KR101148082B1 - Plasma generation apparatus and generation method of the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus for generating plasma and a method thereof are provided to supply a small vacuum chamber using atmospheric pressure plasma by using metal tunneling of an electronic beam. CONSTITUTION: An apparatus for generating plasma includes a vacuum container(110) and an electron emission unit(120) generating electronics inside the vacuum container. The apparatus for generating plasma includes an acceleration part(130) accelerating an emitted electronics in the electron emission unit inside the vacuum container and a metal foil(140) tunneling accelerated electronics. The electronics tunneling the metal foil forms plasma outside the vacuum container. The vacuum container is able to be formed into metal or a dielectric.

Description

플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법{PLASMA GENERATION APPARATUS AND GENERATION METHOD OF THE SAME}Plasma generator and plasma generating method {PLASMA GENERATION APPARATUS AND GENERATION METHOD OF THE SAME}

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 플라즈마 금속 투과 현상을 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma generating apparatus, and more particularly to an atmospheric pressure plasma generating apparatus using a plasma metal permeation phenomenon.

DBD(Dielectrc Barrier Discharge), 제트 플라즈마, 저온 코로나 방전은 대기압 플라즈마 소스로서 많이 이용되고 있다. 상기 플라즈마 소스는 양극과 음극 사이에 고전압을 인가하여 대기압 하에서 플라즈마를 발생시킨다. 대기압에서 전압을 이용하여 플라즈마를 발생시키기 위하여 고전압이 요구된다. 따라서, 항상 아킹(arcing) 등의 전기적 위험성이 있다. 또한 전극의 형태에 대한 제한으로 인하여, 플라즈마 발생 범위가 좁다. 따라서, 한 번에 처리할 수 있는 타겟 영역이 한정되어 있다. 또한, 고전압을 인가함으로써 소모되는 에너지가 크고, 플라즈마 발생 효율도 나쁘다. 대기압 하에서 고전압을 통한 전자의 가열 방식은 가스를 이온화시켜 플라즈마를 생성하는 고에너지 전자군(high energy electron gruop)을 형성한다. 따라서, 고전압을 통한 전자의 가열 방식은 매우 비효율적이다.DBD (Dielectrc Barrier Discharge), jet plasma, low temperature corona discharge is widely used as an atmospheric plasma source. The plasma source generates a plasma under atmospheric pressure by applying a high voltage between the anode and the cathode. High voltage is required to generate the plasma using the voltage at atmospheric pressure. Therefore, there is always an electrical risk such as arcing. In addition, due to the limitation on the shape of the electrode, the plasma generation range is narrow. Therefore, the target area which can be processed at one time is limited. Moreover, the energy consumed by applying a high voltage is large and the plasma generation efficiency is also bad. The heating method of electrons through high voltage under atmospheric pressure forms a high energy electron gruop that ionizes a gas to generate a plasma. Therefore, the heating method of the electrons through the high voltage is very inefficient.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 진공 용기 안에서 고에너지 전자(High energy electron)의 금속 투과 현상(Tunneling)을 이용한 고효율 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a high-efficiency plasma generating apparatus using a metal permeation phenomenon (Tunneling) of high energy electrons in a vacuum container.

본 발명의 일 실시예에 플라즈마 발생 장치는 진공 용기, 상기 진공 용기 내부에 배치되는 전자를 발생시키는 전자 방출부, 상기 진공 용기 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부, 및 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막을 포함한다. 상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기 외부에 플라즈마를 형성한다.In one embodiment of the present invention, the plasma generating apparatus includes a vacuum container, an electron emission unit for generating electrons disposed in the vacuum container, an accelerator unit for accelerating electrons disposed in the vacuum container and emitted from the electron emission unit, And a metal thin film through which the accelerated electrons collide to transmit. Electrons that have passed through the metal thin film form a plasma outside the vacuum vessel.

본 발명의 일 실시예에 플라즈마 발생 장치는 일렬로 나란히 배열된 복수의 진공 용기들, 상기 진공 용기들 각각의 내부에 배치된 전자 방출부들, 상기 진공 용기들 각각의 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부들, 및 상기 진공 용기들에 배치되고 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막들을 포함한다. 상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기들 외부에 플라즈마를 형성한다.In an embodiment of the present invention, a plasma generating apparatus includes a plurality of vacuum containers arranged in a line, electron emitting parts disposed in each of the vacuum containers, and disposed inside each of the vacuum containers and in the electron emitting parts. Accelerators for accelerating the electrons emitted from the, and the metal thin film disposed in the vacuum vessel and the accelerated electrons collide to transmit. Electrons passing through the metal thin film form plasma outside the vacuum containers.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 방법은 진공 용기 내에서 전자를 방출하는 단계, 방출된 전자를 가속하여 전자빔을 형성하는 단계, 상기 전자빔을 금속 박막에 입사시키어 투과시키는 단계, 상기 금속 박막을 투과한 전자빔이 플라즈마를 형성하는 단계, 및 상기 플라즈마가 대상물을 처리하는 단계를 포함한다.Plasma generating method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of emitting electrons in a vacuum vessel, accelerating the emitted electrons to form an electron beam, injecting and transmitting the electron beam to a metal thin film, the metal thin film The transmitted electron beam forms a plasma, and the plasma processes the object.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 전자빔의 금속투과(tunneling) 현상을 이용하여 소형의 진공 챔버를 사용하는 대기압 플라즈마를 제공할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 높은 플라즈마 발생 효율, 넓은 플라즈마 발생 영역, 아킹(Arcing)의 제거 등의 특징을 가진다. 상기 플라즈마 발생 장치는 대기압에서 동작하여 물성 처리 및 바이오 응용 등에서 실질적으로 활용될 수 있다.The plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention may provide an atmospheric pressure plasma using a small vacuum chamber by using a metal tunneling phenomenon of the electron beam. The plasma generator has features such as high plasma generation efficiency, wide plasma generation region, and removal of arcing. The plasma generating device operates at atmospheric pressure and can be substantially utilized in physical property processing and bio-applications.

