KR20110088658A

KR20110088658A - 전자파를 이용한 플라즈마 발생장치 및 이를 위한 도파관

Info

Publication number: KR20110088658A
Application number: KR1020100008263A
Authority: KR
Inventors: 정태환
Original assignee: (주)에스피에스; 정태환
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-08-04
Also published as: WO2011093545A1

Abstract

본 발명은 전자파를 이용한 플라즈마 발생장치 및 도파관에 관한 것으로서, 플라즈마를 발생하는 유전관을 도파관의 테이퍼부 또는 높은 높이의 제 1 도파관에 설치하여 유전관의 직경에 상관없이 안정하고 고밀도인 플라즈마를 생성할 수 있는 전자파를 이용한 플라즈마 발생장치, 특히 상압 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 상압 플라즈마 발생 장치는 전자파를 발진하는 마그네트론이 설치되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되는 것으로서 플라즈마가 생성되는 유전관을 구비한 전자파를 이용한 상압 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 도파관은 제 1 높이를 갖는 제 1 도파관 및 상기 본체의 단부에 구비되어 소정의 각도만큼 감소되는 테이퍼 부를 포함하며, 상기 유전관은 상기 도파관의 테이퍼 부, 제 1 도파관, 또는 테이퍼 부와 제 1 도파관의 경계상에 구비되며, 플라즈마가 발생되는 유전관이 구비되는 도파관의 높이 및 부피가 크므로, 유전관 내 전기장의 총 세기가 강하게 되며, 보다 크고 대용량의 고밀도 플라즈마를 유전관의 직경에 상관없이 달성할 수 있다.

Description

전자파를 이용한 플라즈마 발생장치 및 이를 위한 도파관{PLASMA GENERATION APPARATUS USING ELECTROMAGNETIC WAVES AND WAVEGUIDE FOR THE SAME}

본 발명은 전자파를 이용한 플라즈마 발생장치 및 이를 위한 도파관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대용량의 상압 플라즈마를 안정된 형태로 형성시킬 수 있는 상압 플라즈마 발생장치 및 도파관에 관한 것이다.

기체 상태의 물질에 계속 열을 가하여 온도를 올려주면, 이온핵과 자유전자로 이루어진 입자들의 집합체가 만들어진다. 이를 물질의 세 가지 형태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제4의 물질상태'로 불리며, 이러한 상태의 물질을 플라즈마(plasma) 라고 한다.

플라즈마는 다음과 같이 생성된다. 물질 중에서 가장 낮은 에너지 상태를 가지고 있는 고체에 열을 가하여 온도가 올라가면 액체가 되고 다시 열에너지가 가해지면 기체로 전이를 일으킨다. 계속해서 기체가 더 큰 에너지를 받으면 상태전이와는 다른 이온화된 입자들이 만들어 지게 되며 이때 양이온과 음이온의 총 전하수는 거의 같아진다. 이러한 상태가 전기적으로 중성을 띄는 플라즈마 상태이다.

이 상태는 지구상에서는 흔하지 않은 현상이지만 우주에서는 거의 모든 물질의 정상상태가 플라즈마상태이며 태양의 대기 또한 플라즈마로 채워져 있다. 우리 주변에서 관찰할 수 있는 플라즈마 상태로는 조명등으로 사용하고 있는 형광등과 길거리에서 흔하게 볼 수 있는 네온사인, 그리고 자연현상으로는 소나기가 쏟아지면서 자주 발생하는 번갯불과 같은 것들이 있으며 북극지방 밤하늘에 발생하는 오로라(AURORA)도 플라즈마가 나타내는 빛이라고 볼 수 있다.

이러한 플라즈마를 이용하면 인공 다이아몬드를 합성할 수 있고, 고대 유적지에서 발굴된 금속유물에 플라즈마로 표면 코팅처리를 하면 마모나 부식을 방지할 수 있고 유물의 상태를 개선하는 효과를 낼 수도 있다.

