KR20020041537A - 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것으로, 일측은 전원공급수단에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극을 설치하고; 전극이 서로 마주보는 면에 서로 대향되고 한 개 이상의 방전간극을 가진 유전체를 장착하며; 전원공급수단을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스직류, 또는 교류전원을 1∼100KV/cm의 전계강도로 인가하여 유전체 방전간극에서 캐필러리 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성된다.
이에 따라, 본 발명은 대기압에서 발생된 플라즈마가 아크로 전이하는 현상을 억제하며, 낮은 방전개시 및 유지전압으로 두 전극 사이에서 온도가 낮고 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 발생시킬 수 있고 전원공급장치 및 전극의 제작이 용이해진다.
본 발명은 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 인쇄, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 고휘도램프 제조 등에 유용하게 활용할 수 있는 효과를 제공한다.
Description
본 발명은 유전체방전 전극에 전기장을 가하여 대기압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 낮은 방전전압으로 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.
플라즈마는 전기가 통하는 국부적 전리상태의 가스로 이온, 전자, 중성입자및 래디칼로 이루어져 있으며, 기체, 액체 및 고체와는 다른 성질을 가지는 제4의 물질상태이다. 그것은 높은 온도, 또는 전기장을 가하여 얻을 수 있으며, 화학적, 또는 물리적적으로 반응성이 대단히 강하다.
대기압에서 온도가 낮은 플라즈마를 발생시키는 방법으로 코로나방전(corona discharge)과 무성방전(silent discharge)이라고도 일컬어지는 유전체방전(barrier discharge)이 있다.
코로나 방전은 금속과 같은 전도성 재료로 이루어진 뾰족한 전극을 사용하여 두 전극사이에 높은 전압을 가함으로써 전극에서 스트리머 플라즈마를 얻는 방법이다. 두 전극 사이의 간격을 매우 좁힌 상태에서 전압을 가하게 되면 아크가 발생되며, 직경이 매우 작은 선형의 플라즈마를 형성하게 된다. 아크방전으로 전환되는 것을 막기위해 단속적인 전압을 인가하는 방법이나 전극에 저항을 가하는 방법이 쓰이고 있다.
유전체방전은 유전분극 현상을 이용한 전하집적을 통한 역전위 형성으로 방전이 정지되는 펄스방전으로 되어 아크방전으로 전환되는 것을 막는 방법이다.
그러한 방전을 통해 발생된 대기압 플라즈마는 오존을 제조하거나 제독하는데 사용된다. 그리고 금속, 폴리머, 나일론 등의 각종 재료의 표면에너지를 변화시켜 접합강도를 높이고, 모직, 플라스틱, 종이 등의 염색 및 인쇄능을 향상시키는데 사용된다. 또한 각종 박막을 증착하거나 세정 공정에 활용하며, UV 방전 램프를 제작하는데 이용한다.
그러나, 수 많은 응용 분야가 있음에도 코로나방전은 대기압에서 균일한 저온플라즈마를 얻을 수 없으며, 두 전극 사이의 간격이 좁으므로 3차원 형상의 처리물에는 적용하기 어려움과 동시에 전극 수명이 짧은 단점을 가지고 있다.
한편, 유전체 방전법은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있으나 코로나 방접법과 함께 넓은 면적의 플라즈마를 얻을 수 없다. 또한, 아크 방전으로 전환되는 것을 방지하기 위한 별도의 수단을 구비한 경우에는 플라즈마 밀도가 낮아 처리시간이 길어지므로 효율이 떨어진다. 또한, 알곤, 산소, 공기 및 질소 등 방전개시 및 유지 전압이 높은 기체의 경우 고가의 고전압 전원공급 장치가 필요하며, 전력의 소모량이 크고, 취급에 많은 위험이 따르게 된다.
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 가능하도록 하며, 질소, 산소, 및 공기 등 방전개시전압이 매우 높은 모든 기체의 방전이 가능하도록함은 물론 낮은 방전전압에서 밀도가 높은 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
아울러, 본 발명에 따른 발생장치를 통해 발생된 플라즈마는 금속, 고무, 섬유, 종이, 그리고 폴리머, 플라스틱, 나일론, 에폭시 등의 합성수지 및 반도체를 비롯한 각종 재료의 접합, 연마, 세정, 박막증착, 염색, 인쇄 등의 공정에 활용될수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 발생장치를 통해 발생된 플라즈마는 공기, SOx, NOx등의 자동차 배기가스 및 폐수정화, 의료 및 식품기기의 살균, 수도물의 소독, 오존제조, 그리고 자동차, 가스터빈 등의 완전연소 등에도 활용될 수 있다.
