KR20090011059A - Apparatus for generating plasma - Google Patents
Apparatus for generating plasma Download PDFInfo
- Publication number
- KR20090011059A KR20090011059A KR1020070074276A KR20070074276A KR20090011059A KR 20090011059 A KR20090011059 A KR 20090011059A KR 1020070074276 A KR1020070074276 A KR 1020070074276A KR 20070074276 A KR20070074276 A KR 20070074276A KR 20090011059 A KR20090011059 A KR 20090011059A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- plasma
- frequency
- energy
- input
- supply unit
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma
- H01J37/3211—Antennas, e.g. particular shapes of coils
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/32091—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being capacitively coupled to the plasma
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/32128—Radio frequency generated discharge using particular waveforms, e.g. polarised waves
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
- H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
- H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
- H01J37/32183—Matching circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
- H01J37/32917—Plasma diagnostics
- H01J37/32926—Software, data control or modelling
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
- H05H1/4645—Radiofrequency discharges
- H05H1/4652—Radiofrequency discharges using inductive coupling means, e.g. coils
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
- H05H1/4645—Radiofrequency discharges
- H05H1/466—Radiofrequency discharges using capacitive coupling means, e.g. electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H2242/00—Auxiliary systems
- H05H2242/20—Power circuits
Abstract
Description
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마로 전달되는 에너지와 플라즈마 반복율을 제어하여 사용자가 용이하게 다룰 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma generator, and more particularly, to a plasma generator that can be easily handled by a user by controlling the energy and plasma repetition rate delivered to the plasma.
일반적으로 플라즈마는 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태로 알려져 있으며 전체적으로 음과 양의 전하수가 거의 같은 밀도로 분포되어 전기적으로 거의 중성인 상태이다. 플라즈마는 아크처럼 온도가 높은 고온 플라즈마와 전자의 에너지는 높지만 이온의 에너지가 낮아 실제로 느끼는 온도는 실온에 가까운 저온 플라즈마로 분류되며 대부분 직류, 교류, 초고주파, 전자빔 등의 전기적 방전에 의해 생성된다. 또한 플라즈마의 발생 압력에 따라 응용처가 달라지며 저압에서는 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 부품의 세정과 식각, 증착에 이용되며 대기압 상태의 플라즈마는 표면 세정, 환경 오염물질 처리와 신소재 합성, 의료기기 등 다양한 분야에 사용된다.In general, a plasma is known as a fourth material state composed of electrons and ions having electrical polarity, and is generally in a state in which the negative and positive charges are distributed at almost the same density, and thus are almost neutral. Plasma is high temperature plasma like arc and high energy of electrons but low energy of ions, so the actual temperature is classified as low temperature plasma close to room temperature and is mostly generated by electric discharge such as direct current, alternating current, ultra-high frequency and electron beam. In addition, it is used for cleaning, etching and depositing semiconductor parts because the plasma can be stably generated at low pressure. The plasma at atmospheric pressure is used for surface cleaning, environmental pollutant treatment, new material synthesis, and medical treatment. Used in various fields such as appliances.
