KR20010103922A - 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것으로, 일측은 전원공급수단에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극을 설치하고; 전극이 서로 마주보는 면에 서로 대향되게 한쌍의 유전체를 장착하며; 대향되는 전극면의 각 반대면에는 자력발생수단을 설치하고; 상기 자력발생수단을 통해 자장을 가하고 전원공급수단을 통해 전원을 인가함과 동시에 상기 전극 사이로 반응가스를 공급하도록 하여 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성된다. 이러한 구조의 전극에 공기, 수증기(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 사불화탄소(CF4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8)등의 각종 반응가스를 공급하고, 실효값1~50KV의 전원을 가하여, 대기압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마가 발생시키도록 하여서 이루어진다.
이와 같이, 대기압에서 발생된 플라즈마가 아크로 전이하는 현상을 억제하며, 낮은 방전개시 및 유지전압으로 두 전극 사이에서 온도는 낮고 밀도가 높은 플라즈마를 발생시켜 처리시간을 크게 단축시키고 효율을 증대시킬 수 있어 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 인쇄, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기, 자동차배기가스 등의 정화, 고휘도램프 제조 등에 유용한 효과가 있다.
Description
본 발명은 유전체방전 전극에 전기장을 가하여 대기압에서 온도가 낮으며 밀도가 높은 플라즈마를 낮은 방전전압에서 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
플라즈마는 전기가 통하는 국부적 전리상태의 가스로 이온, 전자, 중성입자 및 래디칼로 이루어져 있으며, 기체, 액체 및 고체와는 다른 성질을 가지는 제4의 물질상태이다.
이러한 플라즈마는 높은 온도 또는 전기장을 가하여 얻을 수 있으며, 화학적, 또는 물리적으로 반응성이 대단히 강하다.
통상, 대기압에서 온도가 낮은 플라즈마를 발생시키는 방법으로 코로나 방전(corona discharge)과 무성방전(silent discharge)이라고도 일컬어지는 유전체 방전(barrier discharge)이 있다.
코로나 방전은 금속과 같은 전도성 재료로 이루어진 뾰족한 전극을 사용하여 두 전극 사이에 높은 전압을 가함으로써 전극에서 스트리머 플라즈마를 얻는 방법으로 두 전극 사이의 간격을 매우 좁힌 상태에서 전압을 가하게 되면 아크가 발생되며, 직경이 매우 작은 선형의 플라즈마를 형성하게 된다.
이때, 발생된 플라즈마가 아크방전으로 전환되는 것을 막기위해 단속적인 전압을 인가하는 방법이나 전극에 저항을 가하는 방법 등이 쓰이고 있다.
유전체 방전은 유전체전극의 전하 집적을 통한 역전위 형성으로 방전이 정지되는 즉, 수 kHz~MHz의 펄스방전에 의해 플라즈마가 아크방전으로 전환되는 것을 막는 방법이다.
이러한 코로나 방전이나 혹은 유전체 방전을 통해 대기압하에서 발생된 플라즈마를 이용하여 직접 제독하거나 오존을 제조하여 상수도를 소독하며, 하수, 오수, 용수 및 폐수를 정수함은 물론 유기물(BOD, COD)이나 무기물(철,망간)을 분해시키는데 사용한다.
또한, 살균소독, 색도 및 탁도 제거, 폐놀, 시안 등의 유독물을 분해시킴은 물론 고농도 오존촉매를 통해 악취물질을 탈취하며, 자동차의 완전연소를 통한 연비 향상 및 배기가스를 정화시키는데 사용한다.
뿐만 아니라, 금속, 폴리머, 나일론 등의 각종 재료의 표면에너지를 변화시켜 접합강도를 높이고 모직, 플라스틱, 종이 등의 염색 및 인쇄능을 향상시키는데 사용되며, 이들 재료상에 각종 박막을 증착하거나 그 세정 공정에 활용하며, 유전체 방전 램프를 제작하는데 이용한다.
