KR102280380B1

KR102280380B1 - 유도 결합 플라즈마 장치

Info

Publication number: KR102280380B1
Application number: KR1020160138125A
Authority: KR
Inventors: 엄세훈; 이윤성
Original assignee: 인투코어테크놀로지 주식회사
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2021-07-22
Also published as: KR20170028289A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 유전체 방전 튜브; 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함한다. 상기 유도 코일은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일; 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

Description

유도 결합 플라즈마 장치 {Inductively Coupled Plasma Apparatus}

본 발명은 플라즈마 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 복층 구조의 유도 코일을 유도 결합 플라즈마 장치에 관한 것이다.

대기를 구성하는 여러 기체들 가운데 온실효과를 일으키는 기체를 온실가스라 한다. 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)는 가장 주요한 지구 온난화 가스로서 지구 온난화 문제의 중요한 의제이다. CH4와 CO2의 전환반응(CH4 + CO2 -> 2 H2 + 2 CO)에 따른 syngas(synthesis gas)의 합성이 주요한 관심사로 주목받고 있다. 대기압 플라즈마를 이용한 메탄과 이산화탄소의 전환처리는 매우 효과적인 방법이다. 대기압 플라즈마 시스템은 빠른 전환반응과 함께 진공 플라즈마에서 요구되는 별도의 진공장비도 필요치 않으며, 구현화하기 쉽다는 장점을 가진다.

CH4-CO2 개질(reforming)은 석유 자원의 연속적인 감소 및 온실 가실 감소에 대한 규제 환경에 따라 관심이 집중되고 있다. 플라즈마 기술은 CH4-CO2 개질의 가장 가능성 있는 방식의 하나로 고려 되고 있다. 플라즈마 개질 핵심 기술은 높은 전환 효율(high conversion efficiency)과 높은 공급 가스 유량(high feed-gas flow rate)을 요구한다. 이러한, 목적을 달성하기 위하여, 전자 밀도, 플라즈마 온도, 및 반응기 구조의 주요 요소가 강조된다. 플라즈마 CH4-CO2 개질의 현재 상태를 고려하면, 에너지 전환 효율(energy conversion efficiency) 및 처리 용량(treatment capacity)을 반응기 구조 및 플라즈마 형태를 최적화 하여 증가시킬 가능성이 있다.

석유 자원의 연속적인 감소와 환경 상황에 대한 강조, 및 화학 에너지 전송(chemical energy transmission )에 따라, 합성(synthesis) 가스 생산은 CH4-CO2 reforming (dry reforming이라 함)에 집중되고 있다.

CH4 + CO2 ->2 CO + 2H2 ; ΔH= 247kJ/mol

CH4-CO2 개질(reforming)은 메탄의 소비를 감소시키고 이산화탄소를 사용하여 더욱 매력적이다. 동일한 CO를 생산하기 위하여, 스팀 개질 및 부분 산화에 비하여 메탄을 덜 사용하고, CO2는 개질 과정에서 카본 소스로 사용된다. 비록, CH4-CO reforming은 H2/CO 비율을 1/1로 유지하나, H2/CO 비율은 공급되는 가스의 CH4 /CO2 비율을 조절하여 조절될 수 있다.

한국 등록 특허 KR 1255152 및 KR 1166444를 참조하면, 석탄가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)에서, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주성분인 합성가스로 전환한 뒤 이 가스를 이용하여 전기를 생산하는 방법이 개시된다. 구체적으로, 합성가스를 생산하기 위하여, 초고주파를 이용하는 플라즈마 가스화기가 소개되고 있다. 그러나, 초고주파 가스화기는 사용되는 초고주파 전력의 한계를 가지고 있어, 대형화되기 어렵다.

미국등록특허 US 7622693을 참조하면, 유도 결합 플라즈마를 사용한 합성가스를 생산하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 단층 구조의 유도 코일을 사용한 유도 결합 플라즈마 장치가 개시되나, 단층 구조의 유도 코일은 대기압에서 플라즈마 방전을 수행하기 어렵다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 안정적으로 방전이 가능한 유도 결합 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 이산화탄소-메탄을 안정적으로 방전하여 합성 가스를 생산할 수 있는 유도 결합 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 2차 변압 코일의 일단은 상기 내측 유도 코일의 일단에 연결되고, 상기 2차 변압 코일의 타단은 상기 외측 유도 코일의 일단에 연결되고, 상기 내측 유도 코일의 일단 및 상기 외측 유도 코일의 일단은 서로 인접하게 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고, 상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고, 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일의 서로 가장 가까운 위치에서 각각의 전위는 접지 대비 서로 반대이며 크기가 같은 전위를 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변압기는 상기 변압기의 2차 변압 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고, 상기 리액턴스 보상 축전기는 상기 유도 코일의 리액턴스 성분을 상쇄시키도록 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 전압 분배 축전기; 및 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 전압 분배 축전기를 더 포함하고, 상기 제1 전압 분배 축전기는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단과 상기 내측 유도 코일의 일단에 연결되고, 상기 제2 전압 분배 축전기는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 일단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결하는 보조 전압 분배 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고, 상기 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고, 상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결하는 보조 전압 분배 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고, 상기 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고, 상기 내측 유도 코일의 타단과 접지 사이에 배치되는 제1 보조 전압 분배 축전기; 및 상기 외측 유도 코일의 타단과 접지 사이에 배치되는 제2 보조 전압 분배 축전기를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 보조 전압 분배 축전기는 상기 내측 유도 코일과 접지 사이에 직접 연결되고, 상기 제2 보조 전압 분배 축전기는 상기 외측 유도 코일과 접지 사이에 직접 연결되고, 상기 제1 보조 전압 축전기의 일단은 상기 제2 보조 전압 축전기의 일단과 접지 사이에 공통으로 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일과 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 보조 유도 코일을 적어도 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 유도 코일은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 보조 유도 코일; 및 상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 보조 유도 코일을 포함하고, 상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일은 전기적으로 직렬 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일 사이에 배치된 제1 임피던스 상쇄 축전기; 및 상기 보조 코일들 사이에 배치된 제2 임피던스 상쇄 축전기를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 임피던스 상쇄 축전기는 상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일의 임피던스의 허수부를 상쇄하고, 상기 제2 임피던스 상쇄 축전기는 상기 보조 코일들의 임피던스의 허수부를 상쇄할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 보조 인덕터; 및 상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 가변 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유전체 방전 튜브에 스월 유동을 제공하는 스월 발생부를 더 포함할 수 있다. 상기 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 배치되어 상기 유전체 방전 튜브를 밀봉하고 원통 좌표계에서 방위각 방향의 유체 속도 성분을 제공하여 상기 유전체 방전 튜브의 반경 방향으로 압력차를 제공하고, 상기 유도 코일에 의하여 생성된 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브의 측벽에 접촉하는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽을 따라 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 외측 노즐; 및 외측 노즐의 내측에 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 내측 노즐을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 의 길이 방향으로 연장되고 유전체 재질이고, 원통 형상을 가지는 스윌 가이드를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 원통좌표계에서 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 유전체 방전 튜브의 일단이 결합하고 복수의 외측 노즐을 포함하는 외측 인젝터부; 상기 외측 인젝터부와 결합하여 외측 버퍼 공간을 제공하는 외측 지지부; 상기 외측 지지부와 결합하여 상기 외측 버퍼 공간을 밀폐하는 외측 밀폐부; 상기 외측 밀폐부의 내측에 삽입되고 내측 버퍼 공간을 제공하는 내측 지지부; 및 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 내측 지지부에 삽입되어 상기 내측 버퍼 공간을 밀폐하고 복수의 내측 노즐을 포함하는 내측 인젝터부를 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐은 상기 외측 버퍼 공간에 연결되고, 상기 내측 노즐은 상기 내측 버퍼 공간에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스월 발생부는 상기 내측 인젝터부에 삽입되고 중심에 형성된 관통홀을 통하여 가스를 스월 유동없이 토출하는 중심 인젝터부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 의 길이 방향으로 연장되는 유전체 원통 형상을 가지는 스윌 가이드를 더 포함할 수 있다. 상기 스월 가이드는 상기 내측 지지부와 상기 외측 지지부 사이에 삽입되어 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공하는 초기 방전 발생부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 초기 방전 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 외측면을 따라 배치되는 복수의 초기 방전 전극; 및 상기 초기 방전 전극에 고전압을 인가하는 고전압 전원을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자속을 감금하는 자성체로 형성된 자속 감금부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자속 감금부는 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 대하여 수직한 평면에서 대칭적으로 배치되는 복수의 자성체 블록을 포함하고, 상기 자성체 블록은 상기 유도 코일의 외측면, 상부면을, 및 하부면을 감싸도록 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 자속 감금부는 상기 유도 코일을 감싸도록 배치된 자성체 블록; 상기 자성체 블록과 접촉하여 상기 자성체 블록의 열을 전달하도록 상기 자성체 블록를 감싸도록 배치된 비자성체로 형성된 열전도판; 및 상기 열전도판에 고정되어 상기 열전도판을 냉각하는 냉각 파이프를 포함하고, 상기 열전도판은 상기 유도 코일에 의하여 발생하는 유도 전류의 흐름을 차단하는 슬릿을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유전체 방전 튜브의 중심에 배치되는 보조 유전체 튜브를 더 포함하고, 상기 보조 유전체 튜브는 원통 구조이고, 상기 유전체 방전 튜브의 동심축 상에 삽입되어 배치되고, 상기 보조 유전체 튜브의 일단은 상기 유전체 방전 튜브의 일단과 정렬되고, 상기 보조 유전체 튜브는 상기 유도 코일이 배치되는 영역에 가스의 흐름을 방위각 방향으로 유도할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 외측 유도 코일을 감싸도록 배치된 제1 보조 외측 유도 코일; 및 상기 제1 보조 외측 유도 코일을 감싸도록 배치된 제2 보조 외측 유도 코일을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고, 상기 제2 보조 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고, 상기 내측 유도 코일, 상기 외측 유도 코일, 상기 제1 보조 외측 유도 코일, 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일는 순차적으로 직렬 연결되고, 상기 내측 유도 코일, 상기 외측 유도 코일, 상기 제1 보조 외측 유도 코일, 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일 사이에 각각 배치되는 제1 내지 제3 보조 전압 분배 축전기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 유도 코일과 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되는 보조 유도 코일을 더 포함할 수 있다. 상기 보조 유도 코일은 상기 보조 내측 유도 코일 및 상기 보조 내측 유도 코일을 감싸도록 배치된 보조 외측 유도 코일을 포함하고, 상기 내측 유도 코일, 상기 보조 내측 유도 코일, 상기 보조 외측 유도 코일, 및 상기 외측 유도 코일은 순차적으로 직렬 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 보조 내측 유도 코일의 일단을 연결하는 제1 보조 전압 분배 축전기; 상기 보조 내측 유도 코일의 타단과 상기 보조 외측 유도 코일의 일단을 연결하는 제2 보조 전압 분배 축전기; 및 상기 보조 외측 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결하는 제3 보조 전압 분배 축전기를 더 포함할 수 있다. 상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고, 상기 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는 처리 가스의 흐름을 제공하는 유전체 방전 튜브; 및 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 유도 결합 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일을 포함한다. 상기 유도 코일은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일; 및 상기 내측 유도 코일과 연속적으로 감기면서 직렬 연결되고 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일의 서로 가장 가까운 위치에서 각각의 전위는 접지 대비 서로 반대이며 크기가 같은 전위를 나타낼 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 발생용 안테나 구조체는 원통 형상의 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되고 솔레노이드 형상으로 감기는 내측 유도 코일; 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 솔로노이드 형상으로 감기는 외측 유도 코일을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동심축 구조의 이중 원통 형상이고, 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 전기적으로 직렬 연결되고, 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일이 생성한 자기장은 보강 간섭하도록 배치된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 동축 구조의 2중 유도 코일을 사용하여 대기압 또는 저압에서 축전 결합 방전에 의한 스트리머 발생을 억제하는 유도 결합 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 유도 코일의 양단에 전압 분배 축전기를 각각 배치하여 상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키어 유도 코일 사이의 기생 방전을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산을 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분해 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 개략도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.
도 4b는 도 4a의 유도 코일의 단면도이다.
도 4c는 도 4a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 유도 코일의 단면도이다.
도 5c는 도 5a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 스월 제공부를 설명하는 절단 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 자속 감금부를 설명하는 단면도이다.
도 8은 도 7의 자속 감금부를 설명하는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하는 개념도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크러버 시스템을 개념도이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 플라즈마 유지 전력을 나타내는 실험 결과이다.

유도 결합 플라즈마는 변압기 회로로 모델링될 수 있다. 이에 따라, 유도 결합 플라즈마는 변압기 결합 플라즈마(Transformer Coupled plasma )로 불린다. 유도 코일은 변압기 회로의 1차 코일로 동작하고, 플라즈마는 변압기 회로의 2차 코일로 동작할 수 있다. 유도 코일과 플라즈마 사이의 자기 결합을 증가시키기 위하여 자성체와 같은 자속 구속 물질을 사용할 수 있다. 그러나, 자속 구속 물질은 원통형 구조의 유전체 방전 용기에는 적용하기 힘들다. 유도 코일과 플라즈마 상의 자기 결합 증가시키는 다른 방법은 유도 코일은 인덕턴스 또는 권선수를 증가시키는 것이다. 그러나, 유도 코일의 인덕턴스의 증가는 임피던스를 증가시키어 효율적인 전력 전달을 어렵게 한다. 또한, 유도 코일의 인덕턴스의 증가는 유도 코일에 인가되는 전압을 증가시키어 기생 아크 방전을 유발할 수 있다. 또한, 유도 코일에 인가되는 높은 전압은 축전 결합 방전을 유발하고 유전체 방전 용기의 이온 충격에 의한 손상 및 열 손상을 유발한다.

특히, 대기압에서 고밀도의 플라즈마를 형성하기 위하여, 높은 인덕턴스 및 높은 유도 전기장을 생성할 수 있는 유도 코일의 구조가 요구된다. 또한, 수 MHz 이하의 구동 주파수에서, 임피던스 매칭 회로는 변압기를 사용할 수 있다. 이 경우, 임피던스 매칭 변압기의 2차측 출력단의 부하 리액턴스는 리액턴스 보상 축전기를 사용하여 감소될 수 있다. 또한, 상기 변압기의 1차 변압 코일과 2차 변압 코일의 권선수 비(turn ratio)는 부하 임피던스의 크기를 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 코일은 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일과 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 배치된 외측 유도 코일을 포함한다. 상기 유도 코일은 중첩된 구조 또는 2 층 구조일 수 있다. 또한, 내측 유도 코일과 외측 유도 코일의 인덕턴스를 증가시키기 위하여, 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 시변 자기장이 보강 간섭하도록 중첩되어 배치된다. 이 경우, 높은 인덕턴스에 의한 고전압이 상기 유도 코일의 양단에 인가된다. 그러나, 외측 유도 코일과 상기 내측 유도 코일은 일정한 간격을 가지고 서로 마주보면서 상기 유전체 방전 튜브를 헬리칼 형태로 감기면서 연장될 수 있다. 이에 따라, 내측 유도 코일의 전압과 상기 외측 유도 코일의 전압은 같은 위치에서 서로 반대 부호를 가질 수 있다. 이러한, 전압 분포는 전기 쌍극자(electric dipole)로 모델링될 수 있다. 전기 쌍극자는 근접한 위치에서 전기장을 발생시키나 거리가 증가함에 따라 급속도로 전기장의 세기가 감소하여 스크리닝 효과(screening effect)를 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 유도 코일의 구조는 정전기장에 의한 축전 결합 플라즈마 발생을 억제하고 유도 결합 플라즈마 효율을 증가시킬 수 있다. 축전 결합 플라즈마에 의하여 생성된 이온은 상기 유전체 방전 튜브를 충격하여 손상시킬 수 있다.

