KR101012345B1 - 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기 - Google Patents

저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소형이고 대기압에서 낮은 소비전력으로 플라즈마를 생성시킬 수 있는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기를 개시(introduce)한다. 상기 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기는, 동축케이블, 외부도체, 연결도체 및 연결부재를 구비한다. 상기 동축케이블은 제1내부도체 및 상기 제1내부도체를 둘러싸는 유전체를 구비한다. 상기 외부도체는 상기 동축케이블을 둘러싼다. 상기 연결도체는 적어도 하나의 가스유입관을 구비하며, 상기 동축케이블의 일단에서 상기 제1내부도체와 상기 외부도체를 전기적으로 연결한다. 상기 연결부재는 상기 외부도체를 관통하여 상기 제1내부도체와 연결되는 제2내부도체를 구비한다.
휴대용, 플라즈마 발생기, 공진기, 동축케이블,

Description

저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기{Portable low power consumption microwave plasma generator}
본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 특히 소비전력과 크기가 작은 마이크로파 플라즈마 발생기에 관한 것이다.
플라즈마 토치(Plasma torch)는 가스를 플라즈마화하여 고체를 가열하여 녹이거나, 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키거나, 또는 가스를 가열하여 엔탈피를 증가시키는 데 사용될 수 있다.
종래의 마이크로파를 이용한 플라즈마 발생장치는 주로 마그네트론을 이용한 100 와트(Watts) 이상의 전력을 소모하는 경우가 대부분이다. 구형 도파관(rectangular waveguide)으로 구현된 플라즈마 발생장치는 부피가 크기 때문에 휴대하기가 어렵다는 단점이 있다. 안테나 구조를 이용한 방전관을 사용하는 동축형(coaxial) 마이크로파 플라즈마 토치가 제안되기는 하였지만, 이 발명도 단지 종래의 구형 도파관으로 구현된 발생장치를 대신하는 정도에 불과하고, 휴대할 정도의 크기는 아니다.
현재 여러 가지 형태의 전력 원을 이용하여 대기압 플라즈마를 생성시켜 사 용하고 있기는 하다. 그렇지만, 마이크로파 영역의 신호, 예를 들면, 주파수가 900MHz(Mega Hertz)나 2.45GHz(Giga Hertz) 등의 신호를 이용하여 저 전력의 열적효과가 없는 플라즈마를 만드는 방식에 대해서는 현재 연구 중이다.
현재 플라즈마를 이용한 생의학 분야의 응용은 세계적으로 연구 단계에 있으며, 피부의 주름이나 착색 등을 치료하는 장치로서 미국식품의약국(Food & Drug Administration)의 승인을 받아 사용하고 있는 정도이다. 따라서 대기압에서 5 와트 이내의 소비전력으로 휴대할 수 있는 플라즈마 발생기를 생성시킬 수 있다면, 그 응용분야는 암 치료(cancer treatment), 치아 미백(dental care), 피부 미용, 박테리아 살균 및 소독(sterilization), 지혈(coagulation), 공기 정화 등의 분야에까지 확대될 수 있을 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적과제는, 소형이고 대기압에서 낮은 소비전력으로 플라즈마를 생성시킬 수 있는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.
상기 기술적과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기는, 동축케이블, 외부도체, 연결도체 및 연결부재를 구비한다. 상기 동축케이블은 제1내부도체 및 상기 제1내부도체를 둘러싸는 유전체를 구비한다. 상기 외부도체는 상기 동축케이블을 둘러싼다. 상기 연결도체는 적어도 하나의 가 스유입관을 구비하며, 상기 동축케이블의 일단에서 상기 제1내부도체와 상기 외부도체를 전기적으로 연결한다. 상기 연결부재는 상기 외부도체를 관통하여 상기 제1내부도체와 연결되는 제2내부도체를 구비한다.