플라즈마를 발생시키기 위하여 가스에 적당한 주파수의 전기장을 적용할 수 있다. 예를 들어, 상기 주파수는 전기외과수술(Electrosurgery)에 적용 가능한 표 준 주파수(500 kHz 영역대와 2450 MHz 영역대)일 수 있다. 플라즈마 발생을 위해 상기 주파수의 진동 전압은 상응하는 주파수의 전기장을 발생시키기 위하여 적당한 구조를 갖는 전극 또는 공명 구조의 반응기에 인가된다. 전기적 방전에 의해 발생된 플라즈마에 전달되는 파워는 전극 또는 공명기로부터 반사된 파워를 모니터링하고 임피던스(Impedance)를 조절함으로서 제어되고 결국 플라즈마 파워는 증가하게 된다. 한국특허 제10-0394994호는 전자파를 이용한 플라즈마 토치에 관한 것으로서 2450 MHz의 초고주파를 도파관으로 전송시켜 도파관의 특정위치에 설치된 방전관에 집속시킨 후에 스파크 점화장치에 의해 무전극 마이크로웨이브 플라즈마를 발생시킨 것이다. 위 한국특허(10-0394994)를 이용하여 불화탄소 가스의 방출제어(한국특허 제10-0454085호), 공기 중에 살포된 화학 독가스 및 세균 제거장치(한국특허 제10-0554712호), 탄소나노튜브 합성(한국특허 제10-0582249호), 질소 도핑된 이산화티타늄 나노분말의 합성(한국특허 제10-0613122호), 플라즈마 화염 발생장치(한국특허 제10-0638109호) 등 다양한 분야에 응용되었다. An electric field of a suitable frequency may be applied to the gas to generate a plasma. For example, the frequency may be a standard frequency (500 kHz band and 2450 MHz band) applicable to electrosurgical surgery. For plasma generation, the oscillating voltage of this frequency is applied to a reactor of an electrode or resonance structure having a suitable structure in order to generate an electric field of a corresponding frequency. The power delivered to the plasma generated by the electrical discharge is controlled by monitoring the power reflected from the electrode or resonator and adjusting the impedance, which in turn increases the plasma power. Korean Patent No. 10-0394994 relates to a plasma torch using electromagnetic waves, which transmits an ultra-high frequency of 2450 MHz to a waveguide, focuses it on a discharge tube installed at a specific position of the waveguide, and then generates an electrodeless microwave plasma by a spark ignition device. . Controlling the emission of carbon fluoride gas (Korean Patent No. 10-0454085) using the above Korean Patent (10-0394994), the chemical poison gas and bacteria removal device sprayed in the air (Korean Patent No. 10-0554712), carbon nanotubes Synthesis (Korean Patent No. 10-0582249), synthesis of nitrogen-doped titanium dioxide nanopowder (Korean Patent No. 10-0613122), plasma flame generator (Korean Patent No. 10-0638109) and the like.
또한 한국특허 제10-0531427호에는 국부가열, 절단 및 접합을 위한 전자파 플라즈마 토치 및 용접시스템에 관한 것으로서 2450 MHz의 초고주파를 도파관으로 전송시켜 도파관의 특정위치에 금속 재질의 노즐 전극을 설치하여 모재에 집속시킬 수 있는 플라즈마 장치에 관한 것이다. 상기 열거한 한국 특허들은 2450 MHz의 초고주파를 도파관으로 전송시켜 도파관의 특정위치에 플라즈마 반응기 내지 전극을 설치하여 2450 MHz의 초고주파에 의해 유도되는 전기장을 플라즈마 원료가스에 노출시키고 스파크 또는 점화장치의 도움으로 고온의 토치 플라즈마를 연속적으로 발 생시키는 공통점이 있다. In addition, Korean Patent No. 10-0531427 relates to an electromagnetic plasma torch and welding system for local heating, cutting and joining, and transmits 2450 MHz ultra-high frequency to a waveguide to install a metal nozzle electrode at a specific position of the waveguide to A plasma apparatus capable of focusing. The above-mentioned Korean patents transmit 2450 MHz ultra high frequency waves to a waveguide to install a plasma reactor or electrode at a specific position of the waveguide to expose an electric field induced by 2450 MHz ultra high frequency to the plasma source gas and with the help of a spark or ignition device. There is a common point that continuously generates a high temperature torch plasma.
상기와 같은 플라즈마 장치의 경우 플라즈마 전극 또는 반응기가 초고주파 발진기와 도파관에 일체형으로 되어 있어 부피가 크고 무거워 용이하게 다루기에는 불가능하다. 또한 연속적으로 초고주파 에너지가 플라즈마로 전달되고 그로 인해 플라즈마 옴 히팅(Ohmic Heating)이 발생하여 5000℃에 가까운 플라즈마가 유지된다. In the case of the plasma apparatus as described above, the plasma electrode or the reactor is integrated in the ultra-high frequency oscillator and the waveguide, so that it is impossible to easily handle the bulky and heavy. In addition, the ultra-high frequency energy is continuously transferred to the plasma, thereby causing plasma ohmic heating to maintain the plasma close to 5000 ° C.
