도체 재질로 이루어진다.
튜브(35)의 내관(35a) 및 외관(35b) 중에서 어느 일측으로 처리대상물질이 유입되면 제1공동(23)의 플라즈마 방전부(10)에서 발생된 플라즈마와 반응한 후에 내관(35a) 또는 외관(35b) 중에서 어느 타측으로 유출된다. 한편, 본 제2실시예는 2중 구조의 튜브(35)가 적용됨으로써 유입되는 가스는 플라즈마 방전부(10)에서 부분적으로 예열되는 효과를 가진다.
그외의 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 제1실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 공진주파수 설정을 위한 하나 이상의 공동(28a, 28b) 및 반구형 공동(27)을 가진다.
유전체(21)의 외부면에는, 반구형 공동(27)의 내벽면을 제외한 부분, 제1 및 제2 실드층(22a, 22b)이 코팅되고, 제2실드층(22b)은 유전체(21) 내로 부분적으로 연장될 수도 있다. 이에 의해, 전자기 에너지원으로부터 공급된 전자기 에너지는 유전체(21)를 통해 반구형 공동(27)의 내부공간으로 전달됨으로써 반구형 공동(27)의 내부공간에서 플라즈마 방전이 유도된다. 즉, 선행하는 실시예와 마찬가지로 반구형 공동(27)의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 반구형 공동(27)에는 벤딩된 튜브(36)가 삽입되고, 이 튜브(36)는 부도체 재질로 이루어진다.
그외의 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 제1 및 제2 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 그 일단에 공동(23a)을 가지고, 이 공동(23a)의 내벽면을 제외한 유전체(21)의 외부면에는 실드층(22a)이 코팅된다.
그리고, 공동(23a)은 구동 프로브(41) 및 피드백 프로브(42) 중에서 어느 일측에 편향되어 위치되며, 이 공동(23a)의 내부공간에 플라즈마의 방전이 유도되는 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 그리고, 이 공동(23a)에는 내관(35a) 및 외관(35b)으로 이루어진 2중관 구조의 튜브(35)가 설치된다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 16은 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제5실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 그 일단에 제1 및 제2 공동(23a, 23b)을 가지고, 각 공동(23a, 23b)의 내벽면을 제외한 유전체(21)의 외부면에 실드층(22a)이 코팅된다. 유전체 공진기(20)는 2 쌍의 프로브(41a, 41b, 42a, 42b)를 가진다. 2 쌍의 프로브(41a, 41b, 42a, 42b)는 서로 짝을 이루는 제1구동 프로브(41a)와 제1피드백 프로브(42a), 제2구동 프로브(41b) 및 제2피드백 프로브(42b)로 이루어진다.
그리고, 제1공동(23a)은 제1구동 프로브(41a) 또는 제1피드백 프로브(42a) 중에서 어느 일측에 근접하여 위치하고, 제2공동(23b)은 제2구동 프로브(41b) 또는 제2피드백 프로브(42b) 중에서 어느 일측에 근접하여 위치할 수 있다. 각 공 동(23a, 23b)의 내부공간에 플라즈마의 방전이 유도되는 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 각 공동(23a, 23b)에는 내관(35a) 및 외관(35b)으로 이루어진 2중관 구조의 튜브(35)가 개별적으로 설치된다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 복수의 유전체 공진기(20)가 직선형 튜브(34)의 길이방향으로 배열된 구조로 이루어진다.
유전체 공진기(20)는 선행하는 실시예들과 마찬가지로 그 내부에 하나 이상의 공동(23)을 가지고, 각 공동(23)의 내부공간에는 플라즈마 방전부(10)가 개별적으로 형성된다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 19는 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제7실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 제1공동(23)과 제2공동(24) 사이에 경사진 단턱부(24a)를 가지고, 이에 의해 제1공동(23)의 내부공간으로 전자기 에너지를 보다 효과적으로 전달할 수 있다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사 하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 20은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 발명의 제8실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 상하로 관통된 직선형 공동(straight cavity, 230)을 가지고, 이 공동(230)은 그 내벽면에 부분적으로 제2실드층(22b)이 코팅된다. 그리고, 공동(230)의 내벽면 중에서 제2실드층(22b)이 코팅되지 않은 부분에 플라즈마 발생부(10)가 형성된다.
이 플라즈마 발생부(10)에는 배기가스, 산소가스, 분말, H2O증기 등과 같은 각종 처리 대상물질의 흐름을 안내하는 튜브(34)가 설치되고, 이 튜브(34)는 플라즈마 방전부(10)와 소통한다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 21은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제9실시에에 따른 유전체 공진기(20)는 상하로 관통된 직선형 공동(230)을 가지고, 이 공동(230)의 내벽면을 제외한 유전체(21)의 외부면에는 실드층(22a)이 코팅된다. 즉, 본 제9실시예는 공동(230)의 내부공간 전체에 플라즈마 발생부(10)가 형성된다.