플라즈마가 내는 빛을 이용한 플라즈마 표시장치(PDP: Plasma Display Panel)는 산업전반에 폭넓게 사용되고 있는데 대표적인 것이 PDP TV이다. 또한 플라즈마는 핵융합을 통해 석유나 석탄과 같은 화석연료를 대체하여 사용할 수 있으며, 세계의 주요 선진국들은 플라즈마를 이용한 대체에너지원 개발을 위해 활발한 연구를 진행하고 있다.

현대 산업에서 플라즈마는 고기능, 고강도, 고가공성을 요구하는 물질에서부터, 각종 소재의 표면처리, 이온주입, 유기-무기막 증착 및 제거, 세정작업, 독성물질의 제거, 살균 등 첨단재료나, 전자, 환경산업에 이르기까지 다양한 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다.

그리고 플라즈마 가공기술은 기계가공기술보다 정밀도에 있어서 월등히 진보된 것이므로 미세 패턴이 필요한 반도체, LCD, MEMS 등에서는 제품 및 부품을 제조하는 핵심장비로서 중요하게 사용되고 있다.

플라즈마는 진공상태 또는 대기압 상태에서 생성하는 방법이 공지되어 있다.

진공상태에서 플라즈마를 생성하는 방법은 실제로 응용하는데 많은 어려움이 있다. 진공상태에서 플라즈마를 생성하는 방법은 플라즈마가 닫힌 공간에서 발생하므로, 순간적으로 처리해야 하는 물질에서는 처리조건을 제어하기가 어렵고, 폐쇄된 시스템으로는 물품이 이동하면서 수행되어야 하는 연속공정에서 처리를 하기가 어렵다는 단점이 있다.

대기압 상태에서 플라즈마를 생성하는 방법 중에서 전자파를 이용하는 방법이 있는데, 이 방법은 특허 제394994호로 공지되어 있다.

이 종래의 플라즈마 발생장치는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 유전관(12)과 3-스터브정합시스템(20)을 도파관(18)에 관내파장의 1/4 간격을 이루도록 배열 설치하되, 파워공급시스템(24)을 구비한 마그네트론(22)에서 전자파를 도파관(18)내로 발진하면 3-스터브정합시스템(20)에서 정합하면서 유전관(12)내에 최대 전기장을 공급하여 대기압하에서 플라즈마를 생성하도록 구성한 것이다.

도판관(18)은 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 도파관, 테이퍼부, 그리고 낮은 높이부로 이루어져 있다. 유전관(12)은 낮은 높이부에 형성된 관통공(30)에 설치되고 마그네트론(22)은 제 1 도파관에 형성된 삽입공(32)에 설치된다. 그리고 3-스터브정합시스템(20)의 3개의 스터브는 낮은 부분의 상판 외부에 설치되어 있다.

마그네트론(22)과 도파관(18)의 끝단 사이, 3-스터브정합시스템(20)의 3개 스터브들사이, 유전관(12)과 인접 스터브, 유전관(12)과 도파관(18)의 선단 사이의 간격은 모두 λg/4 이 되도록 설치되어 있다.

3-스터브정합시스템(20)은 도파관(18)내의 파장을 λg 라 할 때 각 스터브간의 간격이 λg/4가 되도록 설치되어 도파관(18)의 특성임피던스와 도파관(18)의 낮은 높이부의 부하임피던스를 정합시키면서 부하에 최대전력을 전송하는 작용을 한다. 이때, 마그네트론(22)에서 생성되는 마이크로웨이브의 전기장은 도파관(18) 중 유전관(12)이 설치된 위치에서 최대가 된다. 이때 유전관(12)은 석영관으로 되어 있고 그 내벽에 내열성이 강한 질화붕소(4)를 피복하여 고온의 불꽃에 견디도록 구성되어 있다. 가스공급원으로부터 유전관(12)내로 토치가스(8)가 공급되면 점화장치(14)에서 방전에 필요한 초기 전자를 공급하여 유전관(12)내에서 방전시키게 된다. 이때, 최대 전기장을 갖는 전자파에 의해 유전관(12)내에서 생성되는 플라즈마가 대기압하에서 발생되고, 별도의 진공장치 없이도 대기압상에서 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 유전관(12)의 토치출구를 통해 고온(5000~6000℃)의 플라즈마 불꽃이 방출된다.

