KR20170117268A - 음이온 생성장치 및 생성방법 - Google Patents

음이온 생성장치 및 생성방법 Download PDF

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Abstract

음이온 생성장치 및 생성방법이 개시된다. 본 발명에 따르면, 플라즈마를 형성한 이후 플라즈마에 포함된 고에너지 입자에 전자를 가하여 음이온을 생성할 수 있다. 플라즈마가 형성되는 압력은, 음이온이 형성되는 압력과 다를 수 있다. 이와 같은 압력의 차이를 유지하기 위해 감압 모듈이 제공될 수 있다. 본 발명에 따르면 고에너지 입자의 공간밀도(spatial density)를 확보할 수 있으므로, 고밀도의 음이온 빔전류(high density of negative ion beam current)를 기대할 수 있다. 본 발명인 음이온 생성장치 및 생성방법은, 핵융합장치(nuclear fusion reactor)에서 NBI(neutral beam injection)에 이용되거나 핵융합 플라즈마의 진단에 이용될 수 있다.

Description

음이온 생성장치 및 생성방법{APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING NEGATIVE ION}
본 발명은 높은 에너지를 가지는 고밀도 플라즈마를 이용하여 고수율의 음이온을 생성하는 음이온 생성장치 및 생성방법에 관한 것이다.
음(negative)의 전하를 갖는 음이온은 가속기(accelerator) 및 반도체 제조장치 등에서 이용될 수 있다. 특히 헬륨(helium) 음이온은, 전력 반도체 제작에 있어서 유용하다.
일반적으로 음이온(negative ion)을 형성하는 방법은, 가스를 방전시켜 양이온(positive ion)을 형성시킨 이후 전자(electron)를 지속적으로 충돌시켜 전자가 양이온에 부착되도록 하는 방식이거나, 가스에 전자를 충돌시켜 전자가 중성상태의 가스에 부착되도록 하는 방식이다.
그런데, 상기 방식에 의하면 음이온을 생성하기 위하여 가스를 방전시켜 양이온을 생성한 이후 전자를 비활성가스 양이온에 주입하여야 하나, 중성상태의 가스에서 전자를 떼어낸 이후 다시 떼어낸 전자 보다 많은 전자를 부착시켜야 하므로 공정의 효율성이 문제 될 수 있다.
또한 중성입자에 전자(electron)를 부착시켜야 하나, 전자 친화도(electron affinity)를 극복할 수 있는 에너지를 가진 비활성가스를 생성하기 용이하지 않다는 점에서 공정의 효율성이 문제될 수 있다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, 높은 에너지를 가지는 고밀도 플라즈마를 이용하여 고수율의 음이온을 생성하는 음이온 생성장치 및 생성방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 압력 범위에서 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하는 플라즈마 생성챔버와 상기 플라즈마 생성챔버에 파워(power)를 제공하는 파워인가부를 구비한 플라즈마 생성부; 상기 플라즈마 생성챔버와 연통하되 상기 제1 압력 범위와 상이한 제2 압력 범위에서 음이온이 생성되는 공간을 제공하는 음이온 생성챔버와 상기 음이온 생성챔버 내부에 전자를 제공하는 전자공급부를 구비한 음이온 생성부; 및 상기 플라즈마 생성챔버와 음이온 생성챔버를 연결하는 연결부를 포함하는 음이온 생성장치를 제공할 수 있다.
또한 상기 파워인가부는, 전력을 제공하는 전원부; 상기 전원부에 연결되고 상기 플라즈마 생성챔버의 일측에 위치하여 상기 플라즈마 생성챔버 내부에 파워를 제공하는 제1,2 플라즈마 전극; 및 상기 제1,2 플라즈마 전극 사이에 위치한 유전체를 포함할 수 있다.
또한 상기 플라즈마 생성챔버는, 가스를 제공받아 플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 제1 플라즈마 생성챔버; 및 상기 제1 플라즈마 생성챔버에 연통되여 연결된 제2 플라즈마 생성챔버를 포함하고, 상기 제1,2 플라즈마 전극은, 상기 제1 플라즈마 생성챔버의 일측에 위치하여 상기 제1 플라즈마 생성챔버 내부에 파워를 제공하며, 상기 제1 플라즈마 생성챔버의 적어도 일부는, 상기 유전체를 구성할 수 있다.
또한 상기 제1 플라즈마 전극은, 상기 플라즈마 생성챔버의 중심부에 위치하고, 상기 제2 플라즈마 전극은, 상기 제1 플라즈마 전극에 공간적으로 이격하여 위치하되 상기 제1 플라즈마 전극을 감싸는 형상일 수 있다.
또한 상기 플라즈마 전극은, 상기 제1,2 플라즈마 전극은, 상기 플라즈마 생성챔버의 일 방향과 나란하며 서로 마주볼 수 있다.
또한 상기 연결부는, 상기 플라즈마 생성챔버의 내부 공간과 상기 음이온 생성챔버의 내부 공간 사이 경계를 형성하는 감압 차단면과 상기 감압 차단면에 형성된 감압 홀(hole)을 구비하는 감압 모듈을 포함할 수 있다.
또한 상기 감압부재 차단면은, 상기 음이온 생성챔버에서 상기 플라즈마 생성챔버를 향하여 돌출한 형상일 수 있다.
또한 상기 연결부는, 상기 플라즈마 생성챔버와 음이온 생성챔버를 연통하여 연결하며, 중공부를 형성하는 연결부 챔버를 더 포함하고, 상기 감압 모듈은, 상기 연결부 챔버의 중공부에 위치할 수 있다.
또한 상기 전자공급부는, 상기 음이온 생성챔버의 내부에 위치하며, 일함수(work function)를 가지는 메탈부재(metal member)를 포함할 수 있다.
또한 파이프(pipe)의 형상으로서 양 단이 상기 플라즈마 생성챔버의 내부에 연통하는 회수관을 구비하는 회수부를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 플라즈마 생성챔버는, 중공부가 형성된 플라즈마 생성챔버 바디; 상기 플라즈마 생성챔버 바디의 일측에 형성되어, 상기 회수부에 연결되는 제1,2 오리피스를 포함하고 상기 제2 오리피스는, 상기 제1 오리피스에 비하여 상기 연결부에 인접할 수 있다.
또한 상기 회수부는, 상기 회수관의 양 단 사이 일 지점에 위치하고, 상기 회수관의 일 측에 위치하는 플라즈마의 적어도 일부를 상기 회수관의 타측에 전송하는, 강제회수유닛을 더 포함할 수 있다.
또한 상기 강제회수유닛은, 구동력을 제공하는 모터와, 상기 모터에 연결된 프로펠러를 포함할 수 있다.
한편 상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 가스를 플라즈마 생성챔버 내부에 공급하는 가스 공급 단계; 제1 압력 범위에서 플라즈마 생성챔버 내부에 플라즈마를 생성하는, 플라즈마 생성단계; 생성된 플라즈마의 적어도 일부를 음이온 생성챔버 내부에 전송하는, 플라즈마 전송 단계; 및 상기 제1 압력 범위와 상이한 제2 압력 범위에서 상기 음이온 생성챔버 내부에 음이온을 형성하는 음이온 생성단계를 포함하며, 상기 음이온 생성단계는 상기 음이온 생성챔버 내부에 전자(electron)를 제공하는 전자 공급 단계를 포함하는, 음이온 생성방법을 제공할 수 있다.
