KR101762937B1 - 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

대기압 플라즈마 발생 장치는 전력을 공급하는 제1 전송선, 제1 전송선에 평행하여 설치되며 접지되는 제2 전송선, 제1 전송선과 제2 전송선의 한쪽 끝이 설치되어 있으며, 제1 전송선과 제2 전송선이 전기적으로 연결되도록 하는 연결도체, 제2 전송선을 통과하여 제1 전송선까지 이어지고, 외부에는 연결부재가 구비되어 있으며, 연결 부재와 함께 제1 전송선과 제2 전송선이 연결도체에 연결된 지점으로부터 임의의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하는 급전점, 그리고 급전점의 외부에 구비되어 상기 제1 전송선과 제2 전송선에 연결되는 상기 연결부재를 포함한다.

Description

병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치{Producer for atmospheric pressure plasma using two parallel wires resonator}

본 발명은 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.

세계 의료 시장은 지속적인 성장세를 보이고 있으며, 의료 시장 중 의료 장비의 비중이 가장 높다. 특히 고령화 사회 도래 및 삶의 질 향상에 대한 높은 욕구 등 사회적 변화는 이러한 추세를 더욱 가속화할 것으로 예상되고 있다. 최근 대기압 플라즈마를 이용한 살균, 지혈, 치아 미백 등 생의학 응용 분야에 대한 연구가 국내외 연구 기관에 의해 활발히 연구되고 있으며, 탁월한 효과가 증명되고 있다.

다양한 대기압 플라즈마 방전 방법 중, 500MHz∼1,000MHz의 고주파를 사용하는 마이크로웨이브 플라즈마의 경우, 처리 대상에 열적 손상이 없고 낮은 방전 전압으로 인해 전기적 위험성이 낮으며 전력 효율이 높다. 또한 높은 플라즈마 성분으로 인한 효과의 우수성 등에 따라, 저주파 플라즈마 장비에 비해서 생의학 응용을 위한 플라즈마 장비로서 높은 가능성을 가져 사용되고 있다. 이때, 플라즈마 장비인 플라즈마 토치(Plasma torch)는 가스를 플라즈마화하여 사용하는데, 고체를 가열하여 녹이거나 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키거나, 또는 가스를 가열하여 엔탈피를 증가시키는 데 사용될 수 있다.

이와 같이 종래의 마이크로파를 이용한 플라즈마 발생 장치는 주로 마그네트론을 이용하여 100 와트(Watts) 이상의 전력을 소모하고 있다. 그리고 구형 도파관(rectangular waveguide)으로 구현된 플라즈마 발생장치는 부피가 크기 때문에 휴대하기가 어렵다는 단점이 있다.

또한, 현재 여러 가지 형태의 전력 원을 이용하여 대기압 플라즈마를 생성시켜 사용하고는 있다. 그렇지만, 마이크로파 영역의 신호, 예를 들면, 주파수가 900MHz나 2.45GHz 등의 신호를 이용하여 저 전력의 열적 효과가 없는 플라즈마를 만드는 방식에 대해서는 현재 연구 중이다.

따라서, 구조가 단순하고 제작이 용이한 저 전력 소비의 대기압 마이크로파 플라즈마를 발생하는 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치를 제공한다.

상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 대기압 플라즈마 발생 장치는,

전력을 공급하는 제1 전송선; 상기 제1 전송선에 평행하여 설치되며 접지되는 제2 전송선; 상기 제1 전송선과 제2 전송선의 한쪽 끝이 설치되어 있으며, 상기 제1 전송선과 제2 전송선이 전기적으로 연결되도록 하는 연결도체; 상기 제2 전송선을 통과하여 상기 제1 전송선까지 이어지고, 외부에는 연결부재가 구비되어 있으며, 상기 연결 부재와 함께 상기 제1 전송선과 제2 전송선이 상기 연결도체에 연결된 지점으로부터 임의의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하는 급전점; 및 상기 급전점의 외부에 구비되어 상기 제1 전송선과 제2 전송선에 연결되는 상기 연결부재를 포함한다.

