WO2009131374A2 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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WO2009131374A2
WO2009131374A2 PCT/KR2009/002097 KR2009002097W WO2009131374A2 WO 2009131374 A2 WO2009131374 A2 WO 2009131374A2 KR 2009002097 W KR2009002097 W KR 2009002097W WO 2009131374 A2 WO2009131374 A2 WO 2009131374A2
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plasma discharge
cavity
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김성열
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익스팬테크주식회사
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Definitions

  • the present invention relates to a plasma generating apparatus, and more particularly, to a plasma generating apparatus capable of generating plasma very efficiently.
  • a plasma is a state in which a substance is ionized at a high temperature of more than 5000 degrees Celsius, and is a fourth state of matter after solid, liquid, and gas. Negatively-charged electrons are separated from atoms or molecules by collisions with accelerated particles or charge movement under strong electric fields. The state in which the separated electrons and the positively charged molecules that form the base are mixed is called a fourth material state or plasma.
  • Plasma has a wide variety of densities and temperatures depending on the conditions and properties of the plasma.
  • plasma generated using microwaves on the ground i.e. at atmospheric pressure
  • plasma generated using microwaves on the ground is charged particles at a density of 1012 to 1013 / cm 3 .
  • the plasma temperature of the gas discharge in the atmosphere reaches thousands of degrees, but in the plasma tokamak device for fusion, the temperature becomes about 100 million degrees.
  • the plasma we use in the atmosphere is commonly referred to as low temperature / atmospheric plasma, commonly referred to as low temperature plasma below several thousand degrees or close to room temperature.
  • the accelerator particles are ionized by colliding with atoms or molecules, but industrially applied plasma is mainly neutralized by the application of an electric field from outside to induce gas discharge. Consists of.
  • Plasma types are classified into MF (Medium Frequency) plasma, RF (Radio Frequency) plasma, and Microwave (Microwave) plasma according to the frequency used in the electric field application method.
  • MF Medium Frequency
  • RF Radio Frequency
  • Microwave Microwave
  • the conventional plasma generator has a disadvantage in that the plasma generation efficiency is low, as well as the structure is complicated, the manufacturing cost is high.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a plasma generator that can significantly reduce the manufacturing cost by applying a very simple structure.
  • an object of the present invention is to provide a plasma generating apparatus that greatly improves the plasma generating efficiency.
  • Plasma generator of the present invention for achieving the above object
  • At least one plasma discharge unit for inducing plasma discharge by electromagnetic energy applied from an electromagnetic energy source
  • At least one dielectric resonator for inducing electromagnetic energy applied from the electromagnetic energy source to the plasma discharge unit
  • the dielectric resonator includes a dielectric, and a shield layer made of a conductive material is coated on an outer surface of the dielectric.
  • At least one cavity is formed in the dielectric resonator, and the plasma discharge part is formed in the interior space of the cavity, and a shield layer is coated on the inner wall surface of the cavity except for the part adjacent to the plasma discharge part.
  • the plasma discharge unit is disposed spaced apart from the dielectric resonator, and the dielectric resonator and the plasma discharge unit include a pair of power supply terminals electrically connected through a pair of field probes, and a discharge space disposed between the power supply terminals. do.
  • a portion of the outer surface of the dielectric resonator is not coated with a shield layer, and a tube is installed in a region where the shield layer is not coated, and the plasma discharge portion is formed in an inner space of a tube adjacent to the region where the shield layer is not coated. It is characterized by.
  • the dielectric is composed of a single dielectric material or two or more dissimilar materials having different compositions and dielectric constants.
  • the dielectric is divided into a portion adjacent to the plasma discharge portion and the remaining portion and is composed of two or more dissimilar materials having different compositions and dielectric constants.
  • An insulator protective layer is coated on the inner wall surface of the cavity adjacent to the plasma discharge part and the surface of the shield layer.
  • the dielectric resonator has first and second cavities therein, the first cavity having a smaller diameter than the second cavity, and the inner wall surface of the second cavity except the inner wall surface of the first cavity and the dielectric material.
  • a shield layer made of a conductive material is coated on an outer surface thereof, and the plasma discharge part is formed in an inner space of the first cavity.
  • a dielectric material having a dielectric constant of at least 1 is interposed in the first and second cavities.
  • the first and second cavities can be separated by a separating wall.
  • the dielectric resonator has a linear cavity therein, the plasma discharge portion is formed in an inner space of the linear cavity, and a shield layer is coated on an inner wall surface of the linear cavity except for a portion adjacent to the plasma discharge portion. do.
  • a plurality of dielectric resonators may be disposed in the longitudinal direction of the tube.
  • the tube When the tube is installed to contact the plasma discharge unit, the tube may be made of a non-conductive material.
  • the tube When the tube is installed so as not to contact the plasma discharge unit, the tube may be made of a conductor material.
  • a shield layer of a conductor material is coated on the outer circumferential surface of the tube adjacent to the plasma discharge unit.
  • the tube is coated with a catalyst component on its inner or outer circumferential surface.
  • the tube has one or more inner tubes disposed therein, and a catalyst component is coated on the inner or outer circumferential surfaces of the inner tube and the tube.
  • the honeycomb structure is formed inside the tube.
  • the present invention as described above has the advantage that can significantly reduce the manufacturing cost by applying a very simple structure.
  • the present invention has an effect that can efficiently transfer the electromagnetic energy to the plasma discharge portion by the dielectric to guide the plasma discharge more effectively, thereby improving the generation efficiency of the plasma.
  • the plasma generator according to the present invention can be used for various purposes such as ultra-fast etching and coating technology, semiconductor packaging, display, surface modification and coating of materials, generation of nano powder, removal of harmful gas and generation of oxidizing gas.
  • FIG. 1 to 10 illustrate a plasma generating apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 and 12 illustrate a plasma generating apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 show a plasma generating apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows a plasma generator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 shows a plasma generator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • 17 and 18 show a plasma generator according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 19 shows a plasma generating apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 20 shows a plasma generating apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 21 shows a plasma generating apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 22 shows a plasma generator according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 23 illustrates a modified embodiment of FIG. 23.
  • 26 is a diagram showing a plasma generating apparatus according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 illustrates various structures of a tube applied when the flow direction of the material to be treated is induced in one direction.
  • 29 shows various exemplary structures for the internal structure of the tube.
  • FIG. 30 is a side sectional view illustrating a structure in which a plurality of inner tubes are installed in a tube.
  • FIG. 31 is a partial cross-sectional view showing a structure of a plasma discharge unit and a dielectric resonator according to a modified embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 to 10 illustrate a plasma generating apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • the plasma generating apparatus of the present invention includes a plasma discharge unit 10 for inducing plasma discharge and a medium frequency (MF), a radio frequency (RF), and a microwave (Microwave) to the plasma discharge unit 10.
  • Dielectric resonator 20 for delivering electromagnetic energy, such as the like.
  • the dielectric resonator 20 includes a dielectric 21 having a predetermined dielectric constant, and the dielectric 21 may be made of various kinds of dielectrics having a dielectric constant that facilitates generation of plasma, such as air, ceramics, and synthetic resins.