또한 상기 플라즈마 전송 단계는, 상기 플라즈마 생성챔버 내부에 위치하되 상기 음이온 생성챔버에 인접한 플라즈마의 적어도 일부를 취득하여 상기 플라즈마 생성챔버 내부로 전송하는, 플라즈마 리사이클링 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 음이온 생성장치 및 생성방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 플라즈마를 이용함으로써 공정의 연속성을 용이하게 확보할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고밀도 플라즈마를 이용함으로써 고수율을 용이하게 확보할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 금속플레이트를 이용함으로써 음이온 형성에 필요한 전자를 내부적으로 공급할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음이온 생성장치의 개략도이다.
도 3은 도 1 플라즈마 생성챔버의 일부 단면 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 평판형 플라즈마 전극을 이용한 음이온 생성장치의 개략도이다.
도 5는, 도 4 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 상세도이다.
도 6은, 도 5와 다른 실시예의 평판형 플라즈마 전극 구성을 나타낸 도면이다.
도 7 은, 도 2 감압 모듈의 상세도이다.
도 8 및 9는, 도 4 메탈부재의 여러 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성방법의 플로우차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성장치의 개략도이다. 도 1은 음이온 생성장치의 길이 방향에 따른 단면을 나타낼 수 있다. 도 1에 표시된 XYZ 좌표계는 카테시안 좌표계(Cartesian coordinate)일 수 있다. XYZ좌표계에서 Z축은, 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성장치(100)의 길이 방향과 나란할 수 있다.
음이온 생성장치(100)는, 플라즈마 생성부(200), 음이온 생성부(300), 그리고 연결부(400)를 포함할 수 있다.
플라즈마 생성부(200)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 파워인가부(230)를 포함할 수 있다. 플라즈마 생성부(200)는, 주입된 가스(gas)에 파워(power)를 전달하여 주입된 가스의 적어도 일부를 플라즈마(plasma) 상태로 변환할 수 있다.
플라즈마 생성챔버(210)는, 제1 압력 범위에서 플라즈마(plasma)가 생성되는 공간을 제공할 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210) 내부의 일 지점에서의 압력(pressure)은, 제1 압력 범위에 포함될 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210) 내부의 각 지점에서의 압력은, 위치 마다 다를 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210) 내부에서의 압력은, 일정 범위 내에 속할 수 있다. 예를 들어 플라즈마 생성챔버(210) 내부에서의 압력은, 제1 압력 범위 내에 속할 수 있다.
플라즈마 생성챔버(210)는, 실린더(cylinder) 형상일 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210)는, 속이 빈 기둥의 형상일 수 있다. 예를 들어 플라즈마 생성챔버(210)는, 속이 빈 다각형 기둥(polygon column)의 형상일 수 있다.
플라즈마 생성챔버(210)는, 제1 플라즈마 생성챔버(211)와 제2 플라즈마 생성챔버(212)를 포함할 수 있다. 제1 플라즈마 생성챔버(211)는, 중공부를 가질 수 있다. 제1 플라즈마 생성챔버(211)는, 가스(gas)를 제공받아 플라즈마가 형성되는 공간을 제공할 수 있다. 제2 플라즈마 생성챔버(212)는, 제1 플라즈마 생성챔버에 연통될 수 있다. 제2 플라즈마 생성챔버(212)는, 제1 플라즈마 생성챔버에 연결될 수 있다. 제2 플라즈마 생성챔버(212)는, 제1 플라즈마 생성챔버(211)에 탄뎀 방식으로(in tandem) 연결될 수 있다. 제2 플라즈마 생성챔버(212)는, 제1 플라즈마 생성챔버(211)와 동축(coaxial)일 수 있다. 제1 플라즈마 생성챔버(211)와 제2 플라즈마 생성챔버(212)는, 실린더 형상일 수 있다.
제1 플라즈마 생성챔버(211)는, 플라즈마 생성챔버 바디(214a)와 가스 주입부(215)를 포함할 수 있다. 가스 주입부(215)는, 플라즈마 생성챔버 바디(214a)의 일 측에 형성될 수 있다. 가스 주입부(215)는, 가스 공급관(205)에 연결될 수 있다. 외부에서 제공되는 가스(gas)는, 가스 공급관(205)과 가스 주입부(215)를 거쳐 플라즈마 생성챔버 바디(214a) 내부에 도달할 수 있다. 가스 공급관(205)을 통해 플라즈마 생성챔버 바디(214a) 내부에 주입되는 가스(gas)는, 수소 가스, 노블 가스(noble gas), 기타 비활성가스 등을 포함할 수 있다. 노블 가스는, 헬륨(He), 아르곤(Ar), 네온(Ne) 등을 포함할 수 있다. 기타 비활성가스는, 메탄(methane), 사플루오린화 규소(Silicon tetrafluoride) 등을 포함할 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214a) 내부에 주입된 가스(gas)의 적어도 일부는, 파워인가부(230)로부터 파워(power)를 흡수하여 플라즈마로 변환될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214a)의 적어도 일부는, 쿼츠(quartz)로 구성될 수 있다. 쿼츠는 규소와 산소가 화합한 광물의 총칭으로서 투명도가 유지될 수 있어서, 내부에 플라즈마가 발생되면 시각적으로 플라즈마를 확인할 수 있다. 유전체(dielectric, 235)는, 약 4.5의 유전 상수(dielectric constant)를 가지는 쿼츠일 수 있다.
파워인가부(230)는, 전원부(231), 제1 플라즈마 전극(233), 제2 플라즈마 전극(234)을 포함할 수 있다. 파워인가부(230)는, 유전체(235)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 형성장치(100)에 사용되는 파워인가부(230)는, 유전체 격벽 방전(DBD, dielectric barrier discharge) 방식을 이용할 수 있다.
유전체 격벽 방전(DBD)은, 플라즈마를 발생시키는 방법 중 하나로서, 교류전압을 금속전극에 인가하는 방식일 수 있다. 유전체 격벽 방전(DBD)은, 스파크(spark)의 발생 요인을 감소시키는 장점을 가질 수 있다. 유전체 격벽 방전(DBD)은, 종래 음이온을 생성하기 위해 사용된 DC(직류, direct current) 방전에 비하여 높은 에너지의 전자를 제공할 수 있다.
유전체 격벽 방전(DBD)은, 높은 에너지의 전자를 이용하여 여기 상태(excited state) 입자를 생성할 수 있다. 다시 말하면 높은 에너지의 전자는 중성 입자에 에너지를 전달하여 여기 상태(excited state)의 입자를 형성할 수 있다. 여기 상태(excited state)의 입자는, 높은 에너지 또는 높은 포텐샬(potential)을 가지는 입자를 의미할 수 있다. 입자(particle)는, 원자(atom) 또는 분자(molecule)를 의미할 수 있다. 전자(electron)는, 여기 상태의 입자에 용이하게 부착될 수 있다.
유전체 격벽 방전(DBD)은, 운전 압력을 조절함으로써 플라즈마의 전자 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 생성챔버(210)는, 제1 압력 범위에서 운전될 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210)는, 제1 압력 범위에서 운전됨으로써, 생성되는 플라즈마의 전자 온도를 제어할 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210)가 제1 압력 범위에서 운전됨으로써, 여기 상태 입자(excited state particle)의 밀도를 제어할 수 있다. 제1 압력 범위에 해당하는 압력을 높임으로써, 여기 상태 입자의 밀도를 높일 수 있다.
