KR101262545B1 - Atmospheric-pressure microwave plasma generator using stripline resonator - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An atmospheric pressure microwave plasma generator is provided to minimize power consumption and to generate plasma in atmospheric pressure with small power. CONSTITUTION: A lower conductor(120), a central conductor(130) and an upper conductor(110) form a strip line by being separated with a predetermined distance. A reflective plate(140) is arranged in one end of the strip line, short-circuits one end of the strip line and reflects microwave power reflected after generation of plasma. An SMA connector is connected to a hole formed in the lower conductor to supply microwave power.

Description

스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기 {ATMOSPHERIC-PRESSURE MICROWAVE PLASMA GENERATOR USING STRIPLINE RESONATOR}Atmospheric Microwave Plasma Generator Using Stripline Resonator {ATMOSPHERIC-PRESSURE MICROWAVE PLASMA GENERATOR USING STRIPLINE RESONATOR}

본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 특히 스트립라인 공진기를 이용하여 마이크로파 전력을 이용하여 대기압에서 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma generator, and more particularly, to an apparatus for generating plasma at atmospheric pressure using microwave power using a stripline resonator.

마이크로파를 이용한 종래의 플라즈마 발생기는 대부분 임피던스 정합을 위한 별도의 장치를 필요로 하나, 별도의 임피던스 정합 장치를 사용할 경우, 전체 시스템을 소형으로 제작하기 어렵고, 임피던스 정합 장치 자체가 소모하는 전력으로 인해 전력 효율이 떨어진다는 한계가 있다. Most conventional plasma generators using microwaves require a separate device for impedance matching.However, when a separate impedance matching device is used, it is difficult to manufacture the whole system compactly, and power is consumed due to the power consumed by the impedance matching device itself. There is a limit that the efficiency falls.

따라서, 당해 기술분야에서는 전력 소모를 최소화하고 작은 전력으로 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 방안이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need in the art for a method of minimizing power consumption and generating plasma at atmospheric pressure with small power.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 제1 태양은 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기를 제공한다. 상기 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기는, 각각 기 설정된 간격으로 이격되어 스트립라인을 형성하는 하부 도체, 중앙도체 및 상부 도체; 상기 스트립라인의 일단에 구비되어, 상기 스트립라인의 일단을 전기적으로 단락시키고, 플라즈마 발생 후에 반사되는 마이크로파 전력을 반사시키는 반사판; 및 마이크로파 전력 공급을 위해 상기 하부 도체에 형성된 홀에 연결되는 SMA 커넥터를 포함하여 구현될 수 있다.
In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides an atmospheric microwave plasma generator using a stripline resonator. The atmospheric pressure microwave plasma generator, the lower conductor, the center conductor and the upper conductor are spaced apart at predetermined intervals to form a strip line, respectively; A reflecting plate provided at one end of the strip line, electrically shorting one end of the strip line, and reflecting microwave power reflected after plasma generation; And an SMA connector connected to a hole formed in the lower conductor for microwave power supply.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.In addition, the means for solving the above-mentioned problems are not all enumerating the features of the present invention. Various features of the present invention and the advantages and effects thereof may be understood in more detail with reference to the following specific embodiments.

