KR101930726B1 - 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파 플라즈마 발생기의 동축케이블의 일단부에서 발생되는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을, 동축케이블의 반대편 일단부에서 외부도체와 내부도체를 전기적으로 연결하는 연결도체의 구조를 변형하여 보상함으로써 마이크로파 전력 공급 장치에서 마이크로파 플라즈마 발생기로 전달되는 전력의 효율을 극대화할 수 있는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기에 관한 것이다.

Description

전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기{Microwave Plasma Generator with Enhanced Power Transmission Efficiency}

본 발명은 플라즈마 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로파 플라즈마 발생기의 동축케이블의 일단부에서 발생되는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을, 동축케이블의 반대편 일단부에서 외부도체와 내부도체를 전기적으로 연결하는 연결도체의 구조를 변형하여 보상함으로써 마이크로파 전력 공급 장치에서 마이크로파 플라즈마 발생기로 전달되는 전력의 효율을 극대화할 수 있는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기에 관한 것이다.

플라즈마 토치(Plasma torch)는 가스를 플라즈마화하여 고체를 가열하여 녹이거나, 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키거나, 또는 가스를 가열하여 엔탈피를 증가시키는 데 사용될 수 있다.또한 저온 플라즈마 제트(Plasma jet) 장비는 대략 50℃ 미만의 낮은 온도의 플라즈마를 발생시켜 인체에 적용함으로써 다양한 의료, 미용 효과를 얻는 데 활용될 수 있다.

종래의 마이크로파를 이용한 플라즈마 발생장치는 주로 마그네트론을 이용한 100 와트(Watts) 이상의 전력을 소모하는 경우가 대부분이다. 구형 도파관(rectangular waveguide)으로 구현된 플라즈마 발생장치는 부피가 크기 때문에 휴대하기가 어렵다는 단점이 있다. 안테나 구조를 이용한 방전관을 사용하는 동축형(coaxial) 마이크로파 플라즈마 토치가 제안되기는 하였지만, 이 발명도 단지 종래의 구형 도파관으로 구현된 발생장치를 대신하는 정도에 불과하고, 휴대할 정도의 크기는 아니다.

현재 여러 가지 형태의 전력 원을 이용하여 대기압 플라즈마를 생성시켜 사용하고 있기는 하다. 그렇지만, 마이크로파 영역의 신호, 예를 들면, 주파수가 900MHz(Mega Hertz)나 2.45GHz(Giga Hertz) 등의 신호를 이용하여 저 전력의 열적효과가 없는 플라즈마를 만드는 방식에 대해서는 현재 연구가 진행 중에 있다.

최근 들어 플라즈마를 이용한 생의학 분야의 응용은 세계적으로 연구 단계에 있으며, 피부의 주름이나 착색 등을 치료하는 장치로서 미국식품의약국(Food & Drug Administration)의 승인을 받아 사용하고 있는 정도이다. 따라서 대기압에서 5 와트 이내의 소비전력으로 휴대할 수 있는 플라즈마 발생기를 생성시킬 수 있다면, 그 응용분야는 암 치료(cancer treatment), 치아 미백(dental care), 피부 미용, 박테리아 살균 및 소독(sterilization), 지혈(coagulation), 공기 정화 등의 분야에까지 확대될 수 있을 것이다.

국내 등록특허 제10-1012345호에는 소형이고 대기압에서 낮은 소비전력으로 저온 플라즈마를 생성시킬 수 있도록 되어 피부 미용이나 치료, 치아 미백 등에 활용할 수 있는 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기가 개시되어 있다.

도 1은 종래의 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 구조를 나타낸 것으로, 제1내부도체(5)를 감싸는 외부도체(3)와 그 사이가 유전체(8)로 채워진 동축케이블(9)과, 제1내부도체(5)와 외부도체(3)를 전기적으로 연결하면서 불활성가스를 유입할 수 있는 가스유입관(2)을 가진 연결도체(10), 그리고 상기 외부도체(3)을 경유하여 접속부(7)을 통해 제1내부도체(5)에 전력을 공급할 수 있도록 제2내부도체(6)을 구비하는 연결부재(1)를 포함한 구조로 이루어진다.

제1내부도체(5)와 연결부재(1)의 제2내부도체(6)의 접속부(7)에서 바라본 동축케이블(9)의 임력임피던스는 접속부의 위치에 따라서 달라지기 때문에 연결부재(1)의 위치를 조절함으로서 자체 임피던스를 조절할 수 있다. 따라서 마이크로파를 공급하는 마이크로파 발진기(미도시) 또는 마이크로파를 증폭하는 증폭기와의 임피던스 정합(impedance matching)을 위한 별도의 정합장치가 필요하지 않게 한다.

도 2는 종래의 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기에서 입력임피던스의 변화를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2를 참조하면, 동축케이블(9) 접속부(7)에서의 입력임피던스(Z_IN)는 수학식 1과 같이 표시할 수 있다.