토치가스(8)와 함께 유전관(12)에 공급되는 스월가스(Swirl Gas)(6)는 유전관의 내주면을 따라 나선형의 궤적을 갖도록 주입되어 방전열에 의한 유전관 내벽의 과열을 방지하고, 토치출구를 통해 배출되는 플라즈마 불꽃을 모아주는 작용을 하게 된다.

그러나 이와 같이 유전관(12)을 도파관(18)의 관내파장의 1/4간격으로 배열하는 것은 구형도파관(矩形導波管, Rectangular waveguide)의 이론에 불과하다. 도파관(18)을 어떻게 설계하느냐에 따라서 파장의 1/4보다 작은 간격이 효율이 가장 좋을 수도 있고 또 1/4보다 큰 간격에서 최적화를 시킬 수도 있다. 이와 같은 상압 플라즈마 발생 장치의 일반적인 도파관 구성은 도 1에 개시된 구성과 같다.

도 1을 참조하면, 먼저 유전관의 위치는 도파관(18)의 관내파장의 1/4 이 되는 지점에 세라믹, 석영관 등으로 된 유전관을 삽입하여 플라즈마를 발생시키게 된다. 하지만 상압 조건에서 플라즈마를 발생시키기 위해서는 높은 밀도의 전기장을 형성시켜야 하는 점에서 진공 조건의 플라즈마 발생 장치와는 달리 상압 플라즈마는 보다 좁은 도파관 구성을 통하여 이를 달성하고 있다. 하지만, 이 경우 유전관은 높은 전기장이 형성되는 좁은 도파관(특히 구형 도파관인 경우 낮은 높이를 갖는 도파관)에 반드시 구비되어야만, 상압에서 플라즈마가 발생할 수 있다.

하지만, 종래 기술은 유전관(12)의 내부 직경이 27mm가 넘어가면 플라즈마가 불안정하여 대용량의 플라즈마를 발생시키기가 어렵다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 낮은 높이와 제한된 직격으로 인하여, 낮은 높이의 도파관에 형성되는유전관은 플라즈마 발생을 위한 내부 용적에 있어서 그 한계가 있으며, 그 결과 상압 플라즈마는 높은 경제성에도 불구하고 그 용량면에 있어서 명백한 한계가 있었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 전술한 종래 기술에서 인식되고 있는 유전관 직경의 한계를 극복하여 보다 큰 대용량의 상압 플라즈마가 가능한 플라즈마 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 전자파를 발진하는 마그네트론이 설치되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되는 것으로서 플라즈마가 생성되는 유전관을 구비한 전자파를 이용한 상압 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 도파관은 제 1 높이를 갖는 제 1 도파관 및 상기 본체의 단부에 구비되어 소정의 각도만큼 감소되는 테이퍼 부를 포함하며, 상기 유전관은 상기 도파관의 테이퍼 부, 제 1 도파관, 또는 테이퍼 부와 제 1 도파관의 경계상에 구비된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 또한 전자파를 발진하는 마그네트론이 설치되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되는 것으로서 플라즈마가 생성되는 유전관을 구비한 전자파를 이용한 상압 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 도파관은 제 1 높이를 갖는 제 1 도파관 및 상기 제 1 도파관의 단부에 연결된 삼각 형상부 또는 사다리 형상부를 포함하며, 상기 유전관은 삼각 형상부 또는 사각 형상부, 또는 제 1 도파관과의 경계에 구비된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공한다.

상기 테이퍼부는 사다리꼴을 나타내며, 상기 테이퍼부의 후단에는 상기 제 1 높이보다 낮은 제 2 높이를 갖는 제 2 도파관이 구비되며, 상기 제 2 도파관은 전자파 파장의 λ/4 지점 이전에 종결된다.

