KR101459633B1 - Apparatus for generating a high voltage atmospheric plasma using an external capacitor - Google Patents

Apparatus for generating a high voltage atmospheric plasma using an external capacitor Download PDF

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KR101459633B1 KR20130100333A KR20130100333A KR101459633B1 KR 101459633 B1 KR101459633 B1 KR 101459633B1 KR 20130100333 A KR20130100333 A KR 20130100333A KR 20130100333 A KR20130100333 A KR 20130100333A KR 101459633 B1 KR101459633 B1 KR 101459633B1
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이호준
김동현
하창승
서권상
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

The purpose of the present invention is to provide a high voltage atmospheric plasma generating apparatus using external capacitors, which is capable of adjusting an applied voltage by applying n times higher voltage than the applied voltage to the plasma using n external capacitors. The high voltage atmospheric plasma generating apparatus comprises: a power supply unit which supplies power to generate plasma; a plasma generating unit which generates the plasma using the power of the power supply unit; a first switch and a fourth switch which are connected in series between the power supply unit and the plasma generating unit to control power supply during an operation of generating the plasma; a first capacitor and a second capacitor which are connected in parallel to contacts between the first and fourth switches, respectively, to perform charging and discharging and supply discharged energy to the plasma generating unit by control of the fourth switch; a second switch which is connected to one end of the second capacitor and controls charging of the first and second capacitors using the power supplied by the power supply unit while the first switch is turned on and the fourth switch is turned off; and a third switch which is connected in parallel to a contact between the second capacitor and the second switch and to a contact between the contact between the first and fourth switches and the first capacitor, and which controls discharging of the first and second capacitors which are connected to each other in series if the first and second switches are turned on and the fourth switch is turned on.

Description

외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치{Apparatus for generating a high voltage atmospheric plasma using an external capacitor}BACKGROUND OF THE INVENTION Field of the Invention [0001] The present invention relates to an apparatus for generating a high-pressure atmospheric pressure plasma using an external capacitor,

본 발명은 대기압 플라즈마 발생에 관한 것으로, 특히 가스가 공급되는 플라즈마 발생부의 음극을 접지시키고, 양극은 가변 가능한 n개의 외부 커패시터와 연결하여 이로부터 인가전압보다 n배 높은 전압으로 플라즈마를 발생시키는 외부 커패시터를 이용한 방전 에너지 조절이 가능한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to the generation of atmospheric pressure plasma, and more particularly to an apparatus and a method for generating atmospheric pressure plasma, in which a cathode of a plasma generating unit to which a gas is supplied is grounded and an anode is connected to n variable external capacitors, To a high-voltage, atmospheric-pressure plasma generator capable of controlling discharge energy using the plasma.

대기압 플라즈마는 반도체 공정, 의료장비, 표면처리, 환경처리, 금속가공, 절단 등 다양한 산업분야에 이용되는 기술이다. 특히 대기압 플라즈마는 대기압에서 발생시킬 수 있다는 장점으로 인해 진공 플라즈마의 사용이 불가능한 분야에 많이 적용되고 있으며, 반도체 공정, 표면처리 등 진공 플라즈마를 이용한 산업계까지 수요를 확장하고 있다.Atmospheric plasma is a technology used in various industrial fields such as semiconductor processing, medical equipment, surface treatment, environmental treatment, metal processing, cutting and the like. In particular, atmospheric plasma can be generated at atmospheric pressure, and thus it is widely applied to fields where the use of vacuum plasma is impossible, and the demand for vacuum plasma such as semiconductor processing and surface treatment is expanding to the industry.

이처럼 대기압 플라즈마는 진공 장비를 사용하지 않기 때문에 장치비용이 진공 플라즈마 장비에 비해 매우 저렴한 것이 장점이지만, 구동 가스를 지속적으로 주입하여야 하고, 플라즈마에서 발생되는 부산물 및 가스들이 기중에 직접적으로 노출되기 때문에 유지비용 및 오엽도가 높고 위험한 가스를 사용하는 공정에는 적용이 불가능한 단점이 있다. 그러나 이러한 단점들 역시 기술이 발전됨에 따라 단점이 보완되어 가고 있다.Since atmospheric plasma does not use vacuum equipment, it is advantageous that the device cost is much lower than that of vacuum plasma equipment. However, since driving gas must be continuously injected and byproducts and gases generated in the plasma are directly exposed to the air, It has a disadvantage that it can not be applied to a process using a gas having a high cost and a high degree of haze. However, these disadvantages are also being complemented by the development of technology.