  • the dielectric resonator 20 may have various shapes such as a cylindrical shape, a hexahedron, a prism, and the like.
  • the surface of the dielectric 21 may be coated with shield layers 22a and 22b made of a conductor material for reflecting electromagnetic energy except for a portion adjacent to the plasma discharge unit 10.
  • the dielectric resonator 20 has first and second cavities 23 and 24 formed therein, and the first cavity 23 has an inner diameter smaller than that of the second cavity 24. (10) can transmit electromagnetic energy more effectively.
  • the second shield layer 22b is coated on the inner wall surface of the second cavity 24 except for a portion of the inner wall surface of the first cavity 23.
  • the electromagnetic energy is transferred to the internal space of the first cavity 23 through the inner wall surface of the first cavity 23 (the portion where the shield layer is not coated), and the plasma in the internal space of the first cavity 23. Discharge is induced. That is, the plasma discharge unit 10 is formed in the inner space of the first cavity 23.
  • the first embodiment is characterized in that the plasma discharge unit 10 is formed in the dielectric resonator 20.
  • the second shield layer 22b may be partially coated on the upper or lower inner wall surface of the first cavity 23, and accordingly, the second shield of the first cavity 23 may be coated.
  • the plasma discharge part 10 is formed in the inner space of the portion where the layer 22b is not coated.
  • first and second tubes 31 and 32 for guiding the flow of various treatment materials such as exhaust gas, oxygen gas, powder, H 2 O steam, etc. are installed at the lower and upper portions of the first cavity 23. These tubes 31 and 32 communicate with the plasma discharge section 10.
  • the tubes 31 and 32 which are not in direct contact with the plasma discharge unit 10 may be made of a conductor or a non-conductor material.
  • the tubes 31 and 32 when the tubes 31 and 32 are made of a conductor material, It can also serve as a shield to prevent external leakage.
  • the stepped tube 33 may be inserted into the first cavity 23 and the second cavity 24 of the dielectric resonator 20.
  • the first and second cavities 23 and 24 of the dielectric resonator 20 may be filled with a dielectric material M having one or more dielectric constants, and the dielectric material M ) Forms a third cavity 25 therein.
  • a straight tube 34 is inserted into and installed in the third cavity 25 of the dielectric material M.
  • the dielectric material M is made of the same or different material as that of the dielectric material 21. Can be.
  • the plasma discharge unit 10 is formed in an inner space adjacent to the first cavity 23.
  • the tubes 33, 34 in direct contact with the plasma discharge portion 10 may have aluminum oxide (Al) to facilitate the transfer of electromagnetic energy from the dielectric 21.
  • Al aluminum oxide
  • tubes 33 and 34 are coated with a catalyst material such as platinum or TiO 2 photocatalyst on the inner circumferential surface or the outer circumferential surface thereof to further improve the purification efficiency of the exhaust gas or the ozone gas generation efficiency.
  • a catalyst material such as platinum or TiO 2 photocatalyst
  • a shield layer 39 made of a conductive material may be coated on one outer circumferential surface of the tubes 33 and 34 in contact with the plasma discharge unit 10. That is, it may be coated only on the downstream or upstream side of the plasma discharge unit 10 as illustrated in FIG. 7, and the shield layer 39 may be disposed on both upstream and downstream sides of the plasma discharge unit 10 as illustrated in FIG. 8. This can be coated.
  • the shield layer 39 can prevent the leakage of electromagnetic energy to the outside.
  • the dielectric resonator 20 of the present embodiment is formed of an insulator material on the inner wall surface of the first cavity 23 and a part of the shield layers 22a and 22b adjacent to the plasma discharge unit 10.
  • Protective layer 29 may be coated.
  • the protective layer 29 is a discharge which may occur between the first shield layer 22 coated on the outer surface of the dielectric 21 and the second shield layer 22a coated on the inner wall surface of the second cavity 23. Can be prevented in advance.
  • the shield layers 22a and 22b made of a conductive material may be prevented from being corroded by oxidation.
  • the protective layer 29 may be coated on the inner wall surfaces of the first and second shield layers 22a and 22b and the first cavity 23 as shown in FIG. 5.
  • the protective layer 29 may be made of various kinds of insulating materials such as an inorganic glass composition and an organic resin composition.
  • an amplifier AM is an example of an electromagnetic energy source for supplying electromagnetic energy, such as MF (Medium Frequency), RF (Radio Frequency), and Microwave, to the dielectric resonator 20.
  • the applied structure is illustrated.
  • the driving probe 41 and the feedback probe 42 are installed in the dielectric resonator 20, the output side of the amplifier AM is connected to the driving probe 41, and the output side of the amplifier AM is connected to the feedback probe 42.
  • the input is connected.
  • a phase shifter (PS) is provided between the feedback probe 42 and the input of the amplifier AM.
  • the amplifier AM and the phase shifter PS are controlled by a microprocessor MP.
  • a sensor S is connected to the microprocessor MP. The sensor S is disposed in close proximity to the plasma discharge unit 10 to detect a plasma generation amount, quality, and the like, and then transmit the signal to the microprocessor MP. send.
  • electromagnetic energy source various devices such as semiconductor devices, klystrons, magnetrons, and the like may be used.
  • the resonant frequency F 0 of the dielectric resonator 20 includes the overall height H of the dielectric resonator 20, the overall diameter ⁇ of the dielectric resonator 20, and the first cavity.
  • the dielectric 21 may be made of a single dielectric material having the same composition and dielectric constant as illustrated in FIGS. 1 to 5, but may have two different compositions and dielectric constants as illustrated in FIGS. 9 and 10. It may be composed of the above different materials (21a, 21b). That is, the dielectric 21a adjacent to the plasma discharge unit 10 may have a different composition and dielectric constant than the dielectric 21b of the remaining portion.
  • the plasma generating apparatus of the present invention configured as described above may serve as a plasma generating source for supplying the plasma generated from the plasma discharge unit 10 to a predetermined required position through the tubes 31, 32, 33, 34.
  • the exhaust gas supplied through the 31, 32, 33, and 34 may be reacted with the plasma of the plasma discharge unit 10 to decompose or purify the exhaust gas.
  • oxygen (O 2 ) gas may be reacted with the plasma of the plasma discharge unit 10 to generate ozone (O 3 ) gas
  • H 2 O vapor may be reacted with the plasma of the plasma discharge unit 10 to sterilize and It can generate SHV (Super Heated Vapor) used for cleaning, and reacts fine ceramic powder or metal powder with Ar gas etc. with plasma of plasma discharge unit 10 (plasma crushing method) nano size It can be used for various purposes, such as to produce a powder of.
  • SHV Super Heated Vapor
  • the first cavity 23 may be positioned to be biased at the top or bottom of the dielectric resonator 20 as illustrated in FIGS. 1 to 5, and as illustrated in FIG. 6. It may be located in the center.
  • 11 and 12 illustrate a plasma generator according to a second embodiment of the present invention.
  • the first and second cavities 23 and 24 may be separated from each other by the separating wall 26.
  • the dielectric 21 of the dielectric resonator 20 has a first shield layer 22a coated on an outer surface thereof, except for an inner wall surface of the first cavity 23, that is, a second wall 24 formed on the inner wall surface of the second cavity 24.