따라서 플라즈마로 전달되는 에너지의 제어와 용이하게 다룰 수 있는 플라즈마 발생장치는 그 활용도가 매우 클 것으로 기대되며 그 시스템의 개발이 절실히 요구된다. Therefore, the plasma generator, which can easily handle and control the energy delivered to the plasma, is expected to be very useful, and the development of the system is urgently required.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 플라즈마로 전달되는 에너지를 제어하고 사용자가 용이하게 다룰 수 있는 플라즈마 장치를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a plasma device that can be easily handled by the user to control the energy delivered to the plasma.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는 플라즈마 에너지와 반복율이 입력되는 입력부; 상기 입력부로부터 입력된 입력신호를 저장 및 변환하는 인터페이스; 상기 인터페이스로부터 에너지 크기 및 주파수 정보를 입력받아 전원을 공급하는 전원공급부; 상기 전원공급부로부터 전원을 공급받아 라디오 주파수 또는 마이크로웨이브 주파수를 발진하는 주파수 발진기; 상기 주파수 발진기로부터 발진된 일정 크기의 에너지를 갖는 주파수를 전송하는 전송선로; 및 상기 전송선로로부터 전송된 주파수를 갖는 에너지에 의해 유도된 전기장과 가스공급부로부터 주입되는 플라즈마 원료가스가 반응하여 플라즈마를 발생하는 플라즈마 반응기; 를 포함하여 구성된다.Plasma generator of the present invention for achieving the above object is an input unit for inputting the plasma energy and repetition rate; An interface for storing and converting an input signal input from the input unit; A power supply unit configured to receive energy magnitude and frequency information from the interface and supply power; A frequency oscillator receiving power from the power supply and oscillating a radio frequency or microwave frequency; A transmission line transmitting a frequency having a predetermined magnitude of energy oscillated from the frequency oscillator; And a plasma reactor for generating plasma by reacting an electric field induced by energy having a frequency transmitted from the transmission line and a plasma source gas injected from a gas supply unit. It is configured to include.
본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 플라즈마로 전달되는 에너지와 플라즈마 반복율을 제어하여 사용자가 용이하게 다룰 수 있는 플라즈마 장치를 제공하는 효과가 있다. Plasma generator according to the present invention has the effect of providing a plasma device that can be easily handled by the user by controlling the energy and plasma repetition rate delivered to the plasma.
또한, 본 발명은 플라즈마를 이용한 물질의 표면처리, 특히 플라즈마 에너지 를 사람, 동물의 피부에 전달하여 그 에너지로 인하여 생체 조직의 재생, 치료, 활성화시키는 효과를 제공할 수 있다. In addition, the present invention can provide the surface treatment of the material using the plasma, in particular, the plasma energy is delivered to the skin of humans and animals, thereby providing the effect of regenerating, treating, and activating biological tissues.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성 블록도이다. 1 is a block diagram of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 입력부(10), 전원공급부(20), 인터페이스(30), 주파수 발진기(40), 전송선로(50), 사용자 스위치(60), 가스용기(70), 가스공급부(80), 플라즈마 반응기(100)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 1, a plasma generator according to an embodiment of the present invention includes an
