KR102142867B1 - Atmospheric Pressure Plasma Generation Apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는, 유전체 방전 튜브; 상기 유전체 원통 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈; 상기 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원; 제2 공진 주파수를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈; 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원을 포함한다. An atmospheric pressure plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a dielectric discharge tube; An initial discharge induction coil module including an initial discharge induction coil surrounding the dielectric cylindrical tube and having a plurality of windings to generate an atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonant frequency ; A first electrode and a second electrode respectively disposed above and below the initial discharge induction coil to provide an initial discharge seed; DC power supply for applying a DC high voltage between the first electrode and the second electrode; A main discharge induction coil module having a second resonance frequency and receiving an initial discharge generated by the initial discharge induction coil module to generate a main inductively coupled plasma; And an RF power supply for providing RF power to the initial discharge induction coil module and the main discharge induction coil module connected in parallel and changing a driving frequency.

Description

대기압 플라즈마 발생 장치{Atmospheric Pressure Plasma Generation Apparatus}Atmospheric Pressure Plasma Generation Apparatus

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 대기압 또는 대기압 이상에서 방전을 수행하는 유도 결합 플라즈마 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma generating apparatus, and more particularly, to an inductively coupled plasma apparatus that performs discharge at atmospheric pressure or above atmospheric pressure.

유도 결합 플라즈마는 통상적으로 수백 밀리토르(mTorr)의 압력에서 수 MHz의 구동 주파수를 사용하여 형성된다. 그러나, 이러한 유도 결합 플라즈마는 유도 전기장의 세기가 작아 대기압 방전 또는 수백 토르 이상의 압력에서 방전을 수행하기 어렵다. 따라서, 충분한 유도 전기장의 세기가 요구되고 초기 방전을 위한 별도의 수단이 요구된다. 설사, 대기압 방전이 유지되는 경우에도 유전체 튜브의 플라즈마로 부터오는 이온에 의한 열손상 때문에 장시간 방전을 수행할 수 없다.Inductively coupled plasmas are typically formed using a drive frequency of several MHz at a pressure of several hundred milliTorr (mTorr). However, such an inductively coupled plasma has a small intensity of an induced electric field, making it difficult to perform atmospheric discharge or discharge at a pressure of several hundred torr or more. Therefore, sufficient intensity of the induced electric field is required and a separate means for initial discharge is required. Even if the atmospheric pressure discharge is maintained, the discharge cannot be performed for a long time due to thermal damage caused by ions from the plasma of the dielectric tube.

유전체 튜브를 감싸는 유도 코일에 RF 전력을 인가하여 유도 결합 플라즈마 방전을 수행하는 경우, 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브를 가열하고, 상기 유전체 튜브는 가열되어 파손된다. 따라서, 고출력의 유도 결합 플라즈마는 구조적 한계가 있다.When inductively coupled plasma discharge is performed by applying RF power to an induction coil surrounding the dielectric tube, the inductively coupled plasma heats the dielectric tube, and the dielectric tube is heated and damaged. Therefore, the high-power inductively coupled plasma has a structural limitation.

본 발명의 발명자는 한국 등록특허 KR 10-1657303 B1에서 플라즈마의 안정성을 유지하기 위하여 선회 유동(swirl)을 제안하였다. 그러나, 복수의 권선수를 가진 안테나는 방전 시 유도전기장의 증가와 동시에, 안테나 전압이 이온을 튜브벽으로 가속시켜 열데미지를 유발시키므로 대기압 방전에 한계를 가진다.The inventor of the present invention proposed a swirling flow (swirl) in order to maintain the stability of the plasma in Korean Patent Registration KR 10-1657303 B1. However, an antenna having a plurality of windings has a limitation in atmospheric pressure discharge as the induction electric field increases during discharge and the antenna voltage accelerates ions to the tube wall to cause thermal damage.

본 발명의 발명자는 한국 등록특허 KR 0-1826883 B1에서 안테나들 사이에 축전기를 삽입하여 전압 분배 구조를 가지는 유도 결합 플라즈마 발생 장치를 제안하였다. 그러나, 한국 등록특허 KR 0-1826883 B1는 구동 주파수를 공진 조건에서 벗어난 상태에서 초기 방전을 유도하나, 전기장의 세기가 작아 대기압 방전을 안정적으로 점화시키기 어렵다.The inventors of the present invention proposed an inductively coupled plasma generating device having a voltage distribution structure by inserting a capacitor between antennas in Korean Patent Registration KR 0-1826883 B1. However, Korean Patent Registration KR 0-1826883 B1 induces initial discharge when the driving frequency is out of the resonance condition, but it is difficult to stably ignite the atmospheric pressure discharge due to the small intensity of the electric field.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 대기압 또는 수백 토르 이상의 압력에서 안정적인 유도 결합 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다. One technical problem to be solved by the present invention is to provide a plasma generating apparatus that generates stable inductively coupled plasma at atmospheric pressure or a pressure of several hundred torr or more.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는, 유전체 방전 튜브; 상기 유전체 원통 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈; 상기 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극 및 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원; 제2 공진 주파수를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈; 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원을 포함한다. 메인 방전 유도 코일 모듈은, 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들; 상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및 상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들;를 포함하한다. 상기 RF 전원은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 초기 방전을 유도한다. 상기 RF 전원은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 메인 방전을 수행한다.An atmospheric pressure plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention includes: a dielectric discharge tube; An initial discharge induction coil module including an initial discharge induction coil surrounding the dielectric cylindrical tube and having a plurality of windings to generate an atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonant frequency ; A first electrode and a second electrode respectively disposed above and below the initial discharge induction coil to provide an initial discharge seed; DC power supply for applying a DC high voltage between the first electrode and the second electrode; A main discharge induction coil module having a second resonance frequency and receiving an initial discharge generated by the initial discharge induction coil module to generate a main inductively coupled plasma; And an RF power supply for providing RF power to the initial discharge induction coil module and the main discharge induction coil module connected in parallel and changing a driving frequency. The main discharge induction coil module includes: a plurality of unit antennas disposed to be spaced apart from the initial discharge induction coil, disposed on a plurality of placement planes perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube, and connected in series with each other; A first main capacitor and a second main capacitor respectively disposed at both ends of the unit antennas; And auxiliary capacitors connected in series between the unit antennas, respectively. The RF power source induces an initial discharge in the initial discharge induction coil at the first resonant frequency with the help of the DC high voltage. The RF power performs main discharge by changing the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 전압을 감지하는 제1 감지 센서를 더 포함한다. 상기 RF 전원은 상기 제1 감지 센서의 출력을 이용하여 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 감지하고 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 구동 주파수를 변경할 수 있다.In one embodiment of the present invention, it further includes a first detection sensor for sensing a current or voltage flowing through the initial discharge induction coil. The RF power may sense a transition from a power storage coupling mode to an inductive coupling mode using the output of the first detection sensor and change a driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극은 상기 초기 방전 유도 코일의 상부에 배치되고 양의 DC 고전압으로 대전될 수 있다. 상기 제2 전극은 상기 초기 방전 유도 코일의 하부에 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 "C" 자 형태이고 음의 DC 고전압으로 대전될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the first electrode may be disposed above the initial discharge induction coil and charged with a positive DC high voltage. The second electrode is disposed under the initial discharge induction coil and has a "C" shape so as to surround the dielectric discharge tube, and may be charged with a negative DC high voltage.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 DC 전원은, 상용 전원을 DC 전압으로 변환하는 AC-DC 변환기; 상기 DC 전압을 제공받아 양의 DC 고전압 펄스와 음의 DC 고전압 펄스를 생성하는 고전압 펄스 발생기; 및 상기 고전압 펄스 발생기를 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the DC power supply includes: an AC-DC converter converting commercial power into a DC voltage; A high voltage pulse generator that receives the DC voltage and generates a positive DC high voltage pulse and a negative DC high voltage pulse; And a controller controlling the high voltage pulse generator.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고전압 펄스 발생기는, 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스퍼머; 상기 제1 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트렌지스터; 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스퍼머; 및 상기 제2 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트렌지스터를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 제1 전력 트렌지스터와 상기 제2 전력 트렌지스터의 게이트를 제어할 수 있다. 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 양의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지될 수 있다. 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 음의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the high voltage pulse generator includes: a first transformer including a primary coil receiving the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil generating a positive DC high voltage pulse; A first power transistor connected to the primary coil of the first transformer; A second transformer including a primary coil receiving the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil generating a negative DC high voltage pulse; And a second power transistor connected to the primary coil of the second transformer. The controller may control gates of the first power transistor and the second power transistor. One end of the secondary coil of the first transformer may output a positive DC high voltage pulse, and the other end of the secondary coil of the first transformer may be grounded. One end of the secondary coil of the second transformer may output a negative DC high voltage pulse, and the other end of the secondary coil of the second transformer may be grounded.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일은 솔레노이드 형태이고, 복층으로 감길 수 있다.In one embodiment of the present invention, the initial discharge induction coil has a solenoid shape and may be wound in a double layer.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일은 내부 솔레노이드 코일, 중간 솔레노이드 코일, 외부 솔레노이드 코일의 3층 구조일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the initial discharge induction coil may have a three-layer structure of an internal solenoid coil, an intermediate solenoid coil, and an external solenoid coil.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 축전기은 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 각각 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the initial discharge capacitor may be disposed at both ends of the initial discharge induction coil.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나를 구성하는 코일의 단면은 사각형일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the cross section of the coil constituting the unit antenna may be a square.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는, 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 배치 평면에서 상기 유전체 방전 튜브와 접촉하여 배치되고 루프를 형성하는 제1 안테나; 상기 제1 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제2 안테나; 및 상기 제2 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제3 안테나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the unit antenna includes: a first antenna disposed in contact with the dielectric discharge tube in a plane perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube and forming a loop; A second antenna disposed to surround the first antenna and forming a loop; And a third antenna disposed to surround the second antenna and forming a loop.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나들은 서로 다른 배치 평면에 배치되고 10 개일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the number of unit antennas may be 10 and are disposed on different placement planes.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나들은 5개의 단위 안테나들을 포함하는 제1 그룹과 다른 5 개의 단위 안테나들을 포함하는 제2 그룹으로 구분될 수 있다. 상기 제1 그룹을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치되고, 상기 제2 그룹을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the unit antennas may be divided into a first group including five unit antennas and a second group including other five unit antennas. The unit antennas constituting the first group may be disposed at 72° intervals along the azimuth direction, and the unit antennas constituting the second group may be disposed at 72° intervals along the azimuth direction.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는 동일한 배치 평면에 배치되는 복수의 권선을 포함하고, 복수의 권선을 절연시키는 "ㅛ"자 형상의 절연 스페이서를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the unit antenna may include a plurality of windings disposed on the same arrangement plane, and may further include an insulating spacer having a "W" shape to insulate the plurality of windings.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수는 0.2 MHz 이상 이격될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first resonance frequency and the second resonance frequency may be separated by 0.2 MHz or more.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 공진 주파수는 상기 제2 공진 주파수보다 클 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first resonance frequency may be greater than the second resonance frequency.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 메인 축전기의 정전 용량은 상기 제2 메인 축전기의 정전 용량과 동일하고, 상기 제1 메인 축전기의 정전 용량은 상기 보조 축전기의 정전 용량의 2 배일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the capacitance of the first main capacitor may be the same as that of the second main capacitor, and the capacitance of the first main capacitor may be twice the capacitance of the auxiliary capacitor. .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 유도되는 제1 전압 강하는 상기 제2 공진 주파수에서 상기 단위 안테나에 유도되는 제2 전압 강하보다 클 수 있다.In an embodiment of the present invention, a first voltage drop induced in the initial discharge induction coil at the first resonance frequency may be greater than a second voltage drop induced in the unit antenna at the second resonance frequency.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합은 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스보다 클 수 있다.In an embodiment of the present invention, the sum of the inductances of the plurality of unit antennas may be greater than the inductance of the initial discharge induction coil.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 동작 방법은, 유전체 방전 튜브에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극에 DC 고전압을 인가하여 초기 방전 시드를 제공하는 단계; 상기 유전체 원통 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈에 상기 제1 공진 주파수의 교류 전력을 제공하여 초기 방전을 수행하는 단계; 상기 초기 방전 유도 코일 모듈과 병렬 연결된 메인 방전 유도 코일 모듈에 상기 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수의 교류 전력을 제공하여 상기 초기 방전으로부터 메인 유도 결합 플라즈마를 유도하는 단계;를 포함한다.An operating method of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention includes the steps of applying a DC high voltage to a first electrode and a second electrode disposed to be spaced apart from each other in a dielectric discharge tube to provide an initial discharge seed; An initial discharge induction coil module including an initial discharge induction coil surrounding the dielectric cylindrical tube and having a plurality of windings to generate an atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonant frequency Performing initial discharge by providing AC power of the first resonance frequency to the device; And inducing a main inductively coupled plasma from the initial discharge by providing AC power having a second resonance frequency different from the first resonance frequency to a main discharge induction coil module connected in parallel with the initial discharge induction coil module.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전압 강하를 감지하는 단계;를 더 포함한다. 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전압 강하가 문턱값 이상인 경우, RF 전원은 상기 구동 주파수를 변경하여 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 상기 단위 안테나들에서 메인 방전을 수행할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the method further includes: sensing a current flowing through the initial discharge induction coil or a voltage drop applied to both ends of the initial discharge induction coil. When the current flowing through the initial discharge induction coil or the voltage drop applied to both ends of the initial discharge induction coil is greater than or equal to a threshold value, the RF power source changes the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency. Main discharge may be performed in the unit antennas.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 메인 방전 유도 코일 모듈은, 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들; 상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및 상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들;을 포함한다. RF 전원은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 초기 방전을 유도할 수 있다. 상기 RF 전원은 상기 구동 주파수를 변경하여 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 상기 단위 안테나들에서 메인 방전을 수행할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the main discharge induction coil module is disposed to be spaced apart from the initial discharge induction coil, the dielectric discharge tube is disposed on a plurality of placement planes perpendicular to a central axis, and connected in series with each other. A plurality of unit antennas; A first main capacitor and a second main capacitor respectively disposed at both ends of the unit antennas; And auxiliary capacitors connected in series between the unit antennas, respectively. The RF power may induce initial discharge in the initial discharge induction coil at the first resonance frequency with the help of the DC high voltage. The RF power may change the driving frequency from the first resonant frequency to the second resonant frequency to perform main discharge in the unit antennas.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는 시드 발생용 전극, 이그니션에 유리한 초기 방전 유도 코일, 그리고 방전 유지에 유리한 메인 방전 유도 코일 모듈을 이용하여 대기압 또는 그 이상의 압력에서 안정적인 플라즈마 발생을 수행할 수 있다.Atmospheric pressure plasma generation apparatus according to an embodiment of the present invention performs stable plasma generation at atmospheric pressure or higher pressure using an electrode for seed generation, an initial discharge induction coil advantageous for ignition, and a main discharge induction coil module advantageous for discharging maintenance. can do.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 응용예를 나타내는 개념도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작을 나타내는 개념도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2a의 대기압 플라즈마 장치를 회로적으로 표시한 개념도이다.
도 4는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작에서 초기 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.
도 5는 도 2b의 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작에서 메인 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치 관계를 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들 절연 상태를 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극과 제2 전극의 배치 관계를 나타내는 절단 사시도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 전원을 나타내는 회로도이다.
도 11은 도 10의 고전압 펄스 발생기를 설명하는 회로도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 유도 코일 모듈을 설명하는 단면도이다.
도 13은 도 12의 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.
도 14는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드와 메인 방전 모드를 나타내는 타이밍도이다.
1 is a conceptual diagram showing an application example of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.
2A is a conceptual diagram illustrating an initial discharge operation of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.
2B is a conceptual diagram illustrating a main discharge operation of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.
3 is a conceptual diagram showing the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A in a circuit diagram.
4 is a conceptual diagram showing voltage distribution applied to an initial discharge induction coil module in an initial discharge operation of the atmospheric pressure plasma apparatus of FIG. 2A.
5 is a conceptual diagram showing voltage distribution applied to the main discharge induction coil module in the main discharge operation of the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2B.
6 is a plan view showing an arrangement relationship of unit antennas of a main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
7 is a plan view illustrating a unit antenna of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
8 is a cross-sectional view illustrating an insulation state of unit antennas of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
9 is a cut perspective view illustrating an arrangement relationship between a first electrode and a second electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
10 is a circuit diagram showing a DC power supply according to another embodiment of the present invention.
11 is a circuit diagram illustrating the high voltage pulse generator of FIG. 10.
12 is a cross-sectional view illustrating a main discharge induction coil module of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
13 is a plan view illustrating an arrangement relationship of unit antennas of the main discharge induction coil module of FIG. 12.
FIG. 14 is a diagram showing an equivalent circuit for explaining the initial discharge mode of the atmospheric pressure plasma generating device of FIG. 12;
FIG. 15 is a diagram showing an equivalent circuit for explaining the main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12;
16 is a timing diagram showing an initial discharge mode and a main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 유전체 방전 튜브에 배치된 한 쌍의 전극, 초기 방전 유도 코일 모듈, 및 메인 방전 유도 코일 모듈을 포함한다. 초기 방전 유도 코일 모듈 및 메인 방전 유도 코일 모듈은 RF 전원에 병렬 연결되고, RF 전원은 공진 주파수에 따라 선택적으로 RF 전력을 초기 방전 유도 코일 모듈 또는 메인 방전 유도 코일 모듈에 제공한다.A plasma generating device according to an embodiment of the present invention includes a pair of electrodes disposed on a dielectric discharge tube, an initial discharge induction coil module, and a main discharge induction coil module. The initial discharge induction coil module and the main discharge induction coil module are connected in parallel to the RF power supply, and the RF power supply selectively provides RF power to the initial discharge induction coil module or the main discharge induction coil module according to the resonance frequency.

