KR101140254B1 - 순시적인 아크 검출기능을 갖는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 - Google Patents

순시적인 아크 검출기능을 갖는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 순시적인 아크 검출기능을 갖는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에 관한 것이다. 트랜스포머는 1차측 전압 및 전류를 소정의 권선 비율에 기초하여 변환하고, 상기 변환된 전압 및 전류를 각각 출력 전압 및 출력 전류로서 2차측으로 제공한다. 전류 검출용 인덕터는 상기 트랜스포머의 1차측에 흐르는 전류를 유도하도록 상기 트랜스포머에 대해 결합되고, 상기 트랜스포머의 1차측 전류를 유도하여 유도 전류로서 출력한다. RL 직렬회로는 상기 전류 검출용 인덕터의 양단에 대해 서로 직렬 연결된 인덕터 및 저항으로 구성되고, 상기 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값에 의해 결정되는 소정의 임피던스를 가지며, 상기 임피던스와 상기 유도 전류에 의해 결정되는 전압을 양단에 형성한다. 정류회로는 상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압에 대해 전파 정류(full-wave rectification)를 수행한다. 비교기는 상기 정류회로에 의해 정류된 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 비교의 결과를 아크 검출 신호로서 출력한다.

Description

순시적인 아크 검출기능을 갖는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치{ARC DETECTING CIRCUIT HAVING TRANSIENT ARC DETECTING FUNCTION AND POWER SUPPLY APPARATUS FOR GENERATION OF ATMOSPHERIC PLASMA BY USING THE SAME}
본 발명은 순시적인 아크 검출기능을 갖는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로, 전원 공급을 위한 트랜스포머의 1차측에 전류 검출용 인덕터(inductor)를 설치하고, 이 전류 검출용 인덕터를 이용하여 전원 공급 장치의 출력 전류를 순시적으로 검출하고 아크 발생 여부를 판단함으로써 아크 발생 시점으로부터 출력 전압의 1 주기(period) 이내에 아크 발생을 검출할 수 있는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에 관한 것이다.
플라즈마(plasma)는 물질의 제4의 상태로 불리며, 대기압 플라즈마 처리 장치는 대기압 하에서 고압 방전에 의해 플라즈마를 발생시킨다. 이러한 대기압 플라즈마 처리 장치는 화학 기상 증착(CVD : chemical vapor deposition), 물리 기상 증착(PVD : physical vapor deposition), 스퍼터링, 코팅 등을 포함하는 반도체, 액정 표시 장치, 유기발광 다이오드 등의 제조 공정에 폭 넓게 사용되고 있다.
이러한 대기압 플라즈마 처리 장치는 대기압 하에서 플라즈마를 형성하기 위하여 고압 방전을 이용하고 있으며, 이러한 고압 방전을 발생시키기 위하여, 수십 kV 단위의 고전압을 유도하기 위한 트랜스포머(transformer)를 필연적으로 포함하고 있다.
대기압 플라즈마 처리 장치가 실제 동작될 경우, 플라즈마 부하의 특성으로 인해 쇼트(short)와 같은 이상 상태인 아크(arc) 현상이 빈번하게 발생하며, 이러한 아크는 플라즈마 부하에 특성 및 품질의 열화를 가져오므로, 대기압 플라즈마 처리 장치에 고전압을 공급하기 위한 전원 공급 장치는 이러한 아크 현상을 신속하게 검출하여 그 출력 전압을 차단해야 할 필요성을 가진다.
종래의 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 아크를 검출하기 위하여 전원 공급 장치에서 출력되는 펄스 형태를 갖는 출력 전압 및 출력 전류를 측정하여 출력 전압이 급격히 낮아지거나 출력 전류가 급격히 상승하는지 여부를 판단함으로써 용량성 부하(capacitive load)에서의 아크 발생 여부를 판단하고 있다.
