KR102602503B1

KR102602503B1 - Plasma reforming apparatus for a target gas under atmospheric pressure

Info

Publication number: KR102602503B1
Application number: KR1020220176646A
Authority: KR
Inventors: 엄세훈; 이윤성; 손영훈; 박세홍
Original assignee: 인투코어테크놀로지 주식회사
Priority date: 2020-08-04
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2023-11-16
Also published as: KR20200100573A; KR102381084B1; KR20230006780A

Abstract

본출원에 의하면, 대기압 하에서 개질 대상 가스(target gas)를 개질(reforming)하기 위한 가스 개질용 플라즈마 발생 장치가 개시된다. 상기 가스 개질용 플라즈마 발생 장치는 상기 개질 대상 가스가 투입되는 인렛(inlet) 및 개질된 가스(reformed 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 배치되고, 상기 제1 단 및 상기 제2 단은 전원공급 장치의 출력 단자와 연결됨 - ; 및 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 제3 단 및 상기 제4 단은 전원공급 장치의 출력 단자와 연결됨 - ;을 포함하며, 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 작은 것을 특징으로 한다.According to the present application, a plasma generator for gas reforming for reforming a target gas under atmospheric pressure is disclosed. The plasma generator for gas reforming is a discharge tube having an inlet through which the gas to be reformed is input and an outlet through which the reformed gas is discharged. The inlet is located on the first side of the discharge tube. is located, and the outlet is disposed on a second side opposite to the first side; A first coil having a first end and a second end - the first coil is arranged to surround the outer surface of the discharge tube, and is arranged closer to the inlet than the second coil, and the first end and the The second stage is connected to the output terminal of the power supply - ; and a second coil having a third end and a fourth end, wherein the second coil is disposed to surround an outer surface of the discharge tube and is closer to the outlet than the first coil, and the third end and The fourth terminal is connected to the output terminal of the power supply device and includes -;, wherein the second coil includes a plurality of subcoils and at least one interposed between two subcoils selected from the plurality of subcoils. It includes a capacitor, and the second inductance, which is the sum of the inductances of the plurality of subcoils, is greater than the first inductance of the first coil, and the inductance of each of the plurality of subcoils is less than the first inductance. .

Description

Plasma generating apparatus for gas reforming for reforming a target gas under atmospheric pressure {Plasma reforming apparatus for a target gas under atmospheric pressure}

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 specifically to an inductively coupled plasma device that performs discharge at atmospheric pressure or above atmospheric pressure.

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

유전체 튜브를 감싸는 유도 코일에 RF 전력을 인가하여 유도 결합 플라즈마 방전을 수행하는 경우, 유도 결합 플라즈마는 상기 유전체 튜브를 가열하고, 상기 유전체 튜브는 가열되어 파손된다. 따라서, 고출력의 유도 결합 플라즈마는 구조적 한계가 있다.When 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-power 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 KR 10-1657303 B1. However, antennas with multiple turns have limitations in atmospheric pressure discharge because, at the same time as the induced electric field increases during discharge, the antenna voltage accelerates ions to the tube wall, causing 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.In Korean Patent KR 0-1826883 B1, the inventor of the present invention proposed an inductively coupled plasma generator having a voltage distribution structure by inserting a capacitor between antennas. However, Korean registered patent KR 0-1826883 B1 induces an initial discharge when the driving frequency is outside the resonance condition, but the strength of the electric field is small, making it difficult to stably ignite the atmospheric pressure discharge.

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 more.

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

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 that detects the current or voltage flowing through the initial discharge induction coil. The RF power source may detect a transition from a capacitive coupling mode to an inductive coupling mode using the output of the first detection sensor and change the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency.

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

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

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 고전압 펄스 발생기는, 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 양의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제1 트랜스퍼머; 상기 제1 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제1 전력 트렌지스터; 상기 AC-DC 변환기의 상기 DC 전압을 제공받는 1차 코일과 음의 DC 고전압 펄스를 발생시키는 2차 코일을 포함하는 제2 트랜스퍼머; 및 상기 제2 트랜스퍼머의 1차 코일에 연결된 제2 전력 트렌지스터를 포함할 수 있다. 상기 제어기는 상기 제1 전력 트렌지스터와 상기 제2 전력 트렌지스터의 게이트를 제어할 수 있다. 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 양의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제1 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지될 수 있다. 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 일단은 음의 DC 고전압 펄스를 출력하고, 상기 제2 트랜스퍼머의 2차 코일의 타단은 접지될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the high voltage pulse generator includes a first transformer including a primary coil that receives the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil that generates a positive DC high voltage pulse; a first power transistor connected to the primary coil of the first transformer; a second transformer including a primary coil that receives the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil that generates a negative DC high voltage pulse; And it may include a second power transistor connected to the primary coil of the second transformer. The controller may control the 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 can be wound in multiple 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, a middle 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 disposed at both ends of the initial discharge induction coil, respectively.