본 발명은 길이가 10cm 미만의 소형이고, 소비전력이 적으며, 마이크로파를 공급하는 발진기와의 임피던스 정합도 별도의 정합장치 없이 가능하고 대기압 분위기에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 일 단면도이다.
도 1을 참조하면, 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기(100)는, 동축케이블(10), 외부도체(4), 연결도체(2), 연결부재(1) 및 방전 팁(5)을 구비한다.
동축케이블(10)은 제1내부도체(7) 및 상기 제1내부도체(7)를 둘러싸는 유전체(6)를 구비한다. 외부도체(4)는 동축케이블(10)을 둘러싸고 있다. 연결도체(2)는 적어도 하나의 가스유입관(3)을 구비하며, 동축케이블(10)의 일단에서 제1내부도체(7)와 외부도체(4)를 전기적으로 연결한다. 연결부재(1)는 외부도체(4)를 관통하여 제1내부도체(7)와 접속부(9)에서 전기적으로 연결되는 제2내부도체(8)를 구비한다. 연결부재(1)의 재질은 도체이며, 제2내부도체(8)와 연결부재(1)의 사이에는 절 연물질이 채워지는 것이 바람직하다. 방전 팁(5)은 동축케이블(10)의 다른 일단에 부착되어 동축케이블(10)에서 플라즈마의 생성시킬 때 소비 전력을 최소한으로 한다.
본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기(100)는 제2내부도체(8)를 통해 인가되는 900MHz 또는 2.45GHz의 마이크로파 신호의 공진에너지를 이용하여 플라즈마를 생성한다. 연결부재(1), 연결도체(2), 외부도체(4), 제1내부도체(7) 및 제2내부도체(8)는 전기적으로 연결되어 있는데, 이들이 마이크로파 신호의 공진기(resonator)로서 동작하게 된다. 인가되는 마이크로파 신호는 동축케이블(10)에서 TEM(transverse electro-magnetic)파가 되는데, TEM 파는 진행방향에 전계성분 및 자계성분이 없고 진행방향의 직각 방향으로 전계성분 및 자계성분이 있는 전기적 자기적 횡파인데, 전자에너지 수송을 맡고 있다.
동축케이블(10)의 외피와 중심부의 제1내부도체(7) 사이의 유전체(6)로는 공기(air)를 사용 한다. 즉 유전체(6)는 비어 있는 공간이 되는데, 이 공간에 플라즈마 이온의 소스(source)가 되는 불활성가스를 주입하고, 주입된 가스가 마이크로파가 공급되는 도체들(2, 4, 7, 8)의 공진에너지에 의해 플라즈마 상태로 되어 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기(100)의 하부 즉 B 방향으로 방출된다.
동축케이블(10)의 길이는 마이크로파에 의해 공진이 원활하게 일어날 수 있도록 마이크로파의 파장(wave length)의
Figure 112008060766018-pat00001
또는
Figure 112008060766018-pat00002
의 길이를 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 동축케이블(10)의 길이가 상기의 조건을 만족할 때 공진기의 끝단(B) 에서 전계 강도가 최대가 되로 이를 이용하여 플라즈마를 용이하게 발생시킨다.
마이크로파의 주파수, 파장 및 빛의 속도와의 관계는 수학식 1과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112008060766018-pat00003
여기서 λ는 마이크로파의 파장(wavelength), C는 빛의 속도, f는 마이크로파의 주파수, (εr)는 상대유전상수(relative dielectric constant)이다. 상대유전상수는 공기(air)의 경우 1(one)이고 테프론(teflon)의 경우 2.1의 값을 가진다.
예를 들어, 마이크로파의 주파수가 900MHz일 때 대기 중에서의 마이크로파의 파장(λ)은 수학식 2와 같이 표시할 수 있다.
Figure 112008060766018-pat00004
따라서 마이크로파의 파장의
Figure 112008060766018-pat00005
은 약 8.33cm가 된다. 상기와 같은 이유로 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 크기는 10cm정도의 크기를 유지하도록 할 수 있어 휴대가 간편하다.
