KR102604950B1 - 대기압 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마를 발생시키기 위한 장치(11)에 관한 것으로서, 상기 장치는 압전 변압기(1) 및 제1 지지 요소(22)를 포함하고, 상기 제1 지지 요소 상에서 상기 압전 변압기(1)는, 이러한 압전 변압기(1)가 그의 병렬 공진 주파수보다 작은 동작 주파수로 작동되고, 그리고 비열 대기압 플라즈마를 발생시키기 위해 사용될 때 진동 노드가 형성되는 위치에 놓여 있다.

Description

대기압 플라즈마 발생 장치
본 발명은 대기압 플라즈마를 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다. 플라즈마로서는 비열 플라즈마(non-thermal plasma)가 사용된다.
상기 장치는 특히, 공정 가스(process gas)를 이온화하기 위한 목적으로 사용될 수 있는 출력 전압을 생성하는 압전 변압기(piezoelectric transformer)를 포함한다. 상기 장치는, 장치의 홀더(holder)에 대해 상대적인 상기 압전 변압기의 이동, 특히 길이 방향으로의 이동을 방지해야 한다. 그러나 이와 동시에 상기 홀더는 변압기의 진동이 감쇠되는 방식으로 상기 압전 변압기에 나쁜 영향을 미치지 않아야 하는데, 왜냐하면 이로 인해서는 플라즈마 생성의 효율이 감소될 수 있기 때문이다.
따라서 본 발명의 과제는, 무엇보다 상기와 같이 서로 상충하는 요건들을 가능한 한 우수하게 충족시키는 장치를 제시하는 것이다.
상기 과제는 청구항 1에 따른 장치에 의해서 해결된다.
본 발명에서는 대기압 플라즈마를 발생시키기 위한 장치가 제안되며, 이 장치는 압전 변압기 및 제1 지지 요소를 포함한다. 상기 압전 변압기는 상기 지지 요소 상에 있으며, 이때 상기 제1 지지 요소 상에서 상기 압전 변압기는, 상기 압전 변압기가 그의 병렬 공진 주파수보다 작은 동작 주파수로 작동되고, 그리고 비열 대기압 플라즈마를 발생시키기 위해 사용될 때 진동 노드(vibration node)가 형성되는 위치에 놓여 있다.
플라즈마 발생에 의해 출력측 부하가 형성된다. 그 결과 진동 노드의 변위가 초래된다. 공진 주파수에 의해 진동을 여기시키는, 길이 L의 압전 효과가 없는 균일하고 동일한 모양의 바(bar)의 경우, 진동 노드가 입력측 단부면에 대해 1/4 L의 거리에 그리고 상기 입력측 단부면에 대해 3/4 L에 위치하는 것을 예측할 수 있다. 그러나 플라즈마 발생에 사용되는 압전 변압기에서, 앞서 언급한 1/4 L 및 3/4 L 값에 대한 진동 노드의 위치는 변위된다. 이 경우에는 아래에서 설명되는 다양한 효과가 중요하다. 본 발명은 진동 노드의 위치의 변위를 고려하여 그에 따라 제1 지지 요소를 위치시킬 수 있게 한다. 이로 인해 제1 지지 요소가 압전 변압기를 단지 최소한으로만 감쇠시키는 것이 보장될 수 있다.
균일한 바에 대한 압전 변압기의 진동 노드 위치의 변위의 경우 특히 다음과 같은 효과가 관련된다: 압전 변압기의 출력측에 플라즈마를 발생시킴으로써 상기 압전 변압기와 상호 작용하는 부하가 발생한다. 부하와의 상호 작용으로 인해, 압전 변압기가 공진 동작을 나타내는 주파수는, 상기 압전 변압기가 부하 없이 임피던스 최대값을 가짐으로써 공진 동작을 나타내는 병렬 공진 주파수에서 더 낮은 주파수로 변위된다. 상기와 같은 작은 주파수는 압전 변압기가 여기되는 동작 주파수일 수 있다. 압전 변압기는 병렬 공진 주파수보다 작은 동작 주파수에서 여기됨으로써 진동 노드의 위치가 변경된다. 이러한 진동 노드는 출력측의 방향으로 이동된다.
더 나아가 압전 변압기는 탄성 계수를 갖고, 이러한 탄성 계수의 분할은 균일한 바의 탄성 계수와 다르다. 입력 영역의 탄성 계수는 입력 영역의 압전 층들이 출력 영역의 압전 재료에 수직으로 분극되므로 출력 영역의 탄성 계수와 다르다. 또한, 입력 영역은 내부 전극들을 가지며, 반면 출력 영역은 모놀리식 압전 층을 갖기 때문에, 입력 영역의 밀도는 출력 영역의 밀도와 상이하다. 상기와 같은 입력 영역과 출력 영역의 상이한 탄성 계수는 입력측 단부면 쪽으로 진동 노드의 변위를 야기한다.
