KR20100015978A - 플라즈마 발생기를 위한 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마이크로파(microwave)의 여기(excitation)을 통한 대기압 또는 근-대기압에서의 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 발생기의 전극(electrode)에 대한 것이다. 본 발명은 마이크로파의 여기를 통하여 대기압 또는 근-대기압에서 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생기를 위한 전극에 있어서, 상기 전극은 길이방향으로 연장되고 마이크로파의 개방 회로 전압의 파장의 1/4과 동일한 길이 또는 개방 회로 전압의 파장의 1/4의 배수와 동일한 길이를 갖는 적어도 하나의 슬롯(2)을 갖는 박판 금속 스트립(1)을 포함함으로써, 적어도 두 개의 부분 전극들(3)이 형성되고, 상기 전압은 폐쇄된 슬롯의 하나의 단부 또는 단부들의 영역에서 부분 전극들(3)로 공급된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 작은 전력 수준에서, 특히 대기압에 가까운 압력 범위에서도 신뢰성있게 점화하고, 충분히 높은 밀도의 플라즈마를 생성하여 높은 효율로 지속적인 가스 흐름을 활성화할 수 있는 플라즈마 발생기를 위한 전극을 제공할 수 있다는 이점이 있다.

플라즈마, 전극, 점화

Description

플라즈마 발생기를 위한 전극{Electrode for a plasma generator}

본 발명은 마이크로파(microwave)의 여기(excitation)을 통한 대기압 또는 근-대기압에서의 플라즈마 발생을 위한 플라즈마 발생기의 전극(electrode)에 대한 것이다.

최근, 적절한 낮은 온도의 플라즈마를 비진공상태에서 발생시키기 위한 다양한 시도가 있다. 그러한 반응기(reactor)들은 코로나(corona) 방출 또는 백열광(glow) 방출로 동작한다. 이와 같은 타입의 플라즈마 발생기에 대한 개요는 라루씨(Laroussi)의 대기압 플라즈마에 의한 생물학적 매질의 비열성(non-thermal) 정화: 리뷰, 분석 및 가능성, IEEE 플라즈마 과학 회보, 제30권, No.4, 2002년 8월, 페이지 1409 내지 1415, 또는 슛제 등(Schutze et al.)의 대기압 플라즈마 분출(Jet): 기타 플라즈마 소스(sources)에 대한 리뷰 및 비교, 동권 제26권, No.6, 1998년 12월에서 찾을 수 있다. 이들에 설명된 플라즈마 반응기들은 특히 생물학적 그리고 의료적 목적으로 사용되기에 적절하다. 진공 상태에서 동작하는 플라즈마 반응기와 관련된 고비용 문제와 더불어, 감소된 압력 작용은 빈번하게 실행불가능하여 플라즈마는 반드시 대기압에서 사용되어야 한다. 게다가 어떤 폴리머들이나 민감한 식품 등과 같이 진공상태로의 노출에 민감한 물질들은 대기압 또는 근대기 압에서 낮은 온도의 플라즈마와 함께 다루어질 수 있다.

플라즈마 발생기는 비록 고전력이 점화시에만 요구되더라도 고전력 전력 공급기를 요구한다.

전극 배치는 항상 점화 특성과 안정된 플라즈마 작용 사이에서의 절충을 요구한다. 점화에 적합한 작은 전극 배치는 매우 작은 플라즈마의 용적과 매우 국부적으로 집중된 전극의 응력을 야기한다. 보다 큰 전극 배치는 극도로 높은 점화 전압과 불안정한 플라즈마 작용을 초래한다.

본 발명의 목적은 작은 전력 수준에서, 특히 대기압에 가까운 압력 범위에서도 신뢰성있게 점화하고, 충분히 높은 밀도의 플라즈마를 생성하여 높은 효율로 지속적인 가스 흐름을 활성화할 수 있는 플라즈마 발생기를 위한 전극을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 전극에 대한 본 발명에 의하여 달성된다. 유리한 실시예들은 종속항에 기재되었다.

따라서, 전극은 마이크로 파의 개방회로 전압의 파장의 1/4과 동일하거나 그 배수의 길이를 갖도록 길이방향으로 연장된 적어도 하나의 슬롯을 갖는 박판(sheet) 금속 스트립(strip)으로 만들어진다. 그리하여 적어도 두개의 부분적인 전극들이 형성된다. 이때 전압은 폐쇄된 슬롯의 하나의 단부 또는 단부들의 영역에서 부분적인 전극들로 공급된다.