  • the two shield layer 22b may be coated. Accordingly, the electromagnetic energy supplied from the electromagnetic energy source is transferred to the internal space of the first cavity 23 through the dielectric 21 to induce plasma discharge in the internal space of the first cavity 23. That is, the plasma discharge unit 10 is formed in the interior space of the first cavity 23 as in the previous embodiment.
  • a tube 35 having a double tube structure including an inner tube 35a and an outer tube 35b is inserted, and the tube 35 is made of a non-conductive material.
  • the second embodiment has the effect that the gas introduced by the tube 35 having a dual structure is partially preheated in the plasma discharge unit (10).
  • FIG. 13 and 14 show a plasma generating apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • the dielectric resonator 20 has one or more cavities 28a and 28b and hemispherical cavities 27 for resonant frequency setting.
  • the first and second shield layers 22a and 22b, except for the inner wall surface of the hemispherical cavity 27, are coated, and the second shield layer 22b is introduced into the dielectric 21. It may be partially extended.
  • electromagnetic energy supplied from the electromagnetic energy source is transferred to the internal space of the hemispherical cavity 27 through the dielectric 21 to induce plasma discharge in the internal space of the hemispherical cavity 27. That is, the plasma discharge portion 10 is formed in the inner space of the hemispherical cavity 27 as in the previous embodiment.
  • a bent tube 36 is inserted into the hemispherical cavity 27, and the tube 36 is made of an insulator material.
  • FIG. 15 shows a plasma generator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the dielectric resonator 20 has a cavity 23a at one end thereof, and a shield layer on the outer surface of the dielectric 21 except for the inner wall surface of the cavity 23a. 22a is coated.
  • the cavity 23a is located at one side of the driving probe 41 and the feedback probe 42 so as to be deflected, and a plasma discharge unit 10 is formed in the interior space of the cavity 23a to induce plasma discharge. do.
  • the cavity 23a is provided with a tube 35 having a double tube structure composed of an inner tube 35a and an outer tube 35b.
  • FIG. 16 shows a plasma generator according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the dielectric resonator 20 has first and second cavities 23a and 23b at one end thereof, and a dielectric except for the inner wall surface of each cavity 23a and 23b.
  • the shield layer 22a is coated on the outer surface of the 21.
  • Dielectric resonator 20 has two pairs of probes 41a, 41b, 42a, 42b. The two pairs of probes 41a, 41b, 42a, and 42b are paired with the first driving probe 41a, the first feedback probe 42a, the second driving probe 41b, and the second feedback probe 42b. Is done.
  • the first cavity 23a is located close to any one of the first driving probe 41a or the first feedback probe 42a
  • the second cavity 23b is the second driving probe 41b or the second feedback. It may be located close to any one side of the probe 42b.
  • Plasma discharge units 10 are formed in the interior spaces of the cavities 23a and 23b to induce plasma discharge.
  • each of the cavities 23a and 23b is provided with a tube 35 having a double tube structure composed of an inner tube 35a and an outer tube 35b.
  • 17 and 18 show a plasma generator according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the plasma generator according to the sixth embodiment of the present invention has a structure in which a plurality of dielectric resonators 20 are arranged in the longitudinal direction of the straight tube 34.
  • the dielectric resonator 20 has one or more cavities 23 therein as in the preceding embodiments, and the plasma discharge portion 10 is formed separately in the internal space of each cavity 23.
  • FIG. 19 shows a plasma generating apparatus according to a seventh embodiment of the present invention.
  • the dielectric resonator 20 has a stepped portion 24a inclined between the first cavity 23 and the second cavity 24, whereby the first cavity It is possible to transmit electromagnetic energy more effectively to the internal space of (23).
  • FIG. 20 shows a plasma generating apparatus according to an eighth embodiment of the present invention.
  • the dielectric resonator 20 has a straight cavity 230 that penetrates up and down, and the cavity 230 has a second shield layer partially on its inner wall surface. 22b is coated.
  • the plasma generator 10 is formed on a portion of the inner wall of the cavity 230 where the second shield layer 22b is not coated.
  • the plasma generator 10 is provided with a tube 34 for guiding the flow of various treatment target materials such as exhaust gas, oxygen gas, powder, H 2 O steam, etc., and the tube 34 is a plasma discharge unit 10. To communicate).
  • FIG. 21 shows a plasma generating apparatus according to a ninth embodiment of the present invention.
  • the dielectric resonator 20 has a straight cavity 230 that is vertically penetrated, and has an outer surface of the dielectric 21 except for the inner wall surface of the cavity 230.
  • Shield layer 22a is coated. That is, in the ninth embodiment, the plasma generator 10 is formed in the entire interior space of the cavity 230.
  • the plasma generating unit 10 is provided with a tube 34 for guiding the flow of various treatment target materials such as exhaust gas, oxygen gas, powder, H 2 O steam, etc., the tube 34 is a plasma discharge unit 10 Communicate with
  • FIG. 22 shows a plasma generator according to a tenth embodiment of the present invention.
  • the plasma generator according to the tenth embodiment of the present invention is characterized in that a pair of ignition electrodes (51, 52) is disposed in close proximity to the plasma discharge portion 10 in the dielectric resonator (20) do.
  • the ignition electrodes 51 and 52 are provided to protrude in the inner diameter direction of the tube 34, and a high voltage power supply (not shown) is connected to the ignition electrodes 51 and 52. As a result, a high voltage is applied to the ignition electrodes 51 and 52, thereby making initial discharge easier and achieving stable plasma generation efficiency.
  • any one or both of the ignition electrodes 51 and 52 may have a dielectric barrier discharge (DBD) structure surrounded by the dielectric materials 53 and 54, as shown in FIG. 23. .
  • DBD dielectric barrier discharge
  • the plasma generating apparatus is characterized in that the plasma discharge unit 10 is formed on one outer surface of the dielectric resonator 20.
  • the dielectric resonator 20 of FIG. 24 has a single cavity 230 therein, and an area 21c without a shield layer coated on one outer surface of the dielectric resonator 20, that is, the outer surface close to the cavity 230. ) Is formed.
  • a tube 37 is provided in the region 21c where the shield layer is not coated, and a partition wall 37a is provided inside the tube 37.
  • the tube 37 may be made of a non-conductor or a conductor material.
  • the dielectric resonator 20 has no cavity formed therein and has an inner tube 35a in a region 21c in which the first shield layer 22a is not coated on one outer surface thereof. And a tube 35 having an appearance 35b. As a result, the plasma discharge part 10 is formed in the vicinity of the region 21c where the shield layer of the dielectric resonator 20 is not coated.
  • the tube 35 may be made of a non-conductor or conductor material.
  • the eleventh embodiment of the present invention can further simplify the structure by forming the plasma discharge portion 10 on one outer surface of the dielectric resonator 20, that is, the region 21c on which the shield layer is not coated. .
  • 26 is a diagram showing a plasma generating apparatus according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • the plasma generating apparatus includes a dielectric resonator 20 and a plasma discharge unit 10 detached from the dielectric resonator 20.
  • One side of the dielectric resonator 20 is provided with driving probes and feedback probes 41 and 42, and the other side of the dielectric resonator 20 is provided with first and second field probes 61 and 62.