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 square.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 단위 안테나는, 상기 유전체 방전 튜브를 중심축에 수직한 배치 평면에서 상기 유전체 방전 튜브와 접촉하여 배치되고 루프를 형성하는 제1 안테나; 상기 제1 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제2 안테나; 및 상기 제2 안테나를 감싸도록 배치되고 루프를 형성하는 제3 안테나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the unit antenna includes: a first antenna disposed in contact with the dielectric discharge tube in an arrangement plane perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube and forming a loop; a second antenna arranged to surround the first antenna and forming a loop; And it may include 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 unit antennas may be arranged in different deployment planes and may be 10 in number.

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 five unit antennas and a second group including five other unit antennas. The unit antennas constituting the first group may be arranged at intervals of 72 degrees along the azimuth direction, and the unit antennas constituting the second group may be arranged 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 includes a plurality of windings arranged on the same arrangement plane, and may further include a “ㅛ” shaped insulating spacer that insulates 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 more than 0.2 MHz.

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 may be the same as 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 total inductance 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.A method of operating an atmospheric pressure plasma generator according to an embodiment of the present invention includes providing an initial discharge seed by applying a DC high voltage to a first electrode and a second electrode arranged to be spaced apart from each other in a dielectric discharge tube; An initial discharge induction coil module that surrounds the dielectric cylindrical tube, has a plurality of turns, and includes an initial discharge induction coil that generates an atmospheric pressure initial discharge, and an initial discharge capacitor connected in series with the initial discharge induction coil to provide a first resonance frequency. performing initial discharge by providing alternating current power of the first resonant frequency; and providing alternating current power of a second resonance frequency different from the first resonance frequency to a main discharge induction coil module connected in parallel with the initial discharge induction coil module to induce a main inductively coupled plasma from the initial discharge.

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 detecting a current flowing in the initial discharge induction coil or a voltage drop applied to both ends of the initial discharge induction coil. When the current flowing in the initial discharge induction coil or the voltage drop applied to both ends of the initial discharge induction coil is greater than the threshold, the RF power supply changes the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency. Main discharge can be performed from 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 arranged to be spaced apart from the initial discharge induction coil, and the dielectric discharge tube is disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to the central axis and connected in series to each other. a plurality of unit antennas; a first main capacitor and a second main capacitor respectively disposed at both ends of the unit antennas; and auxiliary capacitors connected in series between the unit antennas. The 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 change the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency to perform main discharge in the unit antennas.

본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치는 시드 발생용 전극, 이그니션에 유리한 초기 방전 유도 코일, 그리고 방전 유지에 유리한 메인 방전 유도 코일 모듈을 이용하여 대기압 또는 그 이상의 압력에서 안정적인 플라즈마 발생을 수행할 수 있다.The atmospheric pressure plasma generator according to an embodiment of the present invention performs stable plasma generation at atmospheric pressure or higher using a seed generation 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.
Figure 2a is a conceptual diagram showing the initial discharge operation of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2b is a conceptual diagram showing the main discharge operation of an atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram schematically showing the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing the voltage distribution applied to the initial discharge induction coil module during the 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 during the main discharge operation of the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2B.
Figure 6 is a plan view showing the arrangement relationship of unit antennas of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a plan view showing a unit antenna of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a cross-sectional view showing the insulation state of the unit antennas of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a cut perspective view showing the arrangement relationship between the first electrode and the second electrode according to an embodiment of the present invention.
Figure 10 is a circuit diagram showing a DC power source according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a circuit diagram explaining the high voltage pulse generator of FIG. 10.
Figure 12 is a cross-sectional view illustrating the main discharge induction coil module of the 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 the initial discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12.
FIG. 15 is a diagram showing an equivalent circuit explaining the main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12.
FIG. 16 is a timing diagram showing the initial discharge mode and main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12.

