KR20090024913A - 공기 청정기용 플라즈마 발생 모듈 - Google Patents

공기 청정기용 플라즈마 발생 모듈 Download PDF

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Abstract

공기 청정기에 적용 가능하도록 플라즈마 발생이 용이하고 습도의 영향을 최소화 할 수 있는 플라즈마 발생 모듈이 개시된다. 본 발명에 따른 플라즈마 발생 모듈은 유전체 내부에 플라즈마 발생을 위한 상부 전극과 하부 전극, 및 하부 전극의 하측에 전극을 가열하기 위한 히터가 임베딩되어 있는 것을 특징으로 한다.
공기 청정기, LTCC, 플라즈마, 전극, 히터

Description

공기 청정기용 플라즈마 발생 모듈{Plasma Generation Module For Air Cleaner}
본 발명은 공기 청정기에 적용할 수 있는 플라즈마 발생 모듈(Plasma Generation Module: PGM)에 관한 것이다. 보다 상세하게는 내부에 수동 소자인 저항체를 내장시킴으로써 저항체의 발열을 통하여 플라즈마 발생이 용이하고 플라즈마가 안정적으로 유지되며 습도의 영향을 최소화할 수 있는 공기 청정기용 플라즈마 발생 모듈에 관한 것이다.
공기 청정기란 공기에 포함되어 있는 먼지 및 세균을 없애고 나쁜 냄새를 제거함으로써 오염된 공기를 정화하여 신선한 공기로 바꾸는 장치를 말한다.
공기 청정기의 공기 청정 방식으로는 오염된 공기를 필터에 통과시켜 필터가 오염 물질을 걸러주는 필터 방식이 주로 채용되어 왔다. 통상적으로 필터 방식이란 공기를 순환하는 미세 먼지들을 HEPA(High Efficiency Particulate Air) 필터를 이용하여 제거하는 방식을 의미한다. HEPA 필터는 건식 여과 방식에 있어서 지름이 0.3 마이크론 내외의 입자에 대해 최소한 99.97% 이상의 여과 효율을 보이는 필터이다.
하지만 필터 방식만으로는 오염된 공기를 효과적으로 처리할 수 없기 때문에, 최근에는 청정 효율을 높이기 위하여 필터 방식과 음이온 방식, 광 촉매 방식 또는 플라즈마 방식 등이 조합된 혼합 방식의 공기 청정기가 각광을 받고 있는 실정이다.
한편 플라즈마 방식이란 플라즈마에 의해 공기 중의 유해한 세균이나 박테리아 등의 살균과 미세 먼지를 제거하는 방식으로서, 플라즈마를 발생하는 방법에 따라 크게 코로나 방전 또는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge: DBD)으로 구별된다.
코로나 방전은 뾰쪽한 금속 팁 선단에 고전압을 인가하여 플라즈마를 발생하는 방식으로서, 플라즈마 발생을 위하여 고전압을 인가해야 하고, 플라즈마가 전극의 가장 가까운 부분에 집중되어 효율이 저하되고 균일한 방전이 이루어 지지 않으며, 플라즈마 발생과 동시에 다량의 오존이 형성되어 인체에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 등의 여러 가지 문제점이 있었다.
유전체 장벽 방전은 고전압 전극과 접지 전극 사이에 유전체를 삽입하고 고전압 전극에 교류 전압을 인가하면 전자들이 두 전극 사이의 전기장 영역에서 가속되어 주입된 가스를 이온화시켜 플라즈마를 발생시키는 방식으로서, 플라즈마 발생을 위하여 고전압을 인가할 필요가 없고 비교적 플라즈마 발생이 용이하여 오염물의 세정 및 표면 개질 분야에서 자주 이용되고 있다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 유전체 장벽 방전의 여러 형태를 예시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 다양한 형태의 2 개의 전극(10) 및 유전체(20)의 배열을 통하여 유전체 장벽 방전에 의한 플라즈마의 발생이 가능하다.
