KR101173298B1 - 저전류 고전압 플라즈마 전원 공급 장치 - Google Patents

저전류 고전압 플라즈마 전원 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 변압기의 누설 자속을 줄이고, 변압 효율을 높일 수 있는 플라즈마 전원 공급 장치가 개시된다.
일 예로, 교류 전압을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부에 연결되어 상기 교류 전압을 변압하는 제 1 변압기; 상기 제 1 변압기에 연결되어 상기 제 1 변압기의 전압을 정류하고, 전극에 연결되는 제 1 정류기; 상기 전원 공급부에 연결되어 상기 교류 전압을 변압하는 제 2 변압기; 및 상기 제 2 변압기에 연결되어 상기 제 2 변압기의 전압을 정류하고, 상기 전극에 연결되는 제 2 정류기를 포함하고, 상기 제 2 변압기는 1차측 코일의 양측에 2차측 코일이 감기도록 형성된 플라즈마 전원 공급 장치가 개시된다.

Description

저전류 고전압 플라즈마 전원 공급 장치{Low-current High-voltage Plasma Power Supply}
본 발명은 플라즈마 전원 공급 장치에 관한 것이다.
반도체의 제조 공정 중 화학 기상 증착 공정이나, 에칭 공정, 확산 공정 증에서 과불화탄소와 같은 가스들이 다량 배출된다. 그리고 이러한 가스는 지구 온난화 물질로서 대기 중으로 배출되지 않도록 처리되어야 한다.
이러한 가스를 처리하는 방법에는 산화, 흡착, 흡수, 고온 플라즈마를 이용하는 방법이 알려져 있다. 특히, 그 중에서 고온 플라즈마를 이용하는 방식은 가스를 충분히 분해할 수 있어서 활용도가 높다.
이러한 고온 플라즈마를 이용하는 장치는 내부에 전극에 전원을 공급하기 위해 플라즈마 전원 공급 장치를 필요로 하게 된다. 그리고 이러한 플라즈마 전원 공급 장치는 플라즈마 아크를 발생하기 위한 전극간 거리가 용접에 비해 넓기 때문에, 용접과 구별되도록 저전류 고전압의 특성을 갖는다.
본 발명은 변압기의 누설 자속을 줄이고, 변압 효율을 높일 수 있는 플라즈마 전원 공급 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 전원 공급 장치는 교류 전압을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부에 연결되어 상기 교류 전압을 변압하는 제 1 변압기; 상기 제 1 변압기에 연결되어 상기 제 1 변압기의 전압을 정류하고, 전극에 연결되는 제 1 정류기; 상기 전원 공급부에 연결되어 상기 교류 전압을 변압하는 제 2 변압기; 및 상기 제 2 변압기에 연결되어 상기 제 2 변압기의 전압을 정류하고, 상기 전극에 연결되는 제 2 정류기를 포함하고, 상기 제 2 변압기는 1차측 코일의 양측에 2차측 코일이 감기도록 형성될 수 있다.
여기서, 상기 제 2 변압기의 권선비는 상기 제 1 변압기의 권선비에 비해 작게 형성될 수 있다.
그리고 상기 제 2 변압기는 상기 1차측 코일과 상기 2차측 코일이 동일한 코어에 감겨서 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 변압기는 1차측 코일의 양측에 2차측 코일이 감기도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 전원 공급부와 제 1 변압기의 사이에는 상기 전원 공급부의 교류 전압의 주파수를 변경하는 인버터가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 전원 공급부와 상기 제 2 변압기의 사이에는 연결 경로를 개폐하는 전자 개폐기가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 2 변압기와 상기 제 2 정류기의 사이 및 상기 제 2 정류기와 상기 전극의 사이 중에서 선택된 적어도 어느 하나에 코일로 형성된 리액터가 더 형성될 수 있다.
본 발명에 의한 플라즈마 전원 공급 장치는 변압기의 1차측 코일의 양측에 2차측 코일이 감기도록 형성하여, 1차측 코일의 자속이 누설되는 것을 방지하고 변압 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치의 누설변압기를 구성하는 코일을 도시한 평면도이다.