유전체 격벽 방전(DBD)은, 유전체 사이의 간격을 조절함으로써 플라즈마의 전자 온도를 제어할 수 있다. 유전체 격벽 방전(DBD)은, 전극(electrode) 사이의 간격을 조절함으로써 플라즈마의 전자 온도를 제어할 수 있다. 전극 사이의 간격에 따라 형성되는 전기장의 세기가 달라질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성장치(100)에서 제1 플라즈마 생성챔버(211)의 플라즈마 생성챔버 바디(214a)는, 유전체(dielectric, 235)로서의 기능을 수행할 수 있다.
제1 플라즈마 생성챔버(211)의 플라즈마 생성챔버 바디(214a)는, 원통형(cylindrical)일 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214a)의 반지름(radius)은, 제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234) 사이의 거리를 의미할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214a)의 길이 방향(Z축 방향)에 수직한 단면의 크기는, 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이의 거리를 의미할 수 있다. 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이의 거리는, 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이에 형성되는 전기장의 세기에 영향을 줄 수 있다. 전기장의 세기는 전자(electron)의 에너지에 영향을 줄 수 있다. 요약하면 플라즈마 생성챔버 바디(214a)의 길이 방향(Z축 방향)에 수직한 단면의 크기를 조절함으로써, 제1 플라즈마 생성챔버(211) 내부에 생성되는 플라즈마 전자 온도를 제어할 수 있다. 다시 말하면 플라즈마 생성챔버(210)의 사이즈(size)에 따라, 여기 상태 입자의 밀도가 달라질 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)은, 전원부(231)에 연결되어 전력(electric power)을 제공받을 수 있다. 전원부(231)는, 교류 전압 또는 교류 전류를, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)에 제공할 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 전원부(231)에 연결되어 전력(electric power)을 제공받을 수 있다.
제1,2 플라즈마 전극(233,234) 중 하나는 접지(earth or ground)에 연결될 수 있다. 즉 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 중 하나의 전위(electric potential)는 '0'으로 될 수 있다. 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 중 하나는 기준 전압을 유지할 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)은, 제1 플라즈마 생성챔버(211)의 실질적으로 중심부에 위치할 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)은, 제1 플라즈마 생성챔버(211)의 중심부에서 길이 방향을 따라 배치될 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)은, 플라즈마 생성챔버(210)와 동축(coaxial)일 수 있다.
제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 생성챔버(211)의 일측에 위치할 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 생성챔버(211)의 외부에 위치할 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 전극(233)을 감싸는 형상을 가질 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 생성챔버(211)를 감싸는 형상을 가질 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)과 제1 플라즈마 전극(233) 사이에 유전체(235)가 위치할 수 있다. 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이에 위치하는 유전체(235)는, 플라즈마 생성챔버 바디(214)일 수 있다. 유전체(235)는, 전하 축적(charge accumulation)을 지양함으로써 스파크(spark)를 억제하는데 효과적일 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234)은, 일정한 거리를 유지할 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)의 일 지점으로부터 제2 플라즈마 전극(234)까지의 거리는, 제1 플라즈마 전극(233)의 상기 일 지점으로부터 제2 플라즈마 전극(234)의 일 지점까지의 거리 중 가장 짧은 거리를 의미할 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)의 일 지점으로부터 제1 플라즈마 전극(233)까지의 거리는, 제2 플라즈마 전극(234)의 다른 일 지점으로부터 제1 플라즈마 전극(233)까지의 거리와 실질적으로 동일할 수 있다.
전원부(231)는 V1의 전압을 유지할 수 있다. V1은 교류 전압을 의미할 수 있다. V1은 교류 전압의 크기를 의미할 수 있다. 전원부(231)는, 제1 저항(R1)에 연결될 수 있다. 제1 저항(R1)은, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)과 전원부(231)를 포함하는 전기 회로에서의 전기 저항(electric resistance)을 의미할 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234)은 서로 다른 전위를 가질 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234) 사이에 전기장(electric field)이 형성될 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234) 사이에 형성된 전기장은, 제1 플라즈마 전극(233)의 방위각 방향(azimuthal)으로 대칭일 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)의 방위각 방향은, 제1 플라즈마 전극(233)의 길이 방향을 중심으로 회전하는 방향을 의미할 수 있다. 다시 말하면 제1,2 플라즈마 전극(233,234)에 의해 플라즈마 생성챔버(210) 내부에 형성된 전기장(electric field)은, 플라즈마 생성챔버(210)의 길이 방향 축으로부터 동일한 거리 떨어진 위치에서 동일한 크기를 가질 수 있다. 이와 같은 전기장의 대칭성은, 아킹(arcing) 억제에 유리할 수 있다.
음이온 생성부(300)는, 음이온 생성챔버(310)와 전자공급부(320)를 포함할 수 있다.
음이온 생성챔버(310)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 연통할 수 있다. 음이온 생성챔버(310)는, 플라즈마 생성챔버(210)에 연결될 수 있다. 음이온 생성챔버(310)는, 제2 압력 범위에서 운전될 수 있다. 제2 압력 범위는, 제1 압력 범위와 상이할 수 있다. 예를 들어 제2 압력 범위에 해당하는 압력은, 제1 압력 범위에 해당하는 압력에 비하여 낮을 수 있다. 음이온(negative ion)이 형성되는 공간은, 플라즈마가 형성되는 공간의 압력에 비하여 낮은 압력을 요구할 수 있다. 다시 말하면 음이온 생성챔버(310)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 차등진공(differential vacuum)을 유지할 필요성을 가질 수 있다.
음이온 생성챔버(310)는, 실린더 형상일 수 있다. 음이온 생성챔버(310)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 동축(coaxial)일 수 있다. 음이온 생성챔버(310)는, 플라즈마를 제공받을 수 있다. 음이온 생성챔버(310)는, 플라즈마에 포함된 입자가 플라즈마로 변환되는 공간을 제공할 수 있다.
음이온 생성챔버(310)는, 음이온 생성챔버 바디(311)와 음이온 인출부(313)를 포함할 수 있다. 음이온 생성챔버 바디(311)는 플라즈마 생성챔버(210)와 연통할 수 있다. 음이온 인출부(313)는, 음이온 생성챔버 바디(311)의 일측에 형성될 수 있다.
음이온 인출부(313)는, 홀(hole)을 포함할 수 있다. 음이온 인출부(313)는, 음이온(negative ion)이 외부로 인출되는 영역을 의미할 수 있다. 음이온 인출부(313)는, 음이온 생성챔버 바디(311)에서 플라즈마(10)가 주입되는 영역에 대향할 수 있다. 음이온 인출부(313)는, 음이온 생성챔버(310) 내부에 위치하는 음이온(negative ion)을 외부로 인출할 수 있다.
음이온 인출부(313)는, 음이온 생성챔버(310)와 전기적으로 연결될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 음이온 생성챔버 바디(311), 제2 저항(R2), 제2 전압(V2), 그리고 음이온 인출부(313)는 순차적으로 전기적 연결될 수 있다. 제2 저항(R2)은, 음이온 생성챔버 바디(311), 음이온 인출부(313), 그리고 제2 전압(V2)을 포함하는 전기 회로에서의 전기 저항(electric resistance)을 의미할 수 있다.