본 발명의 일 실시예에서 상기 유전관은 상기 테이퍼부에 구비되며, 상기 삼각 형상부 또는 사다리 형상부는 전자파 파장의 λ/4 보다 짧은 길이를 갖는다. 또한, 상기 제 2 도파관의 단부는 평면이 아닌 형상을 갖는다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여, 상술한 상압 플라즈마 발생장치용 도파관을 제공한다.

본 발명의 플라즈마 발생장치는 플라즈마가 발생되는 유전관이 구비되는 도파관의 높이 및 부피가 크므로, 유전관 내 전기장의 총 세기가 강하게 되며, 보다 크고 대용량의 고밀도 플라즈마를 유전관의 직경에 상관없이 달성할 수 있으며, 고전력의 점화장치를 사용하지 않고도 안정되고 경제적인 고온의 고밀도 플라즈마를 발생시키는 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은 종래 플라즈마 발생장치의 도파관의 사시도,
도 2는 도1의 도파관에 설치되는 유전관의 단면도,
도 3은 도1의 도파관에 설치되는 마그네트론 및 파워공급 시스템의 회로도,
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 일실시예 도파관의 사시도,
도 5는 도4의 도파관의 측면도,
도 6 및 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 다른 실시예의 도판관의 측면도,
도 8은 전기장이 최대가 되는 도파관 내의 유전관의 위치를 구하는데 사용되는 공식에서 변수 a, b를 설명하기 위한 3차원 좌표이다.
도 9는 본 발명에 따른 다양한 형태의 도파관을 위에서 본 정면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 유전관에서의 플라즈마 발생 사진이다.

이하 본 발명을 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 주요 구성부품인 도판관과 유전관의 사시도이고, 도 5는 도 4의 도판관의 측면도이다.

도 4 및 5를 참조하면, 상기 실시예에서 도파관은 제 1 높이를 갖는 제 1 도파관(50a)과 상기 제 1 도파관(50a)의 일단에 구비되어 소정의 각도로 감소되는 테이퍼부(50b)를 포함한다. 종래 기술은 상기 테이퍼부(50)의 타단에는 상기 제 1 높이보다 낮은 높이의 제 2 도파관을 λ/4 이상의 길이로 구성한 후, λ/4 의 지점에 유전관을 구비시켰으나, 본 발명자는 상압 플라즈마를 이러한 복잡한 구성에 의하지 않고서 테이퍼부의 후단에 제 2 도파관을 구성하지 않거나, 또는 λ/4 미만의 제 1 도파관을 구성하는 경우 상압 플라즈마 발생에 충분한 전기장이 보다 넓은 체적의 테이퍼부(50b) 또는 제 1 도파관(50a)에 발생하는 점을 발견하였다.

따라서, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 발생장치에서 플라즈마가 발생하는 유전관의 위치는 도파관의 낮은 높이부가 아닌, 테이퍼부(50b) 또는 제 1 도파관(50a)가 된다. 즉, 상기 위치에서 충분한 상압 플라즈마가 발생하는 경우라면, 도파관과 유전관이 관통하는 체적의 크기 또한 커지게 되며, 이로써 플라즈마의 전체 용량이 커지게 된다.

