WO2021066354A1 - Arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma - Google Patents

Arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma Download PDF

Info

Publication number
WO2021066354A1
WO2021066354A1 PCT/KR2020/012486 KR2020012486W WO2021066354A1 WO 2021066354 A1 WO2021066354 A1 WO 2021066354A1 KR 2020012486 W KR2020012486 W KR 2020012486W WO 2021066354 A1 WO2021066354 A1 WO 2021066354A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
microwave
arc
plasma
arc discharge
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/012486
Other languages
French (fr)
Korean (ko)
Inventor
윤건수
남우진
이지모
정석용
이재구
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Publication of WO2021066354A1 publication Critical patent/WO2021066354A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2245/00—Applications of plasma devices
    • H05H2245/40—Surface treatments

Definitions

  • the present invention relates to an arc discharge device and an arc discharge method using a microwave plasma, and more particularly, to generate an arc at a low voltage by applying a DC bias to a microwave plasma having high-density electrons generated by microwave power. , It relates to an arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma that can minimize the wear of the electrode by the arc.
  • Plasma generated by such a plasma generator has an electron density of 10 19 m -3 to 10 21 m -3 , which can be used as a plasma electrode.
  • arc discharge technology is widely used in industrial fields such as welding, metal surface treatment, gasification, spark plug, and water treatment, and at this time, the wear of arc electrodes is a major factor directly connected to the life of the system.
  • Phenomenon such as melting and sputtering, is a cause of electrode wear that inevitably occurs in arc discharge, and various attempts to suppress it have been studied.
  • Air arc discharge under atmospheric pressure requires a high dielectric breakdown voltage (approximately 30kV/cm based on a DC electric field), which places many restrictions on its operation. Due to the high dielectric breakdown voltage, the adjustment of the electrode gap acts as a major factor in determining the occurrence of arc discharge, and there is a problem that a limited design electrode structure or a high voltage power system is required.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma capable of generating arc discharge at a low DC voltage by using microwave plasma as a virtual electrode and minimizing abrasion of the electrode due to arc. There is it.
  • the arc discharge device using microwave plasma includes a microwave electrode, an inner conductor provided inside the microwave electrode, a discharge gas supply pipe surrounding the inner conductor, a DC bias power supply and a DC bias.
  • An arc discharge device comprising an electrode and using a microwave plasma generator, further comprising a plasma electrode formed of microwave plasma generated by supplying a discharge gas through the discharge gas supply pipe and applying microwaves to the inner conductor, the The DC bias power is applied to the DC bias electrode to generate an arc between the plasma electrode and the DC bias electrode.
  • an arc discharge method using microwave plasma includes: generating a plasma electrode by applying electric power to a microwave electrode of a microwave plasma generator to generate a microwave plasma to generate a plasma electrode; And an arc generating step of generating an arc between the plasma electrode and the DC bias electrode by applying a DC bias to a DC bias electrode spaced apart from the plasma electrode.
  • an arc can be generated by generating plasma in a microwave plasma generator and applying a DC bias to a DC bias electrode spaced apart from the microwave plasma at a predetermined interval.
  • the electrons generated in the microwave plasma reduce the required value for the electron generation process such as impact ionization and secondary emission required for discharge, which can drastically lower the voltage required for DC discharge. There is an advantage.
  • the arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma according to the present invention can be variously used in industrial fields such as welding, metal surface treatment, gasification, spark plug, and water treatment. Since the high-density plasma acts as a virtual electrode and the arc channel does not directly contact the surface of the microwave electrode, there is an advantage of suppressing abrasion of the electrode due to melting or sputtering.
  • FIG. 1 is a photograph showing the generation of an arc in an arc discharge device using microwave plasma according to an embodiment of the present invention compared with a conventional technique.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a plasma electrode structure of an arc discharge device using microwave plasma according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a flowchart of an arc discharge method using microwave plasma according to the present invention.
  • Figure 1 (a) is a photograph of generating argon microwave plasma by the microwave plasma generator according to the comparative example alone
  • Figure 1 (b) is a plasma in the arc discharge device using the microwave plasma according to an embodiment of the present invention. This is a photograph showing that an arc was generated by using it as a wear-resistant plasma electrode.