음이온 생성챔버 바디(311)의 적어도 일부는 금속으로 구성될 수 있다. 음이온 생성챔버 바디(311)는, 전기적 접지(earth)에 연결될 수 있다. 음이온 생성챔버 바디(311)는, 음이온 인출부(313)에 대하여 기준 전위를 형성할 수 있다.
음이온 인출부(313)는, 음이온 생성챔버 바디(311)에 대하여 양(positive)의 전위(electric potential)를 형성할 수 있다. 음이온 생성챔버 바디(311)와 음이온 인출부(313) 사이에 전기장이 형성될 수 있다. 음이온 생성챔버(311)와 음이온 인출부(313) 사이에 형성된 전기장(electric field)은, 음이온 인출부(313)로부터 음이온 생성챔버(311)를 향하는 방향으로 형성될 수 있다. 음의 전하(negative charge)를 가지는 입자는, 음이온 생성챔버(311)로부터 음이온 인출부(313)를 향하는 방향으로 힘(force)을 받을 수 있다. 음이온은, 외부로 향하는 방향으로 전기장에 의한 힘을 제공받을 수 있다.
전자공급부(320)는, 음이온 생성챔버(310) 내부에 전자(electron)를 제공할 수 있다. 전자공급부(320)는, 플라즈마에 포함된 여기 상태 입자에 전자를 제공할 수 있다. 전자공급부(320)는, 메탈부재(321)와 서포팅부재(323)를 포함할 수 있다.
메탈부재(321)는, 일함수(work function)을 가지는 금속을 포함할 수 있다. 메탈부재(321)는, 일정 에너지 이상의 에너지를 가지는 입자에 반응하여 전자(electron)을 방출할 수 있다. 메탈부재(321)는, 여기 상태 입자(excited state particle)에 반응하여 전자(electron)를 방출할 수 있다.
여기 상태 입자(excited state particle)는, 전기적을 중성일 수 있다. 여기 상태 입자는, 준 안정(meta-stable) 상태일 수 있다. 예를 들어 헬륨(Helium) 분자는 준 안정(meta-stable) 상태로서 여기 상태일 수 있다. 여기 상태 입자는, 진동 여기된 상태(vibrationally excited state)일 수 있다. 진동 여기된 상태는, 분자가 진동을 함으로써 여기된 상태를 의미할 수 있다. 예를 들어 여기된 수소 분자(H2)는, 진동 여기된 상태일 수 있다. 여기 상태 입자는, 회전 여기된 상태(rotationally excited state)일 수 있다. 회전 여기된 상태는, 분자가 회전함으로써 여기된 상태를 의미할 수 있다. 예를 들어 여기된 수소 분자(H2)는, 회전 여기된 상태일 수 있다.
메탈부재(321)는, 원뿔대의 형상일 수 있다. 메탈부재(321)는, 깔때기(funnel)의 형상일 수 있다. 메탈부재(321)는, 플라즈마 생성챔버(210)로부터 음이온 생성챔버(310)를 향하는 방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 메탈부재(321)는, 플라즈마가 유입되는 방향으로 돌출된 형상을 가질 수 있다. 메탈부재(321)의 형상은, 메탈부재(321)와 입자의 반응에 영향을 미칠 수 있다.
서포팅부재(323)는, 메탈부재(321)와 음이온 생성챔버(310)를 연결할 수 있다. 서포팅부재(323)는, 메탈부재(321)를 지지할 수 있다. 서포팅부재(323)는, 음이온 생성챔버(310)의 내부에 위치할 수 있다. 서포팅부재(323)는, 음이온 생성챔버(310)와 물리적으로 연결되되, 전기적으로 이격될 수 있다. 서포팅부재(323)는, 전연체(insulator)일 수 있다.
연결부(400)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)를 연결할 수 있다. 연결부(400)는, 감압 모듈(420)을 포함할 수 있다. 감압 모듈(420)은, 감압 차단면(421, 도 7)을 포함할 수 있다. 연결부(400)는, 차등 진공(differential vacuum)에 기여할 수 있다. 예를 들어 연결부(400)는, 운전 압력이 다른 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310) 사이에 위치하여, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)가 다른 압력에서 작동되는데 기여할 수 있다.
감압 모듈(420)은, 플라즈마 생성챔버(210)의 내부 공간과 음이온 생성챔버(310) 내부 공간 사이 경계의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 감압 모듈(420)은, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)를 적어도 일부 격리하되, 홀(hole)을 형성하여 연통하도록 할 수 있다. 감압 모듈(420)은, 상기 구성을 통해, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)의 차등 진공(differential vacuum) 유지에 기여할 수 있다.
감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적은, 플라즈마 생성챔버(210)의 내부 표면적(area of inner surface)에 비하여 작을 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210)의 내부 표면적에 대한 감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적의 비율을 제1 비율이라 칭할 수 있다. 제1 비율은, 플라즈마 생성챔버(210) 내부 압력 유지에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 제1 비율이 작을수록, 플라즈마 생성챔버(210) 내부 압력 유지가 용이할 수 있다. 음이온 생성챔버(310)의 내부 표면적에 대한 감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적의 비율을 제2 비율이라 칭할 수 있다. 제2 비율은, 음이온 생성챔버(310) 내부 압력 유지에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 제2 비율이 작을수록, 음이온 생성챔버(310) 내부 압력 유지가 용이할 수 있다.
감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적이 작을수록, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)의 차등진공(differential vacuum)을 용이하게 유지할 수 있다. 그러나 감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적이 작을수록, 음이온 생성챔버(310)에 시간당 제공되는 입자의 수는 적어질 수 있다.
감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적이 클수록, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)의 차등진공(differential vacuum)을 유지하기 어려울 수 있다. 그러나 감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적이 클수록, 음이온 생성챔버(310)에 시간당 제공되는 입자의 수는 많아질 수 있다.
감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적은, 차등진공에 대하여 음(negative)의 영향을 미칠 수 있으나, 음이온 생성챔버(310)에 시간당 제공되는 입자의 수에 대하여 양(positive)의 영향을 미칠 수 있다. 다시 말하면, 감압 모듈(420)에 형성된 홀(hole)의 면적은, 최적값(optimal value)을 가질 수 있다. 여기서 최적값은, 전체 시스템(system)에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 형성장치(100)에서 음이온의 생성 과정을 살펴볼 수 있다. 가스공급관(205)을 통해 외부에서 가스(gas)가 플라즈마 생성챔버(210) 내부로 제공될 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210) 내부로 제공된 가스(gas)의 적어도 일부는 파워인가부(230)에 의해 플라즈마 상태로 변환될 수 있다. 플라즈마(10)는, 여기 상태 입자, 전자, 양이온, 음이온 등을 포함할 수 있다. 생성된 플라즈마(10)의 일부는 연결부(400)를 지나 음이온 생성챔버(310) 내부에 제공될 수 있다. 여기 상태 입자가 메탈부재(321)에 충돌하면, 메탈부재(321)는 전자(electron)를 방출할 수 있다. 방출된 전자는 여기 상태 입자와 반응하여 음이온을 형성할 수 있다. 형성된 음이온(negative ion)은 음이온 인출부(313)를 거쳐 외부에 제공될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 음이온 생성장치의 개략도이다. 음이온 생성장치(100)는 회수부(220)를 더 포함할 수 있다. 회수부(220)는 회수관(221)과 강제회수유닛(225)을 포함할 수 있다. 강제회수유닛(225)은, 모터(226)와 프로펠러(227)를 포함할 수 있다. 연결부(400)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)를 연결하는 연결부 챔버(410)를 포함할 수 있다.
