KR101721565B1 - 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치 및 이를 이용한 나노 입자 생성 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 내부에 열플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 중공형 가둠관, 상기 가둠관을 감싸는 유도 코일 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 전력 공급원을 포함하되, 상기 전력 공급원은 두 개 이상의 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 상기 유도 코일에 공급함으로써, 가둠관 내의 열 플라즈마의 온도 분포를 효과적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치 및 이를 이용한 나노 입자 생성 장치{Induction Plasma Torch with Dual Frequency Power and Nono-sized Particles Production Apparatus using the Same}
본 발명은 고주파 전력에 의하여 구동되는 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 구체적으로는 서로 다른 두 개 이상의 주파수를 가지는 전력을 플라즈마 토치의 유도코일에 공급함으로써 균일하고 큰 부피의 열플라즈마를 형성할 수 있는 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치에 관한 것이다.
산업적으로 사용되는 플라즈마는 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나뉠 수 있는데, 본 발명은 이 중 고온의 플라즈마 불꽃을 형성하는 열 플라즈마 기술에 관한 것이다. 저온 플라즈마는 수 십~수 백 ℃ 온도 범위 및 수 백 torr의 압력 범위에서 형성되어 에서 주로 반도체 제조에 사용되는데 반하여, 열 플라즈마는 수 천 ~ 수 만 ℃의 온도 범위 및 대기압 조건에서 형성되어 주로 소각, 금속 절단 등의 용도로 사용되고 있다.
열 플라즈마 기술은 금속 나노 입자의 제조에 사용되고 있는데, 도 1은 금속 나노 입자를 형성하기 위한 유도결합 플라즈마 토치를 도시하고 있다. 원통 형상의 가둠관(105)의 주위에는 유도 코일(105)이 감겨 있고, 위 유도 코일(105)은 전원(101)에 연결되어, 구동 전원(101)으로부터 교류 전압을 인가받게 된다. 주입 탐침(injection probe;106)을 통하여 처리대상물질, 즉 나노 금속 입자의 선구체(precursor)가 캐리어 가스와 함께 가둠관(108) 내로 유입되고, 가둠관(108) 내에 형성된 열 플라즈마(120)에 의하여 순간 증발되면서 상기 선구체가 나노 금속 입자화된다. 상기 주입 탐침(106)은 열플라즈마의 초고온 상태에 노출되므로 수냉 방식에 의하여 냉각될 수 있다. 그리고 주입 탐침(106) 주위로는 열 플라즈마의 원료가스 및 쉬스가스(sheath gas)가 함께 유입될 수 있다.
고주파 유도결합 플라즈마 토치의 작동 원리를 도 2를 참조하여 구체적으로 살펴보면, (1) 유도 코일에 인가된 고주파 전류 I0가 (2) 암페어(Ampere) 법칙에 따라 코일 내부에서 시변 자기장 B를 유기시키고, (3) 이 시변 자기장 B가 패러데이(Faraday) 법칙에 따라 다시 가둠관 내에서 전기장 Eθ를 회전방향으로 유기하도록 하여, 가둠관 내 이온과 전자들을 가속시켜 주변 기체들과 충돌에 의한 이온화를 지속적으로 일으키게 함으로써, 와전류 Ip를 발생시키고 (4) 이 와전류 Ip에 의한 주울(Joule) 열 발생을 통해 가둠관을 지나는 기체가 이온화된 열유체 상태가 되도록 에너지와 플라즈마 기체를 지속적으로 공급하게 된다.
이와 같은 플라즈마 발생 및 유지 원리 덕택에, 고주파 유도결합 플라즈마 토치는 가둠관을 흘러 지나가는 유체에 비접촉 방식으로 에너지를 전달해 줄 수 있어서, 전극물질에 의한 오염이나 기타 소모성 부품의 교체 없이, 고상 선구체의 용융 및 기화를 통한 나노분말 합성이나 석탄 가스화, 기타 가스 분해 및 개질 등의 공정에 필요한 초고온, 고엔탈피 열원을 제공해 줄 수 있다.