[수학식 1]

제1임피던스(Z₁)의 부하임피던스(Z_L1)가 무한대(∞)이고, 제2임피던스(Z₂)의 부하임피던스(Z_L2)가 0(zero)일 때, 동축케이블(9)의 길이가 마이크로파의 파장의 1/4이면 공진기의 입력임피던스(Z_IN)은 접속부(7)의 위치와 상관없이 복소수(imaginary)가 0(zero)가 된다. 따라서 l₁과 l₂를 조절하는 것만으로 별도의 임피던스 조정장치 없이 50Ω(ohm)으로 맞출 수 있다.

하지만 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기를 사용하는 환경에서는 동축케이블(9)의 토출구(4)에 플라즈마가 발생한다. 이와 같이 플라즈마가 발생하게 되면 플라즈마 임피던스에 의해 발생기의 입력 임피던스가 변화되어 임피던스 부정합이 발생하게 되고 마이크로파 전력 공급 장치에서 마이크로파 플라즈마 발생기로의 전력 전달 효율이 감소하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1012345호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 마이크로파 플라즈마 발생기의 동축케이블의 일단부에서 발생되는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을, 동축케이블의 반대편 일단부에서 외부도체와 내부도체를 전기적으로 연결하는 연결도체의 구조를 변형하여 보상함으로써 마이크로파 전력 공급 장치에서 마이크로파 플라즈마 발생기로 전달되는 전력의 효율을 극대화할 수 있는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기를 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기는 제1내부도체, 상기 제1내부도체를 둘러싸는 유전체 및 상기 유전체를 둘러싸는 외부도체를 포함하여 이루어지는 동축케이블; 상기 제1내부도체와 상기 외부도체를 전기적으로 연결하는 연결도체; 상기 외부도체를 경유하여 제1내부도체와 연결되는 제2내부도체를 구비하는 연결부재;를 구비하며, 상기 연결도체는 상기 동축케이블의 일단부에서 발생하는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을 보상하여 전력전달 효율의 감소를 방지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기의 연결도체는 상기 제1내부도체와 전기적으로 연결되는 내부연결도체; 상기 제1내부도체와 상기 외부도체를 하나 이상의 얇은 금속으로 연결해주면서 저항과 인덕터의 역할을 하는 브릿지; 상기 제1내부도체를 고정시켜주면서 상기 외부도체와 전기적으로 연결해주는 외부연결도체; 및 불활성가스가 유입되는 가스유입관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연결도체는, 상기 동축케이블의 일단부에서 발생하는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을 보상해 줄 수 있는 특정 임피던스를 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 불활성가스는 헬륨가스 및 아르곤가스 중 하나인 것이 바람직하다.

상기 제2내부도체는 상기 제1내부도체와 전기적으로 연결되어 2.45GHz의 마이크로파 신호를 공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기에 의하면, 마이크로파 플라즈마 발생기의 동축케이블의 일단부에서 발생되는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을, 동축케이블의 반대편 일단부에서 외부도체와 내부도체를 전기적으로 연결하는 연결도체의 구조를 변형하여 보상함으로써 마이크로파 전력 공급 장치에서 마이크로파 플라즈마 발생기로 전달되는 전력의 효율을 극대화하여 적은 소비전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래의 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래의 저 전력 휴대용 마이크로파 플라즈마 발생기에서 입력임피던스의 변화를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기의 연결도체를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기에서 임피던스 부정합의 보상을 설명하기 위한 개략도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기는 동축케이블(9), 연결도체(10) 및 연결부재(1)를 구비한다.

동축케이블(9)은 제1내부도체(5)와, 이를 감싸는 외부도체(3) 및 상기 제1내부도체(5)와 외부도체(3)의 채워진 유전체(8)를 포함하여 이루어진다.

연결도체(10)는 제1내부도체(5)와 외부도체(3)를 전기적으로 연결한다. 연결도체(10)의 상세구성은 도 4에 대한 설명에서 후술하기로 한다.

연결부재(1)는 상기 외부도체(3)를 경유하여 접속부(7)를 통해 제1내부도체(5)에 전력을 공급하는 제2내부도체(6)를 구비한다.

도 3을 참조하면, 동축케이블(9)의 일단부의 토출구(4)에서는 플라즈마가 발생되고, 동축케이블(9)의 반대편의 다른 일단부에서는 연결도체(10)가 외부도체(3)와 제1내부도체(5)를 전기적으로 연결하면서 플라즈마에 의한 부정합을 보상해준다. 연결부재(1)의 제2내부도체(6)는 제1내부도체(5)와 전기적으로 연결되어 2.45GHz의 마이크로파 신호를 공급한다.