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

초기 방전 모듈은 이그니션에 유리한 안테나를 구비하고, 메인 방전 모듈은 방전 유지에 유리한 안테나 특성을 가진다. 서로 병렬로 연결된 초기 방전 모듈과 메인 방전 모듈은 구동 주파수에 따라 서로 다른 임피던스 특성을 가진다. 초기 방전 모듈은 제1 공진 주파수를 가지며, 메인 방전 모듈은 제2 공진 주파수를 가진다. 제1 공진 주파수로 전류를 흘리면, 초기 방전 모듈로 전류가 주로 흐르게 된다. 공진이 아닌 루트는 제1 공진 주파수에서 임피던스가 상대적으로 커서 전류가 상대적으로 적게 흐른다. 제2 공진 주파수로 전류를 흘리면, 메인 방전 모듈로 전류가 주로 흐르게 된다. 방전 모듈이 3개 이상이더라도, 각 방전 모듈 별로 다른 공진 주파수를 부여하면, 원하는 방전 모듈로 전류를 부여할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 넓은 실 저항 범위에서 임피던스 매칭을 수행할 수 있고, 넓은 방전 제어 범위 (유량, power, 압력)를 구현할 수 있고, 다양한 용도의 방전 모듈에 전류를 스위칭하여 방전 기능을 변경할 수 있다. The initial discharge module has an antenna that is advantageous for ignition, and the main discharge module has antenna characteristics that are advantageous for maintaining discharge. The initial discharge module and main discharge module connected in parallel 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, the current mainly flows to the initial discharge module. The non-resonant route has a relatively large impedance at the first resonance frequency, so relatively little current flows. When current flows at the second resonant frequency, the current primarily flows to the main discharge module. Even if there are three or more discharge modules, if a different resonance frequency is given to each discharge module, current can be given to the desired discharge module. Accordingly, the present invention can perform impedance matching in a wide actual resistance range, implement a wide discharge control range (flow rate, power, pressure), and change the discharge function by switching current to discharge modules 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 disposed above and below the initial discharge induction coil of the initial discharge module, respectively, to generate a static vertical electric field (E_ig) in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube to perform initial discharge by applying a DC voltage at atmospheric pressure. generates 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 resonance frequency, and receives RF power of the first resonance frequency from an RF power source in an initial discharge mode to perform initial discharge. The main discharge module does not perform discharge due to high impedance at the first resonance frequency. The plasma generated by the initial discharge induction coil transitions from the capacitive coupled mode (or E mode) to the inductive coupled 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 the first resonant frequency, A vertical electric field (E_z) can be generated in the direction of the central axis of the dielectric discharge tube. After transitioning to inductively coupled mode (or H mode), the 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 arranged in series to be spaced apart from the initial discharge induction coil and each arranged on a plurality of arrangement planes, and a first main capacitor and a second main capacitor respectively arranged at both ends of the unit antennas. ; and an auxiliary capacitor connected in series between the unit antennas. The main discharge module and the initial discharge module are connected in parallel. The main discharge module has a second resonant frequency. When transitioning from the capacitive coupling mode (or E mode) to the inductive coupling mode (or H mode) by the initial discharge induction coil, the RF power supply changes the driving frequency from the first resonance frequency to the second resonance frequency. At the same time, DC voltage is removed from the pair of electrodes. Accordingly, the initial discharge module does not perform discharge because current does not flow due to high impedance, and the main discharge module allows current to flow due to low impedance and stably generates inductively coupled plasma.

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 attached 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 disclosure will be thorough and complete and so that the spirit of the invention can be fully conveyed to those skilled in the art. In the drawings, elements are exaggerated for clarity. Parts indicated with the same reference numerals throughout the specification represent the same elements.

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

도 1을 참조하면, 기판 처리 장치(10)는 진공 용기(92) 내부에 기판 홀더(93)를 구비하고, 상기 기판 홀더(93) 상에 배치된 기판(94)에 증착 공정, 식각 공정, 확산 공정, 또는 이온 주입 공정을 수행할 수 있다. 상기 진공 용기(92)는 진공 펌프(95)에 의하여 배기되고, 배기 가스는 대기압 플라즈마 발생 장치(100)를 통하여 정재 처리되어 외부로 배출된다. 상기 배기 가스는 미세 입자, 맹독성 가스, 온실 가스와 같은 오염 물질을 포함한다.. Referring to FIG. 1, the substrate processing apparatus 10 is provided with a substrate holder 93 inside a vacuum vessel 92, and performs a deposition process, an etching process, and a substrate 94 placed on the substrate holder 93. 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 through the atmospheric pressure plasma generator 100 and discharged to the outside. The exhaust gases contain pollutants such as fine particles, highly toxic gases, and greenhouse gases.

