WO2024101738A1

WO2024101738A1 - 안테나 구조체

Info

Publication number: WO2024101738A1
Application number: PCT/KR2023/016857
Authority: WO
Inventors: 이윤성; 김두일; 박준혁; 채대석; 조건희
Original assignee: 인투코어테크놀로지 주식회사
Priority date: 2022-11-09
Filing date: 2023-10-27
Publication date: 2024-05-16
Also published as: TW202429763A

Abstract

본 개시의 일 실시예에 따르면, 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하는 방전관의 측면 둘레에 배치되는 안테나 구조체로, n개의 단위 안테나들을 포함하고, 상기 n개의 단위 안테나들 각각은, 제1 곡률 반경을 가지는 제1 아크부분, 제2 곡률 반경을 가지는 제2 아크부분, 및 상기 제1 아크부분과 상기 제2 아크 부분을 연결하는 아크연결부분을 포함하고, 서로 인접한 제m 단위 안테나와 제m+1 단위 안테나의 아크연결부분이 방전관의 중심을 기준으로 이루는 각도가 360/n도(degree)가 되도록 배치되는 안테나 구조체가 제공될 수 있다.

Description

안테나 구조체

본 개시는 안테나 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 유도 시스템의 내구성 및 효율성이 향상되도록 설계된 안테나 구조체에 관한 것이다.

플라즈마를 활용하는 플라즈마 공정 기술은 반도체, 디스플레이, 의료 장비 기술 분야 뿐만 아니라 공기, 물, 토양 정화 등의 환경 기술 분야 및 태양 전지, 수소 에너지 등의 에너지 기술 분야 등 다양한 산업 분야에서 이용되고 있으며, 플라즈마 공정 기술 중 저전력으로 고밀도의 플라즈마를 형성하는 유도 결합 방전에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

유도 결합 방전은 일반적으로 안테나 구조체에 전력을 인가하여 발생시키며, 플라즈마를 유도하는 시스템의 안정성이나 내구성, 효율성을 고려할 때 안테나 구조체의 형상이나 구조는 기술적으로 매우 중요하게 다뤄져야 하는 변수로 볼 수 있다.

한편, 산업 현장의 요구에 따라 플라즈마를 유도하는 시스템의 규모나 플라즈마의 밀도가 다양할 수 있는데, 시스템의 규모가 커질수록 또는 플라즈마의 밀도가 커질수록 안테나 구조체에 인가되는 전력이나 주파수도 증가하게 되며, 그에 따라 안테나 구조체의 내구성과 시스템의 안정성이 문제될 수 있다.

본 개시에서는 요구되는 시스템의 규모나 플라즈마의 밀도를 따르면서도 시스템의 안정성 및 내구성이 보장되도록 설계된 안테나 구조체에 대해 서술하고자 한다.

본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 유도 결합 플라즈마를 발생시키는 과정에서 강한 유도 결합을 가지는 안테나 구조체를 제공하는 것이다.

본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 수 MHz의 고주파 전력을 인가 받아 플라즈마를 유도하는 플라즈마 유도 시스템에서 시스템의 안정성과 내구성을 높이기 위한 안테나 구조체를 제공하는 것이다.

본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 방전관(또는 유전체 튜브)에 플라즈마를 유도하는 과정에서 방전관 외벽에 인접한 안테나에 상대적으로 약한 전압이 인가되도록 하는 안테나 구조체를 제공하는 것이다.

본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 설계 및 제조가 용이한 안테나 구조체를 제공하는 것이다.

본 개시에서 해결하고자 하는 일 과제는, 유도결합 플라즈마(ICP) 유도에 있어서 보조가스의 사용을 최소화하는 것이다.

본 개시에서 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 개시 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하는 방전관의 측면 둘레에 배치되는 안테나 구조체에 있어서, 제1 단위 안테나 내지 제n 단위 안테나를 포함하는 n개의 단위 안테나들(n은 2 이상의 자연수)을 포함하고, 상기 n개의 단위 안테나들 각각은, 제1 단과 제2 단을 포함하고 제1 곡률 반경을 가지는 제1 아크부분; 제3 단과 제4 단을 포함하고 제2 곡률 반경을 가지는 제2 아크부분; 및 상기 제1 아크부분의 상기 제2 단과 상기 제2 아크 부분의 상기 제3 단을 연결하는 아크연결부분;을 포함하고, 서로 인접한 제m 단위 안테나(m은 n 보다 작은 자연수)와 제m+1 단위 안테나는, 상기 방전관의 중심과 상기 제m 단위 안테나의 아크연결부분을 잇는 가상의 제1 선과 상기 방전관의 중심과 상기m+1 단위 안테나의 아크연결부분을 잇는 가상의 제2 선이 이루는 각도가 360/n도(degree)가 되도록 배치되며, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경과 다른 안테나 구조체가 제공될 수 있다.

