KR20120041475A - 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 처리 면적을 16 배 이상, 처리 직경을 5배 이상 증가시킬 수 있도록 함으로써, 작고 슬림하면서 큰 면적 처리가 가능하고, 간단한 콘 모양의 케소드 전극을 사용하여 케소드 수명을 대폭 증대하여 내구성 및 유지 관리의 편리성이 있으며, 전도성 및 비전도성 시편을 모두 처리하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치에 관한 것으로, 이러한 본 발명은 한쪽이 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 전극으로 막힌 원통형 케소드 전극과, 상기 케소드 전극으로부터 일정 거리 떨어져 콘 모양의 제1 공동과 콘 모양의 제2 공동을 갖는 에노드 노즐 전극을 위치하며, 상기 전극을 외곽 케이스로 감싸고 회전하는 이그니션 가스 및 회전하는 작업 가스를 공급하며, 케소드 전극과 에노드 전극 사이에 교류 또는 DC 또는 유니펄스 전압을 인가하여 플라즈마가 발생하도록 구성된다.

Description

대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치{ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA TORCH GENERATING APPARATUS BY NOZZLE DESIGN FOR LARGE AREA}

본 발명은 상압 플라즈마 토치 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 처리 면적을 16 배 이상, 처리 직경을 5배 이상 증가시킬 수 있도록 함으로써, 작고 슬림하면서 큰 면적 처리가 가능하고, 간단한 콘 모양의 케소드 전극을 사용하여 케소드 수명을 대폭 증대하여 내구성 및 유지 관리의 편리성이 있으며, 전도성 및 비전도성 시편을 모두 처리하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마는 제4의 물질상태로 외부에서 가해진 전기장 등에 의해 생성된 이온, 전자, 라디칼 등과 중성입자로 구성되어 거시적으로 전기적 중성을 이루고 있는 물질상태이다.

이러한 플라즈마 내의 이온, 전자, 라디칼 등을 이용하여 재료의 표면 개질, 에칭, 코팅 또는 살균, 소독, 오존 생성, 염색, 폐수 및 수돗물 정화, 공기 정화, 고 휘도 램프 등의 분야에 널리 쓰이고 있다.

그리고, 종래의 기술로는 등록특허US 5405514, 등록특허US 6262386, 등록특허US 6265690, 등록특허US 6677550 등이 있다.

상기의 기술 등록특허US 5405514는 작업 가스를 소용돌이치게 하고, 원형 전극과 일정 거리 떨어진 구멍을 갖는 상대 전극에 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시키는 가장 기본적인 구조로 단점은 발생되는 플라즈마 폭이 5 mm 내외로 매우 적어 넓은 면적을 처리하는 데에는 어려움이 있다.

그리고, 넓은 면적 처리를 위한, 종래의 기술로 등록특허US 6262386, 등록특허US 6265690, 등록특허US 6677550 등이 고안되었는데, 종래의 기술 등록특허US 6262386는 노즐을 편향하게 두고 또한 노즐이 회전하도록 고안되었으며, 단점으로 회전을 위하여 별도의 공기 노즐로 편향된 노즐을 회전하도록 별도의 구성품을 장착하여야하는 단점이 있다.

종래의 기술 등록특허US 6265690는 종래의 기술 등록특허US 5405514의 기본 구조 토치를 두 개 이상 장착하여 회전하게 하여 대면적을 처리할 수 있도록 고안되었으며, 장점은 처리 성능은 다소 떨어질 수 있더라도 대면적 처리가 가능한 것이고, 단점으로는 별도 모터에 의한 회전기구를 설치하여야 하며 회전기구에 2개 이상의 고전압 접속을 위한 별도의 기구를 설치하여야 한다.

종래의 기술 등록특허US 6677550는 노즐 부분을 환형의 구멍을 갖는 구조로 발생된 플라즈마가 환형의 구멍으로 나오도록 유도하고 있으며, 장점은 회전기구가 없다는 것이며, 단점은 환형의 방어판으로 인해 발생 플라즈마가 매우 약화되며, 또한 많은 에너지가 방어 판에 집중되어 고온으로 온도가 상승하여 수명이 매우 짧은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출 된 것으로서, 그 목적은 별도의 회전기구 없이, 처리 면적을 16 배 이상, 처리 직경을 5배 이상 증가시킬 수 있도록 함으로써, 작고 슬림하면서 큰 면적 처리가 가능하고, 간단한 콘 모양의 케소드 전극을 사용하여 케소드 수명을 대폭 증대하고 내구성 및 유지 관리의 편리성이 있으며, 전도성 및 비전도성 시편을 모두 처리하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치를 제공하는 데 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면,