초기 방전 모듈은 이그니션에 유리한 안테나를 구비하고, 메인 방전 모듈은 방전 유지에 유리한 안테나 특성을 가진다. 서로 병렬로 연결된 초기 방전 모듈과 메인 방전 모듈은 구동 주파수에 따라 서로 다른 임피던스 특성을 가진다. 초기 방전 모듈은 제1 공진 주파수를 가지며, 메인 방전 모듈은 제2 공진 주파수를 가진다. 제1 공진 주파수로 전류를 흘리면, 초기 방전 모듈로 전류가 주로 흐르게 된다. 공진이 아닌 루트는 제1 공진 주파수에서 임피던스가 상대적으로 커서 전류가 상대적으로 적게 흐른다. 제2 공진 주파수로 전류를 흘리면, 메인 방전 모듈로 전류가 주로 흐르게 된다. 방전 모듈이 3개 이상이더라도, 각 방전 모듈 별로 다른 공진 주파수를 부여하면, 원하는 방전 모듈로 전류를 부여할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 넓은 실 저항 범위에서 임피던스 매칭을 수행할 수 있고, 넓은 방전 제어 범위 (유량, power, 압력)를 구현할 수 있고, 다양한 용도의 방전 모듈에 전류를 스위칭하여 방전 기능을 변경할 수 있다. The initial discharge module has an antenna that is advantageous for ignition, and the main discharge module has antenna characteristics that are advantageous for maintaining discharge. The initial discharge module and the main discharge module connected in parallel have different impedance characteristics according to the driving frequency. The initial discharge module has a first resonance frequency, and the main discharge module has a second resonance frequency. When the current flows at the first resonance frequency, the current mainly flows to the initial discharge module. A route other than resonance has a relatively large impedance at the first resonance frequency, so that a relatively small current flows. When the current flows at the second resonance frequency, the current mainly flows to the main discharge module. Even if there are three or more discharging modules, if different resonant frequencies are provided for each discharging module, current may be applied to a desired discharging module. Accordingly, the present invention can perform impedance matching in a wide range of actual resistance, can implement a wide discharge control range (flow rate, power, pressure), and change the discharge function by switching current to a discharge module for various purposes. have.

상기 한 쌍의 전극은 초기 방전 모듈의 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 대기압에서 DC 전압을 인가하여 초기 방전을 수행하기 위한 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 정전 수직 전기장(E_ig)을 생성하고, 시드 전하를 발생시킨다. The pair of electrodes are disposed above and below the initial discharge induction coil of the initial discharge module, respectively, and apply a DC voltage at atmospheric pressure to perform the initial discharge in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube (E_ig). And generate a seed charge.

초기 방전 유도 코일 모듈은 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되고 상기 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결된 초기 방전 축전기를 포함한다. 상기 메인 방전 모듈과 상기 초기 방전 모듈은 병렬 연결된다. 상기 초기 방전 유도 코일 모듈은 제1 공진 주파수를 가지며, RF 전원으로부터 초기 방전 모드에서 상기 제1 공진 주파수의 RF 전력을 제공받아 초기 방전을 수행한다. 상기 메인 방전 모듈은 상기 제1 공진 주파수에서 높은 임피던스에 기인하여 방전을 수행하지 않는다. 상기 초기 방전 유도 코일에 의한 플라즈마는 축전 결합 모드(또는 E 모드)에서 유도 결합 모드(또는 H 모드)로 천이한다. 축전 결합 모드(또는 E 모드)에서 상기 초기 방전 유도 코일은 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 높은 전위차를 발생시키어 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 수직 전기장(E_z)을 생성할 수 있다. 유도 결합 모드(또는 H 모드)로 천이한 후에, 플라즈마 실저항은 증가하고 상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 제1 전류는 감소한다.The initial discharge induction coil module is disposed between the pair of electrodes and includes the initial discharge induction coil and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil. The main discharge module and the initial discharge module are connected in parallel. The initial discharge induction coil module has a first resonant frequency and receives RF power of the first resonant frequency in an initial discharge mode from an RF power source to perform initial discharge. The main discharge module does not discharge due to a high impedance at the first resonance frequency. Plasma by the initial discharge induction coil transitions from the capacitive coupling mode (or E mode) to the inductive coupling mode (or H mode). In the capacitive coupling mode (or E mode), the initial discharge induction coil generates a high potential difference at both ends of the initial discharge induction coil at a first resonant frequency. A vertical electric field E_z may be generated in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube. After transitioning to the inductive coupling mode (or H mode), the actual plasma resistance increases and the first current flowing through the initial discharge induction coil decreases.

