KR200253571Y1 - 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것으로, 본 고안의 장치는, 일측은 전원공급수단에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극이 설치되고; 전극이 서로 마주보는 면에 서로 대향되고 한 개 이상의 방전간극을 가진 유전체가 장착되어 있으며; 방전간극내에 돌기부를 가진 도체전극이 설치된 구조를 가지며, 이 장치에 전원공급수단을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류 또는 교류전원의 전기장을 1∼100kV/cm 세기로 인가하면 유전체 방전간극에서 중공음극방전(hollow cathode discharge), 캐필러리 방전(capillary discharge) 및 전기장의 고집적화 효과가 유도되어 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

본 고안에 따른 장치는 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 용이해짐은 물론 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 소독, 오존제조, 인쇄, 염색, 엣칭, 수도물 및 폐수정화, 공기 및 자동차 배기가스 등의 정화 및 고휘도 램프 제조 등에 유용하게 활용될 수 있다.

Description

대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치{APPARATUS FOR GENERATING LOW TEMPERATURE PLASMA AT ATMOSPHERIC PRESSURE}

본 고안은 유전체방전 전극에 높은 전압을 가하여 대기압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 대기압 저온 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.

플라즈마는 전기가 통하는 중성의 전리가스, 즉 대량의 전리가 일어나지 않는 기체중에 이온이나 전자가 희박하게 존재하는 거의 중성에 가까운 기체상태로 그 온도에 따라 고온 및 저온 플라즈마로 나누어지며 화학적 또는 물리적으로 반응성이 대단히 강하다.

그 중 저온 플라즈마는 금속, 반도체, 폴리머, 나일론, 플라스틱, 종이, 섬유 및 오존 등의 각종 물질 또는 재료를 합성하거나 표면특성을 변화시켜 접합강도를 높이고 염색, 인쇄능을 비롯한 각종 특성을 향상시키는 분야 및 반도체, 금속 및 세라믹 박막합성, 세정 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.

이러한 저온 플라즈마는 통상 낮은 압력의 진공 용기내에서 발생된다. 그러나 진공유지를 위한 장치가 필요하여 고가의 장치비가 소요됨은 물론 처리물의 크기가 큰 경우 처리가 곤란하고, 처리공정의 자동화, 고무, 생체재료 등 증기압이 높거나 탈가스가 발생하는 재료 등에는 적용하기 어려워 공업화에 많은 문제점을 가지고 있다.

이를 극복하기 위해 코로나방전(corona discharge), 유전체장벽 방전(dielectric barrier discharge) 및 글로우방전(glow discharge) 등 대기압에서 낮은 온도의 플라즈마를 발생시키는 기술들이 고안되었으며, 이들 기술은 상술한 분야는 물론 오존을 비롯한 각종 화학물질의 합성, 소독, 제독, 그리고 진공중의 플라즈마법으로 처리가 어려웠던 재료의 합성공정에 널리 쓰이고 있다.

코로나 방전은 금속과 같은 전도성 재료로 이루어진 뾰족한 전극을 사용하여 두 전극사이에 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, 아크방전으로 전환되는 것을 막기 위해 단속적인 전압을 인가하는 방법이나 전극에 저항을 가하는 방법이 쓰이고 있다.

유전체 방전은 유전분극 현상을 이용한 전하집적을 통한 역전위 형성으로 방전이 정지되는 즉, 펄스방전으로 되어 아크방전으로 전환되는 것을 막는 방법이다.

그러나, 코로나 방전의 경우 플라즈마가 스트리머 형태로 발생됨으로 인해 균일하지 못하고 밀도가 크지 않다. 또한, 두 전극 사이의 간격이 좁으므로 3차원 형상의 처리물에는 적용하기 어렵고, 소음의 발생과 전극 수명이 짧은 단점을 가지고 있다.

한편, 유전체 방전법은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있으나 코로나 방전법과 마찬가지로 넓은 면적의 균일한 확산 플라즈마를 얻을 수 없으며, 아크 방전으로 전환되는 것을 방지하기 위한 별도의 수단을 구비한 경우에는 플라즈마 밀도가 낮고, 두 전극간 간격이 좁아 처리물의 크기 및 형상에 따라 제한적으로 사용된다.

또한, 상기 두 방전법은 알곤, 산소, 공기 및 질소 등의 방전 개시 및 유지 전압이 높은 기체를 사용하는 경우 고압의 전원공급 장치가 필요한데, 이로 인해전원장치비가 고가이며, 전력의 소모량이 크고, 전원장치의 운전 및 관리에 많은 어려움이 따르게 된다.