전력 소모를 최소화하고 작은 전력으로 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기가 제공될 수 있다.An atmospheric microwave plasma generator using a stripline resonator can be provided that minimizes power consumption and can generate plasma at atmospheric pressure with low power.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스트립라인 공진기의 3차원 입체도,
도 2는 도 1에 도시된 스트립라인 공진기를 x 방향에서 바라본 평면도,
도 3은 도 1에 도시된 스트립라인 공진기를 y 방향에서 바라본 평면도,
도 4는 도 1에 도시된 스트립라인 공진기를 -z 방향에서 바라본 평면도,
도 5는 스트립라인 공진기에서 급전점의 위치에 따른 입력 임피던스 및 입력 임피던스가 50Ω이 되는 급전점의 위치를 보여주는 그래프,
도 6은 스트립라인 공진기의 개방단에 점화 장치를 사용한 경우 전기장 분포를 보여주는 도면,
도 7은 스트립라인 공진기 측면의 전기장 분포를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 2개의 스트립라인 공진기의 어레이를 도시하는 도면, 그리고
도 9는 1개 및 2개의 스트립라인 공진기를 사용할 때의 반사계수를 보여주는 그래프이다.1 is a three-dimensional stereoscopic view of a stripline resonator in accordance with one embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a plan view of the stripline resonator shown in FIG. 1 viewed in the x direction; FIG.
3 is a plan view of the stripline resonator shown in FIG. 1 as viewed from the y direction;
4 is a plan view of the stripline resonator illustrated in FIG. 1 as viewed in the -z direction, FIG.
5 is a graph showing a position of a feed point in which the input impedance and the input impedance are 50 Ω according to the position of the feed point in the stripline resonator;
Figure 6 shows the electric field distribution when the ignition device is used at the open end of the stripline resonator,
7 shows the electric field distribution on the side of a stripline resonator;
8 illustrates an array of two stripline resonators in accordance with another embodiment of the present invention, and
9 is a graph showing the reflection coefficient when using one and two stripline resonators.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. In the following detailed description of the preferred embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. In the drawings, like reference numerals are used throughout the drawings.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
In addition, in the entire specification, when a part is referred to as being 'connected' to another part, it may be referred to as 'indirectly connected' not only with 'directly connected' . Also, to "include" an element means that it may include other elements, rather than excluding other elements, unless specifically stated otherwise.

본 발명은 스트립라인(Stripline)을 이용하여 마이크로파에 의해 동작하는 공진기를 설계하여 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생기를 제공한다. 본 발명은 DC 또는 AC 전력보다 주파수가 높은 마이크로파, 예를 들어 900 MHz 또는 2.45 GHz의 마이크로파를 이용하면 낮은 전압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 점을 이용하여 10 W 내지 100 W의 낮은 전력으로 대기압에서 플라즈마를 발생 및 유지시킬 수 있도록 한다.
The present invention provides a plasma generator capable of generating a plasma at atmospheric pressure by designing a resonator operated by microwave using a stripline. The present invention takes advantage of the fact that microwaves with a higher frequency than DC or AC power, such as microwaves at 900 MHz or 2.45 GHz, can generate plasma at low voltages at atmospheric pressures with a low power of 10 W to 100 W. It is possible to generate and maintain plasma.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스트립라인 공진기의 3차원 입체도이고, 도 2는 도 1에 도시된 스트립라인 공진기를 x 방향에서 바라본 평면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 스트립라인 공진기를 y 방향에서 바라본 평면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 스트립라인 공진기를 -z 방향에서 바라본 평면도이다.1 is a three-dimensional stereoscopic view of a stripline resonator in accordance with an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view of the stripline resonator shown in FIG. 1 viewed in the x direction, and FIG. 3 is a stripline shown in FIG. 4 is a plan view of the resonator viewed in the y direction, and FIG. 4 is a plan view of the stripline resonator illustrated in FIG. 1, viewed in the -z direction.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 스트립라인 공진기는, 하부 도체(120), 중앙 도체(130) 및 상부 도체(110)가 각각 소정 간격으로 이격되어 스트립라인을 형성하며, 스트립라인의 일단은 전기적으로 개방(open)되고, 스트립라인의 타단은 반사판(140)에 의해 전기적으로 단락(short)되어 있다.1 to 4, the stripline resonator according to the exemplary embodiment of the present invention includes the lower conductor 120, the center conductor 130, and the upper conductor 110 spaced apart from each other at predetermined intervals to form a stripline. One end of the stripline is electrically open, and the other end of the stripline is electrically shorted by the reflector plate 140.

또한, 반사판(140)에는 도 3에 도시된 바와 같이 임의의 형상의 홀(180)이 형성되며, 이는 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스 주입구로 사용된다.In addition, as shown in FIG. 3, the reflective plate 140 is provided with a hole 180 having an arbitrary shape, which is used as a gas inlet for supplying gas for plasma generation.

