KR102479772B1

KR102479772B1 - Atmospheric Pressure Plasma Generation Apparatus

Info

Publication number: KR102479772B1
Application number: KR1020220037816A
Authority: KR
Inventors: 엄세훈; 이윤성; 손영훈; 박세홍
Original assignee: 인투코어테크놀로지 주식회사
Priority date: 2020-08-14
Filing date: 2022-03-28
Publication date: 2022-12-22
Also published as: KR20220044692A

Abstract

본 출원에 의하면, 대기압 하에서 대상 가스(target gas)를 처리하기 위한 가스 처리 장치가 개시된다. 상기 가스 처리 장치는, 상기 대상 가스가 투입되는 인렛(inlet) 및 처리된 가스(processed gas)가 배출되는 아웃렛(outlet)을 가지는 방전 튜브 - 상기 인렛은 상기 방전 튜브의 제1 측에 위치하며, 상기 아웃렛은 상기 제1 측과 반대측에 배치되는 제2 측에 배치됨 - ; 제1 단 및 제2 단을 가지는 제1 코일 - 상기 제1 코일은 상기 방전 튜브의 외측면을 감싸도록 배치되며, 상기 제2 코일 보다 상기 인렛에 보다 더 가깝게 배치됨 - ; 제3 단 및 제4 단을 가지는 제2 코일 - 상기 제2 코일은 상기 방전 튜브의 외측면을 감싸도록 배치되며, 상기 제1 코일 보다 상기 아웃렛에 보다 더 가깝게 배치되고, 상기 제2 코일은 복수의 서브코일들 및 상기 복수의 서브코일들 중에서 선택된 두 개의 서브코일들 사이에 개재된 적어도 하나의 커패시터를 포함하며, 상기 복수의 서브코일들의 인덕턴스들의 총합인 제2 인덕턴스는 상기 제1 코일의 제1 인덕턴스 보다 크고, 상기 복수의 서브코일들 각각의 인덕턴스는 상기 제1 인덕턴스보다 작음 - ; 상기 제1 코일의 상기 제1단 및 상기 제2 단 사이에 흐르는 전류를 센싱하는 제1 센서; 상기 제1 코일에 인가되는 전압을 센싱하는 제2 센서; 및 상기 제1 센서 및/또는 상기 제2 센서의 센싱 결과에 따라서, 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일에 선택적으로 교류 전원을 공급하는 전원공급기;를 포함하며, 상기 전원공급기는, 상기 제1 코일에 제1 주파수의 전원을 공급하는 중에, 상기 제1 센서 및/또는 상기 제2 센서로부터 출력되는 상기 전류 및/또는 상기 전압에 기초하여, 상기 제2 코일에 제2 주파수의 전원을 공급하는 시점을 결정하고, 상기 결정된 시점에 따라, 상기 제2 코일에 상기 제2 주파수의 전원을 공급한다.According to the present application, a gas processing device for processing a target gas under atmospheric pressure is disclosed. The gas processing device includes a discharge tube having an inlet into which the target gas is introduced and an outlet through which the processed gas is discharged, the inlet being located on a first side of the discharge tube, The outlet is disposed on a second side opposite to the first side; a first coil having a first end and a second end, wherein the first coil is arranged to surround an outer surface of the discharge tube and is arranged closer to the inlet than the second coil; A second coil having a third end and a fourth end - the second coil is disposed to surround the outer surface of the discharge tube, is disposed closer to the outlet than the first coil, and the second coil is provided in plurality. and at least one capacitor interposed between subcoils of and two subcoils selected from among the plurality of subcoils, wherein the second inductance, which is the sum of the inductances of the plurality of subcoils, is the second inductance of the first coil. greater than 1 inductance, and the inductance of each of the plurality of sub-coils is less than the first inductance -; a first sensor sensing a current flowing between the first end and the second end of the first coil; a second sensor for sensing a voltage applied to the first coil; and a power supply that selectively supplies AC power to the first coil or the second coil according to a sensing result of the first sensor and/or the second sensor, wherein the power supply comprises: Supplying power of a second frequency to the second coil based on the current and / or the voltage output from the first sensor and / or the second sensor while supplying power of the first frequency to the coil A time point is determined, and power of the second frequency is supplied to the second coil according to the determined time point.