그러나, 이러한 종래의 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 출력 전압 및 출력 전류의 급격한 변화로 인해 펄스 형태를 갖는 출력 전압 및 출력 전류로부터 순시적으로 아크 발생 여부를 판단하는 것이 아니라, 그 펄스의 몇 주기 지연된 시점에 아크 발생 여부를 판단한다고 하는 문제점을 가지고 있었다. 이러한 시간 지연은 아크 현상이 일정한 시간 동안 플라즈마 부하에 영향을 미치도록 하여, 용량성 부하 및 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에 악영향을 미치게 된다.
본 발명은 위와 같이 설명된 종래의 기술적 문제를 해결하기 위한 것으로서, 승압용 트랜스포머의 1차측에 전류 검출용 인덕터를 설치하고, 이 전류 검출용 인덕터에 의해 출력 전류의 변화를 검출하여 아크의 발생 여부를 순시적으로 판단할 수 있는 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부; 상기 정류부를 통해 변환된 직류 전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부; 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 펄스 전압의 전압 레벨을 미리 정해진 권선 비율에 따라 변환하는 펄스 승압부; 피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여, 상기 펄스 승압부로부터 출력되는 전압을 인가받아 플라즈마를 형성하는 용량성 부하; 상기 펄스 승압부로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출용 인덕터; 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류를 전압으로 변환하고, 이를 전파 정류하여 기준 전압과 비교하고, 상기 비교 결과를 아크 검출 신호로서 출력하는 아크 검출부; 및 상기 인버터부에서 출력되는 교류 펄스 전압에 대한 펄스 진폭 변조를 제어하고, 펄스 공진 시점 및 플라즈마의 밀도를 조절하기 위하여 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 펄스 전압에 대한 펄스폭 변조 및 펄스 밀도 변조를 제어하고, 상기 아크 검출부로부터 출력되는 아크 검출 신호에 따라 상기 인버터부로부터 상기 펄스 승압부로 공급되는 교류 펄스 전압의 차단 여부를 제어하는 제어부를 포함하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치가 제공된다.
바람직하게는, 상기 아크 검출부는, 상기 전류 검출용 인덕터의 양단에 대해 서로 직렬 연결된 인덕터 및 저항으로 구성되고, 상기 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값에 의해 결정되는 임피던스를 가지며, 상기 임피던스와 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류에 의해 결정되는 전압을 양단에 형성하는 RL 직렬회로; 상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압에 대해 전파 정류(full-wave rectification)를 수행하는 정류회로; 및 상기 정류회로에 의해 정류된 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 비교의 결과를 아크 검출 신호로서 출력하는 비교기를 포함한다.
본 발명의 또 다른 일 특징에 따르면, 1차측 전압 및 전류를 1차측 및 2차측의 권선 비율에 기초하여 변환하고, 상기 변환된 전압 및 전류를 각각 출력 전압 및 출력 전류로서 2차측으로 제공하는 트랜스포머; 상기 트랜스포머의 1차측에 흐르는 전류를 유도하도록 상기 트랜스포머에 대해 결합되고, 상기 트랜스포머의 1차측 전류를 유도하여 유도 전류로서 출력하는 전류 검출용 인덕터; 상기 전류 검출용 인덕터의 양단에 대해 서로 직렬 연결된 인덕터 및 저항으로 구성되고, 상기 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값에 의해 결정되는 임피던스를 가지며, 상기 임피던스와 상기 유도 전류에 의해 결정되는 전압을 양단에 형성하는 RL 직렬회로; 상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압에 대해 전파 정류(full-wave rectification)를 수행하는 정류회로; 및 상기 정류회로에 의해 정류된 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 비교의 결과를 아크 검출 신호로서 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로가 제공된다.
바람직하게는, 상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압은 상기 유도 전류의 변화율, 상기 인덕턴스 및 저항값의 조합에 의해 결정된다.
바람직하게는, 상기 RL 직렬회로를 구성하는 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값은 상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압의 전압 변화 기울기와 전압의 크기를 고려하여 설정된다.
