KR20210030581A - 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력이 인가될 때 발생하는 발광 급증 현상과 전력이 차단될 때 발생하는 잔광 급증 현상의 기여를 펄스 구동 조건의 조절을 통해 최대화하여 활성종의 생성이 극대화되도록 한 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법에 의하면, 전극의 추가나 변경 없이, 전력 구동 조건의 변화만으로 플라즈마의 활성종 생성의 전력 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법{RADICAL SPECIES OF PLASMA GENERATION METHOD USING PULSED POWER}

본 발명은 플라즈마 활성종 생성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전력이 인가될 때 발생하는 발광 급증 현상과 전력이 차단될 때 발생하는 잔광 급증 현상의 기여를 펄스 구동 조건의 조절을 통해 최대화하여 활성종의 생성이 극대화되도록 한 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법에 관한 것이다.

종래로부터 여러 가지 형태의 전력원을 이용하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 장치들이 사용되어 왔으며, 주파수 900MHz나 2.05GHZ 등의 마이크로파 영역의 신호를 이용하여 저전력의 열적 효과가 없는 플라즈마를 발생시키는 장치들이 개발되어 왔다.

이러한 플라즈마 발생장치에서 생성된 플라즈마 활성종은 다양한 플라즈마 응용 분야에서 중요한 역할을 한다. 비열 플라즈마(non-thermal plasma) 내부는 전자의 온도가 수 만도에 이르지만 가스의 온도는 수백 도로 낮아 일반적인 상황에서는 발생하기 어려운 활성종이 생성될 수 있다. 이러한 플라즈마에서 생성된 활성종은 현재 열적으로 민감하지만 높은 반응성을 필요로 하는 의료, 농업 및 미용 등과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

이때, 플라즈마 활성종의 생성량은 주로 플라즈마 발생장치의 전극의 모양이나 전력 구동 조건에 의해 결정된다. 그러나 플라즈마 전극의 형태는 인가 전력의 주파수에 맞춰 최적의 전력 효율을 가질 수 있도록 결정되는 것이므로 전극의 형태나 주파수를 변경하는 것에는 많은 제약이 따른다. 그러므로 특정 전극으로 생성된 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키기 위해서는 전력의 세기를 증가시켜야 하는데, 통상적인 방법으로는 플라즈마 활성종의 생성을 증대시킬 수 있을 정도로 전력 효율을 증대시키는 것이 곤란한 문제가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 플라즈마 발생장치의 전극의 추가나 구조상의 변경 없이 전력 구동 조건의 변화만으로 플라즈마 활성종의 생성을 극대화시킬 수 있는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법을 제공하는데 있다.

상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법은, 플라즈마 발생기에 전력을 인가하여 플라즈마 활성종을 생성하는 플라즈마 활성종 생성방법에 있어서, 마이크로파 플라즈마 발생기에 마이크로파 주파수의 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성단계; 및 마이크로파 플라즈마 발생기에 방전용 기체를 공급하는 방전용 기체 공급단계;를 포함하되, 상기 플라즈마 생성단계는, 마이크로파 주파수의 전력을 펄스 형태로 인가하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법에 의하면, 전극의 추가나 변경 없이, 전력 구동 조건의 변화만으로 플라즈마 활성종의 생성에 대한 전력 효율을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

즉, 플라즈마를 구동하는 전극의 추가나 전극의 변형 없이 연속파 형의 전력이 아닌 펄스형 전력을 인가함으로써 플라즈마의 시간 평균 발광량을 증가시킬 수 있다. 증가한 발광은 들뜬 원자의 여기(excitation)에 의해 방출되는 선방출이며, 이는 들뜬 원자의 밀도가 증가했음을 의미한다. 들뜬 원자는 다른 중성 입자 또는 이온 입자와 충돌하여 수명이 긴 활성종을 생성한다. 동일한 시간 평균 전력을 유지할 때 연속파형 구동에 비해 펄스형 구동의 경우에서 활성종 생성이 두드러지게 증가할 수 있으며, 이에 따라 활성종 생성의 효율이 극대화될 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 마이크로파 플라즈마 발생장치에 펄스형 전력을 인가한 경우 플라즈마 발광 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 다양한 주기의 펄스형 전력 인가에 따른 플라즈마 발광의 시간 변화를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본문에 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법의 공정 흐름도이다.