대기압 플라즈마는 플라즈마 온도라는 관점에서 저온 플라즈마를 이용한 응용과 고온 플라즈마를 이용한 응용으로 나눌 수 있다. 저온 플라즈마를 이용해서 기판 세척, 표면 처리, 반도체 공정, 의료 장비 등이 가능하고, 고온 플라즈마를 이용할 경우 물질 합성, 금속 절단, 금속 가공 등에 적용할 수 있다.Atmospheric plasma can be classified into two categories: application using low temperature plasma and application using high temperature plasma from the viewpoint of plasma temperature. It can be used for substrate cleaning, surface treatment, semiconductor processing, medical equipment and the like using low temperature plasma, and can be applied to material synthesis, metal cutting, metal processing, etc. when using high temperature plasma.

이러한 플라즈마를 발생시키기 위해서는 DC 전원, 사인파, 펄스 전압을 이용한다. 그리고 목적이나 주위 환경에 따라서 단극형(Unipolar type)이나 양극형(Bipolar type)으로 발생시키며, 주파수는 수십 Hz ~ 수 GHz를 이용한다.To generate such a plasma, a DC power source, a sine wave, and a pulse voltage are used. It is generated as a unipolar type or bipolar type depending on the purpose or the surrounding environment, and frequency is several tens Hz to several GHz.

이처럼 플라즈마 발생장치는 전극간의 면적, 간격, 방전개시 전압 혹은 유지 전압 등, 장치의 구조나 전원장치의 제어에 의해 방전 에너지가 결정되어짐에 따라, 플라즈마의 출력을 조절하기가 용이하지 않은 문제점이 있다. 이는 정밀제어가 힘들고, 충전시 의도하지 않은 방전을 제어하면서 방전개시 전압보다 높은 전압으로 방전을 일으키기 위한 기술이 필요하다.As described above, there is a problem in that the output of the plasma is not easily controlled as the discharge energy is determined by the structure of the apparatus or the power supply unit, such as the area, interval, discharge start voltage, . This requires precise control and a technique for discharging at a voltage higher than the discharge start voltage while controlling unintentional discharges during charging.

따라서 대기압 플라즈마를 발생시키는 방법은 다양하게 존재하지만 대부분의 발생방식은 DBD(Dielectric Barrier Discharge)나 DC 펄스 전원을 이용한 방식이다. Therefore, there are various methods of generating the atmospheric plasma, but most of the methods are using DBD (Dielectric Barrier Discharge) or DC pulse power.

이는 사인파 교류를 이용한 전원이 제작이 쉽고 가격에 비교적 저렴하지만 플라즈마 발생부의 로드(load)에 따라 전원형태가 달라질 가능성이 있고 고주파로 갈 경우 회로나 장치에 기생하는 L, C값에 영향을 받을 가능성이 크다. 또한 한 번 제작된 사인파 구동회로는 그 주파수 가변이 쉽지 않거나 주파수 가변을 위해 높은 제작비용을 요구한다. This is because the power source using sinusoidal AC is easy to manufacture and relatively inexpensive. However, there is a possibility that the form of power source may be changed according to the load of the plasma generation part, and the possibility of being affected by the L and C values This is big. In addition, the sinusoidal drive circuit once fabricated is not easily variable in frequency or requires a high production cost for frequency tuning.

그리고 펄스 전원의 경우 주파수 가변, 듀티비 변화 등 사인파에 비해 제어용이도가 높지만, 사인파나 펄스파의 경우 방전에너지가 결정되면 동일한 파워에서는 전압이나 전류의 변화를 주기는 쉽지 않은 문제점이 있다. In the case of a pulse power source, it is difficult to control voltage or current at the same power when the discharge energy is determined in the case of a sine wave or a pulse wave.