바람직하게는, 상기 비교기는 상기 정류된 전압이 상기 기준 전압보다 클 경우에는 하이 레벨(high level) 신호를 아크 검출 신호로서 출력하고, 상기 정류된 전압이 상기 기준 전압보다 작을 경우에는 로우 레벨(low level) 신호를 아크 검출 신호로서 출력한다.
바람직하게는, 상기 비교기에서 출력되는 아크 검출 신호는 상기 트랜스포머의 1차측에 공급되는 전원의 차단 여부를 결정하기 위해 이용된다.
바람직하게는, 상기 비교기의 출력단에는, 회로를 보호하고 명확한 디지털 논리 신호를 얻기 위하여 풀업 저항 또는 풀다운 저항이 연결된다.
본 발명에 따른 아크 검출 회로 및 이를 이용한 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 트랜스포머의 1차측에 연결된 전류 검출용 인덕터에 의해 유도 전류의 형태로 출력 전류의 변화를 검출함으로써 출력 전압의 1 주기 이내에서 아크의 발생을 순시적으로 검출할 수 있고, 상기 유도 전류를 전압으로 변환한 후 전파 정류시킴으로써, 아크가 포지티브 영역 또는 네거티브 영역의 어디에 발생하더라도 검출할 수 있다.
본 발명은 이와 같이 아크의 발생을 검출하고, 이 아크 검출 신호를 트랜스포머의 1차측에 대한 전원의 차단 여부를 결정하는데 이용할 수 있도록 함으로써, 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 전체 구성도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 RL 직렬회로에서의 전압 및 전류의 관계를 설명하는 벡터도(vector diagram)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치가 정상 상태 및 아크 발생 상태일 경우, 트랜스포머의 2차측 전압 및 전류의 변화를 각각 도시하는 파형도이다.
도 5는 도 2에 도시된 비교기에서 아크 발생 여부를 판단하는 과정을 보여주는 파형도를 도시한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 구성 및 동작에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 전체 구성도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 교류 전원(AC), 정류부(1), 인버터부(2), 전류 검출용 인덕터(3), 펄스 승압부(4), 용량성 부하(5), 아크 검출부(6) 및 제어부(7)를 포함한다.
이하, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 동작에 대해 설명한다.
정류부(1)는 상용 교류 전원(AC)으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 인버터부(2)는 상기 정류부(1)를 통해 변환된 직류 전압을 교류 펄스 전압으로 변조한다. 펄스 승압부(4)는 일종의 트랜스포머(transformer)로서 구현될 수 있으며, 상기 인버터부(2)로부터 출력되는 교류 펄스 전압의 전압 레벨을 소정의 권선 비율에 따라 변환한다.
용량성 부하(5)는 피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여 상기 펄스 승압부(4)에 의해 출력되는 고전압을 인가받아 플라즈마를 형성한다.
전류 검출용 인덕터(3)는 펄스 승압부(4)로 입력되는 전류를 검출하고, 예를 들어, 펄스 승압부(4)가 트랜스포머로 구현될 경우, 이 트랜스포머의 1차측 전류를 전류 유도 방식으로 검출한다.
아크 검출부(6)는 전류 검출용 인덕터(3)에 의해 검출된 전류를 전압으로 변환하고, 이를 전파 정류하여 소정의 기준 전압과 비교함으로써 아크 발생 여부를 판단한다. 아크 검출부(6)는 상기 비교 결과를 아크 검출 신호로서 제어부(7)에 출력한다.