본 개시의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 개시 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템의 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 방전관 내 이온 손실이 저감되어 플라즈마의 유도 및 유지가 안정적으로 이루어질 수 있다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템에서 방전관의 손상이 방지될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상술한 효과를 가지는 안테나 구조체를 용이하게 제작할 수 있고, 제작에 소요되는 비용이 절감될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마 방전에 있어서 보조가스 사용량에 따른 비용 소모가 줄어들 수 있다.

본 개시에 따른 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 개시 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 유도 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2는 일 실시예에 따른 RF(radio frequency) 발생기를 나타내는 도면이다.

도 3은 일 실시예에 따른 안테나 구조체 및 방전관을 나타내는 도면이다.

도 4 및 도 5는 각각 종래 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.

도 6은 제1 실시예에 따른 안테나 구조체의 한 층의 구조 및 형상을 나타내는 도면이다.

도 7은 제1 실시예에 따른 안테나 구조체에서 안테나 세그먼트들의 연결관계를 나타내는 도면이다.

도 8은 일 실시예에 따른 안테나 구조체 내 위치에 따른 전압을 나타내는 도면이다.

도 9는 일 실시예에 따른 안테나 구조체의 층 안테나들을 나타내는 도면이다.

도 10은 다른 실시예에 따른 안테나 구조체의 층 안테나들을 나타내는 도면이다.

도 11은 제2 실시예에 따른 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.

도 12는 제3 실시예에 따른 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.

도 13은 제4 실시예에 따른 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.

도 14의 (a)는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 나타내는 도면이다.

도 14의 (b)는 일 실시예에 따른 단위 안테나의 평면도이다.

도 15의 (a)는 일 실시예에 따른 단위 안테나들로 구성된 안테나 구조체를 나타내는 도면이다.

도 15의 (b)는 일 실시예에 따른 안테나 구조체의 평면도이다.

도 16의 (a)는 다른 실시예에 따른 단위 안테나의 평면도이다.

도 16의 (b)는 다른 실시예에 따른 단위 안테나들로 구성된 안테나 구조체의 평면도이다.

도 17은 또 다른 실시예에 따른 단위 안테나의 평면도이다.

도 18은 또 다른 실시예에 따른 단위 안테나들로 구성된 안테나 구조체의 평면도이다.

도 19는 일 실시예에 따른 커패시터 모듈을 나타내는 도면이다.

도 20은 일 실시예에 따른 단위 안테나들 사이에 개재되는 커패시터 모듈들을 나타내는 도면이다.

도 21은 일 실시예에 따른 가스 개질 시스템을 나타내는 도면이다.

도 22는 일 실시예에 따른 전처리부를 나타내는 도면이다.

도 23은 일 실시예에 따른 가스 개질을 위한 플라즈마 유도 시스템을 나타내는 도면이다.

도 24는 일 실시예에 따른 플라즈마 개질 방법을 나타내는 순서도이다.

도 25는 일 실시예에 따른 기생 커패시턴스가 각기 다르게 조절된 메인 안테나 구조체들을 나타내는 도면이다.

도 26은 일 실시예에 따른 하부 스월 발생부를 나타내는 도면이다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하는 방전관의 측면 둘레에 배치되는 안테나 구조체에 있어서, 제1 단위 안테나 내지 제n 단위 안테나를 포함하는 n개의 단위 안테나들(n은 2 이상의 자연수)을 포함하고, 상기 n개의 단위 안테나들 각각은, 제1 단과 제2 단을 포함하고 제1 곡률 반경을 가지는 제1 아크부분; 제3 단과 제4 단을 포함하고 제2 곡률 반경을 가지는 제2 아크부분; 및 상기 제1 아크부분의 상기 제2 단과 상기 제2 아크 부분의 상기 제3 단을 연결하는 아크연결부분;을 포함하고, 서로 인접한 제m 단위 안테나(m은 n 보다 작은 자연수)와 제m+1 단위 안테나는, 상기 방전관의 중심과 상기 제m 단위 안테나의 아크연결부분을 잇는 가상의 제1 선과 상기 방전관의 중심과 상기m+1 단위 안테나의 아크연결부분을 잇는 가상의 제2 선이 이루는 각도가 360/n도(degree)가 되도록 배치되며, 상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경과 다른 안테나 구조체가 제공된다.

상기 제1 곡률 반경은 상기 방전관의 측면 둘레에 대응되고, 상기 제2 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경 보다 큰 값을 가진다.

상기 제1 아크부분은 제1 중심각을 가지고, 상기 제1 중심각은 360/n도(degree) 이하이다.

상기 제2 아크부분은 제2 중심각을 가지고, 상기 제2 중심각은 상기 제1 중심각 보다 작다.