Description

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 device, and more particularly, to an inductively coupled plasma device that discharges at 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 drive frequencies of several MHz at pressures of several hundred millitorr (mTorr). However, since the intensity of the induced electric field is small in such inductively coupled plasma, it is difficult to perform atmospheric pressure discharge or discharge at a pressure of hundreds of Torr or more. Therefore, sufficient induced electric field strength 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 coming 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 an inductively coupled plasma discharge is performed by applying RF power to an induction coil surrounding a dielectric tube, the inductively coupled plasma heats the dielectric tube, and the dielectric tube is heated and damaged. Therefore, high-output inductively coupled plasma has structural limitations.

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 swirl flow to maintain the stability of plasma in Korean Patent Registration KR 10-1657303 B1. However, an antenna having a plurality of windings has limitations in atmospheric pressure discharge because the induced electric field increases during discharge and the antenna voltage accelerates ions to the tube wall to cause heat 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 inventor of the present invention proposed an inductively coupled plasma generator 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 an initial discharge in a state where the driving frequency is out of the resonance condition, but it is difficult to stably ignite the atmospheric pressure discharge due to the low strength 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 device that generates stable inductively coupled plasma at atmospheric pressure or a pressure of several hundred Torr or higher.

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 device 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, having a plurality of windings, and generating atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge induction coil connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonant frequency. ; first electrodes and second electrodes respectively disposed above and below the initial discharge induction coil to provide initial discharge seeds; a DC power source for applying a DC high voltage between the first electrode and the second electrode; a main discharge induction coil module generating a main induction-coupled plasma by receiving the initial discharge generated by the initial discharge induction coil module having a second resonant frequency; and an RF power supply 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 apart from the initial discharge induction coil, disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube, and connected in series with each other; first main capacitors and second main capacitors respectively disposed at both ends of the unit antennas; and auxiliary capacitors respectively connected in series between the unit antennas. 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 source performs a main discharge by changing the driving frequency from the first resonant frequency to the second resonant 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 the current or voltage flowing in the initial discharge induction coil. The RF power source may detect a transition from a capacitive coupling mode to an inductive coupling mode using an output of the first detection sensor and change a driving frequency from the first resonant frequency to the second resonant 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 may be disposed under the initial discharge induction coil and have a “C” shape to surround the dielectric discharge tube and 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 one embodiment of the present invention, the DC power supply, AC-DC converter for converting commercial power to DC voltage; a high voltage pulse generator receiving the DC voltage and generating 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 may include 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 a 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 double layers.

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 one embodiment of the present invention, the initial discharge capacitors may be respectively 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 rectangle.

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 may include: a first antenna disposed in contact with the dielectric discharge tube in a disposition plane perpendicular to a central axis and forming a loop; a second antenna arranged to surround the first antenna and forming a loop; and a third antenna arranged 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 one embodiment of the present invention, the number of unit antennas may be 10 and arranged on different arrangement 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 one embodiment of the present invention, the unit antennas may be divided into a first group including 5 unit antennas and a second group including 5 different unit antennas. Unit antennas constituting the first group may be disposed at intervals of 72 degrees along the azimuth direction, and unit antennas constituting the second group may be disposed at intervals of 72 degrees 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 one embodiment of the present invention, the unit antenna may include a plurality of windings disposed on the same arrangement plane, and may further include a “U”-shaped insulating spacer for insulating 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 one embodiment of the present invention, the first resonant frequency and the second resonant 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 one embodiment of the present invention, the first resonant frequency may be greater than the second resonant 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 one embodiment of the present invention, the capacitance of the first main capacitor is equal to the capacitance 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 one embodiment of the present invention, the first voltage drop induced in the initial discharge induction coil at the first resonant frequency may be greater than the second voltage drop induced in the unit antenna at the second resonant frequency.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복수의 단위 안테나들의 인덕턴스의 총합은 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스보다 클 수 있다.In one embodiment of the present invention, the sum of 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 generator 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 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, having a plurality of windings, and generating atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge induction coil connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonant frequency. performing an initial discharge by providing AC power of the first resonant frequency to the; Inducing main inductively coupled plasma from the initial discharge by providing AC power having a second resonant frequency different from the first resonant 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 one 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 across 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 resonant frequency to the second resonant 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 spaced apart from the initial discharge induction coil, and the dielectric discharge tube is disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to a central axis, respectively, and connected in series to each other a plurality of unit antennas; first main capacitors and second main capacitors respectively disposed at both ends of the unit antennas; and auxiliary capacitors respectively connected in series between the unit antennas. An RF power source may induce 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 source may perform main discharge in the unit antennas by changing the driving frequency from the first resonant frequency to the second resonant frequency.