  • the plasma discharge unit 10 and the dielectric resonator 20 are spaced apart by a distance at which the resonance frequency of the electromagnetic energy corresponds to the maximum position.
  • the plasma discharge unit 10 includes a pair of power supply terminals 11 and 12 connected to the first and second field probes 61 and 62 of the dielectric resonator 20 through wires or the like.
  • a discharge space 13 is formed between the power supply terminals 11 and 12, and plasma discharge is induced in the discharge space 13.
  • various kinds of tubes 34 for guiding the flow of the material to be treated or the plasma are installed to communicate with each other.
  • electromagnetic energy resonated through the dielectric resonator 20 is extracted to the plasma discharge unit 10 through the first and second field probes 61 and 62, and spaced apart from the plasma discharge unit 10.
  • Plasma is generated by inducing a discharge of the plasma at (13).
  • the tubes 31, 32, 33, 34, 35, 36 of the present invention can be formed in various external and internal structures in consideration of the flow direction of the material to be treated.
  • FIG. 27 illustrates various structures of a tube applied when the flow direction of the material to be treated is induced in one direction, and the tubes 31, 32, 33, and 34 illustrated in FIGS. 1 to 6 and 13 to 19 are illustrated.
  • the tubes 31, 32, 33, 34 of one-way flow are cylindrical tubes (see FIG. 27 (a)), tapered tubes (see FIG. 27 (b)), square tubes (see FIG. 27 (c)). It may be made in a variety of structures, such as.
  • FIG. 28 illustrates various structures of the tubes 35 and 36 that are applied when the inflow direction and the outflow direction of the material to be treated are not one direction, and the tube 35 illustrated in FIGS. 8, 10 to 12, and 20. , 36).
  • a bending tube structure in which an inflow direction and an outflow direction of a material to be treated are bent and connected see FIG. 28 (a)
  • a spiral tube structure in which an inflow direction and an outflow direction of the material to be treated are spirally connected see FIG. 28 (b)).
  • a double pipe structure in which the inflow direction and the outflow direction of the material to be treated face each other see FIG. 28 (c)
  • a double pipe structure in which the inflow direction and the outflow direction of the material to be treated are orthogonal see FIG. 28 (d)
  • FIG. 29 shows various exemplary structures of the internal structure of the tubes 31, 32, 33, 34, 35, 36. That is, the structure in which the honeycomb structure H is interposed in the tube in order to increase the contact area of the material or plasma (see FIGS. 29 (a) and 29 (b)), and the material or plasma flow A structure in which a plurality of protrusions P are formed on the inner side surface of the tube in a zigzag manner (see FIG. 29 (e)), and a porous structure having solid microparticles (C) such as ceramic or activated carbon interposed therein. (See FIG. 29 (c)), a structure in which a plurality of inner tubes I are disposed in the tube (see FIG. 29 (d)), and the like.
  • a plurality of inner tubes I are installed in the tube 34 installed to be in contact with the plasma discharge unit 10, and the inner circumferential surface of each of the inner tubes I and / or the tubes 34.
  • a catalyst component such as platinum or TiO 2 photocatalyst
  • the inner and outer tubes (I) and / or may be swept away with the plasma while the material to be treated reacts with the plasma. It would be desirable to coat the catalyst component on the outer circumferential surface of the tube 34.

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Abstract

개시된 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지에 의해 플라즈마 방전을 유도하는 하나 이상의 플라즈마 방전부; 및 상기 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지를 상기 플라즈마 방전부로 유도하는 하나 이상의 유전체 공진기를 포함하고, 상기 유전체 공진기는 유전체를 포함하고, 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅된다.

Description

플라즈마 발생장치
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마의 발생을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마는 섭씨 5000도 이상의 고온에서 물질이 이온화 된 상태로서, 고체,액체, 및 기체 다음인 제4의 물질상태이다. 가속된 입자와의 충돌 또는 강력한 전기장 하에서의 전하운동에 의하여 원자나 분자들로부터 음전하를 딴 전자가 분리된다. 분리돤 전자와 그 모태가 되는 양전하를 띤 분자가 혼재되어 있는 상태가 바로 제4의 물질상태 혹은 플라즈마(plasma) 라고 불리우고 있다.
우주의 약 99퍼센트는 플라즈마 상태로 구성되어 있으며,나머지 1퍼센트에 속하는 지구상에서 우리들이 그 우주공간에 흔히 존재하고 있는 플라즈마를 지상에서 재현하여 산업적으로 응용하기 위한 노력을 기울이고 있다. 플라즈마는 발생 조건과 성질에 따라 매우 다양한 밀도와 온도를 지닌다.
우주공간에서의 1개/10m3 비율로 플라즈마가 존해하는 데에 반하여, 지상에서 즉 대기압 환경에서 마이크로 웨이브(microwave)를 이용하여 발생시킨 플라즈마는 1012~1013/cm3의 밀도로 전하를 띤 입자들이 존재한다. 이와 같이 대기 중에서 가스방전에 의한 플라즈마의 온도는 수천도에 이르지만 핵융합을 위한 플라즈마 토카막 장치 내에서는 1억도 정도의 초고온 상태가 된다. 대기중에서 우리가 사용하는 플라즈마는 대개가 수천도 이하 내지 상온에 가까운 저온 플라즈마로서 통칭하여 저온/상압 플라즈마라고 부르고 있다.
플라즈마를 발생시키기 위한 방법으로서, 가속입자를 원자 혹은 분자에 충돌시킴으로서 이온화 시키기도 하지만, 산업적으로 응용되고 있는 플라즈마는 주로 외부에서 전기장을 인가하여 가스방전을 유도함으로써 이온화 되면서도 전체적으로 중성인 부나 혹은 원자들로 구성되어 있다.
플라즈마 종류는 이러한 전기장 인가방식에 있어서 사용되는 주파수에 따라 MF(Medium Frequency) 플라즈마, RF(Radio Frequency) 플라즈마, 및 마이크로웨이브(Microwave) 플라즈마 등으로 구분된다.
이러한 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생장치에는 다양한 종류가 있으며, 그 구조 내지 인가 주파수에 따라 플라즈마의 발생효율에 많이 차이가 있었다.
하지만, 종래의 플라즈마 발생장치는 플라즈마의 발생 효율이 낮을 뿐만 아니라, 그 구조가 복잡하여 제조단가가 높은 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 매우 단순한 구조를 적용함으로써 그 제조단가를 대폭 절감할 수 있는 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마의 발생효율을 매우 향상시킨 플라즈마 발생장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는,
전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지에 의해 플라즈마 방전을 유도하는 하나 이상의 플라즈마 방전부; 및
상기 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지를 상기 플라즈마 방전부로 유도하는 하나 이상의 유전체 공진기를 포함하고,
상기 유전체 공진기는 유전체를 포함하고, 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체 공진기의 내부에는 하나 이상의 공동이 형성되고, 상기 플라즈마 방전부는 상기 공동의 내부공간에 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 방전부는 상기 유전체 공진기로부터 이격되어 배치되고, 상기 유전체 공진기 및 플라즈마 방전부는 한 쌍의 필드 프로브를 통해 전기적으로 접속된 한 쌍의 전원공급단 및 상기 전원공급단 사이에 배치된 방전공간을 포함한다.