  • a wear-resistant plasma electrode is applied in air, but the medium between the plasma electrode and the DC bias electrode is not limited to the gas.
  • the shape or configuration of the DC bias electrode is not limited to a specific embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an arc discharge device using microwave plasma according to an embodiment of the present invention.
  • the arc discharge device 200 using microwave plasma includes a microwave electrode 211, an inner conductor 212 and an inner conductor provided inside the microwave electrode 211. It has a discharge gas supply pipe 213 surrounding 212).
  • the microwave plasma generator 200 supplies a discharge gas through the discharge gas supply pipe 213, applies a microwave of 0.4 to 11 GHz to the inner conductor 212, and generates a high-density microwave plasma by using the resonance of the microwave signal. to be.
  • a microwave plasma is used as a virtual plasma electrode 216, and a DC power supply 215 is provided to the DC bias electrode 214.
  • an arc 217 is generated between the electrically separated plasma electrode 216 and the DC bias electrode 214, and the voltage required for discharging is lower than that of the conventional DC arc. There is an advantage of minimizing wear.
  • the arc discharge device 200 using microwave plasma according to the present invention is different in configuration from the conventional DC bias-coupled plasma technology used in conventional plasma equipment for semiconductor processing.
  • Conventional high-frequency plasma and DC bias equipment (PIII, Plasma-immersion ion implantation) is operated at a low pressure below atmospheric pressure, and DC bias is mainly used to control ions flowing into the surface of the substrate. Is licensed in.
  • the arc discharge device using microwave plasma according to the present invention is characterized in that it generates a DC arc at a low voltage by using atmospheric plasma generated by microwave as a virtual electrode, thereby protecting the plasma electrode.
  • FIG. 3 is a flowchart of an arc discharge method using microwave plasma according to the present invention.
  • the arc discharge method using microwave plasma includes a plasma-phase electrode generation step (S100) and an arc generation step (S200).
  • a high-density plasma having an electron density of 10 20 /m 3 is generated under atmospheric pressure by applying a power of 0.4 to 11 GHz to the microwave plasma generator to generate a plasma electrode.
  • a discharge gas is supplied to the outer circumference of the microwave plasma generator and microwaves are applied to generate high-density plasma.
  • the microwave corresponds to the GHz frequency range and serves to generate and maintain high-density plasma.
  • the discharge gas supplied to the plasma electrode generation step (S100) is not particularly limited in terms of type and flow rate, and argon gas is used in one embodiment.
  • a plasma electrode 216 that is a virtual electrode due to the microwave plasma generated from the microwave electrode by applying a DC bias to the DC bias electrode spaced apart from the microwave plasma at a predetermined interval
  • An arc 217 is generated between the and the DC bias electrode 214.
  • an impact ionization process or a secondary electron emission process is required in order to increase the number of electrons.
  • the electrons generated from the microwave plasma are spatially diffused to increase the density of electrons in the space between the microwave plasma and the DC bias electrode spaced apart from each other, which accelerates the electron avalanche in the space between the DC bias electrodes and reduces the It enables DC discharge at voltage.
  • the microwave applied to the microwave electrode includes a range of 0.4 to 11 GHz, and the strength of the voltage to be applied to the DC bias electrode varies depending on the distance between the plasma electrode and the DC bias electrode. Hundreds of volts are required.
  • the high-density microwave plasma used as a virtual electrode may vary depending on the type and flow rate, pressure, input power, input frequency, and electrode geometry of the discharge gas. Is not particularly limited.
  • the plasma electrode does not have the electron density required to generate and maintain the arc, or if the DC voltage applied to the DC bias electrode is too high, an arc is formed in the entire area between the microwave electrode and the DC bias electrode. The wear resistance effect of the upper electrode is lost.
  • the arc discharge method using microwave plasma is a plasma electrode application step in which the plasma electrode generated in the plasma electrode generation step (S100) is applied to welding or surface treatment and water treatment using an arc. It may further include (S300).
  • plasma is generated in a microwave plasma generator, and a DC bias is applied to a DC bias electrode spaced apart from the microwave plasma by a predetermined interval, thereby generating an arc. It can be generated, which can drastically lower the voltage required for DC discharge, and is applied to biomedical fields such as biomaterials, soft materials such as plastics, and rubber, where the application of arc discharge technology was limited. There is an effect that can increase the likelihood.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