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.An atmospheric pressure plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention performs stable plasma generation at atmospheric pressure or higher pressure using a seed generating electrode, an initial discharge induction coil advantageous for ignition, and a main discharge induction coil module advantageous for maintaining discharge. 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.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A as a circuit.
FIG. 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 device of FIG. 2A.
FIG. 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 apparatus of FIG. 2B.
6 is a plan view illustrating a disposition 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 a 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 a main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
9 is a cut perspective view illustrating a disposition relationship between a first electrode and a second electrode according to an embodiment of the present invention.
10 is a circuit diagram showing a DC power source according to another embodiment of the present invention.
FIG. 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 generator according to another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a plan view illustrating the arrangement relationship of unit antennas of the main discharge induction coil module of FIG. 12;
FIG. 14 is a diagram showing an equivalent circuit explaining an initial discharge mode of the atmospheric pressure plasma generating device of FIG. 12 .
FIG. 15 is a diagram showing an equivalent circuit explaining a main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generating device of FIG. 12 .
FIG. 16 is a timing diagram illustrating 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 an RF power source, and the RF power source selectively provides RF power to the initial discharge induction coil module or the main discharge induction coil module according to a resonant 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 an antenna characteristic that is advantageous for sustaining discharge. The initial discharge module and the main discharge module connected in parallel to each other have different impedance characteristics depending on the driving frequency. The initial discharge module has a first resonant frequency, and the main discharge module has a second resonant frequency. When current flows at the first resonant frequency, current mainly flows into the initial discharge module. The non-resonant route has a relatively large impedance at the first resonant frequency, so that a relatively small current flows. When current flows at the second resonant frequency, current mainly flows into the main discharge module. Even if there are three or more discharge modules, if a different resonant frequency is given to each discharge module, current can be given to a desired discharge module. Accordingly, the present invention can perform impedance matching in a wide real resistance range, implement a wide discharge control range (flow rate, power, pressure), and change the discharge function by switching the current in the discharge module for various purposes. there is.

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 respectively disposed above and below the initial discharge induction coil of the initial discharge module to generate an electrostatic vertical electric field (E_ig) in the direction of the center axis of the dielectric discharge tube for performing initial discharge by applying a DC voltage at atmospheric pressure. and generates 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, receives RF power of the first resonant frequency from an RF power source in an initial discharge mode, and performs initial discharge. The main discharge module does not discharge due to high impedance at the first resonant frequency. Plasma by the initial discharge induction coil transitions from a capacitive coupling mode (or E mode) to an inductive coupling mode (or H mode). In capacitive coupling mode (or E mode), the initial discharge induction coil generates a high potential difference between 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), plasma real resistance increases and the first current flowing in 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 discharge module includes unit antennas disposed apart from the initial discharge induction coil and connected in series to each other disposed on a plurality of arrangement planes, first main capacitors and second main capacitors 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 transition is made 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 resonant frequency to the second resonant frequency. Simultaneously, DC voltage is removed from the pair of electrodes. Accordingly, current does not flow due to high impedance in the initial discharge module and thus does not discharge, and current flows in the main discharge module due to low impedance and generates inductively coupled plasma stably.

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, preferred 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 will be thorough and complete, and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art. In the drawings, elements are exaggerated for clarity. Parts designated with like reference numerals throughout the specification indicate like 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, the substrate processing apparatus 10 includes a substrate holder 93 inside a vacuum container 92, and a substrate 94 disposed on the substrate holder 93 undergoes a deposition process, an etching process, A diffusion process or an ion implantation process may be performed. The vacuum container 92 is exhausted by the vacuum pump 95, and the exhaust gas is purified and discharged to the outside through the atmospheric pressure plasma generator 100. The exhaust gas contains pollutants such as fine particles, 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. The gas scrubber includes a combustion type or a 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 normal pressure discharge plasma method includes, for example, 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 plasma, it has a high discharge sustaining ability, but it is difficult to form low plasma density and high-temperature conditions at a high operating pressure. Therefore, the effect of removing harmful 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, high-temperature plasma such as an arc torch provides a high reaction temperature, but since the process gas is not directly injected into the plasma, the decomposition efficiency is reduced, and the durability of the electrode for generating the 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.The atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention can implement high plasma density (10^16/cm^3) and high gas temperature (3000 degrees Celsius) using inductively coupled plasma at a pressure of 100 Torr or higher. Therefore, the atmospheric pressure plasma device is disposed at the rear end of the vacuum pump and can decompose and treat harmful gases mixed with gases of several tens slm (standard liter per minute) or more under atmospheric pressure. The noxious gas may be CxFy or SxFy gas. The present invention can perform inductively coupled discharge at atmospheric pressure for CxFy gas, which is normally difficult to atmospheric pressure discharge. An atmospheric pressure plasma apparatus according to an embodiment of the present invention may be used for a process 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.FIG. 3 is a conceptual diagram showing the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A as a circuit.