입력 영역과 출력 영역의 상이한 탄성 모듈로 인해 진동 노드를 입력측 단부면 쪽으로 변위시키는 효과는 병렬 공진 주파수보다 작은 동작 주파수에서 여기로 인해 진동 노드를 출력측 단부면 쪽으로 변위시키는 효과보다 클 수 있다.
동작 주파수와 병렬 공진 주파수의 차이는 10kHz 내지 0.1kHz 사이일 수 있다. 바람직하게 상기 동작 주파수와 병렬 공진 주파수의 차이는 8kHz 내지 0.1kHz, 특히 5kHz 내지 0.1kHz 사이일 수 있다. 동작 주파수는, 주파수 종속 임피던스 스펙트럼이 플라즈마 발생으로 인해 생성되는 출력측에 부하가 인가될 때 보다 작은 주파수로 변위되는 것을 설명하기 위해 병렬 공진 주파수보다 작게 선택된다. 압전 변압기가 공진 동작을 나타내는 주파수의 변위는 일반적으로 여기서 제시된 범위에 있을 수 있다.
상기 병렬 공진 주파수는 주파수를 갖는 교류 전압이 상기 압전 변압기에 인가되고 상기 압전 변압기가 플라즈마를 발생시키지 않을 때 상기 압전 변압기의 임피던스가 최대값을 갖는 주파수로서 정의될 수 있다. 따라서 병렬 공진 주파수는 압전 변압기가 부하 없이 작동될 때 임피던스의 최대값을 갖는 것을 특징으로 한다.
대안적인 실시예에서, 압전 변압기를 작동시킬 수 있는 동작 주파수는 직렬 공진 주파수보다 작을 수 있다. 특히, 동작 주파수와 직렬 공진 주파수의 차이는 10kHz 내지 0.1kHz 사이일 수 있다. 직렬 공진 주파수는 주파수를 갖는 교류 전압이 압전 변압기에 인가되고 압전 변압기가 플라즈마를 발생시키지 않을 때 상기 압전 변압기의 임피던스가 최소값을 갖는 주파수로서 정의될 수 있다. 따라서 직렬 공진 주파수는 압전 변압기가 부하 없이 작동될 때 임피던스의 최소값을 갖는 것을 특징으로 한다.
압전 변압기는 입력 영역 및 출력 영역을 가질 수 있으며, 이 경우 상기 입력 영역은 출력 영역으로부터 떨어져서 대향하는 압전 변압기의 입력측 단부면을 포함하고, 그리고 상기 출력 영역은 입력 영역으로부터 떨어져서 대향하는 출력측 단부면을 포함한다. 길이(L)는 입력측 단부면으로부터 출력측 단부면까지의 거리를 나타낼 수 있다. 제1 지지 요소 상에서 압전 변압기가 놓이는 위치와 입력측 단부면의 거리는 1/4 L - 5mm 내지 1/4 L - 0.05mm의 범위일 수 있다. 이 경우 각각 지지 요소의 중점은 길이 방향으로 고려된다. 이와 동시에 입력측 단부면에 수직이고 출력측 단부면에 수직인 방향이 길이 방향이라고 할 수 있다. 바람직하게 상기와 같은 거리는 1/4L - 3㎜ 내지 1/4L - 0.05㎜ 사이, 특히 1/4L - 1.5㎜ 내지 1/4L - 0.05㎜ 사이의 범위일 수 있다.
길이(L)는 예를 들어, 50mm 내지 100mm 사이일 수 있으며, 바람직하게는 길이(L)가 72mm에 이른다. 균질한 바에 있어서 이론적으로 예상되는 1/4 L의 위치에 대하여 제1 진동 노드가 입력측 단부면 쪽으로 수 mm만큼 변위된다는 것이 밝혀졌다. 전술한 범위에서 제1 지지 요소의 위치를 선택함으로써, 압전 변압기의 작동 중에 형성되는 실제 진동 노드에 지지 요소를 배치하는 것이 가능해질 수 있다. 따라서 제1 지지 요소가 압전 변압기를 단지 최소한으로만 감쇠시키고, 따라서 플라즈마 발생 시 효율을 저하시키지 않도록 보장될 수 있다.
압전 변압기의 입력 영역은 인가된 교류 전압을 기계적 진동으로 변환하도록 형성될 수 있으며, 이 경우 출력 영역은 기계적 진동을 전기 전압으로 변환하도록 형성되어 있다. 출력 영역은 길이 방향으로 입력 영역에 직접 연결될 수 있다.
대기압 플라즈마 발생 장치는 압전 변압기가 놓여 있는 제2 지지 요소를 더 포함하며, 이 경우 상기 제2 지지 요소에서 상기 압전 변압기는, 이러한 압전 변압기가 작동 주파수에서 작동될 때 그리고 비열 대기압 플라즈마를 발생시키는 데 사용될 때 진동 노드가 형성되는 위치 상에 놓여 있다.