한편, 상기 변압기의 2차측은 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기를 포함할 수 있다. 상기 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 교류 전원의 구동 주파수와 동일할 수 있다. 이에 따라, 안정적인 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 상기 유도 코일은 축전기를 사용하여 전압 분배될 수 있다. 구체적으로, 상기 유도 코일의 양단에 전압 분배 축전기가 각각 배치될 수 있다. 이에 따라, 스크리닝 효과(screening effect)에 의한 정전기장이 감소하고, 전압 분배 모델에 의하여, 상기 유도 코일에 인가되는 전압이 감소될 수 있다. 또한, 상기 변압기의 2차측은 유도 코일, 리액턴스 보상 축전기, 및 전압 분배 축전기를 포함할 수 있다. 상기 유도 코일, 리액턴스 보상 축전기, 및 전압 분배 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 교류 전원의 구동 주파수와 동일할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 코일 에 낮은 전압이 인가된 상태에서, 안정적인 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.

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 방전을 수행하기 어렵다. 따라서, 충분한 유도 전기장의 세기가 요구되고 초기 방전을 위한 별도의 수단이 요구된다.

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, 수십 kWatt 이상 고출력의 유도 결합 플라즈마는 구조적 한계가 있다.

상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이의 열 전달을 최소화하고, 플라즈마의 안정성을 유지하기 위하여, 선회 유동(swirl)이 제공될 수 있다. 원통 좌표계에서, 상기 선회 유동은 가스 또는 유체에 방위각 방향의 각 운동량(angular momentum)을 제공하여, 반경 방향에 따른 밀도 분포를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브의 중심 영역에 국지적으로 제한된다. 따라서, 상기 유도 결합 플라즈마와 상기 유전체 튜브 사이의 열 전달이 최소화될 수 있다.

[사용 용도]

이러한 대기압 플라즈마 장치는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 대기압 플라즈마 장치는 나노 입자의 합성(synthesis of nano-powders), 단일벽 카본 튜브(single-walled carbon tubes)의 합성, 플로렌(fullerenes)의 합성, 다이아몬드 필름(diamond film)의 합성, 광학 투명 필름의 합성, 세정, 표면 처리, 가스의 분해, 석탄의 가스화, 합성 가스의 생성, 유해가스 처리, 가스의 개질 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 대기압 또는 대기압 이상의 고압에서 플라즈마를 이용하여 합성 가스를 생성하기 위하여, 유도 결합 플라즈마가 플라즈마 개질을 위하여 사용된다. 통상적인 RF 유도 결합 플라즈마는 대기압 방전이 어렵다. 설사 방전이 되는 경우에도, 방전 안정성을 유지하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 대기압 및 대기압 이상의 압력에서 플라즈마 방전을 안정적으로 대용량으로 수행할 수 있는 장치 및 방법이 소개된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 장치는 0.1 atm 부터 5 atm 에서 글로(glow) 방전을 유지하는 유도결합 (Inductively Coupled) 방식의 플라즈마 소스(plasma source)일 수 있다. 플라즈마를 유지하는 경우, Ar, CO2, CH4, NF3, O2, H2 등의 가스(gas)가 사용될 수 있으며, 분당 수십 ~ 수 백 리터(liter)의 가스가 상기 플라즈마 소스 내부에 공급 및 배기된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 높은　플라즈마　임피던스 및 가스 유동 불안정을 감소시킨 플라즈마 장치가 제공된다. 분당 수십 내지 수백 리터의 유량을 처리할 수 있는 플라즈마 장치는 유동 역학 및 가스 유동 패턴은 플라즈마의 안정성 및 가스 분해 성능에 큰 영향을 미친다. 유동 역학은 플라즈마 안정성을 향상시키고, 플라즈마와 가스 상호 작용을 증가시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 유도 결합 플라즈마의 효율 또는 안정성을 향상시키기 위하여, 1) 유도 전기장의 세기를 증가시키는 적층 구조의 안테나(코일 구조), 2) 유도 코일의 임피던스 감소를 위한 병렬 구조, 3) 유도 전기장의 세기를 증가시키는 자속 감금 수단, 4) 가스 스월 유동을 제공하는 원통형의 방전 튜브에 용이하게 장착할 수 있는 스월 발생부, 5) 안정적인 유동 패턴을 제공하기 위한 스월 가이드, 6) 플라즈마에서 발생한 열을 효율적으로 활용하도록 흡열 반응을 수행하는 가스를 플라즈마 발생 위치에 제공하는 보조 유전체 튜브 구조, 7) 초기 방전을 효율적으로 발생시키는 초기방전 수단, 8) 스월 유동을 제공하는 스월 발생부와 동일한 방향의 가스 스월을 제공하여 가스-플라즈마　상호 작용을 향상시키고 유동 안정성을 증가시키는 보조 스월 발생부, 9) 유도 코일의 플라즈마 안정성을 향상시키기 위한 교류 전원부 등이 적용된다. 이에 따라, 종래의 유도 결합 플라즈마 장치가 수행할 수 없었던 분당 수 십 내지 ~ 수 백 리터(liter)의 유량을 대기압에서 안정적으로 처리할 수 있다.

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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산을 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 수소 스테이션(hydrogen station, 10)은 연료전지 자동차와 수소 내연기관의 상용화를 위한 인프라 기술로서 연료전지 및 수소 자동차에 수소를 공급하는 수소 충전소이다. 수소 스테이션은 공장에서 수소를 제조하고 차량으로 운반한 후 자동차에 공급하거나 현지에서 직접 수소를 제조한 후 차량에 수소를 공급하는 방식으로 구분할 수 있다. On-site 방식에 의해 수소를 제조하는 방법은 물의 전기분해 방법과 화석연료의 개질 방법 등이 있다. On-site에서 화석연료의 개질에 의해 수소를 제조하는 수소 스테이션은 탈황공정, 연료의 개질반응에 의한 수소제조 공정(reforming), 생성된 과량 수소가스(hydrogen rich gas) 중의 일산화탄소(CO) 농도를 낮추는 수소 정제(water gas shift; WGS) 공정, 고순도 수소 흡착 분리공정(pressure swing adsorption, PSA), 수소를 가압하여 저장하는 수소 저장 공정 및 연료전지 자동차에 수소를 공급하는 충전(dispensing) 공정 등으로 구성되어 있다. 메탄 가스를 공급받아 저장하는 연료 저장부(11)는 탈황 공정부(12)에 메탄 가스를 제공한다. 상기 탈황 공정부(12)는 황을 제거하여 메탄 가스를 개질부(13)에 제공한다. 상기 개질부(13)는 플라즈마 개질 장치로 메탄과 이산화탄소를 제공받아, 플라즈마를 통하여 분해하여 일산화탄소, 수소 등의 합성가스를 생산한다. 상기 개질부(13)는 높은 열에너지를 보유하므로 열교환부(14)를 통하여 합성 가스를 냉각한다. 냉각된 합성가스는 수소 정제부(WGS, 15)를 통하여 수소를 정재하고, 정재된 수소는 수소 흡착부(16)에 제공된다. 수소 흡착부(16)는 수소, 이산화탄소, 및 메탄을 분리한다. 분리된 수소는 연료 전지, 발전 등에 연료로 사용될 수 있다.

연료 개질 기술은 크게 수증기 개질(steam reforming), 부분산화 개질(partial oxidation reforming), 자열 개질(auto-thermal reforming), 이산화탄소 개질(CO2 reforming), 플라즈마 개질(plasma reforming) 등으로 분류된다.

플라즈마 개질 공정은 자체 플라즈마에서 생성된 열원으로 인해 빠른 시동 특성을 가지고 있으며, 반응 조절이 용이하고 에너지 공급대비 수소 전환율이 높다. 또한 다양한 연료 성상에 적용이 가능하다. 그러나 생성물의 선택도 조절이 어렵고 초기 장치비용이 높은 단점을 가지고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 개질 장치로 유도 결합 플라즈마 소스를 사용하여, 대기압 또는 대기압 이사의 압력에서 안정적인 개질 반응이 유지될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스분해 시스템의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 가스 분해 시스템(20)은 합성 가스의 생산 또는 다양한 가스 분해를 위하여 사용될 수 있다. 가스 분해 시스템은 이산화탄소와 메탄을 원료로 사용하는 플라즈마 개질 장치일 수 있다. 상기 합성 가스 생산의 경우, 원료 가스는 메탄과 이산화탄소일 수 있다.

상기 가스 분해 시스템의 일 예로 이산화탄소와 메탄을 원료로 사용하는 가스 분해 시스템이 설명된다.

상기 가스 분해 시스템(20)은 가스 공급부(21), 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치(22), 그리고 배기 및 가스 포집부(23)를 포함할 수 있다. 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치(20)은 서로 병열 연결될 수 있다. 이에 따라, 처리 유량을 증가시킬 수 있다. 상기 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치(20)는 대기압에서 동작할 수 있다.

가스 공급부(21)는 다양한 연료를 플라즈마 장치에 공급할 수 있다. 상기 연료는 메탄과 이산화탄소일 수 있다. 상기 연료는 바이오 가스 또는 다양한 탄화수소 가스일 수 있다. 상기 가스 공급부(21)는 플라즈마 초기 방전 또는 방전 안정성을 위하여 아르곤(Ar)과 같은 보조 가스를 제공할 수 있다.

배기 및 가스 포집부(23)는 생성된 합성 가스를 수집하고 처리할 수 있다. 상기 배기 및 가스 포집부(23)는 일산화 탄소 등의 농도를 측정하고, 일산화탄소 및 수소 등을 포집할 수 있다. 가스 분해 유도 결합 플라즈마 장치는 발생한 열을 회수하는 열 교환기와 결합할 수 있다. 또한, 배기 및 가스 포집부(23)는 수소 정제부 및 수소 흡착부를 포함하도록 구성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 개략도이다.

도 3을 참조하면, 유도 결합 플라즈마 장치(100)는 유전체 방전 튜브(110); 가스를 공급받아 상기 유전체 방전 튜브 내에 스월(swirl) 유동을 제공하는 스월 발생부(140); 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(120); 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 를 포함한다. 상기 유도 결합 플라즈마 장치(100)는 대기압 또는 대기압 이상의 압력에서 원료 가스(메탄과 이산화탄소)를 분해하여 합성 가스(일산화탄소와 수소)를 생성할 수 있다.

상기 유전체 방전 튜브(110)는 방전된 플라즈마가 위치하는 방전 영역과 외부를 격리한다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 압력은 실질적으로 대기압 또는 대기압 이상의 압력일 수 있다. 분해된 가스가 외부로 누출되는 경우, 유해할 수 있다. 따라서, 유해 가스가 발생하는 경우, 상기 유전체 방전 튜브는 밀봉될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 원통형일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 원통형이 바람직할 수 있다. 그러나, 상기 유전체 방전 튜브(110)는 대기압에서 동작하므로 원통, 타원통, 사각통 등과 같이 다양하게 변형될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 재질은 쿼츠(Quartz), 세라믹, 알루미나, 또는 사파이어일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브는 제작 용이성 및 열충격에 강한 쿼츠가 형성되는 것이 바람직할 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)는 유도 기전력을 전달하기 위하여 비도전성 물질로 형성된다.

대기압 유도 결합 플라즈마는 유도 코일(120)에 의하여 방전될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 내부의 압력은 바람직하게는 300 토르(Torr) 내지 1000 토르의 범위일 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)의 압력이 대기압에 근접하는 경우, 유도 결합 플라즈마가 발생하기 어려운 단점이 있으나, 압력이 높아 대용량의 유량을 처리할 수 있다. 한편, 상기 유전체 방전 튜브(110)의 압력이 수 토르 내지 100 토르 수주인 경우, 유도 결합 플라즈마는 용이하게 발생될 수 있으나, 유량이 현저히 감소하고, 스월 유동이 감소한다. 즉, 압력 감소에 따른 가스의 확산 계수 증가에 의하여, 수십 kWatt 이상의 고전력이 인가된 상기 유전체 방전 튜브(110)는 열에 의하여 파손될 수 있다.

상기 유전체 방전 튜브(110)의 직경은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸고 있는 유도 코일(120)의 인덕턴스에 영향을 미친다. 상기 유도 코일의 인덕턴스가 증가하는 경우, 교류 전원 또는 RF 전원은 효율적으로 부하(유도 코일 포함)에 전력을 공급하지 못한다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브(110)의 직경은 수 센치미터 내지 수십 센치미터의 범위일 수 있다. 바람직하게는 상기 유전체 방전 튜브의 외직경은 8 센치 미터 수준일 수 있다. 상기 유도 코일의 인덕턴스는 5uH 내지 20 uH 범위일 수 있다.

통상적인 솔레노이드 형태의 유도 코일은 방전을 유지하고 충분한 가스 분해를 유발할 수 있을 정도로 강한 유도 전기장을 발생시키기 어렵다. 유도 전기장은 주파수가 높을 수록 유도 코일을 통하여 용이하게 생성되나, 주파수가 증가할 수록 수십 킬로 와트(kWatt) 이상의 고전력을 발생시키는 전력원(power source)의 제작이 어렵다. 통상적으로, 수백 킬로 헤르츠(kHz) 이하의 주파수 영역의 경우, 수십 kWatt 이상의 전력원이 제작될 수 있다. 수 MHz 이상의 주파수 영역의 경우, 수십 kWatt의 전력원이 제작되기 어렵다. 따라서, 수십 kWatt 이상의 전력을 공급하기 위하여, 상기 교류 전원부(129)은 수 MHz 이하의 주파수를 가질 수 있다. 상기 교류 전원부(129)의 100 kHz 내지 4 MHz이고, 바람직하게는 400 kHz 영역일 수 있다. 또한, 상기 교류 전원부(129)는 임피던스 매칭 또는 방전 안정성을 향상하기 위하여 위하여 가변 주파수 전원일 수 있다. 즉, 방전의 초기 단계의 주파수는 방전이 안정적으로 유지된 상태의 주파수는 서로 다를 수 있다.

유도 코일(120)은 CO2, CH4 등의 가스를 이용하여 대기압 플라즈마를 방전하기 위해서는 강한 전기장(Electric field)를 유도하여야 하며, 가스 반응 효율을 증가시키기 위하여 단위 시간 당 높은 에너지가 플라즈마에 투입하여야 한다. 이를 위하여 안테나 또는 유도 코일은 다음의 특징을 가진다. 상기 유도 코일(120)의 내부에는 냉각을 위하여 가압 공기 또는 물과 같은 냉매가 흐를 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 유도 코일의 내부에 냉매가 흐르는 경우에도, 수십 kWatt 이상의 전력이 공급되는 경우, 상기 유도 코일은 가열되어 녹을 수 있다. 따라서, 상기 유도 코일은 구리 재질로 형성되고, 표면 저항을 감소시키기 위하여 은으로 도금될 수 있다.

