KR102423771B1 - 하이브리드 플라즈마 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 방전가스를 아크플라즈마 상태로 방전시키고 이 아크플라즈마를 유도결합플라즈마에 점화원으로 제공하여, 유도결합플라즈마의 대기압 방전점화를 가능하게 하고 방전을 안정화시키는 하이브리드 플라즈마 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치는, 방전가스의 고전압 아크플라즈마 방전으로 아크플라즈마를 발생시키는 아크플라즈마 발생부, 및 상기 아크플라즈마 발생부에 연결되어 상기 아크플라즈마를 점화원으로 하고 대기압 하에서 고전류 유도결합플라즈마 방전으로 유도결합플라즈마를 발생시켜 하이브리드 단일 플라즈마를 토출하는 유도결합플라즈마 발생부를 포함한다.

Description

하이브리드 플라즈마 장치 {HYBRIDE PLASMA DEVICE}
본 발명은 하이브리드 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 방전가스를 아크플라즈마 상태로 방전시키고 아크플라즈마를 대기압 유도결합플라즈마에 점화원으로 제공하는 하이브리드 플라즈마 장치에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 가스를 플라즈마 상태로 방전시키는 플라즈마 발생원에는 여러 종류가 있다. 전극 구조와 전기장을 발생시키는 방식에 따라, 유전체장벽방전(Dielectric Barrier Discharge), 아크플라즈마(Arc Plasma), 코로나 방전(Corona Discharge), 축전결합플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 및 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 등이 있다.
이 중 유전체장벽방전, 아크플라즈마 및 유도결합플라즈마 등은 대기압 조건에서 활용되고 있는 플라즈마 발생원이다. 대기압에서 대유량의 가스(예, 온실가스, 난분해성가스)를 금속 입자에 의한 오염 없이 처리하기 위해서는 유도결합플라즈마 방식의 기술이 필요하다.
그러나 종래의 유도결합플라즈마 방식은 대기압에서 초기 점화 및 방전 안정성 확보 측면에서 그 한계점을 가지며, 대기압 방전시까지 복잡한 구동 메커니즘을 필요로 한다. 이를 보완하기 위하여, 대기압 점화장치, 대기압 점화기술 및 이로 인한 대기압 방전 메커니즘을 간소화할 필요가 있다.
유도결합플라즈마 방식은 대기압 방전점화를 위하여, 반드시 필요한 전자를 아크 방전의 대기압 점화 장치를 이용하여 공급해 줄 필요가 있다. 예를 들어, 아크플라즈마 방식은 대기압에서 낮은 인가 전력으로도 안정적인 플라즈마 방전을 일으키고, 이를 통해서 유도결합플라즈마의 점화영역에 필요한 전자를 충분히 공급할 수 있어야 한다.
원통 형태 및 원통 단면 지름 70 mm 이상의 방전 튜브를 가지고 단독으로 대기압에서 점화하는 유도결합플라즈마 장치가 없는 실정이다. 이를 해결하기 위하여, 방전 튜브 내에 고전압 스파크를 발생하거나, 저압에서 점화 후 방전 튜브 내의 압력을 높여 대기압 조건에 도달하게 하는 등 몇 가지가 있으나 기술적인 한계와 문제점이 있다.
예를 들면, 종래의 유도결합플라즈마 장치는 열적 및 전기적으로 낮은 내구성을 가지며, 높은 기술적 난이도를 가지고, 대기압 도달까지 복잡한 구동 메커니즘을 가진다. 예를 들면, 진공 펌프 구동, 가스 주입 유량, 및 가스 압력 제어와 같은 많은 장비들이 사용된다.
본 발명의 목적은 방전가스를 아크플라즈마 상태로 방전시키고 이 아크플라즈마를 유도결합플라즈마에 점화원으로 제공하여, 유도결합플라즈마의 대기압 방전점화를 가능하게 하고 방전을 안정화시키는 하이브리드 플라즈마 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 두 개의 이종 플라즈마 발생원을 결합하여 하이브리드 단일 플라즈마 발생원을 구성하는 하이브리드 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치는, 방전가스의 고전압 아크플라즈마 방전으로 아크플라즈마를 발생시키는 아크플라즈마 발생부, 및 상기 아크플라즈마 발생부에 연결되어 상기 아크플라즈마를 점화원으로 하고 대기압 하에서 고전류 유도결합플라즈마 방전으로 유도결합플라즈마를 발생시켜 하이브리드 단일 플라즈마를 토출하는 유도결합플라즈마 발생부를 포함한다.
상기 아크플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 아크플라즈마는 상기 유도결합플라즈마 발생부의 유도결합플라즈마 방전개시영역에 적어도 부분적으로 겹쳐질 수 있다.
상기 아크플라즈마는 상기 유도결합플라즈마 발생부의 유도결합플라즈마 방전개시영역에 발생될 수 있다.
상기 아크플라즈마 발생부는 전기적으로 접지되고 내부에 아크플라즈마 방전공간을 형성하는 그라운드전극, 및 상기 그라운드전극에 내장되어 방전갭을 형성하고 고전압이 인가되는 고전압전극을 포함할 수 있다.