상기 연결도체의 일단에 구비되며, 불활성 가스를 상기 제1 전송선과 제2 전송선으로 유입하는 가스 유입관을 포함하며, 상기 불활성 가스는 헬륨 또는 아르곤 중 어느 하나를 이용할 수 있다.

상기 장치는 상기 제2 전송선과 평행하여 설치되며 전력을 공급하는 제3 전송선; 및 N개의 플라즈마 소스를 발생시키기 위한 N/2개의 급전점을 연결하여, 상기 제1 전송선, 제2 전송선 및 제3 전송선이 전기적으로 연결되도록 하는 이음 장치를 더 포함하며, 상기 제3 전송선의 길이는 인가되는 마이크로파 파장의 1/4 길이를 가질 수 있다.

본 발명은 기존 발명에 비해 구조가 단순하고, 제작이 용이하며, 소형 장치로 별도 임피던스 정합 장치 없이 저 전력 소비의 대기압 마이크로파 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 전송선의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하 도면을 참조로 하여, 본 발명의 실시예에 따른 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치에 대해 설명한다.

일반적으로 동축케이블 형태의 플라즈마 발생 장치는, 장치 내부로 플라즈마를 발생시키기 위한 가스를 가스 유입관을 통해 흘려주게 되기 때문에, 기체 유동으로 인하여 플라즈마 발생 장치 내에 양압이 발생한다. 이는 외부 공기가 플라즈마 발생 장치 내로 유입되어 플라즈마와 상호 작용할 수 없는 구조이기 때문에, 국한된 부분에 플라즈마를 집중할 수 있는 포인트 소스(point source)에만 유리한 구조가 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 플라즈마 발생 장치 내부에 발생하는 플라즈마와 외부 공기가 반응할 수 있는 표면적을 넓게 하여, 다양한 분야에 응용이 가능하도록 하는 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치를 제안한다. 이에 대해 도 1을 참조로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 병렬 전송선 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치(100)는 제1 전송선(110), 제2 전송선(120), 연결도체(130), 연결부재(140), 급전점(150) 및 가스 유입관(160)을 포함한다. 본 발명의 실시예에서는 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 구성하는 구성 요소들이 전기적으로 연결되어 있어, 마이크로파 신호의 공진기로서 동작하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치(100)의 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)은 마이크로파 전송선(Microwave transmission line)의 일종인 병렬 전송선(TPW: Two Parallel Wires)을 이용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 두 개의 전송선이 플라즈마 발생 장치에 구비되는 것으로 한정하지는 않는다. 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 한쪽 끝은 연결 도체(130)에 연결되어 있고, 다른 끝은 연결되어 있지 않아 개방 구조를 보인다.

여기서 제1 전송선(110)은 동력 전송선(powered wire)으로, 마이크로파 전력이 공급된다. 그리고 제2 전송선(120)은 접지 전송선(ground wire)으로, 제1 전송선(120)에 평행하여 접지된다.

연결도체(130)는 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 한쪽 끝이 연결되어 있어, 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)이 전기적으로 연결되도록 한다. 그리고, 도 2에는 도시하지 않았으나, 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)에 연결되지 않은 다른 후면에는 가스 유입관(도면 미도시)으로는 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120) 사이로 유입될 가스가 공급된다. 이 경우 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120) 사이로 유입되는 가스가 외부로 퍼질 수 있으므로, 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)을 둘러싸는 관을 더 포함할 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 해당 관은 도시하지 않는다.

본 발명의 실시예에서는 가스 유입관으로 플라즈마 이온의 소스가 되는 불활성 가스(예를 들어, 헬륨 또는 아르곤)를 유입하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 그리고 불활성 가스가 유입될 경우, 10W 이하의 저 전력(Low power)으로 저온 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

급전점(150)은 제2 전송선(120)을 통과하여 제1 전송선(110)까지 이어지고, 급전점(150)의 외부에는 연결부재(140)가 구비되어 있으며, 연결 부재(140)와 급전점(150)은 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)이 연결도체(130)에 연결된 지점으로부터, 임의의 거리만큼 떨어진 곳에 위치한다. 본 발명의 실시예에서는 병렬 전송선을 이용하여 1GHz와 같은 주파수에서 동작하는 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 설계한다고 가정한다면, 연결부재(140)와 급전점(150)은 대기압 플라즈마 발생 장치(100)의 입력 임피던스(Input impedance)가 50Ω이 되도록 하는 곳에 위치하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 설계된 대기압 플라즈마 발생 장치(100)에 공진 주파수를 갖는 마이크로파를 인가하면 반사파를 최소화 할 수 있으며, 대부분의 파워가 플라즈마 발생에 전달되도록 할 수 있다. 또한 임피던스 매칭(Impedance matching)을 위해 별도의 장치가 쓰이지 않으므로 전력 손실(Power loss)을 최소화하고 전력 효율(Power efficiency)을 극대화할 수 있다.