[다층 유도 코일의 구조]

현재 대기압 유도 결합 플라즈마 장치는 방전 공간에 높은 전기장을 유도하기 위하여 Very-High Frequency (VHF)의 전력을 인가한다. 통상적으로 대기압 유도 결합 플라즈마 장치는 27.4 MHz를 사용한다. 이 27.4 MHz 주파수의 경우, 플라즈마 방전 및 유지가 용이하나 RF 전원 (RF generator) 및 임피던스 정합(impedance matching)의 기술적 한계에 의하여 고전력을 높은 효율로 플라즈마 인가하는 것이 불가능하다. 따라서, 가스 분해와 CH4-CO2 플라즈마 개질 반응은 효율적으로 수행될 수 없다. 특히, CH4-CO2 플라즈마 개질 반응은 열 플라즈마(thermal plasma)를 요한다. 현재 까지는, 수 MHz 이하의 저주파에서, 수십 kWatt 이상의 전력을 이용한 유도 결합 플라즈마 장치가 요구되지 않았다. 통상적으로, 대기압 방전은 플라즈마 토치(plasma torch)를 이용하여 용이하게 방전된다. 따라서, 대기압 방전을 위하여 유도 결합 방전이 필요성이 없었다. 그러나, 플라즈마 토치의 경우, 전극은 소모성을 가지므로, 교환 및 수리가 자주 발생한다. 대기압 초고주파 방전의 경우, 방전 용이성은 있으나, 기구적으로 복잡하고, 수십 kWatt 이상의 전력을 출력하는 마그네트론(magnetron)은 현실적으로 없거나 너무 고가이다. 한편, 유도 결합 플라즈마는 유도 전기장이 유전체 방전 튜브에 수직 입사하지 않아, 이온 충격에 의한 손상이 적다. 유도 결합 플라즈마는 원통 형상의 유전체 방전 튜브(110)의 중심축 방향의 전기장을 생성한다. 스월 유동은 플라즈마를 유전체 튜브의 중심영역으로 감금하고 안정적인 방전을 유지할 수 있다.

수 MHz 이하의 낮은 주파수의 수십 kWatt 이상의 고전력을 인가하는 경우, 방전에 필요한 강한 유도 전기장을 형성 할 수 없다. 강한 유도 전기장을 발생시키기 위하여, 새로운 유도 코일 구조가 제안된다. 유도 코일과 안테나는 동일한 의미로 이하에서 혼용하여 사용된다. 유도 결합 플라즈마(inductively coupled plasma; ICP) 안테나의 경우, 플라즈마에 전달되는 유도 전기장의 세기는 유도 코일의 전류 및 주파수에 비례하며, 감긴 수(권선 수)의 제곱에 비례한다. 따라서 유도 코일(또는 안테나)의 감은 수를 늘릴수록 플라즈마에 높은 전류를 인가 할 수 있다. 그러나, 솔레노이드 코일의 권선 수가 증가함에 따라, 공간적인 제약에 의하여 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 에너지가 분산된다. 또한, 유도 코일의 높은 인덕턴스(임피던스)는 RF 전원(RF generator)로 부터 유도 코일(안테나)로의 전력전달을 어렵게 한다. 중요한 것은 플라즈마 주변에 형성되는 전기장의 밀도를 높여야 되므로 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향에 대하여 단위 길이 당 권선 수를 최대화해야 한다. 실험결과에 따르며, 단층 구조의 유도 코일은 안정적으로 유도 결합 플라즈마를 생성하기 어렵다.

따라서 우리는 특정 횟수로 유도 코일을 감은 후, 외측에 유도 코일을 겹치는 형태로 디자인 하였다. 즉, 다층 구조의 유도 코일이 제안된다. 권선 수와 층수는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 직경과 임피던스 정합에 적합한 인덕턴스 값에 따라 달라진다. 예를 들어, 80mm 직경의 유전체 방전 튜브에 4 turn 안테나를 3번 겹쳐서 사용한 경우, 안테나 저항은 180 mOhm, 안테나 인덕턴스는 8 μH이고, 안테나에 180 A의 전류가 인가될 수 있다.

상기 교류 전원부는 100 kHz 내지 4 MHz 범위의 교류 전력을 상기 유도 코일에 제공할 수 있다. 한편, 임피던스 매칭을 위하여 상기 교류 전원부(129)와 상기 유도 코일(120) 사이에 임피던스 매칭 네트워크(128)가 배치될 수 있다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.

도 4b는 도 4a의 유도 코일의 단면도이다.

도 4c는 도 4a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 유도 코일(120)은 복층 구조의 솔레노이드 형태일 수 있다. 상기 유도 코일(120)의 층수는 2 층 내지 3 층일 수 있다. 또한, 각층의 권선수는 3 내지 5 일 수 있다.

상기 유도 코일(120)은 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치된 하부 솔레노이드 코일(122); 및 상기 하부 솔레이드 코일을 감싸도록 배치된 상부 솔레노이드 코일(126)을 포함할 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일(122)과 상기 상부 솔레노이드 코일(126)은 직렬 연결되고, 상기 하부 솔레노이드 코일이 생성하는 자기장의 방향과 상기 상부 솔레노이드 코일이 생성하는 자기장의 방향은 서로 같을 수 있다.

상기 유도 코일(120)은 상기 하부 솔레노이드 코일(122)과 상기 상부 솔레노이드 코일(126) 사이에 배치된 중간 솔레노이드 코일(124)을 더 포함할 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일(122), 상기 중간 솔레이드 코일(124), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(126)은 직렬 연결될 수 있다. 상기 하부 솔레노이드 코일(122), 상기 중간 솔레이드 코일(124), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(126)가 생성하는 자기장의 방향은 같을 수 있다. 상기 교류 전원부의 주파수는 100 kHz 내지 4 MHz일 수 있다.

상기 하부 솔레노이드 코일(122), 상기 중간 솔레노이드 코일(124), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(126) 각각은 파이프의 외곽을 감싸는 스페이서(121)를 포함할 수 있다. 상기 스페이서(121)는 고온에서 녹지 않고 절연파괴전압이 높은 절연 물질일 수 있다. 상기 스페이서는 상기 유도 코일의 접촉을 방지하고 일정한 간격을 유지할 수 있다. 상기 유도 코일의 간격이 너무 좁은 경우, 대기압 방전이 발생할 수 있다. 상기 유도 코일은 파이프로 제작되고, 내부에 냉매가 흐를 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 유도 코일은 2층 구조의 솔레노이드 코일 구조이고, 상기 유도 코일은 하층에 4 턴 및 상층에 4턴을 가질 수 있다.

[병렬 구조에 의한 유도 코일(antenna)의 실저항 감소]

대기압 CO2/CH4 플라즈마를 방전하는 경우, 플라즈마의 실저항(real resistance)이 아르곤(Ar) 플라즈마에 비하여 0.6~0.9 Ohm 수준으로 급격히 감소한다. 임피던스 절대값의 감소로 인하여 필요로 하는 전류의 크기가 증가한다. 이 때 약 수백 암페어(A)의 전류가 필요하다. 기구물의 저항(유도 코일 자체 저항 또는 연결 부위의 접촉 저항)이 플라즈마의 실저항에 비하여 무시 못할 수준이 되면, 공급하는 전력의 전달효율이 감소하며, 기구물로 에너지가 손실된다. 따라서, 기구물이 파손되고, 사고 가능성이 생긴다.

기구물 중에서 가장 실저항이 높은 것은 안테나의 자체 실저항(약 0.18 Ohm)이다. 안테나의 자체 실저항은 전체 기구물 저항 중에서 80%를 차지할 수 있다. 안테나는 물 냉각을 하여 파손가능성을 줄여도 에너지 손실에 의한 문제가 남는다. CO2 방전 시 안테나의 에너지 손실은 20%가 넘으므로 개선이 필요하다. 이에 안테나의 병렬 연결 구조가 제안된다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조의 유도 코일을 설명하는 절단 사시도이다.

도 5b는 도 5a의 유도 코일의 단면도이다.

도 5c는 도 5a의 적층 구조의 유도 코일을 설명하는 회로도이다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 상기 유도 코일(430)은 복수의 다층 구조의 유도 코일 모듈(430a,320b)을 포함할 수 있다. 상기 다층 구조의 유도 코일 모듈(430a,320b)은 서로 공간적으로 이격되어 배치되고, 서로 전기적으로 병렬 연결되고, 상기 다층 구조의 유도 코일 모듈이 생성하는 자기장은 서로 보강 간섭할 수 있다. 제1 유도 코일 모듈(320a)은 하부 솔레노이드 코일(322a), 상기 중간 솔레노이드 코일(324a), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(326a)를 포함할 수 있다. 제2 유도 코일 모듈(320b)은 하부 솔레노이드 코일(322b), 상기 중간 솔레노이드 코일(324b), 및 상기 상부 솔레노이드 코일(326b)를 포함할 수 있다.

Case 1	Case 2	Case 3
3층 구조 (10 turn)	3층 구조 + 보강간섭 병렬 (10 X 2 turns)	3층 구조 + 보강간섭 병렬 (13 X 2 turns)
L= 8.1 uH R=180 mOhm	L= 6.8 uH R=91 mOhm	L= 8.9 uH R=120 mOhm

안테나 구조( 유도 코일 구조)를 2 병렬로 하는 경우(case 2 및 case 3), 안테나의 저항은 약 1/2로 감소하며 인덕턴스는 원래의 65% 수준이 된다. 따라서 교류 전원부의 임피던스 매칭은 좀더 넓은 범위를 가지며, 안테나 저항이 줄어 손실 또한 감소한다. 그리고 낮은 인덕턴스로 인하여 권선 수를 증가시킬 수 있어, 플라즈마 에너지 전달(plasma energy coupling)이 개선된다.

[가스 투입 및 스윌 구조]

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 스월 제공부를 설명하는 절단 사시도이다.

도 6을 참조하면, 가스 공급부(21)는 메탄, 이산화탄소, 아르곤, 및 이들의 조합 가스를 공급할 수 있다. 상기 가스 공급부(21)는 초기 방전 모드(initial discharge mode)과 주 방전 모드(main discgarge mode)에 따라 다른 가스 및 유량을 제공할 수 있다. 예를 들어, 초기 방전 모드의 경우, 상기 아르곤 가스와 이산화탄소가 주로 상기 유전체 방전 튜브(110)에 공급될 수 있다. 한편, 주 방전 모드의 경우, 이산화탄소와 메탄 가스가 상기 유전체 방전 튜브(100)에 공급될 수 있다. 또한, 초기 방전 모드는 주로 고전압을 이용한 축전 결합 모드로 방전되고, 주 방전 모드는 주로 고전류를 이용한 유도 결합 모드로 방전될 수 있다.

상기 유전체 방전 튜브(110)가 플라즈마를 감금하는 경우, 외벽에 강한 열이 전달된다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브(110)는 열에 의하여 손상될 수 있기 때문에, 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중앙에 비하여 표면에 강한 가스의 스월 유동 또는 소용돌이 유동을 제공한다. 이에 따라, 상기 스월 흐름(swirl flow)은 플라즈마를 중앙으로 유도하고 상기 유전체 방전 튜브의 외벽과 격리시킨다. 따라서, 상기 유전체 방전 튜브(110)는 열로부터 보호된다. 또한, 대기압의 높은 압력은 플라즈마 및 가열된 가스의 열 에너지를 유전체 방전 튜브에 전달하는 것을 억제한다. 이러한 효과가 가능하기 위하여 상기 유전체 방전 튜브(100)의 표면에 강한 속도로 소용돌이의 가스의 흐름이 요구된다. 또한, 상기 유전체 방전 튜브의 중앙과 내측면에서의 압력 차이가 요구된다. 또한, 국지적 와류의 형성이 억제되어야 한다.

가스를 원하는 방향으로 회전시키기 위하여 먼저 소용돌이를 일으키는 스월 발생부(140)가 존재한다. 상기 스월 발생부(140)는 유도 코일에 의한 플라즈마에 열 접촉이 최소화되면서 안정적으로 스월 흐름을 유도할 수 있다.

종래의 US7,662,693의 도 1 내지 도 3을 참조하면, 플라즈마 용기는 외벽 및 내벽을 가지는 이중 벽 구조이고, 내벽에 슬릿을 형성하여 스월 유동을 생성한다. 그러나, 이러한 구조는 안정적으로 스월 유동을 생성할 수 없다. 또한, 내벽은 플라즈마의 열에 의하여 손상될 수 있다. 또한, 내벽이 유전체 재질로 형성된 경우, 상기 슬릿 제작이 매우 어렵다. 또한, 내벽이 도전체인 경우, 상기 내벽은 유도 코일의 유도 전기장에 의하여 직접 가열되어, 열에 의하여 손상된다.

따라서, 유도 결합 플라즈마에서 스월 유동을 안정적으로 제공할 수 있는 다른 방법이 요구된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 결합하여 노즐을 통하여 스월 유동을 제공한다. 상기 스월 유동은 상기 유전체 방전 튜브 내에 소용돌이를 형성하면서 상기 유전체 방전 튜브(110)를 따라 진행할 수 있다. 상기 스월 발생부(140)와 상기 유도 코일(120)이 근접하여(예를 들어 수 센치 미터 이하로) 배치된 경우, 상기 유도 코일(120)에 의하여 발생한 강한 열 에너지는 상기 스월 발생부(140)를 손상시킬 수 있다. 따라서, 상기 스월 발생부(140)와 상기 유도 코일(120)은 수 센치 미터 이상 격리될 수 있다.

상기 스월 발생부(140)는 대기압 플라즈마의 위치 제어 및 반응의 최적화를 위하여 노즐을 세분화하여 디자인 하였다. 이에 따라, 플라즈마의 방전 안정성 및 가스의 반응 효율이 상승되었다. 노즐은 외측 노즐(143a), 및 내측 노즐(144a)을 포함한다. 또는, 노즐은 외측 노즐(1443a), 내측 노즐(144a), 및 중심 노즐(145)을 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐(143a)은 외측 노즐 가스 공급 라인(141a)을 통하여 가스를 공급받을 수 있다. 상기 내측 노즐(144a)은 내측 노즐 가스 공급 라인(141b)을 통하여 가스를 공급받을 수 있다. 상기 중심 노즐(145)은 중심 노즐 가스 공급 라인(141c)을 통하여 가스를 공급받을 수 있다.

상기 스월 발생부(140)는 외측 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a)과 내측 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a)을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 스월 발생부(140)는 외측 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a), 내측 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a), 및 중심에 스월없이 가스를 주입하는 중심 노즐(145)을 포함할 수 있다. 상기 중심 노즐(145)을 통한 가스의 공급은 상기 유전체 방전 튜브(110)와 플라즈마의 접촉을 억제하고, 플라즈마 안정성을 개선할 수 있다.

외측 노즐(143a) 만을 이용하여 스월 유동을 제공하는 경우, 플라즈마 안정성이 악화되고, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽과 접촉할 수 있다. 따라서, 상기 내측 노즐(144a)을 추가적으로 배치한 경우, 플라즈마 안정성이 향상될 수 있다.