한쪽이 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 전극으로 막힌 원통형 케소드 전극과, 상기 케소드 전극으로부터 일정 거리 떨어져 콘 모양의 제1 공동과 콘 모양의 제2 공동을 갖는 에노드 노즐 전극을 위치하며, 상기 전극을 외곽 케이스로 감싸고 회전하는 이그니션 가스 및 회전하는 작업 가스를 공급하며, 케소드 전극과 에노드 전극 사이에 교류 또는 DC 또는 유니펄스 전압을 인가하여 플라즈마가 발생하도록 구성된다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치는 별도의 회전 기구 없이도 처리 면적을 16 배 이상 처리 직경을 5배 이상 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 작고 슬림하면서 큰면적 처리가 가능하여 상압 플라즈마의 응용 및 적용 분야가 크게 확대되어 시장 확대가 기대되는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 간단한 콘 모양의 케소드 전극을 사용하여 케소드 수명을 대폭 증대하여 내구성 및 유지 관리의 편리성을 기대하는 효과가 있다.

특히, 본 발명은 전도성 및 비전도성 시편을 모두 처리할 수 있어 상압 플라즈마의 응용 및 적용 분야가 크게 확대되어 시장 확대가 기대되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치의 제1실시예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치의 제2실시예를 나타낸 도면,
도 3a는 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치에서의 큰 면적용 콘 모양 공동을 갖는 케소드 및 에노드 노즐을 개략적으로 나타낸 도면,
도 3b는 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치에서의 중간면적용 콘 모양 공동을 갖는 케소드 및 에노드 노즐을 개략적으로 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생 장치의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

종래 기술에 따른 플라즈마 토치 발생장치는 대면적을 위하여 플라즈마 토치 또는 노즐을 회전시키는 기구를 별도로 설치하는 방법이 주로 사용되었다.(등록특허US 6262386, 등록특허US 6265690, 등록특허US 6677550) 이와 같은 번거로움을 해소하기 위해,

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치는, 한쪽이 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 전극(13)으로 막힌 원통형 케소드 전극(11)과, 상기 케소드 전극(11)으로부터 일정 거리 떨어져 콘 모양의 제1 공동(16)과 콘 모양의 제2 공동(17)을 갖는 에노드 노즐 전극(15)을 위치하며, 상기 전극을 외곽 케이스(12)로 감싸고 회전하는 이그니션 가스(3) 및 회전하는 작업 가스(5)를 공급하며, 케소드 전극(11)과 에노드 전극(15) 사이에 교류 또는 DC 또는 유니펄스 전압을 인가하여 플라즈마를 발생하도록 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치의 동작을 설명하면, 작업 가스를 인입(1)하면, 작업 가스는 케소드 냉각 공간(6)을 통과하며 원통형 케소드(11) 및 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 전극(13)을 냉각하고, 그 일부는 이그니션 가스(3) 통로로 분출하여 이그니션 공간(7)에서 회전하며, 이그니션된 플라즈마를 하부로 밀어내게 된다.

또한 나머지 작업 가스는 외곽 냉각 가스(4)로 외곽 냉각 공간(8)을 통하여 플라즈마 토치 전체 외곽을 냉각시키며 회전 작업 가스(5)로 플라즈마 발생이 회전하도록 기여한다.

즉, 회전하는 이그니션 가스(3)와 회전 작업 가스(5)가 더하여 회전함으로써 정상 상태의 플라즈마 위치가 전자 및 이온 경로(14) 중심에 집중하도록 한다.

회전하는 작업 가스는 콘 모양 제1 공동(16)에서 회전하는 플라즈마가 노즐 목(18)을 통과하도록 유도하며 또한 통과된 플라즈마가 콘 모양 제2 공동(17)에서도 계속 회전하도록 하여 콘 모양 제2 공동(17)에서 콘의 최대의 원지름을 갖는 환형의 플라즈마 방전이 연속적으로 유지하도록 하여 분출하게 되어 큰 면적을 처리할 수 있게 한다.

여기서, 노즐 목(18)의 존재 및 크기는 일정 거리 이후에 원격 플라즈마가 나오도록 제어하는 역할을 하여 상부의 직접 플라즈마와 하부의 원격 플라즈마 경계(20)를 형성하도록 한다.

상기 노즐 목(18)이 작으면 전자 및 이온이 콘 모양 제2 공동(17)으로 충분히 나오지 못해서 발생되는 플라즈마가 약하고 처리 폭이 크지 않게 되며, 반대로 노즐 목(18)이 너무 크면 직접 플라즈마와 원격 플라즈마 경계가 너무 커져서 직접 플라즈마만 발생되게 된다.

참고로 직접 플라즈마는 비 전도성 시편만 처리할 수 있으며, 원격 플라즈마는 전도성 비전도성의 모든 시편을 처리할 수 있어 적용 분야가 더 많다.

즉, 적절한 경사각과 길이를 가지는 콘 모양 제2 공동(17)과 적절한 크기의 노즐 목(18)및 콘 모양 제1 공동(16)의 구조에 의한 에노드 노즐 전극(15)에 의해 넓은 면적의 플라즈마를 발생할 수 있는 토치가 된다.