즉, 유전체(20) 외부에 설치되는 두 전극(10)이 유전체(20)를 사이에 두고 서로 마주보는 형태로 배열될 수도 있고(도 1a 참조), 유전체(20) 내부에 설치되는 두 전극(10)이 서로 마주보지 않는 형태로 배열될 수도 있고(도 1b 참조), 유전체(20) 내부에 설치되는 두 전극(10)이 서로 마주보는 형태로 배열될 수도 있다(도 1c 참조).
그러나, 상술한 바와 같은 유전체 장벽 방전은 플라즈마 발생이 외부 환경에 민감하다는 문제점이 있었다. 즉, 유전체 장벽 방전 방식의 공기청정기용 플라즈마 발생 모듈은 습도가 높아지면 플라즈마 발생이 어려워지고, 먼지 또는 하전 입자에 의해 전극이 손상을 받음으로써 사용 시간이 증가함에 따라 플라즈마 발생 효율이 저하되는 단점이 있다.
이에 본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 플라즈마 발생이 용이하고 발생된 플라즈마를 안정적으로 유지할 수 있는 플라즈마 발생 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 습도와 같은 외부 환경 요인에 의한 영향을 최소화시킬 수 있어 다습한 환경에서도 수월하게 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 모듈은 유전체 내부에 플라즈마 발생을 위한 상부 전극과 하부 전극, 및 상기 하부 전극의 하측에 상기 전극을 가열하기 위한 히터가 임베딩되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)일 수 있다.
상기 전극은 Au, Ag, Cu를 포함할 수 있다.
상기 상부 전극은 복수개의 개구를 포함할 수 있다.
상기 히터는 RuO2, IrO2, Bi2Ru2O7, Pb2Ru2O6, Ag-Pd-PdO 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 히터는 프릿 유리를 더 포함할 수 있다.
상기 상부 전극 상에는 보호막이 형성될 수 있다.
상기 하부 전극과 상기 히터 사이에 복수개의 비어가 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 모듈에 내장시킨 히터가 모듈 전체를 가열함으로써 습도의 영향을 최소화 시킬 수 있어 고습도 환경에서도 플라즈마 발생 모듈의 플라즈마 발생이 용이하며 발생된 플라즈마가 안정적으로 유지되는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 발생 모듈 내에 모듈 구동을 위한 구동 회로까지 임베딩시킴으로써 모듈의 신뢰성 향상, 모듈의 소형화 촉진 및 모듈의 제조 비용 절감 등의 효과가 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 모듈(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
도시한 바와 같이, 플라즈마 발생 모듈(100)은 플라즈마 발생을 위한 상부 전극(140)과 하부 전극(160), 하부 전극(160)의 하측에 설치되어 있는 전극(140, 160)을 가열하기 위한 히터(180) 및 전원을 인가하기 위하여 히터(180)에 연결되어 있는 히터 전원선(185)을 포함한다. 또한, 플라즈마 발생 모듈(100)에서 상부 전극(140), 하부 전극(160), 히터(180) 및 히터 전원선(185)은 유전체(120) 내부에 모두 임베딩되어 있다.
먼저, 본 발명에서 플라즈마 발생 모듈(100)의 유전체(120)는 LTCC(Low Temperature Co-Fired Ceramic)인 것을 특징으로 한다.
LTCC는 구성 재료의 고주파 특성이 우수하며 내부에 수동 소자의 실장이 용이하고 소성 온도가 1,000℃ 이하로서 전기 전도도가 우수한 금, 은 또는 구리 등의 저융점의 금속을 내부 전극으로 사용할 수 있다는 등의 장점이 있어서 최근 SOP(System On a Package) 또는 SIP(System In Package) 개념의 패키징용 기판으로 주목을 받고 있다. LTCC에 적용되는 글라스-세라믹 재료에는 예를 들어, 근청석(cordierite) 계통의 SiO2-Al2O3-MgO, SiO2-Al2O3-ZnO, P2O5-B2O3-SiO2 등이 있다.