전원공급부(20)는 입력부(10)에 의해 입력된 정보를 저장 및 변환하는 인터페이스(30)로부터 에너지 크기 및 주파수 등의 정보를 받아 주파수 발진기(40)에 전원을 공급한다. 상기 주파수 발진기(40)는 라디오 주파수 또는 마이크로웨이브 주파수 발진기일 수 있다. 상기 주파수 발진기(40)가 라디오 주파수를 발진할 때 그 주파수는 13.56MHz가 바람직하며, 마이크로웨이브 주파수를 발진할 때는 2400MHz 내지 2500MHz가 바람직하다. The
상기 입력부(10)에는 임의의 사용자가 플라즈마 에너지와 반복율을 입력할 수 있도록 구성된다. 플라즈마 에너지는 주울(Joule) 단위로 반복율은 헤르츠(Hz) 단위로 입력 또는 선택된다. The
또한 사용자 스위치(60)는 상기 인터페이스(30)와 연결되어 상기 전원공급 부(20)를 연동시켜 플라즈마 발생을 on/off 할 수 있으며, 상기 인터페이스(30)는 사용자에 의해 입력된 플라즈마 반복율을 누적 계산하여 상기 입력부(10)에 디스플레이한다. 예를 들어, 사용자가 상기 입력부(10)에 1J과 4 Hz(1초에 4번의 플라즈마 발생을 의미)를 선택하여 10 초간 상기 사용자 스위치(60)를 on 할 경우, 1J의 에너지를 가지는 플라즈마가 40 번 on/off하여 카운터링되면서 상기 입력부(10)에 디스플레이된다. In addition, the
또한 상기 사용자 스위치(60)는 상기 인터페이스(30)와 연결되어 가스용기(70)와 연결된 가스공급부(80)를 연동시켜 플라즈마 반응기(100)에 플라즈마 원료가스를 공급한다. 물론 상기 가스공급부(60)는 상기 인터페이스(30)와 연동시키지 않고 계속하여 가스를 상기 플라즈마 반응기(100)로 공급할 수 있음은 물론이다. 다만, 가스의 효율적 이용을 위해 상기 가스공급부(60)는 상기 인터페이스(30)를 통해 상기 전원공급부(20)와 같이 연동시키는 것이 바람직하다. In addition, the
상기 전원공급부(20)로부터 주파수 발진기(40)로 전달되는 전원은 펄스 형태가 바람직하며 직류 또는 교류 형태일 수 있으며 상기 주파수 발진기(40)의 작동 특성에 따라 펄스의 부호가 결정된다. 예를 들어, 2450 MHz 발진기가 사용될 경우 펄스 부호는 음(-)이다. 방전 펄스(Pulse)폭은 0.5 ms에서 150 ms일 수 있으며 바람직하게는 1 ms에서 100 ms, 더욱 바람직하게는 2 ms에서 50 ms이다. 상기 방전 펄스폭은 인가된 전압 펄스에서 방전으로 인해 플라즈마가 유지되는 시간 폭을 말하며 물질의 처리에 응용될 때에는 처리 펄스 폭(Treatment Pulse Width)을 의미한다. 또한 펄스 반복율(Repetition Rate)은 0.5 Hz에서 20 Hz일 수 있으며 바람직하 게는 1 Hz에서 7 Hz이다. The power transmitted from the
상기 주파수 발진기(40)로부터 발진된 라디오 주파수 또는 마이크로웨이브 주파수는 전송선로(50)를 지나 상기 플라즈마 반응기(100)로 전달된다. 상기 전송선로(50)는 동축 케이블(Coaxial Cable), 도파관(Waveguide) 또는 스트립 라인(Strip Line)일 수 있다. 상기 전송선로(50)와 연결된 상기 플라즈마 반응기(100)에는 전송된 라디오 주파수 또는 마아크로웨이브 주파수에 의해 유도 전기장이 형성되어 플라즈마 원료가스가 노출되어 방전에 의해 플라즈마가 발생된다. The radio frequency or microwave frequency oscillated from the
상기 플라즈마 반응기(100) 내에는 플라즈마로 최대 에너지를 전달하기 위한 임피던스 정합수단이 구비되며 반응기의 형태는 공명(Resonance) 주파수를 갖는 구조를 포함하여 상기 전송선로(50)와 같은 내부전극과 외부전극으로 구성된 동축 반응기와 스트립 반응기일 수 있다. Impedance matching means is provided in the
상기 가스공급부(80)는 상기 인터페이스(30)로부터 전기적 신호를 받아 작동될 수 있는 수단이며 바람직하게는 솔레노이드 밸브, 유압 밸브 또는 MFC(Mass Flow Controller)일 수 있다. The
상기 플라즈마 반응기(100)로 공급되는 플라즈마 원료가스는 플라즈마 응용분야에 따라 달라질 수 있으며 일반적으로 무독성 또는 최소한 두 개 이상의 원자로 구성된 가스가 선호된다. 예를 들어, 아르곤, 헬륨, 질소, 또는 그 혼합가스일 수 있으며 인체에 응용될 때에는 상기 열거한 가스뿐만 아니라 이산화탄소 또한 사용될 수 있다. 그러나 상기 플라즈마 반응기(100)로 같은 에너지의 주파수가 전달될지라도 사용되는 가스에 따라 플라즈마 가스의 온도 및 물리적 특성이 다르다. The plasma source gas supplied to the
본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 동작을 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.The operation of the plasma generating apparatus according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
외부 입력부(10)에 의해 플라즈마 에너지와 반복율은 입력신호로 변환되어 전원공급부(20)로 전달되고 전원공급부(20)는 상기 입력신호에 따라 일정 크기의 에너지를 펄스 형태로 라디오 주파수 또는 마이크로웨이브 주파수 발진기(40)로 전달한다. Plasma energy and repetition rate are converted into an input signal by the
상기 주파수 발진기(40)로부터 발진된 일정 크기의 에너지를 갖는 주파수는 전송선로(Transmission Line)(50)를 통해 플라즈마 반응기(100)로 전송되고 상기 플라즈마 반응기(100)에는 상기 주파수를 갖는 에너지를 플라즈마로 최대한 전달하기 위한 정합(Matching) 수단이 구비되어 임피던스(Impedance) 정합시킨다. A frequency having a predetermined amount of energy oscillated from the