등록특허공보 10-1284735 : 외부 커패시터를 이용한 대기압 플라즈마 발생장치Patent Registration No. 10-1284735: Atmospheric-pressure plasma generator using external capacitor

공개특허공보 2010-0069263 : 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치Open Patent Publication No. 2010-0069263: DC pulsed atmospheric pressure glow plasma generator

공개특허공보 2001-0103922 : 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치Open Patent Application 2001-0103922: Device for generating glow discharge plasma at atmospheric pressure

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, n개의 외부 커패시터를 이용하여 인가전압보다 n배 높은 전압을 플라즈마에 인가함으로써 인가전압을 조절 할 수 있는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a high voltage atmospheric pressure plasma generator using an external capacitor capable of controlling an applied voltage by applying a voltage n times higher than an applied voltage to the plasma using n external capacitors, The purpose of the device is to provide.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치의 특징은 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부와, 상기 전원 공급부의 전원을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부와, 상기 전원 공급부와 플라즈마 발생부 사이에 직렬로 연결되어 플라즈마 발생 동작시의 전원 공급을 제어하는 제 1, 4 스위치와, 상기 제 1, 4 스위치의 사이 접점에 각각 병렬 연결되어 충전 및 방전을 하고, 상기 제 4 스위치의 제어에 의해 방전 에너지를 플라즈마 발생부로 공급하는 제 1, 2 커패시터와, 상기 제 2 커패시터의 타단에 직렬 연결되어 제 1 스위치가 턴온되고, 제 4 스위치가 턴 오프된 상태에서 전원 공급부에서 공급되는 전원을 이용하여 제 1, 2 커패시터의 충전을 제어하는 제 2 스위치와, 제 2 커패시터 및 제 2 스위치의 사이 접점과 제 1, 4 스위치의 사이 접점 및 제 1 커패시터 사이 접점에 병렬로 연결되어 제 1, 2 스위치가 턴 오프되고, 제 4 스위치가 턴온되어 서로 직렬로 연결되는 제 1, 2 커패시터의 방전을 제어하는 제 3 스위치를 포함하는데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator using an external capacitor, comprising: a power supply unit for supplying a power source for plasma generation; a plasma generation unit for generating plasma using power of the power supply unit; First and fourth switches connected in series between the power supply unit and the plasma generating unit to control power supply during a plasma generating operation; and first and fourth switches connected in parallel between the first and fourth switches, A first capacitor connected in series to the other end of the second capacitor to turn on a first switch and a fourth switch to turn off; A second switch for controlling the charging of the first and second capacitors by using the power supplied from the power supply unit in the state And the first and second switches are connected in parallel to the contact between the second capacitor and the second switch and the contact between the first and fourth switches and the first capacitor so that the first and second switches are turned off and the fourth switch is turned on, And a third switch for controlling the discharge of the first and second capacitors connected to the first and second capacitors.

바람직하게 상기 제 1 커패시터, 제 2, 3 스위치로 구성되는 적어도 하나 이상의 외부 커패시터를 상기 제 1, 4 스위치의 사이 접점 사이와 제 1 커패시터의 타단에 더 추가되어 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, at least one external capacitor composed of the first capacitor, the second, and the third switch is further added between the contacts of the first and fourth switches and the other end of the first capacitor.

바람직하게 제 4 스위치와 플라즈마 발생부의 접점 사이에 병렬로 연결되어 상기 플라즈마 발생부로 제 1, 2 커패시터의 방전전압이 인가된 이후 제어를 통해 출력전압을 펄스파형으로 생성하는 GND 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And a GND switch connected in parallel between the fourth switch and the contact point of the plasma generating unit to generate the pulse voltage of the output voltage through the control after the discharge voltage of the first and second capacitors is applied to the plasma generating unit .

바람직하게 상기 제 4 스위치는 제 1, 2 커패시터의 방전 시에만 턴온되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the fourth switch is turned on only when the first and second capacitors are discharged.

바람직하게 상기 제 4 스위치는 방전 시 제 3 스위치보다 늦게 동작되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the fourth switch is operated later than the third switch at the time of discharging.

바람직하게 상기 제 1 스위치 내지 제 4 스위치는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the first to fourth switches are transistors.

바람직하게 상기 제 1, 2 커패시터의 충전 시 제 2 스위치를 제 1 스위치보다 늦게 동작되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the second switch is operated later than the first switch when the first and second capacitors are charged.

바람직하게 상기 제 1 스위치와 제 4 스위치 사이에 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.And a diode between the first switch and the fourth switch.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치는 플라즈마를 상압에서 발생시키면 다양한 플라즈마를 하나의 장치로 발생시킬 수 있다. 또한, 상온에 가까운 저온 glow 플라즈마부터 수천도 이상의 arc에 가까운 고온 플라즈마까지 발생이 가능하고 같은 소비전력에서도 방전전류와 출력전압을 달리하여 다양한 플라즈마의 특성을 나타낼 수 있다.As described above, the high-voltage atmospheric-pressure plasma generator using the external capacitor according to the present invention can generate a variety of plasmas as a single device by generating plasma at normal pressure. In addition, it is possible to generate plasma from a low-temperature glow plasma close to room temperature to a high-temperature plasma close to several thousand arc or more, and can exhibit various plasma characteristics by varying discharge current and output voltage at the same power consumption.