본 발명의 전극은, 개방 회로 조건 하에서 여기 주파수(excitation frequency)를 고려할 때, 플라즈마가 점화되는 높은 전계 강도(field strength)의 기하학적 위치를 산출한다. 플라즈마가 점화된 이후, 전극 구조에서의 전계 분포(field distribution)는 플라즈마 임피던스에 의해 변화하고, 플라즈마는 다른 위치로 이동하고/이동하거나 전극 슬롯 내부로 넓어져서 더 큰 용적으로 확장된다.

전극의 구조는 그 구조의 주파수-종속 공진 특성을 이용하고 미리 정의된 위치에서 플라즈마 점화를 가능하게 하는 높은 전기 전계 강도를 발생시킨다. 강한 장(field)은 일반적으로 적어도 두 개의 마주보는, 가깝게 위치한 전극에서 생성된다. 전력이 마이크로파의 형태 내의 적절한 위치에서 구조물을 향해 안내될 때, 높은 교류 전위차가 슬롯의 단부에서 발생된다. 결론적인 전계 강도는 마주 보는 전극들 사이의 작은 간격으로 인하여 매우 높아진다. 공급되는 전력이 충분히 높을 때, 플라즈마는 전기적 전계 강도가 가장 높은 위치에서 대기압 또는 대기압과 가까운 압력에서 점화될 수 있다. 점화 후, 점화시 요구된 전력의 일부는 작용을 지속하기 위하여 필요하다. 공급되는 전력의 주파수는 전극의 물리량에 종속된다. 특히, 슬롯의 길이는 주파수에 현저한 영향을 갖으며, 대략 파장의 4/1의 배수와 동일하다.

전력은 예를 들어 동축 전선으로 한쪽이 개방된 슬롯에 공급되고, 동축 전선의 내부 도체는 개방 회로 작용에서 대략적인 정합(matching)이 일어나는 슬롯의 한쪽 위치로 이어진다.

양쪽이 모두 폐쇄된 슬롯을 갖는 구성 또한 가능하다. 가장 높은 전기장과 그로 인한 플라즈마는 따라서 슬롯의 중앙에서 발생된다. 유리하게도, 전극은 여기서 U-형 또는 원형으로 구부러질 수 있다.

후자의 경우, 전력은 예를 들어 동축 전선에 의해 공급되며, 이때 내부의 도체는 T 형상으로 분기되고 두개의 슬롯 단부의 영역에서 전극으로 두 방향에서 이어진다.

예를 들어, 처리 가스(process gas)들의 취급을 위하여, 전극은 처리 가스를 공급하기 위한 하나의 개구부와, 플라즈마에 의한 활성화에 이어 처리 가스를 방출하기 위한 또 다른 개구부를 갖는 보호 하우징에 의하여 둘러싸인다. 개구부들은 허용가능한 수준에서 마이크로파 에너지의 방사를 유지할 수 있는 크기를 갖는다.

바람직한 실시예에서, 전극은 주파수 결정 소자(element)를형성하는 전극 자체와 함께 프리러닝(free-running) 오실레이터 회로에 의해 동력을 받는다. 오실레이터 회로와 전극은 하나의 유닛으로 집적될 수 있다.

바람직하게는, 전극은 의료적 처치의 응용, 특히 인간의 피부의 치료 뿐 아니라 제조 공정상의 제품(workpiece)의 표면 에너지의 조절이나 플라즈마-화학 증착(plasma-chemical deposition)을 위해 사용될 수 있다.

본 발명은 지금으로부터 두 개의 대표적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

첨부된 도면은 다음과 같다:

도 1은 본 발명에 따른 공진기의 전극의 하나의 예.

도 2는 공진기의 전극의 폐쇄구조의 하나의 예.

도 3은 하우징에 삽입된 도 2의 공진기.

**도면 부호 리스트**

1 박판 금속 스트립

2 슬롯

3 부분 전극

4 내부 도체

5 동축 전선

6 외부 도체

7 하우징

8 가스 공급선

9 가스 방출선

도 1은 플라즈마 발생기의 공진기의 대표적인 실시예를 도시한다. 하나의 슬롯(2)이 전극으로 작용하는 박판 금속 스트립(1)에 구비된다. 상기 슬롯(2)은 상기 박판 금속 스트립(1)을 동축 전선(5)의 내부 도체(4)를 통해 상기 박판 금속 스트립(1)으로 공급되는 고주파 전압에서 작용될 때 높은 전기 전계 강도를 발생시키는 두 개의 부분적인 전극들(3)로 나눈다. 상기 슬롯(2)은 전형적으로 λ/4의 길이를 갖는다. 2GHz의 주파수에서 공급 전압으로 작용하는 실제 장치에서 상기 슬롯은 37.5mm의 길이를 갖고, 상기 슬롯의 폭은 0.1mm가 된다. 슬롯의 단부 영역에서 상기 동축 전선(5)의 상기 내부 도체(4)는 공진이 공진기에서 발생되는 위치로 상기 박판 금속 스트립(1)의 외측 가장자리로 연장된다. 상기 동축 전선(5)의 외측 도체(6)는 상기 박판 금속 스트립(1)의 반대쪽에 위치한 박판 금속 스트립(1)의 외측 가장자리로 이어진다.