또한, 본 발명에서 플라즈마 발생 모듈(100)의 플라즈마 발생용 상부(140) 및 하부 전극(160)의 재질은 Au, Ag, Cu 중 어느 하나로 하는 것이 바람직하다. Au, Ag, Cu는 전기 전도도가 아주 우수한 재료이므로 플라즈마 발생시 전극에 의한 저항 손실을 크게 줄일 수 있어서 본 발명의 플라즈마 발생 모듈은 보다 낮은 인가 전압 하에서도 플라즈마 발생이 가능하다.
또한, 본 발명에서 플라즈마 발생 모듈(100)은 유전체 장벽 방전 방식에 의하여 플라즈마를 발생시킨다. 도 2를 참조하면, 플라즈마를 발생시키는 역할을 하는 상부 전극(140) 및 하부 전극(160)으로 구성된 두 개의 전극이 유전체(120)를 사이에 두고 서로 마주 보는 형태로 배치되어 있다. 이와 같은 전극 및 유전체 구조 하에서는 플라즈마가 도 1c에서와 같이 상부 전극(140)의 위쪽에서 발생하게 된 다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 모듈(100)의 상부 전극(140) 및 하부 전극(160)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 상부 전극(140)에는 복수개의 개구(145)가 형성되어 있다. 이와 같은 복수개의 개구에 의하여 상부 전극(140) 상에는 전기장이 집중될 수 있는 에지 면적이 증가함으로써 보다 낮은 인가 전압 하에서도 플라즈마의 발생이 가능하거나 동일한 인가 전압 하에서는 플라즈마 발생 효율, 즉 발생되는 플라즈마의 밀도가 증가하는 효과가 있다. 도 3a에서, 상부 전극(140)의 형상은 직사각형으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 형상의 상부 전극이 적용될 수 있다. 아울러, 상부 전극(140)의 개구(145)의 개수 및 형상도 도 3a에 도시된 바대로 한정되는 것은 아니고 다양한 개수 및 형상의 개구가 적용될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 하부 전극(140)은 개구가 없는 직사각형의 플레이트 형태로 되어 있다. 하부 전극 역시 도 3b에 도시된 바대로 한정되는 것은 아니고 다양한 형상의 하부 전극이 적용될 수 있으나, 하부 전극은 상부 전극과 동일한 형상으로 설계하는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 효율적인 유전체 방전 방식의 플라즈마 발생을 위하여 상부 전극(140)의 크기(또는 면적)를 하부 전극(160)의 크기(또는 면적)보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이와 같은 전극 구조에서는 상부 전극(140)에 교류 전압(미도시)이 연결되고 하부 전극(160)은 접지(미도시)와 연결된다. 상부 전 극(140)에 인가되는 전압은 수 킬로 볼트 내지 수십 킬로 볼트의 범위이다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생 모듈(100)에서 하부 전극(160)의 하측에는 히터(180)가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다. 히터(180)는 발열 가능한 저항체로 구성되며 히터(180)에는 전원을 인가하기 위하여 두 개의 히터 전원선(185)이 연결되어 있다.
히터(180)는 상부 전극(140) 및 하부 전극(160)을 포함하는 플라즈마 발생 모듈(100) 전체를 가열해주는 역할을 하며, 그 결과 플라즈마 발생 모듈에 대한 습도의 영향을 최소화 시킬 수 있어서 고습도 환경에서도 플라즈마 발생이 용이하고 발생된 플라즈마가 안정적으로 유지되는 효과가 있다.
히터(180)는 IrO2, Bi2Ru2O7, Pb2Ru2O6, Ag-Pd-PdO, RuO2 중 어느 하나의 재질을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 히터(180)를 포함하는 플라즈마 발생 모듈(100)의 전체적인 임피던스 매칭을 위하여 히터(180)는 상술한 바와 같은 재료 이외에 프릿 유리(frit glass)를 더 포함할 수 있다. 첨가되는 프릿 유리의 양은 최적의 임피던스 매칭이 유지되는 범위 내에서 결정될 수 있다.