상기 메인 방전 모듈은 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 복수의 배치 평면들에 각각 배치되는 서로 직렬 연결되는 단위 안테나들, 상기 단위 안테나들의 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및 상기 단위 안테나들 사이에 직렬 연결된 보조 축전기;를 포함한다. 상기 메인 방전 모듈과 상기 초기 방전 모듈은 병렬 연결된다. 상기 메인 방전 모듈은 제2 공진 주파수를 가진다. 상기 초기 방전 유도 코일에 의하여 축전 결합 모드(또는 E 모드)에서 상기 유도 결합 모드(또는 H 모드)로 천이한 경우, 상기 RF 전원은 구동 주파수를 제1 공진 주파수에서 제2 공진 주파수로 변경한다. 동시에 DC 전압을 상기 한 쌍의 전극에서 제거한다. 이에 따라, 상기 초기 방전 모듈은 높은 임피던스에 기인하여 전류가 흐르지 않아 방전을 수행하지 않고, 상기 메인 방전 모듈은 낮은 임피던스에 기인하여 전류가 흐르고 유도 결합 플라즈마를 안정적으로 발생시킨다. The main discharging module includes unit antennas connected in series with each other disposed spaced apart from the initial discharging induction coil and disposed on a plurality of placement planes, respectively, a first main capacitor and a second main capacitor disposed at both ends of the unit antennas respectively ; And an auxiliary capacitor connected in series between the unit antennas. The main discharge module and the initial discharge module are connected in parallel. The main discharge module has a second resonant frequency. When transitioning from the capacitive coupling mode (or E mode) to the inductive coupling mode (or H mode) by the initial discharge induction coil, the RF power source changes the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency. At the same time, the DC voltage is removed from the pair of electrodes. Accordingly, the initial discharge module does not perform discharge because current does not flow due to a high impedance, and the main discharge module stably generates an inductively coupled plasma through current flow due to a low impedance.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art. In the drawings, components are exaggerated for clarity. Parts denoted by the same reference numerals throughout the specification represent the same elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 응용예를 나타내는 개념도이다.1 is a conceptual diagram showing an application example of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 진공 용기(92) 내부에 기판 홀더(93)를 구비하고, 상기 기판 홀더(93) 상에 배치된 기판(94)에 증착 공정, 식각 공정, 확산 공정, 또는 이온 주입 공정을 수행할 수 있다. 상기 진공 용기(92)는 진공 펌프(95)에 의하여 배기되고, 배기 가스는 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 통하여 정재 처리되어 외부로 배출된다. 상기 배기 가스는 미세 입자, 맹독성 가스, 온실 가스와 같은 오염 물질을 포함한다.. Referring to FIG. 1, a substrate processing apparatus 10 includes a substrate holder 93 in a vacuum container 92, and a deposition process, an etching process, and a substrate 94 disposed on the substrate holder 93 are provided. A diffusion process or an ion implantation process may be performed. The vacuum container 92 is evacuated by the vacuum pump 95, and the exhaust gas is purified through the atmospheric pressure plasma generating device 100 to be discharged to the outside. The exhaust gas contains pollutants such as fine particles, highly toxic gases, and greenhouse gases.

상기 배기 가스는 가스 스크러버를 통하여 정재된 후 배출된다. 가스 스크러버는 연소식 또는 플라즈마 방식을 포함한다.The exhaust gas is discharged after being purified through a gas scrubber. Gas scrubbers include combustion type or plasma type.

상압 방전 플라즈마 방식은 고전압 평판 플라즈마 방식과 아크토치 방식, 그리고 유도가열 플라즈마 방식을 예로 들 수 있다. 고전압 평판형 플라즈마의 경우, 높은 방전 유지능력을 가지지만, 높은 동작 압력에서 낮은 플라즈마 밀도, 및 고온 조건을 형성하기 어렵다. 따라서, 열화학적 분해에 의한 유해 물질 제거 효과가 낮다. The atmospheric discharge plasma method may include a high voltage flat plate plasma method, an arc torch method, and an induction heating plasma method. In the case of a high voltage flat plate type plasma, it has a high discharge holding ability, but it is difficult to form a low plasma density and high temperature condition at a high operating pressure. Therefore, the effect of removing toxic substances by thermochemical decomposition is low.

한편, 아크 토치와 같은 고온 플라즈마는 높은 반응 온도를 제공하나, 처리 가스가 플라즈마 내부로 직접 분사되지 않아 분해 효율이 감소하고, 아크 발생을 위한 전극의 내구성이 취약하다.On the other hand, a high-temperature plasma such as an arc torch provides a high reaction temperature, but since the processing gas is not directly injected into the plasma, the decomposition efficiency decreases, and the durability of the electrode for generating an arc is weak.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치는 100 토르이상의 압력에서 유도 결합 플라즈마를 이용하여 높은 플라즈마 밀도 (10^16/cm^3) 및 높은 가스 온도(섭씨 3000도)를 구현할 수 있다. 따라서, 상기 대기압 플라즈마 장치는 진공 펌프의 후단에 배치되어 대기압 하에서 수십 slm(Standard liter per Minute) 이상의 가스에 섞여 흐르는 유해가스를 분해하여 처리할 수 있다. 상기 유해 가스는 CxFy 나 SxFy 가스 일 수 있다. 본 발명은 통상적으로 대기압 방전이 어려운 CxFy 가스를 대기압에서 유도 결합 방전을 수행할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치는 CO2 개질(CO2 reforming)과 같은 공정에 사용될 수 있다.Atmospheric pressure plasma apparatus according to an embodiment of the present invention can implement a high plasma density (10^16/cm^3) and a high gas temperature (3000 degrees Celsius) by using inductively coupled plasma at a pressure of 100 Torr or more. Accordingly, the atmospheric pressure plasma device may be disposed at the rear end of the vacuum pump to decompose and treat harmful gas that is mixed with gas of several tens of slm (Standard liter per minute) or more under atmospheric pressure. The harmful gas may be CxFy or SxFy gas. In the present invention, it is possible to perform inductively coupled discharge at atmospheric pressure of CxFy gas, which is difficult to discharge at atmospheric pressure. The atmospheric pressure plasma apparatus according to an embodiment of the present invention may be used in processes such as CO2 reforming.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작을 나타내는 개념도이다.2A is a conceptual diagram illustrating an initial discharge operation of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.

도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작을 나타내는 개념도이다.2B is a conceptual diagram illustrating a main discharge operation of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2a의 대기압 플라즈마 장치를 회로적으로 표시한 개념도이다.3 is a conceptual diagram showing the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A in a circuit diagram.

도 4는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작에서 초기 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.4 is a conceptual diagram showing voltage distribution applied to an initial discharge induction coil module in an initial discharge operation of the atmospheric pressure plasma apparatus of FIG. 2A.

도 5는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작에서 메인 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.5 is a conceptual diagram showing a voltage distribution applied to a main discharge induction coil module in a main discharge operation of the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치 관계를 나타내는 평면도이다.6 is a plan view showing an arrangement relationship of unit antennas of a main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나를 나타내는 평면도이다.7 is a plan view illustrating a unit antenna of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들 절연 상태를 나타내는 단면도이다.8 is a cross-sectional view illustrating an insulation state of unit antennas of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극과 제2 전극의 배치 관계를 나타내는 절단 사시도이다.9 is a cut perspective view illustrating an arrangement relationship between a first electrode and a second electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2 내지 도 9를 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(100)는, 유전체 방전 튜브(140); 상기 유전체 원통 튜브(140)를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일(120) 및 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수(fa)를 제공하는 초기 방전 축전기(122a,122b)를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈(102); 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극(114) 및 제2 전극(116); 상기 제1 전극(114)과 상기 제2 전극(116) 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원(112); 제2 공진 주파수(fb)를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(103); 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102) 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원(150)을 포함한다. 2 to 9, the atmospheric pressure plasma generating apparatus 100 includes a dielectric discharge tube 140; An initial discharge induction coil 120 that surrounds the dielectric cylindrical tube 140 and has a plurality of windings and generates an atmospheric pressure initial discharge and is connected in series with the initial discharge induction coil 120 to provide a first resonance frequency fa The initial discharge induction coil module 102 including the initial discharge capacitors (122a, 122b); A first electrode 114 and a second electrode 116 disposed above and below the initial discharge induction coil 120 to provide an initial discharge seed; A DC power supply (112) applying a DC high voltage between the first electrode (114) and the second electrode (116); A main discharge induction coil module 103 receiving an initial discharge generated by the initial discharge induction coil module 102 with a second resonance frequency fb to generate a main inductively coupled plasma; And an RF power supply 150 for providing RF power to the initial discharge induction coil module 102 and the main discharge induction coil module 103 connected in parallel and changing a driving frequency.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은, 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(140)의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들(132); 상기 단위 안테나들(132) 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b); 및 상기 단위 안테나들(132) 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들(134);을 포함한다.The main discharge induction coil module 103 is disposed to be spaced apart from the initial discharge induction coil 120 and disposed on a plurality of placement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 140 and connected in series with each other. A plurality of unit antennas 132; A first main capacitor (133a) and a second main capacitor (133b) disposed at both ends of the unit antennas 132, respectively; And auxiliary capacitors 134 connected in series between the unit antennas 132, respectively.

상기 RF 전원(150)은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 초기 방전을 유도한다. 상기 RF 전원(150)은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 제2 공진 주파수(fb)로 변경하여 메인 방전을 수행한다.The RF power supply 150 induces an initial discharge in the initial discharge induction coil 120 at the first resonance frequency fa with the help of the DC high voltage. The RF power supply 150 performs main discharge by changing the driving frequency from the first resonance frequency fa to the second resonance frequency fb.

대기압 유도 결합 플라즈마는 낮은 유도 전기장에 기인하여 이그니션 ( 또는 초기 방전)을 발생시키기 어렵다. 따라서, 안정적인 초기 방전을 위하여, 제1 전극(114) 및 제2 전극(116)에 의한 DC 방전의 도움을 받는다. 한편, DC 방전은 높은 플라즈마 밀도를 형성하기 어렵다. 유전체 방전 튜브의 외측에 배치된 전극은 높은 전기장(E_ig)에 의하여 유전체 방전 튜브(140)를 손상시킨다. Atmospheric pressure inductively coupled plasma is difficult to generate ignition (or initial discharge) due to the low induced electric field. Therefore, for stable initial discharge, the DC discharge by the first electrode 114 and the second electrode 116 is assisted. On the other hand, DC discharge is difficult to form a high plasma density. An electrode disposed outside the dielectric discharge tube damages the dielectric discharge tube 140 by a high electric field E_ig.

