KR20110088021A - 상압 플라즈마 장치 및 이를 위한 도파관 - Google Patents
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Abstract
상압 플라즈마 장치 및 이를 위한 도파관이 제공된다.
본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치는 전자기파를 공급하는 발진기과, 상기 발진기로부터 입사된 상기 전자기파가 전송되는 도파관을 포함하는 상압 플라즈마 장치에 있어서, 상기 도파관은 적어도 하나 이상의 높이 단차를 가지며, 최종 낮은 높이부를 포함하는 도파관 영역에서 플라즈마가 발생되며, 상압 플라즈마 장치는 하나 이상의 높이 단차를 갖는 도파관을 통하여 인가되는 집중 효과와, 발생한 플라즈마를 안정되게 유지하는 효과를 동시에 달성시킬 수 있다.
본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치는 전자기파를 공급하는 발진기과, 상기 발진기로부터 입사된 상기 전자기파가 전송되는 도파관을 포함하는 상압 플라즈마 장치에 있어서, 상기 도파관은 적어도 하나 이상의 높이 단차를 가지며, 최종 낮은 높이부를 포함하는 도파관 영역에서 플라즈마가 발생되며, 상압 플라즈마 장치는 하나 이상의 높이 단차를 갖는 도파관을 통하여 인가되는 집중 효과와, 발생한 플라즈마를 안정되게 유지하는 효과를 동시에 달성시킬 수 있다.
Description
본 발명은 상압 플라즈마 장치 및 이를 위한 도파관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나 이상의 높이 단차를 갖는 도파관을 통하여 인가되는 집중 효과와, 발생한 플라즈마를 안정되게 유지하는 효과를 동시에 달성시킬 수 있는 상압 플라즈마 장치 및 이를 위한 도파관에 관한 것이다.
종래의 플라즈마 발생장치는 전자파를 전송하는 도파관과, 플라즈마 임피던스를 조정하는 3-스터브와, 플라즈마가 발생되어지는 플라즈마 발생부를 포함하며, 플라즈마 발생부에는 방전관이 구비된다. 상기 도파관으로 전자파가 전달되면, 상기 도파관의 플라즈마 발생부에는 전계가 집중되고 플라즈마가 발생된다.
따라서, 도파관은 전계를 얼마나 효과적으로 집중시킬 수 있는가가 중요한 설계 요인으로 작용한다.
도파관의 구조는 종래의 직사각형 형태의 플랫(flat)한 구조에서, 점차 그 높이가 줄어드는 구조로 발전되었다.
도 1은 대한민국 공개특허공보 10-2008-0033408호(이하 선행기술)에 개시된 플라즈마 반응기의 전체 모식도이다.
도 1을 참조하면, 상기 선행기술에 따른 플라즈마 반응기는 도파관에서 인가되는 전계(전자기파)를 밀집시키기 위하여 높이가 소정 각도로 줄어드는 테이퍼된 형상을 가지며, 상기 도파관의 후단에는 전기장이 인가되어 플라즈마가 발생하는 반응기 챔버가 구비된다. 하지만, 선행 기술은 반사되는 전자파를 최소화하기 위한 구성으로 테이퍼된 도파관을 개시하나, 실제 플라즈마가 발생하는 챔버에서의 실제 전기장의 집중 효과는 도파관 후단에 비하여 감소하는 문제가 있다.
따라서 본 발명이 해결하려는 과제는 상대적으로 보다 낮은 전력으로도 전기장 집중을 극대화시킬 수 있는 새로운 구조의 도파관과, 이를 이용한 상압 플라즈마 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전자기파를 공급하는 발진기과, 상기 발진기로부터 입사된 상기 전자기파가 전송되는 도파관을 포함하는 상압 플라즈마 장치에 있어서, 상기 도파관은 적어도 하나 이상의 높이 단차를 가지며, 최종 낮은 높이부를 포함하는 도파관 영역에서 플라즈마가 발생되는, 상압 플라즈마 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 플라즈마가 발생하는 낮은 높이부의 높이는 상기 전자기파가 입사되는 도파관의 최초 높이보다 낮으며, 상기 도파관의 높이 단차 중 적어도 어느 하나는 소정 각도만큼 연속적으로 높이가 감소하는 테이퍼 구조로 구현된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 도파관의 높이 단차 중 적어도 어느 하나는 90도로 높이가 감소되며, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 낮은 높이부는 테이퍼 구조로 높이가 감소된다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 높이 단차는 모두 소정 각도만큼 연속적으로 높이가 감소하는 테이퍼 구조로 모두 구현된다.