본 발명의 이러한 목적은 일측은 전원공급수단에 연결되고 타측은 접지되며, 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극을 설치하고; 상기 전극이 서로 마주보는 면에 25~5000㎛ 두께의 유전체를 서로 대향되게 설치하고, 그중의 어느 하나의 유전체에는 폭이 5㎛~2mm이고, 높이가 폭의 5∼250배인 적어도 하나 이상의 방전간극을 가지며; 상기 방전간극에는 유전체의 폭과 높이를 조절해주는 도체전극이 구비되고; 상기 전극사이에 전원공급수단을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류, 또는 교류전원을 1~100KV/cm의 전계강도로 인가함과 동시에 상기 전극 사이로 반응가스를 공급함에 의해 달성된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 판구조 전극의 대기압 저온 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 단면도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 관구조 전극의 대기압 저온 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 단면도,
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 2, 5 : 도체전극, 3, 4 : 유전체,
6 : 전원공급장치, 7 : 방전간극,
a : 폭, b : 높이.
이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 몇가지 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.
[제1실시예]
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치의 전극구조를 도시한 단면도이다.
상기 제1실시예에서는 판구조의 전극을 통한 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시킬 수 있는 예를 보여준다.
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 유전체(3,4)는 플라즈마 발생을 용이하게 하기 위해 25~5000㎛의 두께를 갖도록 함이 바람직하다.
상기 유전체들(3,4)중 어느 하나의 유전체(3)는 그 면에 수직하게 관통된 간극(7)을 가지며, 다른 하나의 유전체(4)는 방전간극(7)이 없는 것이 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.
특히, 상기 방전간극(7)에는 상기 전극(1)으로부터 연장된 도체전극(5)이 일정 폭과 높이를 가지고 배치된다.
본 발명의 제1실시예에서는 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)가 장착되는 전극(1,2)의 위치는 바꾸어 구비될 수도 있다.
이를 테면, 방전간극(7)을 갖는 유전체(3)를 전극(2)에 장착시키고 방전간극(7)이 없는 유전체(4)를 전극(1)에 장착시킬 수 있음은 물론이다.
뿐만 아니라, 두 금속전극(1,2)중 어느 하나에 방전간극(7)을 갖는 유전체를 설치하고, 서로 대향된 다른 금속전극에는 유전체를 장착하지 않을 수도 있다.
이들 유전체(3,4)는 고온에서도 견딜 수 있는 알루미나(A2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영(SiO2), 산화마그네슘(MgO) 등의 이차전자의 발생효율이 높은 고온 유전체를 사용함이 바람직하며, 이러한 유전체(3) 및 유전체(4)들은 도체전극(1,2)만을 사용하여 전압을 가하였을 때 발생하는 아크의 발생을 억제하게 된다.
아울러, 상기 유전체(3)에 방전간극(7)이 없을 경우 높은 전압을 가하여야만 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 그 발생된 플라즈마는 낮은 밀도를 갖게 되는 바, 전기한 바와 같이 유전체(3)에는 방전간극(7)을 갖도록 함으로써 플라즈마 발생을 위한 전압을 낮추고 밀도가 높고, 안정한 플라즈마를 얻을 수 있게 된다. 또한 전극의 제작이 매우 용이해진다.
유전체(3,4)에는 그 면에 수직하게 관통하여 폭(a)을 5㎛~2mm, 그리고 높이(b)를 폭(a)의 5∼250배의 범위가 되도록 하여 방전간극(7)을 형성함이 특히바람직한 바, 이와 같이 간극의 크기를 한정하는 이유는 그 범위를 벗어나는 경우 캐필러리(capillary)방전이 일어나지 않아 본 발명에서 얻고자하는 방전개시 및 유지전압을 낮출 수 없고, 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 얻지 못하며, 플라즈마가 아크로 전환되는 것을 억제하지 못하기 때문이다.
도시된 상기 도체전극(5)은 방전간극의 폭(a) 및 높이(b)를 유지해주는 역할을 한다.
[제2실시예]
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치의 전극구조를 도시한 단면도이다.
상기 제2실시예에서는 관구조의 전극을 통한 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시킬 수 있는 예를 보여준다.