반면, 가둠관을 지나면서 이온화된 열유체에 공급되는 전기 에너지는 변압기 원리에 따라 유도코일로부터 발생되는 시변 전자기장과 이 시변 전자기장이 유기시키는 와전류에 의한 주울 열 발생을 매개로 전달되는 방식이므로, 해당 응용 목적별로 요구되는 고주파 전력을 효율적으로 전달하기 위해서는, 주파수, 코일 감은수 및 가둠관 직경 등과 같은 고주파 전원과 토치의 주요 설계 변수들을 최적화할 필요가 있다. 예를 들어, 고주파 유도 결합 플라즈마를 금속의 원주 재료라고 가정하면, 표피효과를 고려, 가둠관 직경 L이 주파수 f 와 아래 수학식 1 을 만족할 때, 결합효율이 가장 높게 나타난다고 알려져 있다.
Figure 112015061548307-pat00001
위 식에서, μ와 σ는 각각 열 플라즈마 불꽃의 투자율과 전기전도도이다. 즉, 가둠관의 직경에 따라 최적 효율을 나타내는 구동 주파수가 결정된다고 할 수 있다. 열 플라즈마의 온도 8,000 K에서 아르곤, 질소 등 대부분 기체의 전기전도도 σ는 10 S/cm 임을 감안하면, 가둠관의 직경(L)이 40 mm를 가지도록 토치를 설계하게 되면, f=4 MHz 가 대략 한계 주파수가 된다.
따라서, 직경이 작은 소형 토치의 경우, 줄어든 토치 내경에 맞게 위 식에 따라 주파수를 더 높일 필요가 있으며, 반대로, 토치 내경을 늘려 대용량 토치를 만들거나 대면적 플라즈마를 만들기 위해서는 저주파수를 선택하는 것이 타당하다고 할 수 있다. 예를 들어, 가둠관의 직경(L)을 100 mm 이상이 되도록 대구경 토치를 만들고자 할 경우, 약 0.5 MHz의 주파수가 최적 효율을 가져다 줄 수 있으며, 직경(L)이 200 mm 이상 되도록 하기 위해서는, 50 KHz 대역의 주파수를 사용하여 유도 결합 효율을 높게 유지할 필요가 있다.
도 3은 가둠관(108)의 직경(L)이 40 mm일 경우를 상정하고, 6 MHz 및 1 MHz의 구동 주파수로 전력을 공급할 경우, 가둠관(108)의 중심축 지점으로부터 가둠관(108) 반지름까지의 위치에 따른 전기장 분포를 도시한 것이다. 여기에서 r은 가둠관(108) 중심으로부터의 거리를 의미하므로 r = 0 mm인 것은 가둠관(108)의 중심에, r = 20 mm인 것은 가둠관(108)의 내주면에 해당하는 것이다. 도 3에 도시된 전자기장 분포의 결과는 고주파 인가에 의한 시변 전자기장의 침투깊이가 저주파수일수록 깊어지는 표피효과를 의미하는 것으로, 표피 깊이 내에서 집중적으로 일어나는 주울 열 발생 역시, 이러한 침투깊이 변화에 따라, 주파수가 낮아질수록, 토치 가둠관 쪽에서 토치 중심축 쪽으로 이동한다는 것을 뜻한다. 그 결과, 주파수가 낮을수록 발생된 플라즈마의 최고 온도 영역이 토치 중심축에 가까워지게 되는데, 이것은 외관상 플라즈마 직경이 점점 가늘어지는 현상으로 나타난다.