따라서 본 발명을 이용하여 물질의 특성변화, 표면처리, 의료분야, 물질가공 등 다양한 응용분야에 적용할 수 있다. Therefore, the present invention can be applied to various applications such as changes in properties of materials, surface treatment, medical field, and material processing.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치를 나타낸 개념도
도 1b 및 도 1c는 각각 도 1a의 플라즈마 발생장치가 충전 및 방전될 때의 회로의 구성을 나타낸 개념도
도 2 는 도 1a의 제 1 스위치 내지 제 4 스위치의 온/오프 타이밍을 나타낸 도면
도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 n개의 외부 커패시터를 이용하여 인가전압보다 n배 높은 전압을 출력할 수 있는 플라즈마 발생장치를 나타낸 개념도
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 대기압 플라즈마 발생장치를 이용하여 플라즈마 발생 시 측정된 전류 및 전압 파형을 나타낸 도면
FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator using an external capacitor according to an embodiment of the present invention.
1B and 1C are conceptual diagrams showing the configuration of a circuit when the plasma generating apparatus of FIG. 1A is charged and discharged, respectively. FIG.
Fig. 2 is a diagram showing the on / off timing of the first switch to the fourth switch in Fig. 1a
3 is a conceptual diagram illustrating a plasma generator capable of outputting a voltage n times higher than an applied voltage using n external capacitors according to another embodiment of the present invention.
4 is a graph showing current and voltage waveforms measured at the time of plasma generation using a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator according to an embodiment of the present invention;

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.A preferred embodiment of a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator using an external capacitor according to the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to let you know. Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents It should be understood that water and variations may be present.

도 1a는 본 발명의 실시예에 따른 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치를 나타낸 개념도이다.FIG. 1A is a conceptual diagram illustrating a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator using an external capacitor according to an embodiment of the present invention.

도 1a에서 도시하고 있는 것과 같이, 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치는 플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부(DC 고전압)와, 상기 전원 공급부의 전원을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부와, 상기 전원 공급부와 플라즈마 발생부 사이에 직렬로 연결되어 플라즈마 발생 동작시의 전원 공급을 제어하는 제 1, 4 스위치(Switch 1, 4)와, 상기 제 1, 4 스위치(Switch 1, 4)의 사이 접점에 각각 병렬 연결되어 충전 및 방전을 하고, 상기 제 4 스위치(Switch 4)의 제어에 의해 방전 에너지를 플라즈마 발생부로 공급하는 제 1, 2 커패시터(C1, C2)와, 상기 제 2 커패시터(C2)의 타단에 직렬 연결되어 제 1 스위치(Switch 1)가 턴온되고, 제 4 스위치(Switch 4)가 턴 오프된 상태에서 전원 공급부에서 공급되는 전원을 이용하여 제 1, 2 커패시터(C1, C2)의 충전을 제어하는 제 2 스위치(Switch 2)와, 제 2 커패시터(C2) 및 제 2 스위치(Switch 2)의 사이 접점과 제 1, 4 스위치(Switch 1, 4)의 사이 접점 및 제 1 커패시터(C1) 사이 접점에 병렬로 연결되어 제 1, 2 스위치(Switch 1, 2)가 턴 오프되고, 제 4 스위치(Switch 4)가 턴온되어 서로 직렬로 연결되는 제 1, 2 커패시터(C1, C2)의 방전을 제어하는 제 3 스위치(Switch 3)로 구성된다. 그리고 상기 제 1 스위치(Switch 1)와 제 4 스위치(Switch 4) 사이에 다이오드를 구성한다.As shown in FIG. 1A, a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator using an external capacitor includes a power supply unit (DC high voltage) for supplying a power for generating plasma, a plasma generator for generating plasma using power of the power supply unit, First and fourth switches (Switches 1 and 4) connected in series between the power supply unit and the plasma generating unit to control power supply during a plasma generating operation, first and fourth switches (Switch 1 and 4) First and second capacitors C1 and C2 connected in parallel to each other for charging and discharging and supplying discharge energy to the plasma generator under the control of the fourth switch 4, The first switch Switch 1 is turned on in series with the other terminal of the first switch C2 and the first and second switches 2 and 3 are turned on using the power supplied from the power supply unit in a state that the fourth switch 4 is turned off, A second switch Switch 2 for controlling the charging of the capacitors C1 and C2 and a contact between the contacts of the second capacitor C2 and the second switch Switch 2 and the contact between the first and fourth switches Switch 1 and 4 The first and second switches (Switch 1 and 2) are turned off and the fourth switch (Switch 4) is turned on and connected in series to each other, And a third switch (Switch 3) for controlling the discharge of the two capacitors C1 and C2. A diode is formed between the first switch (Switch 1) and the fourth switch (Switch 4).