상기 그라운드전극과 상기 고전압전극은 서로의 사이에서 상기 방전갭을 중심으로 방전가스 주입 측에서는 간격이 점진적으로 축소되고, 아크플라즈마 토출 측에서는 간격이 점진적으로 확장될 수 있다.
상기 아크플라즈마 발생부는 상기 그라운드전극을 고정시키는 플레이트를 더 포함하고, 상기 유도결합플라즈마 발생부는 상기 그라운드전극을 수용하여 상기 플레이트에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성하는 유도결합 유전체 튜브, 및 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 유도결합플라즈마 방전을 발생시키는 방전코일을 포함할 수 있다.
상기 그라운드전극은 원통부에 플랜지부를 더 포함하고, 상기 고전압전극은 상기 그라운드전극의 원통부에 내장되어 서로 일정한 간격을 유지하다가 아크플라즈마 토출 측으로 가면서 점진적으로 축소되어 끝에서 방전갭을 형성할 수 있다.
상기 유도결합플라즈마 발생부는 상기 그라운드전극의 원통부를 수용하여 상기 플랜지부에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성하는 유도결합 유전체 튜브, 및 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 유도결합플라즈마 방전을 발생시키는 방전코일을 포함할 수 있다.
상기 아크플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 아크플라즈마는 제1길이와 제1폭을 가지고 전방의 상기 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 상기 유도결합플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 유도결합플라즈마 방전개시영역에 연결될 수 있다.
상기 그라운드전극은 원통부에 플랜지부를 더 포함하고, 상기 고전압전극은 상기 그라운드전극의 원통부에 내장되어 서로 일정한 간격을 유지하다가 아크플라즈마 토출 측으로 가면서 점진적으로 축소되어 방전갭을 형성하고 상기 방전갭 이후 간격을 확장시킬 수 있다.
상기 유도결합플라즈마 발생부는 상기 그라운드전극의 원통부를 수용하여 상기 플랜지부에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성하는 유도결합 유전체 튜브, 및 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 유도결합플라즈마 방전을 발생시키는 방전코일을 포함할 수 있다.
상기 아크플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 아크플라즈마는 제2길이와 제2폭을 가지고 전방의 상기 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 상기 유도결합플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 유도결합플라즈마 방전개시영역에 연결될 수 있다.
상기 그라운드전극은 원통부에 플랜지부 및 상기 플랜지부의 반대측에서 절곡되고 축소되는 절곡축소부를 더 포함하고, 상기 고전압전극은 상기 그라운드전극의 원통부에 내장되어 서로 일정한 간격을 유지하다가 상기 절곡축소부에서 절곡되어 아크플라즈마 토출 측으로 가면서 점진적으로 축소되고 끝에서 방전갭을 형성할 수 있다.
상기 유도결합플라즈마 발생부는 상기 그라운드전극의 원통부와 절곡축소부를 수용하여 상기 플랜지부에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성하는 유도결합 유전체 튜브, 및 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 유도결합플라즈마 방전을 발생시키는 방전코일을 포함할 수 있다.
상기 아크플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 아크플라즈마는 절곡된 방향의 상기 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 상기 유도결합플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 유도결합플라즈마 방전개시영역에 연결될 수 있다.
상기 그라운드전극은 축소되는 원추대통부에 플랜지부 및 상기 플랜지부의 반대측에서 상기 원추대통부에 연결되어 확장되는 원뿔대통부를 더 포함하고, 상기 고전압전극은 상기 그라운드전극의 원추대통부와 원뿔대통부에 내장되어 서로의 사이에서 방전갭을 중심으로 방전가스 주입 측에서는 간격이 점진적으로 축소되고, 아크플라즈마 토출 측에서는 간격이 점진적으로 확장될 수 있다.
상기 유도결합플라즈마 발생부는 상기 그라운드전극의 원추대통부와 원뿔대통부를 수용하여 상기 플랜지부에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성하는 유도결합 유전체 튜브, 및 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 유도결합플라즈마 방전을 발생시키는 방전코일을 포함할 수 있다.
상기 아크플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 아크플라즈마는 상기 원뿔대통부를 통하여 상기 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 상기 유도결합플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 유도결합플라즈마 방전개시영역에 연결될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 아크플라즈마 발생부에서 방전가스를 아크플라즈마 상태로 방전시키고, 유도결합플라즈마 발생부에서 아크플라즈마를 유도결합플라즈마에 점화원으로 이용하므로 유도결합플라즈마의 대기압 방전점화를 가능하게 하고, 방전을 안정화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(1)는 서로 연결되는 아크플라즈마 발생부(10) 및 유도결합플라즈마 발생부(20)를 포함한다.
아크플라즈마 발생부(10)는 방전가스에 대하여 고전압 아크플라즈마 방전으로 아크플라즈마를 발생시키도록 구성된다. 아크플라즈마는 전극에 고전압을 걸어주는 방식으로 점화 및 기체 방전을 일으키는 메커니즘의 플라즈마 원이다.
유도결합플라즈마 발생부(20)는 아크플라즈마를 점화원으로 하고 대기압 하에서 고전류 유도결합플라즈마 방전으로 유도결합플라즈마를 발생시켜 하이브리드 단일 플라즈마를 토출하도록 구성된다. 유도결합플라즈마는 기체 방전을 할 때에, 대기압과 같은 높은 압력 조건에서 방전개시, 즉 방전점화를 어렵게 하는 플라즈마 원이다.