그러나, 이와 같이 수 많은 유용한 응용 분야가 있음에도 불구하고 코로나방전은 대기압에서 균일한 저온플라즈마를 얻을 수 없으며, 두 전극 사이의 간격이 좁으므로 3차원 형상의 처리물에는 적용하기 어렵고, 전극수명이 짧은 단점을 가진다.
반면에, 유전체방전은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있으나 코로나 방전과 마찬가지로 넓은 면적의 플라즈마를 얻을 수 없다는 단점을 가진다.
또한, 아크 방전으로 전환되는 것을 방지하기 위해서는 별도의 수단을 구비하여야 하며, 이 경우에는 플라즈마의 밀도가 낮아 처리시간이 길어지므로 효율이 떨어지는 단점을 갖게 된다.
뿐만 아니라, 알곤, 산소, 공기 및 질소 등 방전개시 및 유지 전압이 높은 기체를 반응가스로 사용할 경우 고가의 고전압 전원공급 장치가 필요하며, 전력의 소모량이 크고, 취급에 많은 위험이 따르게 된다.
한편, 진공중에서 높은 에너지의 이온빔을 이용한 기술은 그 특성이 뛰어나나 진공장치를 수반하여야 하므로 장비가 고가이고, 작업이 단속적으로 이루어지므로 생산성이 떨어지며, 피처리물의 크기에 제한을 받는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 새로운 구조의 전극을 사용하여 플라즈마가 아크 방전으로 전환되는 것을 억제하고, 방전전압을 낮추어 전원공급수단의 구비에 따른 비용을 대폭 절감시키도록 하며, 전력소비를 크게 줄이고, 넓은 주파수 범위의 교류 및 펄스직류를 사용하여 방전이 가능하도록하며, 질소, 산소, 및 공기 등 방전개시전압이 매우 높은 모든 기체의 방전이 가능하도록함은 물론 낮은 방전전압에서 밀도가 높은 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명에 따른 발생장치를 통해 발생된 플라즈마를 금속, 고무, 섬유, 종이, 그리고 폴리머, 플라스틱, 나일론, 에폭시 등의 합성수지 및 반도체를 비롯한 각종 재료의 접합, 연마, 세정, 박막증착, 염색, 인쇄 등의 공정에 활용하고자 함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 본 발명에 따른 발생장치를 통해 발생된 플라즈마를 공기, SOx, NOx등의 자동차 배기가스 및 폐수정화, 의료 및 식품기기의 살균, 수도물의 소독, 오존제조, 그리고 자동차, 가스터빈 등의 완전연소 등에 활용하고자 함에 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 글로우방전 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1,2 : 전극, 3,4 : 유전체,
3a : 구멍, 5a, 5b : 자력발생수단,
6 : 전원공급수단.
이러한 본 발명의 목적은 일측이 전원공급수단에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극을 설치하고; 상기 전극이 서로 마주보는 면에서로 대향되게 한쌍의 유전체를 장착하며; 대향되는 상기 전극면의 각 반대면에는 자력발생수단을 설치하고; 상기 자력발생수단을 통해 자장을 가하고 전원공급수단을 통해 전원을 인가함과 동시에 상기 전극 사이로 반응가스를 공급함에 의해 달성된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 개략적인 전극구조를 도시한 단면도이다.
도 1의 도시와 같이, 본 발명에 따른 대기압하 플라즈마 발생장치는 두 개의 전극(1,2)이 서로 마주보는 구조를 갖는다.
상기 전극(1, 2)중 어느 하나의 전극(1)은 전원공급수단(6)과 연결되고 나머지 전극(2)은 접지된다.
만약, 상기 전원공급수단(6)을 직류로 하였을 경우에는 접지된 측을 양전극(2)으로 하고 전원공급수단(6)과 연결된 측을 음전극(1)으로 하여줌이 바람직하다.
각 전극(1,2)은 스테인레스, 알루미늄 및 구리 등의 도체인 금속으로 형성함이 바람직하며, 상기 전극(1,2)이 서로 마주보는 면에는 한쌍의 유전체(3,4)가 서로 대향되게 장착된다.