상기 유전체 공진기의 외부면 중에서 일부에는 실드층이 코팅되지 않고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역에 튜브가 설치되고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역과 인접한 튜브의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 유전체는 단일의 유전체 재질 또는 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종 재질로 구성된다.
상기 유전체는 상기 플라즈마 방전부에 인접한 부분과 그 외 나머지 부분으로 구분되어 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종재질로 구성된다.
상기 플라즈마 방전부와 인접한 공동의 내벽면 및 실드층의 표면에 절연체 재질의 보호층이 코팅된다.
상기 유전체 공진기는 그 내부에 제1 및 제2 공동을 가지고, 상기 제1공동은 상기 제2공동 보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1공동의 내벽면을 제외한 제2공동의 내벽면 및 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되고, 상기 제1공동의 내부공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성된다.
상기 제1 및 제2 공동 내에는 유전상수가 1 이상인 유전체 물질이 개재된다.
상기 제1 및 제2 공동은 격리벽에 의해 분리될 수 있다.
상기 유전체 공진기는 그 내부에 직선형 공동을 가지고, 상기 직선형 공동의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 직선형 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 한다.
상기 플라즈마 방전부의 내/외로 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름을 유도하는 튜브를 더 포함한다.
상기 튜브의 길이방향으로 복수의 유전체 공진기가 배치될 수 있다.
상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 튜브는 부도체 재질로 이루어질 수 있다.
상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하지 않게 설치되는 경우, 상기 튜브는 도전체 재질로 이루어질 수 있다.
상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 플라즈마 방전부와 인접하는 튜브의 외주면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅된다.
상기 튜브는 그 내주면 또는 외주면에 촉매 성분이 코팅된다.
상기 튜브는 그 내부에 하나 이상의 내관이 배치되고, 상기 내관 및 튜브의 내주면 또는 외주면에는 촉매 성분이 코팅된다.
상기 튜브의 내부에는 허니콤 구조가 형성된다.
상기 튜브의 내부에는 다공성 세라믹 재질이 개재된다.
상기 튜브의 내주면에는 복수의 돌기가 튜브의 길이방향으로 형성된다.
이상과 같은 본 발명은, 매우 단순한 구조를 적용함으로써 그 제조단가를 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 전자기 에너지를 유전체에 의해 플라즈마 방전부로 효율적으로 전달하여 플라즈마 방전을 보다 효과적으로 유도함으로써 플라즈마의 발생효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 초고속 에칭 및 코팅기술, 반도체 패키징, 디스플레이, 물질의 표면 개질 및 코팅, 나노분말의 생성, 유해가스 제거 및 산화성 기체의 생성 등과 같이 다양한 용도로 활용될 수 있다.
도 1 내지 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도 16은 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 19는 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 20은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 21은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 22는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도 23은 도 23의 변형된 실시형태를 도시한다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 26은 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 27은 처리 대상물질의 흐름 방향이 일방향으로 유도되는 경우에 적용되는 튜브의 다양한 구조를 예시한다.
도 28은 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 일방향이 아닌 경우에 적용되는 튜브의 다양한 구조를 예시한다.
도 29는 튜브의 내부 구조에 대한 다양한 예시구조를 도시한다.
도 30은 튜브 내에 복수의 내관이 설치된 구조를 예시한 측단면도이다.
도 31은 본 발명의 변형실시예에 의한 플라즈마 방전부와 유전체 공진기 구조를 도시한 부분 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 내지 10은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 발생장치는 플라즈마 방전을 유도하는 플라즈마 방전부(10) 및 상기 플라즈마 방전부(10)로 MF(Medium Frequency), RF(Radio Frequency), 및 마이크로웨이브(Microwave) 등과 같은 전자기 에너지를 전달하는 유전체 공진기(20)를 포함한다.
유전체 공진기(20)는 소정의 유전율을 가진 유전체(21)를 포함하고, 유전체(21)는 공기, 세라믹, 합성수지 등과 같이 플라즈마의 발생을 용이하게 하는 유전율을 가진 다양한 종류의 유전체로 이루어질 수 있다. 그리고, 유전체 공진기(20)는 그 외형이 원통형, 육면체, 프리즘 등과 같이 다양하게 성형될 수 있다.
유전체(21)의 표면은, 플라즈마 방전부(10)와 인접한 부분을 제외하고는, 전자기 에너지의 반사를 위한 도전체 재질의 실드층(22a, 22b)으로 코팅될 수 있다.
유전체 공진기(20)는 그 내부에 제1 및 제2 공동(23, 24)이 형성되고, 제1공동(23)은 제2공동(24) 보다 작은 내경을 가지며, 이러한 구조를 통해 플라즈마 방전부(10)로 전자기 에너지를 보다 효과적으로 전달할 수 있다.
제1공동(23)의 내벽면 일부를 제외한 제2공동(24)의 내벽면에는 제2실드층(22b)이 코팅된다. 이에 의해, 전자기 에너지는 제1공동(23)의 내벽면(실드층이 코팅되지 않은 부분)을 통해 제1공동(23)의 내부공간으로 전달되고, 제1공동(23)의 내부공간에서 플라즈마의 방전이 유도된다. 즉, 제1공동(23)의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 이와 같이 본 제1실시예는 플라즈마 방전부(10)가 유전체 공진기(20) 내에 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 도 31에 도시된 바와 같이, 제1공동(23)의 내벽면 상부 또는 하부에는 제2실드층(22b)이 부분적으로 코팅될 수 있고, 이에 따라 제1공동(23)의 제2실드층(22b)이 코팅되지 않은 부분의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 제1공동(23)의 하부 및 상부에는 배기가스, 산소가스, 분말, H2O증기 등과 같은 각종 처리물질의 흐름을 안내하는 제1 및 제2 튜브(31, 32)가 설치되고, 이 튜브(31, 32)들은 플라즈마 방전부(10)와 소통한다. 이와 같이 플라즈마 방전부(10)와 직접적으로 접촉하지 않는 튜브(31, 32)는 도전체 또는 부도체 재질 등으로 이루어질 수 있고, 특히 상기 튜브(31, 32)들이 도전체 재질로 이루어질 경우 전자기 에너지의 외부 누출을 방지하는 실드(shield) 역할을 할 수도 있다.
이와 달리 도 2에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)의 제1공동(23) 및 제2공동(24) 내에 단턱진 튜브(33)가 삽입될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)의 제1 및 제2공동(23, 24)에는 1 이상의 유전상수를 가진 유전체 물질(M)이 충전될 수 있고, 이 유전체 물질(M)은 그 내부에 제3공동(25)을 형성한다. 유전체 물질(M)의 제3공동(25)에는 직선형 튜브(straight tube, 34)가 삽입되어 설치되며, 유전체 물질(M)은 그 조성 및 유전율이 유전체(21)과 동일하거나 서로 다른 재질로 이루어질 수 있다. 그리고, 제1공동(23)과 인접한 내부공간에는 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
특히, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 방전부(10)와 직접적으로 접촉하는 튜브(33, 34)는 유전체(21)로부터의 전자기 에너지 전달을 용이하게 할 수 있도록 산화알루미늄(Al2O3, alumina), 석영(quartz), 다공성 세라믹 등과 같은 부도체 재질로 이루어짐이 바람직할 것이다.