또한, 히터(180)의 저항은 수십 옴 내지 수십 킬로 옴의 범위인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 히터(180)의 열이 보다 용이하게 상부 전극(140) 및 하부 전극(160)으로 전달되도록 하부 전극(160)과 히터(180) 사이에는 복수개의 비어(via)가 형성될 수 있다. 이는 히터(180)의 열이 유전체(120)를 통하여 전달되는 것보다는 비어 내부의 공기를 통하여 전달되는 것이 열 전도의 측면에서 훨씬 유리하기 때문이다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생 모듈(100)에서 상부 전극(140) 상에는 상부 전극(140)의 표면을 보호하기 위한 보호막(미도시)이 형성될 수 있다. 보호막은 발생된 플라즈마 내에 존재하는 이온 등의 하전 입자에 의해 상부 전극이 손상을 입는 것을 방지하는 역할을 한다. 보호막의 재질은 PbO, ZnO, B2O3, MgO, SiO2 중 어느 하나 또는 이들의 결합으로 한다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생 모듈(100)은 플라즈마 발생 영역에 설치되고 광 촉매 물질인 산화 티타늄(TiO2)이 표면에 코팅되어 있는 금속판(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이때 산화 티타늄층은 플라즈마에서 방출되는 자외선과 반응하여 보다 효율적으로 공기 중에 냄새를 제거하는 등 공기 정화 작용을 촉진시킨다. 즉, 자외선이 조사됨에 따라 산화 티타늄층 내부에는 전자-홀 쌍이 만들어지고 이렇게 형성된 전자는 산소와 반응하여 O2 - 이온을 형성하며 홀은 H2O와 반응하여 OH 라디칼을 형성하는데, 이 OH 라디칼은 강력한 산화 작용을 일으킴으로써 공기 중의 유해한 화학 물질을 제거하게 된다.
또한, 본 발명의 플라즈마 발생 모듈(100)은 모듈 내에 안전 회로(미도시)를 포함할 수 있다. 안전 회로는 실제 플라즈마 발생 모듈 동작 과정에서 전극 부위에 손상이 있는 경우 모듈 내에 과도한 전류가 흐르게 될 때 이를 차단하는 퓨즈의 역할을 함으로써 플라즈마 발생 모듈이 완전히 파손되는 것을 방지한다.
본 발명의 플라즈마 발생 모듈은 통상적인 LTCC 제조 과정, 즉 그린 시 트(green sheet)의 제조, 인쇄, 라미네이션(적층), 동시 소성, 후열처리 및 어셈블리의 일련의 제조 공정을 통하여 제조된다. LTCC의 제조 과정에 관한 내용은 이미 공지의 기술이므로 이에 관한 상세한 내용은 본 명세서에서 생략하기로 한다.
한편, 본 발명에서는 플라즈마 발생 모듈의 구동에 필요한 구동 회로 자체가 플라즈마 발생 모듈 내에 임베딩되어 있음으로써 SIP(System In Package) 구현이 가능한 플라즈마 발생 모듈을 제조할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 플라즈마 발생 모듈을 사용하여 SIP 구현이 가능한 이유는 패키징용 기판 소재로서 LTCC를 사용하기 때문이다. 즉, LTCC는 구동 회로의 필수 구성 요소인 레지스터, 커패시터 및 인덕터에 해당되는 수동 소자를 용이하게 임베딩시킬 수 있다. 그 결과, 본 발명의 플라즈마 발생 모듈은 플라즈마 발생용 전극 및 모듈 가열용 히터뿐만 아니라 이들을 구동하는 구동 회로가 모두 LTCC 내부에 임베딩되어 있는 구조로 제조됨으로써, 구동 회로가 플라즈마 발생 모듈 외부에 별도로 설치되어 있는 기존의 플라즈마 발생 모듈과 비교할 때 모듈의 신뢰성 향상, 모듈의 소형화 촉진 및 모듈의 제조 비용 절감 등의 효과가 있다.