제어부(7)는 인버터부(2)에서 출력되는 교류 펄스 전압에 대한 펄스 진폭 변조(PAM : pulse amplitude modulation)와, 펄스 공진 시점 및 플라즈마의 밀도를 조절하기 위하여 인버터부(2)에서 출력되는 교류 펄스 전압에 대한 펄스폭 변조 및 펄스 밀도 변조를 제어한다. 한편, 제어부(7)는 아크 검출부(6)로부터 출력되는 아크 검출 신호에 따라 인버터부(2)에서 펄스 승압부(4)로 공급되는 교류 펄스 전압의 차단 여부를 제어한다. 즉, 아크 검출 신호에 의해 아크 발생 상태인 것으로 판단되면, 제어부(7)는 인버터부(2)로부터 펄스 승압부(4)로의 교류 펄스 전압의 공급을 차단한다.
이와 관련하여, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치에서 아크 검출 기능과 관련된 회로는 트랜스포머(10), 전류 검출용 인덕터(20), RL 직렬회로(30), 정류회로(40) 및 비교기(50)를 포함한다.
도 1에 도시된 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출부(6)는 도 2에 도시된 구성요소 중에서, RL 직렬회로(30), 정류회로(40) 및 비교기(50)로 구체화되어 있다.
또한, 도 2에 도시된 전류 검출용 인덕터(20)는 도 1에 도시된 전류 검출용 인덕터(3)와 실질적으로 동일하고, 도 2에 도시된 트랜스포머(10)는 도 1에 도시된 펄스 승압부(4)와 실질적으로 동일하다.
본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는 플라즈마의 형성을 위한 고압 방전을 발생시키기 위하여 "변압기"라고도 불리는 트랜스포머(transformer)(10)를 이용한다. 트랜스포머는 전자기유도를 이용하여 1차측의 전압 및 전류를 권선 비율에 기초하여 변환하여 이를 2차측으로 전달하는 장치이다. 예를 들어, 1차측 전압 및 2차측 전압은 권선 비율에 비례하고, 1차측 전류 및 2차측 전류는 권선 비율에 반비례한다.
트랜스포머(10)는 1차측 전압 및 전류를 소정의 권선 비율에 기초하여 변환하고, 이 변환된 전압 및 전류를 출력 전압 및 출력 전류로서 2차측으로 제공한다. 통상적으로, 트랜스포머(10)의 1차측 전압 및 전류는 교류(AC)이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 검출용 인덕터(20)는 트랜스포머(10)의 1차측에 흐르는 전류를 유도하도록 트랜스포머(10)에 대해 결합되어 있다. 전류 검출용 인덕터(20)에 의해 유도된 트랜스포머(10)의 1차측 전류는 유도 전류(Ia)로서 RL 직렬회로(30)로 출력된다.
RL 직렬회로(30)는 전류 검출용 인덕터(20)의 양단에 대해 연결되고, 서로 직렬 연결된 인덕터(La) 및 저항(Ra)으로 구성된다. RL 직렬회로(30)는 인덕터(La) 및 저항(Ra)의 인덕턴스(inductance) 및 저항값에 의해 결정되는 소정의 임피던스(impedance)를 가지며, 이러한 임피던스와 유도 전류(Ia)에 의해 결정되는 전압(Va)을 양단에 형성한다.
일반적으로, 아크는 트랜스포머(10)의 1차측 전류의 포지티브(positive) 성분 및 네거티브(negative) 성분 모두에서 발생할 수 있으며, 특히, 펄스 출력 전압 파형의 피크 지점에서 주로 발생한다. 본 발명에서는 이와 같이 트랜스포머(10)의 1차측 전류의 포지티브 및 네거티브 성분들을 모두 검사하기 위하여, 트랜스포머(10)의 1차측 전류를 전압으로 변환한 신호인 RL 직렬회로(30)에서 출력되는 전압(Va)을 정류하기 위한 정류회로(40)가 사용된다.
정류회로(40)는 RL 직렬회로(30)의 양단에 형성되는 전압(Va)을 전파 정류(full-wave rectification)하고, 정류된 전압을 비교기(50)로 제공한다. 비교기(50)는 정류회로(40)에서 출력되는 전압과 기준 전압(Vref)을 비교하고, 그 비교 결과를 아크 검출 신호로서 출력한다.