이상에서 설명한 전송선(110, 120)의 구현 예에 대해 도 2를 참조로 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 병렬 전송선의 예시도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 두 전송선(110, 120)의 길이 즉, 연결 도체(130)에 연결되어 있는 한쪽 끝에서부터 개방 구조를 보이는 다른 끝까지의 길이는 마이크로파 파장의 1/4 즉, λ/4이 되도록 설계하는 것을 예로 하여 설명한다. 그리고 전송선(110, 120)의 직경(d)은 6.5mm가 되도록 하며, 두 전송선(110, 120) 간의 간격은 0.5mm가 되도록 설계하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.

또한, 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 재질은 스테인리스 스틸 304인 것을 예로 하여 설명하나 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. 이렇게 설계된 플라즈마 발생 장치는, 급전점(150)의 위치가 두 전송선(110, 120)이 전기적으로 연결된 지점을 기준으로 어느 정도 위치에 설계되는지에 따라 반사 계수(reflection coefficient)와 공진 주파수가 상이해진다.

본 발명의 실시예에서는 공진기의 입력 임피던스가 50Ω이 되도록 하는 곳에 급전점(150)이 위치하는 것을 예로 하여 설명한다. 그리고 급전점(150)에서 바라본 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 입력 임피던스(Z_in)는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

여기서, 각각의 마라미터들 중 Z₀는 병렬 전송선의 특성 임피던스, β는 위상 상수,

은 급전점의 위치, a_c는 손실 도체를 의미한다.

입력 임피던스인 Z_in은 50Ω이 되도록 한다고 가정하였으므로, Z_in은 50Ω, 파장 λ는 주파수(f)와 광속(c)을 이용하여 c/f로 계산하여 0.3m, 위상 상수 β는 2π/λ으로 계산하여 20.94395102, 마지막으로 도체 손실(a_c)은 0.048[m^-1]로 정의한다.

그리고 병렬 전송선의 특성 임피던스 Z₀는 다음 수학식 2을 통해 구할 수 있다.

여기서, D는 제1 전송선(110)의 중심점에서부터 제2 전송선(120)의 중심점까지의 거리이고,

는 자유 공간의 특성 임피던스, d는 전송선의 직경이며,

는 상대 유전 상수를 의미한다. 상대 유전 상수는 공기의 경우는 1이고, 테프론의 경우에는 2.1의 값을 가진다.

본 발명의 실시예에서는 D를 7mm, d를 6.5mm라 가정하며, 수학식 2를 통해 구해진 병렬 전송선의 특성 임피던스인 Z₀는 46.76Ω이 된다.

따라서, 상기 수학식 1에서 입력 임피던스가 50Ω이 되도록 하는 파라미터에서 급전점(150)의 위치(

)를 제외한 나머지 파라미터들은 상수임을 확인할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예에서는 급전점(150)의 위치를 조절하여 입력 임피던스가 50Ω이 되도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치(100)는 다음 도 3과 같이 구현할 수 있으며, 도 3을 참조로 설명한다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.

도 3은 공진기를 위에서 본 예시도로, 도 3에 도시된 바와 같이 두 개의 동력 전송선(제1 동력 전송선, 제2 동력 전송선)과 한 개의 접지 전송선을 포함할 수 있다. 이렇게 구현된 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 이용하면, 제1 동력 전송선과 접지 전송선 사이에, 제2 동력 전송선과 접지 전송선 사이에서 플라즈마가 발생한다.