초기 방전 유도 코일(120)은 DC 방전에 의한 시드 전하의 도움으로 초기 유도 결합 플라즈마를 발생시킨다. 이를 위하여 유전체 방전 튜브(140)의 중심축 방향의 강한 정전 수직 전기장(E_z)이 요구된다. 이러한 강한 정전 수직 전기장(E_z)은 초기 방전 유도 코일의 구조에 의존한다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 축전 결합 모드를 발생시킬 수 있다. 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 높은 전위차(Va)에 의하여 발생될 수 있다. 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)에 비례할 수 있다. 그러나, 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)가 너무 크면 높은 임피던스에 의하여, RF 전원(150)의 전력은 부하 (초기 방전 유도 코일)에 효율적으로 전달되지 않는다. 따라서, 초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수(fa)를 제공한다. 상기 RF 전원(150)이 상기 제1 공진 주파수에서 동작하면, 상기 RF 전원의 출력단에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)을 바라본 임피던스(Za)의 허수부는 제거될 수 있다. 따라서, 상기 RF 전원(150)은 안정적으로 RF 전력을 상기 초기 방전 유도 코일에 전달할 수 있다. 또한, 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 높은 인덕턴스를 가지므로, 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 양단에 높은 전위차(Va)가 유도되어, 상기 정전 수직 전기장(E_z)은 축전 결합 모드를 발생시킬 수 있다. 상기 축전 결합 모드에서는, 상기 유전체 방전 튜브(140)의 중심축 방향으로 스트리머 방전이 국부적으로 형성된다. The initial discharge induction coil 120 generates an initial inductively coupled plasma with the help of a seed charge by DC discharge. For this, a strong electrostatic vertical electric field E_z in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube 140 is required. This strong electrostatic vertical electric field E_z depends on the structure of the initial discharge induction coil. The electrostatic vertical electric field E_z of the initial discharge induction coil 120 may generate a capacitive coupling mode. The electrostatic vertical electric field E_z may be generated by a high potential difference Va applied to both ends of the initial discharge induction coil. The electrostatic vertical electric field E_z may be proportional to the inductance La of the initial discharge induction coil 120. However, if the inductance La of the initial discharge induction coil 120 is too large, the power of the RF power supply 150 is not efficiently transferred to the load (initial discharge induction coil) due to high impedance. Accordingly, the initial discharge capacitors 122a and 122b are connected in series with the initial discharge induction coil 120 to provide a first resonant frequency fa. When the RF power supply 150 operates at the first resonance frequency, the imaginary part of the impedance Za viewed from the initial discharge induction coil 120 from the output terminal of the RF power source may be removed. Accordingly, the RF power supply 150 may stably transmit RF power to the initial discharge induction coil. In addition, since the initial discharge induction coil 120 has a high inductance, a high potential difference Va is induced at both ends of the initial discharge induction coil 120, and the electrostatic vertical electric field E_z generates a capacitive coupling mode. I can make it. In the capacitive coupling mode, streamer discharge is locally formed in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube 140.

상기 축전 결합 모드에 의하여 플라즈마가 충분히 발생한 경우, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 제1 전류(Ia)에 의하여 방위각 방향의 유도 전기장(E_a_ind)이 생성된다. 상기 유도 전기장(E_a_ind)에 의하여 플라즈마는 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이(transition)한다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 유도 결합 모드에서, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브(140) 내에서 전체적으로 발생된다. 상기 유도 결합 모드에서, 상기 초기 방전 유도 코일을 통하여 흐르는 제1 전류(Ia) 및 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 걸리는 전위차(Va)는 축전 결합 모드에 비하여 감소한다. When plasma is sufficiently generated by the capacitive coupling mode, an induced electric field E_a_ind in an azimuth direction is generated by the first current Ia flowing through the initial discharge induction coil 120. Plasma transitions from the capacitive coupling mode to the inductive coupling mode by the induced electric field E_a_ind. In the inductive coupling mode by the initial discharge induction coil 120, plasma is entirely generated within the dielectric discharge tube 140. In the inductive coupling mode, a first current Ia flowing through the initial discharge induction coil and a potential difference Va applied to both ends of the initial discharge induction coil decrease compared to the capacitive coupling mode.

그러나, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 유도 결합 모드는 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 높은 인덕턴스(La)에 의하여 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 여전히 높은 전위차를 유지한다. 따라서, 일정한 플라즈마 포텐션(plasma potential)을 가지는 플라즈마와 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이에는 플라즈마 시스(plasma sheath)가 형성되고, 이온들이 상기 플라즈마 시스(plasma sheath)를 통하여 상기 유전체 방전 튜브(120)의 내벽으로 가속된다. 이에 따라, 상기 유전체 방전 튜브(120)는 열에 의하여 파손되고 방전 효율이 감소된다. However, in the inductive coupling mode by the initial discharge induction coil 120, a high potential difference is still maintained at both ends of the initial discharge induction coil due to the high inductance La of the initial discharge induction coil 120. Therefore, a plasma sheath is formed between the plasma having a constant plasma potential and the initial discharge induction coil 120, and ions pass through the plasma sheath, and the dielectric discharge tube ( 120) is accelerated to the inner wall. Accordingly, the dielectric discharge tube 120 is damaged by heat and discharge efficiency is reduced.

본 발명은 이러한 문제점을 극복하고자 초기 방전에 최적화된 초기 방전 유도 코일(120)과 유전체 방전 튜브의 열 파손을 억제하고 방전 효율을 증가시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(103)이 사용된다. 초기 방전 단계에서는 RF 전력이 초기 방전 유도 코일(120)로 유입되어 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 발생시킨다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 발생된 다량의 하전 입자를 사용하여 축전 결합 모드를 거치지 않고 바로 유도 결합 모드의 플라즈마를 발생시킨다.In the present invention, in order to overcome this problem, an initial discharge induction coil 120 optimized for initial discharge and a main discharge induction coil module 103 that suppresses thermal damage of the dielectric discharge tube and increases discharge efficiency are used. In the initial discharging stage, RF power is introduced into the initial discharging induction coil 120 to cause a transition from the capacitive coupling mode to the inductive coupling mode. The main discharge induction coil module 103 uses a large amount of charged particles generated by the initial discharge induction coil 120 to directly generate plasma in the inductive coupling mode without going through the capacitive coupling mode.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)과 다른 전기적 특성 및 방전 특성을 가진다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 메인 방전 유도 코일 모듈을 구성하는 복수의 단위 안테나들(132)을 포함한다. 상기 안테나들(132)은 서로 다른 배치 평면에 배치되어 서로 적층되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치된다. The main discharge induction coil module 103 has electrical characteristics and discharge characteristics different from those of the initial discharge induction coil module 102. The main discharge induction coil module 103 includes a plurality of unit antennas 132 constituting the main discharge induction coil module. The antennas 132 are disposed on different placement planes, stacked on each other, and disposed to surround the dielectric discharge tube.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 상기 초기 방전 유도 코일 없이 단독으로는 동작하기 어렵다. 하지만, 상기 초기 방전 유도 코일이 유도 결합 모드로 천이한 후, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 제1 전류(Ia)가 제거됨과 동시에, 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 제2 전류(Ib)가 흐른다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 축전 결합 모드를 거치지 않고 바로 유도 결합 모드에서 안정적으로 방전할 수 있다. 단위 안테나들(132) 각각에 인가되는 제2 전위차(Vb)는 전압 분배에 의하여 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 양단에 걸리는 전위차(Va)보다 작다. 단위 안테나들(132)의 인덕턴스의 총합(Lb)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)보다 크다. 따라서, 유도 전기장(E_b_ind)의 세기가 크며, 플라즈마 시스의 전위차 작아, 유전체 방전 튜브(140)의 열 파손이 억제되고, 방전 효율이 증가된다.The main discharge induction coil module 103 is difficult to operate alone without the initial discharge induction coil. However, after the initial discharge induction coil transitions to the inductive coupling mode, the first current Ia flowing through the initial discharge induction coil 120 is removed, and a second current in the main discharge induction coil module 103 (Ib) flows. The main discharge induction coil module 103 can stably discharge in the inductive coupling mode immediately without going through the capacitive coupling mode. The second potential difference Vb applied to each of the unit antennas 132 is smaller than the potential difference Va applied to both ends of the initial discharge induction coil 120 by voltage distribution. The sum Lb of the inductances of the unit antennas 132 is greater than the inductance La of the initial discharge induction coil 120. Accordingly, the intensity of the induced electric field E_b_ind is large, the potential difference of the plasma sheath is small, thermal breakage of the dielectric discharge tube 140 is suppressed, and discharge efficiency is increased.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은, 상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(140)를 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들(132); 상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b); 및 상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들(134);를 포함한다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 제2 공진 주파수(fb)를 가지며, 상기 단위 안테나들(132)의 개수에 비례하여, 전압 분배를 수행한다. 이에 따라, 유전체 방전 튜브의 열 손상이 억제되고, 방전 효율이 증가된다. The main discharge induction coil module 103 is arranged to be spaced apart from the initial discharge induction coil, the dielectric discharge tube 140 is disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to a central axis, and a plurality of units connected in series with each other Antennas 132; A first main capacitor (133a) and a second main capacitor (133b) disposed at both ends of the unit antennas; And auxiliary capacitors 134 connected in series between the unit antennas, respectively. The main discharge induction coil module 103 has a second resonant frequency fb and performs voltage distribution in proportion to the number of the unit antennas 132. Accordingly, thermal damage to the dielectric discharge tube is suppressed, and discharge efficiency is increased.

RF 전원(150)은 구동 주파수를 변경할 수 있으며, 서로 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)과 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 RF 전력을 선택적으로 공급할 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)에서, 상기 RF 전원(150)은 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 주로 전력을 공급한다. 한편, 제2 공진 주파수(fb)에서, 상기 RF 전원(150)은 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 주로 전력을 공급한다. The RF power supply 150 may change a driving frequency and selectively supply RF power to the initial discharge induction coil module 102 and the main discharge induction coil module 103 connected in parallel with each other. At the first resonant frequency fa, the RF power supply 150 mainly supplies power to the initial discharge induction coil module 102. Meanwhile, at the second resonant frequency fb, the RF power supply 150 mainly supplies power to the main discharge induction coil module 103.

유전체 방전 튜브(140)는 원통형 유전체 방전 튜브일 수 있다. 구체적으로, 상기 유전체 방전 튜브(140)의 재질은 세라믹, 사파이어, 혹은 쿼츠일 수 있다. 상기 세라믹은 알루미나 또는 AlN일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 외경은 수 센치미터 내지 수십 센치미터일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 내경은 외경보다 수 미리미터 내지 수십 미리미터 작을 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 길이는 수 센치미터 내지 수 미터일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 양단은 상부 플랜지(142)와 하부 플랜지(144)와 각각 결합하여 밀봉될 수 있다. 상기 하부 플랜지(144)는 기판 처리 장치(10)의 배기 가스를 공정 가스로 공급받을 수 있다.The dielectric discharge tube 140 may be a cylindrical dielectric discharge tube. Specifically, the material of the dielectric discharge tube 140 may be ceramic, sapphire, or quartz. The ceramic may be alumina or AlN. The outer diameter of the dielectric discharge tube 140 may be several centimeters to tens of centimeters. The inner diameter of the dielectric discharge tube 140 may be several to tens of mm smaller than the outer diameter. The length of the dielectric discharge tube 140 may be several centimeters to several meters. Both ends of the dielectric discharge tube 140 may be sealed by coupling with the upper flange 142 and the lower flange 144, respectively. The lower flange 144 may receive the exhaust gas of the substrate processing apparatus 10 as a process gas.

도 9를 참조하면, 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 유전체 방전 튜브(120)의 길이 방향에 대하여 단위 길이당 권선수를 최대화할 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 다층 구조의 솔레노이드 코일일 수 있다. 구체적으로, 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 솔레노이드 형태이고, 복층으로 감길 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 내측 솔레노이드 코일(120a), 중간 솔레노이드 코일(120b), 외측 솔레노이드 코일(120c)의 3층 구조일 수 있다. 상기 내측 솔레노이드 코일(120a)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸는 4턴일 수 있다. 상기 중간 솔레노이드 코일(120b)은 상기 내측 솔레노이드 코일을 감싸는 4턴일 수 있다. 상기 외측 솔레이드 코일(120c)은 상기 중간 솔레노이드 코일(120b)을 감싸는 3턴일 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 내부에 자기장을 보강 간섭하도록 감길 수 있다. 예를 들어, 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)는 8uH 일 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 구리 파이프로 형성되고, 상기 초기 방전 유도 코일의 내부에는 냉매가 흐를 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일을 구성하는 파이프의 단면은 원형일 수 있다.Referring to FIG. 9, the initial discharge induction coil 120 may maximize the number of windings per unit length in the length direction of the dielectric discharge tube 120. The initial discharge induction coil 120 may be a solenoid coil having a multilayer structure. Specifically, the initial discharge induction coil 120 has a solenoid shape and may be wound in a double layer. The initial discharge induction coil 120 may have a three-layer structure of an inner solenoid coil 120a, an intermediate solenoid coil 120b, and an outer solenoid coil 120c. The inner solenoid coil 120a may be 4 turns surrounding the dielectric discharge tube. The intermediate solenoid coil 120b may be 4 turns surrounding the inner solenoid coil. The outer solenoid coil 120c may be three turns surrounding the intermediate solenoid coil 120b. The initial discharge induction coil 120 may be wound to constructively interfere with a magnetic field therein. For example, the inductance La of the initial discharge induction coil 120 may be 8uH. The initial discharge induction coil 120 may be formed of a copper pipe, and a refrigerant may flow inside the initial discharge induction coil. The cross section of the pipe constituting the initial discharge induction coil may be circular.