한편, 도 2는 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치의 제2실시예를 나타낸 도면으로,

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치는, 콘 모양 공동(22)을 갖는 케소드(21)의 동작 원리를 설명하면, 콘 모양 공동(22)의 구조에 의해 등전위면이 콘 모양과 유사해짐으로서 전기장이 전자 및 이온경로(23)의 모양으로 형성되고 흐르게 된다. 즉 케소드(21) 내부의 콘 모양 공동(22) 내부 전체에서 방전이 일어나게 되어, 플라즈마가 집중되지 않음으로 케소드의 수명을 매우 증가시킬 수 있음으로서 유지 관리가 편리해 진다. 여기서 케소드(21) 안에 콘 모양 공동(22)의 구조는 에노드 노즐 전극(15)의 콘 모양 제2 공동(17) 구조와 유사하게 설계되어야 하며, 그 설명도가 도 3a 내지 도 3b에 도시되어 있다.

도 3a는 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치에서의 큰 면적용 콘 모양 공동을 갖는 케소드 및 에노드 노즐을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치에서의 중간면적용 콘 모양 공동을 갖는 케소드 및 에노드 노즐을 개략적으로 나타내는 도면으로, 플라즈마 처리 폭이 각각 W1 과 W2에 비례하게 되며, 콘 모양 경사각 θ1과 θ4의 정도와 시편과의 거리와 관련 된다.

상기의 도 3a 내지 도 3b의 설계에서, 노즐 목 d1 ＝ d2 ＝ CP^1/2로(여기서 C=constant, P=power) 플라즈마 파워의 1/2승과 관련이 있으며 파워가 증가하면 노즐 목 크기도 증가한다.

콘 모양 경사각

의 관계로 플라즈마 처리 폭과 관련이 있으며, 케소드(31, 36)에서 k1과 k2의 크기는 플라즈마 파워 및 케소드(31, 36) 발열 및 냉각과 관련이 있으며, 콘 모양 공동(32, 37) 크기를 결정하는데, 파워가 크거나 발열양이 크면 증가시킨다. 콘 모양 제2 공동(35, 40)의 길이 L1과 L2는 직접 플라즈마와 원격 플라즈마 경계 위치를 결정하며, 플라즈마 파워에 비례하여 증가된다.

상기 발명에서 작업가스는 모든 종류의 가스를 사용할 수 있다.

이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

1 : 작업가스 인입 2 : 케소드 냉각 가스
3 : 이그니션 가스 4 : 외곽 냉각 가스
5 : 회전 작업가스 6 : 케소드 냉각공간
7 : 이그니션 공간 8 : 외곽 냉각 공간
9 : 절연체 10 : 유전체
11 : 원통형 케소드 12 : 외곽 케이스
13 : 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 전극 14 : 전자 및 이온 경로
15 : 에노드 노즐 전극 16 : 콘 모양 제1 공동
17 : 콘 모양 제2 공동 18 : 노즐 목
19 : 큰면적 플라즈마
20 : 직접 플라즈마와 원격 플라즈마 경계
21 : 콘 모양 공동 케소드
22 : 콘 모양 공동 23 : 전자 및 이온 경로
31 : 큰면적용 콘 모양 공동을 갖는 케소드
32 : 큰면적용 콘 모양 공동
33 : 큰면적용 콘 모양 공동을 갖는 에노드 노즐
34 : 큰면적용 콘 모양 제1 공동
35 : 큰면적용 콘 모양 제2 공동
36 : 중간면적용 콘 모양 공동을 갖는 케소드
37 : 중간면적용 콘 모양 공동
38 : 중간면적용 콘 모양 공동을 갖는 에노드 노즐
39 : 중간면적용 콘 모양 제1 공동
40 : 중간면적용 콘 모양 제2 공동

Claims (4)

1. 한쪽이 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 전극으로 막힌 원통형 케소드 전극과, 상기 케소드 전극으로부터 일정 거리 떨어져 콘 모양의 제1 공동과 콘 모양의 제2 공동을 갖는 에노드 노즐 전극을 위치하며, 상기 전극을 외곽 케이스로 감싸고 회전하는 이그니션 가스 및 회전하는 작업 가스를 공급하며, 케소드 전극과 에노드 전극 사이에 교류 또는 DC 또는 유니펄스 전압을 인가하여 플라즈마가 발생하도록 구성된 것을 특징으로 하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 케소드 전극을 콘 모양 공동을 갖는 케소드로 구성된 것을 특징으로 하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치.
   
3. 제 1 항과 제 2항에 있어서,
   상기 케소드 전극 중심 부분에 구리 또는 하프늄 또는 텅스텐 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   에노드에서 콘 모양 제2 공동의 경사각이 케소드 전극의 콘 모양 공동의 경사각과 유사하게 구성된 것을 특징으로 하는 대면적을 위한 노즐 구조에 의한 상압 플라즈마 토치 발생장치.

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