상기 다이오드는 충전 및 방전 시 전류 방향을 제한하는 원-웨이 스위치(One-way Switch)이다. 다이오드를 사용하면 소자에 존재하는 내부 커패시터에 의한 영향도 줄임과 동시에 구동 회로의 가격을 낮출 수 있는 효과가 있다.The diode is a one-way switch that limits the current direction during charging and discharging. The use of diodes also reduces the effect of internal capacitors present in the device and reduces the cost of the drive circuit.

이와 같이 구성되는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치를 도 1a를 참조하여 설명하면, 플라즈마 발생을 위한 V0 전압이 DC 고전압(High Voltage)에 인가된 상태에서, 제 1 스위치(Switch 1) 및 제 2 스위치(Switch 2)를 동작시키면, 도 1b에서 도시하고 있는 것과 같이, 제 1 커패시터(C1) 및 제 2 커패시터(C2)에 V0의 전압이 충전된다. The high voltage atmospheric pressure plasma generator using the external capacitor will be described with reference to FIG. 1A. In the state where the voltage V 0 for generating plasma is applied to the DC high voltage, the first switch (Switch 1) and the second switch If the second operation switch (switch 2),, the voltage of 0 V to the first capacitor (C1) and second capacitor (C2) is charged, such as that shown in Figure 1b.

상기 충전 후 제 1 스위치(Switch 1)와 제 2 스위치(Switch 2)가 오프(off) 상태에서 제 3 스위치(Switch 3) 및 제 4 스위치(Switch 4)를 동작시키면, 충전된 제 1, 2 커패시터(C1, C2)가 도면 1c에서 도시하고 있는 것과 같이, 직렬로 연결되면서 2V0의 전압이 플라즈마 발생부로 출력된다. When the third switch (Switch 3) and the fourth switch (Switch 4) are operated while the first switch (Switch 1) and the second switch (Switch 2) are turned off after the charging, As shown in FIG. 1C, the capacitors C1 and C2 are connected in series, and a voltage of 2V 0 is output to the plasma generator.

그리고 상기 플라즈마 발생부로 2V0의 전압이 인가된 후에 필요에 따라 GND 스위치를 동작시키면, 출력 전압이 GND 전압으로 떨어지면서 펄스 파형을 만들 수 있다.When a voltage of 2V 0 is applied to the plasma generator, if the GND switch is operated as needed, a pulse waveform can be formed as the output voltage falls to the GND voltage.

이때, 상기 V0의 전압이 방전개시 전압보다 높은 경우, 도 1b에서 도시하고 있는 충전 시 DC 방전이 발생된다. 이렇게 의도되지 않은 방전이 발생될 경우 전원부와 플라즈마 발생부 모두 심각한 손상을 초래할 수 있다. 이러한 손상을 막기 위하여 제 4 스위치(Switch 4)를 도입하였다. 즉, 방전 시에만 제 4 스위치(Switch 4)를 턴 온(turn on)시키면 플라즈마 발생장치의 손상을 막을 수 있다.At this time, when the voltage of V 0 is higher than the discharge start voltage, a DC discharge upon charging is generated as shown in FIG. If this unintentional discharge occurs, both the power supply part and the plasma generating part may be seriously damaged. A fourth switch (Switch 4) was introduced to prevent such damage. That is, if the fourth switch (Switch 4) is turned on only during the discharge, damage of the plasma generating device can be prevented.