제1 및 제2 지지 요소는 압전 변압기의 서로 다른 위치에 배치될 수 있다. 압전 변압기의 출력 영역은 제2 지지 요소 상에 놓일 수 있다. 압전 변압기의 입력 영역은 제1 지지 요소 상에 놓일 수 있다.
특히, 대기압 플라즈마 발생 장치는 각각 입력측 단부면에 동일한 거리로 배치된 다수의 제1 지지 요소 그리고 각각 입력측 단부면에 동일한 거리로 배치된 다수의 제2 지지 요소를 구비할 수 있다.
제2 지지 요소 상에서 압전 변압기가 놓이는 위치와 입력측 단부면의 거리는 3/4 L - 0.5mm 내지 3/4 L - 0.05mm의 범위일 수 있다. 바람직하게 상기 거리는 3/4 L - 3mm 내지 3/4 L - 0.05mm, 특히 3/4 L - 1.5mm 내지 3/4 L - 0.05mm 범위일 수 있다. 또한, 압전 변압기의 출력 영역에서 형성되는 진동 노드의 위치도 전술한 효과로 인해 압전 변압기의 입력측으로 변위될 수 있다.
제1 지지 요소 상에서 압전 변압기가 놓이는 위치와 입력측 단부면의 거리는 1/4 L - A일 수 있다. 제2 지지 요소 상에서 압전 변압기가 놓이는 위치와 입력측 단부면의 거리는 3/4 L - B일 수 있다. B는 A보다 클 수 있다. 압전 변압기의 출력 영역에서, 입력측 단부면쪽으로의 진동 노드의 변위는 입력 영역에서의 변위보다 크다는 것이 밝혀졌다. B > A가 선택됨으로써, 요소들을 배치할 때 상기와 같은 효과가 고려될 수 있다.
제1 지지 요소는 압전 변압기의 압축 및 팽창 시 탄성적으로 변형되도록 형성될 수 있다. 이는 제2 지지 요소에도 적용될 수 있다. 이와 같은 탄성 변형으로 인해, 제1 지지 요소는 탄성적으로 작용할 수 있다. 제1 및 제2 지지 요소는 특히, 압전 변압기와 함께 진동 시스템을 형성할 수 있다. 따라서 제1 지지 요소 그리고 경우에 따라서는 제2 지지 요소가 압전 변압기와 함께 진동하기 때문에, 상기 지지 요소들은 변압기의 진동을 감쇠시키지 않는다. 이로 인해 지지 요소들에 의해 에너지가 손실되지 않도록 보장할 수 있다.
제1 지지 요소는 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아미드 또는 유리 섬유 성분을 함유하는 폴리아미드로부터 선택된 재료를 포함할 수 있다. 제2 지지 요소도 마찬가지로 상기와 같은 재료들을 포함할 수 있다. 상기 재료들은 특히, 높은 경도 그리고 이에 상응하게 높은 선질 계수(quality factor)를 갖는 것을 특징으로 한다. 따라서 이들 재료는 거의 소성 변형하지 않는다. 그 결과 이들 재료로 제조된 지지 요소들이 압전 변압기의 진동을 감쇠시키지 않도록 보장할 수 있다.
제1 지지 요소는 압전 변압기 쪽을 향하는 방향으로 쐐기 모양으로 테이퍼링(tapering)되는 형태를 가질 수 있어 압전 변압기에 거의 선형으로 인접할 수 있다. 제2 지지 요소도 마찬가지로 압전 변압기 쪽으로 쐐기 모양으로 테이퍼링되는 형상을 가질 수 있다. 쐐기 모양으로 테이퍼링되는 형상에 의해, 지지 요소들에서 압전 변압기가 놓이는 면적을 가능한 한 작게 형성하는 것이 가능해질 수 있다. 그 결과 마찬가지로, 지지 요소들이 압전 변압기의 진동을 감쇠시키지 않도록 하는 것을 보장할 수 있다.
압전 변압기는 출력측 단부면에서 비열 대기압 플라즈마를 발생시키도록 형성될 수 있다. 압전 변압기는 예를 들어, 로젠형 변압기(Rosen-type transformer)일 수 있다.
본 발명의 추가 측면은 앞서 설명한 장치 및 장치가 배치된 하우징을 포함하는 플라즈마 발생기(plasma generator)에 관한 것이다.
상기 하우징 내에는 압전 변압기를 트리거링하기 위한 트리거 회로(trigger circuit)가 추가로 배치될 수 있다. 상기 트리거 회로는 특히, 동작 주파수를 갖는 교류 전압을 압전 변압기의 입력 영역에 인가하는 것을 가능하게 할 수 있다.
트리거 회로는 접촉 요소를 통해서 압전 변압기와 전기적으로 접촉할 수 있다. 플라즈마 발생기는 상기 압전 변압기에 공정 가스를 공급하기 위한 수단들을 더 포함할 수 있다. 또한, 하우징은 압전 변압기에 의해 발생된 플라즈마가 배출될 수 있는 배출 개구를 가질 수 있다. 상기 배출 개구의 형성으로 인해, 원하는 방식으로 플라즈마 빔을 형성하는 것이 가능할 수 있다.