물리적으로 큰 사이즈, 예를 들면, 원통 단면 지름이 80 mm 이상의 원통형 유도결합플라즈마 원이라면 방전개시가 더욱 어렵게 된다. 알려진 바에 따르면, 대기압과 같은 높은 압력 하에서 큰 사이즈의 유도결합플라즈마 원은 단독으로 방전개시, 즉 방전점화를 일으키지 못한다.
제1실시예의 하이브리드 플라즈마 장치는 유도결합플라즈마 원으로 큰 사이즈(예를 들면, 원통 단면 지름이 80~200mm인 경우) 및 대기압에서 방전개시를 할 수 있도록 유도결합플라즈마 발생부(20)에 아크플라즈마 발생부(10)를 함께 구비하고 있다.
유도결합플라즈마에 비하여, 아크플라즈마는 대기압 하에서, 교류(AC) 또는 직류(DC)의 고전압(HV)을 통해 방전개시 및 방전점화의 과정을 간단하게 하며, 필요한 외적 요소의 측면, 즉 방전가스 주입, 인가전력 및 전기에너지의 측면에서 방전을 용이하게 할 수 있다.
제1실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(1)는 아크플라즈마 발생부(10)로 발생시킨 아크플라즈마를 점화원으로 하고, 유도결합플라즈마 발생부(20)에서 2차로 대기압 유도결합플라즈마 방전 및 점화를 가능하게 한다.
이를 위하여, 아크플라즈마 발생부(10)에서 발생되는 아크플라즈마(AP)는 유도결합플라즈마 발생부(20)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 적어도 부분적으로 겹쳐지게 된다. 또는 아크플라즈마(AP)는 유도결합플라즈마 발생부(20)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 발생될 수 있다.
즉 아크플라즈마(AP)는 유도결합플라즈마 및 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 발생된다. 따라서 아크플라즈마(AP)에 의하여 생성된 더 많은 양의 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접 공급될 수 있다. 생성된 전자들이 많을수록 원통 단면의 지름이 더 커질 수 있다. 아크플라즈마(AP)와 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 의하여 유도결합플라즈마 발생부(20)에는 하이브리드 단일 플라즈마(HP)가 형성된다.
아크플라즈마(AP), 유도결합플라즈마(ICP) 및 하이브리드 단일 플라즈마(HP)에 대하여 보다 구체적인 설명을 위하여, 먼저 아크플라즈마 발생부(10) 및 유도결합플라즈마 발생부(20)에 대하여 상세히 설명한다.
아크플라즈마 발생부(10)는 그라운드전극(11)과 고전압전극(12)을 포함한다. 그라운드전극(11)은 전기적으로 접지되고 내부에 아크플라즈마 방전공간을 형성한다. 고전압전극(12)은 그라운드전극(11)에 내장되어 방전갭(G1)을 형성하고 고전압전극(12)에 고전압(HV)이 인가된다.
그라운드전극(11)에는 방전가스를 주입하는 주입구(13)를 구비한다. 주입구(13)는 그라운드전극(11) 내부의 방전공간에 대하여 접선방향으로 형성되어, 방전가스에 스월(swirl)을 형성하고, 토출구(14)를 통하여 스월을 형성하면서 토출될 수 있게 한다.
그라운드전극(11)과 고전압전극(12)은 서로의 사이에서 방전갭(G1)을 중심으로 방전가스 주입 측에서는 간격이 점진적으로 축소되고, 아크플라즈마(AP) 토출 측에서는 간격이 점진적으로 확장된다. 즉 그라운드전극(11)이 좁아지는 것보다 고전압전극(12)이 더 좁아진다.
또한 아크플라즈마 발생부(10)는 그라운드전극(11)을 고정시키는 플레이트(15)를 더 포함한다. 플레이트(23)는 아크플라즈마 발생부(10)와 유도결합플라즈마 발생부(20)의 연결을 가능하게 한다.
아크플라즈마 발생부(10)에서 주입구(13)로 방전가스를 공급하면서 그라운드전극(11)을 접지하고, 고전압전극(12)에 고전압(HV)을 인가하면, 방전갭(G1)에서 플라즈마 방전이 일어나고, 고전압(HV)으로 인하여 발생된 아크플라즈마(AP)가 고전압전극(12)에서 토출구(14)를 통하여 그라운드전극(11)의 단부에 연결된다.
유도결합플라즈마 발생부(20)는 유도결합 유전체 튜브(21) 및 방전코일(22)을 포함한다. 유도결합 유전체 튜브(21)는 그라운드전극(11)을 수용하여 플레이트(15)에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성한다. 방전코일(22)은 유도결합 유전체 튜브(21)의 외주에 구비되어, 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 유도결합플라즈마 방전을 발생시킨다.
유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)은 원통의 유도결합 유전체 튜브(21)에서 방전코일(22)의 인근에 형성된다. 아크플라즈마 발생부(10)에서 생성된 아크플라즈마(AP) 영역은 전자의 밀도가 높은 영역이다.