상기 n은 3 이상의 자연수이고 상기 m은 n-1 보다 작은 자연수이며, 제m+2 단위 안테나가 상기 제m+1 단위 안테나와 서로 인접할 때, 상기m 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단과 상기m+2 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1 단은 전기적으로 연결된다.

상기m 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단과 상기m+2 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1 단 사이에 턴간 용량성 소자가 전기적으로 개재된다.

상기 n개의 단위 안테나들은 제1 평면에 배치되어 제1 층 안테나를 구성한다.

상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경 보다 작고, 상기 제1 내지 제n 단위 안테나의 제1 아크부분은 상기 방전관을 둘러싸도록 상기 제1 층 안테나의 내측 턴을 구성하고, 상기 제1 내지 제n 단위 안테나의 제2 아크부분은 상기 내측 턴을 둘러싸도록 상기 제1 층 안테나의 외측 턴을 구성한다.

상기 n개의 단위 안테나들은 상기 제1 평면에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 배치되되, 상기 제m 단위 안테나의 제2 아크부분이 상기 제m+1 단위 안테나의 제1 아크부분의 적어도 일부를 감싸도록 배치된다.

상기 n개의 단위 안테나들과는 다른 p개의 단위 안테나들(p는 2 이상의 자연수)로 구성되는 제2 층 안테나를 더 포함하고, 상기 제2 층 안테나는 상기 제1 평면으로부터 소정 거리 이격되는 제2 평면에 배치되며, 상기 n개의 단위 안테나들 중 어느 하나의 단위 안테나와 상기 p개의 단위 안테나들 중 어느 하나의 단위 안테나는 층간 용량성 소자를 통해 전기적으로 연결된다.

상기 n은 3이고, 상기 제1 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단은 상기 제3 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1 단과 제1 턴간 용량성 소자를 통해 연결되고, 상기 제3 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단은 상기 제2 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1단과 제2 턴간 용량성 소자를 통해 연결된다.

일 실시예에 따르면, 플라즈마 유도 시스템을 이용하여 가스를 개질하는 방법에 있어서, 상기 플라즈마 유도 시스템은 방전관, 상기 방전관을 둘러싸는 점화 안테나 구조체, 상기 방전관을 둘러싸고 상기 점화 안테나 구조체와 이격되어 배치되는 메인 안테나 구조체, 상기 점화 안테나 구조체에 전력을 인가하도록 구성되는 제1 RF 발생기, 상기 메인 안테나 구조체에 전력을 인가하도록 구성되는 제2 RF 발생기, 상기 방전관 내부로 보조가스가 유입되기 위한 보조가스 유입관, 상기 방전관 내부로 개질 대상 가스가 유입되기 위한 대상 가스 유입관, 상기 방전관 내부 가스를 배기하기 위한 배기구, 및 상기 방전관 내부에서 개질된 가스를 배출하는 배출구를 포함하고, 상기 방법은, 상기 방전관에 상기 보조 가스를 투입하는 단계; 상기 방전관 내 플라즈마가 유도되도록 상기 점화 안테나 구조체에 전력을 인가하는 단계; 제1 미리 설정된 조건이 만족되면 점화된 플라즈마가 유지되도록 상기 메인 안테나 구조체에 전력을 인가하는 단계; 상기 방전관에 상기 개질 대상 가스를 투입하는 단계; 상기 보조 가스의 투입을 중단하는 단계; 제2 미리 설정된 조건이 만족될 때까지 상기 방전관 내 가스를 배기하는 단계; 및 상기 개질 대상 가스가 플라즈마에 의해 개질된 합성 가스를 배출하는 단계;를 포함하는 가스 개질 방법이 제공된다.

본 개시의 상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련된 다음의 상세한 설명을 통해 보다 분명해질 것이다. 다만, 본 개시는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.

도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하기 위하여 과장된 것이며, 또한, 구성요소(element) 또는 층이 다른 구성요소 또는 층의 "위(on)" 또는 "상(on)"으로 지칭되는 것은 다른 구성요소 또는 층의 바로 위뿐만 아니라 중간에 다른 층 또는 다른 구성요소를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 원칙적으로 동일한 구성요소들을 나타낸다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명하며, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

본 개시의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

또한, 이하의 실시예에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것으로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.

예컨대, 본 개시에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다는 의미는, 막, 영역, 구성 요소 등이 물리적으로 결합되거나 일체로 형성되어 전류가 흐르게 되는 상태 등 직접적으로 전기적 연결된 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우까지 포괄한다.

[용어 정리]

본 개시는 플라즈마를 유도하기 위한 안테나 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 공정을 위한 플라즈마 유도 시스템에 있어서 시스템의 안정성과 내구성을 높이도록 설계된 안테나 구조체에 관한 것이다.

