KR101832468B1 - 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

전력을 공급하는 제1 전송선, 제1 전송선에 평행하고 일정 간격만큼 떨어져 설치되어 있으며 접지되는 제2 전송선, 제1 전송선과 제2 전송선의 한쪽 끝에 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 제1 전송선과 제2 전송선 사이에 형성된 간격에 삽입되며, 불활성 가스를 상기 연결도체에 연결된 제1 전송선과 제2 전송선의 반대편 끝단으로 유입하는 가스 유입관을 포함한다.

Description

공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치{Producer for atmospheric pressure plasma using resonator}

본 발명은 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.

최근 대기압 플라즈마를 이용한 살균, 지혈, 치아 미백 등 생의학 응용 분야에 대한 연구가 국내외 연구 기관에 의해 활발히 연구되고 있다. 다양한 대기압 플라즈마 방전 방법 중, 수 백 MHz에서 수 GHz의 초고주파를 사용하는 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치의 경우, 저온 플라즈마를 발생시켜 처리 대상에 열적 손상이 없게 할 수 있고, 낮은 방전 전압으로 인해 전기적 위험성이 낮으며 전력 효율이 높게 설계할 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, 종래의 플라즈마 발생 장치를 이용하여 플라즈마를 발생하면, 플라즈마 장치의 구조에 의해 플라즈마 장치의 끝단에 플라즈마 제트를 형성시키기 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 플라즈마 장치의 끝단에서 플라즈마 제트가 발생할 수 있도록 하는 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 평행하고 일정 간격만큼 떨어져 설치되어 있으며 접지되는 제2 전송선; 상기 제1 전송선과 제2 전송선의 한쪽 끝에 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 제1 전송선과 제2 전송선 사이에 형성된 간격에 삽입되며, 불활성 가스를 상기 연결도체에 연결된 상기 제1 전송선과 제2 전송선의 반대편 끝단으로 유입하는 가스 유입관을 포함한다.

상기 대기압 플라즈마 발생 장치는 상기 급전점의 외부에 구비되어 상기 제1 전송선과 제2 전송선에 연결되는 상기 연결부재를 더 포함할 수 있다.

상기 가스 유입관은, 상기 제1 전송선과 제2 전송선의 임의의 위치에서 상기 제1 전송선과 제2 전송선의 반대편 끝단까지 삽입될 수 있다.

상기 가스 유입관은, 상기 연결도체에서부터 상기 제1 전송선과 제2 전송선의 반대편 끝단까지 삽입될 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 장치에서 플라즈마 제트가 분사되지 않았던 구조적인 문제와 불안정성을 해결하여, 플라즈마 장치의 끝단에서 플라즈마 제트가 분사될 수 있도록 하였다.

또한, 플라즈마를 발생시킬 때 사용되는 가스의 손실을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전송선의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 제트 발생 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.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치에 대해 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 가스를 공급하는 튜브의 삽입 형태에 따라 두 가지 실시예로 구분지어 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진기를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 예시도이다.

먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 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.

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.

가스 유입관(160)은 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120) 사이에 위치하여 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120) 사이로 가스를 공급한다. 가스 유입관(160)의 끝은 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 연결되지 않은 한쪽 끝까지 설치되어, 플라즈마가 발생되는 지점에 가스를 직접 공급할 수 있도록 한다.

본 발명의 실시예에서는 가스 유입관(160)으로 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.

가스 유입관(160)은 공기의 유전율 1.0005와 가까운 값을 갖는 물질로 삽입된다. 즉, 가스 유입관(160)의 삽입에 의한 공진기의 임피던스 매칭 조건이 달라질 수도 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 가스 유입관(160)으로 유전율이 2.1인 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 테프론(Teflon)을 사용하는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 가스 유입관(160)의 직경이 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120) 사이의 간격을 고려하여 500um가 되도록 설정하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.

또한, 가스 유입관(160)에서 가스가 분출되는 한쪽 끝의 위치는 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 끝에 맞추도록 설치되는 것을 예로 하여 설명한다. 그러나, 나용접봉(Bared electrode)이 플라즈마 발생에 유리한 조건이 있을 수 있으므로, 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 끝단보다는 가스 유입관(160)의 길이가 약간 짧게 설계할 수도 있다.