본 고안은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점을 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 가능하도록 함은 물론 낮은 방전전압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 판구조 전극의 대기압 저온 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 단면도이고,

도 2는 본 고안의 제2 실시예에 따른 관구조 전극의 대기압 저온 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 단면도이며,

도 3은 본 고안의 실시예에 따른 도체전극의 돌기부를 보인 예시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1, 2, 5 : 도체전극 3, 4 : 유전체

6 : 전원공급장치 7 : 방전간극

a : 폭 b : 높이

8 : 돌기부

본 고안은 상기한 목적을 달성하기 위하여,

일측은 전원 공급 수단에 연결되고 타측은 접지되며, 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극이 설치되고; 상기 전극이 서로 마주보는 면에 25㎛∼10mm두께의 유전체가 서로 대향되게 설치되며 이 중 어느 하나의 유전체에는 방전 간극이 형성되어 있고; 상기 유전체 방전 간극 내에는 돌기부를 갖는 도체 전극이 구비된 구조를 가지며,

상기 전극에 전원공급수단을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류 또는 교류전원의 전기장을 1∼100kV/cm 세기로 인가함과 동시에 상기 전극 사이로 반응가스를 공급할 때 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는,

대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공한다.

이하, 본 고안을 보다 상세히 설명한다.

본 고안의 장치를 통해 대면적의 균일한 플라즈마를 안정하게 발생시킬 수 있다.

본 고안에 따른 발생장치를 통해 생성된 플라즈마는 유리, 금속, 고무, 섬유, 종이, 플라스틱, 나일론, 에폭시 등의 합성수지를 비롯한 각종 재료 표면의 활성도를 높힘으로써 재료의 접합, 연마, 세정, 박막 증착, 염색, 인쇄 등의 공정에 활용될 수 있다.

또한, 본 고안의 발생장 치를 통해 생성된 플라즈마는 공기, SOx, NOx 등의 자동차 배기가스 및 폐수정화, 의료 및 식품기기의 살균, 수도물의 소독, 오존제조, 그리고 자동차, 가스터빈 등의 완전연소에도 활용될 수 있다.

또한, 매우 밝은 전등을 제조하여 광화학반응을 이용한 반도체 제조공정을 비롯한 각종 표면처리공정에 활용할 수 있다.

이하에서는, 본 고안에 따른 바람직한 몇 가지 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

[제1 실시예]

도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치의 전극구조를 도시한 단면도이다.

상기 제1 실시예에서는 판구조의 전극을 통한 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시킬 수 있는 예를 보여준다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 고안에 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 하여주는 것이 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㎛∼10mm의 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 폭(a)과 높이(b)를 가지고 배치된다. 상기 도체전극(5)에는 도 3의 (가,나,다)에 예시된 바와 같은 다양한 형태의 돌기부(8, 8',8')가 서로 마주보는 전극방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 도체전극(5)은 돌기부(8, 8',8')를 통해 전원공급수단(6)에 의해 가해진 전기장을 집적시켜 방전을 용이하게 함은 물론 방전간극(7)의 폭(a) 및 높이(b)를 유지해준다.

도체전극(5)에 형성된 돌기부(8)의 형태는 도 3의 (가,나,다)와 같이 삼각, 사각, 만곡진 '∩'형상 또는 그외의 다양한 형태로 이루어질 수 있으며 그 높이(b)는 폭(a)의 0.1∼20배로 하고, 돌기부(8,8',8')의 수는 길이 10mm 당 1∼100개로 함이 바람직하다.

이와 같이 돌기부(8, 8',8')의 크기 및 수를 제한하는 이유는 그 범위를 벗어나는 경우 돌기부(8, 8',8')에서의 전기장의 집적효과가 크지 못하여 방전개시 및 유지전압을 낮출 수 없으며, 밀도가 높은 플라즈마를 얻을 수 없고, 또한 플라즈마를 균일하게 발생시키기 어렵기 때문이다.

본 고안의 제1 실시예에서는 도시한 바와 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 있고 유전특성이 우수한 두께 25㎛∼10mm의 유리, 알루미나(A₂O₃), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃N₄), 석영(SiO₂), 산화마그네슘(MgO) 등을 사용함이 바람직하며, 또한 방전간극(7)이 구비된 유전체의 그 두께 범위를 벗어나게 하여 사용할 수도 있다.

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)과 돌기부(8, 8',8')를 갖는 도체전극(5)이 구비됨으로써 전극(1,2,5)에 전기장이 가해지는 경우 전기장이 도체전극(5)의 돌기부(8,8',8')에 집적되어 전기장의 세기가 커지고 방전간극(7)에서의 중공음극방전(hollow cathode discharge) 및 캐필러리 방전(capillary discharge)의 효과를 얻게 되며, 그것으로 인해 플라즈마 발생을 위한 전압이 낮아지며, 밀도가 높고 안정한 플라즈마를 얻을 수 있게 된다.