도 4는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작에서 초기 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.FIG. 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 device of FIG. 2A.

도 5는 도 2a의 대기압 플라즈마 장치의 메인 방전 동작에서 메인 방전 유도 코일 모듈에 인가되는 전압 분배를 표시한 개념도이다.FIG. 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. 2A.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치 관계를 나타내는 평면도이다.6 is a plan view illustrating a disposition 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 a 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 a 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 a disposition relationship between a first electrode and a second electrode according to an 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 device 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 resonant frequency fa. an initial discharge induction coil module 102 including initial discharge capacitors 122a and 122b that a first electrode 114 and a second electrode 116 respectively disposed above and below the initial discharge induction coil 120 to provide an initial discharge seed; a DC power source 112 for applying a DC high voltage between the first electrode 114 and the second electrode 116; a main discharge induction coil module 103 having a second resonant frequency fb and receiving the initial discharge generated by the initial discharge induction coil module 102 to generate main induction coupled plasma; and an RF power source 150 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 spaced apart from the initial discharge induction coil 120 and is disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 140 and connected in series to each other a plurality of unit antennas 132; a first main capacitor 133a and a second main capacitor 133b respectively disposed on both ends of the unit antennas 132; 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 resonant frequency fa with the help of the DC high voltage. The RF power source 150 performs a main discharge by changing the driving frequency from the first resonant frequency fa to the second resonant 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, 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 seed charges by DC discharge. To this end, 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 source 150 is not efficiently delivered to the load (initial discharge induction coil) due to the 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 source 150 operates at the first resonant frequency, the imaginary part of the impedance Za viewed from the output terminal of the RF power source toward the initial discharge induction coil 120 may be removed. Thus, the RF power supply 150 can stably deliver 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 across both ends of the initial discharge induction coil 120, and the electrostatic vertical electric field E_z generates a capacitive coupling mode. 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 . The 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 generated entirely within the dielectric discharge tube 140. In the inductive coupling mode, the first current (Ia) flowing through the initial discharge induction coil and the potential difference (Va) across both ends of the initial discharge induction coil are reduced 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 to the dielectric discharge tube ( 120) is accelerated to the inner wall. Accordingly, the dielectric discharge tube 120 is damaged by heat and the 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 order to overcome these problems, the present invention uses an initial discharge induction coil 120 optimized for initial discharge and a main discharge induction coil module 103 that suppresses thermal breakage of a dielectric discharge tube and increases discharge efficiency. In the initial discharging phase, RF power is introduced into the initial discharging induction coil 120 to generate 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 an inductive coupling mode without passing through a 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 arrangement planes, stacked with 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.It is difficult for the main discharge induction coil module 103 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 in the initial discharge induction coil 120 is removed, and at the same time, the second current flows through the main discharge induction coil module 103. (Ib) flows. The main discharge induction coil module 103 can stably discharge directly in the inductive coupling mode without passing 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 across both ends of the initial discharge induction coil 120 due to voltage distribution. The sum of inductances Lb of the unit antennas 132 is greater than the inductance La of the initial discharge induction coil 120 . Therefore, the intensity of the induced electric field E_b_ind is high and the potential difference between the plasma sheath is small, so that 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 disposed apart from the initial discharge induction coil, and a plurality of units disposed in a plurality of arrangement planes perpendicular to the center axis of the dielectric discharge tube 140 and connected in series with each other. antennas 132; a first main capacitor 133a and a second main capacitor 133b respectively disposed at both ends of the unit antennas; and auxiliary capacitors 134 connected in series between the unit antennas. The main discharge induction coil module 103 has a second resonant frequency fb and performs voltage distribution in proportion to the number of unit antennas 132 . Accordingly, thermal damage of 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 source 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 source 150 mainly supplies power to the initial discharge induction coil module 102 . Meanwhile, at the second resonant frequency fb, the RF power source 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 several tens of centimeters. The inner diameter of the dielectric discharge tube 140 may be several to several 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 being coupled to the upper flange 142 and the lower flange 144, respectively. The lower flange 144 may receive exhaust gas from the substrate processing apparatus 10 as 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 longitudinal direction of the dielectric discharge tube 120 . The initial discharge induction coil 120 may be a multi-layered