본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치의 구성을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치의 구성도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치의 누설변압기를 구성하는 코일을 도시한 평면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치(100)는 전원 공급부(110), 인버터(120), 제 1 변압기(130), 제 1 정류기(140), 전자 개폐기(150), 제 2 변압기(160), 제 1 리액터(170), 제 2 정류기(180), 제 2 리액터(190)를 포함한다.
상기 전원 공급부(110)는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치(100)에 교류 전원을 공급한다. 이 때, 상기 전원 공급부(110)의 전원은 교류의 3상 전원일 수 있다. 또한, 상기 전원 공급부(110)의 주파수는 통상의 전원에 사용되는 주파수인 60[Hz]를 갖는다. 상기 전원 공급부(110)의 전압은 이후 고주파수로 변환되어 변압되며, 이후 최종 출력단에 위치한 양극(+, 10) 및 음극(-, 11)으로 전달된다. 따라서, 상기 양극(10) 및 음극(11)에서 가스를 방전시키기 위한 아크를 형성할 수 있다.
상기 인버터(120)는 상기 전원 공급부(110)에 연결된다. 상기 인버터(120)는 상기 전원 공급부(110)로부터 전달받은 교류 전압의 주파수를 변환한다. 상기 인버터(120)로 인가되는 상기 전원 공급부(110)의 주파수는 상기 전원 공급부의 주파수인 60[Hz]이고, 상기 인버터(120)는 상기 주파수를 변압에 필요한 고주파수로 변환한다.
상기 제 1 변압기(130)는 상기 인버터(120)에 연결된다. 상기 제 1 변압기(130)는 상기 인버터(120)의 출력 전압을 승압하여 상기 제 1 정류기(140)에 전달한다. 상기 제 1 변압기(130)는 상기 인버터(120)로부터 인가받은 고주파 교류 전압을 아크 방전에 필요한 고전압으로 승압한다. 이를 위해, 상기 제 1 변압기(130)는 상기 변압을 수행하기 위해 1차측과 2차측을 구성하는 코일로 이루어진다. 상기 제 1 변압기(130)는 통상적으로 코어에 1차측 코일을 감아 놓은 상태에서, 상기 1차측 코일의 외부에 2차측 코일을 감아서 누설 자속이 거의 없도록 하여, 고전압을 형성하도록 구성될 수 있다. 다만, 상기 제 1 변압기(130)의 구성을 이로써 한정하는 것은 아니며, 하기할 제 2 변압기(160)와 동일한 구성으로 구비되는 것도 가능하다.
상기 제 1 정류기(140)는 상기 제 1 변압기(130)에 전기적으로 연결된다. 상기 제 1 정류기(140)는 상기 제 1 변압기(130)의 출력 전압을 인가받아, 상기 출력 전압을 직류 전압으로 정류한다. 상기 제 1 정류기(140)를 통해 정류된 직류 전압은 최종 출력 단자의 양극(10) 및 음극(11)으로 인가된다. 그 결과, 상기 양극(10) 및 음극(11)의 사이에서 플라즈마 아크 방전이 발생되어, 상기 양극(10)과 음극(11) 사이에서 플라즈마 가스가 분해되기 시작할 수 있다.
상기 전자 개폐기(Magnetic Contactor, M/C, 150)는 상기 인버터(120)와 상기 제 2 변압기(160)의 사이에 형성된다. 상기 전자 개폐기(150)는 상기 인버터(120)의 출력단과 상기 제 2 변압기(160)의 입력단간의 연결 경로를 개폐한다.
상기 전자 개폐기(150)는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치(100)가 구동을 시작하는 시점에서는 상기 제 2 변압기(160)로의 연결 경로를 차단한다. 따라서, 구동 시작 시점에서는 상기 제 2 변압기(160)는 동작하지 않으며, 상기 제 1 변압기(120)만이 동작을 하게 된다. 따라서, 상기 제 1 변압기(120)의 변압에 따라 상기 양극(10) 및 음극(11)의 사이에 고전압이 형성되어, 플라즈마 아크 방전이 생성될 수 있다.