상기 유전체들(3,4)중 어느 하나의 유전체(3)는 그 면에 수직하게 관통된 구멍(3a)을 가지며, 다른 하나의 유전체(4)는 구멍이 없는 것으로 하여 줌이 바람직하다.
즉, 일측 유전체(3)는 전원공급수단(6)과 연결된 전극(1)측에 장착되고, 타측 유전체(4)는 접지된 전극(2)측에 장착됨으로써 양자가 서로 대향되게 위치되도록 배설된다.
본 발명의 한 바람직한 실시예에서는 도시와 같이 일측 유전체(3)는 전원공급수단(6)과 연결된 전극(1)측에 장착되고, 타측 유전체(4)는 접지된 전극(2)측에 장착되는 것으로 한정하여 설명하였으나, 이에 국한되지 않고 상기 유전체(3,4)는 장착되는 전극(1,2)의 위치를 바꾸어 구비될 수도 있다.
이를 테면, 구멍(3a)을 갖는 유전체(3)를 전극(2)에 장착시키고 구멍이 없는 유전체(4)를 전극(1)에 장착시킬 수 있음은 물론이다.
뿐만 아니라, 구멍(3a)을 갖는 유전체(3) 만을 서로 대향되게 전극(1,2)에 장착할 수도 있으며, 구멍이 없는 유전체(4) 만을 전극(1,2)에 장착할 수도 있다.
이들 유전체(3,4)는 고온에서도 견딜 수 있는 알루미나(A2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영(SiO2) 등의 고온 유전체를 사용함이 바람직하며, 이러한 유전체(3) 및 유전체(4)들은 도체 전극(1,2)만을 사용하여 전압을 가하였을 때 발생하는 아크의 발생을 억제하게 된다.
아울러, 상기 유전체(3)에 구멍이 없을 경우 높은 전압을 가하여야만 플라즈마를 발생시킬 수 있고 그 발생된 플라즈마는 낮은 밀도를 갖게 되는 바, 전기한 바와 같이 유전체(3)에는 구멍(3a)을 갖도록 함으로써 플라즈마 발생을 위한 전압을 낮추고 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 얻을 수 있게 된다.
또한, 구멍이 있는 유전체(3)와 구멍이 없는 유전체(4)로 이루어진 각 전극(1,2)의 외측면, 즉 각 전극(1,2)면에 서로 대향하게 각각 자력발생수단(5a,5b)을 설치하여 자장을 가하게 되면 더욱더 낮은 전압에서 방전이 일어나 밀도가 높고 안정한 플라즈마를 얻을 수 있게 된다.
상기 자력발생수단(5a,5b)은 전자석 혹은 영구자석 중에서 선택된 어느 하나를 사용함이 바람직하다.
낮은 전압에서 방전이 이루어지게 하기위해 유전체(3,4)의 두께는 100㎛ ~ 5mm로 하여 준다.
여기에서, 유전체(3,4)의 두께를 상기와 같이 한정하는 이유는 유전체(3,4)의 두께가 100㎛이하인 경우 충분한 펄스방전 효과를 얻지못하여 아크가 발생하기 쉽고, 5mm 이상인 경우에는 펄스방전효과는 좋으나 방전개시 및 유지전압이 커져 바람직하지 못하기 때문이다.
아울러, 유전체(3)에는 그 면을 수직하게 관통하여 직경 5㎛ ~ 1mm 크기의 구멍(3a)을 형성함이 특히 바람직한 바, 이와 같이 구멍(3a)의 크기를 한정하는 이유는 구멍(3a)의 크기가 5㎛ 이하인 경우 방전전압을 낮추기 어려우며, 구멍(3a)의 크기가 1mm 이상인 경우 아크로 전환되는 것을 억제하지 못하기 때문이다.