또한, 스트립라인 공진기(100)에 마이크로파 전력을 공급하기 위해서 스트립라인의 하부 도체(120)에 홀이 형성되고 여기에 SMA 커넥터(160, 170)가 연결된다. 여기서, 하부 도체(120)의 상부(즉, 스트립라인의 내부)에 위치하는 SMA 커넥터의 내부 도체(170)는 스트립라인의 중앙 도체(130)에 연결되고, 하부 도체(120)의 하부(즉, 스트립라인의 외부)에 위치하는 SMA 커넥터의 외부 도체(160)는 스트립라인의 하부 도체(120)에 연결된다.In addition, holes are formed in the lower conductor 120 of the stripline to supply microwave power to the stripline resonator 100, and SMA connectors 160 and 170 are connected thereto. Here, the inner conductor 170 of the SMA connector located at the top of the lower conductor 120 (ie inside the stripline) is connected to the center conductor 130 of the stripline and is at the bottom of the lower conductor 120 (ie The outer conductor 160 of the SMA connector located outside of the stripline is connected to the lower conductor 120 of the stripline.

또한, 상부 도체(110)와 하부 도체(120) 사이의 빈 공간에 위치하는 스트립라인의 유전체(150)로는 공기(air)를 사용할 수 있다. 이를 위해, 반사판(140)에 형성된 가스 주입구(180)를 통해 스트립라인 내부의 빈 공간으로 Ar, He, N2, Air 등의 가스를 공급할 수 있다. In addition, air may be used as the dielectric 150 of the strip line located in the empty space between the upper conductor 110 and the lower conductor 120. To this end, gas such as Ar, He, N 2 , or air may be supplied to the empty space inside the stripline through the gas injection hole 180 formed in the reflector plate 140.

이 경우, 스트립라인의 측면으로 누설(leakage)되는 전기장(E field)을 충분히 줄이기 위해서 스트립라인의 폭(s)을 중앙 도체(130)의 폭(w)보다 충분히 크게 만들 수 있다. 또한, 전기장의 누설은 동작 주파수가 커질수록 줄어드는 경향이 있으므로, 본 발명의 실시예와 같이 스트립라인의 동작 주파수가 900MHz 또는 2.45GHz인 경우, s ≥ 2w의 조건을 만족하도록 스트립라인의 폭과 중앙 도체의 폭을 설계하면 전기장의 누설을 충분히 줄일 수 있다.In this case, the width s of the stripline may be sufficiently larger than the width w of the central conductor 130 in order to sufficiently reduce the electric field E field leaked to the side of the stripline. In addition, since the leakage of the electric field tends to decrease as the operating frequency increases, when the operating frequency of the stripline is 900 MHz or 2.45 GHz as in the embodiment of the present invention, the width and the center of the stripline are satisfied to satisfy the condition of s ≧ 2w. By designing the width of the conductor, the leakage of the electric field can be sufficiently reduced.

본 발명의 일 실시예에 따른 스트립라인 공진기의 각 부분의 크기는 유전체의 높이 h = 5 mm, 중앙 도체의 폭 w = 10 mm, 스트립라인의 폭 s = 20 mm 및 중앙 도체의 두께 t = 1 mm로 설계될 수 있다. 이와 같은 수치는 정해진 것이 아니라, 용도에 따라 변경 가능하며 스트립라인의 유전체에 따라 적절하게 설계될 수 있다.The size of each part of the stripline resonator according to an embodiment of the present invention is the height of the dielectric h = 5 mm, the width of the center conductor w = 10 mm, the width of the strip line s = 20 mm and the thickness of the center conductor t = 1 It can be designed in mm. These values are not fixed, but can be changed depending on the application and can be appropriately designed according to the dielectric of the stripline.