예를 들어, 비교기(50)는 정류회로(40)에서 출력되는 전압이 기준 전압(Vref)을 초과할 경우에는 아크가 발생한 것으로 판단하여 하이 레벨(high level) 신호를 아크 검출 신호로서 출력할 수 있고, 정류회로(40)에서 출력되는 전압이 기준 전압(Vref)보다 작을 경우에는 아크가 발생하지 않은 것으로 판단하여 로우 레벨(low level) 신호를 아크 검출 신호로서 출력할 수 있다.
비교기(50)의 출력 단자에 연결된 저항(Rp)은 풀업(pull-up) 저항으로서, 회로의 보호와 명확한 디지털 논리 신호를 얻기 위한 목적을 가진다. 본 발명에서는 저항(Rp)이 풀업 저항일 경우를 예시한 것에 불과하며, 언급한 것과 유사한 목적을 달성하기 위하여 풀다운(pull-down) 저항이 사용될 수도 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여 도 2에 도시된 RL 직렬회로(30)에서의 전압 및 전류의 관계를 설명한다. 도 3은 도 2에 도시된 RL 직렬회로에서의 전류 및 전압의 관계를 설명하는 벡터도를 도시한 것이다.
도 2의 전류 검출용 인덕터(20)에 의해 유도되는 유도 전류(Ia)를 전류원(current source)이라고 할 때, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)은 다음의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010055634468-pat00001
수학식 1에 의해 표현된 양단 전압(Va)을 유도 전류(Ia)로 표현하면, 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112010055634468-pat00002
도 2에 도시된 RL 직렬회로(30)를 구성하는 인덕터(La)의 양단에 걸리는 전압(VL)은 유도 전류(Ia)의 미분값으로서 표현되고, 유도 전류에 비해 90°앞선 위상을 가진다. RL 직렬회로(30)를 구성하는 저항(Ra)의 양단에 걸리는 전압(VR)은 유도 전류(Ia)와 동일한 위상을 가진다.
이러한 상황에서, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)은 인덕터(La)의 양단 전압(VL)과 저항(Ra)의 양단 전압(VR)의 합으로 표현되므로, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)은 유도 전류(Ia)보다 θ만큼 앞선 위상을 가진다.
RL 직렬회로(30)에서의 전압 및 전류 사이의 이러한 위상차 θ는 당업계에 널리 알려진 RL 직렬회로의 해석 방법을 통해 구해질 수 있으며, 위상차 θ는 다음의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010055634468-pat00003
여기서, X = ωLa, ω = 2πf이다.
상기 수학식 2를 참조하면, RL 직렬회로(30) 내의 인덕터(La)의 양단 전압(VL)은 유도 전류(Ia)의 미분값과 인덕터(La)의 인덕턴스(inductance)에 의해 결정되고, 저항(Ra)의 양단 전압(VR)은 저항값과 유도 전류(Ia)의 값에 의해 결정되므로, 궁극적으로, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)은 유도 전류(Ia)의 변화율, 인덕턴스 및 저항값의 조합에 의해 결정된다.
예를 들어, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)에서는, 인덕터(La)의 인덕턴스에 의해 그 전압 변화의 기울기가 영향을 받고, 저항(Ra)의 저항값에 의해 그 전압의 크기가 영향을 받는다. 바꾸어 말하면, 인덕턴스가 너무 크면 노이즈에 의해 용량성 부하가 영향을 받아서 RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)이 민감하게 나타나고, 저항값이 너무 크면 양단 전압(Va)을 기준 전압(Vref)과 비교하여 아크 발생 여부를 판단함에 있어서, 기준 전압(Vref)의 설정이 곤란해진다.