회수관(221)은, 파이프(pipe)의 형상을 가질 수 있다. 회수관(221)의 양 단은, 플라즈마 생성챔버(210)의 내부에 연통할 수 있다. 회수관(221)의 일 단은 플라즈마 생성챔버(210)의 내부에 연통하되, 회수관(221)의 다른 단은 연결부 챔버(410)의 내부에 연통할 수 있다. 회수관(221)을 통해, 음이온 생성챔버(310) 내부로 유입되지 않은 플라즈마(10) 입자를 재사용할 수 있다.
강제회수유닛(225)은, 회수관(221)의 일 측에 위치하는 플라즈마의 적어도 일부를 회수관(221)의 타측에 전송할 수 있다. 모터(226)는 구동력을 제공할 수 있다. 프로펠러(227)는, 모터(226)에 연결되어 구동력을 제공받을 수 있다. 프로펠러(227)는 플라즈마 입자를 일 방향으로 전송할 수 있다. 강제회수유닛(225)은, 회수관의 일 지점에 위치할 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)는 중공부를 구비할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 일측에 제1 오리피스(217)가 형성될 수 있다. 제1 오리피스(217)는, 홀(hole)의 형상일 수 있다. 홀(hole) 형상의 제2 오리피스(218)는, 플라즈마 생성챔버 바디(214) 또는 연결부 챔버(410) 중 적어도 하나의 일측에 형성될 수 있다. 제2 오리피스(218)는, 제1 오리피스(217)에 비하여 연결부(400)에 인접할 수 있다.
회수부(220)에 의한 플라즈마(10) 입자의 이동 경로를 살펴볼 수 있다. 생성된 플라즈마(10)의 적어도 일부는, 감압 모듈(420)에 의해 음이온 생성챔버(310) 내부로의 유입이 억제될 수 있다. 음이온 생성챔버(310) 내부로 유입되지 않은 플라즈마(10)는, 제2 오리피스(218)를 통해 회수관(221)에 유입될 수 있다. 회수관(221)에 유입된 플라즈마(10)는, 제1 오리피스(217)를 통해 플라즈마 생성챔버(210) 내부로 유입될 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210) 내부에 유입된 플라즈마(10)는, 플라즈마 생성챔버(210) 내부의 플라즈마(10)의 밀도(density)를 유지하는데 기여할 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210) 내부에 유입된 플라즈마(10)에 포함된 입자는, 음이온 생성챔버(310) 내부에 진입할 기회를 가질 수 있다.
연결부 챔버(410)는, 실린더 형상을 가질 수 있다. 연결부 챔버(410)는, 플라즈마 생성챔버(210) 내부와 연통할 수 있다. 연결부 챔버(410)는, 음이온 생성챔버(310) 내부와 연통할 수 있다. 연결부 챔버(410)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 음이온 생성챔버(310)를 연결할 수 있다. 연결부 챔버(410)는 길이 방향을 가질 수 있다. 연결부 챔버(410)의 길이 방향은, 플라즈마 생성챔버(210)의 길이 방향과 실질적을 동일할 수 있다. 연결부 챔버(410)의 길이 방향은, 음이온 생성챔버(310)의 길이 방향과 실질적으로 동일할 수 있다.
연결부 챔버(410)는, 플라즈마 생성챔버(210)와 플렌지(flange)로 연결될 수 있다. 연결부 챔버(410)는, 음이온 생성챔버(310)와 플렌지(flange)로 연결될 수 있다. 연결부 챔버(410)는, 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성장치(100)를 모듈화하도록 할 수 있다.
연결부 챔버(410)는, 감압 모듈(420)에 연결될 수 있다. 감압 모듈(420)은 연결부 챔버(410)의 내부에 위치할 수 있다. 연결부 챔버(410)의 교환을 통해, 감압 모듈(410)이 교체될 수 있다. 연결부 챔버(410)의 일 측에 제2 오리피스(218)가 형성될 수 있다. 연결부 챔버(410)의 일 측에 회수관(221)이 연결될 수 있다. 연결부 챔버(410)의 일부 영역은, 음이온 생성챔버(310) 내부에 진입하지 않은 플라즈마(10)가 위치할 수 있다.
도 3은 도 1 플라즈마 생성챔버의 일부 단면 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 생성챔버 바디(214)는 실린더(cylinder) 형상일 수 있다.
플라즈마 생성챔버(210)는, 제1 플라즈마 전극(233)을 감싸는 형상일 수있다. 플라즈마 생성챔버(210)는, 제1 플라즈마 전극(233)과 공간적으로 이격될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 내부에 중공부를 형성할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 중공부는, 제1 플라즈마 전극(233)이 관통하는 공간을 제공할 수 있다.
제2 플라즈마 전극(234)은, 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 외부를 감싸는 형상일 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 전극(233)을 감싸는 형상이되, 제1 플라즈마 전극(233)과 공간적으로 이격될 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 전극(233)의 전위(electric potential)와 다른 전위를 가질 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 제1 플라즈마 전극(233)의 전압과 다른 전압을 가질 수 있다. 여기서 전압은, 전압의 크기와 전압의 위상(phase)을 포함하는 개념일 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234) 사이에 전기장(electric potential)이 형성될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내부에 형성되는 전기장에 대하여 더 살펴볼 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는 실린더 형상이며, 제1 플라즈마 전극(233)은 플라즈마 생성챔버 바디(214)와 동축(coaxial)일 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은 길이 방향을 가지며 플라즈마 생성챔버 바디(214)와 동축일 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내부에 형성되는 전기장은, 제1 플라즈마 전극(233)으로부터 제2 플라즈마 전극(234)을 향하는 방향 또는 그 반대일 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)의 중공부에 전기장이 형성될 수 있다. 전기장은, 제1 플라즈마 전극(233)으로부터 제2 플라즈마 전극으로 향할수록 작은 크기(magnitude)를 가질 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내부에 형성되는 전기장의 크기는, 제1 플라즈마 전극(233)의 길이 방향(도 3에서 Z축 방향)에 대한 방위각 방향(azimuth direction)으로 대칭(symmetric)일 수 있다. 다시 말하면, 전기장은, 제1 플라즈마 전극(233)으로부터 동일한 거리의 양 지점에서 동일한 크기를 가질 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내측면(inner surface)에서의 전기장은, 단부에서의 프린지 효과(fringe effect)를 제외하면 균일할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내측면에서의 전기장은, 실질적으로 균일할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214) 내측면에 분포하는 전하(electric charge)는, 실질적으로 균일하게 분포될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214) 내측면에서 아킹(arcing) 또는 스파크(spark)가 용이하게 억제될 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214) 내부에 형성된 전기장에 의해, 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마는, 제1 플라즈마 전극(233) 주변에서 가장 높은 밀도를 가질 수 있다. 플라즈마는, 플라즈마 생성챔버(214)의 중심부에서 가장 높은 밀도를 가질 수 있다. 플라즈마는, 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 길이방향으로 이동할 수 있다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라 평판형 플라즈마 전극을 이용한 음이온 생성장치의 개략도이다. 제1 플라즈마 전극(233)은, 제2 플라즈마 전극(234)과 마주보는 형상일 수 있다.