또한, 공진기를 구성하기 위한 스트립라인의 길이(L)는 스트립라인 공진기의 동작 주파수에 대해서 사분의 일 파장(Quarter wavelength, λ/4)이 되도록 한다. 예를 들어, 동작 주파수가 900 MHz인 경우, 공기(

Figure 112011089901979-pat00001
)중에서 파장의 길이는 약 33.3 cm이고, 공진기를 구성하기 위한 스트립라인의 길이는
Figure 112011089901979-pat00002
이 된다. 이와 같은 동작 주파수는 일 예에 불과하며, 스트립라인 공진기의 동작 주파수는 설계자에 의해 필요에 따라 선택될 수 있고, 이에 따라 위와 같은 방식으로 스트립라인의 길이가 정해지게 된다.In addition, the length L of the stripline for configuring the resonator is such that it becomes a quarter wavelength (λ / 4) with respect to the operating frequency of the stripline resonator. For example, if the operating frequency is 900 MHz, air (
Figure 112011089901979-pat00001
), The length of the wavelength is about 33.3 cm, and the length of the stripline for constructing the resonator
Figure 112011089901979-pat00002
. Such an operating frequency is only an example, and the operating frequency of the stripline resonator may be selected by a designer as needed, and thus the length of the stripline is determined in the above manner.

상술한 바와 같이 설계된 스트립라인 공진기가 공진할 때의 입력 임피던스(Input impedance) Zin은 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.The input impedance Z in when the stripline resonator designed as described above resonates may be calculated by Equation 1.

Figure 112011089901979-pat00003
Figure 112011089901979-pat00003

여기서, Z0는 스트립라인의 특성 임피던스(characteristic impedance), a는 감쇠 상수(attenuation constant), b는 위상 상수(phase constant), l는 동작 주파수에 대한 파장의 길이를 의미한다. Here, Z 0 denotes a characteristic impedance of the stripline, a denotes an attenuation constant, b denotes a phase constant, and l denotes a length of a wavelength with respect to an operating frequency.

수학식 1을 살펴보면, 스트립라인 공진기의 입력 임피던스는 길이 l1의 함수임을 알 수 있다.Looking at Equation 1, it can be seen that the input impedance of the stripline resonator is a function of the length l 1 .

도 5는 스트립라인 공진기에서 급전점의 위치에 따른 입력 임피던스 및 입력 임피던스가 50Ω이 되는 급전점의 위치를 보여주는 그래프로, l1에 대한 입력 임피던스를 보여준다.5 is a graph showing the input impedance according to the position of the feed point in the stripline resonator and the position of the feed point at which the input impedance is 50Ω, and shows the input impedance with respect to l 1 .

본 발명은 이를 이용하여 임피던스 매칭을 할 수 있다. 구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 입력 임피던스가 50Ω이 되는 지점이 하나 존재하기 때문에 이 곳을 급전점(feeding point)으로 정하면 스트립라인 공진기 자체의 입력 임피던스가 50Ω이 되어서 별도의 임피던스 매칭을 고려하지 않아도 된다.According to the present invention, impedance matching may be performed using the same. Specifically, as shown in FIG. 5, since there is one point where the input impedance becomes 50 Ω, if this place is designated as a feeding point, the input impedance of the stripline resonator itself becomes 50 Ω to perform separate impedance matching. There is no need to consider.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 스트립라인 공진기의 경우

Figure 112011089901979-pat00004
이다. In the case of the stripline resonator according to an embodiment of the present invention described above
Figure 112011089901979-pat00004
to be.

이에 따르면, 플라즈마 발생기의 구현에 있어 추가적으로 별도의 임피던스 정합 장치를 고려할 필요가 없게 되고, 결과적으로 불필요한 전력 소모나 낭비를 줄이고 시스템이 복잡해 지는 것을 방지할 수 있게 된다.According to this, there is no need to consider an additional impedance matching device in the implementation of the plasma generator, and as a result, it is possible to reduce unnecessary power consumption or waste and to prevent the system from becoming complicated.

