KR20070094038A

KR20070094038A - 전극 손상을 최소로하는 벌집 구조의 대면적란타늄헥사보라이드 직류 플라즈마 원

Info

Publication number: KR20070094038A
Application number: KR1020060024126A
Authority: KR
Inventors: 정규선; 우현종
Original assignee: 정규선
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-20

Abstract

본 발명은 플라즈마 디스플레이 패널 (PDP: Plasma Display Panel) 및 핵융합 모사장치 등에 이용할 수 있는 열전자 원인 란탄늄 헥사보라이드 (LaB6: Lanthanium Hexa-boride)재료를 이용한 대면적, 고밀도 플라즈마 원에 관한 것으로, 급격한 열 변화 및 불균일한 가열 (non-uniform heating) 등의 열 충격 (thermal shock)으로부터 LaB6 재료의 손상을 최소로 할 뿐 아니라, 대면적 플라즈마 발생이 가능하다는 장점을 가진다. LaB6 재료는 1600 K 이상의 온도에서 열전자를 방출하는 특성을 가지고 있어 열전자 방출을 통한 전자빔 원 (e-beam source), 고밀도 플라즈마 원 (High density plasma source) 등에 이용되지만, 급격한 열 변화 및 불균일한 가열 (non-uniform heating) 등의 열 충격 (thermal shock)에 약한 단점을 가진다. 본 발명은 LaB6 재료(또는 전극)가 열 충격에 의해 재료 자체의 불균일한 팽창에 의해 손상되는 것에 착안하여 열 충격에 견딜 수 있는 소형의 LaB6 전극 (지름 2-5 cm의 Disk 또는 이와 비슷한 면적을 가지는 임의의 구조)을 여러 개 부착하여 일체형의 대면적 플라즈마 원 (6인치 이상)을 만드는 것으로, 이를 위해 흑연 (Graphite)의 지지대 위해 벌집(Honeycomb)형태로 LaB6 전극을 부착 및 LaB6와 흑연 구조물간의 공간을 둔 형태로 구성되어진다. 이는 대면적의 하나의 LaB6 전극으로 구성된 플라즈마 원에 비하여 불균일한 가열에 의한 소형 하나의 LaB6 전극에 작용하는 온도 분포의 차를 줄일 수 있을 뿐 아니라, 팽창할 수 있는 최대한의 면적을 가지고 있어 급격한 열 변화 및 불균일한 가열 등의 열 충격에 의한 손상을 최소화 할 수 있 으며, 동시에 벌집 형태의 구조로 인한 플라즈마의 공간적 분포의 변화를 최소화 할 수 있는 장점을 가진다.

본 발명은 열 충격에 의한 손상을 최소화할 수 있는 LaB6 재료를 이용한 직류 플라즈마 원에 대한 것으로, 이를 위해 목표로 하는 LaB6 전극보다 작은 LaB6전극을 지지 구조물 위에 벌집 형태로 배치하며, 이 외에 LaB6 전극으로부터 열전자 방출할 수 있도록 가열하는 가열기 및 가열기로부터 나오는 열에 의한 진공 구조물 및 진공도를 유지하기 위한 냉각 시스템으로 구성된다.

Description

전극 손상을 최소로하는 벌집 구조의 대면적 란타늄헥사보라이드 직류 플라즈마 원 {Honeycombed Large Area LaB6 plasma DC source with crack-resistant supporting}

도 1은 고밀도 플라즈마 원 발생에 사용되는 LaB6 전극을 이용한 플라즈마 원의 개략도이다.

도 2는 본 발명에 의한 소형의 LaB6 전극을 벌집 구조로 배치한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: LaB6 전극 및 흑연을 이용한 지지 구조물 2: 가열기 (텅스텐 또는 흑연 사용), 3: 열 차폐체. 4: 냉각되는 플라즈마 원 지지 구조물, 5: 플라즈마 원과 진공 플랜지 (Vacuum Flange)와의 이음부, 6: 진공 플랜지, 7: 플라즈마 원 지지 구조물 (4)의 냉각수 투입 라인, 8: 가열기의 전원 연결 및 냉각 라인, 9: 소형 LaB6 전극, 10: LaB6 전극 지지를 위한 흑연 구조물, 11: LaB6 전극과 흑연 구조물과의 공간

본 발명은 플라즈마 디스플레이 패널 (PDP) 제작, 핵융합 플라즈마 모사 장치 등에 사용되고 있는 LaB6 전극을 이용한 대면적, 고밀도 직류 플라즈마 원에 관한 것으로, 이는 기존의 플라즈마 원과 비교하여 열 충격으로 인한 손상을 최소화할 수 있는 장점을 가진다.

현재 반도체 산업, 디스플레이 산업, 우주 플라즈마 및 핵융합 플라즈마 모사 등에 사용되는 고밀도 플라즈마 원은 크게 고조파 (RF;Radio-Frequency), 마이크로파 (Microwave), LaB6를 이용한 직류 플라즈마 등으로 구분된다. RF를 이용한 플라즈마의 경우 RF fluctuation으로 인하여 진단 및 해석이 어려우며, Microwave를 이용한 플라즈마원의 경우는 진단은 가능하나 Microwave 전원이 비싸다는 단점을 가진다. 동시에 이 두 플라즈마 원은 RF와 Microwave의 resonant zone을 가지는 관계로 인하여 대면적 (10 cm 이상), 고밀도 (10¹² cm^-3 이상)의 플라즈마 발생이 어렵다는 단점을 가진다. 따라서, PDP 공정의 MgO 박막 증착이나 핵융합 장치 경계 플라즈마 모사와 관련하여 열 전자원을 이용한 직률 플라즈마 원이 사용이 제한된다.