제1,2 플라즈마 전극(233,234)은, 플라즈마 생성챔버(210)의 길이 방향과 실질적으로 나란할 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)은, 제2 플라즈마 전극(234)의 전위와 다른 전위를 가질 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)은, 제2 플라즈마 전극(234)과 V1의 전위 차이(electric potential difference)를 가질 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)은, V1의 전위를 유지하는 전원부(231)에 연결될 수 있다. 전원부(231)는 제1 저항(R1)에 연결될 수 있다. 제1 저항(R1)은, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)과 전원부(231)를 포함하는 전기 회로(electric circuit)에서의 전기 저항을 의미할 수 있다. 제1 저항(R1)은, 제 2 플라즈마 전극(234)에 연결될 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233), 전원부(231), 제1 저항(R1), 그리고 제2 플라즈마 전극(234)은, 나열된 순서대로 전기적으로 연결될 수 있다. 유전체(235)는, 제1 플라즈마 전극(233)과 제2 플라즈마 전극(234) 사이에 위치할 수 있다. 유전체(235)는, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)에 접할 수 있다. 유전체(235)는, 플라즈마 생성챔버 바디(214) 일부일 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)의 형상은, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)의 형상에 대응될 수 있다. 제1,2 플라즈마 전극(233,234)은, 슬랩(slab) 형상을 가질 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 다각형 단면의 기둥(polygon column)의 형상일 수 있다. 예를 들어 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 사각 기둥의 형상일 수 있다.
제1,2 플라즈마 전극(233,234)은, 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 길이 방향으로 마주하는 제1면과 제2면에 각각 인접하여 위치할 수 있다. 제1,2 플라즈마 전극(233,234)은, 서로 평행할 수 있다. 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이에 형성되는 전기장은, 단부측에서의 프린지 효과(fringe effect)를 제외하면 균일할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 중공부에 형성되는 전기장은, 실질적으로 균일할 수 있다.
도 5는, 도 4 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 상세도이다. 도 5의 (a)는, 도 4 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 단면 사시도이다. 도 5의 (b)는, 도 4 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 단면도이다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 사각형의 단면 형상을 가질 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 유전체(235)일 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 적어도 일부는, 유전체(235)일 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)의 길이 방향에 수직한 단면은 다각형(polygon)일 수 있다. 예를 들어 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 길이 방향에 수직한 단면은, 사각형일 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 길이 방향으로 서로 마주하는 제1,2 면(214-1, 214-2)을 구비할 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 길이 방향으로 서로 마주하는 양 면을 포함하는 다각 기둥의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 제1,2 면(214-1,214-2)을 포함하는 사각 기둥의 형상을 가질 수 있다. 또 다른 예를 들어 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 제1,2 면(214-1,214-2)을 포함하는 육각 기둥의 형상을 가질 수 있다.
제1 플라즈마 전극(233)은, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1면(214-1)에 인접하여 위치할 수 있다. 제2 플라즈마 전극(234)은, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 면(214-2)에 인접하여 위치할 수 있다. 제1 플라즈마 전극(233)은, 제2 플라즈마 전극(234)과 실질적으로 평행할 수 있다.
유전체(235)가 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이에 위치할 수 있다. 플라즈마 생성챔버(210)의 적어도 일부는 유전체(235)로 구성될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내측면(inner surface)에 위치하는 전하(electric charge)는 실질적으로 균일한 분포를 가질 수 있다. 이로 인하여 플라즈마 생성챔버 바디(214) 내부에서 스파크(spark) 또는 아킹(arcing)이 효과적으로 억제될 수 있다.
도 6은, 도 5와 다른 실시예의 평판형 플라즈마 전극 구성을 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)은, 플라즈마 생성챔버 바디(214)의 내부에 위치할 수 있다.
유전체(dielectric, 235)는, 제1,2 플라즈마 전극(233,234)에 인접하여 위치할 수 있다. 유전체(235)는, 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이에 위치할 수 있다. 유전체(235)는, 플라즈마 생성챔버 바디(214) 내부면의 적어도 일부를 구성할 수 있다.
유전체(235)의 적어도 일부는, 쿼츠(quartz)로 구성될 수 있다. 유전체(235)의 적어도 일부는, 세라믹(ceramic)으로 구성될 수 있다. 유전체(235)의 적어도 일부는, 테플론(Teflon)으로 구성될 수 있다. 유전체(235)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수 개로서 2개로 구성될 수 있다. 유전체(235) 사이에 실질적으로 균일한 크기의 전기장이 형성될 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)의 적어도 일부는, 쿼츠(quartz)로 구성될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 절연체(insulator, 600)로서의 기능을 할 수 있다.
플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 절연체(600)로서의 기능을 하지 않을 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)는, 일반 금속 또는 스테인리스 강으로 구성될 수 있다. 플라즈마 생성챔버 바디(214)가 절연체(600)의 기능을 하지 않는 경우, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 플라즈마 생성챔버 바디(214)와 제1,2 플라즈마 전극(233,234) 사이에 절연체(600)가 위치할 수 있다.
도 7 은, 도 2 감압 모듈의 상세도이다. 도 7의 (a)는, 감압 모듈(420)의 단면 사시도이다. 도 7의 (b)는, 감압 모듈(420)을 플라즈마 형성챔버(210)의 길이 방향에서 바라본 모습을 나타낸 도면이다.
감압 모듈(420)은, 회전체의 형상을 가질 수 있다. 감압모듈(420)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 감압 차단면(421)을 포함할 수 있다. 감압 차단면(421)의 일측에 감압 홀(425)이 형성될 수 있다.
감압 차단면(421)은, 깔때기(funnel) 형상일 수 있다. 감압 차단면(421)은, 연결부 챔버(410)의 내측에 부착될 수 있다. 감압 차단면(421)의 외주 형상은, 연결부 챔버(410)의 내측 형상에 대응될 수 있다.
감압 차단면(421)은, 플라즈마 생성챔버(210)의 내부 공간과 음이온 생성챔버(310) 내부 공간 사이 경계를 형성할 수 있다. 감압 차단면(421)은, 플라즈마 생성챔버(210)를 향하여 돌출된 형상을 가질 수 있다. 감압 차단면(421)은, 서로 다른 압력의 경계를 형성할 수 있다. 예를 들어 감압 차단면(421)의 일 면은, 제1 압력 범위에 해당하는 압력에 노출될 수 있다. 제1 압력 범위에 해당하는 압력에 노출되는 감압 차단면(421)의 일 면은, 플라즈마 생성챔버(210)를 향할 수 있다. 또한 감압 차단면(421)의 다른 일 면은, 제2 압력 범위에 해당하는 압력에 노출될 수 있다. 제2 압력 범위에 해당하는 압력에 노출되는 감압 차단면(421)의 다른 일 면은, 음이온 생성챔버(310)를 향할 수 있다.
제1 압력 범위는, 제2 압력 범위에 비하여, 높을 수 있다. 제1 압력 범위의 중간값(median value)은, 제2 압력 범위의 중간값에 비하여 높을 수 있다. 제1 압력 범위의 하한 값은, 제 2 압력 범위의 상한 값에 비하여 높을 수 있다.