본 발명은 또한 이중 테이퍼 구조의 도파관으로서, 상기 테이퍼 도파관은
소정 높이의 제 1 높은 높이부; 상기 제 1 높은 높이부의 단부에 연결되어 소정각도로 높이가 감소하는 제 1 테이퍼부; 상기 제 1 테이퍼부 단부에 연결된 제 2 높은 높이부; 상기 제 2 높은 높이부의 단부에 연결된 제 2 테이퍼부; 및 상기 제 2 테이퍼부의 단부에 연결된 낮은 높이부를 포함하는 도파관을 포함하는 상압 플라즈마 장치를 제공한다.
본 발명에서 플라즈마는 상기 낮은 높이부 또는 제 2 테이퍼부 또는 그 경계 영역에서 발생하며, 상기 제 2 높이부의 높이는 상기 제 1 테이퍼부의 단부 높이보다 더 클 수 있다.
본 발명에서 상기 제 2 높은 높이부는 소정 크기 이상의 길이를 갖거나, 0의 길이를 가질 수 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 상술한 상압 플라즈마 장치에 사용되는 구조의 도파관를 제공한다.
본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치는 2 개 이상의 높이 단차를 갖는 도파관을 통하여 인가되는 집중 효과와, 발생한 플라즈마를 안정되게 유지하는 효과를 동시에 달성시킬 수 있다.
도 1은 대한민국 공개특허공보 10-2008-0033408호(이하 선행기술)에 개시된 플라즈마 반응기의 전체 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도파관의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도파관의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도파관의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도파관의 단면도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
본 발명은 1 개 이상의 높이 단차를 갖는 도파관을 통하여 인가되는 집중 효과와, 발생한 플라즈마를 안정되게 유지하는 효과를 동시에 달성시킬 수 있다.
여기에서 높이는 전자기파가 인가되는 도파관의 일 방향에서의 길이를 의미하고, 낮은 높이는 그 길이가 짧아져서 전자기파가 집중되는 영역을 의미한다.
본 발명자는 종래 기술과 같이 그 높이가 연속적으로 또는 비연속적으로 감소하는 도파관의 경우, 평행한 도파관에 비하여 전자기파의 집중 효과가 발생하는 점은 인정되나, 그 효과가 생각보다 크지 않다는 점에 주목하였고, 이를 개선하고자 적어도 하나 이상의 높이 단차를 도파관에 구비시킴으로써, 공명(resonance)에 의한 전자기파 집중 효과를 극대화시킴과 동시에, 최종적으로 전자기파가 반사되는 도파관 단부에 낮은 높이부를 구성하고, 상기 낮은 높이부를 포함하는 영역에서 플라즈마를 발생시켜, 전자기파의 밀집, 집중과 동시에 개선된 플라즈마 안정성을 동시에 달성하였다. 본 명세서에서 사용되는 높이 단차는 도파관의 높이가 줄어들었다가 다시 커지는 기술적 구성으로서, 높이가 낮아지는 일 부분과 높아지는 일 부분을 포함하는 구조를 의미한다.
상기 기술적 구성으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관은 최초의 도파관 높이보다 낮은 높이의 최종 도파관 단부를 포함하며, 그 사이에 적어도 1개 이상의 높이 단차를 두게 된다. 상술한 바와 같이 본 명세서에서의 높이 단차는 높이가 줄어든 후, 다시 커지는 구조를 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관의 단면을 나타내는 도면이다. 하지만, 본 발명은 하기의 도파관 형상에 그 범위가 한정되지 않는다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 도파관(200)은 이중 테이퍼 구조로서, 상기 도파관(200)은 먼저 마그네트론과 같은 발진기로부터 발생한 전자기파가 인가되는 제 1 높은 높이부(210)와 상기 제 1 높은 높이부(210)의 단부와 연결되어, 소정각도로 그 높이가 감소되는 제 1 테이퍼부(220)를 포함한다. 상기 제 1 테이퍼부(220)를 거치면서, 전자기파는 집중, 밀집된다.