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

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. Examples of the normal pressure discharge plasma method include the high-voltage flat plate plasma method, the arc torch method, and the induction heating plasma method. In the case of high-voltage flat plasma, it has a high discharge maintenance ability, but it is difficult to create low plasma density and high temperature conditions at high operating pressure. Therefore, the effectiveness 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.Meanwhile, high-temperature plasma, such as an arc torch, provides a high reaction temperature, but the processing gas is not directly injected into the plasma, which reduces decomposition efficiency and makes the electrode for arc generation 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 more. Therefore, the atmospheric pressure plasma device is placed at the rear of the vacuum pump and can decompose and treat harmful gases flowing mixed with gas of several tens slm (standard liter per minute) or more under atmospheric pressure. The harmful gas may be CxFy or SxFy gas. The present invention can perform inductively coupled discharge of CxFy gas, which is normally difficult to discharge at atmospheric pressure, at atmospheric pressure. The atmospheric pressure plasma device according to an embodiment of the present invention can be used in processes such as CO2 reforming.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치의 초기 방전 동작을 나타내는 개념도이다.Figure 2a is a conceptual diagram showing the 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.Figure 2b is a conceptual diagram showing the 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 schematically showing the atmospheric pressure plasma device of FIG. 2A.

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 the voltage distribution applied to the initial discharge induction coil module during the 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 during 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.Figure 6 is a plan view showing the arrangement relationship of unit antennas of the 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.Figure 7 is a plan view showing a unit antenna of the main discharge induction coil module according to an embodiment of the present invention.

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

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전극과 제2 전극의 배치 관계를 나타내는 절단 사시도이다.Figure 9 is a cut perspective view showing the arrangement relationship between the first electrode and the 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 generator 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 turns and generates an atmospheric pressure initial discharge is connected in series with the initial discharge induction coil 120 to provide a first resonance frequency (fa). an initial discharge induction coil module 102 including initial discharge capacitors 122a and 122b; a first electrode 114 and a second electrode 116 disposed above and below the initial discharge induction coil 120, respectively, to provide an initial discharge seed; a DC power source 112 that applies a DC high voltage between the first electrode 114 and the second electrode 116; a main discharge induction coil module 103 that receives the initial discharge generated by the initial discharge induction coil module 102 and generates a main inductively coupled plasma with a second resonance frequency (fb); and an RF power source 150 that provides RF power to the initial discharge induction coil module 102 and the main discharge induction coil module 103 connected in parallel and changes the 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 arranged to be spaced apart from the initial discharge induction coil 120, is disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 140, and is connected in series to each other. a plurality of unit antennas 132; A first main capacitor (133a) and a second main capacitor (133b) disposed at both ends of the unit antennas 132, respectively; and auxiliary capacitors 134 connected in series between the unit antennas 132, respectively.

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

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 is assisted by the first electrode 114 and the second electrode 116. Meanwhile, DC discharge is difficult to form high plasma density. The 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. For this purpose, 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 transmitted 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 the first resonance frequency (fa). When the RF power source 150 operates at the first resonance 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 can be removed. Accordingly, the RF power source 150 can stably transmit RF power to the initial discharge induction coil. In addition, since the initial discharge induction coil 120 has a high inductance, a high potential difference (Va) is induced between both ends of the initial discharge induction coil 120, and the electrostatic vertical electric field (E_z) generates a capacitive coupling mode. You can do it. In the capacitive coupling mode, streamer discharge is formed locally 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 sufficient plasma is generated by the capacitive coupling mode, an azimuthal induced electric field (E_a_ind) 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 due to 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 the initial discharge induction coil decrease compared to the capacitive coupling mode.

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

본 발명은 이러한 문제점을 극복하고자 초기 방전에 최적화된 초기 방전 유도 코일(120)과 유전체 방전 튜브의 열 파손을 억제하고 방전 효율을 증가시키는 메인 방전 유도 코일 모듈(103)이 사용된다. 초기 방전 단계에서는 RF 전력이 초기 방전 유도 코일(120)로 유입되어 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 발생시킨다. 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)은 초기 방전 유도 코일(120)에 의한 발생된 다량의 하전 입자를 사용하여 축전 결합 모드를 거치지 않고 바로 유도 결합 모드의 플라즈마를 발생시킨다.In order to overcome this problem, 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 damage of the dielectric discharge tube and increases discharge efficiency. In the initial discharge stage, RF power flows into the initial discharge 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 immediately generate plasma in the inductive coupling mode without going through the capacitive coupling mode.