이와 같이 보다 큰 체적의 도파관(테이퍼부, 또는 제 1 도파관)에 전기장이 인가되어 플라즈마 발생이 가능한 경우, 상기 체적 조건의 도파관에 유전관이 설치될 수 있으며, 이 경우 유전관의 치수를 종래 기술에 비하여 증대되어 대용량의 상압 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 상기 구성에 따른 플라즈마 발생장치의 작동 원리를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 유전관(60)은 상술한 바와 같이 큰 체적을 갖는 제 1 도파관(50a) 또는 테이퍼부(50b) 중 어느 한 부분에 설치된다. 하지만, 제 1 도파관 및 테이퍼부의 경계면 상에도 유전관은 설치될 수 있으며, 종래 기술과 같이 낮은 높이의 제 2 도파관에만 설치되지 않으며, 제 2 도파관 체적보다 큰 체적을 갖는 도파관에 구비되는 한 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다. 하지만, 단순히 넓은 체적의 도파관에만 유전관을 구성하는 경우, 플라즈마 발생에 필요한 충분한 전기장을 얻을 수 없거나, 또는 플라즈마를 발생시킨다 하여도 그 세기가 매우 떨어지고 불안정하였다. 따라서, 본 발명은 테이퍼부(50b)의 타단에 연결되어, 상기 제 1 도파관보다 낮은 높이를 갖는 제 2 도파관(낮은 높이부)의 길이(이것은 전기장인 인가되는 방향을 기준으로 한다)를 도파관 내의 전기파 파장(λ)의 1/4 미만으로 구성하며, 이에 따라 제 2 도파관 보다 넓은 체적을 갖는 테이퍼부 또는 제 1 도파관부 또는 그 경계 영역에서 플라즈마 발생에 필요한 충분한 전기장이 발생한다. 즉, 본 발명은 종래 기술에서는 λ/4 이 되는 지점을 도파관의 낮은 높이부에 형성하였으므로, 제 2 도파관부의 길이는 최소 λ/4 이상이었다. 하지만, 본 발명은 비록 전기장의 밀도가 높아지는 제 2 도파관부를 구성하는 경우에도 제 2 도파관부(50c)의 길이가 λ/4 미만인 경우에도, 테이퍼부(50b)와 같이 보다 큰 체적을 갖는 도파관에서도 플라즈마 발생에 필요한 수준의 전기파가 인가되며, 이를 플라즈마의 대용량화에 응용한다.

도 4는 유전관(60)이 테이퍼부(50b)에 설치되어 있는 예를 나타내고 있다. 도 4를 참조하면, 테이퍼부(50b)에 유전관이 구비되는 관통공(51)이 형성되어 있다. 전자파를 발진하는 마그네트론(미 도시)은 제 1 도파관(50)에 구비되어(52 지점), 상기 제 1 도파관에 전기파를 인가한다. 하지만, 마그네트론이 구비되는 지점은 도 1에서 보는 바와 같이 도파관 끝으로부터 λ/4 지점일 필요가 없으며, 다양한 지점에 위치될 수 있다. 본 발명은 이와 같이 구성요소의 위치의 제한없이 다양한 형태로도 최대의 상압 플라즈마를 발생시킬 수 있는데, 이는 이하 상세히 설명한다.

상기 인가된 전기파가 테이퍼부(50b)를 지난후 λ/4 미만의 길이 조건에서 반사되는 경우 플라즈마 형성이 가능한 조건의 전기장이 상기 테이퍼부(50b) 또는 제 1 도파관(50a)에 형성되게 된다. 이때 상기 최대 전기장 형성 조건은 테이퍼부(50b)의 각도 또는 길이에 따라 자유로이 구성할 수 있다. .

상기 테이퍼부(50b) 후단은 종래 기술과 같이 λ/4 (전기파 파장) 이상의 제 2 도파관 구성이 아닌 한 다양한 구성이 가능한데, 도 5는 짧은 길이의 제 2 도파관(제 1 도파관에 비하여 낮은 높이) 구성을 나타낸다.

특히 상기 테이퍼부(50b)의 길이(B)와 낮은 높이의 제 2 도파관(50c)의 길이(A)는 자유로이 선택할 수 있으며, 종래 기술과 같이 반드시 전기장의 파장에 대한 1/4배로 국한될 필요가 없다. 예를 들면 2.45GHz의 조건에서 관내 파장은 21.34cm가 되며, 테이버부 및 제 2 도파관의 길이는 n*21.34가 되는데, 이때 n은 정수가 아닌 유리수로서 1/4 미만의 유리수를 모두 포함한다.