상기 플라즈마 반응기(100)로 플라즈마 원료가스가 주입되고 상기 플라즈마 반응기(100) 내에 유도된 전기장에 상기 플라즈마 원료가스가 노출되어 방전에 의해 플라즈마가 발생되고 상기 플라즈마는 플라즈마 반응기 출구를 통해 분출되며 상기 외부입력된 플라즈마 반복율이 누적되어 방전 횟수가 카운터링(Countering)된다.Plasma source gas is injected into the
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공급장치의 전원공급부 및 마이크로웨이브 발진기를 보여주는 단면도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공급장치의 전원공급부의 전압파형을 보여주는 그래프, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공급장치의 전송선로를 보여주는 단면도, 도 5는 본 발명의 실시예 에 따른 플라즈마 공급장치의 플라즈마 반응기의 구성을 보여주는 단면도, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 공급장치의 플라즈마 방전을 촬영한 사진이다.2 is a cross-sectional view showing a power supply unit and a microwave oscillator of the plasma supply apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a graph showing the voltage waveform of the power supply unit of the plasma supply apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 4 Sectional view showing a transmission line of the plasma supply apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a cross-sectional view showing the configuration of a plasma reactor of the plasma supply apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 6 is a plasma according to an embodiment of the present invention A photograph of the plasma discharge of the supply device.
도 2 내지 도 6을 참조하면, 부호 41로 표기된 블록은 마이크로웨이브 주파수 발진기를 나타내며 마그네트론이라 한다. 2 to 6, a block denoted by 41 denotes a microwave frequency oscillator and is called a magnetron.
상기 마그네트론(41)은 크게 음극으로 작동하는 필라멘트(42), 양극 또는 접지전극(43), 마이크로웨이브 안테나(47)로 구성되어진다. 상기 필라멘트(42)는 부호 22로 표기된 전원공급부의 필라멘트 히팅 트랜스포머(26)로부터 전원을 공급 받고 고전압전원공급부(24)는 상기 양극(43)과 음극(42)에 전원을 공급한다. The
전원을 공급받은 상기 필라멘트(42)는 전기장이 형성되는 상기 양극(43)과 음극(42)이 제공하는 공간으로 열전자를 방출한다. 상기 양극(43)은 환상형으로 직렬 연결된 공명 구조를 갖는 챔버 섹션(미도시)들을 가지고 있다. 상기 두 전극이 제공하는 공간은 진공 상태이며 상기 양극(43)의 상하에 설치된 영구자석(44)들에 의해 전기장과 수직하는 자기장이 형성되고 상기 음극(42)으로부터 방출된 열전자는 전기장에 의해 상기 양극(43)으로 가속되고 전기장에 수직한 자기장에 의해 커브를 그리며 회절하다가 상기 양극(43)의 공명 섹션들 중 하나로 들어간다. 상기 양극(43)의 공명 섹션들로 들어간 전자들의 에너지는 상기 마이크로웨이브 안테나(47)로 전달되고 마그네트론 캡(46)을 통해 전송선로(50)로 전송된다. The
이때 전자들의 주파수는 2400 MHz 내지 2500 MHz 범위에 있으며 바람직하게는 2460 MHz이며 상기 필라멘트(42)에 더 많은 파워가 인가될수록 더 뜨거운 많은 양의 전자가 방출된다. 상기 영구자석(44) 대신에 코일로 구성된 전자석이 설치될 수 있다. 일반적으로 마그네트론은 70-80%에 가까운 전기적 에너지 효율을 가지고 있으며 나머지는 열로 변환되어 상기 양극(43)을 통해 소비되기 때문에 냉각 핀(45)과 같은 냉각장치가 구비되어 냉각 팬으로 냉각되며 냉각 핀 대신에 물 자켓이 대신할 수 있다. 상기 필라멘트(42)의 전원은 교류 또는 직류전원이 인가될 수 있다. The frequency of the electrons is then in the range of 2400 MHz to 2500 MHz, preferably 2460 MHz, and the more power is applied to the
상기 고전압전원공급부(24)는 인터페이스(30)로부터 지정된 주파수와 펄스폭을 가진 고전압을 마그네트론(41)에 인가한다. 그 때의 전압은 -3.5 ~ -4.5 kV 범위가 바람직하다. The high voltage
도 3은 상기 마그네트론(41)에 인가되어 플라즈마 반응기(100)에서 플라즈마가 발생되었을 때의 전압파형이며 그 때의 전압은 -4.2 kV, 플라즈마 반복율은 2 Hz, 플라즈마 에너지는 2J이다. 상기 마그네트론(41)의 용량은 0.8 kW 내지 6 kW일 수 있으며 바람직하게는 1 kW 내지 1.4 kW가 선호되며 1 kW를 초과하는 파워에서 연속적인 전류가 각각의 방전 펄스폭 안에서 상기 마그네트론(41)에 제공된다. 3 is a voltage waveform when the plasma is applied to the