동축케이블(10)의 제1내부도체(7)와 연결부재(1)의 제2내부도체(8)의 접속부(9)에서 바라본 동축케이블(10)의 입력임피던스는 접속부의 위치에 따라서 달라진다. 이러한 점을 감안하여 마이크로파 신호를 제2내부도체(8)를 경유하여 동축케 이블(10)에 인가하는 마이크로파 발진기(미도시) 또는 마이크로파 발진기로부터 출력되는 마이크로파 신호를 증폭하는 증폭기와의 임피던스 정합(impedance matching)을 용이하게 조절할 수 있다. 이 부분에 대해서는 후술한다.
대기압에서 플라즈마를 발생시키기 위해서는 106 V/m(Volts/meter) 이상의 높은 전계 강도가 필요한데, 부분적으로 전계 강도를 높이기 위하여 방전 팁(5)을 사용한다. 일단 방전이 일어나서 플라즈마가 생성되고 나면 방전 팁(5)은 더 이상 사용하지 않아도 된다. 따라서 방전 팁(5)은 필요할 때만 사용하고 필요 없을 때는 발생기로부터 제거하는 것도 가능하다. 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기는 실험결과 약 1 와트 정도의 전기에너지를 소비하며 플라즈마를 생성시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
도 2는 도 1에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 A 방향에서의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 외부도체(4)의 중앙부분에 연결도체(2)가 삽입되어 있으며, 연결도체(2)에는 2개의 가스유입관(3)이 구비되어 있다. 도면에는 2개의 불활성가스가 유전체(6)로 유입되는 가스유입관(3)이 표시되어 있지만, 1개만 구비하는 것도 가능하다. 가스유입관(3)으로 유입되는 불활성가스의 예로는 헬륨 및 아르곤이 있다.
도 3은 도 1에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 B 방향에서의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 외부도체(4)는 동축케이블(10)을 감싸고 있으며, 동축케이블(10)의 중앙부분에는 제1내부도체(7)가 있고 동축케이블(10)의 외피와 제1내부도체(7) 사이에는 유전체(6)가 있다. 동축케이블(10)의 B면에는 방전 팁(5)이 있어서 동축케이블(10)의 B면으로 출력되는 플라즈마를 방전시킨다.
도 4는 동축케이블의 길이를 조정할 수 있는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기(400)의 중앙의 점선타원부분인 동축케이블 연장 탭(11)은 동축케이블의 외부도체(4)와 동축케이블의 제1내부도체(7)의 길이를 조정할 수 있도록 고안되었다. 예를 들면 동축케이블(10)의 외부도체(4) 및 제1내부도체(7)는 탈부착 또는 슬라이드 형식으로 겹쳐지거나 늘어나면서 길이를 증감시킬 수 있다.
동축케이블 연장 탭(11)을 이용하여 동축케이블(10)의 길이를 조절함으로서 공진이 보다 효과적으로 일어 날 수 있도록 하며, 임피던스 정합을 통해서 반사되는 마이크로파를 최대한 감소시킬 수 있다. 또한 동축케이블 연장 탭(11)의 상부와 하부는 서로 분리할 수(탈부착)도 있는데, 플라즈마에 의해서 공진기의 끝단(하부)이 부식(erosion)이 될 경우 부분적인 교체가 가능하므로 장치의 수명을 연장시킬 수 있다는 장점도 있다.
본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 경우, 연결부재(1)의 위치를 조절함으로서 자체 임피던스를 조절할 수 있다. 따라서 마이크로파를 공급하는 마이크로파 발진기(미도시) 또는 마이크로파를 증폭하는 증폭기(미도 시)와의 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 별도의 정합장치가 필요하지 않게 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 작동원리 및 주변 장치와의 관계에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 개략도이다.
