KR102082566B1 - 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

플라즈마 스크러버 시스템에 채용되는 플라즈마 토치가 개시된다. 이는 하우징과, 하우징 내에 설치되는 캐소드 전극과, 하우징 내의 캐소드 전극의 하위에 설치되고 플라즈마 플레임 방출 홀을 가지는 애노드 전극을 포함하고, 애노드 전극은 본체와 적어도 플라즈마 플레임 방출 홀의 하단 입구에 형성된 내식성 금속층을 포함한다. 내식성 금속층은 결합볼트를 이용하여 탈착가능하게 애노드 전극의 본체에 부착된다.

Description

플라즈마 토치{PLASMA TORCH}

본 발명은 오염물질 처리에 이용되는 플라즈마 스크러버 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극의 내구성이 향상된 플라즈마 토치에 관한 것이다.

기술과 산업이 발전함에 따라 다양한 종류의 산업 생산품들이 대량으로 생산되어 소비되고 있다. 특히, 스마트폰이나 디스플레이와 같은 전자제품은 종류도 다양하고 매우 빠르게 새로운 모델들이 쏟아져 나오기 때문에 그에 필요한 부속 제품들도 대량으로 생산되고 있다. 그 중 반도체 메모리나 디스플레이 기판은 이들 전자제품의 핵심적인 요소이기도 하고, 새로운 전자제품의 출현에 주도적인 역할을 하고 있다고 할 수 있을 정도로 중요하다. 이들 반도체 메모리나 디스플레이가 산업 발달에 크게 기여를 하고 있지만 생산 과정에서 다량의 복합 오염물질이 배출되는 문제가 있다.

복합 오염물질의 처리에 효과적인 방안 중의 하나는 플라즈마 스크러버 시스템을 이용하는 것이다. 플라즈마 스크러버 시스템은 상대적으로 작은 사이즈를 가지면서도 복합 오염물질 처리에 매우 높은 효율을 보인다.

다만, 플라즈마 스크러버 시스템에 채용되는 플라즈마 토치는 발생되는 고온의 프레임(flame)에 의해 애노드 전극이 쉽게 손상되거나 마모되어 애노드 전극의 수명이 짧다는 애로 사항이 있다. 도 1은 종래의 플라즈마 토치를 개략적으로 도시한 도면이다. 플라즈마 토치는 하우징(10) 내에 설치된 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(13)을 포함한다. 캐소드 전극(11)은 구리 부위(111)와 내부의 인서트 부위(113)을 포함한다. 인서트 부위(113)은 텅스텐 재질로 이루어진다. 애노드 전극(13)은 구리 재질로 제조되고 캐소드 전극(11) 하위에 배치되며, 중앙에 플레임 방출 홀을 구비하는 형태를 가진다. 캐소드 전극(11)과 애노드 전극(13)에 전압이 인가되면, 캐소드 전극과 애노드 전극 간에 아크가 발생하여 아르곤이나 질소와 같은 불활성 작동 가스의 플라즈마 플레임(flame)을 플레임 방출 홀(131)을 통해 방출된다. 이러한 아크와 플레임의 높은 온도로 인해 애노드 전극(13)의 플레임 방출 홀의 하단 입구가 집중적으로 마모된다. 애노드 전극(13)의 마모 손상은 토치 자체의 수명을 단축시키는 주요 원인이며, 그로 인해 토치를 빈번하게 교체하여야 한다.

한국특허공개 10-2000-0047395

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 감안한 것으로서, 애노드 전극의 마모를 억제하여 수명이 연장된 플라즈마 토치를 제공한다.

본 발명은 플라즈마 토치를 제공하며, 이는: 하우징; 상기 하우징 내에 설치되는 캐소드 전극; 및 상기 하우징 내의 상기 캐소드 전극의 하위에 설치되고, 플라즈마 플레임 방출 홀을 가지는 애노드 전극;을 포함하고, 상기 애노드 전극은 본체와 적어도 상기 플라즈마 플레임 방출 홀의 하단 입구에 형성된 내식성 금속층을 포함한다.

상기 애노드 전극의 상기 본체는 구리로 이루어지고, 상기 내식성 금속층은 텅스텐으로 이루어질 수 있다.

상기 내식성 금속층은 상기 애노드 전극의 상기 본체의 상기 플레임 방출 홀의 내면의 일부로부터 상기 본체의 하단면의 일부로 연장된 것일 수 있다.