도 1을 참고하면 본 발명에 따른 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법은 마이크로파 플라즈마 발생기에 마이크로파 주파수의 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성단계(S100)와 마이크로파 플라즈마 발생기에 방전용 기체를 공급하는 방전용 기체 공급단계(S200)를 포함한다. 이때, 플라즈마 생성단계(S100)에서는 마이크로파 플라즈마 발생기에 마이크로파 주파수의 전력을 펄스 형태로 인가하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 기존의 연속파형의 전력이 아닌 펄스형 전력을 사용함으로써 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 한다. 펄스형 전력 구동 방식이란 전력의 전달을 일정한 시간 간격으로 인가하고 차단하는 방식을 뜻한다. 펄스형 전력으로 구동하는 플라즈마에서는 종래의 연속파형 전력으로 구동하는 플라즈마에서는 관찰할 수 없는 고유한 두 가지 현상이 발생한다. 이 두 가지 현상은 '발광 급증' 현상과 '잔광 급증' 현상이라 할 수 있다.

플라즈마에 전력을 가하기 시작하면 전력이 인가되기 전 밀도가 낮은 전자에 대부분의 에너지가 전달되어 높은 에너지를 가지는 전자가 다량 발생한다. 이러한 높은 에너지를 가진 전자는 중성 입자와의 충돌을 통해 활성종의 생성을 촉진시켜 발광 급증 현상을 일으킨다.

이후 시간이 지나면서 전자의 밀도는 높아지고 전자의 온도는 감소하여 활성종의 생성이 감소한다. 이때 전자기적인 에너지 전달을 차단하면 전자의 온도가 급격하게 감소하게 되고, 낮은 전자 온도와 높은 전자 밀도에 의해 전자와 이온의 재결합(recombination) 반응이 크게 증가한다. 그 결과로 다량의 들뜬 상태의 원자가 생성되고, 뒤이어 들뜬 상태의 원자는 다른 입자와 충돌하여 활성종을 생성하게 되는데, 이러한 현상을 잔광 급증 현상이라 한다.

발광 급증이 일어나기 위해서는 이온화에 의해 전자가 생성되는 속도보다 전력 전달이 빨라야 한다. 즉, 펄스 전력의 상승 시간이 충분히 짧아야 한다. 한편, 잔광 급증이 일어나기 위해서는 플라즈마의 밀도가 충분히 높아야 하며 확산에 의한 플라즈마 손실이 충분히 작아야 한다. 이러한 조건은 마이크로파로 구동하는 플라즈마에서 쉽게 얻어질 수 있지만 본 발명의 응용 범위는 마이크로파 주파수로 국한되지 않는다.

대기압 아르곤 조건에서 발광 급증 현상 및 잔광 급증 현상이 일어나는 시간 척도는 발광 급증의 경우 0.5 μs, 잔광 급증의 경우 1μs로 측정되었다. 이 시간 척도는 전력의 세기에 대해 독립적이며 가스의 구성과 압력에 의해 결정된다. 대기압보다 저압 조건에서는 압력에 반비례하여 시간 척도가 늘어난다. 즉, 0.1 기압에서는 발광 급증과 잔광 급증은 각각 5μs 와 10μs의 시간 척도를 가진다.

발광 급증 현상 및 잔광 급증 현상의 시간 척도는 펄스의 폭이나 주기와 같은 구동 조건에 대해 독립적이다. 그러므로 펄스의 구동 조건을 변경함으로써 해당 현상들이 기여하는 시간을 최대화 할 수 있다. 주기가 너무 길어지면 전체 시간 대비 발광 급증 현상 및 잔광 급증 현상이 기여하는 시간이 짧아져서 평균적인 활성종 생성 증대 효과가 떨어진다. 반대로 주기가 너무 짧아지면 발광 급증 현상과 잔광 급증 현상이 충분히 일어나지 못하여 활성종 생성 증대 효과가 떨어진다.

펄스가 켜진 시간을 발광 급증의 시간 척도로, 펄스가 꺼진 시간을 잔광 급증의 시간 척도로 설정하면 시간 평균 발광량을 최대화 할 수 있다. 발광의 세기는 들뜬 원자의 밀도에 비례하므로 해당 조건은 들뜬 원자의 양을 최대화한다. 들뜬 원자는 다른 중성 입자나 이온과 충돌하여 활성종을 생성하므로 활성종의 생성 또한 이 조건에서 최대화된다.

본 발명은 전자기적인 방식으로 플라즈마를 유지하는 플라즈마 발생기에서 더욱 바람직하게 적용될 수 있다. 전자기적인 방식이란 용량 결합성 방전 방식과 유도 결합성 방전 방식을 의미한다. 플라즈마를 유지하는 전자기적인 에너지 전달을 펄스형으로 구동하여 플라즈마 활성종의 생성을 극대화할 수 있다. 일 실시예로 마이크로파 플라즈마 발생기에 펄스형 마이크로파를 인가함으로써 플라즈마의 활성종 생성을 극대화할 수 있다.