본 발명은 이와 같이 전기파가 인가되어 반사되는 제 2 도파관의 경우, 그 길이를 관내 인가되는 전기장 파장의 1/4 미만으로 구성하며, 이로써 보다 큰 체적의 테이퍼부에서도 플라즈마 발생에 충분한 전기장이 발생한다.

따라서, 종래 기술과 같이 도파관부의 길이 조건에 대한 특별한 한정없이 자유로이 도파관부의 길이를 선택할 수 있다.

이하 전기장의 최대 발생 지점을 도출한 방식을 자세히 설명한다.

전기장이 최대가 되는 위치는 막스웰 방정식으로부터 유도된 하기 수학식 1의 3개의 식으로부터 유도된다. 이때 a와 b의 값을 조절함에 따라 전기장이 최대로 되는 점을 계산할 수 있다.

여기서 a, b 는 도 8의 3차원 좌표에서 각각 x축과 y축 상의 길이이다.

유전관(60)의 재질은 석영, 세라믹 등을 사용할 수 있으나 본 발명에서는 석영관을 이용하였다. 석영관의 내벽에 종래와 같이 질화붕소(4)를 코팅할 수 있으나 유전관(60)의 내벽을 따라 흐르는 스월가스로 석영관이 고온에 견디도록 하면 질화붕소를 코팅하지 않아도 무방하다.

상술한 바와 같이 유전관(60)의 외경이 클수록 유전관(60)의 중심에 걸리는 전기장은 외경이 작은 유전관에 비하여 약하다. 그러나 본 발명의 경우는 유전관(60)이 테이퍼부(60) 또는 높은 높이의 제 1 도파관(50a)에 위치해 있으며, 테이퍼부 또는 제 1 도파관에는 플라즈마 형성이 가능한 충분한 전기장이 형성된다. 바람직하게는 가능한 전기장 밀도가 높은 테이퍼부에 유전관이 구비되나, 본 발명이 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 보다 큰 체적의 도파관(50) 내부에 포함되는 유전관(60)의 높이 및 부피를 크게 할 수 있으며, 그 결과 유전관(60) 내부에 가해지는 평균적인 전기장은 더 강해진다. 따라서 유전관(60)의 외경을 크게 하여도 안정된 대용량의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 다른 실시예의 도판관의 측면도로서, 제 2 도파관이 구비되지 않은 형태이다.

도 6은 테이퍼부(50b)가 삼각형을 이루며, 낮은 높이의 제 2 높이부(50c)가 구비되어 있지 않은 도파관을 나타내고 있다. 즉, 도 6a에서 상기 테이퍼부(50b)는 삼각 형상부를 이루는 것으로서, 그 길이(전기장 인가되는 방향에서의 길이)는 관내 파장의 1/4 미만이어야 한다.

또한 도 7은 테이퍼부(50b)가 사다리꼴 형상부로서, 선단의 높이가 a 이고 낮은 높이부(50c)가 없는 도파관을 나타내고 있다. 이 경우에도 상기 사다리꼴 형상부는 관내 파장의 1/4 미만의 길이를 가져야 한다.

이때 도면에서 길이를 나타내는 A, B, C와 높이를 나타내는 a, b 는 도파관의 내부 길이 또는 높이를 나타내는 기호이다(도 8 참조).

이와 같이 본 발명의 도파관은 다양한 형태의 것을 사용할 수 있다.

테이퍼부(50b)의 선단 높이가 도 6과 같이 0일수도 있고, 도 7과 같이 0이 아닌 a 일 수 있으며, 이에 따라 삼각형 또는 사다리꼴의 형태를 나타낼 수 있다. 더 나아가 상기 도파관의 단부 또한 일반적인 평면일 뿐만 아니라 다양한 형상의 단부가 가능하다. 예를 들면, 곡면 형태, 삼각 형태, 사다리꼴 형태 등이 모두 가능하며, 이러한 다양한 도파관 단부의 구성은 도 9에서 개시된다.