정리하면, 종래에 대구경/대출력 플라즈마 토치 설계를 위해서는 효율을 고려하여 구동 전력의 주파수를 낮게 하는 것이 바람직함이 알려져 있다. 그렇지만 이와 같은 방식으로 설계되는 종래의 저주파수-대구경 플라즈마 토치는, 처리대상물질을 대량으로 주입할 수 있는 공간적 이점과 고출력화의 장점이 있으나, 발생된 플라즈마 영역 그 자체는 저주파수화에 의해 직경이 작아져, 플라즈마 불꽃이 토치를 꽉 채우지 못하고 상대적으로 가늘어지며, 그 결과, 토치 내부에서 가둠관 보호용 쉬스 가스 등에 의해 쉽게 흔들려 불안정해지고, 이에 따라 발생된 플라즈마의 질도 떨어지는 단점을 가지고 있다.
반대로, 고주파수-소구경 플라즈마 토치의 경우, 표피효과가 토치 가둠관 쪽에 집중해서 발생하므로, 표피깊이 내 주울 열 발생 분포 역시, 토치 중심축에 비해 가둠관 쪽에 가깝게 형성되고, 이에 따라 플라즈마 내 최대온도가 중심축에서 벗어나 가둠관 쪽으로 치우쳐 나타나는 소위, off-axis 온도분포를 갖게 된다. 그 결과, 플라즈마 불꽃이 토치 내부를 상대적으로 꽉 채워 안정적이고 높은 엔탈피를 가진 질 좋은 플라즈마를 형성하는데 유리하지만, 가둠관 쪽으로의 열손실이 많아져 토치 열효율이 떨어질 뿐만 아니라, 토치 직경이 줄어들면, 처리대상물질을 대량으로 플라즈마 중심축을 따라 주입하는 것이 어려울 뿐만 아니라, 출력을 높이는데 한계가 있다는 딜레마에 봉착하게 된다.
(선행문헌 1) 등록특허공보 제10-1516258호 (2015.05.04.) (선행문헌 2) 공개특허공보 제10-2015-0025120호 (2015.03.10.) (선행문헌 3) 공개특허공보 제10-2009-0078739호 (2009.07.20.)
본 발명은 고주파 유도결합 플라즈마 토치에 있어서, 열플라즈마가 가둠관의 중심부 또는 가둠관 내주면 부분에 치우쳐서 불균일하게 형성되는 전술한 기술적 문제점을 해결하여, 가둠관 내부에서 열플라즈마가 비교적 균일한 온도 분포를 가지며, 가둠관 내부에서 넓은 체적에 걸쳐서 형성되도록 하는 유도결합 플라즈마 토치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상술한 기술적 문제점을 해결하기 위하여, 내부에 열플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 중공형 가둠관, 상기 가둠관을 감싸는 유도 코일 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 전력 공급원을 포함하되, 상기 전력 공급원은 두 개 이상의 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 상기 유도 코일에 공급하는 것을 특징으로 하는, 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치를 제공한다.
상기 두 개의 서로 다른 주파수 전력은 유도코일에 동시에 공급될 수 있는데(Simultaneous Dual Frequency), 이는 서로 구별된 두 개의 전력 소스 및 두 개의 인버터에 의하여 구현되거나, 또는 하나의 전력 소스 및 이와 병렬로 연결된 두 개의 인버터에 의하여 구현될 수 있다.
또는, 상기 두 개의 서로 다른 주파수의 전력은 시분할되어 교호적으로 유도 코일에 공급되는 시분할 이중 주파수 전력(Time Sharing Dual Frequency)일 수 있다.