플라즈마 에너지는 방전 펄스폭을 늘이거나 줄임으로서 제어되며 그 범위는 0.5 J 내지 5 J 인 것이 바람직하다. 상기 전원공급부(20)로부터 플라즈마에 전달되는 전기적 에너지효율은 마그네트론의 효율을 감안하여 80% 미만이다. The plasma energy is controlled by increasing or decreasing the discharge pulse width and the range is preferably 0.5 J to 5 J. The electrical energy efficiency transmitted from the
상기 마그네트론(41)으로부터 발진된 마이크로웨이브는 전송선로(50)를 지나 플라즈마 반응기(100)로 유입된다. Microwaves oscillated from the
도 4를 참조하면, 마그네트론(41)으로부터 발진된 마이크로웨이브(48)는 2.45 GHz 마이크로웨이브 런쳐(52)에 설치되며 아이솔레이터(54)를 걸쳐 마이크로 웨이브 커플러(56)로 유입된다. 도 4에서 W I 와 W R 은 각각 마이크로웨이브 입사파와 반사파를 의미한다. 상기 마그네트론(41)은 상기 마이크로웨이브 런쳐(52)의 단부(51)로부터 2.45 GHz의 1/8 파장 길이만큼 떨어진 곳에 설치된다. 상기 마이크로웨이브 런쳐(52), 아이솔레이터(54), 마이크로웨이브 커플러(56)는 플렌지(53)들로 연결되어지며 직사각형 또는 원통형의 도파관 형태가 바람직하다. Referring to FIG. 4, the
상기 마이크로웨이브 커플러(56)는 마이크로웨이브 에너지를 도파관에서 동축선로로 동축선로에서 도파관으로 커플링하는 것이며 커플링 안테나(57)의 형상은 문손잡이(Door Knob), 원통형, 혼(Horn) 형태 등일 수 있으며 커플러 단부(59)로부터 1/4 파장 길이만큼 떨어진 위치에 설치되는 것이 바람직하다. The
상기 입사된 마이크로웨이브(48)가 플라즈마와의 비정합에 의해 또는 상기 마이크로웨이브 커플러(56)와의 비정합에 의해 입사된 마이크로웨이브의 일부분이 반사되어 상기 마그네트론(41)에 손상을 입히는 것을 방지하기 위하여 상기 아이솔레이터(54)의 더미(Dummy) 로드(55)는 반사파 에너지를 소비시켜준다. 플라즈마 반응기(100)와 상기 마이크로웨이브 커플러(56)에 설치된 컨넥터(58)와의 연장은 동축 케이블로 이루어진다. 동축 케이블의 임피던스는 50 옴(Ω)인 것이 바람직하다.To prevent the
도 5를 참조하면, 플라즈마 반응기(100)는 크게 내부전극(90), 외부전극(97), 유전체관(99)으로 구성된다. 동축 케이블(105)의 중심전극(91)은 몰리브덴 또는 텅스텐으로 구성된 상기 내부전극(90)과 연장되어 연결되고 상기 동축 케이블(105)의 외부전극(93)은 상기 플라즈마 반응기(100)의 외부전극(97)과 연결된다. Referring to FIG. 5, the
상기 동축 케이블(105)의 중심전극(91)과 외부전극(93)은 직접적인 접촉을 피하기 위하여 테프론(PTFE)과 같은 유전체로 채워져 있으며 동축 케이블(105)과 상기 플라즈마 반응기(100)는 N-Type 동축 컨넥터(미도시)로 서로 연결될 수 있다. The
상기 내부전극(90)은 상기 외부전극(97) 안에서 축 방향으로 연장되며 상기 두 전극의 직접적인 전기 접촉을 피하기 위하여 두 전극 사이에 유전체(102)가 삽입된다. The
상기 유전체관(99)은 열 저항이 큰 석영(Quartz)과 같은 저 손실 유전체로 구성되며 상기 유전체(102)와 상기 외부전극(97) 사이에 삽입되며 상기 외부전극(97)의 단부부터 최소한 마이크로웨이브 파장의 1/4 길이만큼 연장되어 설치되며 탈부착 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다. The
상기 외부전극(97)에는 가스공급부(94)가 설치되며 상기 가스공급부(94)로부터 유입된 가스는 상기 외부전극(97)에 설치된 가스통로(95)를 지나 상기 내부전극(90)과 상기 유전체(102) 사이에 형성된 가스통로(96)를 지나 상기 유전체관(99)으로 유입되어 플라즈마 출구(101)로 빠져 나간다. 상기 가스공급부(94)는 상기 외부전극(97)의 측면에 설치될 수 있음은 물론이다. 상기 동축 케이블(105)의 단부와 연결되는 상기 외부 전극(97)의 단부부터 상기 유전체(102)의 단부까지의 임피던스는 50 Ω인 것이 바람직하다.The
외부에서 충분한 에너지가 공급된다면 상기 내부전극(90)의 단부에서 플라즈마가 발생하여 유전체관을 통해 상기 플라즈마 출구(101)로 용이하게 분출될 수 있다. 그러나 더욱 신뢰성 플라즈마 발생은 상기 유전체관(99)에 설치된 코일(98)에 의해 달성할 수 있다. 상기 코일(98)은 상기 유전체관(99) 내벽에 밀착되어 설치되며 상기 내부전극(90)과는 접촉하지 않는다. 그러므로 상기 코일은 전기 용량(Capacitance)과 전기 유도(Inductance)성의 성분을 가질 수 있다. If sufficient energy is supplied from the outside, plasma may be generated at the end of the
따라서 헬리컬 모양을 하고 있는 텅스텐 코일(98)은 입사된 마이크로웨이브의 작동 주파수에 공명 주파수를 제공하는 공명기(Resonator)로서 작동한다. 상기 코일(98)은 상기 유전체관(99) 내부에 밀착되어 설치되며 상기 내부전극(90)과는 접촉하지 않고 그 끝은 상기 내부전극(90)의 단부에 근접해 있다. 예를 들어, 입사된 마이크로웨이브의 주파수가 2.45 GHz(이 때의 파장은 12.1 cm) 일 때, 상기 코일(98)의 길이는 대략 1.5 cm 내지 2 cm, 피치 0.5 cm, 외경은 0.55 cm, 코일의 두께는 0.2 mm 내지 0.3 mm로 구성하는 것이 바람직하다. The