이렇게 전자의 밀도가 높은 아크플라즈마(AP) 영역의 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접 공급되므로 대기압 하에서 유도결합플라즈마의 방전개시가 크게 용이해질 수 있다.
아크플라즈마(AP) 영역은 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP) 근처에 위치하므로 아크플라즈마(AP)로 생성된 충분한 양의 전자를 유도결합플라즈마 발생부(20)에 공급해줄 수 있다.
그라운드전극(11)의 외부에까지 뿜어져 나와서 형성되는 아크플라즈마(AP)는 그라운드전극(11)의 전방에 아크플라즈마(AP) 영역을 형성하며, 이 영역이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 가깝게 인접, 연결 또는 겹쳐지므로 뿜어져 나오는 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 돕게 된다.
주입구(13)로 유입되는 방전가스의 스월 유동으로 인하여, 아크플라즈마(AP)가 스월 유동하면서 토출구(14)를 통하여 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)으로 공급된다. 아크플라즈마(AP)의 스월 유동은 유도결합플라즈마 발생부(20)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)의 전체 범위에 걸쳐서 전자들을 보다 충분히 공급해 줄 수 있게 된다.
제1실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(1)는 아크플라즈마(AP)와 유도결합플라즈마를 결합하여, 하이브리드 단일 플라즈마(HP)를 토출하도록 구성될 수 있다. 즉 하이브리드 플라즈마 장치(1)는 원통 단면 직경이 큰 사이즈임에도 불구하고, 유도결합플라즈마의 대기압 방전점화를 가능하게 하고, 그 방전을 안정화시킬 수 있다.
아크플라즈마 발생부의 그라운드전극과 유도결합플라즈마 발생부의 유전체 튜브 사이에 유전체 튜브(미도시)를 더 구비하여, 아크플라즈마의 토출을 방해하지 않으면서 유도결합플라즈마 발생을 위하여 별도의 방전가스를 더 공급할 수도 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 비교하여 동일한 구성을 생략하고 서로 다른 구성들에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제2실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(2)는 서로 연결되는 아크플라즈마 발생부(210) 및 유도결합플라즈마 발생부(220)를 포함한다.
아크플라즈마 발생부(210)는 그라운드전극(211)과 고전압전극(212)을 포함한다. 그라운드전극(211)은 전기적으로 접지되고 내부에 아크플라즈마 방전공간을 형성한다. 고전압전극(212)은 그라운드전극(211)에 내장되어 방전갭(G21)을 형성하고, 고전압전극(212)에 고전압(HV)이 인가된다.
그라운드전극(211)은 원통부에 플랜지부(215)를 더 포함한다. 그라운드전극(211), 즉 플랜지부(215)는 방전가스를 주입하는 주입구(213)를 구비한다. 주입구(213)는 그라운드전극(211) 내부의 방전공간에 대하여 접선방향으로 형성되어, 방전가스에 스월을 형성하고, 토출구(214)를 통하여 스월을 형성하면서 토출될 수 있게 한다.
고전압전극(212)은 그라운드전극(211)의 원통부에 내장되어 서로 일정한 간격을 유지하다가 아크플라즈마(AP2)를 토출하는 토출구(214) 측으로 가면서 간격을 점진적으로 축소시킨다. 즉 고전압전극(212)이 점진적으로 넓어진다. 따라서 고전압전극(212)의 끝과 이에 마주하는 그라운드전극(211)에 의하여 방전갭(G21)이 형성된다.
아크플라즈마 발생부(210)에서 주입구(213)로 방전가스를 공급하면서 그라운드전극(211)을 접지하고, 고전압전극(212)에 고전압(HV)을 인가하면, 방전갭(G21)에서 플라즈마 방전이 일어나고, 고전압(HV)으로 인하여 발생된 아크플라즈마(AP2)가 고전압전극(212)에서 토출구(214)를 통하여 그라운드전극(211)의 단부에 연결된다.
유도결합플라즈마 발생부(220)에서 유전체 튜브(221)는 그라운드전극(211)의 원통부를 수용하여 플랜지부(215)에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성한다.
아크플라즈마 발생부(210)에서 발생되는 아크플라즈마(AP2)는 제1길이(L1)와 제1폭(W1)을 가지고 전방의 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 유도결합플라즈마 발생부(220)에서 발생되는 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 연결된다. 제1폭(W1)은 방전갭(G21)의 크기로 설정되고, 제1길이(L1)는 방전가스의 주입에 따른 아크플라즈마(AP2)의 토출력으로 설정될 수 있다.
유도결합플라즈마 발생부(220)는 유도결합 유전체 튜브(221) 및 방전코일(22)을 포함한다. 방전코일(22)은 유도결합 유전체 튜브(221)의 외주에 구비되어, 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 유도결합플라즈마 방전을 발생시킨다.
유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)은 원통의 유도결합 유전체 튜브(221)에서 방전코일(22)의 인근에 형성된다. 아크플라즈마 발생부(210)에서 생성된 아크플라즈마(AP2) 영역은 전자의 밀도가 높은 영역이다.
이렇게 전자의 밀도가 높은 아크플라즈마(AP2) 영역의 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접 공급되므로 대기압 하에서 유도결합플라즈마의 방전개시가 크게 용이해질 수 있다.