도 2 는 도 1a의 제 1 스위치 내지 제 4 스위치의 온/오프 타이밍을 나타낸 도면으로, 세로축은 전압으로, 하이(High)일 때 온(on)이고, 로우(Low)일 때 오프(off) 이다. FIG. 2 is a diagram showing the on / off timing of the first switch to the fourth switch in FIG. 1A. In FIG. 2, the vertical axis indicates voltage, which is on when the voltage is high, to be.

도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 도 1a에서 구성하고 있는 제 1 내지 제 4 스위치의 소자는 트랜지스터를 사용하여 수십 ns 영역에서 제어될 수 있도록 하였다. As shown in Fig. 2, the elements of the first to fourth switches constituted in Fig. 1A can be controlled in the region of several tens of ns by using transistors.

즉, 충전 시 제 2 스위치(Switch 2)를 제 1 스위치(Switch 1)보다 300 ns 늦게 동작시킴으로써 동시에 충전되지 않도록 한다. 이는 동시에 충전될 경우 di/dt가 증가하여 오버슈트(overshoot)(ringing)가 커질 수 있음에 따라, 스위치의 턴 온 타이밍을 조정함으로써 오버슈트를 줄일 수 있도록 하였다.That is, the second switch (Switch 2) is operated 300 ns later than the first switch (Switch 1) during the charging so as not to be simultaneously charged. This allows the overshoot to be reduced by adjusting the turn-on timing of the switch as the di / dt increases and the overshoot (ringing) may become large when charged at the same time.

그리고 방전 시 제 4 스위치(Switch 4)를 제 3 스위치(Switch 3)보다 100 ns 늦게 동작시킴으로써 충전 시 DC 방전이 발생되는 것을 차단한다. In addition, the fourth switch (Switch 4) is operated 100 ns later than the third switch (Switch 3) to prevent the DC discharge from occurring during charging.

도 3 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 n개의 외부 커패시터를 이용하여 인가전압보다 n배 높은 전압을 출력할 수 있는 플라즈마 발생장치를 나타낸 개념도이다.3 is a conceptual diagram illustrating a plasma generator capable of outputting a voltage n times higher than an applied voltage using n external capacitors according to another embodiment of the present invention.

도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 도 1에 도시하고 있는 제 1 커패시터, 제 2, 3 스위치로 구성되는 적어도 하나 이상의 외부 커패시터를 상기 제 1, 4 스위치의 사이 접점 사이와 제 1 커패시터의 타단에 더 추가하여 구성하고 있다.As shown in Fig. 3, at least one external capacitor constituted by the first capacitor, the second and the third switch shown in Fig. 1 is connected between the contacts of the first and fourth switches and the other end of the first capacitor As shown in FIG.

이처럼, 도 1a에서 도시하고 있는 외부 커패시터를 스위칭 소자를 이용하여 n개의 커패시터로 구성하면 플라즈마 발생부에 인가되는 전압을 n배로 올릴 수 있다. If the external capacitor shown in FIG. 1A is composed of n capacitors using a switching device, the voltage applied to the plasma generating part can be increased to n times.

따라서 방전 개시보다 높은 전압으로 방전전압을 인가할 수 있다. 즉, 방전 개시전압이 200V인 경우, 3 배압 회로를 사용하면 200V의 전압을 3 배압하여 600V의 전압으로 방전을 유도할 수 있다. 이에 따라, 300V로 충전할 경우 충전될 때 방전이 일어날 수 있다.Therefore, the discharge voltage can be applied at a higher voltage than the discharge start. That is, when the discharge starting voltage is 200V, if the triple back pressure circuit is used, the voltage of 200V can be tripled and the discharge can be induced to a voltage of 600V. Accordingly, when the battery is charged at 300 V, a discharge may occur when the battery is charged.

이처럼 인가전압을 방전개시 전압보다 높은 전압으로 구동할 수 있다는 것은 방전전압과 방전전류를 다양하게 조절할 수 있다는 것을 의미하고, 이는 다양한 플라즈마의 특성을 나타낼 수 있음을 의미한다. The fact that the applied voltage can be driven to a voltage higher than the discharge start voltage means that the discharge voltage and the discharge current can be variously adjusted, which means that various plasma characteristics can be exhibited.

예를 들면, 같은 방전 에너지(Q = CV)를 소비한다 하더라도 낮은 커패시터 용량-높은 전압 혹은 높은 커패시터 용량-낮은 전압으로 구성할 수 있다. For example, even if the same discharge energy (Q = CV) is consumed, it can be configured with a low capacitor capacity - a high voltage or a high capacitor capacity - a low voltage.