The present invention relates to an arc discharge device and an arc discharge method using microwave plasma, which can generate an arc at a low voltage by applying a DC bias to microwave plasma generated by microwave power and having high-density electrons, and can minimize microwave electrode wear due to the arc. According to the present invention, the electrons generated in the microwave plasma remarkably reduce a voltage required for DC discharge in the process of electron generation such as impact ionization or secondary electron emission necessary for discharge. Therefore, it is possible to minimize microwave electrode wear, and increase the applicability of arc discharge technology to the biomedical field, such as bio material, plastic, and soft material, for example, rubber, in which the arc discharge technology has been limitedly applied.

Description

마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법Arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma
본 발명은 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로파 전력으로 생성된 고밀도의 전자를 갖는 마이크로파 플라즈마에 DC 바이어스(Bias)를 인가하여 낮은 전압에서 아크를 발생시키고, 아크에 의한 전극의 마모를 최소화할 수 있는 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법에 관한 것이다.The present invention relates to an arc discharge device and an arc discharge method using a microwave plasma, and more particularly, to generate an arc at a low voltage by applying a DC bias to a microwave plasma having high-density electrons generated by microwave power. , It relates to an arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma that can minimize the wear of the electrode by the arc.
종래로부터 여러 가지 형태의 전력원을 이용하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 장치들이 사용되어 왔으며, 주파수 900MHz나 2.05GHZ 등의 마이크로파 신호의 공진을 이용하여 저전력의 열적 효과가 없는 저온 플라즈마 제트(Plasma jet)를 발생시키는 장치들이 개발되어 왔다.Conventionally, devices that generate atmospheric pressure plasma using various types of power sources have been used, and a low-temperature plasma jet without thermal effect of low power has been used by using resonance of microwave signals such as 900MHz or 2.05GHZ. Generating devices have been developed.
이러한 플라즈마 발생장치에서 생성된 플라즈마는 1019m-3 내지 1021m-3 수준의 전자밀도를 가지며, 이는 플라즈마상 전극으로 이용될 수 있다.Plasma generated by such a plasma generator has an electron density of 10 19 m -3 to 10 21 m -3 , which can be used as a plasma electrode.
한편, 아크 방전기술은 용접, 금속 표면처리, 가스화(gasification), 점화플러그, 수(水)처리 등의 산업분야에서 다양하게 활용되며, 이때 아크 전극의 마모는 시스템의 수명과 직결되는 주요한 요인이다. 용융, 스퍼터링(Sputtering) 등의 현상은 아크 방전에서 필연적으로 발생하는 전극 마모의 원인이며 이를 억제하기 위한 다양한 시도들이 연구되고 있다. On the other hand, arc discharge technology is widely used in industrial fields such as welding, metal surface treatment, gasification, spark plug, and water treatment, and at this time, the wear of arc electrodes is a major factor directly connected to the life of the system. . Phenomenon, such as melting and sputtering, is a cause of electrode wear that inevitably occurs in arc discharge, and various attempts to suppress it have been studied.
대기압 조건에서 공기 아크 방전은 높은 절연파괴전압(DC 전기장 기준으로 약 30kV/cm)이 요구되어 그 운용에 많은 제약이 따른다. 높은 절연파괴전압으로 인하여 전극 간극의 조절은 아크 방전의 발생 유무를 결정하는 주요 요소로 작용하며, 제한적인 디자인의 전극 구조 또는 고전압 파워 시스템이 요구되는 문제가 있다.Air arc discharge under atmospheric pressure requires a high dielectric breakdown voltage (approximately 30kV/cm based on a DC electric field), which places many restrictions on its operation. Due to the high dielectric breakdown voltage, the adjustment of the electrode gap acts as a major factor in determining the occurrence of arc discharge, and there is a problem that a limited design electrode structure or a high voltage power system is required.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 마이크로파 플라즈마를 가상 전극으로 활용하여 낮은 DC 전압에서 아크 방전을 발생시키고, 아크에 의한 전극의 마모를 최소화할 수 있는 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법을 제공하는데 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide an arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma capable of generating arc discharge at a low DC voltage by using microwave plasma as a virtual electrode and minimizing abrasion of the electrode due to arc. There is it.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치는, 마이크로파 전극과, 상기 마이크로파 전극의 내부에 구비된 내부도체, 상기 내부도체를 둘러싸는 방전용 기체 공급관, DC 바이어스 전원 및 DC 바이어스 전극을 포함하며 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치에 있어서, 상기 방전용 기체 공급관을 통해 방전기체를 공급하고 상기 내부도체에 마이크로파를 인가하여 생성된 마이크로파 플라즈마로 형성된 플라즈마상 전극을 더 포함하며, 상기 DC 바이어스 전극에 상기 DC 바이어스 전원을 인가하여 상기 플라즈마상 전극과 상기 DC 바이어스 전극 사이에 아크를 발생시키는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the arc discharge device using microwave plasma according to the present invention includes a microwave electrode, an inner conductor provided inside the microwave electrode, a discharge gas supply pipe surrounding the inner conductor, a DC bias power supply and a DC bias. An arc discharge device comprising an electrode and using a microwave plasma generator, further comprising a plasma electrode formed of microwave plasma generated by supplying a discharge gas through the discharge gas supply pipe and applying microwaves to the inner conductor, the The DC bias power is applied to the DC bias electrode to generate an arc between the plasma electrode and the DC bias electrode.