플라즈마 발생부(10)에는 배기가스, 산소가스, 분말, H2O증기 등과 같은 각종 처리 대상물질의 흐름을 안내하는 튜브(34)가 설치되고, 이 튜브(34)는 플라즈마 방전부(10)와 소통한다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 22는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 유전체 공진기(20) 내의 플라즈마 방전부(10)에 근접하여 한 쌍의 점화용 전극(51, 52)이 배치된 것을 특징으로 한다.
점화용 전극(51, 52)은 튜브(34)의 내경방향으로 돌출되게 설치되고, 점화용 전극(51, 52)에는 고전압의 전원공급부(미도시)가 접속된다. 이에 의해 점화용 전극(51, 52)에 고전압이 인가됨으로써 초기 방전을 보다 용이하게 함과 더불어 안정된 플라즈마 발생효율을 도모할 수 있다.
그리고, 점화용 전극(51, 52) 중에서 어느 하나 또는 양쪽 모두는 도 23에 도시된 바와 같이 유전체 물질(53, 54)에 의해 감싸여진 유전체 장벽 방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge) 구조로 이루어질 수도 있다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 유전체 공진기(20)의 일측 외부면에 플라즈마 방전부(10)가 형성된 것을 특징으로 한다.
도 24의 유전체 공진기(20)는 그 내부에 단일의 공동(230)을 가지고, 유전체 공진기(20)의 일측 외부면 즉, 공동(230)에 근접한 외부면에는 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)이 형성된다. 그리고, 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에는 튜브(37)가 설치되고, 이 튜브(37)의 내부에는 격벽(37a)이 설치된다. 이에 따라, 유전체 공진기(20)의 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에 근접하여 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 튜브(37)는 부도체 또는 도전체 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 25에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)는 그 내부에 공동이 형성되지 않고, 그 일측 외부면에 제1실드층(22a)이 코팅되지 않은 영역(21c)에 내관(35a) 및 외관(35b)을 가진 튜브(35)가 설치된다. 이에 따라, 유전체 공진기(20)의 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에 근접하여 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 튜브(35)는 부도체 또는 도전체 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제11실시예는 유전체 공진기(20)의 일측 외부면 즉, 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에 플라즈마 방전부(10)가 형성됨으로써, 그 구조를 더욱 단순화할 수 있다.
도 26은 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 유전체 공진기(20) 및 이 유전체 공진기(20)로부터 이격된(detached) 플라즈마 방전부(10)를 포함한다.
유전체 공진기(20)의 일측에는 구동 프로브 및 피드백 프로브(41, 42)가 설치되며, 유전체 공진기(20)의 타측에는 제1 및 제2 필드 프로브(61, 62)가 설치된다. 그리고, 플라즈마 방전부(10)와 유전체 공진기(20)는 전자기 에너지의 공진주 파수가 최대 위치에 해당하는 거리만큼 이격된다.
플라즈마 방전부(10)는 유전체 공진기(20)의 제1 및 제2 필드 프로브(61, 62)에 전선 등을 통해 접속된 한 쌍의 전원공급단(11, 12)을 포함하고, 한 쌍의 전원공급단(11, 12)들 사이에는 방전공간(13)이 형성되며, 이 방전공간(13)에서 플라즈마 방전이 유도된다. 그리고, 플라즈마 방전부(10)의 방전공간(13)에는 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름을 안내하는 다양한 종류의 튜브(34)가 소통되게 설치된다.
이러한 구성에 의해, 유전체 공진기(20)를 통해 공진된 전자기 에너지는 제1 및 제2 필드 프로브(61, 62)를 통해 플라즈마 방전부(10)로 추출되고, 플라즈마 방전부(10)의 이격공간(13)에서 플라즈마의 방전이 유도됨으로써 플라즈마가 발생한다.
한편, 본 발명의 튜브(31, 32, 33, 34, 35, 36)들은 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름 방향을 고려하여 그 외부 및 내부 구조가 다양하게 형성가능하다.
도 27은 처리 대상물질의 흐름 방향이 일방향으로 유도되는 경우에 적용되는 튜브의 다양한 구조를 예시한 것으로 도 1 내지 도 6, 도 13 내지 도 19에 예시된 튜브(31, 32, 33, 34)들이 이에 해당한다. 예컨대, 일방향 흐름의 튜브(31, 32, 33, 34)는 원통형의 튜브(도 27(a) 참조), 테이퍼형 튜브(도 27(b) 참조), 사각형 튜브(도 27(c) 참조) 등과 같이 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
도 28은 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 일방향이 아닌 경우에 적용되는 튜브(35, 36)의 다양한 구조를 예시한 것으로 도 8, 도 10 내지 도 12, 도 20 에 예시된 튜브(35, 36)들이 이에 해당한다. 예컨대, 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 벤딩되어 연결된 벤딩 튜브 구조(도 28(a) 참조), 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 나선형으로 연결된 나선형 튜브 구조(도 28(b) 참조), 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 대향하는 2중관 구조(도 28(c) 참조), 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 직교하는 2중관 구조(도 28(d) 참조) 등으로 이루어질 수 있다.