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

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

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

RF 전원(150)은 구동 주파수를 변경할 수 있으며, 서로 병렬 연결된 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)과 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 RF 전력을 선택적으로 공급할 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)에서, 상기 RF 전원(150)은 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 주로 전력을 공급한다. 한편, 제2 공진 주파수(fb)에서, 상기 RF 전원(150)은 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 주로 전력을 공급한다. The RF power source 150 can change the driving frequency and selectively supply RF power to the initial discharge induction coil module 102 and the main discharge induction coil module 103 that are connected in parallel. 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 tens of centimeters. The inner diameter of the dielectric discharge tube 140 may be smaller than the outer diameter by several millimeters to tens of millimeters. 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 combining 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 can maximize the number of turns per unit length in the longitudinal direction of the dielectric discharge tube 120. The initial discharge induction coil 120 may be a solenoid coil with a multi-layer structure. Specifically, the initial discharge induction coil 120 has a solenoid shape and can be wound in multiple 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 three turns surrounding the middle solenoid coil (120b). The initial discharge induction coil 120 may be wound internally to constructively interfere with a magnetic field. 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 refrigerant may flow inside the initial discharge induction coil. The pipe constituting the initial discharge induction coil may have a circular cross section.

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

상기 제1 공진 주파수(fa)는 3.3 MHz일 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)는 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)의 등가 정전 용량(C'a)과 상기 초기 방전 유도 코일(120)의 인덕턴스(La)에 의하여 정의될 수 있다. 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)는 상기 초기 방전 유도 코일의 양단 중에서 하나에 배치될 수 있다. The first resonance frequency (fa) may be 3.3 MHz. The first resonance 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 source 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 can generate high voltage pulses 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 includes a first electrode 114 and a second electrode 116 disposed above and below the initial discharge induction coil 120, respectively. The first electrode 114 may be charged with a positive DC high voltage and may be in the form of a square plate attached in close contact with 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 in contact with the outer wall of the dielectric discharge tube 140 at the top of the initial discharge induction coil 120 and receives the positive DC high voltage. The first electrode 114 may have a square 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 in contact with the outer wall of the dielectric discharge tube 120 at the bottom of the initial discharge induction coil 120 and receives the negative DC high voltage. The second electrode 116 may be shaped like a “C” 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 arranged 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) generated by the initial discharge induction coil or an induced electric field (E_b_ind) generated by the unit antennas. Therefore, it does not form a perfect loop and may have a “C” shape to prevent eddy currents caused by the induced electric fields (E_a_ind, E_b_ind) from flowing. The second electrode may be charged with a negative DC high voltage and may have a strip shape attached in close contact with the dielectric discharge tube. Additionally, the second electrode may be formed tortuously to prevent the induced electric field in the azimuthal direction from flowing, 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.The 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 DC high voltage to the first electrode 114 and the second electrode 116 may apply a level of 30 kV at atmospheric pressure. In this case, a vertical streamer in the vertical direction connecting the first electrode 114 and the second electrode 116 (direction of the central axis of the dielectric discharge tube) and a “C” shape on the second electrode 116 generates 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 and heat it. Accordingly, to suppress eddy currents, the second electrode 116 may be cut or provided with a vertical slit while securing a sufficient area.

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 gap between the first electrode 114 and the initial discharge induction coil 120 or the gap between the second electrode 116 and the initial discharge induction coil 120 is a parasitic discharge and induced electric field caused by a high voltage at atmospheric pressure. They can be spaced sufficiently apart to suppress induction heating. Specifically, 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 may be several cm or more. Preferably, the spacing 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 source 150 can convert commercial AC power into RF power and transmit it to the load. For example, RF power may have a frequency of hundreds of kHz to tens of MHz and a power of tens of kW or more. The RF power source 150 may include a rectifier, inverter, and controller. The rectifier can convert commercial AC power into direct current power. The inverter may receive the direct current power and convert it into RF power in response to switching signals from the controller. The controller can control driving frequency and power by controlling switching signals. The RF power source may change the driving frequency to perform impedance matching at the first resonance frequency (fa) or the second resonance frequency (fb). The first resonance frequency (fa) and the second resonance frequency (fb) may be spaced apart from each other by more than 0.2 MHz. When the first resonance frequency (fa) is within 0.2 MHz from the second resonance frequency (fb), impedances in the two current directions are similar, so power switching may be unstable. The first resonance frequency (fa) may be greater than the second resonance frequency (fb).