이런 경우 방전 전류가 달라지기 때문에 플라즈마의 밀도나 온도가 변화하게 된다. 또한 동일한 커패시터 용량에서 방전전압을 다르게 줌으로써 방전전류를 변화시킬 수 있고 이 역시 플라즈마 특성을 변화시킨다. 참고로 본 장치의 커패시터의 용량은 100pF ~ 100μF이다. In this case, the discharge current varies, so the density and temperature of the plasma change. It is also possible to vary the discharge current by varying the discharge voltage at the same capacitor capacitance, which also changes the plasma characteristics. Note that the capacitance of this device's capacitor is 100pF to 100μF.

그리고 이는 플라즈마 발생장치를 고전압에서 마이크로 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에 다양한 가스(Gas)에서 플라즈마 구동이 가능하다. 즉, He, Ne, Ar, Kr, Xe과 같은 8족 원소 비활성 기체에서 구동이 가능한 것은 물론 일반 기중이나 이산화탄소, 질소, 또는 CF4와 같은 공정용 Fluorocarbon Gas, SiF4등 공정가스에도 사용이 가능하다. 또한 여러 가스를 섞은 혼합가스에서도 사용이 가능하다. In addition, since the plasma generating apparatus can generate micro plasma at a high voltage, it is possible to drive plasma in various gases. In other words, it can be used for inert gases such as He, Ne, Ar, Kr, and Xe, as well as for general gases, process gases such as carbon dioxide, nitrogen, or CF 4 , such as Fluorocarbon Gas and SiF 4 . Do. It can also be used in mixed gas with various gases.

도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 고전압 대기압 플라즈마 발생장치를 이용하여 플라즈마 발생 시 측정된 전류 및 전압 파형을 나타낸 도면으로, 두 개의 외부 커패시터를 이용하여 전압을 2배 증가시켰으며, 외부 커패시터의 용량은 두 개 모두 22pF이고 입력전압은 250 V이다. FIG. 4 is a graph showing current and voltage waveforms measured at the time of plasma generation using a high-voltage atmospheric-pressure plasma generator according to an embodiment of the present invention. In FIG. 4, two external capacitors are used to increase the voltage twice, Both capacities are 22pF and the input voltage is 250V.

따라서 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 입력전압의 2배인 500V로 배압된 전압(파란색 실선)이 플라즈마 발생부로 출력되었으며, 이 전압에 의해 마이크로 플라즈마가 발생되었다.Therefore, as shown in FIG. 4, a voltage (blue solid line) backed up to 500 V, which is twice the input voltage, was output to the plasma generating section, and microplasma was generated by this voltage.

주황색 점선은 전류파형으로 순간적으로 15A까지 전류가 오르면서, 방전전류는 500ns 정도 흐른 후 방전이 종료되면서 전류와 함께 멈추었다. 즉, 방전이 멈춘 것을 알 수 있다. 이 경우 한 펄스 당 소비된 방전에너지는 370μJ로, 7.4 W급 마이크로 플라즈마이다. The orange dotted line shows the current waveform instantaneously rising up to 15A, discharge current was about 500ns, and the discharge was stopped and stopped with the current. That is, it can be seen that the discharge is stopped. In this case, the discharge energy consumed per pulse is 370 μJ, which is a 7.4 W micro-plasma.

이와 같이, n개의 외부 커패시터를 이용하여 인가전압보다 n배 높은 전압을 플라즈마 발생부에 인가함으로써 인가전압을 조절 할 수 있다. 아울러 외부 커패시터의 용량변화가 가능하기 때문에 동일한 소비전력에서 인가전압 및 방전전류를 제어할 수 있고 플라즈마 특성을 변화시킬 수 있다. 또한 외부 커패시터를 조절함으로써 방전은 glow 방전에서 arc 방전까지 제어할 수 있다.
As described above, the applied voltage can be adjusted by applying a voltage n times higher than the applied voltage to the plasma generating portion using n external capacitors. In addition, since the capacitance of the external capacitor can be changed, the applied voltage and the discharge current can be controlled at the same power consumption, and the plasma characteristics can be changed. Also, by controlling the external capacitor, discharge can be controlled from glow discharge to arc discharge.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims (10)