따라서, RL 직렬회로(30)를 구성하는 인덕터(La) 및 저항(Ra)의 소자값, 즉, 인덕턴스 및 저항값은 용량성 부하와 전원 공급 장치의 신뢰성을 고려하여 적절한 값으로 설정되어야 한다. 즉, RL 직렬회로(30)를 구성하는 인덕터(La) 및 저항(Ra)의 인덕턴스 및 저항값은 RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)의 전압 변화 기울기와 전압의 크기를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치가 정상 상태 및 아크 발생 상태일 경우, 트랜스포머의 2차측 전압 및 전류의 변화를 각각 도시하는 파형도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치가 정상 상태일 경우에는, 도 2에 도시된 트랜스포머(10)의 2차측 전압은 펄스의 형태를 가지고 2차측 전류는 펄스의 한 주기의 주파수를 갖는 정현파의 형태를 가진다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치가 아크 발생 상태일 경우, 도 2에 도시된 트랜스포머(10)의 2차측 전압은 감소하고, 트랜스포머(10)의 2차측 전류는 급격하게 증가한다. 도 4는 2차측 전류가 네거티브 영역인 경우를 도시한 것이며, 2차측 전류가 급격하게 증가한다는 것은 2차측 전류의 크기가 급격히 증가한다는 것을 의미한다.
이와 같이, 트랜스포머(10)의 2차측 전류가 급격하게 증가하면, 도 4에 도시되지 않았지만, 도 4의 2차측 전류의 파형과 유사하게, 트랜스포머(10)의 권선 비율과 비례 관계에 있는 트랜스포머(10)의 1차측 전류도 급격하게 증가하고, 전류 검출용 인덕터(20)에 의해 검출되는 유도 전류(Ia)도 급격하게 증가할 것이다. 따라서, 이러한 유도 전류(Ia)에 의해 결정되는 RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)도 증가하게 된다.
도 2에 도시된 비교기에서 아크 발생 여부를 판단하는 과정을 보여주는 파형도를 도시한 것이다.
위와 같이 아크가 발생한 경우, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)도 급격히 증가하고, RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)은 도 5의 우측 파형과 같이 정류회로(40)에 의해 전파 정류(full-wave rectification) 될 수 있다. RL 직렬회로(30)의 양단 전압(Va)이 정류회로(40)에 의해 전파 정류 되도록 구성함으로써, 트랜스포머(10)의 2차측 전류의 포지티브 및 네거티브 영역 중의 어느 쪽에서 아크가 발생하더라도, 아크 발생 여부를 판단하는 것이 가능해진다.
한편, 이와 같이 정류된 전압 파형은 비교기(50)에 의해 기준 전압(Vref)과 비교되고, 정류된 전압 레벨이 기준 전압(Vref)을 초과할 경우, 비교기(50)는 아크 검출 신호로서 하이 레벨(high level) 신호를 출력한다. 이렇게 얻어진 아크 검출 신호는 트랜스포머(10)의 1차측에 공급되는 전원의 차단 여부를 결정하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치는, 트랜스포머(10)의 1차측 전류를 전류 검출용 인덕터(20)에 의해 유도 전류(Ia)로서 검출하고, 이렇게 검출된 유도 전류(Ia)를 RL 직렬회로(30)에 의해 전압(Va)으로 변환하고, 정류회로(40)에 의해 전파 정류를 수행한 다음, 그 전압의 값을 기준 전압과 비교하여 아크 발생 여부를 판단함으로써, 입력 전류의 1 펄스 주기 이내의 시간 동안 순시적으로 아크 발생을 검출할 수 있고, 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 신뢰성을 확보할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자, 즉 당업자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 트랜스포머 20 : 전류 검출용 인덕터
30 : RL 직렬회로 40 : 정류회로
50 : 비교기 Rp : 풀업 저항
Vref : 기준 전압

Claims (8)

  1. 상용 교류 전원으로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 정류부;
    상기 정류부를 통해 변환된 직류 전압을 교류 펄스 전압으로 변조하는 인버터부;
    상기 인버터부로부터 출력되는 교류 펄스 전압의 전압 레벨을 미리 정해진 권선 비율에 따라 변환하는 펄스 승압부;