본 발명에서는 진공 용기 안에서 고에너지 전자빔을 직접적으로 발생시켜서 고에너지 전자군을 만듬으로써, 기존의 대기압 소스들보다 플라즈마 내부에 반응성이 좋은 고에너지 입자군 생성 에너지 효율이 우수하며, 고에너지 전자군을 직접 금속 박막을 투과(tunneling)하여 대기에 조사, 대기압 플라즈마를 발생시킴으로써 그 발생 메커니즘이 에너지 효율 측면에서 매우 효과적이다. 플라즈마가 발생되는 곳에서 고전압에 의한 아킹(arcing) 등의 우려가 없으며 진공 용기 외부에서 넓은 범위에 걸쳐 플라즈마를 발생 시켜 플라즈마 처리를 하고자하는 목표물(target)과 플라즈마 발생 용기의 완전한 비접촉 형태를 취한다. 또한 플라즈마 처리에서 효과적으로 작용하는 플라즈마 입자(radical)를 전자빔에 의한 고에너지 전자군이 효율적으로 만들어 줌으로 플라즈마 어플리케이션에 적합한 소스로 작용한다.In the present invention, by generating a high-energy electron group by directly generating a high-energy electron beam in a vacuum vessel, the energy efficiency of generating a high-energy particle group that is more reactive inside the plasma than the existing atmospheric pressure sources, the energy efficiency is high, By directly tunneling the thin metal film to generate air and generating atmospheric pressure plasma, the generation mechanism is very effective in terms of energy efficiency. There is no fear of arcing due to high voltage at the place where plasma is generated, and it takes a complete non-contact form of the target and the plasma generating container to generate plasma over a wide range outside the vacuum container. . In addition, the plasma energy (radical) that works effectively in the plasma processing makes the high-energy electron group by the electron beam efficiently serves as a suitable source for plasma applications.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생 장치의 진공 용기의 사시도이다.
도 3은 질소의 이온화 산란 단면적을 설명하는 도면이다.
도 4는 전자빔의 에너지에 따른 투과 효율 및 투과 깊이의 관계를 나타낸다.
도 5는 200, 308, 417keV 전자빔이 금속 박막 (티타니움) 투과시, 금속 박막의 두께와 그에 따른 투과 효율을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a vacuum vessel of the plasma generating device of FIG. 1. FIG.
It is a figure explaining the ionization scattering cross section of nitrogen.
4 shows the relationship between the transmission efficiency and the transmission depth according to the energy of the electron beam.
5 shows the thickness of the metal thin film and its transmission efficiency when the 200, 308, and 417 keV electron beams transmit the metal thin film (titanium).
6 is a view for explaining a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.