더 나아가 바람직하게는 상기 서로 다른 두 개의 주파수를 가지는 전력 중, 저주파 전력은 0.05~0.5 MHz의 주파수를, 고주파 전력은 1~20 MHz의 주파수를 가질 수 있다. 그리고 본 발명에 따른 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치는 80mm 이상의 대직경 가둠관 및 50kW 이상의 대전력을 사용하는 대규모 플라즈마 토치에 적용되기에 적절하다. 그리고 본 발명은 나노 금속 입자 선구체(precursor)를 가둠관 내로 유입하기 위한 주입 탐침을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치는 나노 입자 생성 장치에 적용되기 알맞은 것으로서, 상기 나노 입자 생성 장치는 전술한 이중 주파수 전력 구동 유도 결합 플라즈마 토치에 나노 입자 선구체를 저장하고 이를 플라즈마 토치의 가둠관 내로 공급하는 공급 장치가 더 부가된다. 상기 나노 입자 선구체는 주입 탐침을 통하여 상기 나노 입자의 선구체 공급 장치로부터 상기 가둠관 내로 유입될 수 있는데, 상기 나노 입자 선구체는 금속, 산화금속 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질일 수 있다. 더 구체적으로는 상기 나노 입자 선구체는 알루미늄, 티타늄, 지르코니아(ZrO2), 철, 산화알루미늄(Al2O3), 스테인레스 강일 수 있다.
본 발명은 단일 주파수 전력을 공급하는 대신, 서로 다른 주파수와 출력을 가진 두 개 이상의 전력을 유도결합 플라즈마 토치의 유도코일에 인가함으로써, 종래의 단일 주파수 전력 사용 시에는 얻을 수 없었던 기술적 효과, 즉, 대출력, 대구경 토치에서도 상대적으로 넓고 큰 부피의 초고온 (3000 K 이상) 열플라즈마 불꽃을 발생시키는 효과를 얻게 되었다.
특히, 저주파 전력 및 고주파 전력의 출력 및 비율을 조절하는 것에 따라 토치 내부 전자기장 분포와 온도분포를 세밀하게 조절할 수 있어, 처리대상 물질 및 응용목적에 따라, 최적의 열플라즈마 출력, 고온영역 및 체류시간 등을 제공할 수 있다.
반도체 전력소자 기술을 이용한 고효율 저주파 전원을 값싸게 대출력으로 사용할 수 있어, 고가 저효율 진공관 방식 고주파 전원에 의존하던 종래 기술의 기술적 한계를 탈피하여 에너지 및 비용 절감형 고주파 플라즈마 토치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 유도결합 플라즈마 토치를 도시한 것이다.
도 2는 유도결합 플라즈마 토치의 작동원리를 설명한 것이다.
도 3은 가둠관 내에서의 위치에 따른 전기장 강도를 도시한 그래프이다.
도 4는 제1 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 토치의 구성을 도시한 것이다.
도 5는 제2 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 토치의 구성을 도시한 것이다.
도 6은 동시 이중 주파수(SDF) 전력의 파형의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 제3 실시예에 따른 유도결합 플라즈마 토치의 구성을 도시한 것이다.
도 8은 시분할 이중 주파수(TSDF) 전력의 파형의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 동일한 크기의 전력을 각각 이중 주파수 전력 형태로 유도코일에 공급했을 때와 단일 주파수 전력 형태로 유도코일에 공급했을 때, 가둠관 내에서의 온도 분포를 도시한 것이다.
도 10은 동일한 크기의 전력을 각각 이중 주파수 전력 형태로 유도코일에 공급했을 때와 단일 주파수 전력 형태로 유도코일에 공급했을 때, 가둠관 내의 각 위치에서의 전기장 강도의 크기를 도시한 것이다.
도 4, 5 및 7은 각각 본 발명에 따른 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치의 실시예들을 도시하고 있는데, 가둠관(208), 상기 가둠관(208)을 감싸는 유도코일(205), 그리고 주입 탐침(206)의 구성은 종래 기술에 따른 유도결합 플라즈마 토치의 구성과와 다르지 않으므로 별도의 설명은 생략하도록 한다.