상기 제 1 테이퍼부(220) 후단의 단부(여기에서 후단은 전자기파가 인가되는 방향에서의 후단을 의미한다)에는 다시 소정 길이의 평행한 구조의 제 2 높이부(230)가 구비되며, 제 1 높이부-테이퍼부-제 2 높이부를 거치면서 도파관의 높이는 줄어들었다가 다시 커지게 된다(높이 단차 발생). 이로써, 제 1 테이퍼부(220)에서 밀집, 집중된 전자기파는 제 2 높이부(230)에서 공진 효과를 발생하게 되는데, 종래의 소정 각도로 줄어들기만 하는 도파관은 에너지가 밀집되어 반사되면 도파관 끝에서 끝까지 반사되어 가지만, 본 발명에 따른 도파관은 반사된 에너지가 반사되는 방향에서 볼 때 두 번째로 높이가 줄어든 부분(도 2에서는 제 1 테이퍼부 후단)에 의해 더 이상 반사가 진행되지 못하게 된다. 그 결과 인가되는 방향에서 첫 번째로 높이가 줄어든 부분(제 1 테이퍼부 이내)에서만 전자기파가 보다 밀집하게 된다. 따라서, 두 번째로 높이가 줄어든 부분(제 2 테이퍼부) 위치에 따라 전기장의 세기가 달라짐으로 보아 특정 파장 부분을 집중 또는 소멸시킴으로써 첫 번째로 줄어든 높이부에서 보다 강한 전기장이 나타나며, 이는 결국 전체적인 전기장 세기 증가로 이어진다. 제 2 높이부의 높이는 다양하게 구성할 수 있으나, 공진 효과 측면에서 볼 때 적어도 제 1 도파관 후단의 높이(h1) 보다 큰 것이 바람직하다.
상기 제 2 높이부(230)의 후단에는 다시 제 2 테이퍼부(240)이 구비되는데, 이로써 제 2 높이부(230)를 거친 전자기파는 다시 집중되며, 상기 제 2 테이퍼부(240) 후단에 연결된 낮은 높이부(350)에서 전자기파가 집중되며, 이때 도파관의 최종 단부(250a)에서 반사된 전자기파와 두 개의 높이 단차(제 1 높이부와 제 1 테이퍼부, 제 2 높이부와 제 2 테이퍼부)를 거치면서 극대화된 전자기파는 상기 낮은 높이부(250)에서 집중, 극대화된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도파관의 단면도로서, 상기 제 2 높이부는 소정의 길이를 구비하지 않으며, 연속적인 이중 테이퍼 구조를 갖는다. 즉, 제 1 높이부(210)과 제 1 테이퍼부(220)를 포함하며, 제 1 테이퍼부(220)의 단부에 바로 제 2 테이퍼부(230)이 구비된다. 즉, 상기 구성에서 제 2 높이부의 길이는 0가 되나, 도 2와 동일하게 1 개의 높이 단차(높이가 줄어든 후 다시 커지는 구성)가 구성됨을 알 수 있다.
도 2와 3에서는 도파관의 높이 단차를 테이퍼 구조로써 구현한 기술적 구성을 개시한, 테이퍼 구조가 아닌 90도 각도로 단순히 높이 단차를 두는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 도파관의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 도파관은 제 1 높이부(410)와 제 2 높이부(430) 사이에 또 다른 낮은 높이부(420)가 구비된다. 즉, 90도 각도로 감소되는 낮은 높이부를 거치면서, 전자기파는 정류되며, 보다 큰 높이의 제 2 높이부(430)에서 전자기파의 공명, 공진 효과가 발생한다.
이후, 제 2 높이부(430) 후단에는 테이퍼부(440)가 구비되며, 이를 거치면서 공명, 공진된 전자기파는 집중된다. 상기 테이퍼부(440) 후단에는 다시 제 2 낮은 높이부(450)이 구비되며, 단부에서 반사된 전자기파와 테이퍼부를 거치면서 집중된 전자기파는 낮은 높이부에서 집중된다.