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전방법은, 마이크로파 플라즈마 발생기의 마이크로파 전극에 전력을 인가하여 마이크로파 플라즈마를 발생시켜 플라즈마상 전극을 생성하는 플라즈마상 전극 생성 단계; 및 상기 플라즈마상 전극과 이격 배치되는 DC 바이어스 전극에 DC 바이어스를 인가하여 상기 플라즈마상 전극과 상기 DC 바이어스 전극 사이에서 아크를 발생시키는 아크 발생단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an arc discharge method using microwave plasma according to the present invention includes: generating a plasma electrode by applying electric power to a microwave electrode of a microwave plasma generator to generate a microwave plasma to generate a plasma electrode; And an arc generating step of generating an arc between the plasma electrode and the DC bias electrode by applying a DC bias to a DC bias electrode spaced apart from the plasma electrode.
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법에 의하면 마이크로파 플라즈마 발생기에서 플라즈마를 생성하고, 마이크로파 플라즈마와 소정의 간격으로 이격된 DC 바이어스 전극에 DC 바이어스를 인가함으로써, 아크를 생성시킬 수 있다. 이러한 마이크로파 플라즈마에서 생성된 전자들은 방전에 필요한 충격 이온화(impact ionization), 2차 전자 방출(secondary emission) 등의 전자 생성 과정에 대한 요구치를 줄여주어 DC 방전에 요구되는 전압을 획기적으로 낮추어 줄 수 있는 장점이 있다.According to the arc discharging apparatus and arc discharging method using microwave plasma according to the present invention, an arc can be generated by generating plasma in a microwave plasma generator and applying a DC bias to a DC bias electrode spaced apart from the microwave plasma at a predetermined interval. have. The electrons generated in the microwave plasma reduce the required value for the electron generation process such as impact ionization and secondary emission required for discharge, which can drastically lower the voltage required for DC discharge. There is an advantage.
이로써, 고전압, 고온 등의 이유로 아크방전 기술의 적용이 제한적이었던 바이오 재료, 플라스틱, 고무와 같은 연질(軟質) 물질 등의 바이오 메디컬 분야로의 적용 가능성을 높일 수 있는 효과가 있다.Accordingly, there is an effect of increasing the possibility of application to biomedical fields such as biomaterials, plastics, and soft materials such as rubber, which have limited application of arc discharge technology due to high voltage and high temperature.
한편, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법에 의하면 용접, 금속 표면처리, 가스화(gasification), 점화플러그, 수(水)처리 등의 산업 분야에서 다양하게 활용 가능하며, 이때 고밀도 플라즈마가 가상의 전극으로 작용하여 아크 채널이 마이크로파 전극 표면과 직접적으로 닿지 않으므로 용융, 스퍼터링 등에 의한 전극의 마모를 억제할 수 있는 장점이 있다.Meanwhile, according to the arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma according to the present invention, it can be variously used in industrial fields such as welding, metal surface treatment, gasification, spark plug, and water treatment. Since the high-density plasma acts as a virtual electrode and the arc channel does not directly contact the surface of the microwave electrode, there is an advantage of suppressing abrasion of the electrode due to melting or sputtering.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치에서 아크를 생성한 것을 종래의 기술과 비교하여 나타내는 사진이다.1 is a photograph showing the generation of an arc in an arc discharge device using microwave plasma according to an embodiment of the present invention compared with a conventional technique.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치의 플라즈마상 전극 구조를 설명하기 위한 개략도이다.2 is a schematic diagram illustrating a plasma electrode structure of an arc discharge device using microwave plasma according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전방법의 공정 흐름도이다.3 is a flowchart of an arc discharge method using microwave plasma according to the present invention.
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.In the present invention, various modifications may be made and various forms may be applied, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific form disclosed, it should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
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. Unless otherwise defined, all terms used in the text, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. Does not.
도 1의 (a)는 비교예에 따른 마이크로파 플라즈마 발생기 단독으로 아르곤 마이크로파 플라즈마를 발생시킨 사진이고, 도 1의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치에서 플라즈마를 내마모성 플라즈마상 전극으로 활용하여 아크를 발생시킨 것을 나타내는 사진이다. Figure 1 (a) is a photograph of generating argon microwave plasma by the microwave plasma generator according to the comparative example alone, and Figure 1 (b) is a plasma in the arc discharge device using the microwave plasma according to an embodiment of the present invention. This is a photograph showing that an arc was generated by using it as a wear-resistant plasma electrode.