그렇지만, 본 발명에 따른 구동 전원(201)은 종래기술에 따른 구동 전원(101)과는 다르게 두 개 이상의 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 동시에 공급하거나(Simulataneos Dual Frequency;SDF), 일정 시간 간격을 두고, 두 개 이상의 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 교호적으로 공급할 수 있다(Time Sharing Dual Frequency;TSDF). 즉, 상대적으로 높은 주파수의 전력이 입력될 때는 상대적으로 낮은 주파수의 전력을 멈출 수 있고, 또, 그 반대로 상대적으로 낮은 주파수의 전력이 입력될 때는 상대적으로 높은 주파수의 전력이 멈추도록 운전될 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 둘 이상의 서로 다른 주파수를 가지는 전력 중, 상대적으로 높은 주파수를 가지는 전력을 "고주파 전력", 상대적으로 낮은 주파수는 가지는 전력을 "저주파 전력"으로 칭하기로 한다.
도 4는 서로 구별된 두 개의 전력 소스(300',300'') 및 두 개의 인버터(Dual Inverter; 301, 302)를 사용하여, SDF 전력을 유도결합 플라즈마 토치에 공급하는 제1 실시예를 도시하고 있다. 저주파 전력을 형성하는 인버터(301)와 고주파 전력을 형성하는 인버터(302)의 출력단은 각각 변류기(Current Transformer;410)의 1차측을 구성하고, 변류기의 2차측에는 유도결합 플라즈마 토치의 유도코일을 연결하여, 고주파 전력 및 저주파 전력이 동시에 유도 코일(205)에 공급될 수 있게 된다. 두 개의 전력소스(300',300'')에서 공급되는 전력의 크기는 열 플라즈마의 온도 분포 및 체적 등을 고려하여 조절될 수 있다. 동시 이중 주파수(이하에서는 "SDF"로 칭한다) 전력은 고주파 전력과 저주파 전력이 동시에 출력되는 것으로서, 도 6에 도시된 것과 같이 고주파 전력과 저주파 전력이 변조(modulation)된 형태로 유도결합 플라즈마 토치의 유도 코일에 공급된다.
도 5는 제1 실시예와 마찬가지로 SDF 전력을 유도결합 플라즈마 토치에 공급하는 제2 실시예를 도시하고 있는데, 제1 실시예와는 다르게 하나의 전력 소스(400)로부터 전력을 공급받은 뒤 이를 두 개의 인버터(401,402)를 거쳐 각각 고주파 전력과 저주파 전력을 형성하고, 이를 변조하여 유도결합 플라즈마 토치에 공급하게 된다.
도 7은 시분할 이중 주파수 전력과 관련한 제3 실시예를 도시하고 있는데, 전원 소스(500)는 하나의 인버터(501)와 연결되고, 상기 인버터(501) 내의 스위치(510) 제어에 의하여 고주파 전력과 저주파 전력이 시간 분할되어 공급될 수 있게 된다. 제3 실시예는 제1 또는 2 실시예와는 다르게 고주파 전력과 저주파 전력이 SDF 전력으로 공급되는 것이 아니라, 시분할되어 교호적으로 공급되는 것이다. 즉, 도 8에 도시된 전력 파형과 같이, 고주파 전력이 공급될 때는 저주파 전력은 공급되지 않고, 저주파 전력이 공급될 때는 고주파 전력이 공급되지 않게 된다.
제1 내지 3 실시예를 통하여, 유도결합 플라즈마 토치플라즈마 토치플라즈마 토치수 전력을 공급하는 방식을 설명하였으나, 구체적인 SDF 전력 공급/시분할 전력 공급 방식 또는 토폴로지는 통상의 기술자가 필요에 따라 선택할 수 있는 것이므로, 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 SDF 전력 공급 방식/시분할 전력 공급 방식의 토폴로지에 한정되지 아니한다.