감압 차단면(421)은, 플라즈마 생성챔버(210)의 내부 압력과 음이온 생성챔버(310)의 내부 압력의 차이가 유지되는데 기여할 수 있다. 감압 차단면(421)은, 플라즈마 생성챔버(210)의 내부와 음이온 생성챔버(310)의 내부를 구분할 수 있다. 감압 차단면(421)의 일측에 감압 홀(425)이 형성될 수 있다.
감압 홀(425)은, 홀(hole)의 형상일 수 있다. 감압 홀은, 플라즈마 생성챔버(210) 내부와 음이온 생성챔버(310) 내부를 연통하도록 할 수 있다. 감압 홀은, 플라즈마(10)를 통과시킬 수 있다. 감압 홀은, 플라즈마(10)에 포함된 입자를 통과시킬 수 있다. 감압 홀은, 감압 차단면(425)의 중심부에 형성될 수 있다.
감압 홀(425)은, 감압 차단면(421)의 첨단부(apical part)에 형성될 수 있다. 감압 홀(425)은, 홀(hole)의 형상을 가질 수 있다. 감압 홀(425)은, 감압 차단면(421)의 중심부 측에 위치할 수 있다. 감압 홀(425)은, 단수로 구성될 수 있다. 감압 홀(425)은, 복수 개로 구성될 수 있다. 감압 홀(425)은, 플라즈마 형성챔버(210)의 축 상에 위치할 수 있다.
도 8 및 9는, 메탈부재의 여러 실시예를 나타낸 도면이다. 도 8은, 도 4 메탈부재를 나타낸 도면이다. 메탈부재(321)는, 도 8에 도시된 바와 같이, A-A'를 축으로 하는 회전체의 형상을 가질 수 있다. 메탈부재(321)는, 일함수(work function)를 가질 수 있다. 메탈부재(321)의 적어도 일부는, 텅스텐으로 구성될 수 있다.
메탈부재(321)는, 일정 에너지 이상의 에너지를 가지는 입자에 반응하여 전자(electron)를 제공할 수 있다. 메탈부재(321)는, 음이온 생성챔버(310) 내부에 위치할 수 있다.
메탈부재(321)는, 깔때기(funnel) 형상일 수 있다. 메탈부재(321)는, 음이온 생성챔버(310)와 동축(coaxial)일 수 있다. 메탈부재(321)의 적어도 일부는, 금속(metal)으로 구성될 수 있다. 메탈부재(321)는, 메탈부재면(321a)을 포함할 수 있다. 메탈부재면(321a)의 일측에, 메탈부재 홀(321b)이 형성될 수 있다. 메탈부재 홀(321b)은, 홀(hole)의 형상일 수 있다. 메탈부재 홀(321b)은, 음이온을 통과시킬 수 있다. 메탈부재 홀(321b)은, 음이온 인출부(313, 도 4)에 인접할 수 있다.
메탈부재(321)는, A-A'를 중심축으로 할 수 있다. 메탈부재(321)는, A에서 A'로 향할수록 수직 단면의 넓이가 작아질 수 있다. A에서 A'로 향하는 방향은, 음이온 생성챔버(310)에서 입자의 거시적 이동 방향일 수 있다.
음이온 생성챔버(310) 내부에서 입자의 흐름을, 메탈부재(321)의 형상과 관련지어 살펴볼 수 있다. 음이온 생성챔버(310) 내부에서 메탈부재(321)에 반응하는 입자는, 메탈부재(321)의 일함수(work function) 이상의 에너지를 가질 수 있다. 음이온 생성챔버(310) 내부에서 메탈부재(321)에 반응하는 입자는, 여기 상태(excited state) 입자일 수 있다. 메탈부재(321)는, 일함수 이상의 에너지를 가지는 입자에 반응하여 전자를 제공할 수 있다. 여기 상태 입자는, 전자와 반응하여 음이온이 될 수 있다. 음이온의 밀도는, 메탈부재(321)의 형상에 의하여, 메탈부재 홀(321b)에 인접한 영역에서 상대적으로 높을 수 있다.
메탈부재(321)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 굽어진(bent) 형상일 수 있다. 메탈부재(321)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 휘어진 형상일 수 있다.
메탈부재(321)는, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 메탈부재(321)의 내측을 향하여 오목한 형상일 수 있다. 메탈부재(321)는, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 메탈부재(321)의 외부를 향하여 볼록한 형상일 수 있다.
도 9에서, A로부터 A'를 향하는 방향은 음이온 생성챔버(310, 도 4)에서 음이온의 거시적 이동 방향일 수 있다. 메탈부재(321)는, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, A에서 A'를 향할수록 메탈부재(321)의 길이 방향(양의 Z축 방향)과 큰 각도를 형성하는 접선을 가질 수 있다. 메탈부재면(321a)은, 메탈부재 홀(321b)에 인접한 영역에서 상대적으로 높은 밀도의 전자(electron)를 제공할 수 있다. 다시 말하면 도 9의 (a)에 도시된 메탈부재(321)의 형상은, 메탈부재 홀(321b)에 인접한 영역에서 높은 밀도의 음이온을 형성하는데 기여할 수 있다.
메탈부재(321)는, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 메탈부재(321)의 내측을 향하여 볼록한 형상일 수 있다. 메탈부재(321)는, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 메탈부재(321)의 외부를 향하여 오목한 형상일 수 있다.
메탈부재(321)는, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, A에서 A'를 향할수록 메탈부재(321)의 길이 방향(양의 Z축 방향)과 작은 각도를 형성하는 접선을 가질 수 있다. 메탈부재 면(321a)은, 메탈부재 홀(321b)에 인접하지 않은 영역에서 상대적으로 넓은 면적을 가질 수 있다. 메탈부재 면(321a)은, 메탈부재 홀(321b)에 인접하지 않은 영역에서 상대적으로 높은 밀도의 전자(electron)를 제공할 수 있다. 메탈부재 홀(321b)에 인접하지 않은 영역에서 주로 생성될 수 있는 음이온은, 메탈부재 면(321a)의 형상에 의해 메탈부재 홀(321b)로 이송될 수 있다.
메탈부재(321)는, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, 메탈부재(321)의 내측을 향하여 오목한 형상과 볼록한 형상을 동시에 가질 수 있다.
메탈부재(321)는, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이, A에서 A'를 향할수록 메탈부재(321)의 길이 방향(양의 Z축 방향)과 작은 각도를 형성한 이후 다시 큰 각도를 형성할 수 있다. 다시 말하면, 도 9의 (c)에 도시된 메탈부재 면(321a)의 일 곡선은 변곡점(knee point)을 가질 수 있다. 도 9의 (c)에 도시된 메탈부재(321)는, 도 9의 (a)에 도시된 메탈부재(321)의 장점과 도 9의 (b)에 도시된 메탈부재(321)의 장점을 가질 수 있다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성방법의 플로우차트이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 생성방법(S10)은, 가스 공급 단계(S100), 플라즈마 생성 단계(S200), 플라즈마 전송 단계(S300), 그리고 음이온 생성 단계(S400)를 포함할 수 있다.
가스 공급 단계(S100)는, 플라즈마 생성챔버(210, 도 1) 내부에 공급하는 단계일 수 있다. 가스 공급 단계(S100)에서 공급하는 가스는, 수소 가스, 헬륨 가스 등을 포함할 수 있다.
플라즈마 생성 단계(S200)는, 제1 압력 범위에서 플라즈마 생성챔버(210, 도 1) 내부에 플라즈마를 생성하는 단계일 수 있다. 플라즈마는, 플라즈마 생성챔버(210) 내부에 파워(power)를 인가함으로써 형성될 수 있다.