solenoid coil. Specifically, the initial discharge induction coil 120 has a solenoid shape and may be wound in double layers. The initial discharge induction coil 120 may have a three-layer structure of an inner solenoid coil 120a, a middle solenoid coil 120b, and an outer solenoid coil 120c. The inner solenoid coil 120a may have 4 turns surrounding the dielectric discharge tube. The middle solenoid coil 120b may have 4 turns surrounding the inner solenoid coil. The outer solenoid coil 120c may have 3 turns surrounding the middle 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 is formed of a copper pipe, and a refrigerant may flow inside the initial discharge induction coil. A cross section of a 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 are 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 resonant frequency fa may be 3.3 MHz. The first resonant frequency fa may be defined by the equivalent capacitance C′a of the initial discharge capacitors 122a and 122b and the 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. DC power supply 112 may generate high voltage DC pulses. 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 negative tens of kV, and the positive DC high voltage may be 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 include a first electrode 114 and a second electrode 116 respectively disposed above and below the initial discharge induction coil 120 . The first electrode 114 may be charged with a positive DC high voltage and may have a rectangular plate shape closely attached to the 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 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 induced electric field (E_a_ind) by the initial discharge induction coil or an induced electric field (E_b_ind) by the unit antennas. Therefore, it may have a “C” shape without forming a perfect loop so that eddy currents caused by the induced electric fields E_a_ind and E_b_ind do not flow. The second electrode may be charged with a negative DC high voltage and may have a strip shape closely adhered to the dielectric discharge tube. In addition, the second electrode may be meandering to prevent the flow of an induced electric field in an azimuth direction, 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 may have opposite signs and the same absolute value. The DC power supply 112 that applies the 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 "C" shape on the vertical streamer and the second electrode 116 in the vertical direction connecting the first electrode 114 and the second electrode 116 (direction of the central axis of the dielectric discharge tube) generate a streamer of When the second electrode 116 forms a perfect loop, the first current flowing through the initial discharge induction coil 120 may generate a vortex in the second electrode 116 to heat it. Accordingly, the second electrode 116 may be cut while securing a sufficient area to suppress the vortex, or may be provided with 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 distance between the first electrode 114 and the initial discharge induction coil 120 or the distance 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 to suppress induction heating by Specifically, 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 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 source 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 a power of several tens of kW or more. The RF power source 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 of a controller. The controller may control the driving frequency and power by controlling the switching signals. The RF power source may perform impedance matching at a first resonant frequency fa or a second resonant frequency fb by changing a driving frequency. The first resonant frequency fa and the second resonant 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, impedances in two current directions are similar and power switching may be unstable. The first resonant frequency fa may be greater than the second resonant 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 detect a current or voltage flowing through the initial discharge induction coil 120 . The second detection sensor 154 may detect current or voltage flowing through the main discharge induction coil module 103 . The RF power supply 150 may detect a transition from the capacitive coupling mode to the inductive coupling mode using the output of the first detection sensor 152 and change the 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.Referring to FIG. 6, the main discharge induction coil module 103 includes a plurality of unit antennas, auxiliary capacitors 134 each 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 respectively disposed at both ends of . A cross section of a coil constituting the unit antenna 132 may be a rectangle. The unit antennas 132 may be arranged clockwise at intervals of 90 degrees. Accordingly, the 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 a contact area with the dielectric discharge tube 140 to improve heat exchange efficiency, thereby cooling the dielectric discharge tube 140 . When the main discharge is performed, the plasma may transfer energy to the dielectric discharge tube 140 to heat it to several hundred degrees Celsius or more. An increase in temperature of the dielectric discharge tube 140 may cause material deterioration or damage. The unit antenna 132 is cooled by flowing a refrigerant therein. A coil of circular cross-section is in line contact with the dielectric discharge tube 140, making it difficult to efficiently cool the dielectric discharge tube 140. On the other hand, the coil of the rectangular cross section increases the cooling efficiency through surface contact with the dielectric discharge tube 140 . In order to stably maintain contact between the inner coil of the unit antenna 132 and the dielectric discharge tube 140, the inner coil is tightened so that its radius decreases. Experimentally, breakage of the dielectric discharge tube 140 was found at RF powers of 5 kW or more in the case of circular cross-section coils. However, in the case of a square 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 disposition plane perpendicular to the center 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, 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 quadrangular 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 connection part 32a. The second antenna 132b and the third antenna 132c may be connected by a “U” shaped second connection part 32b.