도 1의 (b)는 내마모성 플라즈마상 전극을 공기 중에서 적용하였지만, 플라즈마상 전극과 DC 바이어스 전극 사이의 매질은 기체에 한정되지 않는다. 그리고 DC 바이어스 전극 또한 그 형태나 구성이 특정 실시예에 한정되지 않는다.In Fig. 1B, a wear-resistant plasma electrode is applied in air, but the medium between the plasma electrode and the DC bias electrode is not limited to the gas. In addition, the shape or configuration of the DC bias electrode is not limited to a specific embodiment.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치의 개략도이다. Meanwhile, FIG. 2 is a schematic diagram of an arc discharge device using microwave plasma according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참고하면 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치(200)는 마이크로파 전극(211)과, 마이크로파 전극(211)의 내부에 구비된 내부도체(212) 및 내부도체(212)를 둘러싸는 방전용 기체 공급관(213)을 구비한다. 마이크로파 플라즈마 발생기(200)는 방전용 기체 공급관(213)을 통해 방전기체를 공급하고 내부도체(212)에 0.4 내지 11GHz의 마이크로파를 인가하고 마이크로파 신호의 공진을 이용하여 고밀도의 마이크로파 플라즈마를 생성하는 장치이다.Referring to FIG. 2, the arc discharge device 200 using microwave plasma according to an embodiment of the present invention includes a microwave electrode 211, an inner conductor 212 and an inner conductor provided inside the microwave electrode 211. It has a discharge gas supply pipe 213 surrounding 212). The microwave plasma generator 200 supplies a discharge gas through the discharge gas supply pipe 213, applies a microwave of 0.4 to 11 GHz to the inner conductor 212, and generates a high-density microwave plasma by using the resonance of the microwave signal. to be.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치(200)에 의하면 마이크로파 플라즈마를 가상의 플라즈마상 전극(216)으로 이용하고, DC 바이어스 전극(214)에 DC 전원(215)을 인가하여 줌으로써, 전기적으로 분리되어 있는 플라즈마상 전극(216)과 DC 바이어스 전극(214) 사이에서 아크(217)를 발생시키는 것으로 종래의 DC 아크 대비 방전에 요구되는 전압이 낮으며 아크로 인한 전극의 마모를 최소화할 수 있는 장점이 있다. As shown in FIG. 2, according to the arc discharge device 200 using microwave plasma according to the present invention, a microwave plasma is used as a virtual plasma electrode 216, and a DC power supply 215 is provided to the DC bias electrode 214. By applying, an arc 217 is generated between the electrically separated plasma electrode 216 and the DC bias electrode 214, and the voltage required for discharging is lower than that of the conventional DC arc. There is an advantage of minimizing wear.
본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치(200)는 종래의 반도체 처리용 플라즈마 장비 등에서 활용되고 있는 종래의 DC 바이어스 결합 플라즈마 기술과는 구성상 차이가 있다. 종래의 고주파수 플라즈마와 DC 바이어스를 결합한 장비(PIII, Plasma-immersion ion implantation)는 대기압 이하의 저압에서 운용되며, DC 바이어스는 주로 기재(substrate)의 표면으로 유입되는 이온을 제어하기 위하여 기재의 하부면에서 인가된다. The arc discharge device 200 using microwave plasma according to the present invention is different in configuration from the conventional DC bias-coupled plasma technology used in conventional plasma equipment for semiconductor processing. Conventional high-frequency plasma and DC bias equipment (PIII, Plasma-immersion ion implantation) is operated at a low pressure below atmospheric pressure, and DC bias is mainly used to control ions flowing into the surface of the substrate. Is licensed in.
이에 비해 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치는 마이크로파로 생성된 대기압 플라즈마를 가상의 전극으로 활용하여 낮은 전압에서 DC 아크를 발생시키고 이를 통해 플라즈마 전극을 보호하는 것을 구성상의 특징으로 한다.In contrast, the arc discharge device using microwave plasma according to the present invention is characterized in that it generates a DC arc at a low voltage by using atmospheric plasma generated by microwave as a virtual electrode, thereby protecting the plasma electrode.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전방법의 공정 흐름도이다.3 is a flowchart of an arc discharge method using microwave plasma according to the present invention.
도 3을 참고하면 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전방법은 플라즈마상 전극 생성 단계(S100) 및 아크 발생 단계(S200)를 포함한다.Referring to FIG. 3, the arc discharge method using microwave plasma according to the present invention includes a plasma-phase electrode generation step (S100) and an arc generation step (S200).
플라즈마상 전극 생성 단계(S100)에서는 상기 마이크로파 플라즈마 발생기에 0.4 내지 11GHz의 전력을 인가하여, 대기압 조건에서 1020/m3 수준의 전자 밀도를 갖는 고밀도 플라즈마를 생성하여 플라즈마상 전극을 생성한다. 상기 플라즈마상 전극 생성 단계(S100)에서는 마이크로파 플라즈마 발생기 외주로 방전 가스를 공급하고 마이크로파를 인가하여 고밀도 플라즈마를 생성한다. 상기 마이크로파는 GHz 주파수 영역대에 해당하며, 고밀도 플라즈마를 생성하고 유지하는 역할을 한다. 플라즈마상 전극 생성 단계(S100)에 공급되는 방전용 가스는 종류 및 유량에서 특별히 한정되지 않으며, 일 실시예에서는 아르곤 가스를 사용하였다. In the plasma electrode generation step (S100), a high-density plasma having an electron density of 10 20 /m 3 is generated under atmospheric pressure by applying a power of 0.4 to 11 GHz to the microwave plasma generator to generate a plasma electrode. In the plasma electrode generation step (S100), a discharge gas is supplied to the outer circumference of the microwave plasma generator and microwaves are applied to generate high-density plasma. The microwave corresponds to the GHz frequency range and serves to generate and maintain high-density plasma. The discharge gas supplied to the plasma electrode generation step (S100) is not particularly limited in terms of type and flow rate, and argon gas is used in one embodiment.