플라즈마를 이용한 물성 변화와 생체 반응에 대한 연구가 진행되고 있다. 플라즈마의 응용 분야는 기존의 공기 청정, 소독, 계면 처리에서부터 첨단 바이오 분야까지 확장되고 있다. 이러한 용도의 플라즈마 소스는 대기압 하에서 구동될 필요가 있다. 한편, 종래의 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge;DBD), 초초고주파 공진기(crowave Resonator), 제트 플라즈마, 저온 코로나 방전 등을 이용한 플라즈마 소스는 고압의 전원을 사용함에 따라 낮은 플라즈마 발생을 제공한다. 또한, 종래의 플라즈마 소스는 설계가 복잡하며, 플라즈마 방생 영역이 한정되어 있다. 따라서, 플라즈마 소스는 실질적인 응용에 한계를 가진다. 또한, 고압에서 전기장을 이용하여 전자를 가열시키는 대기압 플라즈마 발생 방법은 고에너지 입자들의 생성에 비효율적이다. 종래의 플라즈마 소스는 플라즈마의 특성을 결정하는 플라즈마 온도 및 밀도의 조절 능력에 한계가 있다. 또한, 종래의 플라즈마 소스는 플라즈마 처리의 효율과 관련된 고에너지 입자들의 생성 및 조절 능력에 한계가 있다. 결국, 종래의 대기압 플라즈마 소스는 플라즈마를 이용한 응용(application)에 한계를 제공한다. 따라서, 종래의 대기압 플라즈마는 적극적으로 다양한 물성 변환 능력과 생체적인 치료에 적극적으로 사용되지 못하고 있다.Research on physical property change and bioreaction using plasma is underway. Plasma applications extend from traditional air cleaning, disinfection and interfacial processing to advanced biotechnology. Plasma sources for this purpose need to be driven under atmospheric pressure. Meanwhile, a plasma source using a conventional dielectric barrier discharge (DBD), a microwave resonator, a jet plasma, a low temperature corona discharge, and the like provides low plasma generation using a high voltage power source. In addition, the conventional plasma source is complicated in design, and the plasma generation area is limited. Thus, plasma sources have limitations in practical applications. In addition, the atmospheric pressure plasma generation method of heating electrons using an electric field at high pressure is inefficient in generating high energy particles. Conventional plasma sources are limited in their ability to control the plasma temperature and density to determine the characteristics of the plasma. In addition, conventional plasma sources are limited in their ability to produce and regulate high energy particles associated with the efficiency of plasma processing. As a result, conventional atmospheric plasma sources provide a limit to applications with plasma. Therefore, the conventional atmospheric plasma has not been actively used for various physical property conversion capabilities and biological treatment.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 소형의 진공 용기 내부에서 발생한 전자빔이 금속 박막을 투과하여 생성하는 대기압 플라즈마를 제공한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 전자빔을 가속하여 고에너지의 전자들을 제공하고, 고에너지의 전자들은 효율적으로 상기 금속 박막을 투과하여 넓은 영역에서 대기압 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.A plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention provides an atmospheric pressure plasma generated by the electron beam generated in the small vacuum container through the metal thin film. The plasma generating device accelerates an electron beam to provide high energy electrons, and the high energy electrons efficiently penetrate the metal thin film to form an atmospheric plasma in a wide area. The plasma generating device can be applied to various applications.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.1 is a view for explaining a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 플라즈마 발생 장치의 진공 용기의 사시도이다.FIG. 2 is a perspective view of a vacuum vessel of the plasma generating device of FIG. 1. FIG.

도 3은 질소의 이온화 산란 단면적을 설명하는 도면이다.It is a figure explaining the ionization scattering cross section of nitrogen.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 진공 용기(110), 상기 진공 용기(110) 내부에 배치되고 전자를 발생시키는 전자 방출부(120), 상기 진공 용기(110) 내부에 배치되고 상기 전자 방출부(120)에서 방출된 전자를 가속하는 가속부(130), 및 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막(140)을 포함한다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자는 진공 용기(110) 외부에 플라즈마를 형성한다.1 to 3, the plasma generating apparatus is disposed in the vacuum container 110, the electron emission part 120 disposed inside the vacuum container 110 and generating electrons, and the inside of the vacuum container 110. And an accelerator 130 for accelerating electrons emitted from the electron emitter 120, and a metal thin film 140 through which the accelerated electrons collide and transmit. Electrons passing through the metal thin film 140 form a plasma outside the vacuum container 110.

상기 진공 용기(110)는 금속 또는 유전체로 형성될 수 있다. 상기 진공 용기(110)는 원통형 실린더 형상일 수 있다. 상기 진공 용기(110)의 일단에 워셔 형태의 제1 지지판(113)이 결합할 수 있다. 상기 제1 지지판(113)의 중심에 형성된 관통홀(116)에 상기 전자 방출부(120)가 삽입되어 결합할 수 있다. 상기 진공 용기(110)의 타단에는 와셔 형태의 제2 지지판(111)이 결합할 수 있다. 상기 제2 지지판(111)의 중심 영역에는 관통홀(115)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(115) 주위에는 오링(미도시) 홈이 형성될 수 있다. 상기 오링 홈에는 오링(144)이 삽입될 수 있다.The vacuum container 110 may be formed of a metal or a dielectric. The vacuum container 110 may have a cylindrical cylinder shape. A first support plate 113 having a washer shape may be coupled to one end of the vacuum container 110. The electron emission part 120 may be inserted into and coupled to the through hole 116 formed at the center of the first support plate 113. A second support plate 111 having a washer shape may be coupled to the other end of the vacuum container 110. The through hole 115 may be formed in the central region of the second support plate 111. An O-ring (not shown) groove may be formed around the through hole 115. An o-ring 144 may be inserted into the o-ring groove.

상기 진공 용기(110)의 압력은 0.1 mTorr 이하가 바람직할 수 있다. 상기 진공 용기(110)는 음극선관과 같이 밀폐형이거나 진공 펌프(190)를 이용하여 펌핑할 수 있다. 상기 진공 용기(110)가 도전체인 경우, 상기 진공 용기(110)는 접지될 수 있다. The pressure of the vacuum vessel 110 may be preferably 0.1 mTorr or less. The vacuum container 110 may be sealed, such as a cathode ray tube, or may be pumped using a vacuum pump 190. When the vacuum container 110 is a conductor, the vacuum container 110 may be grounded.