도 3과 같이 구현하는 경우 상기 도 1에서 설명한 대기압 플라즈마 발생 장치(100)와는 매칭 컨디션(matching condition)은 달라질 수 있다. 그리고 이음 장치(t-joint)(160)를 사용하여 N개의 플라즈마 소스를 발생시키기 위한 N/2개의 급전점을 포함할 수 있다. 도 4에서는 2개의 플라즈마 소스를 발생시키는 것을 나타내었으므로, 급전점은 1개가 설치된다.

이와 같이 대기압 플라즈마 발생 장치의 변형을 통해, 하드웨어는 간단해지나 확장성이 용이한 대기압 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 그리고 병렬 전송선 공진기 플라즈마 발생 장치를 이용하여, 통상적인 고온 플라즈마와 달리 저온 플라즈마로 세포(Cell), 조직(Tissue) 등의 생체에 열적 효과(Thermal damage) 없이 적용할 수 있다.

그러므로 인체의 피부, 구강, 치아 등에 생의학적 목적으로 적용할 수 있으며, 박테리아 제거, 암 치료 등에도 사용될 수 있다. 또한 열에 약한 물질의 합성, 분해, 대기 정화, 표면 처리 등에도 확대 적용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

1. 전력을 공급하는병렬 와이어(two parallel wire) 전송선인 제1 병렬 와이어 전송선;
   상기 제1 병렬 와이어 전송선에 평행하여 설치되며 접지되는 제2 병렬 와이어 전송선;
   상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선의 한쪽 끝에 설치되어 있으며, 상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선을 전기적으로 연결하는 연결도체;
   상기 제2 병렬 와이어 전송선을 통과하여 상기 제1 병렬 와이어 전송선까지 이어지고, 외부에는 연결부재가 구비되어 있으며, 상기 연결 부재와 함께 상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선이 상기 연결도체에 연결된 지점으로부터 임의의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하는 급전점; 및
   상기 급전점의 외부에 구비되어 상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선에 연결되는 상기 연결부재
   을 포함하며,
   상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선의 사이 간격은 0.5mm이고, 상기 급전점과 연결부재가 설치되는 위치는 대기압 플라즈마 발생 장치의 입력 임피던스가 50Ω이 되도록 하는 곳에 위치하여 상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선이 연결되지 않은 한쪽 끝단에서 플라즈마가 발생하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 연결도체의 일단에 구비되며, 불활성 가스를 상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선으로 유입하는 가스 유입관
   을 포함하며,
   상기 불활성 가스는 헬륨 또는 아르곤 중 어느 하나인 대기압 플라즈마 발생 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 병렬 와이어 전송선과 제2 병렬 와이어 전송선의 길이는 인가되는 마이크로파 파장의 1/4 길이를 가지는 대기압 플라즈마 발생 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2 병렬 와이어 전송선과 평행하여 설치되며 전력을 공급하는 제3 병렬 와이어 전송선; 및
   N개의 플라즈마 소스를 발생시키기 위한 N/2개의 급전점을 연결하여, 상기 제1 병렬 와이어 전송선, 제2 병렬 와이어 전송선 및 제3 병렬 와이어 전송선이 전기적으로 연결되도록 하는 이음 장치
   를 더 포함하며,
   상기 제3 병렬 와이어 전송선의 길이는 인가되는 마이크로파 파장의 1/4 길이를 가지는 대기압 플라즈마 발생 장치.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 입력 임피던스는,
   

   

   [Ω]
   여기서 Z₀는 병렬 와이어 전송선의 특성 임피던스, β는 위상 상수,

   

   은 급전점의 위치, α_c는 손실 도체(conduction loss), λ는 파장을 의미함
   으로 계산되는 대기압 플라즈마 발생 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 병렬 와이어 전송선의 특성 임피던스는,
   

   

   
   여기서, D는 상기 제1 병렬 와이어 전송선의 중심점에서부터 제2 병렬 와이어 전송선의 중심점까지의 거리이고,

   

   는 자유 공간의 특성 임피던스, d는 전송선의 직경이며,

   

   는 상기 병렬 와이어 제1 전송선 및 제2 병렬 와이어 전송선을 둘러 싸고 있는 유전체에 대한 상대 유전 상수(relative dielectric constant)임
   으로 계산되는 대기압 플라즈마 발생 장치.

Images