또한, 본 발명의 SIP 구현이 가능한 플라즈마 발생 모듈 내에는 트랜스포머가 추가적으로 임베딩될 수 있다. 여기서, 트랜스포머는 플라즈마 발생 모듈 외부에서 인가되는 수십 볼트 범위의 전압을 실제 플라즈마 발생용 전극에 인가되는 수 킬로 볼트의 전압으로 변환시키는 역할을 한다. 트랜스포머 역시 레지스터, 커패시터 및 인덕터의 조합으로 구성된다.
또한, 본 발명의 SIP 구현이 가능한 플라즈마 발생 모듈 내에는 플라즈마 발 생 외부에 설치되어 있는 별도의 기기와 무선 통신이 가능하도록 예를 들어, RF 신호를 수신하고 또한 수신한 RF 신호가 약한 경우 이를 증폭시켜줄 수 있는 예를 들어, 안테나 또는 커플러(coupler)가 추가적으로 임베딩될 수 있다. 안테나 및 커플러 역시 레지스터, 커패시터 및 인덕터의 조합으로 구성된다. 본 발명의 플라즈마 발생 모듈과 통신할 수 있는 외부 기기의 예로서는 플라즈마 발생 모듈 작동용 리모콘 또는 홈 오토메이션 메인 장치를 들 수 있다.
또한, 본 발명의 SIP 구현이 가능한 플라즈마 발생 모듈 내에는 가스 센서 또는 습도 센서가 추가적으로 임베딩될 수 있다. 여기서, 가스 센서는 공기 중에 포함되어 있는 유해 가스의 양을 측정하여 측정 결과가 소정의 한도를 초과하는 경우 자동으로 플라즈마 발생 모듈을 작동시켜 발생된 플라즈마를 이용하여 오염된 공기를 정화시키는 역할을 한다. 또한, 습도 센서는 공기 중에 포함되어 있는 수분의 양을 측정하여 측정 결과가 소정의 한도를 초과하는 경우 플라즈마 발생 모듈 내의 히터를 작동시켜 플라즈마 발생 모듈이 정상적으로 작동되도록 한다.
도 1a 내지 도 1c는 종래의 유전체 장벽 방전의 여러 형태를 예시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 모듈의 구성을 나타내는 도면.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 발생 모듈의 상부 전극 및 하부 전극의 구성을 나타내는 도면.
<주요 도면부호에 관한 간단한 설명>
100: 플라즈마 발생 모듈
120: LTCC
140: 상부 전극
160: 하부 전극
180: 히터

Claims (10)

  1. 유전체 내부에 플라즈마 발생을 위한 상부 전극과 하부 전극, 및 상기 하부 전극의 하측에 상기 전극을 가열하기 위한 히터가 임베딩되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 Au, Ag, Cu를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극은 복수개의 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 RuO2, IrO2, Bi2Ru2O7, Pb2Ru2O6, Ag-Pd-PdO, RuO2 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 히터는 프릿 유리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상부 전극 상에는 보호막이 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하부 전극과 상기 히터 사이에 복수개의 비어가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    플라즈마 발생 영역에 설치되는 산화 티타늄이 코팅된 금속판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
  10. LTCC 내부에 플라즈마 발생을 위한 상부 전극과 하부 전극, 및 상기 전극을 가열하기 위한 히터, 및 상기 전극 및 상기 히터를 구동시키기 위한 구동 회로 상기 구동 회로는 레지스터, 커패시터 및 인덕터 중 적어도 하나의 수동 소자를 포함함 - 가 임베딩되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101355187B1 (ko) * 2012-03-22 2014-01-27 (주)지니아텍 공기 청정기용 플라즈마 발생모듈 및 플라즈마 발생모듈 제조방법

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