상기 전자 방출부(120)는 텅스텐 필라멘트(122) 또는 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 전자를 방출하는 한 다양하게 변형될 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 텅스텐 필라멘트(122), 상기 텅스텐 필라메트(122)를 지지하는 지지봉들(124)을 포함할 수 있다. 밀봉부(126)는 상기 지지봉들은 감싸도록 형성될 수 있다. 실링부(128)에 상기 밀봉부(126)를 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 실링부(126)는 상기 지지판(113)과 결합할 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 상기 진공 용기(110)에 탈착 또는 부착될 수 있다.The electron emission unit 120 may use tungsten filament 122 or carbon nanotubes. The electron emission unit 120 may be modified in various ways as long as it emits electrons. The electron emission unit 120 may include a tungsten filament 122 and support rods 124 supporting the tungsten filamet 122. The seal 126 may be formed to surround the support rods. The sealing unit 128 may be formed to surround the sealing unit 126. The sealing part 126 may be coupled to the support plate 113. The electron emission part 120 may be attached to or detached from the vacuum container 110.

상기 전자 방출부(120)는 열전자를 방출하거나 강한 전기장에 의하여 전자를 방출할 수 있다. 상기 전자 방출부(120)에 전력을 공급하는 주 전원부(150)는 직류 전원 또는 교류 전원일 수 있다. 상기 주 전원부(120)의 전력은 수 와트 정도가 바람직하고, 전압은 수십 볼트 정도이고, 전류는 수 암페어일 수 있다. The electron emission unit 120 may emit hot electrons or electrons by a strong electric field. The main power supply unit 150 supplying power to the electron emission unit 120 may be a direct current power source or an alternating current power source. The power of the main power supply unit 120 may be about several watts, the voltage may be several tens of volts, and the current may be several amps.

상기 가속부(130)는 적어도 2개의 그리드들(132,134)을 포함할 수 있다. 상기 그리드들(132,134) 사이에 전압이 인가된다. 상기 그리드들(132,134)은 입사하는 전자를 가속할 수 있다. 상기 그리드들(132,134)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 가속 전원부(160)는 상기 가속부(130)에 전력을 제공할 수 있다. 상기 가속 전원부(160)는 직류 전원 또는 교류 전원일 수 있다. 상기 가속 전원부(160)의 전력은 수백 와트 정도가 바람직하고, 상기 가속 전원부(160)의 전압은 수 백 kV 이상이 바람직하고, 상기 가속 전원부(160)의 전류는 수 mA 이상이 바람직할 수 있다. 상기 가속 전원부(160)의 전압은 시간에 따라 변조될 수 있다. 이에 따라, 가속되는 전자의 에너지는 시간에 따라 변할 수 있다.The accelerator 130 may include at least two grids 132 and 134. Voltage is applied between the grids 132 and 134. The grids 132 and 134 may accelerate incident electrons. The grids 132 and 134 may be arranged parallel to each other. The acceleration power supply unit 160 may provide power to the accelerator 130. The acceleration power supply unit 160 may be a DC power source or an AC power source. The power of the acceleration power supply unit 160 may be about several hundred watts, the voltage of the acceleration power supply unit 160 may be several hundred kV or more, and the current of the acceleration power supply unit 160 may be several mA or more. . The voltage of the acceleration power supply unit 160 may be modulated with time. Accordingly, the energy of the electrons being accelerated can change over time.

상기 금속 박막(140)은 텅스텐(W) 또는 타이타늄(Ti)일 수 있다. 고정부(142)는 상기 금속 박막(140)을 지지한다. 상기 고정부(142)는 상기 제2 지지판(111)의 턱에 결합할 수 있다. 커버(112)는 상기 금속 박막(140)을 상기 제2 지지판(111)에 고정 수단을 이용하여 고정한다. 상기 커버(112)는 와셔 형태일 수 있다.The metal thin film 140 may be tungsten (W) or titanium (Ti). The fixing part 142 supports the metal thin film 140. The fixing part 142 may be coupled to the jaw of the second support plate 111. The cover 112 fixes the metal thin film 140 to the second support plate 111 using fixing means. The cover 112 may be in the form of a washer.

상기 금속 박막(140)은 다른 물질로 변형될 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께는 위치에 따라 균일할 수 있다. 가속된 전자빔은 상기 금속 박막(140)을 터널링하여 투과할 수 있다. 상기 금속 박막(140)은 상기 진공 용기(110)와 외부를 구분할 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께가 너무 얇으면, 압력차에 의하여 심하게 변형될 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께가 너무 두꺼우면 상기 전자빔은 상기 금속 박막(140)을 투과하지 못할 수 있다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자는 고에너지를 가지고 외부 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 플라즈마가 발생하는 영역은 가속된 전자빔의 에너지에 의존할 수 있다. The metal thin film 140 may be modified with other materials. The metal thin film 140 may have a thickness of about 5 micrometers to about 100 micrometers. The thickness of the metal thin film 140 may be uniform according to the position. The accelerated electron beam may pass through the metal thin film 140 by tunneling it. The metal thin film 140 may distinguish the vacuum container 110 from the outside. If the thickness of the metal thin film 140 is too thin, it may be severely deformed by the pressure difference. If the thickness of the metal thin film 140 is too thick, the electron beam may not pass through the metal thin film 140. Electrons passing through the metal thin film 140 may have a high energy to ionize an external gas to form a plasma. The region where the plasma is generated may depend on the energy of the accelerated electron beam.