아크플라즈마(AP2) 영역은 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP) 근처에 위치하므로 아크플라즈마(AP2)로 생성된 충분한 양의 전자를 유도결합플라즈마 발생부(220)에 공급해줄 수 있다.
그라운드전극(211)의 외부에까지 뿜어져 나와서 형성되는 아크플라즈마(AP2)는 그라운드전극(211)의 전방에 아크플라즈마(AP2) 영역을 형성하며, 이 영역이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 가깝게 인접, 연결 또는 겹쳐지므로 뿜어져 나오는 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 돕게 된다.
주입구(213)로 유입되는 방전가스의 스월 유동으로 인하여, 아크플라즈마(AP2)가 스월 유동하면서 토출구(214)를 통하여 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)으로 공급된다. 아크플라즈마(AP2)의 스월 유동은 유도결합플라즈마 발생부(220)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)의 전체 범위에 걸쳐서 전자들을 보다 충분히 공급해 줄 수 있게 된다.
방전갭(G21)이 아크플라즈마 발생부(210) 끝에 형성되므로 제1실시예의 아크플라즈마 발생부(10)에 비하여, 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 더 근접하게 아크플라즈마(AP2)를 발생시킬 수 있다. 따라서 제1실시예의 아크플라즈마(AP)에 비하여, 제2실시예의 아크플라즈마(AP2)에 의한 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 더욱 효과적으로 도울 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 제3실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(3)는 서로 연결되는 아크플라즈마 발생부(310) 및 유도결합플라즈마 발생부(220)를 포함한다.
아크플라즈마 발생부(310)는 그라운드전극(211)과 고전압전극(312)을 포함한다. 그라운드전극(211)은 전기적으로 접지되고 내부에 아크플라즈마 방전공간을 형성한다. 고전압전극(312)은 그라운드전극(211)에 내장되어 방전갭(G31)을 형성하고, 고전압전극(312)에 고전압(HV)이 인가된다.
그라운드전극(211)은 원통부에 플랜지부(215)를 더 포함한다. 그라운드전극(211), 즉 플랜지부(215)는 방전가스를 주입하는 주입구(213)를 구비한다. 주입구(213)는 그라운드전극(211) 내부의 방전공간에 대하여 접선방향으로 형성되어, 방전가스에 스월을 형성하고, 토출구(314)를 통하여 스월을 형성하면서 토출될 수 있게 한다.
고전압전극(312)은 그라운드전극(211)의 원통부에 내장되어 서로 일정한 간격을 유지하다가 아크플라즈마(AP3)를 토출하는 토출구(314) 측으로 가면서 점진적으로 축소되어 방전갭(G31)을 형성하고, 방전갭(G31) 이후 간격을 확장시킨다. 즉 고전압전극(312)이 점진적으로 넓어지다가 좁아진다. 따라서 고전압전극(312)의 끝에서 일부 후퇴한 부분과 이에 마주하는 그라운드전극(211)에 의하여 방전갭(G31)이 형성된다.
아크플라즈마 발생부(310)에서 주입구(213)로 방전가스를 공급하면서 그라운드전극(211)을 접지하고, 고전압전극(312)에 고전압(HV)을 인가하면, 방전갭(G31)에서 플라즈마 방전이 일어나고, 고전압(HV)으로 인하여 발생된 아크플라즈마(AP3)가 고전압전극(312)에서 토출구(314)를 통하여 그라운드전극(211)의 단부에 연결된다.
유도결합플라즈마 발생부(220)에서 유전체 튜브(221)는 그라운드전극(211)의 원통부를 수용하여 플랜지부(215)에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성한다.
아크플라즈마 발생부(310)에서 발생되는 아크플라즈마(AP3)는 제2길이(L2)와 제2폭(W2)을 가지고 전방의 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 유도결합플라즈마 발생부(220)에서 발생되는 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 연결된다. 제2폭(W2)은 방전갭(G31)의 크기로 설정되고, 제2길이(L2)는 방전가스의 주입에 따른 아크플라즈마(AP3)의 토출력으로 설정될 수 있다.
유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)은 원통의 유도결합 유전체 튜브(221)에서 방전코일(22)의 인근에 형성된다. 아크플라즈마 발생부(310)에서 생성된 아크플라즈마(AP3) 영역은 전자의 밀도가 높은 영역이다.
이렇게 전자의 밀도가 높은 아크플라즈마(AP3) 영역의 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접 공급되므로 대기압 하에서 유도결합플라즈마의 방전개시가 크게 용이해질 수 있다.
아크플라즈마(AP3) 영역은 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP) 근처에 위치하므로 아크플라즈마(AP3)로 생성된 충분한 양의 전자를 유도결합플라즈마 발생부(220)에 공급해줄 수 있다.
그라운드전극(211)의 외부에까지 뿜어져 나와서 형성되는 아크플라즈마(AP3)는 그라운드전극(211)의 전방에 아크플라즈마(AP3) 영역을 형성하며, 이 영역이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 가깝게 인접, 연결 또는 겹쳐지므로 뿜어져 나오는 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 돕게 된다.