상기 자력발생수단(5a,5b)에 의해 가해지는 자장은 두 전극(1,2) 모두 또는 두 전극(1,2)중 어느 하나를 통해 가하며, 그 세기는 두 전극(1,2) 사이의 플라즈마 영역에서 0 ~ 0.5 테슬라(T)의 범위가 바람직하다.
두 전극(1,2) 사이에 자장을 가하면 두 전극(1,2)에 가까운 쪽에서 자장의 세기가 가장 크며, 그 전극(1,2)에서 멀어지는 경우 자장의 세기는 0이 되나 방전전압은 크게 낮아지게 된다.
그리고 자장의 세기가 커짐에 따라 방전전압이 낮아지는 효과가 커진다.
자장은 전극면에 수직하게 가하며, 자극은 영구자석의 경우 N극, S극 또는 N극과 S극이 서로 교차되도록 설치한다.
전자석을 이용한 자장은 두 전극(1,2) 모두 혹은 두 전극(1,2)중 어느 하나의 주위에 마그네트코일을 설치하고 직류, 또는 50Hz~60Hz의 정상파 전류를 통하여 가한다.
플라즈마 발생을 위해 전원공급수단(6)의 주파수 대역은 50Hz∼2.45 GHz, 전압의 범위는 실효값(rms)1∼50kV의 교류, 또는 펄스직류를 사용함이 바람직하다.
방전이 이루어지면 플라즈마가 발생하게 되고 전류가 흐르며, 처리공정에 따라 허용 전류를 변화시킴으로써 플라즈마 밀도를 제어하는 바, 전류의 허용범위는 10mA ∼10A로 하여준다.
본 발명의 장치를 통해 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 온도가 낮아 별도의 냉각장치가 필요없다.
그 반응가스의 플라즈마를 통해 금속, 고무, 섬유, 종이, 그리고 폴리머, 플라스틱, 나일론, 에폭시 등의 합성수지를 비롯한 각종 재료 표면의 활성도를 높임으로서 접합, 연마, 세정, 박막증착, 염색, 인쇄 등을 용이하게 하고 그 특성을 크게 향상시킬 수 있다.
또한, 직접 플라즈마를 통해 독극물을 제거하거나 오염된 공기를 정화할 수 있다.
뿐만 아니라, 오존을 제조하여 살균 및 소독하며, 수도물 및 폐수정화, SOx, NOx등의 자동차 배기가스 등을 정화하고, 자동차엔진의 완전연소에 활용할 수 있다.
또한, 매우 밝은 전등을 제조하여 광화학반응을 이용한 반도체 제조공정을 비롯한 각종 표면처리공정에 활용할 수 있다.
예컨대, 상기 유전체(3,4)가 부착된 전극(1,2)들 사이로 공기, 수증기(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 사불화탄소(CF4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8)등의 각종 반응가스를 단독, 또는 혼합하여 공급한 후 전원을 가하여 대기압에서 플라즈마를 발생시키며 그 발생된 플라즈마를 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 염색, 인쇄, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화, 자동차엔진의 완전연소, 고휘도 전등제조 등에 유용하게 활용할 수 있다.
[실시예]
본 발명의 바람직한 실시예로, 두 전극(1,2)이 서로 마주보는 구조로하여 각 전극(1,2)의 서로 대향되는 면에 두께 1.8mm의 알루미나 유전체(3,4)를 설치하였으며, 유전체(3)에는 직경 300㎛, 그리고 중심간 거리를 10mm로하여 관통된 구멍(3a)을 형성하였다.
각 전극(1,2) 사이의 전극간 거리는 4.5mm이었으며, 각 전극(1,2) 간에는 영구자석(5a,5b)을 사용하여 자장을 가하였으며, 그 자장의 세기는 플라즈마영역에서 1~50mT(10~500G)이었다.