상기 가속부(130)는 상기 전자 방출부(120)에서 생성된 전자를 상기 진공 용기(110)의 중심축 방향으로 집속할 수 있다. 상기 가속부(130)는 상기 전자를 가속하여 고에너지의 전자빔을 제공한다.The accelerator 130 may focus electrons generated by the electron emitter 120 in the direction of the central axis of the vacuum container 110. The accelerator 130 accelerates the electrons to provide an electron beam of high energy.

도 3을 참조하면, 상기 진공 용기(110)의 압력은 0.1 mTorr 내지 0.01 mTorr가 바람직할 수 있다. 상기 압력에서 대기의 78 퍼센트를 구성하고 있는 질소(N2) 가스의 이온화 산란 단면적(Ionization cross section)은 도 3에 표시된다. 예를 들어, 상기 전자빔이 100 keV의 에너지를 가진 경우, 이온화 산란 단면적은 0.738610-20 m2이다. 상기 압력에서 질소의 밀도는 3.221017 내지 3.221018 m- 3 이다. 따라서, 전자의 평균 자유 경로(mean free path)는 40.67 m 내지 406.7 m이다. 상기 진공 용기(110)의 크기는 상기 평균 자유 경로보다 작은 것이 바람직하다. Referring to FIG. 3, the pressure of the vacuum container 110 may be 0.1 mTorr to 0.01 mTorr. The ionization cross section of the nitrogen (N 2 ) gas constituting 78 percent of the atmosphere at this pressure is shown in FIG. 3. For example, when the electron beam has an energy of 100 keV, the ionization scattering cross section is 0.738610 -20 m 2 . The density of nitrogen in the pressure is from 17 to 3.2210 3.2210 18 m - 3. Therefore, the mean free path of electrons is 40.67 m to 406.7 m. The size of the vacuum vessel 110 is preferably smaller than the average free path.

도 4는 전자빔의 에너지에 따른 투과 효율 및 투과 깊이의 관계를 나타낸다.4 shows the relationship between the transmission efficiency and the transmission depth according to the energy of the electron beam.

도 5는 200, 308, 417keV 전자빔이 금속 박막 (티타니움) 투과시, 금속 박막의 두께와 그에 따른 투과 효율을 나타낸다.5 shows the thickness of the metal thin film and its transmission efficiency when the 200, 308, 417 keV electron beam is transmitted through the metal thin film (titanium).

도 4 및 도 5를 참조하면, 평균 자유 경로보다 작은 크기의 진공 용기 안에서 상기 전자빔은 원자 또는 분자를 이온화시키지 않고, 상기 가속부에 의하여 100 keV 이상 500 keV 이하로 가속된다. 가속된 전자의 에너지에 따라, 금속 박막의 두께는 금속 박막의 밀도를 고려하여 95 퍼센트 이상 투과할 수 있도록 5 um 내지 100 um 두께로 변형된다. 4 and 5, the electron beam is accelerated to 100 keV or more and 500 keV or less by the accelerator without ionizing atoms or molecules in a vacuum container of a size smaller than an average free path. Depending on the energy of the accelerated electrons, the thickness of the metal thin film is deformed to a thickness of 5 um to 100 um so as to transmit more than 95 percent in consideration of the density of the metal thin film.

도 5는 도 4을 참고하여 티타니움의 밀도 4.506g/cm-3에서 금속박막의 투과 깊이를 선형으로 나타낸 것이다. 약 308 keV의 전자빔은 두께 20 um의 이하의 금속 박막을 95 퍼센트 이상 통과할 수 있다. 가속된 전자빔은 5 um 내지 100 um 두께의 상기 금속 박막(140)을 투과한다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자빔의 약 95 퍼센트는 대기중에서 플라즈마를 발생시킨다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 고에너지를 가진 전자빔은 대기중의 질소의 이온화 에너지(14.5 eV) 보다 큰 에너지를 가질 수 있다.FIG. 5 shows linearly the transmission depth of the thin metal film at a density of 4.506 g / cm −3 of titanium with reference to FIG. 4. An electron beam of about 308 keV may pass 95 percent or more through a metal film having a thickness of 20 um or less. The accelerated electron beam penetrates the metal thin film 140 having a thickness of 5 um to 100 um. About 95 percent of the electron beam transmitted through the metal thin film 140 generates plasma in the atmosphere. The electron beam having the high energy transmitted through the metal thin film 140 may have an energy greater than the ionization energy (14.5 eV) of nitrogen in the atmosphere.