또한, 튜브(33, 34)는 그 내주면 또는 외주면에는 백금 또는 TiO2 광촉매 등과 같은 촉매물질이 코팅됨으로써 배기가스의 정화효율 또는 오존가스 발생효율 등을 더욱 향상시킬 수 있다.
한편, 도 7 및 도 8에 예시된 바와 같이, 플라즈마 방전부(10)와 접촉하는 튜브(33, 34)의 일측 외주면에는 도전체 재질의 실드층(39)이 코팅될 수도 있다. 즉, 도 7에 예시된 바와 같이 플라즈마 방전부(10)의 하류 또는 상류측에만 코팅될 수도 있고, 도 8에 예시된 바와 같이 플라즈마 방전부(10)의 상류 및 하류 양측에 실드층(39)이 코팅될 수 있다. 이러한 실드층(39)에 의해 전자기 에너지가 외부로 누설됨을 방지할 수 있다.
그리고, 도 4에 예시된 바와 같이, 본 실시예의 유전체 공진기(20)는 제1공동(23)의 내벽면 및 플라즈마 방전부(10)에 근접한 실드층(22a, 22b)의 일부에 절연체 재질의 보호층(29)이 코팅될 수 있다. 이 보호층(29)은 유전체(21)의 외부면에 코팅된 제1실드층(22)과 제2공동(23)의 내벽면에 코팅된 제2실드층(22a) 사이에서 발생할 수 있는 방전을 미연에 방지할 수 있다. 그외 도전체 재질의 실드층(22a, 22b)이 산화에 의해 부식됨을 방지할 수도 있다.
이와 달리, 보호층(29)은 도 5에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 실드층(22a, 22b) 및 제1공동(23)의 내벽면에 전체적으로 코팅될 수도 있다.
한편, 보호층(29)은 무기계 유리 조성물, 유기계 수지 조성물 등과 같이 다양한 종류의 절연재질로 이루어질 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, MF(Medium Frequency), RF(Radio Frequency), 및 마이크로웨이브(Microwave) 등과 같은 전자기 에너지를 유전체 공진기(20)로 공급하는 전자기 에너지원의 일례로서 증폭기(AM)가 적용된 구조를 예시하고 있다. 유전체 공진기(20)에 구동용 프로브(41) 및 피드백 프로브(42)가 설치되고, 구동용 프로브(41)에는 증폭기(AM)의 출력측이 접속되며, 피드백 프로브(42)에는 증폭기(AM)의 입력이 접속된다. 피드백 프로브(42)와 증폭기(AM)의 입력 사이에는 위상 천이기(PS, phase-shifter)가 설치된다. 증폭기(AM) 및 위상천이기(PS)는 마이크로프로세서(MP)에 의해 제어된다. 마이크로프로세서(MP)에는 센서(S)가 접속하며, 이 센서(S)는 플라즈마 방전부(10)에 근접하여 배치되어 플라즈마의 발생량, 품질 등을 감지한 후에 그 신호를 마이크로프로세서(MP)로 전송한다.
그 외에도, 전자기 에너지원으로는 반도체 장치, 속도변조관(klystron), 마그네트론(magnetron) 등과 같이 다양한 장치가 이용될 수 있다.
한편, 유전체 공진기(20)의 공진 주파수(F0)는 도 1을 참조하여 살펴보면, 유진체 공진기(20)의 전체 높이(H), 유전체 공진기(20)의 전체 직경(Φ), 제1공동(23)의 두께(t), 제1공동(23)의 직경(Φ1), 제1공동(23)과 제2공동(24)의 직경차이(d), 피드(41, 42)의 위치(l), 피드(41, 42)의 높이(h) 등과 같은 각종 기하적 형상 내지 치수 등에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 유전체(21)는 도 1 내지 도 5에 예시된 바와 같이 동일한 조성 및 유전율을 가진 단일의 유전체 재질로 이루어질 수 있지만, 도 9 및 도 10에 예시된 바와 같이 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종재질(21a, 21b)로 구성될 수도 있다. 즉, 플라즈마 방전부(10)에 인접한 유전체(21a)는 그 외 나머지 부분의 유전체(21b)와 비교하여 그 조성 및 유전율이 서로 다르게 형성될 수도 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 플라즈마 발생장치는 튜브(31, 32, 33, 34)를 통해 플라즈마 방전부(10)에서 발생된 플라즈마를 소정의 필요개소로 공급하는 플라즈마 발생원의 역할을 할 수 있고, 튜브(31, 32, 33, 34)를 통해 공급되는 배기가스를 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜 배기가스를 분해 내지 정화시킬 수 있다. 그외에도 산소(O2)가스를 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜 오존(O3)가스를 생성할 수 있고, H2O 증기를 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜 살균 및 세척 등에 이용되는 SHV(Super Heated Vapor)을 발생시킬 수 있으며, Ar가스 등과 함께 미세한 세라믹분말 또는 금속 분말 등을 플라즈마 방전부(10)의 플라즈마와 반응시켜(플라즈마 분쇄방식) 나노 사이즈(nano size)의 분말을 생성하는 등 다양한 용도로 활용될 수 있다.
그리고, 제1공동(23)은 도 1 내지 도 5에 예시된 바와 같이 유전체 공진기(20)의 상단 또는 하단에 편향되어 위치할 수 있고, 도 6에 예시된 바와 같이 제2공동(24)의 중앙부에 위치할 수도 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 제1 및 제2 공동(23, 24)이 격리벽(26)에 의해 서로 분리될 수 있다.
유전체 공진기(20)의 유전체(21)는 그 외부면에 제1실드층(22a)이 코팅되고, 제1공동(23)의 내벽면을 제외한 즉, 제2공동(24)의 내벽면에는 제2실드층(22b)이 코팅될 수 있다. 이에 따라, 전자기 에너지원으로부터 공급된 전자기 에너지는 유전체(21)를 통해 제1공동(23)의 내부공간으로 전달됨으로써 제1공동(23)의 내부공간에서 플라즈마 방전이 유도된다. 즉, 선행하는 실시예와 마찬가지로 제1공동(23)의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 제1공동(23) 내에는 내관(35a) 및 외관(35b)으로 이루어진 2중관 구조의 튜브(35)가 삽입되고, 이 튜브(35)는 부도체 재질로 이루어진다.
튜브(35)의 내관(35a) 및 외관(35b) 중에서 어느 일측으로 처리대상물질이 유입되면 제1공동(23)의 플라즈마 방전부(10)에서 발생된 플라즈마와 반응한 후에 내관(35a) 또는 외관(35b) 중에서 어느 타측으로 유출된다. 한편, 본 제2실시예는 2중 구조의 튜브(35)가 적용됨으로써 유입되는 가스는 플라즈마 방전부(10)에서 부분적으로 예열되는 효과를 가진다.
그외의 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 제1실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 공진주파수 설정을 위한 하나 이상의 공동(28a, 28b) 및 반구형 공동(27)을 가진다.