한편, 플라즈마 생성단계(S100)는 상기 펄스형 전력이 인가되는 구동 시간(on-time)과 상기 펄스형 전력이 차단되는 차단 시간(off-time)의 비인 구동률(duty cycle)과 상기 펄스의 주기를 조정하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 핵심적인 특징은 펄스형 전력 전달의 주기와 구동률(duty cycle)을 조정하여 플라즈마의 활성종 생성을 극대화하는 것이다. 상기 펄스형 전력이 인가될 때 발광이 증가하는 발광 급증과 상기 펄스형 전력이 차단될 때 발광이 증가하는 잔광 급증을 이용하여 상기 펄스가 켜져 있는 시간인 구동 시간(on-time)과 상기 펄스가 꺼져 있는 시간인 차단 시간(off-time)을 조정하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시킬 수 있다.

상기 구동 시간(on-time)은 상기 발광 급증의 시간 척도에 따라 설정되며, 상기 차단 시간(off-time)은 상기 잔광 급증의 시간 척도에 따라 설정되는 것이 바람직하다.

이때 상기 구동률(duty cycle)은 0.2 내지 0.8의 범위에서 자유롭게 조절 가능하며, 본 발명에 따른 일 실시예에서는 구동률을 0.5를 유지하도록 하였다.

본 발명에 따른 일 실시예에서는 구동률을 고정하였기 때문에 구동 시간과 차단 시간을 독립적으로 변경하지 않았지만 각각을 독립적으로 변경하며 극대화하는 경우 생성률을 더욱 증대시킬 수 있을 것이다.

본 발명의 실시에 따른 효과를 확인할 수 있는 가장 직접적인 방법은 플라즈마의 발광의 시간 변화를 직접 관찰하는 것이다. 이를 통해서 발광 급증과 잔광 급증의 시간 간격을 알 수 있고, 구동 시간을 발광 급증의 시간 척도와 같게, 차단 시간을 잔광 급증의 시간 척도와 같게 설정한다면 플라즈마의 시간 평균 발광량을 극대화할 수 있다. 시간 평균 발광량은 시간 평균 들뜬 원자의 밀도를 의미하므로 시간 평균 발광량을 극대화하는 경우 활성종의 생성 또한 극대화할 수 있다.

플라즈마의 시간적 변화를 확인하기 어려운 상황에서는 간접적인 방법으로 발광 급증과 잔광 급증의 시간 척도를 확인할 수 있다. 두 현상의 특성상, 확산에 의한 소모가 적은 상황에서는 전력의 세기나 주파수 등에 관계없이 중성 입자의 밀도와 구성에 의해서만 두 현상의 시간 척도가 결정된다.

외부 온도 1000K 이하의 통상적인 범위 내에서는 동일한 분석이 가능하다. 같은 밀도의 같은 중성 입자를 방전 가스로 사용할 때는 동일한 시간 척도를 기대할 수 있다. 일 실시예 에서는 아르곤을 방전 가스로 사용하였고 약 1000도의 대기압 환경에서는 발광 급증은 500ns, 잔광 급증은 1000ns의 시간 척도를 관측하였다.

또한, 발광 급증 현상과 잔광 급증 현상을 일으키는 반응들에는 중성 입자가 관련하므로 중성 입자의 밀도에 반비례하여 시간 척도가 결정됨을 알 수 있다. 즉, 상기 구동 시간 및 상기 차단 시간은 상기 방전용 기체의 밀도에 반비례하여 설정될 수 있다.

순수 아르곤의 글로벌 시뮬레이션 결과에서는 0.1 기압에서 각 현상의 시간 척도가 1기압의 10배인 5μs 와 10μs인 것으로 계산되었고, 0.01 기압에서는 100배인 50μs 와 100μs인 것으로 계산되었다. 이처럼 특정 기체 조성에 대한 시간 척도를 확인한다면 같은 조성의 다른 밀도의 상황에서 두 현상의 시간 척도를 쉽게 유추할 수 있다.

<실시예>

대기압 아르곤 마이크로파 공진 플라즈마 발생기는 마이크로파를 전력원으로 하여 낮은 전력으로 고밀도의 플라즈마 제트를 유지한다. 또한 대기압 조건에서 10²⁰/m³ 수준의 전자 밀도를 가지며 플라즈마 활성종을 생성하기에 적합하다.

이러한 대기압 아르곤 마이크로파 공진 플라즈마 발생기에 1GHz의 마이크로파 주파수의 전력을 인가하여 플라즈마를 형성하되 전력을 펄스 형태로 인가하였다. 또한, 열린 대기 환경에서 방전 기체로서 2 slm의 순수 아르곤을 입력시켜 주었다.

도 2는 마이크로파 플라즈마 발생장치에 펄스형 전력을 인가한 경우 플라즈마 발광 상태를 나타내는 도면이다. 도 2는 펄스의 주기를 4μs로 하고, 구동률(duty cycle)을 50%로 유지하고, 펄스가 켜진지 2000ns 후에 전력 전달이 차단되도록 한 상태에서 초고속 카메라를 이용하여 50ns 간격으로 촬영한 결과 중 일부를 나타내고 있다.