제1 감지 센서(152)는 상기 초기 방전 유도 코일(120)에 흐르는 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 제2 감지 센서(154)는 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(103)에 흐르는 전류 또는 전압을 감지할 수 있다. 상기 RF 전원(150)은 상기 제1 감지 센서(152)의 출력을 이용하여 축전 결합 모드에서 유도 결합 모드로 천이를 감지하고 상기 제1 공진 주파수에서 상기 제2 공진 주파수로 구동 주파수를 변경할 수 있다.The first detection sensor 152 may detect the current or voltage flowing in the initial discharge induction coil 120. The second detection sensor 154 can detect the current or voltage flowing in the main discharge induction coil module 103. The RF power source 150 may detect the 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 resonance frequency to the second resonance 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 respectively disposed between the plurality of unit antennas 132, and all of the plurality of unit antennas. It includes a first main capacitor (133a) and a second main capacitor (133b) disposed at both ends, respectively. The cross section of the coil constituting the unit antenna 132 may be square. The unit antennas 132 may be arranged at intervals of 90 degrees clockwise. Accordingly, terminals electrically connecting the unit antennas 132 may not interfere with each other.

도 7 및 도 8을 참조하면, 사각형 단면은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉 면적을 증가시키어 열 교환 효율을 향상시키어, 상기 유전체 방전 튜브(140)를 냉각시킬 수 있다. 메인 방전을 수행하는 경우, 플라즈마는 상기 유전체 방전 튜브(140)에 에너지를 전달하여 섭씨 수백도 이상으로 가열할 수 있다. 상기 유전체 방전 튜브(140)의 온도 상승은 재질 변성 또는 파손을 유발할 수 있다. 상기 단위 안테나(132)는 내부에 냉매가 흘러 냉각된다. 원형 단면의 코일은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 선 접촉하여, 상기 유전체 방전 튜브(140)를 효율적으로 냉각시키기 어렵다. 한편, 상기 사각형 단면의 코일은 상기 유전체 방전 튜브(140)와 면접촉을 통하여 냉각효율이 증가한다. 상기 단위 안테나(132)의 내측 코일과 상기 유전체 방전 튜브(140)와 접촉을 안정적으로 유지하기 위하여, 상기 내측 코일은 반경이 감소하도록 조여진다. 실험적으로, 원형 단면 코일의 경우 5kW 이상의 RF 전력에서 상기 유전체 방전 튜브(140)의 파손이 발견되었다. 하지만, 사각 단면 코일의 경우, 8 kW 에서도 상기 유전체 방전 튜브(140)의 파손이 발견되지 않았다.Referring to Figures 7 and 8, the square cross-section increases the contact area with the dielectric discharge tube 140, thereby improving heat exchange efficiency and cooling the dielectric discharge tube 140. When performing the main discharge, the plasma may transfer energy to the dielectric discharge tube 140 and heat it to hundreds of 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 a flow of refrigerant inside. The 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. Meanwhile, the cooling efficiency of the coil of the square cross-section increases through surface contact with the dielectric discharge tube 140. In order to maintain stable contact between the inner coil of the unit antenna 132 and the dielectric discharge tube 140, the inner coil is tightened to reduce its radius. Experimentally, breakage of the dielectric discharge tube 140 was found at RF power of 5 kW or more in the case of a circular cross-section coil. However, in the case of the square cross-section coil, no damage to 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 on an arrangement plane perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube and forming a loop; a second antenna (132b) continuously connected to the first antenna (132a), arranged to surround the first antenna, and forming a loop; and a third antenna 132c that is continuously connected to the second antenna 132b and is arranged to surround the second antenna, forming a loop.

상기 단위 안테나(132)는 4각형 단면을 가지며, 상기 제1 안테나(132a)는 상기 유전체 방전 튜브와 밀착되어 상기 유전체 방전 튜브를 냉각한다. 상기 제1 안테나(132a)와 상기 제2 안테나(132b)는 "U" 자 형태의 제1 연결부(32a)에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제2 안테나(132b)와 상기 제3 안테나(132c)는 "U" 자 형태의 제2 연결부(32b)에 의하여 연결될 수 있다.The unit antenna 132 has a square cross-section, and the first antenna 132a is in close contact with the dielectric discharge tube to cool the dielectric discharge tube. The first antenna 132a and the second antenna 132b may be connected by a “U” shaped first connection portion 32a. The second antenna 132b and the third antenna 132c may be connected by a “U” shaped second connection portion 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 arranged on the same arrangement plane, and the insulating spacer 36 insulates the plurality of windings and may have a “ㅛ” shape. Each winding constituting the unit antenna 132 is electrically insulated by the insulating spacer 36 and can maintain a constant gap. The insulating spacer 36 can insulate neighboring unit antennas 132 from each other. The insulating spacer has a “ㅛ” shape, and the second antenna 132b can be inserted into the recessed portion 36a.