주입구(213)로 유입되는 방전가스의 스월 유동으로 인하여, 아크플라즈마(AP3)가 스월 유동하면서 토출구(314)를 통하여 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)으로 공급된다. 아크플라즈마(AP3)의 스월 유동은 유도결합플라즈마 발생부(220)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)의 전체 범위에 걸쳐서 전자들을 보다 충분히 공급해 줄 수 있게 된다.
방전갭(G31)이 아크플라즈마 발생부(310) 끝에 일부 후퇴하여 형성되므로 제2실시예의 아크플라즈마 발생부(210)에 비하여, 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 근접하여 아크플라즈마(AP3)를 더 넓게 발생시킬 수 있다. 따라서 제2실시예의 아크플라즈마(AP2)에 비하여, 제3실시예의 아크플라즈마(AP3)에 의한 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 더 넓게 효과적으로 도울 수 있다.
방전갭(G31)에서 방전가스의 유속이 급격하게 증가한다. 폭이 넓어진 아크플라즈마(AP3)는 제2실시예의 아크플라즈마(AP2)보다 빠른 유속을 구현할 수 있다. 즉 제2폭(W2)이 제1폭(W1)보다 크지만 제2길이(L2)가 제1길이(L1)보다 길 수 있다.
아크플라즈마(AP3)는 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 근접하여 더 넓게 겹쳐질 수 있으므로 더 많은 전자를 공급할 수 있다. 결과적으로, 유도결합플라즈마 방전개시가 더 효과적으로 일어날 수 있다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제4실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(4)는 서로 연결되는 아크플라즈마 발생부(410) 및 유도결합플라즈마 발생부(220)를 포함한다.
아크플라즈마 발생부(410)는 그라운드전극(411)과 고전압전극(412)을 포함한다. 그라운드전극(411)은 전기적으로 접지되고 내부에 방전가스 통로를 형성한다. 고전압전극(412)은 그라운드전극(411)에 내장되어 방전갭(G41)을 형성하고, 고전압전극(412)에 고전압(HV)이 인가된다.
그라운드전극(411)은 원통부에 플랜지부(415) 및 플랜지부(415)의 반대측에서 절곡되고 축소되는 절곡축소부(416)를 더 포함한다. 절곡축소부(416) 끝에 토출구(414)가 형성된다. 그라운드전극(411), 즉 플랜지부(415)는 방전가스를 주입하는 주입구(413)를 구비한다. 주입구(413)는 그라운드전극(411) 내부의 방전가스 통로에 대하여 접선방향으로 형성되어, 방전가스에 스월을 형성하고, 토출구(414)를 통하여 스월을 형성하면서 토출될 수 있게 한다.
고전압전극(412)은 그라운드전극(411)의 원통부에 내장되어 서로 일정한 간격을 유지하다가 절곡축소부(416)에서 절곡축소부(416)의 중심선을 따라 절곡되어, 아크플라즈마(AP4)를 토출하는 토출구(414) 측으로 가면서 간격이 점진적으로 축소되어 끝에서 방전갭(G41)을 형성한다. 즉 절곡축소부(416)가 점진적으로 좁아진다. 따라서 고전압전극(412)의 끝에서 이에 마주하는 그라운드전극(411)의 절곡축소부(416)에 의하여 방전갭(G41)이 형성된다.
아크플라즈마 발생부(410)에서 주입구(413)로 방전가스를 공급하면서 그라운드전극(411)을 접지하고, 고전압전극(412)에 고전압(HV)을 인가하면, 방전갭(G41)에서 플라즈마 방전이 일어나고, 고전압(HV)으로 인하여 발생된 아크플라즈마(AP4)가 고전압전극(412)에서 토출구(414)를 통하여 그라운드전극(411)의 절곡축소부(416)에 연결된다. 이때 절곡축소부(416)에 의하여 아크플라즈마(AP4)는 더 강한 집중력을 가진다.
유도결합플라즈마 발생부(220)에서 유전체 튜브(221)는 그라운드전극(211)의 원통부와 절곡축소부(416)를 수용하여 플랜지부(415)에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성한다.
아크플라즈마 발생부(410)에서 발생되는 아크플라즈마(AP4)는 절곡축소부(416)를 따라 제4길이(L4)와 제4폭(W4)을 가지고 절곡된 방향의 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 유도결합플라즈마 발생부(220)에서 발생되는 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 더 강하고 더 집중적으로 연결된다.
유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)은 원통의 유도결합 유전체 튜브(221)에서 방전코일(22)의 인근에 형성된다. 아크플라즈마 발생부(410)에서 생성된 아크플라즈마(AP4) 영역은 전자의 밀도가 더욱 높은 영역이다.
이렇게 전자의 밀도가 더욱 높은 아크플라즈마(AP4) 영역의 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접 공급되므로 대기압 하에서 유도결합플라즈마의 방전개시가 더 크게 용이해질 수 있다.
아크플라즈마(AP4) 영역은 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP) 근처에 위치하므로 아크플라즈마(AP4)로 생성된 충분한 양의 전자를 유도결합플라즈마 발생부(220)에 공급해줄 수 있다.
그라운드전극(411)의 절곡축소부(416)의 외부에까지 뿜어져 나와서 형성되는 아크플라즈마(AP4)는 그라운드전극(411)의 절곡축소부(416)의 전방에 강하고 집중력 있는 아크플라즈마(AP4) 영역을 형성하며, 이 영역이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 가깝게 인접, 연결 또는 겹쳐지므로 뿜어져 나오는 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 돕게 된다.