또한, 상기 전자 개폐기(150)는 상기 플라즈마 아크 방전의 생성 이후, 상기 제 2 변압기(160)로의 연결 경로를 개방한다. 따라서, 하기할 바와 같이, 상기 제 2 변압기(160)의 출력에 따른 고전류가 상기 양극(10) 및 음극(11)의 사이에 형성되며, 상기 플라즈마 아크가 유지될 수 있다. 다만, 이 경우에도 상기 제 1 변압기(120)는 여전히 동작하므로, 상기 양극(10)과 음극(11) 사이의 아크가 소멸되는 것을 방지할 수 있다.
상기 제 2 변압기(160)는 상기 전자 개폐기(150)에 연결된다. 상기 제 2 변압기(160)는 상기 전자 개폐기(150)의 동작에 의해 상기 아크 발생 이후 상기 인버터(120)에 연결되며, 상기 인버터(120)로부터 인가받은 상기 고주파 교류 전압을 변환한다. 또한, 상기 제 2 변압기(160)는 상기 고주파 교류 전압을 변환함에 있어서, 고전류를 형성한다.
동일한 전원 전압원(110)의 에너지를 공급받는 경우, 플라즈마 아크가 발생할 때는 플라즈마 가스가 상대적으로 큰 저항값을 갖기 때문에 상기 양극(10)과 음극(11) 사이에 고전압이 요구되는 반면, 플라즈마 아크 유지시에는 플라즈마 가스가 상대적으로 작은 저항값을 가져서 W=I2R의 수식에 의해 상기 양극(10)과 음극(11) 사이에 고전류가 요구되기 때문이다.
이를 위해, 상기 제 2 변압기(160)는 코어에 감겨져 있는 1차측 코일(161)과 상기 1차측 코일(161)의 양측에 감겨져 있는 2차측 코일(162)을 포함할 수 있다. 그리고 상기 제 2 변압기(160)의 2차측 코일(162)은 상기 1차측 코일(161)에 대해 상기 제 1 변압기(130)보다 작은 권선비를 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 제 2 변압기(160)의 출력 전압은 상기 제 1 변압기(130)보다 낮고, 그 반면 출력 전류는 상기 제 1 변압기(130)보다 높게 이루어질 수 있다.
그리고 상기 1차측 코일(161)은 코어의 대략 중앙에 감겨져 있으며, 탭(161a, 161b)을 통해 상기 인버터(120)에 연결되어 있다.
한편, 상기 2차측 코일(162)은 동일 코어에서 상기 1차측 코일(161)의 양측에 위치하도록 감겨져 있으며, 탭(162a, 162b)을 통해 상기 1차 리액터(170)에 연결된다. 이러한 구성을 통해, 상기 1차측 코일(161)을 통과한 자기력선은 상기 1차측 코일(161)의 양단에서 맴돌이 현상으로 누설됨이 없이 상기 2차측 코일(162)에 전달될 수 있다. 결국, 상기 2차측 코일(162)에 상기 1차측 코일(161)의 에너지가 누설되지 않고 전달될 수 있으며, 그에 따라 변압 효율이 증가할 수 있다.
그 결과, 상기 양극(10) 및 음극(11)에서 상기 제 1 변압기(130)의 고전압에 따른 플라즈마 아크 방전이 이루어지고 난 이후, 상기 제 2 변압기(160)의 고전류가 인가되어 플라즈마 아크 유지가 이루어질 수 있다. 또한, 플라즈마 유지시에 상기 제 1 변압기(130)가 여전히 동작을 수행하여, 상기 양극(10)과 음극(11)의 사이에서 플라즈마 아크가 소멸되지 않도록 할 수 있음은 앞서 상술하였다.