도 2를 참고하면, 펄스가 켜진 후 플라즈마에 전력이 전달되면서 방출광이 급격하게 증가하는 발광 급증 현상이 나타나며, 이후 플라즈마의 밀도가 증가함에 따라 발광이 감소하여 500ns 이후에는 정상 상태에 도달하였음을 알 수 있다. 또한, 2000ns에서 펄스가 꺼진 후 전력이 차단되면서 방출광이 증가하는 잔광 급증 현상이 나타나며, 이후 잔광은 서서히 줄어들어 발광이 꺼진 후 1000ns 이후인 3000ns까지 발광이 관측됨을 확인할 수 있다.

도 3은 다양한 주기의 펄스형 전력 인가에 따른 플라즈마 발광의 시간 변화를 나타내는 도면이다.

대기압 아르곤 마이크로파 공진 플라즈마 발생기에 펄스형 전력의 구동률(duty cycle)을 50%로 유지하며 주기를 0.4μs ~ 8μs로 다양하게 바꾸어 가며 플라즈마를 형성하고, 분광기를 사용하여 750nm의 파장을 가지는 선 방출광의 세기를 시간에 따라 측정하였다. 이때, 시간을 규격화하기 위하여 각 시간을 주기로 나눈 펄스 페이스(pulse phase)를 가로축으로 나타내었다. 750nm의 파장을 가지는 선 방출은 아르곤의 들뜬 상태인 Ar(p)가 여기되며 나타나는 방출광으로 그 세기는 Ar(p)의 해당 들뜬 상태의 밀도에만 비례한다.

도 3을 참고하면, 펄스형 전력이 온(on) 됨에 따라 나타나는 발광 급증에 의한 선방출량 증가는 연속파(cw)에 비해 최대 8배에 달하며, 펄스형 전력이 오프(off) 됨에 따라 나타나는 잔광 급증에 의한 선방출량 증가는 최대 4.5배에 달함을 알 수 있다. 시간 평균 발광량을 최대화하는 주기는 1000ns일 때로 시간 평균 발광량이 연속파에 비해 최대 2.5배 증가한다. 이 주기는 발광 급증과 잔광 급증의 시간 척도와 일치한다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 상술한 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

Claims (13)

1. 플라즈마 발생기에 전력을 인가하여 플라즈마 활성종을 생성하는 플라즈마 활성종 생성방법에 있어서,
   마이크로파 플라즈마 발생기에 마이크로파 주파수의 전력을 인가하여 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성단계; 및
   마이크로파 플라즈마 발생기에 방전용 기체를 공급하는 방전용 기체 공급단계;를 포함하되,
   상기 플라즈마 생성단계는,
   마이크로파 주파수의 전력을 펄스 형태로 인가하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 플라즈마 생성단계는
   상기 펄스형 전력이 인가되는 구동 시간(on-time)과 상기 펄스형 전력이 차단되는 차단 시간(off-time)의 비인 구동률(duty cycle)과 상기 펄스의 주기를 조정하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 플라즈마 생성단계는
   상기 펄스형 전력이 인가될 때 발광이 증가하는 발광 급증과 상기 펄스형 전력이 차단될 때 발광이 증가하는 잔광 급증을 이용하여 상기 구동 시간(on-time)과 상기 차단 시간(off-time)을 조정하여 플라즈마 활성종의 생성을 증대시키는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
4. 제 3항에 있어서, 상기 구동률(duty cycle)은
   0.2 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
5. 제 3항에 있어서, 상기 구동 시간은
   상기 발광 급증의 시간 척도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
6. 제 3항에 있어서, 상기 구동 시간은
   상기 방전용 기체의 밀도에 반비례하여 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
7. 제 3항에 있어서, 상기 차단 시간은
   상기 잔광 급증의 시간 척도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
8. 제 3항에 있어서, 상기 차단 시간은
   상기 방전용 기체의 밀도에 반비례하여 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
9. 제 2항에 있어서, 상기 펄스의 주기는
   상기 플라즈마의 시간 평균 발광량을 최대화할 수 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
10. 제 9항에 있어서, 상기 펄스의 주기는
    0.4μs 내지 8μs 인 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 펄스의 주기는
    1μs 인 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
12. 제 3항에 있어서, 상기 구동 시간은
    직접 관측된 상기 발광 급증의 시간 척도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.
13. 제 3항에 있어서, 상기 차단 시간은
    직접 관측된 상기 잔광 급증의 시간 척도에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 펄스형 전력을 사용한 플라즈마 활성종 생성방법.

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