도 29는 튜브(31, 32, 33, 34, 35, 36)의 내부 구조에 대한 다양한 예시구조를 도시한다. 즉, 처리 대상물질 또는 플라즈마의 접촉면적을 넓히기 위해 튜브의 내부에 허니콤 구조(H)를 개재시킨 구조(도 29(a) 및 도 29(b) 참조), 처리 대상물질 또는 플라즈마의 흐름을 지그재그식으로 하도록 튜브의 길이방향 내측면에 복수의 돌기(P)를 형성시킨 구조(도 29(e) 참조), 튜브 내부에 세라믹 또는 활성탄 등과 같은 고형의 미세입자(C)를 개재시킨 다공성 구조(도 29(c) 참조), 튜브 내에 복수의 내관(I)을 배치시킨 구조(도 29(d) 참조) 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 30에 예시된 바와 같이 플라즈마 방전부(10)와 접촉되게 설치된 튜브(34)의 내부에는 복수의 내관(I)이 설치되고, 각 내관(I) 및/또는 튜브(34)의 내주면 또는 외주면에 백금, TiO2광촉매 등과 같은 촉매 성분이 코팅처리됨으로써 배기가스의 정화효율 또는 오존가스의 생성효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.
특히, 내관(I) 및/또는 튜브(34)의 내주면에 촉매 성분이 코팅된 경우, 처리 대상물질이 플라즈마와 반응하면서 촉매성분들이 플라즈마와 함께 휩쓸려 벗겨질 수 있으므로, 내관(I) 및/또는 튜브(34)의 외주면에 촉매성분이 코팅됨이 바람직할 것이다.
도 1 내지 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도 16은 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 19는 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 20은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 21은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 22는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 23은 도 23의 변형된 실시형태를 도시한다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 26은 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 27은 처리 대상물질의 흐름 방향이 일방향으로 유도되는 경우에 적용되는 튜브의 다양한 구조를 예시한다.
도 28은 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 일방향이 아닌 경우에 적용되는 튜브의 다양한 구조를 예시한다.
도 29는 튜브의 내부 구조에 대한 다양한 예시구조를 도시한다.
도 30은 튜브 내에 복수의 내관이 설치된 구조를 예시한 측단면도이다.
도 31은 본 발명의 변형실시예에 의한 플라즈마 방전부와 유전체 공진기 구조를 도시한 부분 단면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 *
10: 플라즈마 방전부 20: 유전체 공진기
21: 유전체 22a, 22b: 실드층
31, 32, 33, 34, 35, 36, 37: 튜브

Claims (21)

  1. 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지에 의해 플라즈마 방전을 유도하는 하나 이상의 플라즈마 방전부; 및
    상기 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지를 상기 플라즈마 방전부로 유도하는 하나 이상의 유전체 공진기를 포함하고,
    상기 유전체 공진기는 유전체를 포함하며, 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되고,
    상기 유전체 공진기의 외부면 중에서 일부에는 실드층이 코팅되지 않고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역에 튜브가 설치되고, 상기 플라즈마 방전부는 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역에 근접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 내부에는 하나 이상의 공동이 형성되고, 상기 플라즈마 방전부는 상기 공동의 내부공간에 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부는 상기 유전체 공진기로부터 이격되어 배치되며, 상기 플라즈마 방전부는 상기 유전체 공진기에 한 쌍의 필드 프로브를 통해 전기적으로 접속된 한 쌍의 전원공급단 및 상기 전원공급단 사이에 배치된 방전공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 단일의 유전체 재질 또는 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 플라즈마 방전부에 인접한 부분과 그 외 나머지 부분으로 구분되어 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부와 인접한 공동의 내벽면 및 상기 실드층의 표면에 절연체 재질의 보호층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 그 내부에 제1 및 제2 공동을 가지고, 상기 제1공동은 상기 제2공동 보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1공동의 내벽면을 제외한 제2공동의 내벽면 및 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되고, 상기 제1공동의 내부공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공동 내에는 유전상수가 1 이상인 유전체 물질이 개재되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공동은 격리벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 그 내부에 직선형 공동을 가지고, 상기 직선형 공동의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 직선형 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 플라즈마 방전부의 내/외로 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름을 유도하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 길이방향으로 복수의 유전체 공진기가 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 튜브는 부도체 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하지 않게 설치되는 경우, 상기 튜브는 도전체 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 플라즈마 방전부와 인접하는 튜브의 외주면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 튜브는 그 내주면 또는 외주면에 촉매 성분이 코팅된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 튜브는 그 내부에 하나 이상의 내관이 배치되고, 상기 내관 및 튜브의 내주면 또는 외주면에는 촉매 성분이 코팅된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 내부에는 허니콤 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 내부에는 다공성 세라믹 재질이 개재되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 내주면에는 복수의 돌기가 튜브의 길이방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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