아크 발생 단계(S200)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 마이크로파 플라즈마와 소정의 간격으로 이격된 DC 바이어스 전극에 DC 바이어스를 인가하여 마이크로파 전극에서 생성되는 마이크로파 플라즈마로 인한 가상전극인 플라즈마상 전극(216)과 DC 바이어스 전극(214) 사이에서 아크(217)를 발생시킨다.In the arc generating step (S200), as shown in FIG. 2, a plasma electrode 216 that is a virtual electrode due to the microwave plasma generated from the microwave electrode by applying a DC bias to the DC bias electrode spaced apart from the microwave plasma at a predetermined interval An arc 217 is generated between the and the DC bias electrode 214.
플라즈마 방전의 중요 메커니즘 중 하나인 전자사태(electron avalanche)에서는 전자의 수가 늘어나기 위해 충돌 이온화(Impact ionization) 과정이나 2차 전계방출(Secondary electron emission) 과정이 요구된다. 상기 마이크로파 플라즈마로부터 생성된 전자들은 공간적으로 확산되어 마이크로파 플라즈마와 공간적으로 이격되어 있는 DC 바이어스 전극 사이의 공간에서의 전자 밀도를 높이게 되는데, 이들은 상기 DC 바이어스 전극 사이의 공간에서의 전자사태를 가속화시켜 낮은 전압에서 DC 방전을 가능하게 한다.In electron avalanche, which is one of the important mechanisms of plasma discharge, an impact ionization process or a secondary electron emission process is required in order to increase the number of electrons. The electrons generated from the microwave plasma are spatially diffused to increase the density of electrons in the space between the microwave plasma and the DC bias electrode spaced apart from each other, which accelerates the electron avalanche in the space between the DC bias electrodes and reduces the It enables DC discharge at voltage.
일례를 들면 마이크로파 전극에 인가되는 마이크로파는 0.4~11GHz 영역대를 포함하며, DC 바이어스 전극에 인가되어야 할 전압의 세기는 플라즈마상 전극과 DC 바이어스 전극 사이의 간격에 따라 달라지게 되는데 설정 간격 1cm당 약 수백 볼트의 수치가 요구된다. 그리고 가상전극으로 활용되는 고밀도의 마이크로파 플라즈마는 방전 가스의 종류와 유량, 압력, 입력 전력, 입력 주파수 및 전극의 기하학적 구조 등에 따라 달라질 수 있으나, 아크 발생에 충분한 전자 밀도를 갖는다면 고밀도 플라즈마의 형성 조건은 특별히 한정되지 않는다.For example, the microwave applied to the microwave electrode includes a range of 0.4 to 11 GHz, and the strength of the voltage to be applied to the DC bias electrode varies depending on the distance between the plasma electrode and the DC bias electrode. Hundreds of volts are required. In addition, the high-density microwave plasma used as a virtual electrode may vary depending on the type and flow rate, pressure, input power, input frequency, and electrode geometry of the discharge gas. Is not particularly limited.
하지만 플라즈마상 전극이 아크의 발생 및 유지에 필요한 수준의 전자 밀도를 갖지 못했거나, DC 바이어스 전극에 인가되는 DC 전압이 지나치게 높은 경우 마이크로파 전극과 DC 바이어스 전극 사이의 전체 영역에 아크가 형성되어, 플라즈마상 전극이 갖는 내마모 효과를 상실하게 된다.However, if the plasma electrode does not have the electron density required to generate and maintain the arc, or if the DC voltage applied to the DC bias electrode is too high, an arc is formed in the entire area between the microwave electrode and the DC bias electrode. The wear resistance effect of the upper electrode is lost.
한편, 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전방법은, 상기 플라즈마상 전극 생성 단계(S100)에서 생성된 상기 플라즈마상 전극을 아크를 이용한 용접이나 표면처리 및 수처리 과정에 적용하는 플라즈마상 전극 적용단계(S300)를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the arc discharge method using microwave plasma according to the present invention is a plasma electrode application step in which the plasma electrode generated in the plasma electrode generation step (S100) is applied to welding or surface treatment and water treatment using an arc. It may further include (S300).
살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법에 의하면 마이크로파 플라즈마 발생기에서 플라즈마를 생성하고, 마이크로파 플라즈마와 소정의 간격으로 이격된 DC 바이어스 전극에 DC 바이어스를 인가함으로써, 아크를 생성시킬 수 있으며, 이로 인해 DC 방전에 요구되는 전압을 획기적으로 낮추어 줄 수 있으며, 아크방전 기술의 적용이 제한적이었던 바이오 재료, 플라스틱, 고무와 같은 연질(軟質) 물질 등의 바이오 메디컬 분야로의 적용 가능성을 높일 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma according to the present invention, plasma is generated in a microwave plasma generator, and a DC bias is applied to a DC bias electrode spaced apart from the microwave plasma by a predetermined interval, thereby generating an arc. It can be generated, which can drastically lower the voltage required for DC discharge, and is applied to biomedical fields such as biomaterials, soft materials such as plastics, and rubber, where the application of arc discharge technology was limited. There is an effect that can increase the likelihood.
또한, 본 발명에 의하면 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법에 적용된 플라즈마상 내마모 전극 기술에 의해 발생한 아크를 이용하여 용접, 금속 표면처리, 가스화(gasification), 점화플러그, 수(水)처리 등의 산업 분야에서 다양하게 활용할 수 있는 장점이 있다.In addition, according to the present invention, welding, metal surface treatment, gasification, spark plugs, water using an arc generated by the plasma-phase wear-resistant electrode technology applied to the arc discharge device and the arc discharge method using microwave plasma. It has an advantage that can be used in various ways in industrial fields such as treatment.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 상술한 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other technical effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the above description.