상기 스월 발생부(140)는 유전체 방전 튜브의 동심원에 대하여 중심으로부터 가장자리까지 2부분 또는 3부분으로 구역을 나누어 가스를 투입 할 수 있다. 외측 노즐(143a)은 상기 유전체 방전 튜브의 내부의 가장자리에 냉각 및 플라즈마를 격리시키기 위한 스월 유동을 제공한다. 상기 중심 노즐(145)과 상기 외측 노즐(143a) 사이에는 압력차를 조절하기 위한 내측 노즐(144a)이 위치한다. 상기 내측 노즐(144a)은 상기 유전체 방전 튜브의 반경 방향으로 압력 차이를 조절할 수 있다.

상기 내측 노즐(143a) 및 외측 노즐(144a)은 이산화탄소를 주성분으로 하는 가스를 토출하여 스월 유동을 제공할 수 있다. 상기 중심 노즐(145)은 반응을 위한 가스(예를 들어, 매탄을 주성분으로 하는 가스)를 토출할 수 있다.

상기 스월 발생부(140)와 유도 코일(120)은 서로 수 센치 이상 이격되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 스월 발생부(140)와 유도 코일(120) 사이의 거리가 상기 스월 발생부(140)의 가열을 억제하기 위하여 충분히 이격된 경우, 스월 유동은 플라즈마가 발생하는 영역까지 지속되지 않을 수 있다. 즉, 스월 유동을 유도 코일이 배치된 영역까지 지속하기 위하여 스월 가이드(112)가 배치된다.

상기 스월 가이드(112)는 원통 형상이고, 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 삽입되어 배치되어 동심 구조를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 스월 가이드(112)는 상기 스월 발생부(140)에 장착되고 상기 유전체 방전 튜브(112)의 중심축 방향으로 연장될 수 있다. 이에 따라, 유전체 방전 튜브와 상기 스월 가이드 사이에 공급된 방위각 속도 성분을 가지는 유체는 안정적으로 스월 유동을 제공할 수 있다. 상기 스월 가이드(112)는 유도 코일에 의하여 플라즈마가 발생하는 방전 영역에 도달하지 않도록 짧을 수 있다. 상기 스월 가이드(112)가 방전 영역으로 연장되는 경우, 플라즈마는 상기 스월 가이드(112)를 열적으로 손상시킬 수 있다. 상기 스월 가이드(112)는 쿼츠, 세라믹, 사파이어와 같은 유전체 재질일 수 있다. 또한, 상기 스월 가이드(112)와 상기 유전체 방전 튜브(110)는 그 중심축이 일치하는 동심 구조를 가질 수 있다. 상기 스월 가이드(112)는 외측 노즐에 의한 외측 스월 유동과 상기 내측 노즐에 의한 내측 스월 유동을 안정적으로 형성하도록 마찰력을 제공할 수 있다. 또한, 상기 스월 가이드(112)는 가장자리의 가스 흐름을 원하는 대로 유도하는 가이드 역할, 및 플라즈마가 가스 노즐의 도체 표면으로 노출되는 것을 줄이는 역할을 한다. 상기 스월 가이드가 없는 경우, 안정적인 플라즈마 유지가 어렵다.

상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽을 따라 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 배치되고 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a); 및 외측 노즐의 내측에 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 배치되고 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a)을 포함할 수 있다. 스윌 가이드(112)는 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브(110) 의 길이 방향으로 연장되는 유전체 재질의 원통 형상을 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 스월 발생부(140)는 원통좌표계에서 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 유전체 방전 튜브의 일단에 결합하고 복수의 외측 노즐(143a)을 포함하는 외측 인젝터부(245); 상기 외측 인젝터부(245)와 결합하여 외측 버퍼 공간(143b)을 제공하는 외측 지지부(244); 상기 외측 지지부와 결합하여 상기 외측 버퍼 공간(143b)을 밀폐하는 외측 밀폐부(243); 상기 외측 밀폐부(243)의 내측에 삽입되고 내측 버퍼 공간(144b)을 제공하는 내측 지지부(242); 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 내측 지지부(242)에 삽입되어 상기 내측 버퍼 공간을 밀폐하고 복수의 내측 노즐(144a)을 포함하는 내측 인젝터부(248)를 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐(143a)은 상기 외측 버퍼 공간(143b)에 연결되고, 상기 내측 노즐(144a)은 상기 내측 버퍼 공간(144b)에 연결될 수 있다.

외측 인젝터부(245)는 일정한 반경의 원주 상에 배치된 복수의 외측 노즐을 포함한다. 상기 외측 노즐들(143a)은 상기 유전체 방전 튜브의 내측에 일정간 주기를 가지고 배열된다. 상기 외측 인젝터부(245)는 다면이 사각형인 링 형상이고, 상기 링 형상의 외측에 중심축 방향으로 연장된 부위를 가질 수 있다. 상기 연장된 부위는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 외측면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 외측 인젝터부(245)는 외측 지지부(244)와 결합한다.

외측 지지부(244)는 상기 외측 인젝터부(245)의 외측면을 감싸도록 배치되고, 상기 상기 외측 지지부(244)는 상기 외측 버퍼 공간(143b)을 형성하기 위한 일정한 반경의 원주 상에 배치된 함몰부를 포함할 수 있다. 상기 외측 버퍼 공간(143b)은 상기 외측 노즐(143a)과 연결되고, 상기 외측 노즐(143a)은 헬리칼 방향으로 진행하면서 스월 유동을 제공한다.

외측 밀폐부(243)는 상기 외측 지지부(244)의 하부면에 배치되고, 상기 외측 버퍼 공간(143b)을 밀폐하도록 결합한다. 상기 외측 밀폐부(243)는 가스 라인을 통하여 가스가 진행하는 가스 통로를 포함할 수 있다. 상기 가스 통로는 상기 외측 버퍼 공간(143b)에 연결될 수 있다.

내측 지지부(242)는 상기 외측 밀폐부(243)의 내측에 삽입되도록 배치된다. 또한, 상기 내측 지지부(242)는 상기 외측 밀폐부(243)의 하부면에 배치된다. 이에 따라, 상기 내측 지지부(243)는 직경이 큰 원기둥 형상의 몸체부와 상기 몸체부의 중심에서 연장되는 직경이 작은 원기둥 형상의 연장부를 포함할 수 있다. 상기 연장부의 외측면과 상기 외측 지지부(244)의 내측면 사이에는 상기 스월 가이드(112)의 일단이 배치될 수 있다. 상기 내측 지지부(242)의 일단은 원기둥 형상의 함몰부위를 포함하고, 상기 내측 인젝터부(248)는 상기 함몰부위에 삽입되어 배치된다. 상기 내측 지지부(242)의 연장부의 일단은 턱을 가지고 일정한 반경의 원주 상에 함몰된 구조를 포함하고, 상기 함몰된 구조는 상기 내측 버퍼 공간(144b)을 제공할 수 있다. 상기 내측 버퍼 공간(144b)은 상기 내측 인젝터부(248)에 의해 밀폐된다.

내측 인젝터부(248)는 일정한 반경 상에 배치된 복수의 상기 내측 노즐(144a)을 포함하고, 상기 내측 노즐(144a)은 상기 내측 버퍼 공간(144b)에 연결된다. 상기 내측 버퍼 공간(144b)은 외부의 가스 라인을 통하여 상기 내측 지지부(242)를 관통하는 유체 통로와 연결될 수 있다.

중심 인젝터부(247)는 상기 내측 인젝터(242)의 중심축에 삽입될 수 있다. 상기 중심 인젝터부(247)는 하나의 중심 노즐(145)을 포함할 수 있다. 상기 중심 인젝터부(247)의 중심 노즐(145)은 상기 내측 지지부(242)와 상기 내측 인젝터부(248) 사이의 중심축 상에 형성된 중심 버퍼 공간(145b)에 연결될 수 있다. 하부 지지부(241)는 상기 내측 지지부(242)의 하부면에 장착될 수 있다. 상부 지지부(246)은 상기 외측 지지부(244) 상에 배치되어, 상기 외측 인젝터(244)에 배치되는 오링을 압박하여 밀봉을 유지할 수 있다.

또한, 스월 유동의 안정성을 향상시키기 위하여, 보조 스월 발생부(170)가 배치될 수 있다. 상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 배치되고, 상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 타단에 배치될 수 있다. 상기 스월 발생부(140)와 상기 보조 스월 발생부(170)는 동일한 방향의 스월 유동을 제공하여 안정적인 유동을 제공할 수 있다.

상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 내직경과 같은 내경을 가진 토로이드 형상일 수 있다. 따라서, 스월 유동은 상기 보조 스월 발생부(170)에 의하여 방해받지 않고 안정적으로 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심축 방향으로 진행할 수 있다.

한편, 상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 스월 발생부(140)가 제공하는 스월 유동의 회전 방향과 동일한 회전 방향의 스월 유동을 추가적으로 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 스월 발생부(170)는 스월 유동의 안정성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 보조 스월 발생부(170)가 제공하는 가스의 주성분은 메탄과 같은 흡열 반응에 참여하는 가스일 수 있다. 구체적으로, 상기 스월 발생부(140)는 이산화탄소와 같은 발열 반응의 가스를 제공하여, 플라즈마에 의하여 발생된 열은 상기 보조 스월 발생부(170)가 제공하는 메탄의 흡열 반응을 동작시킬 수 있다. 흡열 반응 가스와 발열 반응 가스의 투입 위치를 서로 이격시켜, 방전 안정성 및 반응 효율을 증가시킬 수 있다.

[가스 투입 위치]

플라즈마에 의한 가스 분해 시 CH4의 투입 위치 및 유량은 매우 중요한 문제이다. CH4는 적당한 온도 (930 K) 이상에서 쉽게 탄소와 수소 가스로 분리되는 흡열반응을 수행할 수 있다. 메탄(CH4)는 전자를 쉽게 흡수하는 경향이 있어서 농도가 높아지면 플라즈마의 저항을 낮추고 방전을 약하게 만든다. 따라서 플라즈마 발생 영역을 지난 이후, 플라즈마 꼬리 부분의 높은 열을 가진 부분에서 CH4 가스가 상기 보조 스월 발생부(170)에 의하여 투입되면, CH4 가스는 열을 재회수하여 탄소로 분리되며, 분해된 탄소는 CO2로부터 분리된 산소 원자와 결합하여 일산화 탄소를 생성할 수 있다. 이 때 재회수한 열에 의하여 효율이 증가하며 방전 또한 개선될 수 있다.

스월 발생부(140)는 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 장착될 수 있다. 보조 스월 발생부(170)는 상기 유전체 방전 튜브(170)의 타단에 배치될 수 있다. 가스는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단으로부터 소용돌이를 일으키며 상기 유전체 방전 튜브(110)의 타단으로 이동할 수 있다. 플라즈마가 발생하는 방전 영역을 이산화탄소가 진행함에 따라, 상기 이산화탄소는 분해되어 일산화탄소와 열을 발생시킬 수 있다. 이때 발생된 열은 보조 스월 발생부(170)가 제공하는 메탄을 분해하기 위한 흡열 반응에 사용될 수 있다. 또한, 상기 보조 스월 발생부(170)는 상기 스월 발생부(140)와 동일한 방향의 소용돌이를 생성하여 안정적인 유동을 제공할 수 있다. 상기 보조 스월 발생부(170)의 노즐 방향은 접선 방향 성분과 중심축 방향을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 스월 발생부(170)가 토출하는 메탄 가스는 안정적으로 소용돌이를 형성하면서 진행할 수 있다.

상기 보조 스월 발생부(170)는 스월 유동을 제공하는 보조 노즐(173)을 포함할 수 있다. 상기 보조 스월 발생부(170)는 플라즈마 발생 영역의 후단에서 메탄과 같은 탄화수소를 제공할 수 있다. 상기 보조 스월 발생부(170)는 속이 빈 토로이드 형상이고, 복수의 보조 노즐(173)은 보조 버퍼 공간(174)에 연결되고, 상기 보조 노즐(173)의 진행 방향은 원통 좌표계에서 반경 방향 성분 및 방위각 방향 성분을 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 보조 노즐(173)을 진행한 가스는 스월 유동을 제공할 수 있다.

[냉각 방식]

대기압 열 플라즈마(atmospheric pressure thermal plasma)는 방전 시 강한 열 및 복사열을 외부에 방출한다. 외벽 및 주변 기구물의 열에 의한 파손이 우려되므로 이를 개선하기 위하여 플라즈마 장치는 새로운 구조 및 기능을 구비한다.

상기 유전체 방전 튜브(110)의 외벽과 기구물(또는 스월 발생부, 보조 스월 발생부) 사이를 밀봉하기 위하여 실리콘 오링(O-ring)이 사용될 수 있다. 그러나, 섭씨 300도 이상의 고열에서 상기 오링은 파손되므로 주변부의 냉각이 필요하다. 냉각 링(142)은 상기 스월 발생부의 하부면에 접촉하면서 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 냉각 링(142)은 수냉 자켓( water cooling jacket)일 수 있다. 상기 냉각 링(142)은 냉매에 의하여 냉각될 수 있다. 또한, 보조 냉각 링(171)은 상기 보조 스월 발생부(170)의 상부면에 접촉하면서 상기 유전체 방전 튜브(110)의 타단을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 보조 냉각 링(171)은 냉매에 의하여 냉각될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 유전체 방전 튜브(110)를 냉각을 위한 방법으로, 열전도성이 양호한 세라믹 물질은 상기 유도 코일(120)을 몰딩할 수 있다. 상기 유도 코일(120)은 세라믹 페이스트(ceramic paste) 속에 매몰되고, 상기 세라믹 페이스트는 경화되어, 세라믹 블록을 형성할 수 있다. 상기 세라믹 블록은 상기 유도 코일(120)과 이격되고 상기 세라믹 블록에 매몰된 냉각 파이프에 의하여 별도로 냉각될 수 있다. 상기 세라믹 블록은 상기 유전체 방전 튜브(110)와 접촉하여 상기 유전체 방전 튜브(110)를 전도 냉각하도록 몰딩되어 일체형으로 형성될 수 있다.

유전체 방전 튜브(110)의 외부 및 유도 코일은 고열 및 고 전류에 의하여 오존 및 발열 문제가 발생한다. 따라서, 유도 코일(120)을 감싸도록 안전 케이스(190)가 배치된다. 상기 안전 케이스(190)는 밀봉된 원통 형상일 수 있다. 상기 안전 케이스(190)는 공기 입구 와 공기 출구를 포함한다. 공기 입구를 통하여 주입된 가압 공기는 유전체 방전 튜브 및 유도 코일을 냉각을 한다. 배기 설비는 상기 공기 출구로 배출된 공기에서 오존을 격리하여 처리한다.

유전체 방전 튜브(110)의 타단(유도 코일을 지나 배기되는 지점)에 온도 측정부(196)가 배치될 수 있다. 상기 온도 측정부(196)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 온도를 측정한다. 상기 유전체 방전 튜브의 온도는 내부의 가스 온도에 의존할 수 있다. 측정된 온도는 공정 제어를 위하여 사용될 수 있다. 플라즈마의 경우, 측정 위치를 기준으로 섭씨 350 ~ 600도 를 보이는 경우, 대기압 방전이 안정적으로 유지된다. 이 범위 보다 온도가 낮은 경우, 플라즈마가 불안정해지며 방전이 중지된다. 또한 온도가 너무 높은 경우, 상기 유전체 방전 튜브(110) 및 주변부 기구물이 파손될 수 있다. 따라서, 온도가 너무 높은 경우, 온도를 유지시키기 위하여, 상기 유도 코일에 제공되는 교류 전력 또는 가스 공급 유량이 제어될 수 있다.