본 발명의 제1 실시예에서는 연결도체(130)에서부터 가스 유입관(160)이 삽입되어 제1 전송선(110)과 제2 전송선(120)의 끝 부분까지 삽입되어 있는 형태를 나타낸 것이고, 제2 실시예에서는 전송선의 중간에 가스 유입관(160)이 삽입되는 형태로 구현된다. 이에 대해 도 2를 참조로 설명한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 가스 유입관(160)은 연결도체(130)에서부터 삽입되지 않고, 중간에 가스 유입관(160)을 삽입하는 형태로 구현되어 있다. 여기서,

도 2에 나타낸 바와 같이 가스 유입관(160)이 제1 전송선과 제2 전송선의 임의의 위치부터 삽입되는 경우 임피던스 매칭에 영향을 주는 변화(perturbation)가 적게 되고, 실제로 가스가 공급되는 부분만 가스 유입관(160)을 삽입할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 가스 유입관(160)이 중간에 삽입되는 형태로 제2 실시예를 설명하고 있으나, 공진기의 open port에서 전압이 가장 크기 때문에 해당 부분에만 삽입하도록 조정할 수 있으며, 어느 하나의 형태로 한정하지 않는다.

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 가스 유입관(160, 170)이 대기압 플라즈마 발생 장치(100)에서 플라즈마가 발생되는 지점에 가스를 직접 공급하기 때문에, 가스가 플라즈마에 집중될 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 3을 참조로 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전송선의 예시도이다.

도 3에 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(Zin)는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

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

은 급전점의 위치,

는 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(ac)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.

이와 같은 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 통해 발생되는 플라즈마 제트의 발생 예에 대해 도 4를 참조로 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 제트 발생 예시도이다.

도 4의 (a)는 일반적인 가스 공급 방법을 이용할 경우, 전기장(E-field)이 강한 곳에서 플라즈마가 발생하면서 장치 내부에 플라즈마가 갇히는 현상이 발생하는 것을 나타낸 것이다.

이를 극복하기 위하여 본 발명의 실시예에서는 가스 유입관(160, 170)을 이용하여 플라즈마가 발생되는 지점에 가스가 집중될 수 있도록 한다. 가스 유입관(160, 170)이 설치된 경우 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 플라즈마가 발생되는 부분에 가스가 집중되어, 대기압 플라즈마 발생 장치(100)의 밖으로 플라즈마 제트가 형성되는 것을 알 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 (11)

1. 전력을 공급하는 전송선인 제1 와이어 전송선;
   상기 제1 와이어 전송선에 평행하게 병렬로 일정 간격만큼 떨어져 설치되며, 접지되는 제2 와이어 전송선;
   상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선의 한쪽 끝에 설치되어 있으며, 상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선이 전기적으로 연결되도록 하는 연결도체;
   상기 제2 와이어 전송선을 통과하여 상기 제1 와이어 전송선까지 이어지고, 외부에는 연결부재가 구비되어 있으며, 상기 연결 부재와 함께 상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선이 상기 연결도체에 연결된 지점으로부터 임의의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하는 급전점; 및
   상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선 사이에 형성된 간격의 임의의 위치에서 시작되어 삽입되며, 불활성 가스를 상기 연결도체에 연결된 상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선의 반대편 끝단으로 유입하는 가스 유입관
   을 포함하고,
   상기 급전점과 연결부재가 설치되는 위치는, 대기압 플라즈마 발생 장치의 입력 임피던스가 50Ω이 되도록 하는 곳에 위치하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 급전점의 외부에 구비되어 상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선에 연결되는 상기 연결부재
   를 더 포함하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가스 유입관은,
   상기 연결도체에서부터 상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선의 반대편 끝단까지 삽입되는 대기압 플라즈마 발생 장치.
4. 삭제
5. 제3항에 있어서,
   상기 가스 유입관은 테프론 재질로 구현되는 대기압 플라즈마 발생 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 가스 유입관의 직경은 상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선 사이의 간격인 대기압 플라즈마 발생 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 와이어 전송선과 제2 와이어 전송선의 길이는 인가되는 마이크로파 파장의 1/4 길이를 가지는 대기압 플라즈마 발생 장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 입력 임피던스는,
   

   

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

   

   은 급전점의 위치,

   

   는 손실 도체를 의미하고, λ는 파장을 의미함
   으로 계산되는 대기압 플라즈마 발생 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 와이어 전송선의 특성 임피던스는,
    

    

    [Ω]
    여기서, D는 상기 제1 와이어 전송선의 중심점에서부터 제2 와이어 전송선의 중심점까지의 거리이고,

    

    는 자유 공간의 특성 임피던스, d는 전송선의 직경이며,

    

    는 상기 제1 와이어 전송선 및 제2 와이어 전송선을 둘러싸고 있는 유전체에 대한 상대 유전 상수임
    으로 계산되는 대기압 플라즈마 발생 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 헬륨 또는 아르곤 중 어느 하나인 대기압 플라즈마 발생 장치.

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