하지만, 테이퍼부 형상, 테이퍼부 후단의 제 2 도파관 유무와 관계없이, 관내 파장이 집적되는 영역의 길이가 관내 파장의 1/4 미만이 됨과 동시에 유전관이 집적되는 영역 중의 최대 체적 부분에 구비되어, 설치되는 한 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.

도 9는 본 발명에 따른 다양한 형태의 도파관을 위에서 본 정면도이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 도파관, 즉 제 2 도파관은 삼각형, 곡면, 사다리꼴 등의 다양항 비평면의 단면을 가질 수 있다. 이 경우, 보다 높은 수준으로 전기장이 집적된다. 하지만, 단부의 형태와 상관없이 제 2 도파관(50c)은 1/4λ 미만의 길이를 가지며, 테이퍼부(50b)에 유전관(60)이 구비되며, 이 또한 도 8에 나타내었다.

상기 유전관의 위치는 바람직하게는 테이퍼부이나, 테이퍼부를 포함하는 도파관(50)의 형상이 어떠한 형상이더라도 유전관(60)이 테이퍼부(50b), 제 1 도파관(50a), 테이퍼부(50b)와 제 1 도파관(50a)의 경계부분, 테이퍼부(50b)와 제 2 도파관(50c)의 경계 부분에 위치시키는 경우(이들 경우는 모두 제 2 도파관에만 유전관이 구비되는 경우보다 큰 면적을 갖는다)에는 유전관(60)이 도파관(50)에 포함되는 높이 및 부피가 크므로 유전관 (60) 내부에 걸리는 총 전기장의 강도는 커지며, 본 발명은 이를 통하여 보다 대용량의 플라즈마를 발생시켰다. 그 결과 종래 기술에서 유전관 직경의 한계 수치로 인정된 27mm이상의 직경에서도 상압 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 하기 실험예에서 보다 상세히 설명한다.

그 결과 공기의 방전 전기장은 30000V/cm이므로 그 이상의 전압을 걸어주면 점화장치 없이도 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 아르곤가스나 헬륨가스를 사용하면 더 낮은 전압에서 방전이 가능하므로 토치가스로서 공기대신 불활성가스를 사용하여 점화시키면 더 쉽게 점화가 가능하다.

스월가스로 공기를 사용했을 때 1m 이상의 플라즈마도 발생시킬 수 있다. 플라즈마의 온도는 2000℃ 이상이다.

실험예 1

실험예1은 유전관(60)이 도파관(50)의 테이퍼부(50b)에 위치할 때의 실험예이다.

도파관(50)의 형상: 제 1 도파관(50a): 길이(C): 110mm, 높이(a+b): 34mm

테이퍼부(50b): 길이(B): 76mm, 선단의 높이(a): 5mm

제 2 도파관(50c): 길이(A):5mm, 높이(a): 5mm

도파관의 폭: 72.14mm

도파관의 낮은 높이부의 선단에서 관통공(51)의 중심까지의 거리: 69.85 mm

관통공(51)의 직경: 50mm

유전관의 외경: 50mm, 내경 : 47mm, 길이: 1m, 재질: 석영관

본 실험예에서는 도 5에서 개시된 구성에 따라 상압 플라즈마를 발생시켰으며, 특히 종래 기술에서 한계로 인식된 27mm의 유전관 직경의 거의 두 배에 해당하는 50mm 유전관으로 상압 플라즈마를 발생시켰다.

1kW와 1.2kW 용량의 마그네트론을 사용하고, 토치가스로서 공기, 산소, 아르곤, 헬륨, 질소를 이용하였으며, 토치가스의 유량은 내경에 관계없이 저 유량 (0에서 약 2 lpm)에서 먼저 점화를 한 다음 7에서 20 lpm까지 조절하며 실험하였다(아크가 발생할 경우 유량을 늘리거나 파워를 낮춘다). 또한 스월가스는 반드시 공기를 사용할 필요 없고 필요에 따라서 종류에 관계없이 다른 가스(실험 목적에 따라 O₂, N₂, H₂)를 사용하였다.