초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단 중에서 적어도 하나에 연결될 수 있다. 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)와 상기 초기 방전 유도 코일(120)은 직렬 연결되어, 제1 공진 주파수(fa)를 제공할 수 있다. 제1 초기 방전 축전기(122a)의 정전 용량(Ca)은 제2 초기 방전 축전기(122b)의 정전 용량 (Ca)과 동일할 수 있다.The initial discharge capacitors 122a and 122b may be connected to at least one of both ends of the initial discharge induction coil. The initial discharge capacitors 122a and 122b and the initial discharge induction coil 120 may be connected in series to provide a first resonant frequency fa. The capacitance Ca of the first initial discharge capacitor 122a may be the same as the capacitance Ca of the second initial discharge capacitor 122b.

상기 제1 공진 주파수(fa)는 3.3 MHz일 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)는 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)의 등가 정전 용량(C'a)과 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)에 의하여 정의될 수 있다. 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단 중에서 하나에 배치될 수 있다. The first resonance frequency fa may be 3.3 MHz. The first resonant frequency fa may be defined by an equivalent capacitance C'a of the initial discharge capacitors 122a and 122b and an inductance La of the initial discharge induction coil 120. The initial discharge capacitors 122a and 122b may be disposed at one of both ends of the initial discharge induction coil.

DC 전원(112)은 고전압 DC 펄스를 생성할 수 있다. 상기 고전압 DC 펄스는 음의 DC 고전압 및 양의 DC 고전압일 수 있다. 상기 DC 전원(112)은 수십 kHz의 고전압 펄스를 생성할 수 있다. 상기 음의 DC 고전압은 음의 수십 kV이고, 상기 양의 DC 고전압은 양의 수십 kV일 수 있다. The DC power source 112 may generate a high voltage DC pulse. The high voltage DC pulse may be a negative DC high voltage and a positive DC high voltage. The DC power source 112 may generate a high voltage pulse of several tens of kHz. The negative DC high voltage may be a negative tens of kV, and the positive DC high voltage may be a positive tens of kV.

한 쌍의 전극(114,116)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치된 제1 전극(114) 및 제2 전극(116)을 포함한다. 상기 제1 전극(114)은 양의 DC 고전압으로 대전되고 유전체 방전 튜브에 밀착되어 부착되는 사각판 형태일 수 있다. The pair of electrodes 114 and 116 includes a first electrode 114 and a second electrode 116 disposed above and below the initial discharge induction coil 120, respectively. The first electrode 114 may be charged with a positive DC high voltage and may be in the form of a square plate that is in close contact with and attached to a dielectric discharge tube.

제1 전극(114)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부에서 상기 유전체 방전 튜브(140)의 외측벽에 접촉하여 배치되고 상기 양의 DC 고전압을 제공받는다. 상기 제1 전극(114)은 사각형 형상일 수 있다.The first electrode 114 is disposed above the initial discharge induction coil 120 in contact with the outer wall of the dielectric discharge tube 140 and receives the positive DC high voltage. The first electrode 114 may have a rectangular shape.

상기 제2 전극(116)은 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 하부에서 상기 유전체 방전 튜브(120)의 외측벽에 접촉하여 배치되고 상기 음의 DC 고전압을 제공받는다. 상기 제2 전극(116)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 "C" 자 형태일 수 있다. 상기 제2 전극은 전자를 발생시킬 수 있도록 상기 제1 전극보다 더 넓은 면적을 가질 수 있다. 상기 제2 전극(116)이 띠 형상의 도전체를 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 제2 전극(116)은 상기 초기 방전 유도 코일에 의한 유도 전기장(E_a_ind) 또는 상기 단위 안테나들에 의한 유도 전기장(E_b_ind)에 의하여 가열될 수 있다. 따라서, 상기 유도 전기장(E_a_ind, E_b_ind)에 의한 와류(eddy current)가 흐르지 않도록 완벽한 루프를 형성하지 않고, "C" 형태를 가질 수 있다. 상기 제2 전극은 음의 DC 고전압으로 대전되고 유전체 방전 튜브에 밀착되어 부착되는 띠 형태일 수 있다. 또한, 상기 제2 전극은 방위각 방향의 유도 전기장이 흐르지 않도록 구불구불하게 형성되거나, 원통의 중심축 방향으로 연장되는 복수의 슬릿을 포함할 수 있다. The second electrode 116 is disposed under the initial discharge induction coil 120 in contact with the outer wall of the dielectric discharge tube 120 and receives the negative DC high voltage. The second electrode 116 may have a "C" shape to surround the dielectric discharge tube. The second electrode may have a larger area than the first electrode so as to generate electrons. The second electrode 116 may be disposed to surround the dielectric discharge tube with a strip-shaped conductor. The second electrode 116 may be heated by an induction electric field E_a_ind by the initial discharge induction coil or an induction electric field E_b_ind by the unit antennas. Therefore, it is possible to have a "C" shape without forming a perfect loop so that eddy current due to the induced electric fields E_a_ind and E_b_ind does not flow. The second electrode may be charged with a negative DC high voltage and may be in the form of a band attached in close contact with the dielectric discharge tube. In addition, the second electrode may be formed to be serpentine so that the induced electric field in the azimuth direction does not flow, or may include a plurality of slits extending in the direction of the central axis of the cylinder.

제1 전극(114) 및 상기 제2 전극(116)에 인가되는 전압은 서로 반대 부호이고 동일한 절대값을 가질 수 있다. 제1 전극(114) 및 상기 제2 전극(116)에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원(112)은 대기압에서 30 kV 수준을 인가할 수 있다. 이 경우, 제1 전극(114)과 상기 제2 전극(116)을 연결하는 수직 방향(유전체 방전 튜브의 중심축 방향)으로 수직 스트리머 및 상기 제2 전극(116) 상에 "C" 자 형태의 스트리머를 발생시킨다. 상기 제2 전극(116)이 완벽한 루프를 형성하는 경우, 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 제1 전류는 상기 제2 전극(116)에 와류를 생성하여 가열할 수 있다. 따라서, 와류를 억제하도록 상기 제2 전극(116)은 충분한 면적을 확보하면서 절단되거나 수직 방향의 슬릿을 구비할 수 있다.Voltages applied to the first electrode 114 and the second electrode 116 have opposite signs and may have the same absolute value. The DC power supply 112 applying a DC high voltage to the first electrode 114 and the second electrode 116 may apply a level of 30 kV at atmospheric pressure. In this case, a vertical streamer and a "C" shape on the second electrode 116 in a vertical direction connecting the first electrode 114 and the second electrode 116 (direction of the central axis of the dielectric discharge tube) Of the streamer. When the second electrode 116 forms a perfect loop, the first current flowing through the initial discharge induction coil 120 may generate a eddy current in the second electrode 116 and heat it. Therefore, to suppress the eddy current, the second electrode 116 may be cut while securing a sufficient area or may have a slit in a vertical direction.

상기 제1 전극(114)과 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이의 간격 또는 상기 제2 전극(116)과 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이의 간격은 대기압에서 고전압에 의하여 기생 방전 및 유도 전기장에 의한 유도 가열을 억제할 수 있도록 충분히 이격될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전극(114)과 상기 초기 방전 유도 코일(120) 사이의 간격 또는 상기 제2 전극(116)과 상기 초기 방전 유도 코일 사이(120)의 간격은 수 cm 이상일 수 있다. 바람직하게는 상기 간격은 1 cm 이상일 수 있다. The interval between the first electrode 114 and the initial discharge induction coil 120 or the interval between the second electrode 116 and the initial discharge induction coil 120 is a parasitic discharge and an induced electric field by a high voltage at atmospheric pressure. It can be sufficiently spaced so as to suppress the induction heating by. Specifically, a distance between the first electrode 114 and the initial discharge induction coil 120 or a distance between the second electrode 116 and the initial discharge induction coil 120 may be several cm or more. Preferably, the interval may be 1 cm or more.

RF 전원(150)은 RF 전력을 출력할 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 상용 교류 전원을 RF 전력으로 변환하여 부하에 전달할 수 있다. 예를 들어, RF 전력은 수백 kHz 내지 수십 MHz의 주파수 및 수십 kW 이상의 전력을 가질 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 정류기, 인버터, 및 제어기를 포함할 수 있다. 상기 정류기는 상용 교류 전원을 직류 전원으로 변환할 수 있다. 상기 인버터는 상기 직류 전원을 수신하여 제어기의 스위칭 신호들에 응답하여 RF 전력으로 변환할 수 있다. 상기 제어기는 스위칭 신호들을 제어하여 구동 주파수 및 전력을 제어할 수 있다. 상기 RF 전원은 구동 주파수를 변경하여 제1 공진 주파수(fa) 또는 제2 공진 주파수(fb)에서 임피던스 매칭을 수행할 수 있다. 상기 제1 공진 주파수(fa)와 상기 제2 공진 주파수(fb)는 서로 0.2 MHz 이상 이격될 수 있다. 상기 제1 공진 주파수(fa)가 상기 제2 공진 주파수(fb)에서 0.2 MHz 이내에 있는 경우, 두 전류 방향의 임피던스가 비슷하여 전력 스위칭이 불안정할 수 있다. 상기 제1 공진 주파수(fa)는 상기 제2 공진 주파수(fb)보다 클 수 있다.The RF power supply 150 may output RF power. The RF power supply 150 may convert commercial AC power into RF power and transmit it to a load. For example, the RF power may have a frequency of several hundred kHz to several tens of MHz and power of several tens of kW or more. The RF power supply 150 may include a rectifier, an inverter, and a controller. The rectifier may convert commercial AC power into DC power. The inverter may receive the DC power and convert it into RF power in response to switching signals from the controller. The controller can control the driving frequency and power by controlling the switching signals. The RF power may perform impedance matching at a first resonance frequency fa or a second resonance frequency fb by changing a driving frequency. The first resonance frequency fa and the second resonance frequency fb may be separated from each other by 0.2 MHz or more. When the first resonant frequency fa is within 0.2 MHz of the second resonant frequency fb, the impedances of the two current directions are similar, so that power switching may be unstable. The first resonance frequency fa may be greater than the second resonance frequency fb.

제1 감지 센서(152)는 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 제2 감지 센서(154)는 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 흐르는 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 상기 제1 감지 센서(152)의 출력을 이용하여 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 감지하고 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 구동 주파수를 변경할 수 있다.The first detection sensor 152 may sense a current or voltage flowing through the initial discharge induction coil 120. The second detection sensor 154 may sense a current or voltage flowing through the main discharge induction coil module 103. The RF power supply 150 may detect a transition from a capacitive coupling mode to an inductive coupling mode using an output of the first detection sensor 152 and change a driving frequency from the first resonant frequency to the second resonant frequency. .