상기 이중 주파수 전력 중, 저주파 전력의 주파수는, 가둠관 내경이 주어지면, 전술한 수학식 1로부터 결정되되, 내경이 100 mm 이상인 경우, 0.1~0.5 MHz 사이에서 선정될 수 있다. 이 때, 고주파 전력의 주파수는 1 ~ 20 MHz 범위 내에서 선정할 수 있다. 즉, 저주파 전력의 주파수는 가둠관의 내경 크기에 의하여 결정되고, 고주파 전력의 주파수는 가둠관 내주면과 가둠관 중앙부 사이에 열플라즈마가 형성될 수 있도록 선택될 수 있는 것이다. 또한, 유도결합 플라즈마 토치는 처리대상물질을 플라즈마로 주입시키는 역할을 하는 수냉식 주입탐침 (6)이 추가될 수 있는데, 이 경우, 참고로 저주파수 및 토치 내경의 선택은 저주파수 전력에 의한 전자기장이 주입탐침(6)과 상호작용하지 않는 범위 내에서 조절하여 선택할 수 있다.
일반적으로 토치 입력전력이 100 kW 이상인 대출력 토치의 경우, 가둠관 내경이 100 mm 이상이 되어야 과도한 열속에 의한 가둠관 파손 등을 방지할 수 있다. 그러나, 내경 100 mm 이상이면서 토치 입력전력 100 kW 이상을 요구하는 토치에 대해, 1 MHz 이상의 고주파수를 사용할 경우, 토치 내 반경방향 온도분포의 off-axis 특징이 입력전력이 높아질수록 두드러지게 되는데, 이는 처리 대상물질이 대부분 지나가는 중심축 영역에서의 열이용 효율을 떨어뜨리고 가둠관으로의 열손실을 증가시키는 원인이 된다. 반면, 100 kW 이상의 대출력 고주파 유도결합 플라즈마 토치를 위해, 0.5 MHz 이하의 저주파수를 사용하면, 중심축에서의 전기장이 증가하여, 금속성 수냉식 주입탐침(6) 삽입이 어려워지고, 플라즈마 직경 감소에 의한 가늘어짐 현상이 심해진다.
상기와 같은 문제점을 가진 100 kW 이상의 대출력 토치에 대해, 본 발명에 의한 이중 주파수 전력 구동 방식을 적용할 경우, 0.5 MHz 이하 저주파수 전력으로, 중심축 부근의 플라즈마를 직접 가열, 고온으로 유지시키게 하고, 1 MHz 이상의 고주파수 전력을 이용, 상대적으로 플라즈마 바깥쪽 부분을 가열하게 함으로써, off-axis 된 온도분포 특징을 완화하면서도 플라즈마 불꽃 전체를 안정화 하는 등 플라즈마 내 온도 및 전자기장 분포를 목적에 맞게 제어할 수 있다. 특히, 고주파 전력 기술 중, 95% 이상의 전력 변환효율을 보이는 고효율 반도체 전력소자 기술이 1 MHz 이상 고주파수의 경우, 30 kW 내외의 저출력 전원에 한정 적용되는 반면, 100 kW 이상 대출력의 경우 0.5 MHz 범위까지는 상용화되어 있는 점을 감안, 이 두 종의 전원을 결합하여 사용하면, 종래의 저효율 (50-60%) 진공관 방식 고주파 전력을 사용하지 않고도 100 kW 이상 대출력 고주파 유도결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.
참고로 본 발명은 가둠관 내경이 80 mm 이상이고, 출력이 50 kW 이상인 대형 플라즈마 토치에 적용되기에 적절한 것이나, 바람직하게는 가둠관의 내경은 200 mm를 넘지 않고, 출력은 400 kW 이하인 것이 좋다. 예를 들어, 100 mm 내경, 100 kW 출력의 토치에 대해, 통상적으로 300 slpm 정도의 가스가 소모되지만, 가둠관의 내경이 200 mm를 넘으면, 같은 플라즈마 속도를 얻기 위해선, 4 배 이상으로 공급해야 하므로, 내경이 증가할수록 가스 소모량이 기하급수적으로 증가하여 경제성이 떨어진다. 반면, 100 mm 내경, 100 kW 출력의 토치와 비교하여, 직경이 200 mm 이하인 경우, 토치 내 열유동 및 토치 효율을 유지하기 위해선, 플라즈마 출력을 400 kW 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 제1 실시예에 따른 구성에 따른 본 발명의 효과를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 살펴보도록 한다. 구체적으로, 4 MHz 단일 주파수로 구동되는 100 kW 급 고주파 유도결합플라즈마 토치(내경 100 mm)와 0.5 MHz, 30 kW 및 4 MHz, 70 kW 로 구동되는 100 kW 급 이중주파수 전력 구동 고주파 유도결합 플라즈마 토치(내경 100 mm)의 성능을 비교하도록 한다.