상기 제1 안테나(132a)의 적어도 일부는 세라믹 페이스트에 의하여 몰딩될 수 있다. 상기 제1 안테나(132a)의 적어도 일부를 감싸는 세라믹 몰드(37)는 상기 유전체 방전 튜브와 열적으로 접촉할 수 있다. 이에 따라, 상기 단위 안테나에 냉매가 흐르는 경우, 상기 냉각된 단위 안테나는 상기 세라믹 몰드(37)를 냉각하고, 상기 세라믹 몰드(37)는 상기 유전체 방전 튜브(140)를 간접적으로 냉각할 수 있다. At least a portion of the first antenna 132a may be molded using ceramic paste. The ceramic mold 37 surrounding at least a portion of the first antenna 132a may be in thermal contact with the dielectric discharge tube. Accordingly, when coolant flows through the unit antenna, the cooled unit antenna can cool the ceramic mold 37, and the ceramic mold 37 can 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 the same as 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) can be given by the total inductance (Lb) of the plurality of unit antennas and the equivalent capacitance (C'b) of the capacitors (133a, 133b, 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. A first voltage drop (Va) induced in the initial discharge induction coil 120 at the first resonant frequency (fa) is a second voltage drop (Vb) induced in the unit antenna at the second resonant frequency (fb). It can be bigger than The second voltage drop (Vb) is the second resonant frequency (fb) and the second current (Ib). and the inductance (L1) of the unit antenna. The first voltage drop (Va) is the first resonant frequency (fa) and the 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 total inductance (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.*Figure 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 explaining 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 to DC voltage (Vin); A high voltage pulse generator 1122 that receives the DC voltage (Vin) and generates positive DC high voltage pulses and negative DC high voltage pulses; and a controller 1124 that controls 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 that receives the DC voltage of the AC-DC converter and a secondary coil that generates 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 the 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 direct current voltage. The controller 1124 synchronizes and controls the on time and repetition frequency of the first power transistor 1222b and the second power transistor 1122d. The DC high voltage pulse may be tens of kV, and the repetition frequency may be tens of kHz.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치의 메인 방전 유도 코일 모듈을 설명하는 단면도이다.Figure 12 is a cross-sectional view illustrating the main discharge induction coil module of the 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 the initial discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator 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 the main discharge mode of the atmospheric pressure plasma generator of FIG. 12.

도 16은 도 12의 대기압 플라즈마 발생 장치의 초기 방전 모드와 메인 방전 모드를 나타내는 타이밍도이다.FIG. 16 is a timing diagram showing the initial discharge mode and 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 generator 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 turns and generates an atmospheric pressure initial discharge is connected in series with the initial discharge induction coil 120 to provide a first resonance frequency (fa). an initial discharge induction coil module 102 including initial discharge capacitors 122a and 122b; a first electrode 114 and a second electrode 116 disposed above and below the initial discharge induction coil 120, respectively, to provide an initial discharge seed; a DC power source 112 that applies a DC high voltage between the first electrode 114 and the second electrode 116; a main discharge induction coil module 203 that receives the initial discharge generated by the initial discharge induction coil module 102 and generates a main inductively coupled plasma with a second resonance frequency (fb); and an RF power source 150 that provides RF power to the initial discharge induction coil module 102 and the main discharge induction coil module 203 connected in parallel and changes the 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 arranged to be spaced apart from the initial discharge induction coil 120, is disposed on a plurality of arrangement planes perpendicular to the central axis of the dielectric discharge tube 140, and is 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) disposed at both ends of the unit antennas (232a to 232d; 332a to 332e), respectively; and auxiliary capacitors 134 connected in series between the unit antennas 232a to 232d; 332a to 332e, respectively.

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

구체적으로, 상기 초기 방전 축전기(122a,122b)의 등가 정전 용량(C'a)은 260pF이고, 상기 초기 방전 유도 코일의 인덕턴스(La)는 8uH이고, 상기 초기 방전 유도 코일의 기생 저항(Ra)은 0.5 오옴일 수 있다. 제1 공진 주파수(fa)는 3.3 MHz일 수 있다. Specifically, the equivalent capacitance (C'a) of the initial discharge capacitors (122a, 122b) is 260pF, the inductance (La) of the initial discharge induction coil is 8uH, and the parasitic resistance (Ra) of the initial discharge induction coil may be 0.5 ohm. The first resonance 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 total inductance of the unit antennas may be 35uH. Additionally, 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 ohm. 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 discharge stage, the driving frequency may be 3.3 MHz, which is the first resonance frequency. In this case, the first current (Ia) flowing through the initial discharge induction coil module 102 is 31.5A, and the second current (Ib) flowing through the main discharge induction coil module 203 is 0.04A. Accordingly, the current ratio (Ia:Ib) or impedance ratio may be 800:1. That is, in the initial discharge stage, all current flows to the initial discharge induction coil module 102 and may transition from the capacitive coupling mode to the inductive coupling mode. When the first current (Ia) or voltage flowing through the initial discharge induction coil module 102 is detected and transition to inductive coupling mode, the RF power supply changes the driving frequency to the second resonance frequency (fb) according to the control signal. do.