상기 금속 박막(140)을 투과한 전자빔은 대기를 만난다. 상기 전자빔의 평균 자유 경로는 760 Torr에서 5.35 um이다. 따라서, 상기 전자빔은 대기 중의 분자들과 활발하게 충돌하여 플라즈마를 생성한다. 상기 가속부(130)에 인가되는 상기 가속 전원부(160)의 출력 전압은 시간에 따라 100 kV 이상으로 증가시거나 이하로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 이온화 산란 단면적은 에너지의 함수이므로 에너지에 따라 감소 또는 증가한다. 결과적으로, 평균 자유 경로는 증가 또는 감소한다. 즉, 플라즈마가 발생되는 영역을 시간에 따라 변화시켜 플라즈마 기둥(plasma column)이 형성될 수 있다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 고에너지 전자빔은 대기 중에서 중성 입자들과 고르게 반응한다. 따라서, 안정적인 저온 플라즈마가 형성된다. 상기 저온 플라즈마는 바이오 처리, 소독 등에 응용될 수 있다.The electron beam passing through the metal thin film 140 meets the atmosphere. The average free path of the electron beam is 5.35 um at 760 Torr. Thus, the electron beam actively collides with molecules in the atmosphere to produce a plasma. The output voltage of the acceleration power supply unit 160 applied to the accelerator 130 may increase or decrease below 100 kV over time. Accordingly, the ionization scattering cross section is a function of energy and therefore decreases or increases with energy. As a result, the mean free path increases or decreases. That is, a plasma column may be formed by changing a region where plasma is generated over time. The high energy electron beam transmitted through the metal thin film 140 reacts evenly with neutral particles in the atmosphere. Thus, a stable low temperature plasma is formed. The low temperature plasma may be applied to bio treatment, disinfection and the like.

또한, 상기 진공 용기(110)가 접지된 경우, 고전압의 전기장이 상기 진공 용기(110) 밖으로 노출되지 않는다. 따라서, 아킹(arcing) 등의 전기적 문제점이 발생하지 않는다. 상기 플라즈마는 상기 금박 박막(140)과 물리적으로 분리되어 있어, 처리하고자 하는 타켓은 상기 플라즈마 발생 장치와 비접촉식으로 처리될 수 있다. 또한, 표면에 홈을 가지는 타켓에 대하여, 상기 가속부(130)에 인가되는 전압을 변경하여 상기 홈 속에 플라즈마를 발생시킬 수 있다.In addition, when the vacuum vessel 110 is grounded, a high voltage electric field is not exposed outside the vacuum vessel 110. Therefore, electrical problems such as arcing do not occur. Since the plasma is physically separated from the gold foil thin film 140, the target to be treated may be processed in a non-contact manner with the plasma generating device. In addition, with respect to the target having a groove on the surface, it is possible to generate a plasma in the groove by changing the voltage applied to the accelerator 130.

스캐닝부(170)는 가속된 전자의 방향을 변경 또는 스캐닝하는 적어도 한 쌍의 전극판들(172)을 포함할 수 있다. 상기 스캐닝부(170)는 스캐닝 전원부(180)에 의하여 상기 전자빔의 방향을 바꿀 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 발생 장치는 넓은 면적에 대하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다.The scanning unit 170 may include at least a pair of electrode plates 172 for changing or scanning the direction of the accelerated electrons. The scanning unit 170 may change the direction of the electron beam by the scanning power supply unit 180. Accordingly, the plasma generator can generate a plasma over a large area.

상기 플라즈마 발생 장치는 전자빔의 금속 투과 현상을 이용하여 아킹(Arcing) 문제를 극복할 수 있다. 따라서, 신뢰성 및 안정성이 높은 플라즈마 처리가 가능하다. 하며 플라즈마 어플리케이션으로 부적합한 소스 특징을 원천적으로 제거 할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 대기압에서 동작할 수 있고, 대상물을 비접촉식으로 처리할 수 있다.The plasma generator may overcome the arcing problem by using a metal transmission phenomenon of the electron beam. Thus, plasma processing with high reliability and stability is possible. In addition, plasma applications can eliminate inadequate source features. The plasma generator can operate at atmospheric pressure and can process the object in a non-contact manner.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.6 is a view for explaining a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention. Descriptions overlapping with those described in FIG. 1 will be omitted.

도 6을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 수중 플라즈마 생성에 이용된 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 금속 박막을 투과하여 플라즈마를 생성한다. 따라서, 상기 플라즈마 발생 장치가 수중에 삽입되는 경우, 수중 플라즈마가 생성될 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 수조(10)에 삽입될 수 있다.Referring to FIG. 6, the plasma generator may be used to generate underwater plasma. The plasma generator is a metal thin film Transmit to produce a plasma. Therefore, when the plasma generating device is inserted in the water, the plasma underwater can be generated. The plasma generating device may be inserted into the water tank 10.

현재, 염소는 상하수도 정화 과정에서 사용된다. 상기 염소의 사용은 그 독성 때문에 감소되고 있다. 상기 염소를 대체하여, 플라즈마는 수중 존재하는 산소 분자를 이용하여 오존을 생성한다. 상기 오존은 정화 기능을 수행한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 같은 방식으로 과일, 식품 등의 소독에 사용될 수 있다. At present, chlorine is used in water and sewage purification processes. The use of chlorine is decreasing because of its toxicity. In place of the chlorine, the plasma produces ozone using oxygen molecules present in water. The ozone performs a purification function. The plasma generator can be used for disinfection of fruits, foods and the like in the same manner.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.7 is a view for explaining a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 일렬로 나란히 배열된 복수의 진공 용기들(210), 상기 진공 용기들(210) 각각의 내부에 배치된 전자 방출부들(미도시), 상기 진공 용기들(210) 각각의 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부들(미도시), 및 상기 진공 용기들(210)에 배치되고 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막들(미도시)을 포함한다. 상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기들(210) 외부에 플라즈마를 형성한다.Referring to FIG. 7, the plasma generating apparatus includes a plurality of vacuum containers 210 arranged side by side, electron emission units (not shown) disposed inside each of the vacuum containers 210, and the vacuum containers. Accelerators (not shown) disposed inside each other and accelerating electrons emitted from the electron emission units, and metal thin films disposed on the vacuum vessels 210 through which the accelerated electrons collide with each other ( Not shown). Electrons passing through the metal thin film form a plasma outside the vacuum containers 210.