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 특히 바람직한 바, 이와 같이 간극의 크기를 한정하는 이유는 그 범위를 벗어나는 경우 캐필러리 방전 및 중공음극방전이 일어나지 않아 본 고안에서 얻고자하는 방전개시 및 유지전압을 낮출 수 없고, 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 얻지 못하며, 플라즈마가 아크로 전환되는 것을 억제하지 못하기 때문이다.

유전체(3,4)가 부착된 전극(1,2,5)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 발생시킬 수 있으며, 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.

[제2 실시예]

도 2는 본 고안의 제2 실시예에 따른 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치의 전극구조를 도시한 단면도이다.

상기 제2 실시예에서는 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 제1 실시예에서와 동일하게 하여 준다.

상기 방전간극(7)의 폭(a)과 높이(b)는 상술한 제1 실시예에서와 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.

또한, 상기 도체전극(5)에 형성된 돌기부(8, 8',8')의 형상도 상기 제1 실시예에서 설명한 바와 같다.

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 제1,2 실시예의 전극구조를 갖는 장치에 플라즈마 발생을 위해 전원공급수단(6)을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류, 또는 교류전원을 1∼100kV/cm 세기의 전기장을 가하며, 이때 방전간극(7) 내의 돌기부(8, 8',8')와 대향전극 사이의 공간에서 방전이 이루어져 플라즈마가 발생된다.

[실험예]

본 고안의 실험예는 제1 실시예에서와 같이, 두 전극(1,2)이 서로 마주보는구조로하여 각 전극(1,2)의 서로 대향되는 면에 알루미나 유전체(3,4)를 설치하였으며, 유전체(3)에 폭(a) 200㎛ 그리고 높이(b) 2mm의 방전간극(7)을 형성하였다.

도체전극(5)에는 도 3 (가)의 형태로 폭(a) 2mm, 높이(b) 1.5mm의 돌기부(8)를 구비하고, 두 전극(1,5) 사이의 거리를 7mm로 하며 그 사이에 헬륨(He) 가스를 공급하여 50kHz 범위의 직류 바이폴러 펄스전원을 인가하여 대기압에서 방전시켰다.

그 결과 1kV의 방전개시전압, 약 0.7kV의 유지전압을 나타냈었으며, 아크의 발생없이 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 발생시킬 수 있었다.

한편, 대기압에서 헬륨(He) 가스의 방전개시전압은 약 3.7kV/cm이며, 전극간 거리가 7mm 인 경우 약 2.6kV가 요구된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 고안에 따른 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 중공음극방전, 모세관방전 및 고집적 전기장 발생을 유도하기 위한 구조로 이루어진 대기압 플라즈마 발생장치는 두 전극 사이에서 플라즈마가 아크로 전이되는 현상이 억제되고, 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 안정하게 얻을 수 있다.

둘째, 방전개시 및 유지전압이 매우 낮고, 광역의 주파수를 사용할 수 있고, 소비전력이 적고, 전원공급장치 및 전극의 제작이 용이하여 저렴하게 대기압 플라즈마 발생장치를 제작할 수 있다.

셋째, 대기압에서 밀도가 높고, 대면적의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있음은 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 (4)

1. 일측은 전원공급수단(6)에 연결되고 타측은 접지되며, 서로 이격되어 마주보게 한쌍의 전극(1,2,1',2')이 설치되어 있고;

   상기 전극(1,2,1',2')이 서로 마주보는 면에 25㎛∼10mm두께의 유전체(3,4,3',4')가 서로 대향되게 설치되고 이 중 어느 하나의 유전체에 방전간극(7)이 형성되어 있으며;

   상기 유전체 방전간극(7)내에 돌기부(8, 8',8')를 갖는 도체전극(5)이 구비된 구조를 갖고,

   상기 전극(1,2,1',2',5)에 전원공급수단(6)을 통해 50Hz∼10GHz 주파수 대역의 펄스 직류 또는 교류전원의 전기장을 1∼100kV/cm 세기로 인가함과 동시에 상기 전극 사이로 반응가스를 공급할 때 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는,

   대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 유전체(3,4,3',4')중 어느 하나에 폭(a)이 5㎛∼2mm이고 높이(b)가 폭(a)의 5∼250배인 방전간극(7)이 적어도 하나 이상 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전극(1,2,1',2',5 )이 도체금속으로 형성되고, 상기 돌기부(8,8',8')가 높이(b)를 폭(a)의 0.1∼20배로 하여 형성됨과 동시에 상기 도체전극(5)의 길이 10mm 당 1∼100개 형성되는 것을 특징으로 하는, 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 유전체(3,4,3',4')가 절연특성이 우수한 유리, 알루미나(Al2O3), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 석영(SiO2), MgO 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 대기압에서 저온 플라즈마를 발생시키는 장치.