한편, 상술한 조건을 만족하도록 스트립라인 공진기를 설계하고 전력을 인가하게 되면, 스트립라인 내부에서 전자기파(electromagnetic wave; EM wave)는 TEM 모드(Transverse ElectroMagnetic Mode)로 전파하게 된다. On the other hand, if the stripline resonator is designed to satisfy the above conditions and the power is applied, electromagnetic waves (EM waves) propagate in the TEM mode (Transverse ElectroMagnetic Mode) inside the stripline.

상술한 조건에 따라 설계된 스트립라인 내에서 전자기파가 TEM 모드로 전파 가능한 최대 주파수인 차단 주파수(Cut-off frequency)는 3.6 GHz

Figure 112011089901979-pat00005
이다. 따라서, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 900 MHz 또는 2.45 GHz 주파수 대역의 전자기파는 문제없이 사용 가능하다.
Cut-off frequency, the maximum frequency at which electromagnetic waves can propagate in TEM mode within a stripline designed according to the conditions described above, is 3.6 GHz.
Figure 112011089901979-pat00005
to be. Therefore, the electromagnetic waves of the 900 MHz or 2.45 GHz frequency band according to the embodiment of the present invention described above can be used without problems.

한편, TEM 모드 이외에 다른 모드의 전파가 스트립라인 내부에 전파되는 것을 방지하기 위해서 스트립라인의 상부 도체(110)와 하부 도체(120)를 전기적으로 단락시켜 주어야 하는데 이는 금속 물질인 반사판(140)에 의해 하게 된다.On the other hand, in order to prevent the propagation of the other modes in addition to the TEM mode inside the stripline, the upper conductor 110 and the lower conductor 120 of the stripline should be electrically shorted to the reflector plate 140 which is a metal material. Done by.

이때, 스트립라인 공진기의 단락단에서는 전류가 최대가 되고, 개방단에서는 전압이 최대가 된 상태에서 스트립라인 공진기가 공진하게 된다. 따라서, 스트립라인 공진기의 개방단의 최대 전압에 의해 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있게 된다.At this time, the current is maximized at the short end of the stripline resonator, and the stripline resonator is resonated while the voltage is maximized at the open end. Therefore, it is possible to generate plasma at atmospheric pressure by the maximum voltage of the open end of the stripline resonator.

또한, 플라즈마가 발생된 후에 반사되는 마이크로파 전력은 스트립라인 공진기의 단락단의 반사판(140)에 의해 반사되어 공진할 수 있도록 함으로써 전력 효율을 극대화할 수 있다. 이에 반해, 종래의 대부분의 플라즈마 발생기는 전원 공급에서 실제로 플라즈마에 전달되는 전력을 제어하지 못하고 반사되는 전력을 단순히 열로 소모시키거나 재활용할 수 없는 구조로 설계되었다. 따라서, 동일한 전력을 플라즈마 발생기에 공급하더라도 플라즈마를 발생 및 유지시키기 위해 소모되는 실질적인 전력을 높이기 어렵다는 문제가 있었다.
In addition, microwave power reflected after the plasma is generated may be reflected by the reflector 140 at the short end of the stripline resonator to allow resonance to maximize power efficiency. In contrast, most conventional plasma generators are designed to have a structure that cannot control the power actually delivered to the plasma in the power supply and cannot simply consume or reflect the reflected power as heat. Therefore, even when the same power is supplied to the plasma generator, it is difficult to increase the actual power consumed to generate and maintain the plasma.

도 6은 스트립라인 공진기의 개방단에 점화 장치를 사용한 경우 전기장 분포를 보여주는 도면으로, 구체적으로 900 MHz의 동작 주파수를 갖는 스트립라인 공진기에서 개방단에서 50 W의 전력을 인가하고 점화 장치(190)를 사용한 경우의 전기장 분포를 보여준다.FIG. 6 is a diagram illustrating an electric field distribution when an ignition device is used at the open end of the stripline resonator. Specifically, in the stripline resonator having an operating frequency of 900 MHz, 50 W of power is applied at the open end and the ignition device 190 is shown. Shows the electric field distribution with.