상기 진공 용기들(210)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 진공 용기들(210)의 길이는 평균 자유 경로보다 작은 것이 바람직하다. 상기 진공 용기들(210)은 일렬로 배열되거나 또는 2차원적으로 매트릭스 형태로 배치될 수 있다.The vacuum containers 210 may be formed of a conductive material. The length of the vacuum vessels 210 is preferably smaller than the average free path. The vacuum vessels 210 may be arranged in a row or arranged in a matrix in two dimensions.

전자 방출부들은 필라멘트, 또는 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 필라멘트는 텅스텐, 카본, 또는 백금이 바람직할 수 있다. 상기 전자 방출부는 상기 진공 용기의 일단에 결합할 수 있다. 상기 전자 방출부들은 전자를 방출한다.The electron emitters may be filaments or carbon nanotubes. The filament may be preferably tungsten, carbon, or platinum. The electron emission unit may be coupled to one end of the vacuum container. The electron emitters emit electrons.

상기 가속부들은 상기 진공 용기의 내부에 배치되고, 적어도 2개의 그리드들을 포함할 수 있다. 상기 가속부들은 방출된 전자를 가속되어 전자빔을 제공한다.The accelerators may be disposed inside the vacuum vessel and include at least two grids. The accelerators accelerate the emitted electrons to provide an electron beam.

상기 금속 박막들은 텅스텐 또는 타이타늄 판일 수 있다. 상기 금속 박막의 두께는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터(um)일 수 있다. 상기 전자빔은 상기 금속 박막을 투과할 수 있다. 상기 투과된 전자빔은 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 플라즈마는 대상물을 처리할 수 있다. 상기 대상물은 금속 필름, 폴리에틸렌 수지 필름, 플라스틱 필름, 또는 옷감 등일 수 있다. 상기 대상물은 화살표 방향으로 이동할 수 있다.The metal thin films may be tungsten or titanium plates. The metal thin film may have a thickness of about 5 micrometers to about 100 micrometers (um). The electron beam may pass through the metal thin film. The transmitted electron beam may form a plasma. The plasma may process an object. The object may be a metal film, polyethylene resin film, plastic film, cloth or the like. The object may move in the direction of the arrow.

상기 주 전원부들(250)은 상기 전자 방출부들 각각에 전력을 공급한다. 상기 주 전원부의 음극은 서로 병렬 연결될 수 있다.The main power supply units 250 supply power to each of the electron emission units. The cathodes of the main power supply unit may be connected in parallel with each other.

상기 가속 전원부(260)는 상기 가속부들에게 공통으로 전력을 공급할 수 있다. 상기 가속 전극들(231,233)은 상기 가속부들에 연결되고 상기 가속 전원부(260)와의 전기적 연결을 위하여 상기 진공 용기(210)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 가속 전원부는 상기 가속부들에 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 상기 가속 전원부(260)의 양극은 접지되고, 상기 가속 전원부(260)의 음극은 저항을 통하여 상기 주원부들(250)의 음극에 연결될 수 있다.The acceleration power supply unit 260 may supply power to the accelerators in common. The acceleration electrodes 231 and 233 may be connected to the accelerators and protrude out of the vacuum container 210 for electrical connection with the acceleration power source 260. The acceleration power supply unit may be electrically connected to the accelerators in parallel. An anode of the acceleration power supply unit 260 may be grounded, and a cathode of the acceleration power supply unit 260 may be connected to the cathodes of the main members 250 through a resistor.

상기 플라즈마 발생 장치는 대기압에서 동작하는 고밀도 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 구성이 단순하고 집적화가 용이하다. 따라서, 진공 용기는 병렬로 연결되어 대면적 대기압 플라즈마 소스로 활용될 수 있다. 병렬화 된 상기 플라즈마 발생 장치는 균일한 전압을 상기 가속부들에 인가하여 전체적으로 균일한 고밀도 대면적 플라즈마를 제공할 수 있다. 상기 대상물의 처리는 물 소독, 식물 세정, 공기 청정, 소독, 및 계면 처리 등일 수 있다.The plasma generating device forms a high density plasma operating at atmospheric pressure. The plasma generator is simple in configuration and easy to integrate. Thus, the vacuum vessels can be connected in parallel to be utilized as a large area atmospheric plasma source. The parallelized plasma generator may apply a uniform voltage to the accelerators to provide a uniform high density large area plasma. Treatment of the object may be water disinfection, plant cleaning, air cleaning, disinfection, interfacial treatment, and the like.