또한 상기 코일(98)은 작동 주파수와 공명을 일으킬 뿐만 아니라 입사된 마이크로웨이브로 인해 스파크를 일으켜 점화장치의 역할을 하게 된다. In addition, the
도 6은 상술한 본 발명의 실시예의 구성에 따라 발생시킨 플라즈마 사진이다. 사용된 가스는 질소이며 분당 5 리터가 외부전극 측면에서 주입되었으며 이때의 플라즈마 에너지는 2 J 이였다.6 is a plasma photograph generated according to the configuration of the embodiment of the present invention described above. The gas used was nitrogen and 5 liters per minute were injected from the side of the external electrode with a plasma energy of 2 J.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성 블럭도,1 is a block diagram illustrating a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 전원공급부와 마이크로웨이브 주파수 발진기를 보여주는 단면도,2 is a cross-sectional view showing a power supply unit and a microwave frequency oscillator of the plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 전원공급부의 전압파형을 보여주는 그래프,3 is a graph showing a voltage waveform of a power supply unit of a plasma generator according to an embodiment of the present invention;
도 4은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 전송선로를 보여주는 단면도,4 is a cross-sectional view showing a transmission line of a plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 플라즈마 반응기의 구성을 보여주는 단면도,5 is a cross-sectional view showing the configuration of a plasma reactor of the plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 플라즈마 방전을 촬영한 사진이다.6 is a photograph of the plasma discharge of the plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
10: 외부입력부 20: 전원공급부10: external input unit 20: power supply unit
30: 인터페이스 40: 주파수 발진기 30: interface 40: frequency oscillator
50: 전송선로 80: 가스공급부 50: transmission line 80: gas supply unit
90: 내부전극 97: 외부전극90: internal electrode 97: external electrode
98: 코일 99: 유전체관 98: coil 99: dielectric tube
100: 플라즈마 반응기 105: 동축 케이블100: plasma reactor 105: coaxial cable
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070074276A KR20090011059A (en) | 2007-07-25 | 2007-07-25 | Apparatus for generating plasma |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020070074276A KR20090011059A (en) | 2007-07-25 | 2007-07-25 | Apparatus for generating plasma |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20090011059A true KR20090011059A (en) | 2009-02-02 |
Family
ID=40682255
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020070074276A KR20090011059A (en) | 2007-07-25 | 2007-07-25 | Apparatus for generating plasma |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
KR (1) | KR20090011059A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012044060A2 (en) * | 2010-09-28 | 2012-04-05 | (주)트리플코어스코리아 | Microwave generation device, driving method of device thereof, and waste gas removal system |
CN111380401A (en) * | 2020-04-13 | 2020-07-07 | 武汉大学 | Microwave air plasma shell shooting device |
KR20210093491A (en) * | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 주식회사 피에스엠 | Low temperature microwave plasma generator of hand type |
-
2007