상기 내식성 금속층은 상기 애노드 전극의 본체에 탈착 가능하게 부착된 것일 수 있다. 상기 내식성 금속층은 상기 본체의 하단면에 체결되는 결합볼트를 통해 상기 애노드 전극의 본체에 부착될 수 있다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 플레임에 의해 마모 손상이 발생하는 애노드 전극의 플레임 방출 홀 부위에 내식성 금속층을 배치함으로써 애노드 전극의 수명 연장 및 그에 따른 토치의 수명이 연장된다. 바람직하게 텅스텐이 적용될 수 있는 내식성 금속층은 애노드 전극의 본체에 탈착가능하게 부착될 수 있고, 그럼으로써 내식성 금속층만을 교체하는 것도 가능하다. 또한, 애노드 전극은 상대적으로 저렴하면서도 열전도 특성과 전기 전도 특성이 좋은 구리로 형성하고, 마모 손상이 발생하는 부위에 내식성 금속층을 배치함으로써 제조가 용이하고 비용 상승이 크지 않은 이점도 가진다.

도 1은 종래의 플라즈마 토치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 토치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 플라즈마 토치에 채용된 애노드 전극의 요소들을 분해하여 도시한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 플라즈마 스크러버 시스템에 채용되는 토치에 관한 것으로서, 애노드 전극의 마모 손상을 감소시킬 수 있는 애노드 전극 구조를 제안한다. 애노드 전극은 캐소드 전극의 하위에 배치되며 플레임 방출 홀을 가진다. 캐소드 전극과 애노드 전극 간에 전압이 인가될 때 캐소드 전극의 인서트와 애노드 전극의 플레임 방출 홀의 하단 입구 부위 간에 아크가 발생하고 플레임 방출 홀을 통해 플레임이 방출된다. 이러한 아크 및 플레임에 의해 애노드 전극, 특히 플레임 방출 홀의 하단 입구 부위가 빠르게 마모된다. 현재 이러한 애노드 전극의 마모 손상은 오염물질 가스의 분해능을 저하시키고, 전극과 토치의 수명을 단축시키고 있다. 본 발명에서는 애노드 전극의 플레임 방출 홀의 하단 입구 부위에 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로된 내식성 금속층을 배치한다. 바람직하게는 내식성 금속층을 결합볼트 등을 이용하여 탈착가능하게 구리로 된 애노드 전극의 본체 결합함으로써 제조가 용이하고 제조 원가의 상승을 최소화할 수 있다. 또한, 필요 시에는 내식성 금속층만을 교체하는 것도 가능하다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 토치를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 플라즈마 토치에 채용된 애노드 전극의 요소들을 분해하여 도시한 도면이다. 참고적으로, 도 2와 3은 이해와 설명의 편의를 위해 캐소드 전극과 애노드 전극을 포함하는 주요 요소들을 단면으로 도시하였다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 토치(2)는 하우징(20)과, 하우징(20) 내에 설치되는 캐소드 전극(21)과, 하우징(20)내 캐소드 전극(21)의 하위에 설치되는 애노드 전극(23)을 포함한다.

하우징(20)의 외부 상단면(상판의 상면)에는 캐소드 전극(21)과 애노드 전극(23)에 전압을 인가하기 위한 단자대(26)가 배치될 수 있다. 하우징(20)은 전극들을 포함하는 주요 요소들을 수용할 수 있는 크기를 가지는 대략적인 통형으로서 상판(201)과 하판(202)을 포함한다. 상판(201)에는 캐소드 전극(21)이 절연체(203)를 통해서 장착되고, 하판(202)에는 애노드 전극(23)이 절연체(204)를 통해서 장착된다. 캐소드 전극(21)과 애노드 전극(23) 사이에는 아이솔레이터(205)가 배치되어 캐소드 전극(21)과 애노드 전극(23)을 격리시킨다.

하우징(20)의 하판(202)에는 애노드 전극(23)의 하단부위를 외부로 노출하기 위한 개구가 구비된다. 개구에 절연체(204)가 삽입되고 그 절연체(204)에 애노드 전극(23)이 삽입되어 장착된다.

캐소드 전극(21)은 전체적으로 원기둥의 형태를 가지고, 캐소드 전극 본체(211)와 인서트부(213)를 포함할 수 있다. 캐소드 전극 본체(211)은 구리로, 인서트부(213)은 텅스텐으로 이루어질 수 있다. 또한, 캐소드 전극(21)에는 냉각수 경로(215)가 마련되어 캐소드 전극(21)을 냉각시킨다.

애노드 전극(23)은 플라즈마 플레임 방출 홀(232)을 구비하며, 전체적으로 원기둥 형태를 가질 수 있다. 플레임 방출 홀(232)은 상하방향으로 형성되어, 아래에서 보았을 때 캐소드 전극(21)의 인서트부(213)가 보이는 위치에 마련된다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 애노드 전극(23)은 애노드 전극 본체(231)와 애노드 전극(23)의 본체(231)에 있어서 플레임 방출 홀(232)의 하단 입구에 배치되는 내식성 금속층(233)을 포함한다.