그리고, 전극(1,2)간에 영구자석(5a,5b)을 사용하여 자장을 가하고 He, Ar, O2등의 가스를 통과시켜 주파수 50~50KHz 범위의 직류 바이폴러 펄스전원을 인가하여 방전시켜 대기압에서 안정한 글로우방전 플라즈마를 발생시켰으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 가 스 | He | Ar | O2 |
| 방전전압(자장을 가하지 않은 경우) | 4,700V | - | - |
| 방전전압(자장을가한 경우) | 1,200V | 3,300V | 4,600V |
상기 표 1을 통해 알 수 있듯이, 자장을 가한 경우 He의 방전전압이 약1/4로 대폭 낮아졌으며, Ar, O2등 방전전압이 매우 높았던 가스도 매우 낮은 방전전압으로 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있었다.
이러한 방전전압은 다른 어느 유전체방전에서도 얻을 수 없는 대단히 낮은 방전전압임을 명백히 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 구멍을 가진 유전체가 설치된 전극과 구멍이 없는 유전체가 설치된 전극, 그리고 두 전극간에 자장을 가하는 구조로 이루어진 대기압 플라즈마 발생장치는 두 전극 사이에서 플라즈마가 아크로 전이되는 현상이 억제되고, 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 얻을 수 있다. 또한 방전개시 및 유지전압이 매우 낮고, 광역의 주파수를 사용할 수 있고, 소비전력이 적고, 전원공급수단의 제작비용이 저렴해진다.
둘째, 대기압에서 플라즈마 밀도가 높음은 물론 에너지 상태가 높은 래디칼을 형성하여 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 인쇄, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화, 완전연소, 고휘도램프 제조 등에 활용할 수 있으며, 그 경우 특성이 크게 개선되고 처리시간이 대단히 단축될 수 있는 등 수 많은 효과를 얻을 수 있다.
Claims (12)
- 일측은 전원공급수단(6)에 연결되고 타측은 접지되며, 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극(1,2)을 설치하고;상기 전극(1,2)이 서로 마주보는 면에 한쌍의 유전체(3,4)를 서로 대향되게 장착하며,대향되는 상기 전극(1,2)면의 각 반대면에는 자력발생수단(5a,5b)을 설치하고;상기 자력발생수단(5a,5b)을 통해 두 전극(1,2)사이에 자장을 가하고 전원공급수단(6)을 통해 전원을 인가함과 동시에 상기 두 전극 사이로 반응가스를 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유전체(3,4)중 어느 하나는 구멍(3a)을 갖도록 형성되며 다른 하나는 구멍이 형성되지 않은 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유전체(3,4)는 모두 구멍(3a)을 갖는 유전체인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유전체(3,4)는 모두 구멍이 형성되지 않은 유전체인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전극(1,2)중 접지된 측 전극(2) 면에는 유전체(3,4)가 장착되지 않은 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 선행항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극(1,2)은 도체금속으로 형성되고;상기 유전체(3,4)는 절연특성이 우수한 알루미나(Al2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영(SiO2) 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 유전체(3)에 형성된 구멍(3a)의 직경은 5㎛~1mm이고, 각 구멍(3a)간 이격거리는 20㎛~20mm 인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 유전체(3,4)의 두께는 100㎛∼5㎜ 인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전원공급수단(6)은 그 주파수 대역이 50Hz∼2,450 MHz이고, 인가 전압은 실효값 1∼50kV이며, 전류는 10mA ∼10A인 펄스직류 또는 교류인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 자력발생수단(5a,5b)은 영구자석 또는 전자석으로 이루어지며, 그 자장의 세기는 플라즈마 영역에서 0~0.5 T 범위인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전극(1,2) 사이로 공급되는 반응가스는 공기, 수증기(H2O), 산소(O2), 질소(N2), 수소(H2), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 사불화탄소(CF4), 아세틸렌(C2H2), 프로판(C3H8) 중에서 선택된 어느 하나 혹은 그들의 혼합인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제11항에 있어서, 상기 반응가스의 공급을 통해 생성된 플라즈마를 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 염색, 엣칭, 인쇄, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 전등 제조 등에 사용하도록 하는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
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| KR1020000025208A KR20010103922A (ko) | 2000-05-12 | 2000-05-12 | 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치 |
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-
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