110: 진공 용기
120: 전자 방출부
130: 가속부
140: 금속 박막110: vacuum vessel
120: electron emission unit
130: accelerator
140: metal thin film

Claims (16)

진공 용기;
상기 진공 용기 내부에 배치되는 전자를 발생시키는 전자 방출부;
상기 진공 용기 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부; 및
가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막을 포함하고,
상기 금속 박막을 투과한 전자는 상기 진공 용기 외부에 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 플라즈마 발생 장치.A vacuum vessel;
An electron emission unit generating electrons disposed in the vacuum container;
An accelerator configured to be disposed inside the vacuum vessel and to accelerate electrons emitted from the electron emitter; And
An accelerated electron comprises a thin metal film that impinges upon and transmits,
The electron passing through the metal thin film forms a plasma outside the vacuum vessel. 제1 항에 있어서,
금속 박막은 텅스텐 또는 타이타늄인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
And the metal thin film is tungsten or titanium. 제1 항에 있어서,
상기 금속 박막의 두께는 5 um 내지 100 um인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
The thickness of the metal thin film is a plasma generating device, characterized in that 5um to 100um. 제1 항에 있어서,
상기 전자 방출부는 필라멘트 또는 탄소나노튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
The electron emission unit is a plasma generating device comprising a filament or carbon nanotubes. 제1 항에 있어서,
상기 가속부는 서로 이격되어 배치되는 적어도 2개의 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
The accelerator unit comprises at least two grids spaced apart from each other. 제1 항에 있어서,
가속된 전자의 방향을 스캐닝하는 적어도 한 쌍의 전극판들을 포함하는 스캐닝부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
And a scanning unit including at least a pair of electrode plates for scanning the direction of the accelerated electrons. 제1 항에 있어서,
상기 진공 용기의 압력을 0.1 mTorr 이하로 유지하는 진공펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
Plasma generator further comprises a vacuum pump for maintaining the pressure of the vacuum vessel to 0.1 mTorr or less. 제1 항에 있어서,
가속된 전자의 에너지는 100,000 eV 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.The method according to claim 1,
The energy of the accelerated electron is a plasma generator, characterized in that more than 100,000 eV. 제1 항에 있어서,
상기 가속부에 전력을 공급하는 가속 전원부; 및
상기 전자 방출부에 전력을 공급하는 주 전원부 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.The method according to claim 1,
An acceleration power supply unit supplying power to the acceleration unit; And
And at least one of a main power supply unit supplying power to the electron emission unit. 제1 항에 있어서,
상기 가속부는 전자를 가속하고 상기 전자를 가속하는 에너지는 시간에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
The accelerator accelerating electrons and the energy for accelerating the electrons change in time, characterized in that the plasma generating device. 제1 항에 있어서,
상기 진공 용기의 길이는 상기 진공 용기의 평균자유경로 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.The method according to claim 1,
And the length of the vacuum vessel is equal to or less than the average free path of the vacuum vessel. 일렬로 나란히 배열된 복수의 진공 용기들;
상기 진공 용기들 각각의 내부에 배치된 전자 방출부들;
상기 진공 용기들 각각의 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부들; 및
상기 진공 용기들에 배치되고 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막들을 포함하고,
상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기들 외부에 플라즈마를 형성하는 것을 특징으로 플라즈마 발생 장치.A plurality of vacuum vessels arranged side by side;
Electron emission parts disposed inside each of the vacuum containers;
Accelerators disposed inside each of the vacuum containers and configured to accelerate electrons emitted from the electron emission units; And
A metal thin film disposed in the vacuum vessels, and the accelerated electrons collide to transmit therethrough,
The electron passing through the metal thin film forms a plasma outside the vacuum containers. 제 12항에 있어서,
상기 전자 방출부들 각각에 전력을 공급하는 주 전원부들; 및
상기 가속부들에게 공통으로 전력을 공급하는 가속 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.13. The method of claim 12,
Main power supply units supplying power to each of the electron emission units; And
Plasma generator further comprises an acceleration power supply for supplying power in common to the accelerator. 진공 용기 내에서 전자를 방출하는 단계;
방출된 전자를 가속하여 전자빔을 형성하는 단계;
상기 전자빔을 금속 박막에 입사시키어 투과시키는 단계;
상기 금속 박막을 투과한 전자빔이 플라즈마를 형성하는 단계; 및
상기 플라즈마가 대상물을 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.Emitting electrons in a vacuum vessel;
Accelerating the emitted electrons to form an electron beam;
Injecting the electron beam into a metal thin film and transmitting the same;
Forming a plasma by the electron beam passing through the metal thin film; And
And plasma processing the object. 제14 항에 있어서,
상기 전자빔을 상기 진공 용기 내에서 방향을 바꾸는 단계; 및
상기 전자빔의 에너지를 시간에 따라 변경하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.15. The method of claim 14,
Redirecting the electron beam in the vacuum vessel; And
And at least one of changing energy of the electron beam with time. 제14 항에 있어서,
상기 플라즈마는 대기중에서 발생하고,
상기 대상물의 처리는 물 소독, 식물 세정, 공기 청정, 소독, 및 계면 처리 중에서 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 방법.15. The method of claim 14,
The plasma is generated in the atmosphere,
The treatment of the object is at least one of water disinfection, plant cleaning, air cleaning, disinfection, and interfacial treatment.
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