유전체(21)의 외부면에는, 반구형 공동(27)의 내벽면을 제외한 부분, 제1 및 제2 실드층(22a, 22b)이 코팅되고, 제2실드층(22b)은 유전체(21) 내로 부분적으로 연장될 수도 있다. 이에 의해, 전자기 에너지원으로부터 공급된 전자기 에너지는 유전체(21)를 통해 반구형 공동(27)의 내부공간으로 전달됨으로써 반구형 공동(27)의 내부공간에서 플라즈마 방전이 유도된다. 즉, 선행하는 실시예와 마찬가지로 반구형 공동(27)의 내부공간에 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 반구형 공동(27)에는 벤딩된 튜브(36)가 삽입되고, 이 튜브(36)는 부도체 재질로 이루어진다.
그외의 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 제1 및 제2 실시예와 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 그 일단에 공동(23a)을 가지고, 이 공동(23a)의 내벽면을 제외한 유전체(21)의 외부면에는 실드층(22a)이 코팅된다.
그리고, 공동(23a)은 구동 프로브(41) 및 피드백 프로브(42) 중에서 어느 일측에 편향되어 위치되며, 이 공동(23a)의 내부공간에 플라즈마의 방전이 유도되는 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 그리고, 이 공동(23a)에는 내관(35a) 및 외관(35b)으로 이루어진 2중관 구조의 튜브(35)가 설치된다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 16은 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 발생기를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제5실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 그 일단에 제1 및 제2 공동(23a, 23b)을 가지고, 각 공동(23a, 23b)의 내벽면을 제외한 유전체(21)의 외부면에 실드층(22a)이 코팅된다. 유전체 공진기(20)는 2 쌍의 프로브(41a, 41b, 42a, 42b)를 가진다. 2 쌍의 프로브(41a, 41b, 42a, 42b)는 서로 짝을 이루는 제1구동 프로브(41a)와 제1피드백 프로브(42a), 제2구동 프로브(41b) 및 제2피드백 프로브(42b)로 이루어진다.
그리고, 제1공동(23a)은 제1구동 프로브(41a) 또는 제1피드백 프로브(42a) 중에서 어느 일측에 근접하여 위치하고, 제2공동(23b)은 제2구동 프로브(41b) 또는 제2피드백 프로브(42b) 중에서 어느 일측에 근접하여 위치할 수 있다. 각 공동(23a, 23b)의 내부공간에 플라즈마의 방전이 유도되는 플라즈마 방전부(10)가 형성된다.
그리고, 각 공동(23a, 23b)에는 내관(35a) 및 외관(35b)으로 이루어진 2중관 구조의 튜브(35)가 개별적으로 설치된다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 복수의 유전체 공진기(20)가 직선형 튜브(34)의 길이방향으로 배열된 구조로 이루어진다.
유전체 공진기(20)는 선행하는 실시예들과 마찬가지로 그 내부에 하나 이상의 공동(23)을 가지고, 각 공동(23)의 내부공간에는 플라즈마 방전부(10)가 개별적으로 형성된다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 19는 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제7실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 제1공동(23)과 제2공동(24) 사이에 경사진 단턱부(24a)를 가지고, 이에 의해 제1공동(23)의 내부공간으로 전자기 에너지를 보다 효과적으로 전달할 수 있다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 20은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 발명의 제8실시예에 따른 유전체 공진기(20)는 상하로 관통된 직선형 공동(straight cavity, 230)을 가지고, 이 공동(230)은 그 내벽면에 부분적으로 제2실드층(22b)이 코팅된다. 그리고, 공동(230)의 내벽면 중에서 제2실드층(22b)이 코팅되지 않은 부분에 플라즈마 발생부(10)가 형성된다.
이 플라즈마 발생부(10)에는 배기가스, 산소가스, 분말, H2O증기 등과 같은 각종 처리 대상물질의 흐름을 안내하는 튜브(34)가 설치되고, 이 튜브(34)는 플라즈마 방전부(10)와 소통한다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 21은 본 발명의 제9실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제9실시에에 따른 유전체 공진기(20)는 상하로 관통된 직선형 공동(230)을 가지고, 이 공동(230)의 내벽면을 제외한 유전체(21)의 외부면에는 실드층(22a)이 코팅된다. 즉, 본 제9실시예는 공동(230)의 내부공간 전체에 플라즈마 발생부(10)가 형성된다.
플라즈마 발생부(10)에는 배기가스, 산소가스, 분말, H2O증기 등과 같은 각종 처리 대상물질의 흐름을 안내하는 튜브(34)가 설치되고, 이 튜브(34)는 플라즈마 방전부(10)와 소통한다.
그외 나머지 구성 및 작용, 용도 등은 선행하는 실시예들과 동일 또는 유사하므로 그 자세한 설명은 생략한다.
도 22는 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제10실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 유전체 공진기(20) 내의 플라즈마 방전부(10)에 근접하여 한 쌍의 점화용 전극(51, 52)이 배치된 것을 특징으로 한다.
점화용 전극(51, 52)은 튜브(34)의 내경방향으로 돌출되게 설치되고, 점화용 전극(51, 52)에는 고전압의 전원공급부(미도시)가 접속된다. 이에 의해 점화용 전극(51, 52)에 고전압이 인가됨으로써 초기 방전을 보다 용이하게 함과 더불어 안정된 플라즈마 발생효율을 도모할 수 있다.
그리고, 점화용 전극(51, 52) 중에서 어느 하나 또는 양쪽 모두는 도 23에 도시된 바와 같이 유전체 물질(53, 54)에 의해 감싸여진 유전체 장벽 방전(DBD, Dielectric Barrier Discharge) 구조로 이루어질 수도 있다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제11실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 유전체 공진기(20)의 일측 외부면에 플라즈마 방전부(10)가 형성된 것을 특징으로 한다.
도 24의 유전체 공진기(20)는 그 내부에 단일의 공동(230)을 가지고, 유전체 공진기(20)의 일측 외부면 즉, 공동(230)에 근접한 외부면에는 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)이 형성된다. 그리고, 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에는 튜브(37)가 설치되고, 이 튜브(37)의 내부에는 격벽(37a)이 설치된다. 이에 따라, 유전체 공진기(20)의 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에 근접하여 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 튜브(37)는 부도체 또는 도전체 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 25에 도시된 바와 같이, 유전체 공진기(20)는 그 내부에 공동이 형성되지 않고, 그 일측 외부면에 제1실드층(22a)이 코팅되지 않은 영역(21c)에 내관(35a) 및 외관(35b)을 가진 튜브(35)가 설치된다. 이에 따라, 유전체 공진기(20)의 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에 근접하여 플라즈마 방전부(10)가 형성된다. 튜브(35)는 부도체 또는 도전체 재질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제11실시예는 유전체 공진기(20)의 일측 외부면 즉, 실드층이 코팅되지 않은 영역(21c)에 플라즈마 방전부(10)가 형성됨으로써, 그 구조를 더욱 단순화할 수 있다.
도 26은 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제12실시예에 따른 플라즈마 발생장치는 유전체 공진기(20) 및 이 유전체 공진기(20)로부터 이격된(detached) 플라즈마 방전부(10)를 포함한다.