가해지는 공급 전압은 슬롯의 단부에서 대기압에서 플라즈마를 점화하기에 충분한 높은 전계 강도를 발생시킨다. 점화 후에, 플라즈마는 안정된 특성을 보이면서 상기 슬롯(2)으로 이동하고 용적이 증가한다.

도 2는 U-형상으로 구부러지고 하나의 슬롯(2)을 갖는 박판 금속 스트립(1)으로 만들어진 전극을 보이고 있다. 상기 슬롯(2)은 이 실시예에서 λ/2의 길이를 갖는다. 동축 전선(5)의 내부 도체(4)는 T 형상으로 분기되어 슬롯 단부 영역에서 상기 박판 금속 스트립(1)의 두 개의 서로 마주보는 측으로 연장된다. 외부 도체(6)는 상기 박판 금속 스트립(1)의 반대쪽으로 연결된다. 이와 같은 실시예에서 가장 높은 전계 강도는 상기 슬롯(2)의 중앙, 즉 상기 박판 금속 스트립(1)의 전면 엣지에서 발생된다. 이 위치에서 플라즈마가 점화된 후에는, 플라즈마는 적어도 상기 박판 금속 스트립(1)의 전면 엣지의 전체 영역을 넘어 확장된다.

도 3은 하우징(7)으로 마감된 공진기의 구조를 개략적으로 도시한다. 상기 하우징(7)(여기서는 필수적으로 개방된 구조로 도시된)은 반사할 수 있고 그에 따라 전자기적 방사능이 외부로 누출되는 것을 방지한다. 처리 가스는 후방 하우징 벽에 가스 공급선(8)을, 전방 벽에 홈이 있는(slotted) 가스 방출선(9)을 제공함으로써 이와 같은 플라즈마 발생기와 함께 취급된다.

Claims (11)

1. 마이크로파의 여기를 통하여 대기압 또는 근-대기압에서 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생기를 위한 전극에 있어서,

   상기 전극은 길이방향으로 연장되고 마이크로파의 개방 회로 전압의 파장의 1/4과 동일한 길이 또는 개방 회로 전압의 파장의 1/4의 배수와 동일한 길이를 갖는 적어도 하나의 슬롯(2)을 갖는 박판 금속 스트립(1)을 포함함으로써, 적어도 두 개의 부분 전극들(3)이 형성되고, 상기 전압은 폐쇄된 슬롯의 하나의 단부 또는 단부들의 영역에서 부분 전극들(3)로 공급됨을 특징으로 하는 전극.
2. 제1항에 있어서,

   상기 슬롯(2)은 그 양단 중 하나에서는 폐쇄되고, 다른 하나에서는 개방됨을 특징으로 하는 전극.
3. 제1항에 있어서,

   상기 슬롯(2)은 그 양단이 모두 폐쇄됨을 특징으로 하는 전극.
4. 제3항에 있어서,

   상기 전극은 U-형으로 구부러짐을 특징으로 하는 전극.
5. 제3항에 있어서,

   상기 전극은 원형으로 구부러짐을 특징으로 하는 전극.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전극은 동축 피드(feed)(5)를 통해 동력을 공급받고, 내부 도체(4)가 개방 회로 조건에서 대략적인 정합이 이루어지는 위치로 상기 슬롯의 일측으로 연장되는 것을 특징으로 하는 전극.
7. 제3항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극은 동축 피드(5)를 통해 동력을 공급받고, 내부 도체(4)가 T 형상으로 분기되어 두 개의 슬롯 단부 영역에서의 양측의 전극으로 연장됨을 특징으로 하는 전극.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 전극은 보호 하우징(7)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 전극.
9. 제8항에 있어서,

   상기 보호 하우징(7)은 처리 가스를 공급하기 위한 하나의 개구부와, 플라즈마에 의해 활성화된 처리 가스를 방출하기 위한 다른 하나의 개구부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전극.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 전극은 프리러닝(free-running) 오실레이터 회로에 의해 동력을 공급받고, 상기 전극 자체는 주파수 설정 소자인 것을 특징으로 하는 전극.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 전극은 오실레이터 회로와 함께 집적됨을 특징으로 하는 전극.

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