플라즈마 발생을 위한 전원을 공급하는 전원 공급부와,
상기 전원 공급부의 전원을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부와,
상기 전원 공급부와 플라즈마 발생부 사이에 직렬로 연결되어 플라즈마 발생 동작시의 전원 공급을 제어하는 제 1, 4 스위치와,
상기 제 1, 4 스위치의 사이 접점에 각각 병렬 연결되어 충전 및 방전을 하고, 상기 제 4 스위치의 제어에 의해 방전 에너지를 플라즈마 발생부로 공급하는 제 1, 2 커패시터와,
상기 제 2 커패시터의 타단에 직렬 연결되어 제 1 스위치가 턴온되고, 제 4 스위치가 턴 오프된 상태에서 전원 공급부에서 공급되는 전원을 이용하여 제 1, 2 커패시터의 충전을 제어하는 제 2 스위치와,
제 2 커패시터 및 제 2 스위치의 사이 접점과 제 1, 4 스위치의 사이 접점 및 제 1 커패시터 사이 접점에 병렬로 연결되어 제 1, 2 스위치가 턴 오프되고, 제 4 스위치가 턴온되어 서로 직렬로 연결되는 제 1, 2 커패시터의 방전을 제어하는 제 3 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
A power supply unit for supplying power for plasma generation,
A plasma generator for generating plasma using the power of the power supply;
First and fourth switches connected in series between the power supply unit and the plasma generation unit to control power supply during a plasma generation operation,
First and second capacitors connected in parallel between the first and fourth switches for charging and discharging and supplying discharge energy to the plasma generator under the control of the fourth switch;
A second switch connected in series to the other end of the second capacitor to turn on the first switch and to control the charging of the first and second capacitors by using a power supplied from the power supply unit in a state where the fourth switch is turned off,
The first and second switches are connected in parallel to the contact between the second capacitor and the second switch and the contact between the first and fourth switches and the first capacitor so that the first and second switches are turned off and the fourth switch is turned on, And a third switch for controlling discharge of the first and second capacitors.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 커패시터, 제 2, 3 스위치로 구성되는 적어도 하나 이상의 외부 커패시터를 상기 제 1, 4 스위치의 사이 접점 사이와 제 1 커패시터의 타단에 더 추가되어 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein at least one external capacitor composed of the first capacitor, the second, and the third switch is further added between the contacts of the first and fourth switches and the other end of the first capacitor. Atmospheric pressure plasma generator.
제 1 항에 있어서,
제 4 스위치와 플라즈마 발생부의 접점 사이에 병렬로 연결되어 상기 플라즈마 발생부로 제 1, 2 커패시터의 방전전압이 인가된 이후 제어를 통해 출력전압을 펄스파형으로 생성하는 GND 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
The method according to claim 1,
And a GND switch connected in parallel between the fourth switch and the contact point of the plasma generating unit to generate a pulse having an output voltage through control after a discharge voltage of the first and second capacitors is applied to the plasma generating unit, A high voltage atmospheric pressure plasma generator using external capacitors.
제 1 항에 있어서,
상기 제 4 스위치는 제 1, 2 커패시터의 방전 시에만 턴온되는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
The method according to claim 1,
And the fourth switch is turned on only when discharging the first and second capacitors.
제 4 항에 있어서,
상기 제 4 스위치는 방전 시 제 3 스위치보다 늦게 동작하는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the fourth switch is operated later than the third switch when discharging the high voltage atmospheric pressure plasma.
제 5 항에 있어서,
상기 제 4 스위치는 제 3 스위치보다 100 ns 늦게 동작하는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
6. The method of claim 5,
And the fourth switch is 100 ns later than the third switch.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 스위치 내지 제 4 스위치는 트랜지스터로 구성되는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
The method according to claim 1,
Wherein the first switch to the fourth switch are constituted by transistors. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제 1 항에 있어서,
상기 제 1, 2 커패시터의 충전 시 제 2 스위치를 제 1 스위치보다 늦게 동작하는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
The method according to claim 1,
And the second switch is operated later than the first switch when the first and second capacitors are charged.
제 8 항에 있어서,
상기 제 2 스위치는 제 1 스위치보다 300 ns 늦게 동작되는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
9. The method of claim 8,
Wherein the second switch is operated 300 ns later than the first switch.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 스위치와 제 4 스위치 사이에 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 외부 커패시터를 이용한 고전압 대기압 플라즈마 발생장치.
The method according to claim 1,
Further comprising a diode between the first switch and the fourth switch. ≪ RTI ID = 0.0 > [10] < / RTI >
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