현재 이를 극복하기 위해 LaB6 전극을 이용한 플라즈마 원이 미국의 캘리포니아 주립대학 (PISCES 장치: University of California, Los Angeles (UCLA)와 University of California, San Diego), 일본의 나고야 대학 (NAGDIS-I & II 장치) 및 동경대학 (MAP-II 장치) 등에서 개발되었지만, 열 충격의 문제를 해결하지 못하여 지름 12 cm 미만의 LaB6 전극만이 사용되어 지고 있다.

또한 UCLA에서 개발된 LAPD (LArge Plasma Device)의 경우 대기압상에서 손상이 쉬운 열전자 원인 대면적 바륨 옥사이드 (BaO) 전극의 대체를 위해 지름 8인치의 LaB6 전극을 이용한 플라즈마 원 개발이 시도되었으나, 열 충격으로 인해 BaO 전극 을 대체할 수 없다는 결론에 도달하였다.

본 발명에 의한 LaB6 전극을 이용한 직류 플라즈마 원의 경우, 소형의 LaB6 전극을 임의의 구조로 배치하여, 열 충격에 의한 손상을 최소화하는 동시에 하나의 LaB6 전극을 사용한 플라즈마 원과 유사한 공간적 분포를 가지는 플라즈마 발생이 가능하다. 또한, 각각의 전극을 임의로 가열할 수 있는 가열기 및 냉각 시스템의 독립이 가능 (하나의 가열기로 인한 LaB6 전극 가열도 가능함.)한 구조로 인해 향후 수리 및 부품 교체가 자유롭다고 할 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 LaB6 전극을 이용한 플라즈마 원의 경우 열 충격으로 인한 LaB6 전극의 손상으로 인해 고밀도(10¹¹-10¹⁴ cm^-3), 대면적 플라즈마 (지름 10 cm 이상) 발생이 어렵다는 단점을 보완하기 위한 방법으로, 소형의 LaB6 전극을 등전위 (equi-potential)을 가지는 흑연 구조물에 벌집 형태로 배치하여 열 충격으로 인한 LaB6 전극의 손상 및 파손을 최소화 할 뿐 아니라, 하나의 전극의 경우와 동인한 플라즈마의 공간적 분포를 보이는 장점을 가진다.

본 발명은 소형 LaB6 전극 (특별한 제한은 없으나, 2-5 cm 사이가 적당하다고 판단됨.)을 도 2처럼 지지 구조물 위에 벌집 구조와 유사한 형태로 배치하여 하나의 고밀도, 대면적 플라즈마 발생이 가능한 구조를 보인다. 또한, LaB6 전극과 지지 구조물 사이에 공간을 두어 급격한 열 변화 및 불균일한 가열 등의 열 충격으로부터 LaB6 전극의 손상을 최소로 하는 구조를 가진다. 또한, 각각의 가열기 및 하나의 LaB6 전극을 일체형, 불리 형으로 사용이 가능하여, 원하는 플라즈마의 공간적 분포를 조정할 수 있을 뿐 아니라, 플라즈마 전극 수리 및 부품 교체를 용이하게 할 수 있는 구조를 가진다.

이상 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 소형 LaB6 전극을 이용한 대면적 직류 플라즈마 원의 경우 열 충격에 의한 손상을 최소화 할 수 있을 뿐 아니라, 소형 LaB6 전극의 개수 및 배치를 다르게 하여 그 크기에 제한이 없는 장점을 가지며 아래와 같은 파급효과를 가져올 수 있다.

산업용 플라즈마 원과 관련하여, 현재 LaB6 전극을 이용한 직류 플라즈마 원은 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)의 MgO 박막 증착 등에 이용되고 있다. 따라서, 본 발명에 의한 플라즈마 원은 대면적 PDP 제작에 기여.

핵융합 장치 플라즈마 모사 및 재료의 성능 검증 장치로서 활용이 가능하며, 전자석의 배치에 따라 기존의 하나의 LaB6 전극 형태로 인한 플라즈마 밀도의 한계를 극복할 수 있어 핵융합 경계 플라즈마 모사 및 재료의 성능 검증에 도움이 되며, 경계 영역 플라즈마 중 디버터 (Divertor) 부근의 플라즈마 이해 및 구조물의 최적화에 기여.

Claims

소형 LaB6 전극 (또는 판 형태(plate), 디스크 형태 (Disk) 등)을 임의의 형태로 배치하여 열 충격에 의한 손상을 최소화 할 수 있는 구조.
도2에 언급된 디스크 타입 (Disk Type)의 소형 LaB6 전극의 구조 이외에 사각형, 육각형, 오각형 등의 임의의 모양 및 형태 변경 (예: 소형 LaB6 전극에 구멍(hole)의 추가 제작 등의 자체 형태 변경)를 포함.
소형 LaB6 전극의 개수 및 배치에 있어 플라즈마 원의 사용 목적에 따른 변경을 포함.
열전자를 방출하는 온도까지 가열시켜주는 가열기는 각각 일체형, 분리형 (Cassette type: 1개 이상의 소형 LaB6 전극 가열/1개의 가열기) 배치를 포함.