후속해서는 본 발명의 바람직한 실시예들이 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1은 압전 변압기를 사시도로 도시하고,
도 2는 대기압 플라즈마를 발생시키기 위한 장치를 도시하며,
도 3 내지 도 14는 압전 변압기에서 진동 노드의 변위를 나타내는 시뮬레이션 결과를 도시하고,
도 15 내지 도 17은 압전 변압기에서 진동 노드의 위치를 나타내는 측정 결과를 도시한다.
도 1은 압전 변압기(1)를 사시도로 도시한다. 상기 압전 변압기(1)는 특히, 비열 대기압 플라즈마를 발생시키기 위한 장치(11)에 사용될 수 있다.
압전 변압기(1)는 공진 변압기의 구조 폼(structural form)으로서, 상기 공진 변압기는 압전성을 기초로 하고, 그리고 종래의 자기 변압기들과 달리 전기 기계 시스템이다. 압전 변압기(1)는 예를 들면, 로젠형 변압기이다.
압전 변압기(1)는 입력 영역(2) 및 출력 영역(3)을 가지며, 이 경우 상기 출력 영역(3)은 길이 방향(z)으로 상기 입력 영역(2)에 연결된다. 입력 영역(2) 내에서 압전 변압기(1)는 전극(4)들을 가지며, 이들 전극에는 교류 전압이 인가될 수 있다. 상기 전극(4)들은 압전 변압기(1)의 길이 방향(z)으로 연장된다. 전극(4)들은 상기 길이 방향(z)에 수직인 적층 방향(x)으로 압전 재료(5)와 교대로 적층된다. 이때 상기 압전 재료(5)는 적층 방향(x)으로 분극되어 있다.
전극(4)들은 압전 변압기(1)의 내부에 배치되어 있어 내부 전극으로도 지칭된다. 압전 변압기(1)는 제1 측면(6) 및 이러한 제1 측면(6)에 대향하는 제2 측면(7)을 갖는다. 상기 제1 측면(6)에는 제1 외부 전극(8)이 배치되어 있다. 상기 제2 측면(7)에는 제2 외부 전극(도면에 도시되지 않음)이 배치되어 있다. 내부에 놓여 있는 전극(4)들은 적층 방향(x)으로 제1 외부 전극(8) 또는 제2 외부 전극과 교대로 전기적으로 접촉되어 있다.
또한, 압전 변압기(1)는 서로 대향하고 제1 측면(6)과 제2 측면(7)에 수직으로 배치된 제3 측면(20) 및 제4 측면(21)을 갖는다. 상기 제3 및 제4 측면(20, 21)의 표면 법선(surface normal)은 각각 적층 방향(x)으로 향한다.
입력 영역(2)은 전극(4)들 사이에서 인가되는 낮은 교류 전압으로 트리거링될 수 있다. 이와 같은 압전 효과로 인해, 입력측에 인가된 교류 전압은 제일 먼저 기계적 진동으로 변환된다. 이 경우 기계적 진동의 주파수는 본질적으로 압전 변압기(1)의 기하학적 구조 및 기계적 구조에 따라 달라진다.
출력 영역(3)은 압전 재료(9)를 포함하고 내부 전극들을 갖지 않는다. 출력 영역의 압전 재료(9)는 길이 방향(z)으로 분극된다. 출력 영역(3)의 압전 재료(9)는 입력 영역(2)의 압전 재료(5)와 동일한 재료일 수 있으며, 이 경우 상기 압전 재료(5, 9)들의 분극 방향은 다를 수 있다. 출력 영역(3)에서 압전 재료(9)는 길이 방향(z)으로 완전히 분극된 단일 모놀리식 층으로 형성되어 있다. 이 경우 출력 영역(3)의 압전 재료(9)는 단 하나의 단일 분극 방향을 갖는다.
입력 영역(2)의 전극(4)들에 교류 전압이 인가되면, 압전 재료(5, 9) 내에 기계적 파동이 형성되고, 이러한 기계적 파동은 출력 영역(3)의 압전 효과에 의해 출력 전압을 발생시킨다. 출력 영역(3)은 출력측 단부면(10)을 갖는다. 따라서 출력 영역(3)에서, 단부면(10)과 입력 영역(2)의 전극(4)들의 단부 사이에서 전압이 발생된다. 이 경우 출력측 단부면(10)에서는 고전압이 발생한다. 이와 동시에 출력측 단부면(10)과 압전 변압기의 주변 사이에서도 공정 가스를 이온화하는 강한 전계를 발생시키기에 충분한 높은 전위차가 발생한다.