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 bring the first antenna 132a into contact with the dielectric discharge tube 140, a clamp 35 may be disposed to bring both ends of the first antenna 132a into 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 “U” shape. Each winding constituting the unit antenna 132 is electrically insulated by an insulation spacer 36 and may maintain a constant interval therebetween. The insulating spacer 36 may insulate adjacent unit antennas 132 from each other. The insulating spacer has a “u” shape, 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 with ceramic paste. A 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 capacitance 2C1 of the first main capacitor 133a is equal to the capacitance of the second main capacitor 133b, and the capacitance of the first main capacitor 133a is the capacitance 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 of inductances Lb 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 in the initial discharge induction coil 120 at the first resonant frequency (fa) is the second voltage drop (Vb) induced in the unit antenna at the second resonant frequency (fb). can be bigger The second voltage drop (Vb) is the second resonant frequency (fb), the second current (Ib). and 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 of inductances (Lb) 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 source according to another embodiment of the present invention.

도 11은 도 10의 고전압 펄스 발생기를 설명하는 회로도이다.FIG. 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.10 and 11, the DC power source 112 includes an AC-DC converter 1120 that converts commercial power into DC voltage (Vin); a high voltage pulse generator 1122 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 to 24V DC voltage. The controller 1124 controls on-times and repetition frequencies of the first power transistor 1222b and the second power transistor 1122d in synchronization with each other. DC high voltage pulses can be tens of kV, and their repetition frequency can be 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 generator according to another embodiment of the present invention.

도 13은 도 12의 메인 방전 유도 코일 모듈의 단위 안테나들의 배치관계를 설명하는 평면도이다.FIG. 13 is a plan view illustrating the 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 explaining an 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 explaining a main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generating device of FIG. 12;

도 16은 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드와 메인 방전 모드를 나타내는 타이밍도이다.FIG. 16 is a timing diagram illustrating 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 device 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 resonant frequency fa. an initial discharge induction coil module 102 including initial discharge capacitors 122a and 122b that a first electrode 114 and a second electrode 116 respectively disposed above and below the initial discharge induction coil 120 to provide an initial discharge seed; a DC power source 112 for applying a DC high voltage between the first electrode 114 and the second electrode 116; a main discharge induction coil module 203 receiving the initial discharge generated by the initial discharge induction coil module 102 at a second resonant frequency fb to generate main induction coupled plasma; and an RF power supply 150 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 apart from the initial discharge induction coil 120 and disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 140 and connected in series to each other a plurality of unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e; a first main capacitor 133a and a second main capacitor 133b respectively disposed at both ends of the unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e; and auxiliary capacitors 134 respectively connected in series between the unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e.

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 and 332a to 332e may be disposed on different arrangement planes and number 10. The unit antennas 232a to 232d and 332a to 332e are divided into a first group 232a to 232d including 5 unit antennas and a second group 332a to 332e including 5 other unit antennas. The unit antennas constituting the first group 232a to 232d may be disposed at intervals of 72 degrees along the azimuth direction. The unit antennas constituting the second group 332a to 332e may be disposed at intervals of 72 degrees along the azimuth direction. Accordingly, the unit antennas may not interfere for electrical connection of unit antennas adjacent to each other.