도 6을 참조하면, 최대 전기장의 세기가 106 V/m 로, 대기압에서 Ar, He 등을 사용해서 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 인가 전력을 높이면 Air, N2 등에 대해서도 플라즈마 발생이 가능함을 알 수 있다.
Referring to Figure 6, the maximum intensity is 10 6 V / m of the electric field, to at atmospheric pressure using Ar, He, etc. can generate a plasma, applying higher power know about the plasma generation is possible, etc. Air, N 2 Can be.

도 7은 스트립라인 공진기 측면의 전기장 분포를 보여주는 도면이다.7 is a diagram showing the electric field distribution on the side of the stripline resonator.

도 7을 참조하면, 스트립라인 공진기 측면의 전기장 분포가 낮음을 알 수 있다. 다시 말해, 본 발명에 의한 스트립라인 공진기는 측면으로 누설되는 전기장이 충분히 작도록 설계된 것이다. 따라서, 후술하는 바와 같이 다수의 스트립라인 공진기를 어레이 형태로 붙여서 사용할 수도 있다.
Referring to FIG. 7, it can be seen that the electric field distribution on the side of the stripline resonator is low. In other words, the stripline resonator according to the present invention is designed so that the electric field leaking to the side is sufficiently small. Therefore, as described below, a plurality of stripline resonators may be attached and used in an array form.

도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 2개의 스트립라인 공진기의 어레이를 도시하는 도면이고, 도 9는 1개 및 2개의 스트립라인 공진기를 사용할 때의 반사계수를 보여주는 그래프이다.8 is a diagram showing an array of two stripline resonators according to another embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a graph showing the reflection coefficient when using one and two stripline resonators.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 스트립라인 공진기를 2개 이상 사용하여 어레이 형태로 배열하여 사용할 수도 있다.As shown in FIG. 8, two or more stripline resonators according to one embodiment of the present invention may be used in an array form.

도 9를 참조하면, 1개의 공진기를 사용하는 경우와 2개의 공진기를 동시에 사용하는 경우에, 공진 주파수의 위치는 달라지나 공진기 자체의 성능은 크게 달라지지 않음을 알 수 있다.Referring to FIG. 9, when using one resonator and using two resonators at the same time, it can be seen that the position of the resonant frequency is different but the performance of the resonator itself is not significantly changed.

따라서, 본 발명의 상술한 실시형태에 따르면, 2개 이상의 다수의 스트립라인 공진기를 어레이 형태로 배열하여 교란(Perturbation)없이 사용 가능하며, 이로써 장치의 소형화가 가능하고 공간 효율성을 높일 수 있고 대기압에서 넓은 면적의 플라즈마를 발생시키기 어렵다는 종래 기술의 한계를 극복할 수 있다.
Therefore, according to the above-described embodiment of the present invention, two or more stripline resonators can be arranged in an array to be used without perturbation, thereby miniaturizing the device and increasing space efficiency and at atmospheric pressure. It is possible to overcome the limitations of the prior art that it is difficult to generate a large area of plasma.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시형태에 의하면, 900 MHz 또는 2.45 GHz와 같은 고주파 전력을 사용하여, DC 또는 kHz 대역의 주파수의 전력보다 낮은 전압 또는 전력으로 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있다.According to the embodiment of the present invention as described above, the plasma can be generated at atmospheric pressure with a voltage or power lower than the power of the frequency in the DC or kHz band using high frequency power such as 900 MHz or 2.45 GHz.

또한, 마이크로파에 의해 발생된 플라즈마는 쉬스(Sheath) 영역에서 갖는 이온의 에너지가 작아지므로 전극에서 이온 충격(Ion bombardment)에 의한 부식을 줄일 수 있게 되어 장치의 수명을 늘릴 수 있다. 따라서, 지속적으로 사용해야 할 필요가 있는 철강 제품 공정에 사용하기 적합하며, 낮은 전압 및 전력에서 작동하므로 안전성이 높아진다.In addition, since the plasma generated by the microwave has a small energy of ions in the sheath region, corrosion of the ion bombardment at the electrode can be reduced, thereby increasing the life of the device. Therefore, it is suitable for use in steel product processes that need to be used continuously, and operates at low voltages and power, increasing safety.