도 6을 참조하면, 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 복수의 단위 안테나들, 상기 복수의 단위 안테나들(132) 사이에 각각 배치된 보조 축전기들(134), 및 상기 복수의 단위 안테나들 전체의 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b)를 포함한다. 상기 단위 안테나(132)를 구성하는 코일의 단면은 사각형일 수 있다. 상기 단위 안테나들(132)은 시계 방향으로 90도 간격을 가지고 배열될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나들(132)을 전기적으로 연결하는 단자들은 서로 간섭하지 않을 수 있다.6, the main discharge induction coil module 103 includes a plurality of unit antennas, auxiliary capacitors 134 respectively disposed between the plurality of unit antennas 132, and all of the plurality of unit antennas. It includes a first main capacitor (133a) and a second main capacitor (133b) disposed at both ends of the. The cross section of the coil constituting the unit antenna 132 may be rectangular. The unit antennas 132 may be arranged at intervals of 90 degrees in the clockwise direction. Accordingly, terminals electrically connecting the unit antennas 132 may not interfere with each other.

도 7 및 도 8을 참조하면, 사각형 단면은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉 면적을 증가시키어 열 교환 효율을 향상시키어, 상기 유전체 방전 튜브(140)를 냉각시킬 수 있다. 메인 방전을 수행하는 경우, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브(140)에 에너지를 전달하여 섭씨 수백도 이상으로 가열할 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 온도 상승은 재질 변성 또는 파손을 유발할 수 있다. 상기 단위 안테나(132)는 내부에 냉매가 흘러 냉각된다. 원형 단면의 코일은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 선 접촉하여, 상기 유전체 방전 튜브(140)를 효율적으로 냉각시키기 어렵다. 한편, 상기 사각형 단면의 코일은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 면접촉을 통하여 냉각효율이 증가한다. 상기 단위 안테나(132)의 내측 코일과 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉을 안정적으로 유지하기 위하여, 상기 내측 코일은 반경이 감소하도록 조여진다. 실험적으로, 원형 단면 코일의 경우 5kW 이상의 RF 전력에서 상기 유전체 방전 튜브(140)의 파손이 발견되었다. 하지만, 사각 단면 코일의 경우, 8 kW 에서도 상기 유전체 방전 튜브(140)의 파손이 발견되지 않았다.Referring to FIGS. 7 and 8, the rectangular cross section increases the contact area with the dielectric discharge tube 140 to improve heat exchange efficiency, thereby cooling the dielectric discharge tube 140. In the case of performing the main discharge, plasma may transfer energy to the dielectric discharge tube 140 and heat it to several hundred degrees Celsius or more. The increase in temperature of the dielectric discharge tube 140 may cause material modification or damage. The unit antenna 132 is cooled by flowing a refrigerant therein. The coil having a circular cross section is in line contact with the dielectric discharge tube 140, and it is difficult to efficiently cool the dielectric discharge tube 140. Meanwhile, the cooling efficiency of the coil having a rectangular cross section increases through surface contact with the dielectric discharge tube 140. In order to stably maintain contact with the inner coil of the unit antenna 132 and the dielectric discharge tube 140, the inner coil is tightened to decrease the radius. Experimentally, in the case of a circular cross-section coil, breakage of the dielectric discharge tube 140 was found at an RF power of 5 kW or more. However, in the case of a rectangular cross-section coil, no breakage of the dielectric discharge tube 140 was found even at 8 kW.

상기 단위 안테나(132)는, 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 배치 평면에서 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉하여 배치되고 루프를 형성하는 제1 안테나(132a); 상기 제1 안테나(132a)와 연속적으로 연결되고 상기 제1 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제2 안테나(132b); 및 상기 제2 안테나(132b)와 연속적으로 연결되고 상기 제2 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제3 안테나(132c)를 포함할 수 있다.The unit antenna 132 includes: a first antenna (132a) disposed in contact with the dielectric discharge tube 140 in a plane perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube and forming a loop; A second antenna (132b) continuously connected to the first antenna (132a), disposed to surround the first antenna, and forming a loop; And a third antenna 132c continuously connected to the second antenna 132b and disposed to surround the second antenna and forming a loop.

상기 단위 안테나(132)는 4각형 단면을 가지며, 상기 제1 안테나(132a)는 상기 유전체 방전 튜브와 밀착되어 상기 유전체 방전 튜브를 냉각한다. 상기 제1 안테나(132a)와 상기 제2 안테나(132b)는 "U" 자 형태의 제1 연결부(32a)에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제2 안테나(132b)와 상기 제3 안테나(132c)는 "U" 자 형태의 제2 연결부(32b)에 의하여 연결될 수 있다.The unit antenna 132 has a square cross section, and the first antenna 132a is in close contact with the dielectric discharge tube to cool the dielectric discharge tube. The first antenna 132a and the second antenna 132b may be connected by a “U”-shaped first connector 32a. The second antenna 132b and the third antenna 132c may be connected by a second connector 32b having a “U” shape.

상기 제1 안테나(132a)를 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉시키기 위하여 상기 제1 안테나(132a)의 양단을 서로 밀착시키는 클램프(35)가 배치될 수 있다. 상기 클램프(35)는 케이블 타이(cable tie)일 수 있다.In order to contact the first antenna 132a with the dielectric discharge tube 140, clamps 35 may be disposed to make both ends of the first antenna 132a in close contact with each other. The clamp 35 may be a cable tie.

상기 단위 안테나(132)는 동일한 배치 평면에 배치되는 복수의 권선을 포함하고, 절연 스페이서(36)는 복수의 권선을 절연시키고 "ㅛ"자 형상일 수 있다. 상기 단위 안테나(132)를 구성하는 각 권선은 절연 스페이서(36)에 의하여 전기적으로 절연되고 일정한 간격을 유지할 수 있다. 상기 절연 스페이서(36)는 이웃한 단위 안테나들(132) 사이를 절연시킬 수 있다. 상기 절연 스페이서는 "ㅛ" 자 형상이고, 함몰된 부위(36a)에 상기 제2 안테나(132b)가 삽입될 수 있다.The unit antenna 132 includes a plurality of windings disposed on the same arrangement plane, and the insulating spacer 36 insulates the plurality of windings and may have a "W" shape. Each winding constituting the unit antenna 132 is electrically insulated by an insulating spacer 36 and may maintain a constant interval. The insulating spacer 36 may insulate between neighboring unit antennas 132. The insulating spacer may have a shape of "ㅛ", and the second antenna 132b may be inserted into the recessed portion 36a.

상기 제1 안테나(132a)의 적어도 일부는 세라믹 페이스트에 의하여 몰딩될 수 있다. 상기 제1 안테나(132a)의 적어도 일부를 감싸는 세라믹 몰드(37)는 상기 유전체 방전 튜브와 열적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나에 냉매가 흐르는 경우, 상기 냉각된 단위 안테나는 상기 세라믹 몰드(37)를 냉각하고, 상기 세라믹 몰드(37)는 상기 유전체 방전 튜브(140)를 간접적으로 냉각할 수 있다. At least a portion of the first antenna 132a may be molded using a ceramic paste. The ceramic mold 37 surrounding at least a portion of the first antenna 132a may thermally contact the dielectric discharge tube. Accordingly, when a refrigerant flows through the unit antenna, the cooled unit antenna may cool the ceramic mold 37, and the ceramic mold 37 may indirectly cool the dielectric discharge tube 140.

상기 제1 메인 축전기(133a)의 정전 용량(2C1)은 상기 제2 메인 축전기(133b)의 정전 용량과 동일하고, 상기 제1 메인 축전기(133a)의 정전 용량은 상기 보조 축전기(134)의 정전 용량(C1)의 2 배일 수 있다.The electrostatic capacity 2C1 of the first main capacitor 133a is the same as that of the second main capacitor 133b, and the electrostatic capacity of the first main capacitor 133a is the electrostatic capacity of the auxiliary capacitor 134 It may be twice the capacity (C1).

제2 공진 주파수(fb)는 상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합(Lb)와 축전기들(133a, 133b, 134)의 등가 정전용량(C'b)에 의하여 주어질 수 있다. The second resonant frequency fb may be given by the sum Lb of the inductances of the plurality of unit antennas and the equivalent capacitance C'b of the capacitors 133a, 133b, and 134.

상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 유도되는 제1 전압 강하(Va)는 상기 제2 공진 주파수(fb)에서 상기 단위 안테나에 유도되는 제2 전압 강하(Vb)보다 클 수 있다. 제2 전압 강하(Vb)는 제2 공진주파수(fb), 제2 전류(Ib). 및 단위 안테나의 인덕턴스(L1)의 곱으로 표시될 수 있다. 제1 전압 강하(Va)는 제1 공진주파수(fa), 제1 전류(Ia). 및 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)의 곱으로 표시될 수 있다. The first voltage drop Va induced to the initial discharge induction coil 120 at the first resonance frequency fa is a second voltage drop Vb induced to the unit antenna at the second resonance frequency fb Can be greater than The second voltage drop (Vb) is the second resonant frequency (fb) and the second current (Ib). And the product of the inductance L1 of the unit antenna. The first voltage drop Va is a first resonant frequency fa and a first current Ia. And the inductance La of the initial discharge induction coil.

상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합(Lb)은 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)보다 클 수 있다.The sum Lb of inductances of the plurality of unit antennas may be greater than the inductance La of the initial discharge induction coil.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 DC 전원을 나타내는 회로도이다.10 is a circuit diagram showing a DC power supply according to another embodiment of the present invention.

도 11은 도 10의 고전압 펄스 발생기를 설명하는 회로도이다.11 is a circuit diagram illustrating the high voltage pulse generator of FIG. 10.

도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 DC 전원(112)은, 상용 전원을 DC 전압(Vin)으로 변환하는 AC-DC 변환기(1120); 상기 DC 전압(Vin)을 제공받아 양의 DC 고전압 펄스와 음의 DC 고전압 펄스를 생성하는 고전압 펄스 발생기(1122); 및 상기 고전압 펄스 발생기를 제어하는 제어기(1124)를 포함한다.Referring to FIGS. 10 and 11, the DC power supply 112 includes an AC-DC converter 1120 for converting commercial power into a DC voltage Vin; A high voltage pulse generator 1122 for receiving the DC voltage Vin and generating a positive DC high voltage pulse and a negative DC high voltage pulse; And a controller 1124 controlling the high voltage pulse generator.

상기 고전압 펄스 발생기(1122)는, 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스퍼머(1222a); 상기 제1 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트렌지스터(1222b); 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스퍼머(1222c); 및 상기 제2 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트렌지스터(1222d);를 포함한다. 상기 제어기(1124)는 상기 제1 전력 트렌지스터(1222b)와 상기 제2 전력 트렌지스터(1222d)의 게이트를 제어한다. 상기 제1 트랜스퍼머(1222a)의 2차 코일의 일단은 양의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제1 트랜스퍼머(1222a)의 2차 코일의 타단은 접지된다. 상기 제2 트랜스퍼머(1222c)의 2차 코일의 일단은 음의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제2 트랜스퍼머(1222c)의 2차 코일의 타단은 접지된다. The high voltage pulse generator 1122 includes a first transformer 1222a including a primary coil receiving the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil generating a positive DC high voltage pulse; A first power transistor (1222b) connected to the primary coil of the first transformer; A second transformer (1222c) including a primary coil receiving the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil generating a negative DC high voltage pulse; And a second power transistor 1222d connected to the primary coil of the second transformer. The controller 1124 controls gates of the first power transistor 1222b and the second power transistor 1222d. One end of the secondary coil of the first transformer 1222a outputs a positive DC high voltage pulse, and the other end of the secondary coil of the first transformer 1222a is grounded. One end of the secondary coil of the second transformer 1222c outputs a negative DC high voltage pulse, and the other end of the secondary coil of the second transformer 1222c is grounded.