도 1에 도시된 종래의 발명과 달리 본 발명에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기는 연결도체(10)의 구조를 개선하여 새로운 형태의 연결도체(10)로 제1내부도체(5)와 외부도체(3)를 전기적으로 연결하여 플라즈마 임피던스에 의해 발생하는 전력 전달 효율의 감소를 개선해주는 것이다.

본 발명에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기는 기존의 접속부(7) 위치를 변화시키지 않고 연결도체(10)만 바꿔 플라즈마 임피던스에 의해 발생한 임피던스 부정합을 보상해주기 때문에 기존 설계방법을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기의 연결도체를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 연결도체(10)는 제1내부도체(5)와 전기적으로 연결되는 내부연결도체(11); 제1내부도체(5)와 외부도체(3)를 하나 이상의 얇은 금속으로 연결해주면서 저항과 인덕터의 역할을 하는 브릿지(12); 제1내부도체(5)를 고정시켜주면서 외부도체(3)와 전기적으로 연결해주는 외부연결도체(13); 헬륨 및 아르곤과 같은 불활성가스가 유입되는 가스유입관(2)을 포함한다.

전송선로는 구조와 유전체(8)의 종류에 따라 인덕턴스(L)가 결정되어지고 주파수(f)와 비례하여 임피던스(Z)가 증가하게 된다. 인덕턴스(L)에 따른 임피던스(Z)는 수학식 2와 같이 표시할 수 있다.

[수학식 2]

마이크로파 플라즈마의 경우 주파수(f)가 커서 짧은 길이의 전송선로도 큰 임피던스를 가지게 되기 때문에 작은 크기의 연결도체(10)로도 구현이 가능하다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기에서 임피던스 부정합의 보상을 설명하기 위한 개략도이다.

도 5를 참조하면, 플라즈마(20)는 벌크(bulk)와 시스(sheath)로 구성되어 있고 각각 저항(21)과 캐패시터(22)의 역할을 하기 때문에 제1임피던스(Z₁)의 부하임피던스(Z_L1)는 플라즈마 임피던스(Z_P)로 변하게 된다. 이러한 임피던스의 변화는 공진기의 입력임피던스(Z_IN)를 변화시켜 임피던스 부정합(impedance mismatch)을 발생시키고 마이크로파 공급 장치에서 플라즈마 발생기로 전달되는 전력을 감소시키게 된다.

따라서 플라즈마 임피던스(Z_P)에 의해 발생한 임피던스 부정합을 보상해주기 위해서는 제2임피던스(Z₂)의 부하임피던스(Z_L2)가 0(zero)이 아닌 어떠한 임피던스를 가져야한다. 플라즈마 임피던스(Z_P)가 존재하는 조건 하에서 입력임피던스(Z_IN)가 50Ω(ohm)이 되는 연결도체 임피던스(Z_S)는 수학식 3과 같이 표시할 수 있다.

[수학식 3]

, 이때

수학식 3을 통해 플라즈마 임피던스(Z_P)를 상쇄시켜주기 위해서는 제2임피던스(Z₂)의 부하임피던스(Z_L2)에 특정 임피던스(Z_S)가 필요하다는 것을 확인할 수 있다. 특정 임피던스(Z_S)는 주파수에 따라 저항, 인덕턴스 또는 캐패시턴스의 값을 필요로 한다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (5)

1. 제1내부도체, 상기 제1내부도체를 둘러싸는 유전체 및 상기 유전체를 둘러싸는 외부도체를 포함하여 이루어지는 동축케이블;
   상기 제1내부도체와 상기 외부도체를 전기적으로 연결하는 연결도체;
   상기 외부도체를 경유하여 제1내부도체와 연결되는 제2내부도체를 구비하는 연결부재;를 구비하며
   상기 연결도체는,
   상기 제1내부도체와 전기적으로 연결되는 내부연결도체;
   상기 제1내부도체와 상기 외부도체를 하나 이상의 얇은 금속으로 연결해주면서 저항과 인덕터의 역할을 하는 브릿지;
   상기 제1내부도체를 고정시켜주면서 상기 외부도체와 전기적으로 연결해주는 외부연결도체; 및
   불활성가스가 유입되는 가스유입관;을 포함하되,
   상기 동축케이블의 일단부에서 발생하는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을 보상하여 전력전달 효율의 감소를 방지하는 것을 특징으로 하는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 연결도체는
   상기 동축케이블의 일단부에서 발생하는 플라즈마에 의한 임피던스 부정합을 보상해 줄 수 있는 특정 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 불활성가스는
   헬륨가스 및 아르곤가스 중 하나인 것을 특징으로 하는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 제2내부도체는
   상기 제1내부도체와 전기적으로 연결되어 2.45GHz의 마이크로파 신호를 공급하는 것을 특징으로 하는 전력 전달 효율이 향상된 마이크로파 플라즈마 발생기.

Images