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, the parasitic resistance (Ra) of the initial discharge induction coil may be 0.5 ohms. 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 antennas may be 35 uH. Also, 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 resonant 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 phase, the driving frequency may be 3.3 MHz, which is the first resonant frequency. In this case, the first current Ia flowing through the initial discharge induction coil module 102 is 31.5 A, 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 phase, all current flows to the initial discharging induction coil module 102 and the capacitive coupling mode can be transitioned from the inductive coupling mode. When the first current (Ia) or voltage flowing through the initial discharge induction coil module 102 is sensed and transitions to the inductive coupling mode, the RF power source changes the driving frequency to the second resonant 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 2,2 MHz, which is the second resonant frequency. In this case, the first current Ia flowing through the initial discharge induction coil module 102 is 0.5 A, 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 discharge phase, all current flows to the main discharge 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 discharge induction coil in the initial discharge stage is about approx. 5.2 times larger. 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 shown and described with respect to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to these embodiments, and a person having ordinary knowledge in the art to which the present invention pertains claims of the present invention It includes all of the various forms of embodiments that can be implemented within a range that does not deviate from the technical idea.

102: 초기 방전 유도 코일 모듈
103: 메인 방전 유도 코일 모듈
120: 초기 방전 유도 코일
132: 단위 안테나102: early discharge induction coil module
103: main discharge induction coil module
120: initial discharge induction coil
132 unit antenna

Claims

A gas processing device for processing a target gas under atmospheric pressure,
A discharge tube having an inlet through which the target gas is introduced and an outlet through which the processed gas is discharged - the inlet is located on a first side of the discharge tube, and the outlet is located on the first side of the discharge tube. - Arranged on the second side, which is disposed on the side opposite to the side;
a first coil having a first end and a second end, wherein the first coil is disposed to surround the outer surface of the discharge tube and is disposed closer to the inlet than the second coil;
The second coil having a third end and a fourth end - The second coil is disposed to surround the outer surface of the discharge tube and is disposed closer to the outlet than the first coil, the second coil It includes a plurality of sub-coils and at least one capacitor interposed between two sub-coils selected from among the plurality of sub-coils, wherein the second inductance, which is the sum of the inductances of the plurality of sub-coils, is of the first coil. greater than the first inductance, and the inductance of each of the plurality of sub-coils is less than the first inductance -;
a first sensor configured to sense at least one of a current flowing between the first and second ends of the first coil and a voltage between the first and second ends of the first coil; and
a power supply that selectively supplies AC power to the first coil or the second coil according to a sensing result of the first sensor;
Including,
The power supply,
While supplying power of the first frequency to the first coil, determining a timing of supplying power of the second frequency to the second coil based on at least one of the current and the voltage output from the first sensor do,
Supplying power of the second frequency to the second coil according to the determined time point
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
When power of the first frequency is supplied to the first coil, a first potential difference between the first end and the second end is supplied to the second coil when power of the second frequency is supplied to the second coil. Characterized in that it is greater than the second potential difference between the third end and the fourth end
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
The target gas is at least one gas selected from the group consisting of carbon fluoride (C _a F _b ), sulfur fluoride (S _c F _d ), and carbon oxide (C _e O _f ),
In this case, a, b, c, and d are natural numbers greater than or equal to 1, e is 1, and f is 2.
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
Wherein the first frequency is greater than the second frequency
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
The power supply,
Outputting power of the second frequency from the determined time point so that the power supplied to the plasma in the discharge tube can be provided by the second coil from the determined time point.
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
The power supply supplies power to the plasma in the discharge tube through the second coil from the determined time point, but to the first coil and the second coil so that power is not supplied to the plasma by the first coil. control the power supply
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
The power supply supplies power to the second coil from the determined point in time, but does not supply power to the first coil.
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
The power supply,
a first power supply connected to the first terminal and the second terminal and supplying power to the first coil through the first terminal and the second terminal; and
A second power supply connected to the third and fourth ends and supplying power to the second coil through the third and fourth ends;
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
The power supply,
Characterized in that for supplying AC power having a resonance frequency for the load so that the power efficiency delivered to the load connected to the power supply can be maximized
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 9,
The power supply provides power of the first frequency to the load including the first coil so that power efficiency delivered to the load including the first coil is maximized. Characterized in that the frequency close to the resonant frequency determined by the load including 1 coil
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 9,
The power supply provides power of the second frequency to the load including the second coil so that power efficiency delivered to the load including the second coil can be maximized. Characterized in that the frequency close to the resonant frequency determined by the load including two coils
A gas processing device for processing target gas.

According to claim 1,
an electrode disposed near the first coil; and
A DC power supply for applying a direct current high voltage to the electrode; further comprising
A gas processing device for processing target gas.