Claims (10)

  1. 마이크로파 전극과, 상기 마이크로파 전극의 내부에 구비된 내부도체, 상기 내부도체를 둘러싸는 방전용 기체 공급관, DC 바이어스 전원 및 DC 바이어스 전극;을 포함하며 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치에 있어서, In the arc discharge device comprising a microwave electrode, an inner conductor provided inside the microwave electrode, a gas supply pipe for discharge surrounding the inner conductor, a DC bias power source and a DC bias electrode, and using a microwave plasma generator,
    상기 방전용 기체 공급관을 통해 방전기체를 공급하고 상기 내부도체에 마이크로파를 인가하여 생성된 마이크로파 플라즈마로 형성된 플라즈마상 전극을 더 포함하며,Further comprising a plasma electrode formed of a microwave plasma generated by supplying a discharge gas through the discharge gas supply pipe and applying a microwave to the inner conductor,
    상기 DC 바이어스 전극에 상기 DC 바이어스 전원을 인가하여 상기 플라즈마상 전극과 상기 DC 바이어스 전극 사이에 아크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치.An arc discharge device using a microwave plasma generator, characterized in that applying the DC bias power to the DC bias electrode to generate an arc between the plasma electrode and the DC bias electrode.
  2. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 마이크로파 전극에 인가되는 전력은 0.4~11 GHz 영역 내의 주파수를 갖는 마이크로파인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치.The arc discharge device using a microwave plasma generator, characterized in that the power applied to the microwave electrode is a microwave having a frequency within a range of 0.4 to 11 GHz.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 플라즈마 발생기는The method of claim 1, wherein the microwave plasma generator
    상기 방전용 기체 공급관을 통해 방전기체를 공급하고 상기 내부도체에 0.4 내지 11GHz의 마이크로파를 인가하고 마이크로파 신호의 공진을 이용하여 상기 마이크로파 플라즈마를 생성하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치.An arc discharge device using a microwave plasma generator, wherein a discharge gas is supplied through the discharge gas supply pipe, a microwave of 0.4 to 11 GHz is applied to the inner conductor, and the microwave plasma is generated by using resonance of a microwave signal.
  4. 제1항에 있어서, 상기 DC 바이어스 전극에 인가되는 전압은 The method of claim 1, wherein the voltage applied to the DC bias electrode is
    상기 플라즈마상 전극과 상기 DC 바이어스 전극 사이의 간격에 비례하여 설정되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치.Arc discharge device using a microwave plasma generator, characterized in that set in proportion to the interval between the plasma electrode and the DC bias electrode.
  5. 제1항에 있어서, 상기 아크는The method of claim 1, wherein the arc is
    상기 마이크로파 전극과 직접적으로 닿지 않는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전장치.An arc discharge device using a microwave plasma generator, characterized in that it does not directly contact the microwave electrode.
  6. 마이크로파 플라즈마 발생기의 마이크로파 전극에 전력을 인가하여 마이크로파 플라즈마를 발생시켜 플라즈마상 전극을 생성하는 플라즈마상 전극 생성 단계; 및Generating a plasma electrode by applying electric power to a microwave electrode of a microwave plasma generator to generate a microwave plasma to generate a plasma electrode; And
    상기 플라즈마상 전극과 이격 배치되는 DC 바이어스 전극에 DC 바이어스를 인가하여 상기 플라즈마상 전극과 상기 DC 바이어스 전극 사이에서 아크를 발생시키는 아크 발생단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전방법.Arc discharge using a microwave plasma generator, comprising: an arc generating step of generating an arc between the plasma electrode and the DC bias electrode by applying a DC bias to a DC bias electrode disposed spaced apart from the plasma electrode. Way.
  7. 제6항에 있어서,The method of claim 6,
    상기 마이크로파 전극에 인가되는 전력은 0.4~11 GHz 영역 내의 주파수를 갖는 마이크로파인 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전방법.The arc discharge method using a microwave plasma generator, characterized in that the power applied to the microwave electrode is a microwave having a frequency within a range of 0.4 to 11 GHz.
  8. 제6항에 있어서, 상기 DC 바이어스 전극에 인가되는 전압은 The method of claim 6, wherein the voltage applied to the DC bias electrode is
    상기 플라즈마상 전극과 상기 DC 바이어스 전극 사이의 간격에 비례하여 설정되는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전방법.Arc discharge method using a microwave plasma generator, characterized in that set in proportion to the interval between the plasma electrode and the DC bias electrode.
  9. 제6항에 있어서, 상기 아크 발생단계는The method of claim 6, wherein the arc generating step
    상기 아크 발생단계에서 발생된 아크가 상기 마이크로파 전극과 직접적으로 닿지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전방법.Arc discharge method using a microwave plasma generator, characterized in that the arc generated in the arc generating step does not directly contact the microwave electrode.
  10. 제6항에 있어서, The method of claim 6,
    상기 플라즈마상 전극 생성 단계에서 생성된 상기 플라즈마상 전극을 아크를 이용한 용접, 표면처리 및 수처리 과정에 적용하는 플라즈마상 전극 적용단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로파 플라즈마 발생기를 이용한 아크 방전방법.Arc discharge method using a microwave plasma generator, characterized in that the plasma electrode application step of applying the plasma electrode generated in the plasma electrode generation step to welding, surface treatment, and water treatment using an arc.
PCT/KR2020/012486 2019-09-30 2020-09-16 Arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma WO2021066354A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2019-0120385 2019-09-30
KR1020190120385A KR102216854B1 (en) 2019-09-30 2019-09-30 Apparatus and method for arc discharge using the microwave plasma