보조 스월 발생부(170)의 하부에는 보조 챔버(182)에 연결될 수 있다. 상기 보조 챔버는 유전체 재질 또는 금속 재질일 수 있다. 상기 보조 챔버(182)는 매탄-이산화탄소를 이용한 합성 가스의 생산 공정의 경우 반응을 위한 공간을 제공할 수 있다. 상기 보조 챔버(182)의 길이는 수 센치 미터 내지 수 미터일 수 있다.

상기 보조 챔버(182)는 처리 용기(180)에 장착될 수 있다. 상기 처리 용기(180)는 분해된 가스를 사용하거나 또는 분해된 가스 중에서 필요한 가스를 수집하기 위한 후처리(post-process )를 진행할 수 있다.

[방전 효율 향상용 자성체 구조]

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치의 자속 감금부를 설명하는 단면도이다.

도 8은 도 7의 자속 감금부를 설명하는 사시도이다.

도 7 및 도 8을 참조하면, 유도 코일(120) 주변에 배치된 자성체 구조물은 자기장을 감금하고, 이로 인하여 플라즈마의 실 저항을 증가시킬 수 있다. 플라즈마와 유도 코일 사이의 결합 효율(coupling efficiency)을 개선시키기 위해서, 유도 코일(120)에 의하여 형성되는 자기장은 플라즈마 내부에 집중될 필요가 있다.

자속 감금부(130)는 상기 유도 코일(120)의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자속을 감금하고 자성체로 형성된다. 상기 자속 감금부(130)는 페라이트 재질일 수 있다. 상기 자속 감금부(130)는 상기 유도 코일(120)에 의하여 형성된 자기장에 의하여 히스테리스 손실 및 유도 전류에 의한 열 손실이 발생할 수 있다. 상기 자속 감금부(130)는 쿠리어 온도(Curie Temperature) 이상으로 가열되는 경우, 그 특성을 상실할 수 있다. 이에 따라, 상기 자속 감금부(130)는 열전도성 냉각판에 의하여 열전달되어, 냉각 파이프에 의하여 냉각될 수 있다. 상기 열전도성 냉각판(132)이 도전판인 경우, 상기 열전도성 냉각판은 유도 전류가 흐르지 않도록 슬릿(132a)을 가질 수 있다.

상기 자속 감금부(130)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심축에 대하여 수직한 평면에서 대칭적으로 배치되는 복수의 자성체 블록(130a)을 포함할 수 있다. 상기 자성체 블록(130a)은 상기 유도 코일(120)의 외측면, 상부면, 및 하부면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 자속체 블록(130a)는 페라이트 재질로 형성될 수 있다. 상기 자속 감금부(130)는 자기장 또는 자속을 감금시켜 결합 효율을 증가시키는 것이 가능하다. 상기 자속 감금부(130)를 적용하지 않은 경우에 비하여, 상기 자속 감금부(130)를 적용한 경우, 플라즈마 실저항이 50% 증가한 것을 확인할 수 있다. 플라즈마의 실저항이 증가하면 동일 전력을 전달하기 위하여 필요한 전류의 크기가 감소하며, 효율(실재 플라즈마에 투입되는 전력의 비율) 또한 개선된다.

상기 자성체 블록(130a)은 단면이 "[" 형태이고, 길이 방향으로 연장될 수 있다. 상기 자성체 블록(130a)은 다층 구조의 유도 코일(120)을 감싸도록 삽입되고, 상기 자성체 블록(130a)은 유도 코일(120)의 중심축에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 자성체 블록(130)의 개수를 증가시키는 경우, 자속 감금 효율은 증가하나, 페라이트에 의한 자체 저항(히스테리시스 손실)이 증가하며, 상기 인덕턴스가 증가할 수 있다.

상기 자속 감금부(130)는 상기 유도 코일(120)을 감싸도록 배치된 자성체 블록(130a); 상기 자성체 블록(130a)에 접촉하여 상기 자성체 블록(130a)의 열을 전달하도록 상기 자성체 블록(130a)의 외측면에 배치된 열전도성 냉각판(132);및 상기 열전도성 냉각판에 고정되어 상기 열전도성 냉각판을 냉각하는 냉각 파이프(134)를 포함할 수 있다. 상기 열전도성 냉각판(132)은 상기 유도 코일(120)에 의하여 발생하는 유도 전류의 흐름을 차단하는 슬릿(132a)을 포함할 수 있다. 상기 열전도성 냉각판(132)은 도전체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 열전도성 냉각판(132)과 상기 자성체 블록(130a)는 열전도성 페이스트(133)에 의하여 고정될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따른 상기 자속 감금부는 상기 유도 코일의 외측면, 상부면을, 및 하부면을 감싸도록 배치되고, 내측면이 개방된 토로이드 형상일 수 있다.

[초기 방전 구조]

US 7,622,694을 참조하면, 초기 방전을 위하여 초고주파 플라즈마가 사용된다. 초고주파 플라즈마 방전은 도파관과 같은 복잡한 기구적 구조물을 필요로 하고, 도파관과 방전 공간을 분리하는 유전체판은 초고주파 플라즈마에 의하여 쉽게 파손된다.

US 7,578,937을 참조하면, 초기 방전을 위하여 카본 아크 방전이 사용된다. 그러나, 방전 공간 배부에 한 쌍의 카본 전극이 배치됨에 따라, 카본 전극의 지지 구조가 복잡하여, 카본 전극의 고열 및 플라즈마에 의하여 쉽게 파손된다. 특히, 카본 전극은 CF4 와 CO2 방전시, 산소와 결합하여 소모된다. 따라서, 새로운 초기 방전 구조가 요구된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 초기 방전 발생부(150)는 상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공한다.

다시, 도 3을 참조하면, 상기 초기 방전 발생부(150)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 외측면에 배치된 적어도 한 쌍의 초기 방전 전극(151); 및 상기 한 쌍의 초기 방전 전극(151) 사이에 DC 고전압을 인가하는 DC 전원부(129); 포함한다.

상기 초기 방전 전극(151)은 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심축 방향으로 상기 유도 코일(120)을 사이에 두고 서로 이격되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 초기 방전 전극(151)은 상기 유전체 방전 튜브(110)의 외측면에 접촉하여 상기 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치될 수 있다. 상기 DC 전원부(152)는 상기 유도 코일(120)의 상부 및 하부에 각각 배치된 한 쌍의 초기 방전 전극에 DC 고전압을 인가할 수 있다. 상기 DC 전원부(152)는 수 kHz 내지 수 십 kHz 대역의 고전압 펄스 전압을 인가할 수 있다.

[열 교환용 중심 보조 유전체 튜브]

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 장치(100a)를 설명하는 도면이다.

도 3 및 도 9를 참조하면, 보조 유전체 튜브(114)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 중심에 배치될 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)의 내부에는 가스가 진행할 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)는 원통 형상이고, 쿼츠, 세라믹, 알루미나, 또는 사파이어일 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브는 플라즈마에 의하여 생성된 열을 전달받아 가스 분해반응에 사용할 수 있다. 이에 따라, 열효율이 상승할 수 있다. 유도 코일(420)은 유도 결합 플라즈마를 생성한다.

CH4를 플라즈마에 통과시키는 경우, 방전이 약해지며 플라즈마 실저항이 감소한다. 이를 개선하기 위하여 중심 노즐에서 배출되는 가스의 투입 위치를 유도 코일 이후로 옮기는 구조를 적용하였다.

보조 유전체 튜브(114)는 원통 형상이고, 상기 보조 유전체 튜브(114) 내에 중심 노즐(145)이 방출하는 가스가 진행할 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)의 일단은 상기 스월 발생부(140)의 중심에 결합하고, 상기 보조 유전체 튜브(114)의 타단은 플라즈마가 발생하는 방전 영역 이후에 배치된다.

외측 노즐(143a)에서 나오는 CO2는 플라즈마 방전에 이용되며, 상기 CO2는 플라즈마로부터 에너지를 제공받아 분해되어 CO와 산소원자, 그리고 열로 전환된다. 그리고 상기 보조 유전체 튜브(114)를 통과하여 유도 코일(420)의 배치 영역 이후로 분출되는 CH4는 상기 보조 유전체 튜브(114)를 통과하면서 플라즈마로부터 방출되는 열을 흡수하여 탄소와 수소 분자로 분리되며 플라즈마 방전 자체에는 갑섭을 하지 않는다. 그리고 보조 유전체 튜브(114)를 지난 후 분출된 탄소원자와 외부에 존재하는 산소원자가 반응하여 일산화 탄소가 생성된다. 이 구조의 장점은 CH4 가 플라즈마를 간섭하여 방전이 저하되지 않는다는 점이다. 또한, 전자(electron)의 에너지를 CH4가 뺏지 않고 주변으로 낭비되는 열을 이용하기 때문에 효율이 향상된다는 점이다.

보조 유전체 튜브(114)를 적용한 경우, CH4 투입 전후의 플라즈마 실저항이 감소된다. CH4-CO2 혼합 가스(mixing gas)를 바로 플라즈마에 투입시키는 경우 실저항이 30 % 감소한다. 그러나, 보조 유전체 튜브(114)를 적용한 경우, CH4 투입 전후에 플라즈마의 저항이 저의 변화가 없다. 따라서, 안정적인 플라즈마 방전이 유지된다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.

도 10을 참조하면, 도 3의 플라즈마 장치가 사용되었다. 압력이 대기압(760 Torr)으로 증가함에 따라, 플라즈마 저항은 급격히 감소한다. 플라즈마 저항이 감소되면, 교류 전원부는 많은 전류를 흘려야 한다. 따라서, 플라즈마 저항이 감소하는 경우, 플라즈마 장치는 실질적으로 동작하기 어렵다.

자속 감금부(130)를 사용한 경우의 플라즈마 저항은 사각형으로 표시된다. 2 병렬 적층구조의 유도 코일이 사용된 경우의 플라즈마 저항은 삼각형으로 표시된다. 한편, 적층 구조의 유도 코일만이 사용된 경우의 플라즈마 저항은 원형으로 표시된다.

적층 구조의 유도 코일을 사용함에 따라, 플라즈마 방전이 가능하다. 또한, 병렬 구조를 채용함에 따라, 플라즈마 저항의 증가로 플라즈마 방전 안정성이 향상되고, 또한, 자속 감금부를 사용하는 경우, 플라즈마 저항의 증가로 플라즈마 방전 안정성이 향상된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 실험 결과를 나타내는 도면이다.

도 9 및 도 11을 참조하면, 적층 구조의 유도 코일 및 보조 유전체 튜브(114)을 사용한 실험 결과이다. 보조 유전체 튜브(114)를 통한 CH4의 투입 전후의 플라즈마 실 저항이 표시된다.

보조 유전체 튜브(114)를 통한 CH4를 투입하지 않는 경우, CH4-CO2 혼합 가스를 바로 플라즈마로 투입하는 경우, 플라즈마 실저항이 30% 감소한다.

그러나, 보조 유전체 튜브(114)를 통한 CH4를 투입하는 경우, CH4의 투입 전후의 플라즈마 실 저항은 거의 변하지 않는다. 따라서, 보조 유전체 튜브를 통한 메탄 가스의 공급은 방전 안정성 및 공정 능력을 향상시킨다.

이하, 기판 처리용 대기압 플라즈마 장비가 설명된다. 챔버 내부에 Ar, H2, O2등의 가스를 표면개질에 따라 단독 또는 혼합하여 투입하면서 전기적 에너지를 가하면 가속된 전자의 충돌에 의하여 투입된 가스가 플라즈마 상태로 활성화 된다. 이러한 플라즈마 상태에서 발생하는 가스의 이온 또는 라디칼 등이 피처리 재료 표면에 충돌하여 미세 유막 제거, 미세 조도 형성 등 표면의 물리 화학적인 변화를 유도함으로써 각종 접착 밀착력 향상, 플라스틱 사출 도장의 불량 방지, 각종 코팅 밀착력을 증대시키는 역할을 한다. 또한, 대기압 플라즈마는 물질의 표면을 친수성으로 개질할 수 있다.

대기압 플라즈마 장비는 디스플레이 세정공정 또는 증착·코팅·에칭공정 등에 적용될 수 있다. 플라즈마로 표면처리하면 오염물질과 정전기를 제거하고 표면에너지를 높여 접착이 잘되는 등 생산효율을 크게 높일 수 있다.

반도체 및 장비에서 사용되는 플라즈마 용사기술은 세라믹 반도체 제조용 부품의 제조 LCD 및 재생에 관한 것으로 특히 플라즈마 코팅 부품에서 치명적인 결함으로 발생하는 피막의 벗겨짐 현상을 방지하여 부품의 사용 수명을 연장하고 반도체 제조 공정시 안정적인 공정조건을 확보토록 도모해줌으로써 반도체 제조 원가를 저감하고 수율 향상시킬 수 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 장치를 설명하는 도면이다.

도 3에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 3 및 도 12를 참조하면, 플라즈마 장치(200)는 원통 형상의 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되어 상기 유전체 방전 튜브의 내부에 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(420); 상기 유도 코일의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자기장을 감금하는 자속 감금부(230); 및 상기 유도 코일(420)에 전력을 공급하는 교류 전원부(129)를 포함한다.

대기압 또는 대기압 이상의 압력에서 형성된 플라즈마는 대기중에 노출된 피처리물에 직접 제공되거나 처리 챔버 내에 배치된 피처리물을 처리할 수 있다. 피처리물은 상기 유도 결합 플라즈마에 직접 또는 간접적으로 노출될 수 있다. 상기 피처리물은 반도체 기판, 유리 기판, 섬유, 금속, 세라믹 등을 일 수 있다. 상기 플라즈마 장치는 피처리물은 친수화 처리, 세정 처리, 등의 표면 처리를 수행할 수 있다. 사용하는 가스는 처리하는 공정에 따라 변경될 수 있으나, 아르곤, 산소 ,질소 가스, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 플라즈마 용사 처리의 경우, 철계 합금 분말이 추가적으로 공급될 수 있다. 피처리물은 이동시키기 위하여, 롤러가 배치될 수 있다. 상기 롤러는 평판 기판인 경우, 서셉터로 변경될 수 있다.

상기 유전체 방전 튜브(110)에 제공되는 방전 가스는 아르곤, 산소, 및 질소 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 방전 가스는 처리 용도에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하는 개념도이다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 플라즈마 시스템(40)은 가스 공급부(41), 상기 가스 공급부(41)로 부터 원료 가스 및 원료를 공급받아 유도 결합 방전을 수행하는 유도 결합 플라즈마 장치(200), 및 상기 유도 결합 플라즈마 장치에서 분해된 가스를 제공받는 기판 처리 챔버(43)를 포함한다.