플라즈마 전송 단계(S300)는, 생성된 플라즈마의 적어도 일부를 음이온 생성챔버(310, 도 1) 내부에 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 플라즈마 전송 단계(S300)는, 감압 단계(S310)와 플라즈마 리사이클링 단계(S320)를 포함할 수 있다.
음이온 생성 단계(S400)는, 전송된 플라즈마의 적어도 일부를 음이온 생성챔버(310) 내부에서 음이온으로 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 음이온 생성 단계(S400)는, 제1 압력 범위와 상이한 제2 압력 범위에서 운전될 수 있다. 음이온 생성 단계(S400)는, 전자 공급 단계(S410)를 포함할 수 있다.
감압 단계(S310)는, 전송되는 플라즈마에 제1 압력 범위와 제2 압력 범위 사이의 압력 변화를 가하는 단계를 포함할 수 있다. 다시 말하면, 플라즈마 생성챔버(210)에서 플라즈마에 가해지는 압력에 비하여 음이온 생성챔버(310) 내부에서 플라즈마에 가해지는 압력을 감소시키는 단계가, 감압 단계(S310)에 포함될 수 있다.
플라즈마 리사이클링 단계(S320)는, 생성된 플라즈마의 일부를 재사용할 수 있다. 플라즈마 리사이클링 단계(S320)는, 플라즈마 생성챔버(210) 내부에서 음이온 생성챔버(310) 내부로 진입하지 못한 플라즈마를 재사용할 수 있다. 플라즈마 리사이클링 단계(S320)에서 사용되는 플라즈마는, 음이온 생성챔버(310)에 인접할 수 있다.
전자 공급 단계(S410)는 음이온 생성챔버(310) 내부에 전자(electron)를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 전자 공급 단계(S410)에서 제공되는 전자(electron)는, 일함수(work function)를 가지는 금속판(metal plate)으로부터 제공될 수 있다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 음이온 생성장치 200: 플라즈마 생성부
205: 가스공급관 210: 플라즈마 생성챔버
220: 회수부 230: 파워인가부
300: 음이온 생성부 310: 음이온 생성챔버
320: 전자공급부 400: 연결부
410: 연결부 챔버 420: 감압 모듈

Claims (15)

  1. 제1 압력 범위에서 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하는 플라즈마 생성챔버와 상기 플라즈마 생성챔버에 파워(power)를 제공하는 파워인가부를 구비한 플라즈마 생성부;
    상기 플라즈마 생성챔버와 연통하되 상기 제1 압력 범위와 상이한 제2 압력 범위에서 음이온이 생성되는 공간을 제공하는 음이온 생성챔버와 상기 음이온 생성챔버 내부에 전자를 제공하는 전자공급부를 구비한 음이온 생성부; 및
    상기 플라즈마 생성챔버와 음이온 생성챔버를 연결하는 연결부를 포함하는,
    음이온 생성장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 파워인가부는,
    전력을 제공하는 전원부;
    상기 전원부에 연결되고 상기 플라즈마 생성챔버의 일측에 위치하여 상기 플라즈마 생성챔버 내부에 파워를 제공하는 제1,2 플라즈마 전극; 및
    상기 제1,2 플라즈마 전극 사이에 위치한 유전체를 포함하는,
    음이온 생성장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성챔버는, 가스를 제공받아 플라즈마가 형성되는 공간을 제공하는 제1 플라즈마 생성챔버; 및 상기 제1 플라즈마 생성챔버에 연통되여 연결된 제2 플라즈마 생성챔버를 포함하고,
    상기 제1,2 플라즈마 전극은, 상기 제1 플라즈마 생성챔버의 일측에 위치하여 상기 제1 플라즈마 생성챔버 내부에 파워를 제공하며,
    상기 제1 플라즈마 생성챔버의 적어도 일부는, 상기 유전체를 구성하는,
    음이온 생성장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 전극은, 상기 플라즈마 생성챔버의 중심부에 위치하고,
    상기 제2 플라즈마 전극은, 상기 제1 플라즈마 전극에 공간적으로 이격하여 위치하되 상기 제1 플라즈마 전극을 감싸는 형상인,
    음이온 생성장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 플라즈마 전극은,
    상기 제1,2 플라즈마 전극은, 상기 플라즈마 생성챔버의 일 방향과 나란하며 서로 마주보는,
    음이온 생성장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 플라즈마 생성챔버의 내부 공간과 상기 음이온 생성챔버의 내부 공간 사이 경계를 형성하는 감압 차단면과 상기 감압 차단면에 형성된 감압 홀(hole)을 구비하는 감압 모듈을 포함하는,
    음이온 생성장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 감압부재 차단면은,
    상기 음이온 생성챔버에서 상기 플라즈마 생성챔버를 향하여 돌출한 형상인,
    음이온 생성장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 연결부는,
    상기 플라즈마 생성챔버와 음이온 생성챔버를 연통하여 연결하며, 중공부를 형성하는 연결부 챔버를 더 포함하고,
    상기 감압 모듈은, 상기 연결부 챔버의 중공부에 위치하는,
    음이온 생성장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전자공급부는,
    상기 음이온 생성챔버의 내부에 위치하며, 일함수(work function)를 가지는 메탈부재(metal member)를 포함하는,
    음이온 생성장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    파이프(pipe)의 형상으로서 양 단이 상기 플라즈마 생성챔버의 내부에 연통하는 회수관을 구비하는 회수부를 더 포함하는,
    음이온 생성장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성챔버는,
    중공부가 형성된 플라즈마 생성챔버 바디;
    상기 플라즈마 생성챔버 바디의 일측에 형성되어, 상기 회수부에 연결되는 제1,2 오리피스를 포함하고,
    상기 제2 오리피스는, 상기 제1 오리피스에 비하여 상기 연결부에 인접한,
    음이온 생성장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 회수부는,
    상기 회수관의 양 단 사이 일 지점에 위치하고, 상기 회수관의 일 측에 위치하는 플라즈마의 적어도 일부를 상기 회수관의 타측에 전송하는, 강제회수유닛을 더 포함하는,
    음이온 생성장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 강제회수유닛은,
    구동력을 제공하는 모터와, 상기 모터에 연결된 프로펠러를 포함하는,
    음이온 생성장치.
  14. 가스를 플라즈마 생성챔버 내부에 공급하는 가스 공급 단계;
    제1 압력 범위에서 플라즈마 생성챔버 내부에 플라즈마를 생성하는, 플라즈마 생성단계;
    생성된 플라즈마의 적어도 일부를 음이온 생성챔버 내부에 전송하는, 플라즈마 전송 단계; 및
    상기 제1 압력 범위와 상이한 제2 압력 범위에서 상기 음이온 생성챔버 내부에 음이온을 형성하는 음이온 생성단계를 포함하며,
    상기 음이온 생성단계는 상기 음이온 생성챔버 내부에 전자(electron)를 제공하는 전자 공급 단계를 포함하는,
    음이온 생성방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 플라즈마 전송 단계는,
    상기 플라즈마 생성챔버 내부에 위치하되 상기 음이온 생성챔버에 인접한 플라즈마의 적어도 일부를 취득하여 상기 플라즈마 생성챔버 내부로 전송하는, 플라즈마 리사이클링 단계를 포함하는,
    음이온 생성방법.
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