주입구(413)로 유입되는 방전가스의 스월 유동으로 인하여, 아크플라즈마(AP4)가 스월 유동하면서 토출구(414)를 통하여 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)으로 공급된다. 아크플라즈마(AP4)의 스월 유동은 유도결합플라즈마 발생부(420)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)의 전체 범위에 걸쳐서 전자들을 보다 충분히 공급해 줄 수 있게 된다.
방전갭(G41)이 아크플라즈마 발생부(410) 끝에 절곡축소부(416)에 형성되므로 제2실시예의 아크플라즈마 발생부(210)에 비하여, 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접적으로 아크플라즈마(AP4)를 연결시킬 수 있다. 따라서 제2실시예의 아크플라즈마(AP2)에 비하여, 제4실시예의 아크플라즈마(AP4)에 의한 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 더 직접적으로 도울 수 있다. 결과적으로, 유도결합플라즈마 방전개시가 더 직접적으로 일어날 수 있다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 하이브리드 플라즈마 장치의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제5실시예의 하이브리드 플라즈마 장치(5)는 서로 연결되는 아크플라즈마 발생부(510) 및 유도결합플라즈마 발생부(220)를 포함한다.
아크플라즈마 발생부(510)는 그라운드전극(511)과 고전압전극(512)을 포함한다. 그라운드전극(511)은 전기적으로 접지되고 내부에 방전가스 통로를 형성한다. 고전압전극(512)은 그라운드전극(511)에 내장되어 방전갭(G51)을 형성하고, 고전압전극(512)에 고전압(HV)이 인가된다.
그라운드전극(511)은 축소되는 원추대통부에 플랜지부(515) 및 플랜지부(515)의 반대측에서 원추대통부에 연결되고 확장되는 원뿔대통부(516)를 더 포함한다. 원뿔대통부(516) 끝에 토출구(514)가 형성된다. 그라운드전극(511), 즉 플랜지부(515)는 방전가스를 주입하는 주입구(513)를 구비한다. 주입구(513)는 그라운드전극(511) 내부의 방전가스 통로에 대하여 접선방향으로 형성되어, 방전가스에 스월을 형성하고, 토출구(514)를 통하여 스월을 형성하면서 토출될 수 있게 한다.
고전압전극(512)은 그라운드전극(511)의 원추대통부와 원뿔대통부(516)에 내장되어 서로의 사이에서 방전갭(G51)을 중심으로 방전가스 주입측에서 간격이 점진적으로 축소되고, 방전갭(G51)이후 아크플라즈마(AP5)를 토출하는 토출구(514) 측으로 가면서 간격이 점진적으로 확장된다다. 즉 원추대통부에서 방전갭(G51)까지 점진적으로 축소되고, 방전갭(G51)에서 토출구(514)까지 원뿔대통부(516)에서 점진적으로 확장된다.
아크플라즈마 발생부(510)에서 주입구(513)로 방전가스를 공급하면서 그라운드전극(511)을 접지하고, 고전압전극(512)에 고전압(HV)을 인가하면, 방전갭(G51)에서 플라즈마 방전이 일어나고, 고전압(HV)으로 인하여 발생된 아크플라즈마(AP5)가 고전압전극(512)에서 토출구(514)를 통하여 그라운드전극(511)의 원뿔대통부(516)에 연결된다. 이때 원뿔대통부(516)에 의하여 아크플라즈마(AP5)는 더 넓은 범위를 가진다.
유도결합플라즈마 발생부(220)에서 유전체 튜브(221)는 그라운드전극(511)의 원추대통부와 원뿔대통부(516)를 수용하여 플랜지부(515)에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성한다.
아크플라즈마 발생부(510)에서 발생되는 아크플라즈마(AP5)는 원추대통부와 원뿔대통부(516)를 따라 원뿔대통부(516)를 통하여 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 유도결합플라즈마 발생부(220)에서 발생되는 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 강하고 넓은 범위로 연결된다. 고전압전극(512)의 구조가 단순화하고, 고전압전극(512)과 그라운드전극(511) 사이 거리의 거리가 방전갭(G51)부터 끝까지 점진적으로 확장되므로 아크플라즈마(AP5)가 보다 정적으로 발생되고 고정 및 안정(anchoring)될 수 있다.
유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)은 원통의 유도결합 유전체 튜브(221)에서 방전코일(22)의 인근에 형성된다. 아크플라즈마 발생부(510)에서 생성된 아크플라즈마(AP5) 영역은 전자의 밀도가 더욱 높은 영역이다.
이렇게 전자의 밀도가 더욱 높은 아크플라즈마(AP5) 영역의 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 직접 공급되므로 대기압 하에서 유도결합플라즈마의 방전개시가 더 크게 용이해질 수 있다.
아크플라즈마(AP5) 영역은 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP) 근처에 위치하므로 아크플라즈마(AP5)로 생성된 충분한 양의 전자를 유도결합플라즈마 발생부(220)에 공급해줄 수 있다.