또한, 플라즈마의 전자 온도(Electron temperature)는 주파수에 비례하는 경향이 있으므로, 마이크로파와 같은 고주파에서는 플라즈마의 온도가 높아지고 OH(hydroxyl)이나 산소기(Oxygen radical)가 다량 생성되어 유기물 분해, 표면 클리닝(cleaning), 표면 개질 및 탈지 등에 효과적이다. In addition, since the electron temperature of the plasma tends to be proportional to the frequency, at high frequencies such as microwaves, the temperature of the plasma is increased and a large amount of OH (hydroxyl) or oxygen radicals are generated, thereby decomposing organic matter and cleaning the surface. ), Effective for surface modification and degreasing.

또한, 장치의 크기는 동작 주파수에 반비례하므로, 전체적인 장치의 크기를 소형으로 제작하는 것이 가능하다(예를 들어, 동작 주파수가 900 MHz인 경우 83.3 mm, 그리고 동작 주파수가 2.45 GHz인 경우 30.6 mm이다).In addition, since the size of the device is inversely proportional to the operating frequency, it is possible to make the overall size of the device small (for example, 83.3 mm when the operating frequency is 900 MHz, and 30.6 mm when the operating frequency is 2.45 GHz). ).

또한, 본 발명의 실시형태에 따른 스트립라인 공진기에서는 전자기파가 전송선 내에 갇혀서 전파되어 주변에 EMI(Electromagnetic Interference)를 유발하지 않기 때문에, 다수개의 스트립라인 공진기를 배열하여 플라즈마 처리 면적을 확장하는 것이 가능하다.In addition, in the stripline resonator according to the embodiment of the present invention, since electromagnetic waves are trapped in the transmission line and propagated so as not to cause electromagnetic interference (EMI), it is possible to expand the plasma treatment area by arranging a plurality of stripline resonators. .

또한, 기존의 대부분의 플라즈마 발생 장치가 점(Spot) 또는 원형의 플라즈마 제트인 것에 비해, 본 발명에 실시형태에 따른 스트립라인 공진기를 이용하면 선형(Line type)의 플라즈마 제트를 만드는 것이 가능하며, 이로써 처리하고자 하는 대상물의 넓은 범위에서 균일하게 처리할 수 있게 된다.
In addition, it is possible to make a linear plasma jet using a stripline resonator according to an embodiment of the present invention, compared to most existing plasma generators are spot or circular plasma jets. This makes it possible to treat uniformly over a wide range of the object to be treated.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
The present invention is not limited by the above-described embodiment and the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be substituted, modified, and changed in accordance with the present invention without departing from the spirit of the present invention.

100: 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기
110: 상부 도체
120: 하부 도체
130: 중앙 도체
140: 반사판
150: 유전체
160: SMA 커넥터의 외부 도체
170: SMA 커넥터의 내부 도체
180: 가스 주입구
190: 점화 장치
L: 스트립라인의 길이
s: 스트립라인의 폭
h: 유전체의 높이
t: 중앙 도체의 두께
w: 중앙 도체의 폭
ㅣ1: 스트립라인의 단락단과 급전점 사이의 길이100: atmospheric microwave plasma generator
110: upper conductor
120: lower conductor
130: center conductor
140: reflector
150: dielectric
160: outer conductor of the SMA connector
170: inner conductor of SMA connector
180: gas inlet
190: ignition device
L: length of stripline
s: width of stripline
h: height of dielectric
t: thickness of the center conductor
w: width of the center conductor
ㅣ 1 : Length between short end of feedline and feed point

Claims (6)