따라서, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치의 플라즈마 발생 영역(지점)은 다단의 높이 단차를 갖는 도파관의 마지막에 구비된 낮은 높이부 전부 또는 적어도 그 일부를 포함하는 영역이 된다. 이로써, 생성된 플라즈마가 공정 가스의 유량 변화 등에도 불구하고, 안정되게 유지될 수 있다.
이와 같이 높이 단차는 소정 각도로 일정 길이 동안 높이가 감소하는 테이퍼 구조 또는 90도로 감소되는 직각 구조의 형태로 구현될 수 있으며, 적어도 최초의 높이 단차부를 거친 전자기파는 최초 높이 단차부보다 더 큰 체적의 영역으로 진입하게 된다. 본 발명은 더 나아가 1 개 이상의 높이 단차를 가지며, 도파관의 최종 낮은 높이부에서 플라즈마가 발생하는, 임의의 모든 도파관을 본 발명의 범위로 청구한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조의 도파관에 대한 실험 결과를 나타내며, 도 6은 단순히 높이가 연속적으로 감소하는 도파관에 대한 결과를 나타낸다.
도 5 및 6을 참조하면, 본 발명에 따라 1 개 이상의 높이 단차를 갖는 도파관의 끝 부분(즉, 낮은 높이부를 포함하는 테이퍼부)에서 발생한 플라즈마의 세기(도면의 E-filed에 대응됨)가 높이단차 없이 연속적으로 높이가 감소하는 종래기술에 따른 도파관에 비하여 보다 월등히 높다는 것을 알 수 있다.
Claims (12)
- 전자기파를 공급하는 발진기과, 상기 발진기로부터 입사된 상기 전자기파가 전송되는 도파관을 포함하는 상압 플라즈마 장치에 있어서, 상기 도파관은 적어도 하나 이상의 높이 단차를 가지며, 최종 낮은 높이부를 포함하는 도파관 영역에서 플라즈마가 발생되는, 상압 플라즈마 장치.
- 제 1항에 있어서,
플라즈마가 발생하는 낮은 높이부의 높이는 상기 전자기파가 입사되는 도파관의 최초 높이보다 낮은, 상압 플라즈마 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 도파관의 높이 단차 중 적어도 어느 하나는 소정 각도만큼 연속적으로 높이가 감소하는 테이퍼 구조로 구현된, 상압 플라즈마 장치. - 제 1항에 있어서,
상기 도파관의 높이 단차 중 적어도 어느 하나는 90도로 높이가 감소되는 구조로 구현된, 상압 플라즈마 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 낮은 높이부는 테이퍼 구조로 높이가 감소된, 상압 플라즈마 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 높이 단차는 소정 각도만큼 연속적으로 높이가 감소하는 테이퍼 구조로 모두 구현된, 상압 플라즈마 장치. - 제 3항에 있어서,
상기 도파관은 이중 테이퍼 구조를 가지며,
상기 테이퍼 도파관은
소정 높이의 제 1 높은 높이부;
상기 제 1 높은 높이부의 단부에 연결되어 소정각도로 높이가 감소하는 제 1 테이퍼부;
상기 제 1 테이퍼부 단부에 연결된 제 2 높은 높이부;
상기 제 2 높은 높이부의 단부에 연결된 제 2 테이퍼부; 및
상기 제 2 테이퍼부의 단부에 연결된 낮은 높이부를 포함하는,
, 상압 플라즈마 장치. - 제 7항에 있어서,
플라즈마는 상기 낮은 높이부 또는 제 2 테이퍼부 또는 그 경계 영역에서 발생하는, 상압 플라즈마 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 2 높이부의 높이는 상기 제 1 테이퍼부의 단부 높이보다 더 큰, 상압 플라즈마 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 2 높은 높이부는 소정 크기 이상의 길이를 갖는, 상압 플라즈마 장치. - 제 7항에 있어서,
상기 제 2 높은 높이부의 길이는 0인, 상압 플라즈마 장치. - 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 상압 플라즈마 장치용 도파관.
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