유전체 공진기(20)의 일측에는 구동 프로브 및 피드백 프로브(41, 42)가 설치되며, 유전체 공진기(20)의 타측에는 제1 및 제2 필드 프로브(61, 62)가 설치된다. 그리고, 플라즈마 방전부(10)와 유전체 공진기(20)는 전자기 에너지의 공진주파수가 최대 위치에 해당하는 거리만큼 이격된다.
플라즈마 방전부(10)는 유전체 공진기(20)의 제1 및 제2 필드 프로브(61, 62)에 전선 등을 통해 접속된 한 쌍의 전원공급단(11, 12)을 포함하고, 한 쌍의 전원공급단(11, 12)들 사이에는 방전공간(13)이 형성되며, 이 방전공간(13)에서 플라즈마 방전이 유도된다. 그리고, 플라즈마 방전부(10)의 방전공간(13)에는 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름을 안내하는 다양한 종류의 튜브(34)가 소통되게 설치된다.
이러한 구성에 의해, 유전체 공진기(20)를 통해 공진된 전자기 에너지는 제1 및 제2 필드 프로브(61, 62)를 통해 플라즈마 방전부(10)로 추출되고, 플라즈마 방전부(10)의 이격공간(13)에서 플라즈마의 방전이 유도됨으로써 플라즈마가 발생한다.
한편, 본 발명의 튜브(31, 32, 33, 34, 35, 36)들은 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름 방향을 고려하여 그 외부 및 내부 구조가 다양하게 형성가능하다.
도 27은 처리 대상물질의 흐름 방향이 일방향으로 유도되는 경우에 적용되는 튜브의 다양한 구조를 예시한 것으로 도 1 내지 도 6, 도 13 내지 도 19에 예시된 튜브(31, 32, 33, 34)들이 이에 해당한다. 예컨대, 일방향 흐름의 튜브(31, 32, 33, 34)는 원통형의 튜브(도 27(a) 참조), 테이퍼형 튜브(도 27(b) 참조), 사각형 튜브(도 27(c) 참조) 등과 같이 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
도 28은 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 일방향이 아닌 경우에 적용되는 튜브(35, 36)의 다양한 구조를 예시한 것으로 도 8, 도 10 내지 도 12, 도 20에 예시된 튜브(35, 36)들이 이에 해당한다. 예컨대, 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 벤딩되어 연결된 벤딩 튜브 구조(도 28(a) 참조), 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 나선형으로 연결된 나선형 튜브 구조(도 28(b) 참조), 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 대향하는 2중관 구조(도 28(c) 참조), 처리 대상물질의 유입방향과 유출방향이 직교하는 2중관 구조(도 28(d) 참조) 등으로 이루어질 수 있다.
도 29는 튜브(31, 32, 33, 34, 35, 36)의 내부 구조에 대한 다양한 예시구조를 도시한다. 즉, 처리 대상물질 또는 플라즈마의 접촉면적을 넓히기 위해 튜브의 내부에 허니콤 구조(H)를 개재시킨 구조(도 29(a) 및 도 29(b) 참조), 처리 대상물질 또는 플라즈마의 흐름을 지그재그식으로 하도록 튜브의 길이방향 내측면에 복수의 돌기(P)를 형성시킨 구조(도 29(e) 참조), 튜브 내부에 세라믹 또는 활성탄 등과 같은 고형의 미세입자(C)를 개재시킨 다공성 구조(도 29(c) 참조), 튜브 내에 복수의 내관(I)을 배치시킨 구조(도 29(d) 참조) 등으로 이루어질 수 있다.
그리고, 도 30에 예시된 바와 같이 플라즈마 방전부(10)와 접촉되게 설치된 튜브(34)의 내부에는 복수의 내관(I)이 설치되고, 각 내관(I) 및/또는 튜브(34)의 내주면 또는 외주면에 백금, TiO2광촉매 등과 같은 촉매 성분이 코팅처리됨으로써 배기가스의 정화효율 또는 오존가스의 생성효율을 더욱 향상시킬 수도 있다.
특히, 내관(I) 및/또는 튜브(34)의 내주면에 촉매 성분이 코팅된 경우, 처리 대상물질이 플라즈마와 반응하면서 촉매성분들이 플라즈마와 함께 휩쓸려 벗겨질 수 있으므로, 내관(I) 및/또는 튜브(34)의 외주면에 촉매성분이 코팅됨이 바람직할 것이다.

Claims (21)

  1. 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지에 의해 플라즈마 방전을 유도하는 하나 이상의 플라즈마 방전부; 및
    상기 전자기에너지원으로부터 인가받은 전자기에너지를 상기 플라즈마 방전부로 유도하는 하나 이상의 유전체 공진기를 포함하고,
    상기 유전체 공진기는 유전체를 포함하고, 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 내부에는 하나 이상의 공동이 형성되고, 상기 플라즈마 방전부는 상기 공동의 내부공간에 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유전체 공진기의 외부면 중에서 일부에는 실드층이 코팅되지 않고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역에 튜브가 설치되고, 상기 실드층이 코팅되지 않은 영역과 인접한 튜브의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부는 상기 유전체 공진기로부터 이격되어 배치되고, 상기 유전체 공진기 및 플라즈마 방전부는 한 쌍의 필드 프로브를 통해 전기적으로 접속된 한 쌍의 전원공급단 및 상기 전원공급단 사이에 배치된 방전공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유전체는 단일의 유전체 재질 또는 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유전체는 상기 플라즈마 방전부에 인접한 부분과 그 외 나머지 부분으로 구분되어 서로 다른 조성 및 유전율을 가진 2 이상의 이종재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부와 인접한 공동의 내벽면 및 상기 실드층의 표면에 절연체 재질의 보호층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 그 내부에 제1 및 제2 공동을 가지고, 상기 제1공동은 상기 제2공동 보다 작은 직경을 가지며, 상기 제1공동의 내벽면을 제외한 제2공동의 내벽면 및 상기 유전체의 외부면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되고, 상기 제1공동의 내부공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공동 내에는 유전상수가 1 이상인 유전체 물질이 개재되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공동은 격리벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 유전체 공진기는 그 내부에 직선형 공동을 가지고, 상기 직선형 공동의 내부 공간에 상기 플라즈마 방전부가 형성되며, 상기 플라즈마 방전부와 인접한 부분을 제외한 상기 직선형 공동의 내벽면에는 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 방전부의 내/외로 처리 대상물질 내지 플라즈마의 흐름을 유도하는 튜브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 길이방향으로 복수의 유전체 공진기가 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 튜브는 부도체 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하지 않게 설치되는 경우, 상기 튜브는 도전체 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 튜브가 상기 플라즈마 방전부와 접촉하도록 설치되는 경우, 상기 플라즈마 방전부와 인접하는 튜브의 외주면에는 도전체 재질의 실드층이 코팅되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 튜브는 그 내주면 또는 외주면에 촉매 성분이 코팅된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 튜브는 그 내부에 하나 이상의 내관이 배치되고, 상기 내관 및 튜브의 내주면 또는 외주면에는 촉매 성분이 코팅된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 내부에는 허니콤 구조가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 내부에는 다공성 세라믹 재질이 개재되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 튜브의 내주면에는 복수의 돌기가 튜브의 길이방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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