각각 기 설정된 간격으로 이격되어 스트립라인을 형성하는 하부 도체, 중앙도체 및 상부 도체;
상기 스트립라인의 일단에 구비되어, 상기 스트립라인의 일단을 전기적으로 단락시키고, 플라즈마 발생 후에 반사되는 마이크로파 전력을 반사시키는 반사판; 및
마이크로파 전력 공급을 위해 상기 하부 도체에 형성된 홀에 연결되는 SMA 커넥터를 포함하며,
상기 스트립라인 공진기의 공진시의 입력 임피던스가 최대 전력 전달을 위한 임피던스가 되는 지점을 상기 SMA 커넥터에 의한 급전점(feeding point)으로 정하는 것을 특징으로 하는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기.
A lower conductor, a center conductor, and an upper conductor each spaced at predetermined intervals to form a stripline;
A reflecting plate provided at one end of the strip line, electrically shorting one end of the strip line, and reflecting microwave power reflected after plasma generation; And
An SMA connector connected to a hole formed in the lower conductor for microwave power supply,
Atmospheric pressure microwave plasma generator using a stripline resonator characterized in that the input point at the time of the resonance of the stripline resonator becomes the feeding point by the SMA connector as the impedance for maximum power transfer.
제 1 항에 있어서,
상기 스트립라인의 폭(s) 및 상기 중앙 도체의 폭(w)은 s ≥ 2w의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기.
The method of claim 1,
Width (s) of the stripline and width (w) of the center conductor satisfy the condition of s ≥ 2w.
제 1 항에 있어서,
상기 스트립라인의 길이는 상기 스트립라인 공진기의 동작 주파수에 대해서 사분의 일 파장(Quarter wavelength, λ/4)인 것을 특징으로 하는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기.
The method of claim 1,
Wherein the length of the stripline is a quarter wavelength (λ / 4) with respect to the operating frequency of the stripline resonator.
제 1 항에 있어서,
상기 반사판에 형성된 가스 주입구를 더 포함하며,
상기 가스 주입구를 통해 상기 스트립라인 내부의 빈 공간으로 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기.
The method of claim 1,
Further comprising a gas injection hole formed in the reflecting plate,
Atmospheric pressure microwave plasma generator using a stripline resonator, characterized in that for supplying the gas for plasma generation to the empty space inside the stripline through the gas injection port.
제 1 항에 있어서,
상기 최대 전력 전달을 위한 임피던스는 50Ω인 것을 특징으로 하는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기.
The method of claim 1,
Atmospheric pressure microwave plasma generator using a stripline resonator, characterized in that the impedance for the maximum power transmission.
제 1 항에 있어서,
상기 스트립라인 공진기를 2개 이상 어레이 형태로 배열하여 사용하는 것을 특징으로 하는 스트립라인 공진기를 이용한 대기압 마이크로파 플라즈마 발생기.The method of claim 1,
Atmospheric pressure microwave plasma generator using a stripline resonator, characterized in that to use the stripline resonator arranged in an array of two or more.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102043973B1 (en) * 2019-01-15 2019-11-12 주식회사 텔콘알에프제약 The power supply for atmospheric plasma generator
CN113573456A (en) * 2021-08-03 2021-10-29 四川大学 Microwave atmospheric pressure plasma source based on parallel flat plate transmission line

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006107829A (en) 2004-10-01 2006-04-20 Univ Of Tokyo Microwave excitation plasma device and system
JP2007299720A (en) * 2006-05-01 2007-11-15 Makoto Katsurai Jet-type microwave-excited plasma treatment device
JP2008282784A (en) * 2007-05-09 2008-11-20 Makoto Katsurai Microwave-excited plasma treatment device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006107829A (en) 2004-10-01 2006-04-20 Univ Of Tokyo Microwave excitation plasma device and system
JP2007299720A (en) * 2006-05-01 2007-11-15 Makoto Katsurai Jet-type microwave-excited plasma treatment device
JP2008282784A (en) * 2007-05-09 2008-11-20 Makoto Katsurai Microwave-excited plasma treatment device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102043973B1 (en) * 2019-01-15 2019-11-12 주식회사 텔콘알에프제약 The power supply for atmospheric plasma generator
CN113573456A (en) * 2021-08-03 2021-10-29 四川大学 Microwave atmospheric pressure plasma source based on parallel flat plate transmission line

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