상기 제 1 리액터(170)는 상기 제 2 변압기(160)의 출력단에 연결된다. 상기 제 1 리액터(170)는 코일의 형태로 이루어진다. 상기 제 1 리액터(170)는 상기 양극(10)과 음극(11) 사이의 부하가 급감함에 따라 돌입 전류가 발생되는 경우, 상기 제 2 정류기(180)를 구성하고 있는 다이오드들을 상기 돌입 전류로부터 보호한다. 보다 상세히 설명하면, 상기 양극(10)과 음극(11) 사이에 아크가 발생할 때는 상기 플라즈마 가스는 상대적으로 매우 큰 저항값을 갖는 반면, 일단 아크가 발생한 이후에는 상대적으로 매우 작은 저항값을 갖기 때문에, 상기 양극(10)과 음극(11)의 사이에 과도한 돌입 전류가 발생할 수 있다. 또한, 상기 돌입 전류는 상기 제 2 정류기(180)의 다이오드를 파손시킬 염려가 있다. 따라서, 상기 제 1 리액터(170)는 상기 제 2 정류기(180)에의 전류 흐름을 제어하여, 상기 제 2 정류기(180)를 돌입 전류로부터 보호한다.
상기 제 2 정류기(180)는 상기 제 1 리액터(170)의 출력단에 연결된다. 상기 제 2 정류기(180)는 상기 제 2 변압기(160)로부터 출력된 전압을 정류한다. 상기 제 2 정류기(180)는 상기 양극(10)과 음극(11)에 연결되어 고전류를 인가할 수 있다.
상기 제 2 리액터(190)는 상기 제 2 정류기(180)와 양극(10) 및 음극(11) 중에서 적어도 하나의 사이에 형성될 수 있다. 상기 제 2 리액터(190)도 역시 코일 형태로 이루어질 수 있다. 상기 제 2 리액터(190)는 돌입 전류로부터 상기 제 2 정류기(180)를 보호한다. 또한, 상기 제 2 리액터(190)는 상기 제 2 정류기(180)로부터 전달된 에너지의 일부를 저장하여, 상기 양극(10) 및 음극(11)에 에너지가 안정적으로 공급되도록 할 수 있다.
상기와 같이 하여, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 전원 공급 장치(100)는 제 2 변압기(160)의 1차측 코일(161)의 양측에 2차측 코일(162)이 감기도록 형성하여, 1차측 코일(161)의 자속이 누설되는 것을 방지하고 변압 효율을 높일 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 플라즈마 전원 공급 장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100; 플라즈마 전원 공급 장치 110; 전원 공급부
120; 인버터 130; 제 1 변압기
140; 제 1 정류기 150; 전자 개폐기
160; 제 2 변압기 170; 제 1 리액터
180; 제 2 정류기 190; 제 2 리액터

Claims (7)

  1. 교류 전압을 공급하는 전원 공급부;
    상기 전원 공급부에 연결되어 상기 교류 전압을 변압하는 제 1 변압기;
    일단이 상기 제 1 변압기에 연결되고, 타단이 전극에 연결되어, 상기 제 1 변압기의 전압을 정류하여 상기 전극에 전달하는 제 1 정류기;
    상기 전원 공급부에 연결되어 상기 교류 전압을 변압하는 제 2 변압기;
    일단이 상기 제 2 변압기에 연결되고, 타단이 상기 전극에 연결되어, 상기 제 2 변압기의 전압을 정류하여 상기 전극에 전달하는 제 2 정류기; 및
    상기 전원 공급부와 상기 제 2 변압기의 사이에 형성되어 연결 경로를 개폐하는 전자 개폐기를 포함하고,
    상기 제 2 변압기는 1차측 코일의 양측에 2차측 코일이 감기도록 형성된 플라즈마 전원 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 변압기의 권선비는 상기 제 1 변압기의 권선비에 비해 작게 형성된 플라즈마 전원 공급 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 변압기는 상기 1차측 코일과 상기 2차측 코일이 동일한 코어에 감겨서 형성된 플라즈마 전원 공급 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 변압기는 1차측 코일의 양측에 2차측 코일이 감기도록 형성된 플라즈마 전원 공급 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원 공급부와 제 1 변압기의 사이에는 상기 전원 공급부의 교류 전압의 주파수를 변경하는 인버터가 더 형성된 플라즈마 전원 공급 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 변압기와 상기 제 2 정류기의 사이 및 상기 제 2 정류기와 상기 전극의 사이 중에서 선택된 적어도 어느 하나에 코일로 형성된 리액터가 더 형성된 플라즈마 전원 공급 장치.
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