DC 전압(Vin)은 12V ~ 24V 직류 전압일 수 있다. 상기 제어기(1124)는 상기 제1 전력 트렌지스터(1222b)와 제2 전력 트렌지스터(1122d)의 온타임(on time)과 반복 주파수를 동기를 맞춰 제어한다. DC 고전압 펄스은 수십 kV이고, 반복 주파수는 수십 kHz일 수 있다. The DC voltage Vin may be a 12V ~ 24V DC voltage. The controller 1124 synchronizes and controls the on time and repetition frequency of the first power transistor 1222b and the second power transistor 1122d. The DC high voltage pulse may be several tens of kV, and the repetition frequency may be several tens of kHz.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 유도 코일 모듈을 설명하는 단면도이다.12 is a cross-sectional view illustrating a main discharge induction coil module of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.

도 13은 도 12의 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.13 is a plan view illustrating an arrangement relationship of unit antennas of the main discharge induction coil module of FIG. 12.

도 14는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.FIG. 14 is a diagram showing an equivalent circuit for explaining the initial discharge mode of the atmospheric pressure plasma generating device of FIG. 12;

도 15는 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 모드를 설명하는 등가회로를 나타내는 도면이다.FIG. 15 is a diagram showing an equivalent circuit for explaining the main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12;

도 16은 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드와 메인 방전 모드를 나타내는 타이밍도이다.16 is a timing diagram showing an initial discharge mode and a main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12.

도 12 내지 도 16을 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(200)는, 유전체 방전 튜브(140); 상기 유전체 원통 튜브(140)를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일(120) 및 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수(fa)를 제공하는 초기 방전 축전기(122a,122b)를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈(102); 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극(114) 및 제2 전극(116); 상기 제1 전극(114)과 상기 제2 전극(116) 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원(112); 제2 공진 주파수(fb)를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(203); 및 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102) 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원(150)을 포함한다. 12 to 16, the atmospheric pressure plasma generating apparatus 200 includes a dielectric discharge tube 140; An initial discharge induction coil 120 that surrounds the dielectric cylindrical tube 140 and has a plurality of windings and generates an atmospheric pressure initial discharge and is connected in series with the initial discharge induction coil 120 to provide a first resonance frequency fa The initial discharge induction coil module 102 including the initial discharge capacitors (122a, 122b); A first electrode 114 and a second electrode 116 disposed above and below the initial discharge induction coil 120 to provide an initial discharge seed; A DC power supply (112) applying a DC high voltage between the first electrode (114) and the second electrode (116); A main discharge induction coil module 203 for generating a main inductively coupled plasma by receiving an initial discharge generated by the initial discharge induction coil module 102 with a second resonance frequency fb; And an RF power supply 150 for providing RF power to the initial discharge induction coil module 102 and the main discharge induction coil module 203 connected in parallel and changing a driving frequency.

상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)은, 상기 초기 방전 유도 코일(120)과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(140)의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e); 상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 전체의 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기(133a) 및 제2 메인 축전기(133b); 및 상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들(134);을 포함한다.The main discharge induction coil module 203 is disposed to be spaced apart from the initial discharge induction coil 120 and disposed on a plurality of placement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 140 and connected in series with each other. A plurality of unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e; First main capacitors 133a and second main capacitors 133b respectively disposed at both ends of the unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e; And auxiliary capacitors 134 connected in series between the unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e, respectively.

상기 RF 전원(150)은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 초기 방전을 유도한다. 상기 RF 전원(150)은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수(fa)에서 상기 제2 공진 주파수(fb)로 변경하여 메인 방전을 수행한다.The RF power supply 150 induces an initial discharge in the initial discharge induction coil 120 at the first resonance frequency fa with the help of the DC high voltage. The RF power supply 150 performs main discharge by changing the driving frequency from the first resonance frequency fa to the second resonance frequency fb.

상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 은 서로 다른 배치 평면에 배치되고 10 개일 수 있다. 상기 단위 안테나들(232a~232d; 332a~332e) 은 5개의 단위 안테나들을 포함하는 제1 그룹(232a~232d)과 다른 5 개의 단위 안테나들을 포함하는 제2 그룹(332a~332e)으로 구분된다. 상기 제1 그룹(232a~232d)을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치될 수 있다. 상기 제2 그룹(332a~332e)을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나들은 서로 이웃한 단위 안테나들의 전기적 연결을 위하여 간섭하지 않을 수 있다.The unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e are disposed on different placement planes and may be ten. The unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e are divided into a first group 232a to 232d including five unit antennas and a second group 332a to 332e including other five unit antennas. The unit antennas constituting the first groups 232a to 232d may be disposed at 72 degree intervals along the azimuth direction. The unit antennas constituting the second groups 332a to 332e may be disposed at 72 degree intervals along the azimuth direction. Accordingly, the unit antennas may not interfere with each other for electrical connection of adjacent unit antennas.

구체적으로, 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)의 등가 정전 용량(C'a)은 260pF이고, 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)는 8uH이고, 상기 초기 방전 유도 코일의 기생 저항(Ra)은 0.5 오옴일 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)는 3.3 MHz일 수 있다. Specifically, the equivalent capacitance (C'a) of the initial discharge capacitors 122a, 122b is 260pF, the inductance (La) of the initial discharge induction coil is 8uH, and the parasitic resistance (Ra) of the initial discharge induction coil May be 0.5 ohm. The first resonant frequency fa may be 3.3 MHz.

상기 단위 안테나의 인덕턴스는 3.5 uH이고, 상기 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합은 35uH일 수 있다. 또한 메인 방전 유도 코일 모듈(203)을 구성하는 상기 축전기들(133a, 133b, 134)의 등가 정전용량(C'b)은 156 pF일 수 있다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)의 기생 저항(Rb)은 2.1 오옴일 수 있다. 제2 공진 주파수(fb)는 2.2 MHz일 수 있다. The inductance of the unit antenna may be 3.5 uH, and the sum of the inductances of the unit antenna may be 35 uH. In addition, the equivalent capacitance C'b of the capacitors 133a, 133b, and 134 constituting the main discharge induction coil module 203 may be 156 pF. The parasitic resistance Rb of the main discharge induction coil module 203 may be 2.1 ohms. The second resonance frequency fb may be 2.2 MHz.

도 14를 참조하면, 초기 방전 단계에서, 구동 주파수는 제1 공진 주파수인 3.3 MHz일 수 있다. 이 경우, 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia)는 31.5A이고, 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 흐르는 제2 전류(Ib)는 0.04 A이다. 이에 따라, 전류비 (Ia: Ib) 또는 임피던스 비는 800:1 일 수 있다. 즉, 초기 방전 단계에서, 모든 전류는 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)으로 흐르고 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이할 수 있다. 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia) 또는 전압을 감지하여, 유도 결합 모드로 천이한 경우, RF 전원은 제어신호에 따라 구동 주파수를 제2 공진 주파수(fb)로 변경한다.Referring to FIG. 14, in the initial discharging step, the driving frequency may be 3.3 MHz, which is the first resonance frequency. In this case, the first current Ia flowing through the initial discharge induction coil module 102 is 31.5A, and the second current Ib flowing through the main discharge induction coil module 203 is 0.04 A. Accordingly, the current ratio (Ia: Ib) or the impedance ratio may be 800:1. That is, in the initial discharging step, all currents flow to the initial discharging induction coil module 102 and may transition from the capacitive coupling mode to the inductive coupling mode. When the first current (Ia) or voltage flowing through the initial discharge induction coil module 102 is sensed and transitioned to the inductive coupling mode, the RF power changes the driving frequency to the second resonance frequency (fb) according to the control signal. do.

도 15를 참조하면, 메인 방전 단계에서, 구동 주파수는 제2 공진 주파수인 2,2 MHz일 수 있다. 이 경우, 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia)는 0.5A이고, 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 흐르는 제2 전류(Ib)는 49.5 A이다. 이에 따라, 전류비 (Ia: Ib) 또는 임피던스 비는 1:100 일 수 있다. 즉, 메인 방전 단계에서, 모든 전류는 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)로 흐른다. 따라서, 안정적인 플라즈마가 유지된다. Referring to FIG. 15, in the main discharge step, the driving frequency may be 2 or 2 MHz, which are the second resonance frequencies. In this case, the first current Ia flowing through the initial discharge induction coil module 102 is 0.5A, and the second current Ib flowing through the main discharge induction coil module 203 is 49.5 A. Accordingly, the current ratio (Ia: Ib) or the impedance ratio may be 1:100. That is, in the main discharging step, all current flows to the main discharging induction coil module 203. Thus, a stable plasma is maintained.

또한, 초기 방전 단계에서 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전위차(Va)의 최대값(Vo)은 메인 방전 단계에서 단위 안테나의 양단에 인가되는 전위차(Vb)의 최대값(V2)에 비하여 약 5.2 배 크다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브의 열손상은 제거될 수 있다.In addition, the maximum value (Vo) of the potential difference (Va) applied to both ends of the initial discharging induction coil in the initial discharging step is about the maximum value (V2) of the potential difference (Vb) applied to both ends of the unit antenna in the main discharging step 5.2 times bigger Thus, thermal damage to the dielectric discharge tube can be eliminated.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.In the above, the present invention has been illustrated and described with respect to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments, and the present invention claimed in the claims by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. It includes all various types of embodiments that can be implemented within the scope not departing from the technical idea.

102: 초기 방전 유도 코일 모듈
103: 메인 방전 유도 코일 모듈
120: 초기 방전 유도 코일
132: 단위 안테나
102: initial discharge induction coil module
103: main discharge induction coil module
120: initial discharge induction coil
132: unit antenna

Claims (21)