도 2에 따르면, 관상체의 외관에 전극(1')이 형성되고, 그 내주연에는 유전체(3')가 부착되며, 상기 전극(1') 및 유전체(3')와 거리를 두고 관상체의 중심부에는 그 길이방향을 따라 전극(2')이 배치된다.
도시하지는 않았으나, 상기 관상체의 양단에는 각 전극(1',2')의 양단이 적절히 절연된 채 지지고정된다.
관상체의 중심에 배설된 전극(2')의 외주연에는 또다른 유전체(4')가 고정되는 바, 상기 유전체(4')는 방전간극(7)을 갖고 일정간격으로 이격되어 다수 설치된다.
상기 유전체(3',4')의 두께는 전술한 제1실시예에서와 동일하게 하여 준다.
상기 방전간극(7)의 폭(a)과 높이(b)는 상술한 제1실시예에서와 같고, 방전간극(7)의 전극(2') 외주연에는 방전간극(7)의 폭(a)과 높이(b)를 유지하기 위한 도체전극(5)이 전기한 바와 같이 구비된다.
관상체의 외측에 배치된 전극(1')은 접지되고, 내측에 배치된 전극(2')은 전원공급장치(6)와 연결된다.
상기 전극(1',2') 및 유전체(3',4')의 설치위치나 형상, 배열관계는 전술한 제1실시예에서와 같이 다양하게 변형될 수 있다.
이와 같은 제1,2실시예의 전극구조를 갖는 장치에 플라즈마 발생을 위해 전원공급수단(6)을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류, 또는 교류전원을 1∼100KV/cm의 전계강도로 공급하며, 이때 방전간극(7)에서 방전이 이루어져 플라즈마가 발생된다.
본 발명의 장치를 통해 대면적의 균일한 플라즈마를 안정하게 발생시킬 수 있다.
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(3,4,3',4')가 부착된 전극(1,2,1',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.
[실험예]
본 발명의 실험예는 제1실시예에서와 같이, 두 전극(1,2)이 서로 마주보는 구조로하여 각 전극(1,2)의 서로 대향되는 면에 알루미나 유전체(3,4)를 설치하였으며, 유전체(3)에 폭(a) 100㎛, 그리고 높이(b)를 3mm로하여 관통된 간극을 형성하였다.
두 전극(1,2) 사이의 거리를 7mm로 하고, 그 사이에 공기를 공급하여 40∼80KHz 범위의 직류 바이폴러 펄스전원을 인가하여 대기압에서 방전시켰다.
그 결과 8∼12KV의 방전개시전압, 6∼8KV의 유지전압을 나타냈었으며, 아크의 발생없이 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 발생시킬 수 있었다.
대기압에서 공기의 방전개시전압은 30KV/cm이며, 전극간 거리가 7mm 인 경우 약 23KV가 요구되나 본 발명의 경우 그것의 50%정도 크게 감소하였다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 캐필러리방전을 유도하기 위한 방전간극을 가진 유전체가 설치된 구조로 이루어진 대기압 플라즈마 발생장치는 두 전극 사이에서 플라즈마가 아크로 전이되는 현상이 억제되고, 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 얻을 수 있다. 또한 방전개시 및 유지전압이 매우 낮고, 광역의 주파수를 사용할 수 있고, 소비전력이 적고, 전원공급장치 및 전극의 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 (2)
- 일측은 전원공급수단(6)에 연결되고 타측은 접지되며, 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극(1,2,1',2')을 설치하고;상기 전극(1,2,1',2')이 서로 마주보는 면에 25~5000㎛ 두께의 유전체(3,4,3',4')를 서로 대향되게 설치하고, 그중의 어느 하나의 유전체에는 폭(a)이 5㎛~2mm이고, 높이(b)가 폭(a)의 5∼250배인 적어도 하나 이상의 방전간극(7)을 가지며;상기 방전간극(7)에는 유전체(3,4')의 폭(a)과 높이(b)를 조절해주는 도체전극(5)이 구비되고;상기 전극(1,2,1'.2')사이에 전원공급수단(6)을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류, 또는 교류전원을 1~100KV/cm의 전계강도로 인가함과 동시에 상기 전극 사이로 반응가스를 공급하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전극(1,2,1',2',5)은 도체금속으로 형성되고;상기 유전체(3,4.3',4')는 절연특성이 우수한 알루미나(Al2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영(SiO2), MgO 중에서 선택된 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는장치.
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