이러한 방식으로, 압전 변압기(1)는 전기적 여기에 의해 가스 또는 액체를 이온화할 수 있는 높은 전계를 발생시킨다. 이 경우 각 기체 또는 각 액체의 원자 또는 분자가 이온화되어 플라즈마를 형성한다. 압전 변압기(1)의 표면에서의 전계 강도가 플라즈마의 점화 전계 강도를 초과하면 항상 이온화가 발생한다. 이 경우 플라즈마의 점화 전계 강도는 원자 또는 분자의 이온화에 필요한 전계 강도이다.
압전 변압기(1)는 또한, 입력측 단부면(25)을 갖는다. 압전 변압기(1)의 길이(L)는 상기 입력측 단부면(25)으로부터 출력측 단부면(10)까지의 거리로서 정의된다.
도 2는 대기압 플라즈마를 발생시키기 위한 장치(11)를 도시한다. 상기 장치(11)는 도 1에 도시된 압전 변압기(1)를 포함한다. 여기서 상기 압전 변압기(1)는 절연체(12)를 추가로 구비하고, 이 절연체는 상기 압전 변압기(1)의 출력 영역(3)에 배치되어 있으며, 이 경우 상기 절연체(12)는 출력 영역(3)의 변압기(1)의 측면들을 적어도 부분적으로 덮고, 그리고 출력측 단부면(10)은 절연체(12)를 갖지 않는다. 절연체(12)는 예를 들어, 수축 튜브(shrinkable tubing)에 의해 형성될 수 있다. 절연체(12)는 압전 변압기(1)의 출력측 에지들을 따라 원치 않는 플라즈마 점화가 발생하는 것을 방지한다. 대안적인 실시예에서, 압전 변압기(1)는 절연체(12)를 갖지 않는다.
또한, 장치(1)는 제1 접촉 요소(13) 및 제2 접촉 요소(14)를 갖는다. 상기 제1 접촉 요소(13)는 압전 변압기(1)의 제1 외부 전극(8)과 접속되어 있다. 상기 제2 접촉 요소(14)는 압전 변압기(1)의 제2 외부 전극과 접속되어 있다. 제1 및 제2 접촉 요소(13, 14)를 통해서 압전 변압기(1)의 제1 및 제2 외부 전극에는 교류 전압이 인가될 수 있다.
접촉 요소(13, 14)들은 각각 와이어(15)를 구비하며, 이러한 와이어의 한 단부에는 블록(16)이 배치되어 있다. 상기 접촉 요소(13, 14)들의 블록(16)은 분리 불가능한 부착 방법으로 각각의 외부 전극(8)에 고정되어 있다. 블록(16)은 압전 변압기(1)의 외부 전극(8)에, 예컨대 납땜, 본딩, 접착 또는 마이크로 실버 소결(micro silver-sintering)에 의해 고정될 수 있다. 블록(16) 및 와이어(15)는 예를 들면, 구리와 같은 전도성 재료를 포함한다.
또한, 장치(11)는 홀더(17)를 구비한다. 상기 홀더(17)는 2개의 절반 쉘(18, 19)을 가질 수 있다. 도 2에는 홀더(17)와 압전 변압기(1)의 연결을 나타내기 위해 홀더(17)의 제1 절반 쉘(18)만 도시되어 있다. 제2 절반 쉘(19)은 도 2에 도시된 절반 쉘(18)과 동일할 수 있다. 절반 쉘(18, 19)들은 사출 성형 요소이다.
홀더(17)는 제1 지지 요소(22) 및 제2 지지 요소(23)를 갖는다. 특히, 홀더(17)는 다수의 제1 지지 요소(22)를 갖는다. 제1 지지 요소(22)로는, 압전 변압기(1)의 입력 영역(2)이 인접하는 모든 지지 요소가 언급된다. 홀더(17)는 다수의 제2 지지 요소(23)를 갖는다. 제2 지지 요소(23)로는, 압전 변압기(1)의 출력 영역(3)이 인접하는 모든 지지 요소가 언급된다.
압전 변압기(1)의 제3 및 제4 측면(20, 21)은 각각 제1 지지 요소(22) 중 하나 그리고 제2 지지 요소(23) 중 하나에 인접한다. 압전 변압기(1) 쪽을 향하는 방향으로, 지지 요소(22, 23)들은 각각 쐐기 모양으로 테이퍼링되어 압전 변압기(1) 상에 거의 선형으로 인접한다. 이 경우 지지 요소(22, 23)들은 길이 방향(z)을 따라, 변압기(1)가 그의 동작 주파수 작동할 때 진동 노드가 형성되는 위치들에 배치되어 있다.
지지 요소(22, 23)들이 압전 변압기(1)의 진동의 노드들에 배치되고, 상기 지지 요소들이 쐐기 모양으로 형성됨으로써, 상기 지지 요소(22, 23)들이 길이 방향(z)으로의 상기 압전 변압기(1)의 이동을 최소한으로만 감쇠하는 것이 가능해진다.