도 15를 참조하면, 메인 방전 단계에서, 구동 주파수는 제2 공진 주파수인 2,2 MHz일 수 있다. 이 경우, 상기 초기 방전 유도 코일 모듈(102)에 흐르는 제1 전류(Ia)는 0.5A이고, 메인 방전 유도 코일 모듈(203)에 흐르는 제2 전류(Ib)는 49.5 A이다. 이에 따라, 전류비 (Ia: Ib) 또는 임피던스 비는 1:100 일 수 있다. 즉, 메인 방전 단계에서, 모든 전류는 상기 메인 방전 유도 코일 모듈(203)로 흐른다. 따라서, 안정적인 플라즈마가 유지된다. Referring to FIG. 15, in the main discharge stage, the driving frequency may be 2.2 MHz, which is the second resonance frequency. In this case, the first current (Ia) flowing through the initial discharge induction coil module 102 is 0.5A, and the second current (Ib) flowing through the main discharge induction coil module 203 is 49.5A. Accordingly, the current ratio (Ia:Ib) or impedance ratio may be 1:100. That is, in the main discharge stage, all current flows to the main discharge induction coil module 203. Therefore, 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 100% greater than the maximum value (V2) of the potential difference (Vb) applied to both ends of the unit antenna in the main discharge stage. 5.2 times larger. Accordingly, 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 the present invention as claimed in the patent claims by those skilled in the art to which the invention pertains It includes various types of embodiments that can be implemented without departing from the technical idea.

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

Claims

A plasma generator for gas reforming to reform a target gas under atmospheric pressure,
A discharge tube having an inlet through which the gas to be reformed is introduced and an outlet through which the reformed gas is discharged.
- the inlet is located on the 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
- The first coil is arranged to surround the outer surface of the discharge tube,
disposed closer to the inlet than the second coil,
The first stage and the second stage are connected to the output terminal of the power supply device; and
The second coil having a third stage and a fourth stage
- The second coil is arranged to surround the outer surface of the discharge tube,
disposed closer to the outlet than the first coil,
The third and fourth stages are connected to the output terminal of the power supply device;
Includes,
The second coil includes a plurality of subcoils and at least one capacitor interposed between two subcoils selected from the plurality of subcoils,
The second inductance, which is the sum of the inductances of the plurality of subcoils, is greater than the first inductance of the first coil,
The inductance of each of the plurality of subcoils is smaller than the first inductance.
A plasma generator for gas reforming to reform a target gas under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
Characterized in igniting an inductively coupled plasma (ICP) by an RF power source having a first frequency supplied through the first stage and the second stage under a pressure of 100 Torr or more.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
Characterized in maintaining an inductively coupled plasma (ICP) by an RF power source having a second frequency supplied through the third stage and the fourth stage under a pressure of 100 Torr or more.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
Igniting an inductively coupled plasma (ICP) by an RF power source having a first frequency supplied through the first stage and the second stage under a pressure of 100 Torr or more,
Maintaining an inductively coupled plasma (ICP) by an RF power source having a second frequency supplied through the third stage and the fourth stage under a pressure of 100 Torr or more,
When the power of the first frequency is supplied to the first coil through the first stage and the second stage, the first potential difference between the first stage and the second stage is such that the power of the second frequency is Characterized in that when being supplied to the second coil, the second potential difference is greater than the second potential difference between the third stage and the fourth stage.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
Plasma is generated by RF power provided through the first coil or the second coil under a pressure of 100 Torr or more,
The target gas is thermochemically decomposed or reformed by the high temperature generated by the plasma.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
The target gas is plasma discharged by RF power provided through the first coil or the second coil under a pressure of 100 Torr or more.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
Power having a first frequency is supplied to the first coil so that plasma is ignited within the discharge tube,
The first frequency is a frequency close to the resonance frequency determined by the load including the first coil.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

delete

According to paragraph 1,
Power having a second frequency is supplied to the second coil to maintain plasma within the discharge tube,
The second frequency is a frequency close to the resonance frequency determined by the load including the second coil.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.

According to paragraph 1,
an electrode disposed near the first coil; and
Further comprising a DC power supply that applies a high direct current voltage to the electrode.
A plasma generator for gas reforming to reform the gas to be reformed under atmospheric pressure.