아래의 표 1은 상기 주파수 및 출력 조건 외, 본 실시 예를 위해 수행된 컴퓨터 시뮬레이션 조건을 나타내고 있다. 본 실시 예는 고주파 유도결합 플라즈마 내 온도장 및 속도장 등 거동 묘사 방식으로 잘 알려진, 전자기유체방정식 (연속방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식 및 벡터포텐샬방정식)을 표 1의 조건에 따라 전산수치해석하여 얻은 결과이다.
항목 조건
설계 조건
(1) 토치 반경 50 mm
(2) 유도코일 반경 60 mm
(3) 유도코일 감은수 4 회
(4) 토치 길이 160 mm
운전 조건
(1) Central Gas 100 slpm
(2) Carrier Gas 0
(3) Sheath Gas 200 slpm
(4) Gas 종류 Ar 70%, H2 30 % 혼합가스
전자기유체방정식 전산해석을 위한 실험조건
도 9는 4 MHz 단일 주파수로 구동되는 경우와, 0.5 MHz와 4 MHz가 각각 3:7의 출력 비로 구동되는 경우, 내경 100 mm 토치 내부에서 형성될 것으로 예상되는 온도장 분포를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻어 비교한 그림이다. 여기에서 플라즈마 토치에 공급되는 총 에너지는 단일 주파수 구동의 경우와, 이중 주파수 구동의 경우 동일하게 설정하였다.
도 9에 도시된 온도 분포도를 통하여 알 수 있듯이, 이중 주파수 전력으로 구동될 경우, 토치 중심축 부근에서도 7,000 K 이상의 고온영역을 유지하는 반면, 단일 주파수 전력 구동의 경우, 별도의 중심축을 관통하는 carrier 가스를 주입하지 않았음에도 토치 중심축 부근에서 5,000 K 이하로 떨어지는 등, 종래 고주파 유도결합 플라즈마 토치의 전형적인 특징인 Off-axis 된 온도분포를 나타낸다. 곧, 도 9로부터 저주파 전력 및 고주파 전력을 동시에 공급하는 이중 주파수 전력 구동 방식의 경우, 종래 고주파수 단일 구동 방식의 고질적인 온도분포의 불균일 문제를 제어할 수 있음을 알 수 있다.