유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈;
상기 초기 방전 유도 코일의 상부 및 하부에 각각 배치되어 초기 방전 시드를 제공하는 제1 전극 및 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원;
제2 공진 주파수를 가지고 상기 초기 방전 유도 코일 모듈에서 발생시킨 초기 방전을 제공받아 메인 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 메인 방전 유도 코일 모듈; 및
병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈 및 상기 메인 방전 유도 코일 모듈에 RF 전력을 제공하고 구동 주파수를 변경하는 RF 전원을 포함하고,
메인 방전 유도 코일 모듈은:
상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들;
상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및
상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들;를 포함하고,
상기 RF 전원은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 초기 방전을 유도하고,
상기 RF 전원은 상기 구동 주파수를 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 메인 방전을 수행하고,
상기 메인 방전 모듈은 상기 제1 공진 주파수에서 높은 임피던스에 기인하여 방전을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
Dielectric discharge tube;
An initial discharge induction coil module including an initial discharge induction coil that surrounds the dielectric discharge tube and has a plurality of windings and generates an atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonance frequency ;
A first electrode and a second electrode respectively disposed above and below the initial discharge induction coil to provide an initial discharge seed;
DC power supply for applying a DC high voltage between the first electrode and the second electrode;
A main discharge induction coil module having a second resonance frequency and receiving an initial discharge generated by the initial discharge induction coil module to generate a main inductively coupled plasma; And
Including an RF power supply for providing RF power to the initial discharge induction coil module and the main discharge induction coil module connected in parallel and changing a driving frequency,
The main discharge induction coil module is:
A plurality of unit antennas disposed to be spaced apart from the initial discharge induction coil, disposed on a plurality of placement planes perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube, and connected in series with each other;
A first main capacitor and a second main capacitor respectively disposed at both ends of the unit antennas; And
Including; auxiliary capacitors each connected in series between the unit antennas,
The RF power induces an initial discharge in the initial discharge induction coil at the first resonance frequency with the help of the DC high voltage,
The RF power performs main discharge by changing the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency,
Wherein the main discharge module does not discharge due to a high impedance at the first resonance frequency.
제1 항에 있어서,
상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 전압을 감지하는 제1 감지 센서를 더 포함하고,
상기 RF 전원은 상기 제1 감지 센서의 출력을 이용하여 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 감지하고 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 구동 주파수를 변경하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
Further comprising a first detection sensor for sensing a current or voltage flowing through the initial discharge induction coil,
The RF power source detects a transition from the capacitive coupling mode to the inductive coupling mode using the output of the first detection sensor and changes a driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency. Device.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극은 상기 초기 방전 유도 코일의 상부에 배치되고 양의 DC 고전압으로 대전되고,
상기 제2 전극은 상기 초기 방전 유도 코일의 하부에 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 "C" 자 형태이고 음의 DC 고전압으로 대전되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The first electrode is disposed above the initial discharge induction coil and charged with a positive DC high voltage,
The second electrode is disposed under the initial discharge induction coil and has a "C" shape to surround the dielectric discharge tube and is charged with a negative DC high voltage.
제1 항에 있어서,
상기 DC 전원은:
상용 전원을 DC 전압으로 변환하는 AC-DC 변환기;
상기 DC 전압을 제공받아 양의 DC 고전압 펄스와 음의 DC 고전압 펄스를 생성하는 고전압 펄스 발생기; 및
상기 고전압 펄스 발생기를 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The DC power source is:
AC-DC converter for converting commercial power into DC voltage;
A high voltage pulse generator that receives the DC voltage and generates a positive DC high voltage pulse and a negative DC high voltage pulse; And
Atmospheric pressure plasma generating apparatus comprising a controller for controlling the high voltage pulse generator.
제4 항에 있어서,
상기 고전압 펄스 발생기는:
상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스퍼머;
상기 제1 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트렌지스터;
상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스퍼머; 및
상기 제2 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트렌지스터를 포함하고,
상기 제어기는 상기 제1 전력 트렌지스터와 상기 제2 전력 트렌지스터의 게이트를 제어하고,
상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 양의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지되고,
상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 음의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
The method of claim 4,
The high voltage pulse generator is:
A first transformer including a primary coil receiving the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil generating a positive DC high voltage pulse;
A first power transistor connected to the primary coil of the first transformer;
A second transformer including a primary coil receiving the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil generating a negative DC high voltage pulse; And
Including a second power transistor connected to the primary coil of the second transformer,
The controller controls gates of the first power transistor and the second power transistor,
One end of the secondary coil of the first transformer outputs a positive DC high voltage pulse, and the other end of the secondary coil of the first transformer is grounded,
One end of the secondary coil of the second transformer outputs a negative DC high voltage pulse, and the other end of the secondary coil of the second transformer is grounded.
제1 항에 있어서,
상기 초기 방전 유도 코일은 솔레노이드 형태이고, 복층으로 감기는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The initial discharge induction coil is a solenoid type, atmospheric pressure plasma generating apparatus, characterized in that the winding in a double layer.
제1 항에 있어서,
상기 초기 방전 유도 코일은 내부 솔레노이드 코일, 중간 솔레노이드 코일, 외부 솔레노이드 코일의 3층 구조인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The initial discharge induction coil has a three-layer structure of an internal solenoid coil, an intermediate solenoid coil, and an external solenoid coil.
제1 항에 있어서,
상기 초기 방전 축전기은 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The initial discharge capacitor is an atmospheric pressure plasma generating apparatus, characterized in that disposed at both ends of the initial discharge induction coil.
제1 항에 있어서,
상기 단위 안테나를 구성하는 코일의 단면은 사각형인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
Atmospheric pressure plasma generator, characterized in that the cross section of the coil constituting the unit antenna is a square.
제9 항에 있어서,
상기 단위 안테나는:
상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 배치 평면에서 상기 유전체 방전 튜브와 접촉하여 배치되고 루프를 형성하는 제1 안테나;
상기 제1 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제2 안테나; 및
상기 제2 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제3 안테나를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
The method of claim 9,
The unit antenna is:
A first antenna disposed in contact with the dielectric discharge tube in an arrangement plane perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube and forming a loop;
A second antenna disposed to surround the first antenna and forming a loop; And
And a third antenna disposed to surround the second antenna and forming a loop.
제9 항에 있어서,
상기 단위 안테나들은 서로 다른 배치 평면에 배치되고 10 개인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
The method of claim 9,
Atmospheric pressure plasma generating apparatus, characterized in that the unit antennas are 10 arranged on different placement planes.
제11 항에 있어서,
상기 단위 안테나들은 5개의 단위 안테나들을 포함하는 제1 그룹과 다른 5 개의 단위 안테나들을 포함하는 제2 그룹으로 구분되고,
상기 제1 그룹을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치되고,
상기 제2 그룹을 구성하는 단위 안테나들은 방위각 방향을 따라 72도 간격으로 배치되는 것을 특징으로 대기압 플라즈마 발생 장치.
The method of claim 11,
The unit antennas are divided into a first group including five unit antennas and a second group including other five unit antennas,
The unit antennas constituting the first group are arranged at 72 degree intervals along an azimuth direction,
The unit antennas constituting the second group are arranged at 72 degree intervals along an azimuth direction.
제9 항에 있어서,
상기 단위 안테나는 동일한 배치 평면에 배치되는 복수의 권선을 포함하고, 복수의 권선을 절연시키는 "ㅛ"자 형상의 절연 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
The method of claim 9,
The unit antenna includes a plurality of windings disposed on the same arrangement plane, and further includes an insulating spacer having a "W" shape to insulate the plurality of windings.
제1 항에 있어서,
상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수는 0.2 MHz 이상 이격된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The atmospheric pressure plasma generating apparatus, characterized in that the first resonance frequency and the second resonance frequency is spaced apart 0.2 MHz or more.
제1 항에 있어서,
상기 제1 공진 주파수는 상기 제2 공진 주파수보다 큰 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The atmospheric pressure plasma generating apparatus, wherein the first resonant frequency is greater than the second resonant frequency.
제1 항에 있어서,
상기 제1 메인 축전기의 정전 용량은 상기 제2 메인 축전기의 정전 용량과 동일하고,
상기 제1 메인 축전기의 정전 용량은 상기 보조 축전기의 정전 용량의 2 배인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The capacitance of the first main capacitor is the same as that of the second main capacitor,
Atmospheric pressure plasma generating apparatus, characterized in that the electrostatic capacity of the first main capacitor is twice the electrostatic capacity of the auxiliary capacitor.
제1 항에 있어서,
상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 유도되는 제1 전압 강하는 상기 제2 공진 주파수에서 상기 단위 안테나에 유도되는 제2 전압 강하보다 큰 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The atmospheric pressure plasma generating apparatus, wherein a first voltage drop induced to the initial discharge induction coil at the first resonance frequency is greater than a second voltage drop induced to the unit antenna at the second resonance frequency.
제1 항에 있어서,
상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합은 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스보다 큰 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치.
According to claim 1,
The atmospheric pressure plasma generating apparatus, wherein the sum of the inductances of the plurality of unit antennas is greater than the inductance of the initial discharge induction coil.
유전체 방전 튜브에 서로 이격되어 배치된 제1 전극 및 제2 전극에 DC 고전압을 인가하여 초기 방전 시드를 제공하는 단계;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 복수의 권선수를 가지며 대기압 초기 방전을 발생시키는 초기 방전 유도 코일 및 상기 초기 방전 유도 코일과 직렬 연결되어 제1 공진 주파수를 제공하는 초기 방전 축전기를 포함하는 초기 방전 유도 코일 모듈에 상기 제1 공진 주파수의 교류 전력을 제공하여 초기 방전을 수행하는 단계;
상기 초기 방전 유도 코일 모듈과 병렬 연결된 메인 방전 유도 코일 모듈에 상기 제1 공진 주파수와 다른 제2 공진 주파수의 교류 전력을 제공하여 상기 초기 방전으로부터 메인 유도 결합 플라즈마를 유도하는 단계;를 포함하고,
상기 메인 방전 모듈은 상기 제1 공진 주파수에서 높은 임피던스에 기인하여 방전을 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치의 동작 방법.
Providing an initial discharge seed by applying a DC high voltage to the first electrode and the second electrode disposed to be spaced apart from each other in the dielectric discharge tube;
An initial discharge induction coil module including an initial discharge induction coil that surrounds the dielectric discharge tube and has a plurality of windings and generates an atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonance frequency Performing initial discharge by providing AC power of the first resonance frequency to the device;
Inducing a main inductively coupled plasma from the initial discharge by providing AC power having a second resonance frequency different from the first resonance frequency to a main discharge induction coil module connected in parallel with the initial discharge induction coil module; and
And the main discharge module does not perform discharge due to a high impedance at the first resonance frequency.
제 19 항에 있어서,
상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전압 강하를 감지하는 단계;를 더 포함하고,
상기 초기 방전 유도 코일에 흐르는 전류 또는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단에 인가되는 전압 강하가 문턱값 이상인 경우, RF 전원은 구동 주파수를 변경하여 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 상기 메인 방전 유도 코일 모듈에서 메인 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치의 동작 방법.
The method of claim 19,
Sensing a current flowing through the initial discharge induction coil or a voltage drop applied to both ends of the initial discharge induction coil; further comprising,
When the current flowing through the initial discharge induction coil or the voltage drop applied to both ends of the initial discharge induction coil is greater than or equal to a threshold value, the RF power source changes the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency, A method of operating an atmospheric pressure plasma generating apparatus, characterized in that the main discharge induction coil module performs main discharge.
제 19 항에 있어서,
상기 메인 방전 유도 코일 모듈은:
상기 초기 방전 유도 코일과 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 복수의 배치 평면들에 각각 배치되고 서로 직렬 연결되는 복수의 단위 안테나들;
상기 단위 안테나들 양단에 각각 배치된 제1 메인 축전기 및 제2 메인 축전기; 및
상기 단위 안테나들 사이에 각각 직렬 연결된 보조 축전기들;을 포함하고,
RF 전원은 상기 DC 고전압의 도움으로 상기 제1 공진 주파수에서 상기 초기 방전 유도 코일에 초기 방전을 유도하고,
상기 RF 전원은 구동 주파수를 변경하여 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 변경하여 상기 단위 안테나들에서 메인 방전을 수행하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생 장치의 동작 방법.
The method of claim 19,
The main discharge induction coil module is:
A plurality of unit antennas disposed to be spaced apart from the initial discharge induction coil, disposed on a plurality of placement planes perpendicular to a central axis of the dielectric discharge tube, and connected in series to each other;
A first main capacitor and a second main capacitor respectively disposed at both ends of the unit antennas; And
Including; auxiliary capacitors respectively connected in series between the unit antennas,
RF power induces an initial discharge in the initial discharge induction coil at the first resonant frequency with the help of the DC high voltage,
The operating method of the atmospheric pressure plasma generating apparatus, wherein the RF power changes a driving frequency and changes from the first resonant frequency to the second resonant frequency to perform main discharge in the unit antennas.
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