본 실험을 통해 안정되고 경제적인 고밀도의 플라즈마가 발생하였음을 확인하였으며, 이를 도 10에 나타내었다. 특히 본 실험예에서는 상기 플라즈마 발생을 위하여 고 전력을 인가하는 별도의 점화 장치 없이 UV 램프를 이용하였는데, 이와 같이 커진 총 전기장 세기로 인하여, UV 램프만으로도 점화가 가능하였다

실험예 2

본 실험예에서는 유전관이 제 1 도파관과 태이퍼부의 경계면에 존재하며, 제 2 도파관(낮은 높이부)의 단부로부터 유전관이 구비되는 관통공의 중심까지의 거리가 78mm인 점을 제외하고 실험예 1과 동일하다. 본 실험예에서 전기장의 세기는 실험예 1에 비해 약해졌다. 또한 전기장의 세기의 약함으로 인하여 발생된 플라즈마의 온도, 밀도도 다소 약해졌다. 하지만, 본 실험예에서도 플라즈마가 발생했으며, 이는 종래 기술보다 넓은 유전관을 사용하여도 충분한 상압 플라즈마가 발생할 수 있다는 것을 알 수 있다.

비교 실험예 1

종래 기술과 같이 1/4λ 이상의 길이를 갖는 제 2 도파관이 구비된 상압 플라즈마 발생장치에서 종래 기술에 따른 좁은 직경(25mm) 유전관을 테이퍼부에 설치한 후 실험예 1과 동일한 조건으로 플라즈마를 발생시켰으나, 상압 플라즈마가 충분히 형성되지 않았다.

따라서 상기 실험결과로부터 본 발명에 따른 도파관 및 유전관 구성에 의하여 보다 큰 직경의 유전관에서 대용량의 안정한 플라즈마를 형성시킬 수 있다는 것이 충분히 증명된다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 따라서 그러한 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

50a.................... 제 1 도파관
50b.................... 테이퍼부
60..................... 유전관
50c..................... 제 2 도파관

Claims

전자파를 발진하는 마그네트론이 설치되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되는 것으로서 플라즈마가 생성되는 유전관을 구비한 전자파를 이용한 상압 플라즈마 발생장치에 있어서,
상기 도파관은 제 1 높이를 갖는 제 1 도파관 및 상기 본체의 단부에 구비되어 소정의 각도만큼 감소되는 테이퍼 부를 포함하며,
상기 유전관은 상기 도파관의 테이퍼 부, 제 1 도파관, 또는 테이퍼 부와 제 1 도파관의 경계상에 구비된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
전자파를 발진하는 마그네트론이 설치되는 도파관과, 상기 도파관에 설치되는 것으로서 플라즈마가 생성되는 유전관을 구비한 전자파를 이용한 상압 플라즈마 발생장치에 있어서,
상기 도파관은 제 1 높이를 갖는 제 1 도파관 및 상기 제 1 도파관의 단부에 연결된 삼각 형상부 또는 사다리 형상부를 포함하며, 상기 유전관은 삼각 형상부 또는 사각 형상부, 또는 제 1 도파관과의 경계에 구비된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 테이퍼부는 사다리꼴을 나타내는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
제 1항에 있어서,
상기 테이퍼부의 후단에는 상기 제 1 높이보다 낮은 제 2 높이를 갖는 제 2 도파관이 구비되며, 상기 제 2 도파관은 전자파 파장의 λ/4 지점 이전에 종결되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
제 4항에 있어서,
상기 유전관은 상기 테이퍼부에 구비되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생 장치.
제 2항에 있어서,
상기 삼각 형상부 또는 사다리 형상부는 전자파 파장의 λ/4 보다 짧은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
제 4항에 있어서,
상기 제 2 도파관의 단부는 평면이 아닌 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
제 1항, 제 3항 내지 제 5항 또는 제 7항 중 어느 한 항에 따른 상압 플라즈마 발생장치용 도파관.