    피처리 대상물에 대해 플라즈마 반응을 일으키기 위하여, 상기 펄스 승압부로부터 출력되는 전압을 인가받아 플라즈마를 형성하는 용량성 부하;
    상기 펄스 승압부로 입력되는 전류를 검출하는 전류 검출용 인덕터;
    상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류를 전압으로 변환하고, 이를 전파 정류하여 기준 전압과 비교하고, 상기 비교 결과를 아크 검출 신호로서 출력하는 아크 검출부; 및
    상기 인버터부에서 출력되는 교류 펄스 전압에 대한 펄스 진폭 변조를 제어하고, 펄스 공진 시점 및 플라즈마의 밀도를 조절하기 위하여 상기 인버터부로부터 출력되는 교류 펄스 전압에 대한 펄스폭 변조 및 펄스 밀도 변조를 제어하고, 상기 아크 검출부로부터 출력되는 아크 검출 신호에 따라 상기 인버터부로부터 상기 펄스 승압부로 공급되는 교류 펄스 전압의 차단 여부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 아크 검출부는,
    상기 전류 검출용 인덕터의 양단에 대해 서로 직렬 연결된 인덕터 및 저항으로 구성되고, 상기 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값에 의해 결정되는 임피던스를 가지며, 상기 임피던스와 상기 전류 검출용 인덕터에 의해 검출된 전류에 의해 결정되는 전압을 양단에 형성하는 RL 직렬회로;
    상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압에 대해 전파 정류(full-wave rectification)를 수행하는 정류회로; 및
    상기 정류회로에 의해 정류된 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 비교의 결과를 아크 검출 신호로서 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치.
  3. 1차측 전압 및 전류를 1차측 및 2차측의 권선 비율에 기초하여 변환하고, 상기 변환된 전압 및 전류를 각각 출력 전압 및 출력 전류로서 2차측으로 제공하는 트랜스포머;
    상기 트랜스포머의 1차측에 흐르는 전류를 유도하도록 상기 트랜스포머에 대해 결합되고, 상기 트랜스포머의 1차측 전류를 유도하여 유도 전류로서 출력하는 전류 검출용 인덕터;
    상기 전류 검출용 인덕터의 양단에 대해 서로 직렬 연결된 인덕터 및 저항으로 구성되고, 상기 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값에 의해 결정되는 임피던스를 가지며, 상기 임피던스와 상기 유도 전류에 의해 결정되는 전압을 양단에 형성하는 RL 직렬회로;
    상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압에 대해 전파 정류(full-wave rectification)를 수행하는 정류회로; 및
    상기 정류회로에 의해 정류된 전압을 기준 전압과 비교하고, 상기 비교의 결과를 아크 검출 신호로서 출력하는 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압은 상기 유도 전류의 변화율, 상기 인덕턴스 및 저항값의 조합에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 RL 직렬회로를 구성하는 인덕터 및 저항의 인덕턴스 및 저항값은 상기 RL 직렬회로의 양단에 형성되는 전압의 전압 변화 기울기와 전압의 크기를 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 비교기는 상기 정류된 전압이 상기 기준 전압보다 클 경우에는 하이 레벨(high level) 신호를 아크 검출 신호로서 출력하고, 상기 정류된 전압이 상기 기준 전압보다 작을 경우에는 로우 레벨(low level) 신호를 아크 검출 신호로서 출력하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로.
  7. 청구항 3 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 비교기에서 출력되는 아크 검출 신호는 상기 트랜스포머의 1차측에 공급되는 전원의 차단 여부를 결정하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 비교기의 출력단에는, 회로를 보호하고 명확한 디지털 논리 신호를 얻기 위하여 풀업(pull-up) 저항 또는 풀다운(pull-down) 저항이 연결되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 생성용 전원 공급 장치의 아크 검출 회로.
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