도 5를 참조하면 동축케이블(10)의 제1내부도체(7)와 연결부재(1)의 제2내부도체(8)가 서로 만나는 접속부(9, feeding point)에서 바라본 동축케이블(10)의 입력임피던스(ZIN)는 수학식 3과 같이 표시할 수 있다.
Figure 112008060766018-pat00006
여기서 제1임피던스(Z1)는 접속부(9)로부터 동축케이블(10)의 왼쪽으로 바라본 임피던스, 제2임피던스(Z2)는 접속부(9)로부터 동축케이블(10)의 오른쪽으로 바라본 임피던스, Z0는 동축케이블(10)의 특성임피던스(characteristic impedance)를 의미한다. j는 복소수
Figure 112008060766018-pat00007
, l1은 접속부(9)로부터 왼쪽끝단까지의 거리, l2는 접속부(9)로부터 오른쪽 끝단까지의 거리, k는 복소전파정수(complex propagation constant) 또는 파장(wavelength)의 역수인 파수(wave number), α는 동축케이 블(10)의 감쇠상수(attenuation constant) 그리고 β는 동축케이블의 위상상수(phase constant)이다. 수학식 3의 최종수식은 (αl)=1(one)일 때 tan(αl)??(αl)이라는 가정 하에 얻어진 것이다.
동축케이블(10)의 왼쪽은 연결도체(2)로 서로 연결되어 있으므로, 제1임피던스(Z1)의 부하임피던스(ZL)는 0(zero)이 되고, 동축케이블(10)의 오른쪽은 개방(open)되어 있으므로 부하임피던스(ZL)는 무한대(∞)가 된다. 동축케이블(10)의 감쇠상수(α) 및 동축케이블(10)의 위상상수(β)는 사용하는 동축케이블의 전기적 특성에 의해 자동으로 결정되는 상수이므로, 동축케이블(10)의 입력임피던스(ZIN) 다시 말하면 공진기의 입력임피던스(ZIN)는 l1 및 l2에 의해 결정된다.
동축케이블(10)의 길이가 마이크로파의 파장의
Figure 112008060766018-pat00008
이하라고 가정할 때, l1을 조절한다는 것은 공진기의 인덕턴스(inductance)를 조절한다는 것을 의미하도, l2를 조절한다는 것은 공진기의 커패시턴스(capacitance)를 조절한다는 것을 의미한다. 따라서 공진기는 저항(resistor), 인덕터(inductor) 및 커패시터(capacitor)가 병렬로 연결된 것과 대응되므로, 접속부(9)의 위치는 l1 및 l2 중 하나의 길이를 조정함으로서 결정된다. 공진기의 입력임피던스(ZIN)를 50Ω(Ohm)으로 맞출 경우, 별도의 임피던스 조정장치가 필요 없다.
상기의 설명은 동축케이블(10)의 길이가 상기 마이크로파 파장의
Figure 112008060766018-pat00009
및
Figure 112008060766018-pat00010
의 길이 중 하나의 길이를 가지는 경우에 대한 것이지만, 동축케이블(10)의 길이가 마이크로파 파장의 및
Figure 112008060766018-pat00012
의 배수 중 하나의 길이를 가지는 것도 가능하다.
도 6은 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 실제 재품을 도시한다.
도 6을 참조하면, 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 동축케이블(10)의 길이는 마이크로파 파장의
Figure 112008060766018-pat00013
이 되며, 연결부재(1)는 SMA 커넥터(connector)를 사용하였다.
도 7은 도 6에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 오른쪽 단면(F)을 도시한다.
도 7을 참조하면, 발생기의 오른쪽은 방전 팁(5)이 제1내부도체(7)와 일정한 간격(Gap)을 가지고 배치되어 있다. 도 6에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기가 900 MHz의 마이크로파를 사용하여 공진하고 동축케이블(10)의 길이가 마이크로파 파장의
Figure 112008060766018-pat00014
의 길이를 가진다고 할 때, 상기 간격(Gap)은 40㎛(micro meter)이다. 만일 2.45 GHz의 마이크로파 신호를 사용하며, 동축케이블(10)의 길이가 마이크로파 파장의
Figure 112008060766018-pat00015
의 길이를 가진다고 가정하면 상기 간격(Gap)은 100㎛가 되는 것이 바람직하다.