압전 변압기(1)는 적층 방향(x)으로 양측에 제1 지지 요소(22) 각각에 직접적으로 그리고 제2 지지 요소(23) 중 하나에 인접한다. 적층 방향(x)에서 2개의 제1 지지 요소(22)와 2개의 제2 지지 요소(23)는 각각 서로 대향한다. 이러한 방식으로 홀더(17)에 대해 상대적인 압전 변압기(1)의 적층 방향(x)으로의 이동이 방지된다.
또한, 홀더(17)는 제1 및 2개의 지지 요소(22, 23)들을 구비하고, 상기 제1 및 제2 지지 요소들 사이에서 압전 변압기(1)는 y-방향으로 둘러싸여 있으며, 이 경우 y-방향은 적층 방향(x)과 길이 방향(z)에 수직이다. y-방향에서, 2개의 제1 지지 요소(22)와 2개의 제2 지지 요소(23)는 각각 서로 대향한다. 이들 지지 요소(22, 23)도 마찬가지로 압전 변압기(1) 쪽을 향하는 방향으로 쐐기 모양으로 테이퍼링되어, 상기 압전 변압기에 거의 선형으로 인접한다. 지지 요소(22, 23)들이 서로 인접함으로써, 홀더(17)에 대해 상대적인 압전 변압기(1)의 y-방향으로의 이동이 방지된다.
전술한 바와 같이, 제1 지지 요소(22)들 및 제2 지지 요소(23)들은 압전 변압기(1)가 그의 동작 주파수로 작동할 때 진동 노드가 형성되는 위치들에 배치되어 있다. 동작 주파수는 압전 변압기의 병렬 공진 주파수보다 약간 작은 주파수이다.
압전 변압기(1)가 비열 대기압 플라즈마를 발생시키기 위해 사용되는 경우, 상기 플라즈마는 부하로서 작용한다. 이로 인해 압전 변압기(1)의 주파수 스펙트럼이 변위된다. 특히, 이제 임피던스의 최대값은 병렬 공진 주파수보다 작고, 그리고 동작 주파수로 선택될 수 있는 주파수에 이른다.
압전 변압기(1)의 길이(L)를 따라, 변압기(1)가 동작 주파수로 작동하는 동안 2개의 진동 노드가 형성된다. 제1 지지 요소(22)들은 제1 진동 노드가 형성되는 위치에 배치되어 있다. 제2 지지 요소(23)들은 제2 진동 노드가 형성되는 위치에 배치되어 있다. 제1 진동 노드는 변압기(1)의 입력 영역(2)에 있고, 제2 진동 노드는 변압기(1)의 출력 영역(3)에 있다.
압전 변압기(1)가 동작 주파수로 동작할 때 그리고 동시에, 출력측 부하로서 작용하는 플라즈마가 발생할 때, 진동 노드는 입력측 단부면(25)으로부터 1/4 L - A 및 3/4 L - B의 거리에서 형성되는 것으로 밝혀졌으며, 이 경우 A > 0 및 B > 0이다. A 및 B는 전형적으로 수 밀리미터의 범위에 놓인다.
인가된 부하의 결과로서 그리고 입력 영역과 출력 영역의 상이한 탄성 계수의 결과로서 진동 노드의 변위는 시뮬레이션 결과에 기초하여 하기에서 더 상세히 설명된다. 도 3, 도 4 및 도 5에서는 L = 72mm의 길이를 갖는 압전 변압기(1)가 각각 고려된다. 이 경우 플라즈마를 발생시키지 않고 부하가 인가되지 않는 압전 변압기(1)가 고려된다. 도 3, 도 4 및 도 5의 시뮬레이션에서는 내부 전극(4)이 없는 변압기(1)가 고려되었다.
도 3에서 횡좌표 상에는, 압전 변압기의 입력 영역에 인가되는 주파수가 도시되어 있다. 곡선(K1)은 압전 변압기(1)의 임피던스(Z)의 크기를 나타낸다. 곡선(K1)의 최대값은 압전 변압기(1)의 병렬 공진 주파수를 나타낸다. 이러한 병렬 공진 주파수는 약 52.3kHz이다. 곡선(K1)의 최소값은 압전 변압기의 직렬 공진 주파수를 나타낸다. 이러한 직렬 공진 주파수는 약 51.5kHz이다.
곡선(K2)은 인가되는 주파수에 따른 전압 증폭(voltage amplification)을 나타낸다. 곡선(K3)은 위상을 나타낸다.
도 4에서는, 교류 전압의 인가되는 주파수에 따른 압전 변압기의 상이한 위치에서 발생하는 편향이 고려된다.
도 5에서는, 압전 변압기(1)의 출력 영역(3)에서 형성되는 제2 진동 노드의 변위가 인가되는 교류 전압의 주파수 따라 위치 3/4 L과 비교하여 고려된다. 이 경우 실수 부분(real part)과 허수 부분(imaginary part)은 별도로 고려된다. 도 5에 도시된 두 곡선의 교차점은 압전 변압기의 직렬 공진과 일치한다. 여기서 진동 노드는 입력측 단부면(25)의 방향으로 2.4mm만큼 변위되는데, 즉 압전 변압기(1)의 출력 영역(3)의 진동 노드는 입력측 단부면(25)으로부터 3/4 L - 2.4mm의 거리에 위치한다.