애노드 전극(23)의 본체(231)는 상술한 바와 같이 상하방향으로 형성된 플레임 방출 홀(232)을 가지며, 예를 들어 구리 소재로 이루어질 수 있다. 내식성 금속층(233)은 플레임 방출 홀(232)의 일부로부터 본체(231)의 하단면의 일부까지 연장되도록 형성될 수 있다. 실질적으로 아크는 캐소드 전극(21)의 인서트부(213)와 애노드 전극(23)의 플레임 방출 홀(232)의 모서리 부위 간에 아크가 주로 발생하기 때문에, 상술한 바와 같이 플레임 방출 홀(232)의 일부로부터 본체(231)의 하단면 일부까지 연장되는 형태라면 아크의 발생이 내식성 금속층(233)에서 발생되도록 커버할 수 있게 된다.

내식성 금속층(233)은 아래에서 보았을 때 깔대기와 유사한 형태를 가지면서 플레임 방출 홀(232)의 하단 입구 부위를 커버하게 된다.

내식성 금속층(233)은 예를 들어, 텅스텐 또는 텅스텐을 포함하는 텅스텐 합금일 수 있다. 대안적으로는, 내식성 금속층(233)은 Hf, Zr 등이 적용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 내식성 금속층(233)은 탈착 가능하게 애노드 전극(23)의 본체(231)에 부착될 수 있다. 도시한 바와 같이, 결합볼트(24)에 의해 내식성 금속층(233)이 애노드 전극(23)의 본체(231)에 결합될 수 있다. 결합볼트(24)로 내식성 금속층(233)을 본체(231)에 결합하기 위해서는 본체(231)에는 너트형 나사홈(25)이 형성될 필요가 있고, 또한 내식성 금속층(233)에도 결합구멍(2331)이 형성될 필요가 있다.

결합볼트(24)의 결합 위치는 애노드 전극(23)의 본체(231)의 하단면일 수 있고, 적어도 하나 이상의 결합볼트(24)를 이용할 수 있다.

바람직하게는 애노드 전극(23)의 본체(231)의 플레임 방출 홀(232)의 내면에는 내식성 금속층(233)이 배치된 후 플레임 방출 홀(232)의 내면이 평탄면이 되는 것이 바람직하다. 그를 위해서는, 도시한 바와 같이, 내식성 금속층(233)이 결합되기 전의 본체(231) 자체의 플레임 방출 홀(232)의 내면에 결합될 내식성 금속층(233)의 두께만큼의 단차(2321)가 있을 필요가 있다. 나아가, 결합볼트(24)의 경우에도 예를 들어 무두볼트와 같이 결합 상태에서 돌출되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

애노드 전극(23)의 본체(231)에는 냉각수 경로(235)가 마련되어 애노드 전극(23)을 냉각시킨다.

이와 같이, 애노드 전극(23)의 본체(231)에 내식성 금속층(233)이 결합볼트(24)를 통해 탈착 가능하게 결합되기 때문에 기존의 구리로 애노드 전극의 전체를 형성할 때 보다 마모 손상이 감소될 수 있고, 필요에 따라서는 내식성 금속층(233)만을 간단하게 교체할 수 있기 때문에 상당한 비용 절감이 이루어질 수 있을 것이다.

이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.

2: 플라즈마 토치, 20: 하우징, 21: 캐소드 전극, 23: 애노드 전극, 24: 결합볼트, 25: 나사홈, 26: 단자대, 203, 204: 절연체, 205: 아이솔레이터, 211: 캐소드 전극 본체, 213: 인서트부, 231: 애노드 전극 본체, 232: 플레임 방출 홀, 233: 내식성 금속층, 215, 235: 냉각수 경로, 2321: 단차

Claims (6)

1. 플라즈마 토치로서:
   하우징;
   상기 하우징 내에 설치되는 캐소드 전극; 및
   상기 하우징 내의 상기 캐소드 전극의 하위에 설치되고, 플라즈마 플레임 방출 홀을 가지는 애노드 전극;을 포함하고,
   상기 애노드 전극은 구리로 된 본체와 상기 본체의 상기 플라즈마 플레임 방출 홀의 내면의 일부로부터 상기 본체의 하단면의 일부로 연장 형성된 내식성 금속층을 포함하고,
   상기 내식성 금속층은 상기 애노드 전극의 본체의 하단면에 체결되는 결합볼트를 통해 상기 애노드 전극의 본체에 탈착가능하게 부착되며,
   상기 애노드 전극의 본체는 상기 내식성 금속층이 결합된 후 상기 플레임 방출홀의 내면이 평탄하도록 상기 내식성 금속층의 두께만큼의 단차를 가지며,
   상기 결합볼트는 무두볼트가 채용되어 체결 후 상기 하단면이 평탄한 것인, 플라즈마 토치.
   
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6. 청구항 1에 있어서,
   상기 내식성 금속은 텅스텐 또는 텅스텐 합금인, 플라즈마 토치.

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