도 10은 두 종류의 토치에서 길이 방향으로 0.05 m 인 지점에서 반경방향으로 계산한 전기장 분포를 나타낸다. 이중 주파수 전력 구동 방식의 경우, 중심축 부근에서 관찰되는 상대적인 고온 영역은 4 MHz의 고주파수 전기장의 침투깊이를 지나 중심축 가까이 까지 살아남은 0.5 MHz 저주파수 전력 구동 전기장에 의한 주울열 가열 덕분임을 알 수 있다. 이와 같이, 이중 주파수 전력 구동 방식은, 앞에서 설명한 바와 같이, 각 주파수별로 출력을 달리하면서 구동할 경우, 토치 내부 온도분포 및 전자기장 분포를 응용목적에 맞게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
위 시뮬레이션을 통하여 동일한 크기의 전력을 공급하더라도, 이를 두 개의 서로 다른 주파수를 가지는 전력을 변환한 뒤 공급하게 되면, 단일 주파수의 전력을 공급하는 경우에 비하여 열플라즈마의 최고 온도 및 온도 분포 모든 면에서 우수한 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
101: 전력원 106, 206: 주입 탐침
105, 205: 유도코일 108, 208: 가둠관
300,400,500: 전력 소스 301, 302, 401, 402, 501: 인버터
501: 스위치

Claims (11)

  1. 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치에 관한 것으로서,
    내부에 열플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 중공형 가둠관;
    상기 가둠관을 감싸는 유도 코일; 및
    상기 유도 코일에 전력을 공급하는 전력 공급원을 포함하되,
    상기 전력 공급원은 두 개의 서로 다른 주파수 대역을 가지는 전력을 상기 유도 코일에 공급할 수 있도록, 저주파 전력 형성 인버터, 상기 저주파 전력보다 높은 주파수의 전력을 형성하는 고주파 전력 형성 인버터 및 변류기를 포함하며,
    상기 저주파 전력 형성 인버터와 상기 고주파 전력 형성 인버터의 출력단은 상기 변류기의 1차측을 구성하고, 상기 변류기의 2차측에는 상기 유도코일이 연결되어, 상기 고주파 전력과 상기 저주파 전력이 동시 이중 주파수(Simultaneous Dual Frequency;SDF) 방식으로 변조되어 상기 유도 코일에 공급되는 것을 특징으로 하는, 이중 주파수 전력 구동 유도 결합 플라즈마 토치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 두 개의 서로 다른 주파수 대역을 가지는 전력 중, 저주파 전력은 0.05~0.5 MHz의 주파수를, 고주파 전력은 1~20 MHz의 주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 두 개의 서로 다른 주파수 대역을 가지는 전력은 서로 구별된 두 개의 전력 소스에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 두 개의 서로 다른 주파수 대역을 가지는 전력은 하나의 전력 소스와 이와 병렬로 연결된 두 개의 인버터에 의하여 구현되는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서, 나노 금속 입자 선구체(precursor)를 가둠관 내로 유입하기 위한 주입 탐침을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치.
  9. 나노 입자 생성 장치에 관한 것으로서,
    나노 입자의 선구체 공급 장치; 및
    상기 나노 입자 선구체 공급 장치로부터 나노 입자 선구체를 공급받아 증발시켜 나노 입자를 형성하는 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치를 포함하여 구성되되,
    상기 이중 주파수 전력 구동 유도결합 플라즈마 토치는
    내부에 열플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 중공형 가둠관;
    상기 가둠관을 감싸는 유도 코일; 및
    상기 유도 코일에 전력을 공급하는 전력 공급원을 포함하되,
    상기 전력 공급원은 두 개의 서로 다른 주파수 대역을 가지는 전력을 상기 유도 코일에 공급할 수 있도록, 저주파 전력 형성 인버터, 상기 저주파 전력보다 높은 주파수의 전력을 형성하는 고주파 전력 형성 인버터 및 변류기를 포함하며,
    상기 저주파 전력 형성 인버터와 상기 고주파 전력 형성 인버터의 출력단은 상기 변류기의 1차측을 구성하고, 상기 변류기의 2차측에는 상기 유도코일이 연결되어, 상기 고주파 전력과 상기 저주파 전력이 동시 이중 주파수(Simultaneous Dual Frequency;SDF) 방식으로 변조되어 상기 유도 코일에 공급되는 것을 특징으로 하는, 나노 입자 생성 장치.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 나노 입자 선구체는 주입 탐침을 통하여 상기 나노 입자의 선구체 공급 장치로부터 상기 가둠관 내로 유입되는 것을 특징으로 하는 나노 입자 생성 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 나노 입자 선구체는 금속, 산화금속 및 세라믹 중에서 선택된 하나 이상의 물질인 것을 특징으로 하는 나노 입자 생성 장치.


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