플라즈마 발생기가 직렬 공진보다 병렬 공진에 더 가까운 동작 주파수에서 작동하는 경우, 도 5에 도시된 곡선으로부터 판독될 수 있는 바와 같이, 제2 진동 노드는 2.4mm보다 약간 적은 정도로 변위된다.
도 6, 도 7 및 도 8에는 1Ω의 출력측 부하가 인가되는 L = 72㎜의 길이를 갖는 압전 변압기에 대한 상응하는 다이어그램이 도시된다. 내부 전극(4)들은 도면들에 기초가 되는 시뮬레이션에서 함께 고려되었다.
직렬 공진 주파수 및 병렬 공진 주파수가 더 낮은 주파수 쪽으로 변위되었다는 것을 알 수 있다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 진동 노드는 직렬 공진 주파수에서 출력측 단부면(10)의 방향으로 0.2mm 변위되었다.
도 9, 도 10 및 도 11에는 1Ω의 부하가 직렬로 10MΩ으로 그리고 병렬로 8pF로 인가되는 압전 변압기(1)에 대한 다이어그램이 도시되어 있다. 내부 전극(4)들은 도면들에 기초가 되는 시뮬레이션에서 함께 고려되었다. 이와 같은 시나리오는 플라즈마 발생 동안 압전 변압기(1) 상에서 플라즈마를 생성하기 위한 실제 장치(11)에서 발생하는 조건에 상응한다. 한편, 직렬 공진 주파수는 46.9kHz이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 병렬 공진 주파수는 47.5kHz이다. 도 11에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 진동 노드는 직렬 공진 주파수에서 입력측 단부면(25)의 방향으로 0.6mm만큼 변위되었다.
도 12 내지 도 14에는, 1Ω의 부하가 직렬로 10GΩ으로 그리고 병렬로 1pF로 인가되는 압전 변압기(1)에 대한 다이어그램이 도시되어 있다. 내부 전극(4)들은 도면들에 기초가 되는 시뮬레이션에서 함께 고려되었다. 제2 진동 노드는 직렬 공진 주파수에서 입력측 단부면(25)의 방향으로 1.9㎜만큼 변위되었다.
또한, 실험을 바탕으로 압전 변압기(1), 이러한 압전 변압기의 입력 영역(2) 및 출력 영역(3)이 상이한 탄성 계수를 가질 때 진동 노드가 입력 영역(2) 쪽으로 변위되어 플라즈마 발생에 사용되고, 이로 인해 출력측 단부면(10)에서 부하가 발생하는 것을 증명할 수 있었다. 실험 결과는 도 16 내지 도 18에 나타나 있다.
압전 변압기(1) 상으로 자유 유동성 분말이 스캐터링되었다. 그런 다음 압전 변압기(1)가 동작 주파수로 트리거링되었다. 변압기(1)가 각각의 위치에서 덜 움직일수록, 분말이 해당 위치들에서 더 오래 유지된다. 따라서 분말이 남아있는 위치들은 진동 노드가 형성되는 지점을 나타낸다.
입력측 단부면에 대한 1/4 L 및 3/4 L의 거리는 도 15에 표시되어 있다. 이 경우 제1 진동 노드는 입력측 단부면(25)까지 1/4 L 미만의 거리를 갖고, 그리고 제2 진동 노드는 입력측 단부면(25)까지 3/4 L 미만의 거리를 갖는 것을 알 수 있다. 제1 및 제2 진동 노드는 각각 변압기(1) 상에 남아있는 분말로 알 수 있다.
도 17은 출력 영역(3)의 상세도를 도시한다. 이 경우 출력 영역(3)에서, 진동 노드가 3/4 L 위치로부터 입력측 단부면의 방향으로 약 1.5mm만큼 변위된 것을 알 수 있다. 도 18은 입력 영역(2)의 상세도를 도시한다. 이 경우 입력 영역에서, 진동 노드가 위치 1/4 L로부터 입력측 단부면(25)의 방향으로 0.5mm만큼 변위되었다. 따라서 출력 영역(3)의 진동 노드는 입력 영역(2)의 진동 노드보다 더 크게 오프셋된다.