도 8은 도 6에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 왼쪽 단면(R)을 도시한다.
도 8을 참조하면, 가스유입관(3)으로 불활성가스를 주입한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 특별히 고안된 동축형 케이블을 사용하는 것도 가능하지만 일반적으로 사용되고 있는 세미 리지드(semi-regid) 형태의 동축케이블을 이용할 수 있으며, 공진기 즉 플라즈마 발생기의 끝단에서 전압과 전기장이 최대가 되게 하므로, 종래의 플라즈마 발생기에 비해 전력 손실을 최소화하면서 플라즈마를 효과적으로 발생시킨다. 또한 사용하는 마이크로파의
Figure 112008060766018-pat00016
파장의 길이에 대응되는 길이를 가지므로 약 10cm의 크기로도 구현이 가능하기 때문에 휴대할 수 도 있다. 공진기 자체의 임피던스를 조절하여 마이크로파 생성장치의 출력임피던스 인 50 Ω으로 맞추는 경우 별도의 임피던스 조정장치가 필요 없으므로 복잡하지 않다는 장점도 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 일 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 A 방향에서의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 B 방향에서의 단면도이다.
도 4는 동축케이블의 길이를 조정할 수 있는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 실제 재품을 도시한다.
도 7은 도 6에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 오른쪽 단면(F)을 도시한다.
도 8은 도 6에 도시된 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 왼쪽 단면(R)을 도시한다.

Claims (8)

  1. 제1내부도체(7) 및 상기 제1내부도체(7)를 둘러싸는 유전체(6)를 구비하는 동축케이블(10);
    상기 동축케이블(10)을 둘러싸는 외부도체(4);
    적어도 하나의 가스유입관(3)을 구비하며, 상기 동축케이블(10)의 일단에서 상기 제1내부도체(7)와 상기 외부도체(4)를 전기적으로 연결하는 연결도체(2); 및
    상기 외부도체(4)를 경유하여 상기 제1내부도체(7)와 연결되는 제2내부도체(8)를 구비하는 연결부재(1)를 구비하되,
    상기 동축케이블(10)의 길이는,
    인가되는 마이크로파 파장의
    Figure 112010060182372-pat00029
    및
    Figure 112010060182372-pat00030
    의 길이 중 하나의 길이를 가지거나,
    Figure 112010060182372-pat00031
    및
    Figure 112010060182372-pat00032
    의 배수 중 하나의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체(6)는 공기이고,
    상기 가스유입관(3)으로는 불활성가스가 유입되고,
    상기 제2내부도체(8)를 통해서는 마이크로파가 인가되는 것을 특징으로 하는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 불활성가스는,
    헬륨가스 및 아르곤가스 중 하나인 것을 특징으로 하는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파는,
    주파수가 900MHz 또는 2.45GHz인 것을 특징으로 하고, 상기 주파수에서 공진하여 전력 효율을 극대화하며 별도의 마이크로파 정합장치가 필요 없는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 동축케이블(10)은,
    탈부착이 가능하거나 슬라이딩 형식으로 그 길이를 가감시킬 수 있는 적어도 2개의 부분으로 구별될 수 있는 것을 특징으로 하는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 동축케이블(10)의 다른 일단에 부착되어 상기 동축케이블의 플라즈마를 방전시키는 방전 팁(5)을 더 구비(further includes)하는 것을 특징으로 하는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 방전 팁(5)과 상기 제1내부도체(7) 사이의 길이는,
    상기 마이크로파의 주파수가 900MHz일 경우에는 40㎛이고,
    상기 마이크로파의 주파수가 2.45GHz일 경우에는 100㎛인 것을 특징으로 하는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기.
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