- 2007-07-25 KR KR1020070074276A patent/KR20090011059A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012044060A2 (en) * | 2010-09-28 | 2012-04-05 | (주)트리플코어스코리아 | Microwave generation device, driving method of device thereof, and waste gas removal system |
KR20120032204A (en) * | 2010-09-28 | 2012-04-05 | (주)트리플코어스코리아 | Microwave generator and driving method thereof, and system for eliminating waste gases |
WO2012044060A3 (en) * | 2010-09-28 | 2012-06-21 | (주)트리플코어스코리아 | Microwave generation device, driving method of device thereof, and waste gas removal system |
KR20210093491A (en) * | 2020-01-20 | 2021-07-28 | 주식회사 피에스엠 | Low temperature microwave plasma generator of hand type |
CN111380401A (en) * | 2020-04-13 | 2020-07-07 | 武汉大学 | Microwave air plasma shell shooting device |
CN111380401B (en) * | 2020-04-13 | 2021-05-04 | 武汉大学 | Microwave air plasma shell shooting device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100946434B1 (en) | Microwave plasma nozzle with enhanced plume stability and heating efficiency, plasma generating system and method thereof | |
EP1034747A1 (en) | Electrosurgery system and instrument | |
US10064263B2 (en) | Cold plasma treatment devices and associated methods | |
CN107801286B (en) | Microwave plasma excitation system based on dielectric barrier discharge pre-ionization | |
EP2599506B1 (en) | Applicator for microwave plasma sterilisation | |
US6432260B1 (en) | Inductively coupled ring-plasma source apparatus for processing gases and materials and method thereof | |
CN110573187A (en) | Device for sterilizing instrument channels of a surgical scoping device | |
EP2159819B1 (en) | Plasma generator | |
JPH0219600B2 (en) | ||
JP2005508068A (en) | Device for plasma incision of matter with a specifically tuned high frequency electromagnetic field generator | |
KR100704570B1 (en) | Device for plasma incision of matter with a specifically tuned radiofrequency electromagnetic field generator | |
KR20060134099A (en) | Gas plasma tissue resurfacing instrument | |
WO2002072239A2 (en) | Microwave gas decomposition reactor | |
US20150334815A1 (en) | Electromagnetic wave high frequency hybrid plasma torch | |
Tikhonov et al. | The low-cost microwave plasma sources for science and industry applications | |
JP3553021B2 (en) | Microwave plasma burner | |
KR20090011059A (en) | Apparatus for generating plasma | |
RU2171554C2 (en) | Method of plasma generation and device for its realization | |
RU120309U1 (en) | MICROWAVE PLASMATRON | |
Tikhonov et al. | The Low-Cost Microwave Source of Non-Thermal Plasma | |
JPH11260593A (en) | Plasma generating apparatus | |
JP5026169B2 (en) | Plasma processing equipment | |
GB2464501A (en) | Plasma Applicators for Sterilisation | |
JP5275092B2 (en) | Plasma processing equipment | |
WO1982001101A1 (en) | Magnetron |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E902 | Notification of reason for refusal | ||
E601 | Decision to refuse application |