1: 압전 변압기
2: 입력 영역
3: 출력 영역
4: 전극
5: 압전 재료
6: 제1 측면
7: 제2 측면
8: 제1 외부 전극
9: 압전 재료
10: 출력측 단부면
11: 대기압 플라즈마 발생 장치
12: 절연체
13: 제1 접촉 요소
14: 제2 접촉 요소
15: 와이어
16: 블록
17: 홀더
18: 제1 절반 쉘
19: 제2 절반 쉘
20: 제3 측면
21: 제4 측면
22: 제1 지지 요소
23: 제2 지지 요소
25: 입력측 단부면
x: 적층 방향
y: y-방향
z: 길이 방향
L: 길이

Claims (15)

  1. 대기압 플라즈마 발생 장치(11)로서, 상기 장치는
    - 압전 변압기(piezoelectric transformer)(1) 및
    - 제1 지지 요소(22)를 포함하고,
    상기 압전 변압기(1)가 병렬 공진 주파수보다 작은 동작 주파수로 작동되고, 비열 대기압 플라즈마(non-thermal plasma)를 발생시키기 위해 사용될 때, 상기 압전 변압기(1)는 상기 제1 지지 요소(22) 상에서 진동 노드가 형성되는 위치에 놓여 있는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  2. 제1항에 있어서, 상기 동작 주파수와 병렬 공진 주파수의 차이가 10kHz 내지 0.1kHz 사이인, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 병렬 공진 주파수는, 상기 압전 변압기(1)에 주파수를 갖는 교류 전압이 인가되고, 상기 압전 변압기(1)가 플라즈마를 발생시키지 않을 때, 상기 압전 변압기(1)의 임피던스가 최대값을 갖는 주파수로서 정의되는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 압전 변압기(1)가 입력 영역(2) 및 출력 영역(3)을 구비하고, 상기 입력 영역(2)은 상기 출력 영역(3)으로부터 떨어져서 대향하는 상기 압전 변압기(1)의 입력측 단부면(25)을 가지며, 상기 출력 영역(3)은 상기 입력 영역(2)으로부터 떨어져서 대향하는 출력측 단부면(10)을 가지며,
    길이 L은 상기 입력측 단부면(25)으로부터 상기 출력측 단부면(10)까지의 거리를 나타내고,
    상기 제1 지지 요소(22) 상에서 상기 압전 변압기(1)가 놓여 있는 위치와 상기 입력측 단부면(25)의 거리가 1/4 L - 5.0mm 내지 1/4 L - 0.05mm의 범위에 놓여 있는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  5. 제4항에 있어서, 상기 장치(11)는 상기 압전 변압기(1)에 고정되어 상기 입력 영역(2)에 교류 전압을 인가하도록 설계된 접촉 요소(13, 14)를 구비하고, 상기 접촉 요소(13, 14)는 상기 입력 영역(2)의 위치에 고정되어 있으며, 상기 위치와 상기 입력측 단부면(25)의 거리는 상기 제1 지지 요소(22)가 배치되어 있는 위치의 거리와 일치하는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  6. 제4항에 있어서, 상기 입력 영역(2)이 인가된 교류 전압을 기계적 진동으로 변환하도록 형성되어 있고, 상기 출력 영역(3)은 기계적 진동을 전압으로 변환하도록 형성된, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  7. 제4항에 있어서, 상기 장치(11)가 상기 압전 변압기(1)가 놓여 있는 제2 지지 요소(23)를 추가로 구비하고, 상기 제2 지지 요소 상(23)에서 상기 압전 변압기(1)는 이러한 압전 변압기(1)가 동작 주파수로 작동되고, 비열 대기압 플라즈마를 발생시키기 위해 사용될 때 진동 노드가 형성되는 위치에 놓여 있는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 지지 요소(23) 상에서 상기 압전 변압기(1)가 놓여 있는 위치와 상기 입력측 단부면(25)의 거리가 3/4 L - 5.0mm 내지 3/4 L - 0.05mm의 범위에 놓여 있는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 지지 요소(22) 상에서 상기 압전 변압기(1)가 놓여 있는 위치와 상기 입력측 단부면(25)의 거리가 1/4 L - A이고,
    상기 제2 지지 요소(23) 상에서 상기 압전 변압기(1)가 놓여 있는 위치와 상기 입력측 단부면(25)의 거리가 3/4 L - B이며, 여기서 B > A인, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 지지 요소(22)가 상기 압전 변압기(1)의 압축 및 팽창 중에 탄성적으로 변형되도록 형성된, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 지지 요소(22)가 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리테트라플루오르에틸렌, 폴리아미드 또는 유리 섬유 성분을 함유하는 폴리아미드로부터 선택된 재료를 포함하는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 지지 요소(22)가 상기 압전 변압기(1) 쪽을 향하는 방향으로 쐐기 형상을 갖고, 상기 압전 변압기(1)에 선형으로 인접하는, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  13. 제4항에 있어서, 상기 압전 변압기(1)가 상기 출력측 단부면(10)에서 비열 대기압 플라즈마를 발생하도록 형성된, 대기압 플라즈마 발생 장치(11).
  14. 제1항 또는 제2항에 따른 장치(11) 및 상기 장치(11)가 배치되어 있는 하우징을 포함하는, 플라즈마 발생기.
  15. 제14항에 있어서, 상기 하우징 내에 상기 압전 변압기(1)를 트리거링하기 위한 트리거 회로(trigger circuit)가 배치된, 플라즈마 발생기.

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