그라운드전극(511)의 원뿔대통부(516)의 외부에까지 뿜어져 나와서 형성되는 아크플라즈마(AP5)는 그라운드전극(511)의 원뿔대통부(516)의 전방에 강하고 넓은 범위의 아크플라즈마(AP5) 영역을 형성하며, 이 영역이 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 가깝게 인접, 연결 또는 겹쳐지므로 뿜어져 나오는 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 돕게 된다.
주입구(513)로 유입되는 방전가스의 스월 유동으로 인하여, 아크플라즈마(AP5)가 스월 유동하면서 토출구(514)를 통하여 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)으로 공급된다. 아크플라즈마(AP5)의 스월 유동은 유도결합플라즈마 발생부(520)의 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)의 전체 범위에 걸쳐서 전자들을 보다 충분히 공급해 줄 수 있게 된다.
방전갭(G51)이 아크플라즈마 발생부(510) 원추대통부와 원뿔대통부(516) 사이에 형성되므로 제4실시예의 아크플라즈마 발생부(410)에 비하여, 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 넓은 면적으로 아크플라즈마(AP5)를 연결시킬 수 있다. 따라서 제4실시예의 아크플라즈마(AP4)에 비하여, 제5실시예의 아크플라즈마(AP5)에 의한 전자들이 유도결합플라즈마 방전개시를 더 넓은 면적으로 도울 수 있다. 결과적으로, 유도결합플라즈마 방전개시가 더 넓은 면적으로 일어날 수 있다.
방전갭(G51)에서 방전가스의 유속이 급격하게 증가한다. 폭이 넓어진 아크플라즈마(AP5)는 제4실시예의 아크플라즈마(AP4)보다 빠른 유속을 구현할 수 있다. 즉 제5실시예의 아크플라즈마(AP5)에서 제5폭(W5)과 제5길이(L5)는 제4실시예의 아크플라즈마(AP4)에서 제4폭(W4)과 제4길이(L4)보다 클 수 있다.
아크플라즈마(AP5)는 유도결합플라즈마 방전개시영역(ICP)에 근접하여 더 넓게 겹쳐질 수 있으므로 더 많은 전자를 공급할 수 있다. 결과적으로, 유도결합플라즈마 방전개시가 더 효과적으로 일어날 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2: 하이브리드 플라즈마 장치 3, 4, 5: 하이브리드 플라즈마 장치
10, 210: 아크플라즈마 발생부 310, 410, 510: 아크플라즈마 발생부
11, 211, 411, 511: 그라운드전극 12, 212, 312, 412, 512: 고전압전극
13, 213, 413, 513: 주입구 14, 214, 314, 414, 514: 토출구
15: 플레이트 20, 220: 유도결합플라즈마 발생부
21, 221: 유도결합 유전체 튜브 22: 방전코일
215, 415, 515: 플랜지부 416: 절곡축소부
516: 원뿔대통부 AP, AP2: 아크플라즈마
AP3, AP4, AP5: 아크플라즈마 G1, G21: 방전갭
G31, G41, G51: 방전갭 ICP: 유도결합플라즈마 방전개시영역
HP: 하이브리드 단일 플라즈마 L1, L2: 제1, 제2길이
L4, L5: 제4, 제5길이 W1, W2: 제1, 제2폭
W4, W5: 제4, 제5폭

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  13. 방전가스의 고전압 아크플라즈마 방전으로 아크플라즈마를 발생시키는 아크플라즈마 발생부; 및
    상기 아크플라즈마 발생부에 연결되어 상기 아크플라즈마를 점화원으로 하고 대기압 하에서 고전류 유도결합플라즈마 방전으로 유도결합플라즈마를 발생시켜 하이브리드 단일 플라즈마를 토출하는 유도결합플라즈마 발생부
    를 포함하며,
    상기 아크플라즈마 발생부는
    전기적으로 접지되고 내부에 아크플라즈마 방전공간을 형성하는 그라운드전극, 및
    상기 그라운드전극에 내장되어 방전갭을 형성하고 고전압이 인가되는 고전압전극
    을 포함하고,
    상기 그라운드전극은 원통부에 플랜지부 및 상기 플랜지부의 반대측에서 절곡되고 축소되는 절곡축소부를 더 포함하고,
    상기 고전압전극은 상기 그라운드전극의 원통부에 내장되어 상기 고전압전극과 상기 그라운드전극이 서로 일정한 간격을 유지하다가
    상기 간격이 상기 절곡축소부에서 절곡되어 아크플라즈마 토출 측으로 가면서 점진적으로 축소되고 끝에서 방전갭을 형성하는
    하이브리드 플라즈마 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유도결합플라즈마 발생부는
    상기 그라운드전극의 원통부와 절곡축소부를 수용하여 상기 플랜지부에 설치되어 유도결합플라즈마 방전공간을 형성하는 유도결합 유전체 튜브, 및
    상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 유도결합플라즈마 방전을 발생시키는 방전코일
    을 포함하는 하이브리드 플라즈마 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 아크플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 아크플라즈마는
    절곡된 방향의 유도결합플라즈마 방전공간으로 나와서 상기 유도결합플라즈마 발생부에서 발생되는 상기 유도결합플라즈마의 방전개시영역에 연결되는
    하이브리드 플라즈마 장치.
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