상기 유도 결합 플라즈마 장치(200)는 원통 형상의 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 상기 유전체 방전 튜브의 내부에 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(420); 상기 유도 코일의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자기장을 감금하는 자속 감금부(230); 및 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129)를 포함한다. 상기 유도 결합 플라즈마 장치는 대기압 근처에서 플라즈마 방전을 수행할 수 있다.

상기 처리 챔버(43)는 별도의 기판 처리 가스를 제공하는 기판 처리 가스 제공부(44)를 추가적으로 포함할 수 있다. 상기 처리 챔버(43)는 기판 처리를 위하여 기판 처리 가스만을 이용하여 처리하거나, 상기 유도 결합 플라즈마의 부산물 만을 이용하여 기판 처리를 수행할 수 있다.

상기 처리 챔버(43)는 증착, 식각, 세정, 살균, 표면 처리 등과 같은 공정을 수행할 수 있다. 상기 유도 결합 플라즈마 장치(200)는 상기 처리 챔버(43)에 상기 가스 분배부(45)를 통하여 또는 직접 유도 결합 플라즈마의 부산물을 제공할 수 있다.

예를 들어, 상기 처리 챔버(43)가 증착 공정을 수행하는 경우, 상기 처리 챔버(43)는 증착 공정에 의하여 오염될 수 있다. 상기 처리 챔버를 세정하기 위하여, 상기 유도 결합 플라즈마 장치(200)는 NF3와 같은 불소 함유 가스를 분해하여 상기 처리 챔버(43)에 제공할 수 있다. 상기 처리 챔버는 유도 결합 플라즈마 장치로부터 제공받은 가스에 의하여 세정될 수 있다. 상기 처리 챔버는 배기 펌프에 의하여 진공으로 배기될 수 있다.

상기 처리 챔버(43)는 반도체 기판 또는 유리 기판에 한하지 않고 필름, 섬유, 신발과 같은 다양한 물품을 처리할 수 있다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 스크러버 시스템을 개념도이다.

도 14를 참조하면, 스크러버 시스템(90)은 플라즈마 발생 장치(93,95)를 포함할 수 있다. 진공 챔버(91)는 식각 또는 증착과 같은 공정을 수행하고 유해가스를 고진공 펌프(92)를 통하여 배기할 수 있다. 상기 유해 가스는 저진공 펌프(94) 및 습식 스크러버(95)를 통하여 외부로 배기될 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치(95)는 저진공 펌프(94)와 습식 스크러버(96) 사이에 배치되어 고압에서 유해 가스를 분해하여 상기 습식 스크러버(96)에 제공할 수 있다. 상기 플라르마 발생 장치(95)는 유도 결합 플라즈마 장치(400)가 사용될 수 있다. 한편, 저압에서 동작하는 플라즈마 발생 장치(93)가 고진공 펌프(92)와 상기 저진공 펌프(94) 사이에 배치될 수 있다. 위에서 설명한 유도 결합 플라즈마 발생 장치(400)는 수 토르 수준의 저압에서도 동작하므로, 상기 고진공 펌프(92)의 후단의 배기관에 배치될 수 있다.

도 15a 및 도 15b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다. 도 3 및 도 12에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 3, 도 15a 및 도 15b를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(400)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(420); 및 상기 유도 코일(420)에 전력을 공급하는 교류 전원부(129)를 포함한다. 상기 유도 코일(420)은 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(422); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(424)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

상기 유전체 방전 튜브(110)는 처리하고자 하는 가스를 공급받고 대기압 상태 또는 대기압 이하의 진공 상태로 유지될 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(110)는 수십 센치 미터 직경의 원통 형상일 수 있다. 상기 대기압 또는 대기압 이상의 압력에서 안정적인 방전을 유지하기 위하여, 상기 유전체 방전 튜브의 공급되는 가스는 스월 유동을 가질 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브의 재질은 쿼츠 또는 세라믹 재질일 수 있다.

상기 유도 코일(420)은 복수의 턴(turn)으로 구성되고, 상기 유도 코일(420)은 동심축을 가지는 이중 솔레이노이드(dual solenoide)일 수 있다. 상기 유도 코일은 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되어, 상기 유전체 방전 튜브(110) 내부에 안정적인 유도 결합 플라즈마를 생성할 수 있다. 안정적인 유도 결합 플라즈마 방전을 위하여, 상기 유도 코일(420)은 적절한 임피던스를 유지하고, 상기 유도 코일에 낮은 전압이 인가되고, 강한 유도 전기장을 발생시키는 높은 전류가 흐를 수 있다. 이러한 조건을 충족하기 위하여, 동심축을 가지는 이중 솔레노이드 구조의 유도 코일이 제안된다. 또한, 내측 유도 코일과 외측 유도 코일의 서로 인접한 위치에서, 축전 결합에 의한 방전 효율 저하를 억제하기 위하여 양의 전압과 반대 부호의 음 전압은 서로 마주보도록 설계될 수 있다.

상기 유도 코일(420)은 원통형상의 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 감긴 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(422) 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 감긴 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(424)을 포함할 수 있다. 상기 내측 유도 코일(422)은 일정한 반경을 가지고 헬리칼 형태의 복수의 턴으로 구성되고, 상기 외측 유도 코일(424)은 일정한 반경을 가지고 헬리칼 형태의 복수의 턴으로 구성될 수 있다.

상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)은 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 상기 내측 유도 코일(422)은 상기 외측 유도 코일(424)에 삽입되어 동심축을 가지는 이중 솔레노이드 구조를 가질 수 있다. 상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)은 서로 전기적으로 접촉하지 않도록 일정한 간격을 유지할 수 있다. 이를 위하여, 유도 코일 고정부(미도시)는 상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)을 일정한 간격을 유지하면서 고정할 수 있다. 상기 유도 코일(420)은 상기 교류 전원부로부터 직접 전력을 공급받거나 임피던스 매칭을 위하여 임피던스 매칭회로 또는 변압기(428)를 통하여 전력을 공급받을 수 있다.

상기 내측 유도 코일(422)의 일단은 상기 2차 변압 코일(428b)의 일단에 연결되고, 상기 외측 유도 코일(424)의 일단은 상기 2차 변압 코일(428b)의 타단에 연결될 수 있다. 또한, 상기 내측 유도 코일(422)의 타단은 상기 외측 유도 코일(424)의 타단에 직접 연결될 수 있다.

상기 내측 유도 코일(422)의 일단은 상기 외측 유도 코일(424)의 일단과 인접하게 배치될 수 있다. 상기 내측 유도 코일(422)의 타단은 상기 외측 유도 코일(424)의 타단과 인접하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 내측 유도 코일(422)은 상기 외측 유도 코일(424)에 삽입되어 서로 마주보며 인접하게 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 유도 코일은 내측 유도 코일을 감은 후, 연속적으로 상기 내측 유도 코일에 중첩되도록 외측 유도 코일을 감아서 형성될 수 있다.

상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)은 방위각 방향으로 감기면서 서로 일정한 간격을 유지할 수 있다. 이에 따라, 서로 마주보는 위치에서 상기 내측 유도 코일(422)의 전압은 상기 외측 유도 코일(424)의 전압과 동일한 크기를 가지고 서로 반대 부호를 가질 수 있다. 상기 내측 유도 코일(422)의 전압은 서로 마주보는 위치에서 상기 외측 유도 코일의 전압(424)과 반대 부호일 수 있다. 이러한 유도 코일은 보강 간섭에 의한 자속을 발생시키고, 양의 전압과 음의 전압은 서로 마주보도록 배치될 수 있다. 이러한, 인접하게 배치된 양의 전압과 음의 전압은 전기 쌍극자로 동작하여 정전기장을 스크린닝 (screening) 하는 것으로 해석된다. 이에 따라, 축전 결합에 의한 스트리머의 발생이 억제되고, 유도 결합 효율이 증가될 수 있다. 또한, 기생 축전 결합 플라즈마 발생이 억제되어, 방전 안정성이 향상될 수 있다. 상기 내측 유도 코일 또는 상기 외측 유도 코일의 권선수는 4 내지 9일 수 있다. 상기 내측 유도 코일의 권선수와 그 단면적의 곱은 상기 외측 유도 코일의 권선수 와 그 단면적의 곱과 같을 수 있다.

상기 교류 전원부(129)는 직류 고전압을 인버터를 사용하여 교류 전압을 발생시킬 수 있다. 상기 교류전원부는 제1 출력단자(N1)와 제2 출력 단자(N2)를 포함하고, 제1 출력단자(N1)의 전압은 상기 제2 출력 단자(N2)의 전압과 같은 크기를 가지고 반대 부호를 가질 수 있다. 상기 교류 전원부(129)의 구동 주파수는 수백 kHz 내지 수 MHz일 수 있다. 상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고, 제1 출력단자와 상기 제2 출력 단자는 직접 상기 유도 코일에 각각 연결될 수 있다. 또는 교류 전원부(129)는 임피던스 매칭을 위하여 변압부(428)를 통하여 상기 유도 코일에 연결될 수 있다.

상기 교류 전원부(129)의 출력은 변압부(428)에 제공된다. 상기 변압부(428)는 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 변압부(428)는 1차 변압 코일(428a) 및 2차 변압 코일(428b)을 포함할 수 있다. 상기 1차 변압 코일(428a)에 의하여 형성되는 자속의 방향은 상기 제2 차 변압 코일(428b)에 의하여 형성되는 자속의 방향과 같을 수 있다.

또한, 상기 변압부(428)는 상기 유도 코일(420)의 리액턴스를 상쇄시키 위하여 리액턴스 보상 축전기(428c)를 포함할 수 있다. 상기 리액턴스 보상 축전기(428c), 유도 코일(420), 및 상기 2차 변압 코일(428b)은 공진 회로를 구성하고, 구동 주파수는 상기 공진회로의 공진 주파수와 일치할 수 있다. 상기 리액턴스 보상 축전기(428c)는 고정 축전기 또는 가변 축전기일 수 있다. 이에 따라, 상기 2차 변압 코일 방향의 리액턴스 성분은 제거될 수 있다. 상기 제1 변압 코일(428a)과 상기 제2 변압 코일(428b)의 권선비는 임피던스를 변경할 수 있다. 상기 제2 변압 코일의 권선수(n2)에 대한 제1 변압 코일의 권선수(n1)의 권선비(n2/n1)는 1/3 ~ 1/2 범위일 수 있다. 상기 권선비(n2/n1)에 따라 상기 교류 전원부(129)의 최대 전력이 변경될 수 있다. 바람직하게는, 상기 2차 변압 코일에 많은 전류가 흐르고 낮은 전압이 유도되도록 상기 권선비는 설정될 수 있다.

보조 인덕터(428d)는 상기 변압부의 1차 변압 코일(428a)에 직렬 연결될 수 있다. 가변 축전기(428e)는 상기 변압부의 1차 변압 코일(428a)에 직렬 연결될 수 있다. 상기 보조 인덕터(428d)는 고정된 인덕턴스를 가질 수 있다. 상기 가변 축전기(428e)는 상기 변압부의 1차측 임피던스 정합을 위하여 가변될 수 있다. 직렬 연결된 상기 가변 변압기의 1차 변압 코일(428a), 상기 보조 인덕터(428d), 및 상기 가변 축전기(428e)는 공진 회로를 구성할 수 있고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 상기 구동 주파수와 실질적으로 일치할 수 있다.

상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)이 서로 마주보는 위치에서 서로 반대 부호의 전압을 유지하기 위하여, 상기 내측 유도 코일(422)의 인덕턴스는 상기 외측 유도 코일(424)의 인덕턴스와 동일할 수 있다. 이를 위하여, 상기 내측 유도 코일(422)의 권선수와 그 단면적의 곱은 상기 외측 유도 코일(424)의 권선수 와 그 단면적의 곱과 같을 수 있다. 구체적으로, 상기 외측 유도 코일의 단면적은 상기 내측 유도 코일의 단면적보다 크므로, 상기 내측 유도 코일의 권선수는 상기 외측 유도 코일의 권선수보다 클 수 있다. 상기 내측 유도 코일 또는 상기 외측 유도 코일의 권선수는 4 내지 9일 수 있다. 구체적으로, 상기 내측 유도 코일의 권선수는 6이고, 상기 외측 유도 코일의 권선수는 7일 수 있다.

상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)의 고전압 부위가 근접한 경우, 상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424) 사이에 고전압에 의한 기생 방전이 발생할 수 있다. 따라서, 유전체 브레이크다운(dielectric breakdown)을 제거하도록 높은 유전 강도(dielectric strength)를 가지는 물질은 상기 내측 유도 코일(424)을 감싸도록 배치될 수 있다. 구체적으로, 아크 방지 튜브(미도시)는 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일 사이에 삽입되어 배치될 수 있다.

유도 결합 플라즈마를 발생시키는 유도 코일과 플라즈마는 변압기 회로로 모델링될 수 있다. 이에 따라, 유도 결합 플라즈마는 변압기 결합 플라즈마(Transformer Coupled plasma )로 불린다. 유도 코일(420)은 변압기 회로의 1차 코일로 동작하고, 플라즈마는 변압기 회로의 2차 코일로 동작할 수 있다. 유도 코일(420)과 플라즈마 사이의 자기 결합을 증가시키기 위하여 자성체와 같은 자속 구속 물질을 사용할 수 있다. 그러나, 자속 구속 물질은 원통형 구조의 유전체 방전 용기에는 적용하기 힘들다. 상기 유도 코일(420)과 플라즈마 상의 자기 결합 증가시키는 다른 방법으로 유도 코일의 인덕턴스 또는 권선수를 증가시키는 것이다. 그러나, 유도 코일의 인덕턴스의 증가는 임피던스를 증가시키어 효율적인 전력 전달을 어렵게 한다. 또한, 유도 코일의 인덕턴스의 증가는 유도 코일에 인가되는 전압을 증가시키어 기생 아크 방전을 유발할 수 있다. 또한, 유도 코일에 인가되는 높은 전압은 축전 결합 방전을 유발하고 유전체 방전 용기의 이온 충격에 의한 손상 및 열 손상을 유발한다.

대기압에서 고밀도의 플라즈마를 형성하기 위하여, 높은 인덕턴스 및 높은 유도 전기장을 생성할 수 있는 유도 코일의 구조가 제안된다. 또한, 수 MHz 이하의 구동 주파수에서, 임피던스 매칭 회로는 변압기가 사용된다. 이 경우, 임피던스 매칭 변압기의 2차측 출력단의 부하 리액턴스는 리액턴스 보상 축전기(428c)를 사용하여 감소될 수 있다. 또한, 상기 변압기의 1차 변압 코일과 2차 변압 코일의 권선비(turn ratio)는 부하 임피던스의 크기를 제어할 수 있다. 또한, 상기 변압기의 1차 변압 코일에는 보조 인덕터와 가변 축전기를 사용하여, 임피던스가 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 유도 코일(420)은 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(422)과 상기 내측 유도 코일(422)을 감싸도록 배치된 외측 유도 코일(424)을 포함한다. 상기 유도 코일(420)은 동심축을 가지는 2 층 구조일 수 있다. 즉, 내측 유도 코일은 상기 내측 유도 코일에 삽입되어 정렬될 수 있다.