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021066354A1 true WO2021066354A1 (en) 2021-04-08

Family

ID=74731427

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2020/012486 WO2021066354A1 (en) 2019-09-30 2020-09-16 Arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102216854B1 (en)
WO (1) WO2021066354A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113552208B (en) * 2021-07-08 2023-06-09 浙江大学 Method for detecting organic explosive substances

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100333800B1 (en) * 1994-11-18 2002-11-27 써르프코트 오와이 An apparatus for generation of a linear arc discharge for plasma processing
KR20100069263A (en) * 2008-12-16 2010-06-24 부산대학교 산학협력단 Atmospheric pressure glow discharges plasma device by dc pulse power
KR101012345B1 (en) * 2008-08-26 2011-02-09 포항공과대학교 산학협력단 Portable low power consumption microwave plasma generator
US20170243727A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Southwest Research Institute Atmospheric Pressure Pulsed Arc Plasma Source and Methods of Coating Therewith
KR20190065854A (en) * 2017-12-04 2019-06-12 포항공과대학교 산학협력단 Expansion method for sheath and bulk of microwave plasma induced by Radio Frequency bias

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101359320B1 (en) * 2012-12-27 2014-02-10 한국기초과학지원연구원 Microwave-radio frequency hybrid plasm torch
KR101620009B1 (en) * 2014-07-11 2016-05-12 한국기계연구원 Plasma reactor having multiple attribute

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100333800B1 (en) * 1994-11-18 2002-11-27 써르프코트 오와이 An apparatus for generation of a linear arc discharge for plasma processing
KR101012345B1 (en) * 2008-08-26 2011-02-09 포항공과대학교 산학협력단 Portable low power consumption microwave plasma generator
KR20100069263A (en) * 2008-12-16 2010-06-24 부산대학교 산학협력단 Atmospheric pressure glow discharges plasma device by dc pulse power
US20170243727A1 (en) * 2016-02-18 2017-08-24 Southwest Research Institute Atmospheric Pressure Pulsed Arc Plasma Source and Methods of Coating Therewith
KR20190065854A (en) * 2017-12-04 2019-06-12 포항공과대학교 산학협력단 Expansion method for sheath and bulk of microwave plasma induced by Radio Frequency bias

Also Published As

Publication number Publication date
KR102216854B1 (en) 2021-02-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6872281B1 (en) Chamber configuration for confining a plasma
US9273393B2 (en) Torch system for depositing protective coatings on interior walls and recesses present on the flat surface of an object
JP3992366B2 (en) Electron flood device for neutralizing charge accumulation on a substrate during ion implantation.
US5549780A (en) Method for plasma processing and apparatus for plasma processing
WO2021066354A1 (en) Arc discharge device and arc discharge method using microwave plasma
WO2017119704A1 (en) Plasma processing device
WO2013035983A1 (en) Apparatus and method for plasma ion implantation
US7126138B2 (en) Electron flood apparatus and ion implantation system
US5216690A (en) Electron beam gun with grounded shield to prevent arc down
JP5105775B2 (en) Insulating piping, plasma processing apparatus and method
KR100250547B1 (en) Arrangement for coating or etching substrates
US6841942B2 (en) Plasma source with reliable ignition
KR20020011919A (en) Plasma processing method and apparatus thereof
WO2019112148A1 (en) Method for expanding sheath and bulk of plasma by using double radio frequency
CN110574500B (en) Static eliminating device and plasma generating device
US3798488A (en) Plasma source of charged particles
KR102192273B1 (en) Protective system for use in induction heating
JP6656685B1 (en) Static elimination device and static elimination method
Krastelev et al. Corona-stabilized gas spark gap switch for a double forming line with 300 kV working voltage
WO2020054085A1 (en) Electricity removal device and plasma generation device
US2929947A (en) Lead-in for electric currents in gas discharge vessels
JPS57149735A (en) Plasma treating device
JP2018018609A (en) Plasma processing device
EP1801845A1 (en) Plasmachemical microwave reactor
Bogomaz et al. Investigation of anode and jets influence on electric arc properties with current up to 500kA

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 20871176

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 20871176

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1