또한, 내측 유도 코일과 외측 유도 코일의 인덕턴스를 증가시키기 위하여, 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 보강 간섭하도록 중첩되어 배치된다. 이 경우, 높은 인덕턴스에 의한 고전압이 상기 유도 코일의 양단에 인가된다. 그러나, 외측 유도 코일과 상기 내측 유도 코일은 일정한 간격을 가지고 서로 마주보면서 상기 유전체 방전 튜브를 헬리칼 형태로 감기면서 연장될 수 있다. 이에 따라, 내측 유도 코일의 전압은 상기 외측 유도 코일의 전압은 같은 위치에서 서로 반대 부호를 가질 수 있다. 이러한, 전압 분포는 전기 쌍극자(electric dipole)로 모델링될 수 있다. 전기 쌍극자는 근접한 위치에서 전기장을 발생시키나 거리가 증가함에 따라 급속도로 전기장의 세기가 감소하여 스크리닝 효과(screening effect)를 제공할 수 있다. 따라서, 이러한 유도 코일의 구조는 정전기장에 의한 축전 결합 플라즈마 발생을 억제하고 인덕턴스를 증가시키어 유도 결합 플라즈마 효율을 증가시킬 수 있다. 축전 결합 플라즈마에 의하여 생성된 이온은 상기 유전체 방전 튜브를 충격하여 손상시킬 수 있다.

한편, 상기 변압기의 2차측은 유도 코일(420) 및 리액턴스 보상 축전기(428c)를 포함할 수 있다. 상기 변압기의 2차 변압 코일, 상기 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기는 실질적으로 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 상기 교류 전원부의 구동 주파수와 동일할 수 있다. 이에 따라, 안정적인 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.

다시 도 9 및 도 12를 참조하면, 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브(110)에 스월 유동을 제공할 수 있다. 상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브(110)의 일단에 배치되어 상기 유전체 방전 튜브를 밀봉하고 원통 좌표계에서 방위각 방향의 유체 속도 성분을 제공하여 상기 유전체 방전 튜브의 반경 방향으로 압력차를 제공할 수 있다. 상기 유도 코일에 의하여 생성된 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브의 측벽에 접촉하는 것을 억제할 수 있다. 상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 튜브 내를 진행하는 유체 방위각 방향의 속도 성분을 제공하여, 유도 플라즈마의 집중을 제공할 수 있다. 따라서, 플라즈마와 상기 유전체 방전 튜브 사이의 열접촉을 억제할 수 있다.

상기 스월 발생부(140)는 상기 유전체 방전 튜브의 내벽을 따라 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 외측 노즐(143a); 및 외측 노즐의 내측에 일정한 반경의 원주 상에 주기적으로 접선 방향 성분을 가지도록 형성되어 스월 유동을 제공하는 내측 노즐(144a)을 포함할 수 있다. 스월 가이드(112)는 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 연장되고 유전체 재질이고, 원통 형상을 가질 수 있다.

상기 스월 발생부(140)는 원통좌표계에서 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 유전체 방전 튜브의 일단이 결합하고 복수의 외측 노즐을 포함하는 외측 인젝터부; 상기 외측 인젝터부와 결합하여 외측 버퍼 공간을 제공하는 외측 지지부; 상기 외측 지지부와 결합하여 상기 외측 버퍼 공간을 밀폐하는 외측 밀폐부; 상기 외측 밀폐부의 내측에 삽입되고 내측 버퍼 공간을 제공하는 내측 지지부; 방위각 방향 성분의 유속을 제공하고 상기 내측 지지부에 삽입되어 상기 내측 버퍼 공간을 밀폐하고 복수의 내측 노즐을 포함하는 내측 인젝터부를 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐은 상기 외측 버퍼 공간에 연결되고, 상기 내측 노즐은 상기 내측 버퍼 공간에 연결될 수 있다.

상기 스월 발생부(140)는 상기 내측 인젝터부에 삽입되고 중심에 형성된 관통홀을 통하여 가스를 스월 유동없이 토출하는 중심 인젝터부를 더 포함할 수 있다. 상기 외측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성될 수 있다. 상기 내측 노즐은 상기 유전체 방전 튜브의 길이 방향으로 진행하면서 일정한 반경의 원주 상에 방위각 방향으로 회전하면서 헬리칼 형태로 형성될 수 있다.

스윌 가이드는 상기 내측 노즐과 상기 외측 노즐 사이에 배치되고, 상기 유전체 방전 튜브 의 길이 방향으로 연장되는 유전체 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 스월 가이드는 상기 내측 지지부와 상기 외측 지지부 사이에 삽입되어 배치될 수 있다.

초기 방전 발생부(150)는 상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공할 수 있다. 상기 초기 방전 발생부는 상기 유전체 방전 튜브의 외측면을 따라 배치되는 복수의 초기 방전 전극(151); 상기 초기 방전 전극에 고전압을 인가하는 고전압 전원(152);을 포함할 수 있다.

자속 감금부(230)는 상기 유도 코일의 주위에 배치되어 상기 유도 코일에 의하여 생성된 자속을 감금하는 자성체로 형성될 수 있다. 상기 자속 감금부는 상기 유전체 방전 튜브의 중심축에 대하여 수직한 평면에서 대칭적으로 배치되는 복수의 자성체 블록을 포함하고, 상기 자성체 블록은 상기 유도 코일의 외측면, 상부면을, 및 하부면을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 자속 감금부는 유도 코일과 플라즈마의 플라즈마 결합 효율을 증가시킬 수 있다.

상기 자속 감금부(230)는 상기 유도 코일을 감싸도록 배치된 자성체 블록; 상기 자성체 블록과 접촉하여 상기 자성체 블록의 열을 전달하도록 상기 자성체 블록를 감싸도록 배치된 비자성체로 형성된 열전도판; 및 상기 열전도판에 고정되어 상기 열전도판을 냉각하는 냉각 파이프를 포함할 수 있다. 상기 열전도판은 상기 유도 코일에 의하여 발생하는 유도 전류의 흐름을 차단하는 슬릿을 포함할 수 있다.

보조 유전체 튜브(114)는 상기 유전체 방전 튜브(112)의 중심에 배치될 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브는 플라즈마에서 발생한 열을 효율적으로 활용하도록 흡열 반응을 수행하는 가스를 플라즈마 발생 위치에 제공할 수 있다. 이에 따라, 스월 발생부가 제공하는 가스는 안정적인 플라즈마를 발생시키고, 상기 보조 유전체 튜브가 제공하는 가스는 플라즈마에서 발생한 열을 이용하여 효율적인 화학 반응을 제공할 수 있다. 상기 보조 유전체 튜브(114)는 상기 유도 코일이 배치되는 영역에 가스의 흐름을 방위각 방향으로 유도할 수 있다. 또한, 상기 보조 유전체 튜브의 내부와 외부를 진행하는 가스가 동일한 경우, 상기 보조 유전체 튜브는 방위각 방향으로 스월 유동을 원활히 제공할 수 있다.

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 12, 도 16a 및 도 16b를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(500)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(520); 상기 유도 코일(520)에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(428)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(428a); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(428b)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

상기 변압기(428)는 상기 변압기의 2차 변압 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기(428c)를 포함할 수 있다. 상기 리액턴스 보상 축전기는 유도 코일에 의한 리액턴스 성분을 제거하도록 설정될 수 있다. 이에 따라, 상기 변압부는 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 변압부(428)는 1차 변압 코일 및 2차 변압 코일을 포함할 수 있다. 또한, 상기 변압부(428)는 상기 유도 코일(520)의 리액턴스를 상쇄시키 위하여 리액턴스 보상 축전기(428c)를 포함할 수 있다. 상기 리액턴스 보상 축전기와 유도 코일은 공진 회로를 구성하고, 구동 주파수는 상기 공진회로의 공진 주파수와 일치할 수 있다. 상기 리액턴스 보상 축전기는 고정 축전기 또는 가변 축전기일 수 있다.

상기 유도 코일(520)에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 상기 유도 코일에 대칭적으로 전압 분배 축전기(526a,526b)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 전압 분배 축전기(526a,526b)는 상기 유도 코일에 인가되는 상대적으로 인가되는 전압을 감소시킬 수 있다. 상기 전압 분배 축전기(526a,526b)는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 전압 분배 축전기(526a); 및 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 전압 분배 축전기(526b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전압 분배 축전기(526a)는 상기 내측 유도 코일(522)에 연결되고, 상기 제2 전압 분배 축전기(526b)는 상기 외측 유도 코일(524)에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 상기 유도 코일은 축전기를 사용하여 전압 분배될 수 있다. 구체적으로, 상기 유도 코일의 양단에 전압 분배 축전기가 각각 배치될 수 있다. 이에 따라, 스크리닝 효과(screening effect)에 의한 정전기장이 감소하고, 전압 분배 모델에 의하여, 상기 유도 코일에 유도되는 전압이 감소될 수 있다. 또한, 상기 변압기의 2차측은 유도 코일, 리액턴스 보상 축전기, 및 전압 분배 축전기를 포함할 수 있다. 상기 변압기의 2차 변압 코일, 상기 유도 코일, 리액턴스 보상 축전기, 및 전압 분배 축전기는 실질적으로 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 교류 전원의 구동 주파수와 동일할 수 있다. 이에 따라, 상기 유도 코일에 낮은 전압이 인가된 상태에서, 안정적인 임피던스 매칭이 수행될 수 있다.

상기 제2 전압 분배 축전기의 정전 용량(Cb)과 상기 리액턴스 보상 축전기의 정전 용량(Cr)의 합(Cb+Cr)은 제1 전압 분배 축전기의 정전 용량(Ca)과 동일하도록 설정될 수 있다. 이에 따라, 대칭적인 전압 분배가 상기 유도 코일에 제공될 수 있다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 17을 참조하면, 플라즈마 발생 장치(500a)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(520); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(520)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(522); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(524)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

보조 유도 코일(620)은 상기 유도 코일(520)과 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성할 수 있다. 상기 보조 유도 코일은 상기 유도 코일과 동일한 구조를 가지고 복수 개일 수 있다. 상기 유도 코일과 보조 유도 코일은 직렬 연결될 수 있다. 제1 임피던스 상쇄 축전기(521)는 직렬 연결된 상기 유도 코일(520)과 상기 보조 유도 코일(620) 사이에 배치될 수 있다.

상기 보조 유도 코일(620)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 보조 유도 코일(622); 및 상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 보조 유도 코일(624)을 포함할 수 있다. 상기 보조 유도 코일(620)과 상기 유도 코일(520)은 전기적으로 병렬 연결될 수 있다.

상기 유도 코일 및 상기 보조 유도 코일의 임피던스의 허수부를 감소시키기 위하여, 직렬 연결된 상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일 사이에 제1 임피던스 상쇄 축전기(521)가 배치될 수 있다. 상기 보조 유도 코일은 상기 유도 코일과 동일한 형태일 수 있다. 상기 보조 유도 코일은 상기 유도 코일과 이격되어 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치될 수 있다.

상기 보조 유도 코일이 복수 개인 경우, 상기 보조 유도 코일들은 서로 직렬 연결될 수 있다. 제2 임피던스 상쇄 축전기(미도시)는 서로 이웃한 상기 보조 유도 코일들 사이에 각각 배치될 수 있다. 상기 제2 임피던스 상쇄 축전기는 상기 보조 코일들의 임피던스의 허수부를 상쇄할 수 있다.

도 18a 및 도 18b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 18a 및 도 18b를 참조하면, 플라즈마 발생 장치(500b)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(520); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(428); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(520)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(522); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(524)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 상기 유도 코일에 대칭적으로 전압 분배 축전기(526a,526b)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 전압 분배 축전기는 유도 코일에 인가되는 상대적으로 인가되는 전압을 감소시킬 수 있다. 상기 전압 분배 축전기는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 전압 분배 축전기(526a); 및 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 전압 분배 축전기(526b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 전압 분배 축전기는 상기 내측 유도 코일에 연결되고, 상기 제2 전압 분배 축전기는 상기 외측 유도 코일에 연결될 수 있다.

보조 전압 분배 축전기(528)는 상기 내측 유도 코일(522)의 타단과 상기 외측 유도 코일(524)의 타단을 연결할 수 있다. 상기 보조 전압 분배 축전기(528)의 정전 용량은 상기 제1 전압 분배 축전기(526a)의 정전 용량의 약 1/2 배일 수 있다. 또한, 상기 보조 전압 분배 축전기의 정전 용량은 상기 제2 전압 분배 축전기(526b)의 정전 용량의 약 1/2 배일 수 있다.

도 19a 및 도 19b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 19a 및 도 19b를 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(500c)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(520); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(520)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(522); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(524)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

상기 유도 코일에 인가되는 전압을 감소시키기 위하여, 상기 유도 코일에 대칭적으로 전압 분배 축전기(526a,526b)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 상기 전압 분배 축전기는 유도 코일에 인가되는 상대적으로 인가되는 전압을 감소시킬 수 있다. 상기 전압 분배 축전기는 상기 변압기의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 전압 분배 축전기; 및 상기 변압기의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 전압 분배 축전기를 포함할 수 있다. 상기 제1 전압 분배 축전기는 상기 내측 유도 코일에 연결되고, 상기 제2 전압 분배 축전기는 상기 외측 유도 코일에 연결될 수 있다.

제1 보조 전압 분배 축전기(529a)는 상기 내측 유도 코일(522)의 타단과 접지 사이에 배치될 수 있다. 제2 보조 전압 분배 축전기(529b)는 상기 외측 유도 코일(524)의 타단과 접지 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 보조 전압 축전기(529a)의 일단은 상기 제2 보조 전압 축전기(529b)의 일단과 접지 사이에 공통으로 연결될 수 있다. 상기 제1 보조 전압 분배 축전기의 정전 용량은 상기 제2 보조 전압 분배 축전기의 정전 용량과 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 상기 제1 전압 분배 축전기의 정전 용량은 상기 제2 전압 분배 축전기의 정전 용량과 실질적으로 동일할 수 있다.

도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 20을 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(500d)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(520); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(520)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(522); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(524)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

교류 전원부(129)는 유도 코일(520)에 직접 연결될 수 있다. 상기 교류 전원부의 제1 출력 단자와 상기 내측 유도 코일의 일단 사이에 제1 전압 분배 축전기(526a)가 배치될 수 있다. 또한, 상기 교류 전원부의 제2 출력 단자와 상기 외측 유도 코일의 일단 사이에 제2 전압 분배 축전기(526b)가 배치될 수 있다.

도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 21을 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(500e)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(520); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(520)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(522); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(524)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

보조 유도 코일(620)은 상기 유도 코일과 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치된다. 상기 보조 유도 코일(620)은 상기 보조 내측 유도 코일(622) 및 상기 보조 내측 유도 코일(622)을 감싸도록 배치된 보조 외측 유도 코일(624)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일(522), 상기 보조 내측 유도 코일(622), 상기 보조 외측 유도 코일(624), 및 상기 외측 유도 코일(524)은 순차적으로 직렬 연결된다.

상기 내측 유도 코일(522)의 일단은 상기 교류 전원부(129)의 일단에 연결되고, 상기 외측 유도 코일(524)의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결된다.

제1 보조 전압 분배 축전기(629a)는 상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 보조 내측 유도 코일의 일단을 연결할 수 있다. 제2 보조 전압 분배 축전기(629b)는 상기 보조 내측 유도 코일의 타단과 상기 보조 외측 유도 코일의 일단을 연결할 수 있다. 제3 보조 전압 분배 축전기(629c)는 상기 보조 외측 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결할 수 있다.

도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 22를 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(700)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(720); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(720)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(522); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(524)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

제1 보조 외측 유도 코일(726)은 상기 외측 유도 코일(724)을 감싸도록 배치될 수 있다. 제2 보조 외측 유도 코일(728)은 상기 제1 보조 외측 유도 코일(726)을 감싸도록 배치될 수 있다. 상기 내측 유도 코일(722)의 일단은 상기 교류 전원부(129)의 일단에 연결되고, 상기 제2 보조 외측 유도 코일(728)의 일단은 상기 교류 전원부(129)의 타단에 연결될 수 있다.

상기 내측 유도 코일(722), 상기 외측 유도 코일(724), 상기 제1 보조 외측 유도 코일(726), 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일(728)는 순차적으로 직렬될 수 있다. 제1 내지 제3 보조 전압 분배 축전기(729a,729b,729c)는 상기 내측 유도 코일(722), 상기 외측 유도 코일(724), 상기 제1 보조 외측 유도 코일(726), 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일(728) 사이에 각각 배치될 수 있다. 상기 제1 보조 전압 분배 축전기(729a)는 상기 내측 유도 코일(722)과 상기 외측 유도 코일(724) 사이에 배치될 수 있다. 제2 보조 전압 분배 축전기(729b)는 상기 외측 유도 코일(724)와 상기 제1 보조 외측 유도 코일(726) 사이에 배치될 수 있다. 제3 보조 전압 분배 축전기(729c)는 상기 제1 보조 외측 유도 코일(726) 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일(728) 사이에 배치될 수 있다.

도 23은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 23을 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(800a)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(420); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(420)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(422); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(424)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

적어도 하나의 보조 유도 코일(820a~820i)은 상기 유도 코일(420)과 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성한다.

상기 보조 유도 코일(820a~820i) 각각은 상기 유전체 방전 튜브(110)를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 보조 유도 코일(822); 및 상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 보조 유도 코일을(824) 포함한다. 상기 내측 유도 코일(422)과 상기 외측 유도 코일(424)은 제1 축전기(829a)를 통하여 직렬 연결되고, 상기 외측 유도 코일(422)과 상기 보조 내측 유도 코일(822)은 제2 축전기(829b)를 통하여 직렬 연결되고, 상기 보조 내측 유도 코일(822)과 상기 보조 외측 유도 코일(824)은 제3 축전기(829c)를 통하여 전기적으로 직렬 연결된다.

도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 개념도이다.

도 24을 참조하면, 대기압 플라즈마 발생 장치(800b)는 유전체 방전 튜브(110); 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일(420); 상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부(129); 및 상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하는 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부(428)를 포함한다. 상기 유도 코일(420)은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 유도 코일(422); 및 상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 유도 코일(424)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감긴다.

상기 보조 유도 코일(820a~820i) 각각은 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 솔레노이드 형태의 내측 보조 유도 코일(822); 및 상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 솔레노이드 형태의 외측 보조 유도 코일(824)을 포함한다. 상기 내측 유도 코일(422)과 상기 보조 내측 유도 코일(822)은 제1 축전기(929a)를 통하여 직렬 연결되고, 상기 외측 유도 코일(424)과 상기 보조 외측 유도 코일(824)은 제2 축전기(929b)를 통하여 직렬 연결된다.

최하단에 배치되는 보조 유도 코일(820i)의 보조 내측 유도 코일(822)은 최하단에 배치되는 보조 유도 코일의 보조 외측 유도 코일(824)은 제3 축전기(929c)를 통하여 직렬 연결될 수 있다.

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력에 따른 플라즈마 유지 전력을 나타내는 실험 결과이다.

도 25를 참조하면, 내모는 내측 유도 코일이 7 턴을 가지고 외측 유도 코일이 7턴을 가지고, 서로 중첩하여 배치된 유도 코일(인턱턴스는 13.6 uH)과 전압 분배 축전기를 사용한 결과이다. 원형은 내측 유도 코일이 5.5 턴을 가지고, 외측 유도 코일이 5.5 턴을 가지고, 서로 중첩하여 배치된 유도 코일(인덕턴스는 10.5 uH)과 전압 분배 축전기를 사용하지 않은 결과이다. 역세모는 4턴의 3층 구조 유도 코일을 병렬로 2 개 연결(인덕턴스 8.6 uH)한 경우를 나타낸다. 전압 분배 축전기와 축전 결합 효과를 제거한 2층 구조(내모)는 대기압 (760 Torr)에서 최소 방전 유지 전력을 수십 퍼센트 이상 감소시킨다. 따라서, 유도 코일 구조와 전압 분배 축전기의 사용은 방전 효율을 증가시킬 수 있다.

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.

110: 유전체 방전 튜브
120: 유도 코일
130: 자속 감금부
140: 스월 발생부
420: 유도 코일

Claims

유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고 동일한 크기이며,
상기 교류 전원부는 가변 주파수 전원이고,
상기 유도 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고,
상기 리액턴스 보상 축전기는 상기 유도 코일의 리액턴스 성분을 상쇄시키도록 설정되고,
상기 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 상기 교류 전원부의 구동 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1 항에 있어서,
상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제2 항에 있어서,
상기 2차 변압 코일의 일단은 상기 내측 유도 코일의 일단에 연결되고,
상기 2차 변압 코일의 타단은 상기 보상 축전기를 통하여 상기 외측 유도 코일의 일단에 연결되고,
상기 내측 유도 코일의 일단 및 상기 외측 유도 코일의 일단은 서로 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
삭제
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고,
상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함하고,
상기 변압부는 상기 변압부의 2차 변압 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고,
상기 리액턴스 보상 축전기는 상기 유도 코일의 리액턴스 성분을 상쇄시키도록 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고 동일한 크기이며,
상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함하고,
상기 변압부는 상기 변압부의 2차 변압 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고,
상기 변압부의 2차 변압 코일의 일단에 직렬 연결된 제1 전압 분배 축전기; 및
상기 변압부의 2차 변압 코일의 타단에 직렬 연결된 제2 전압 분배 축전기를 더 포함하고,
상기 제1 전압 분배 축전기는 상기 변압부의 2차 변압 코일의 일단과 상기 내측 유도 코일의 일단에 연결되고,
상기 제2 전압 분배 축전기는 상기 변압부의 2차 변압 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 일단에 연결되고,
상기 유도 코일, 상기 리액턴스 보상 축전기, 상기 제1 전압 분배 축전기, 및 상기 제2 전압 분배 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 교류 전원의 구동 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제6 항에 있어서,
상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결하는 보조 전압 분배 축전기를 더 포함하고,
상기 보조 전압 분배 축전기의 정전 용량은 상기 제1 전압 분배 축전기의 정전 용량의 1/2 배이고,
상기 보조 전압 분배 축전기의 정전 용량은 상기 제2 전압 분배 축전기의 정전 용량의 1/2 배인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1 항에 있어서,
상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고,
상기 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고,
상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결하는 보조 전압 분배 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고,
상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고,
상기 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고,
상기 내측 유도 코일의 타단과 접지 사이에 배치되는 제1 보조 전압 분배 축전기; 및
상기 외측 유도 코일의 타단과 접지 사이에 배치되는 제2 보조 전압 분배 축전기를 더 포함하고,
상기 제1 보조 전압 분배 축전기는 상기 내측 유도 코일과 접지 사이에 직접연결되고,
상기 제2 보조 전압 분배 축전기는 상기 외측 유도 코일과 접지 사이에 직접 연결되고,
상기 제1 보조 전압 축전기의 일단은 상기 제2 보조 전압 축전기의 일단과 접지 사이에 공통으로 연결되는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1 항에 있어서,
상기 유도 코일과 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 보조 유도 코일을 적어도 하나 이상을 더 포함하고,
상기 보조 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 보조 유도 코일; 및
상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 보조 유도 코일을 포함하고,
상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일은 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제10 항에 있어서,
상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일 사이에 배치된 제1 임피던스 상쇄 축전기; 및
상기 보조 유도 코일들 사이에 배치된 제2 임피던스 상쇄 축전기를 더 포함하고,
상기 제1 임피던스 상쇄 축전기는 상기 유도 코일과 상기 보조 유도 코일의 임피던스의 허수부를 상쇄하고,
상기 제2 임피던스 상쇄 축전기는 상기 보조 유도 코일들의 임피던스의 허수부를 상쇄하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고,
상기 유도 코일과 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 보조 유도 코일을 적어도 하나 이상을 더 포함하고,
상기 보조 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 보조 유도 코일; 및
상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 보조 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 제1 축전기를 통하여 직렬 연결되고,
상기 외측 유도 코일과 상기 내측 보조 유도 코일은 제2 축전기를 통하여 직렬 연결되고,
상기 내측 보조 유도 코일과 상기 외측 보조 유도 코일은 제3 축전기를 통하여 전기적으로 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1 항에 있어서,
상기 유도 코일과 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되고 상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 보조 유도 코일을 적어도 하나 이상을 더 포함하고,
상기 보조 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 보조 유도 코일; 및
상기 내측 보조 유도 코일과 전기적으로 직렬 연결되고 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 보조 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 내측 보조 유도 코일은 제1 축전기를 통하여 직렬 연결되고,
상기 외측 유도 코일과 상기 외측 보조 유도 코일은 제2 축전기를 통하여 직렬 연결되고,
최하단에 배치되는 보조 유도 코일의 내측 보조 유도 코일은 최하단에 배치되는 보조 유도 코일의 외측 보조 유도 코일과 제3 축전기를 통하여 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고,
상기 교류 전원부의 전력을 상기 유도 코일에 전달하고 1차 변압 코일 및 2 차 변압 코일을 포함하는 변압부를 더 포함하고,
상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 보조 인덕터; 및
상기 변압부의 1차 변압 코일에 직렬 연결된 가변 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1 항에 있어서,
상기 유전체 방전 튜브의 주위에 배치되어 초기 방전을 제공하는 초기 방전 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제15 항에 있어서,
상기 초기 방전 발생부는:
상기 유전체 방전 튜브의 외측면을 따라 배치되는 복수의 초기 방전 전극; 및
상기 초기 방전 전극에 고전압을 인가하는 고전압 전원;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고,
상기 외측 유도 코일을 감싸도록 배치된 제1 보조 외측 유도 코일; 및
상기 제1 보조 외측 유도 코일을 감싸도록 배치된 제2 보조 외측 유도 코일을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제17 항에 있어서
상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고,
상기 제2 보조 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고,
상기 내측 유도 코일, 상기 외측 유도 코일, 상기 제1 보조 외측 유도 코일, 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일는 순차적으로 직렬 연결되고,
상기 내측 유도 코일, 상기 외측 유도 코일, 상기 제1 보조 외측 유도 코일, 및 상기 제2 보조 외측 유도 코일 사이에 각각 배치되는 제1 내지 제3 보조 전압 분배 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제1 항에 있어서
상기 유도 코일과 상기 유전체 방전 튜브의 중심축 방향으로 이격되어 배치되는 보조 유도 코일을 더 포함하고,
상기 보조 유도 코일은 내측 보조 유도 코일 및 상기 내측 보조 유도 코일을 감싸도록 배치된 외측 보조 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일, 상기 내측 보조 유도 코일, 상기 외측 보조 유도 코일, 및 상기 외측 유도 코일은 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
제19 항에 있어서
상기 내측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 일단에 연결되고,
상기 외측 유도 코일의 일단은 상기 교류 전원부의 타단에 연결되고,
상기 내측 유도 코일의 타단과 상기 내측 보조 유도 코일의 일단을 연결하는 제1 보조 전압 분배 축전기;
상기 내측 보조 유도 코일의 타단과 상기 외측 보조 유도 코일의 일단을 연결하는 제2 보조 전압 분배 축전기; 및
상기 외측 보조 유도 코일의 타단과 상기 외측 유도 코일의 타단을 연결하는 제3 보조 전압 분배 축전기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
메탄 가스를 공급받아 저장하는 연료 저장부(11);
연료 저장부(11)로부터 상기 메탄 가스를 제공받는 탈황 공정부(12);
상기 탈황 공정부(12)로부터 황이 제거된 메탄 가스를 공급받고 이산화탄소를 공급받아 합성 가스를 생성하는 개질부(13);
상기 합성 가스를 냉각하는 열교환부(14);
냉각된 합성가스로부터 수소를 정재하는 수소 정제부(WGS, 15); 및
정재된 수소를 제공받아 수소를 분리하는 수소 흡착부(16)를 포함하고,
상기 개질부(13)는:
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고 동일한 크기이며,
상기 교류 전원부는 가변 주파수 전원이고,
상기 유도 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고,
상기 리액턴스 보상 축전기는 상기 유도 코일의 리액턴스 성분을 상쇄시키도록 설정되고,
상기 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 상기 교류 전원부의 구동 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 수소 스테이션 장치.
가스 공급부(41);
상기 가스 공급부(41)로부터 가스를 공급받아 유도 결합 방전을 수행하는 유도 결합 플라즈마 장치(200); 및
상기 유도 결합 플라즈마 장치에서 분해된 가스를 제공받는 기판 처리 챔버(43)를 포함하고,
상기 유도 결합 플라즈마 장치(200)는:
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고 동일한 크기이며,
상기 교류 전원부는 가변 주파수 전원이고,
상기 유도 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고,
상기 리액턴스 보상 축전기는 상기 유도 코일의 리액턴스 성분을 상쇄시키도록 설정되고,
상기 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 상기 교류 전원부의 구동 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 기판 처리 장치.
식각 또는 증착 공정을 수행하고 유해가스를 진공 펌프를 통하여 배기하는 진공 챔버;
상기 진공 펌프의 후단에 배치되는 습식 스크러버; 및
상기 진공 펌프와 상기 습식 스크러버 사이에 배치되어 고압에서 유해 가스를 분해하여 상기 습식 스크러버에 제공하는 플라즈마 발생부를 포함하고,
상기 플라즈마 발생부는:
유전체 방전 튜브;
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되어 플라즈마를 발생시키도록 유도 전기장을 생성하는 유도 코일; 및
상기 유도 코일에 전력을 공급하는 교류 전원부를 포함하고,
상기 유도 코일은:
상기 유전체 방전 튜브를 감싸도록 배치되는 내측 유도 코일; 및
상기 내측 유도 코일을 감싸도록 중첩되어 배치되는 외측 유도 코일을 포함하고,
상기 내측 유도 코일과 상기 외측 유도 코일은 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 감기고,
상기 교류 전원부는 제1 출력 단자와 제2 출력 단자를 포함하고,
상기 제1 출력 단자의 전위는 상기 제2 출력 단자의 전위와 반대 부호이고 동일한 크기이며,
상기 교류 전원부는 가변 주파수 전원이고,
상기 유도 코일에 직렬 연결된 리액턴스 보상 축전기를 더 포함하고,
상기 리액턴스 보상 축전기는 상기 유도 코일의 리액턴스 성분을 상쇄시키도록 설정되고,
상기 유도 코일 및 리액턴스 보상 축전기는 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로의 공진 주파수는 상기 교류 전원부의 구동 주파수와 동일한 것을 특징으로 하는 스크러버 시스템.
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