본 개시에서 플라즈마 공정이란, 플라즈마를 발생시키고 발생시킨 플라즈마를 이용하는 공정으로, 반도체 공정, 디스플레이 공정, 나노 공정, 환경 개선 등에 이용되는 것을 의미한다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해 플라즈마 공정으로 플라즈마 에싱(ashing), 플라즈마 CVD(chemical vapor deposition), 플라즈마 식각(etching), 박막 증착(sputtering), 표면 개질 등의 반도체 공정을 주요 실시예로 서술하나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

플라즈마는 물질이 고에너지를 인가받아 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태(phase)로, 다양한 방식에 의해 유도되거나 발생될 수 있다.

플라즈마를 생성하기 위한 많은 방법들이 있으나, 그 중에서도 유도 결합 플라즈마(ICP: Inductively Coupled Plasma)는 코일(coil) 또는 안테나(antenna) 등에 전력이 공급되어 특정 공간에 유도 전기장 또는 축전 전기장이 형성되고, 이에 의해 발생되는 플라즈마로, 일반적으로 무선주파수(RF: Radio Frequency)와 같은 고주파 전원에 의해 구동될 수 있다. 한편, 이하에서는 설명의 편의를 위해 플라즈마 발생 시스템에 의해 발생되는 플라즈마는 유도 결합 플라즈마인 것을 전제로 설명하나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

안테나 구조체는 상술한 안테나를 포함하여 전력을 인가 받아 플라즈마 발생을 위한 유도 전기장 또는 축전 전기장을 형성하는 물체를 의미할 수 있다. 안테나 구조체는 플라즈마 유도 시스템의 목적과 스펙에 따라 다양하게 설계될 수 있으며, 안테나 구조체의 형상이나 구조는 플라즈마 유도 시스템의 효율성이나 내구성이 큰 영향을 미칠 수 있다.

[플라즈마 유도 시스템]

이하에서는, 도 1을 참조하여 플라즈마 유도 시스템과 그 구성에 대해 서술한다.

도 1은 일 실시예에 따른 플라즈마 유도 시스템(100)을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 플라즈마 유도 시스템(100)은 RF 발생기(1000), 안테나 구조체(2000), 및 방전관(3000)를 포함할 수 있다.

RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 전력을 제공할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 특정 구동 주파수를 가지는 교류 전력을 인가할 수 있다. 여기서, 교류 전력은 교류 전류 또는 교류 전압을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)의 임피던스 및/또는 안테나 구조체(2000)에 인가되는 전력을 모니터링할 수 있다. 구체적으로, RF 발생기(1000)는 후술하는 바와 같이 안테나 구조체(2000)에 흐르는 전류 또는 전압에 관한 정보를 획득할 수 있다.

RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 제공하는 교류 전력의 구동 주파수를 변경할 수 있다. RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)의 임피던스 및/또는 안테나 구조체(2000)에 인가되는 전력에 기초하여 제공하는 교류 전력의 구동 주파수를 변경할 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)의 일단은 안테나 구조체(2000)의 일단에, RF 발생기(1000)의 타단은 안테나 구조체(2000)의 타단에 전기적으로 연결될 수 있다. RF 발생기(1000)는 별도의 전기적 소자를 통해 안테나 구조체(2000)와 연결될 수도 있다.

본 개시에서, 일단 또는 타단은 물체의 끝 부분을 의미하나, 물체의 끝 지점만을 의미하거나 끝 지점을 반드시 포함하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)의 일단과 RF 발생기(1000)의 일단이 전기적으로 연결되는 것은, 안테나 구조체(2000) 중 어느 한 끝 지점 또는 그 끝 지점과 인접하는 부분이 RF 발생기(1000)의 한 단자에 도선 등의 도체를 통해 연결되는 경우를 의미할 수 있다. 또한, 일단 또는 타단은 물체의 어느 한 부분의 끝 부분을 의미할 수도 있는데, 이는 해당 부분의 끝 지점, 끝 지점을 포함하는 부분, 또는 끝 지점으로부터 소정 거리 이격된 부분으로 이해될 수 있다.

상술한 바와 같이, 일단 또는 타단은 물체의 일 부분을 나타내기 위한 표현으로, 그 표현 자체로 인하여 물체의 구조나 성질, 또는 물체들 사이의 연결관계 등이 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이 안테나 구조체(2000)가 복수의 안테나 세그먼트로 구성되고 어느 하나의 안테나 세그먼트의 일단이 다른 하나의 안테나 세그먼트의 타단과 연결된다고 할 때, 두 안테나 세그먼트는 일체로 형성될 수도, 물리적으로 분리되는 형태로 구현될 수도 있다.

안테나 구조체(2000)는 방전관(3000) 내부에 전자기장을 형성하여 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)로부터 전력을 공급받아 방전관(3000) 내에 전자기장을 형성하여 플라즈마 발생을 유도할 수 있다. 보다 구체적으로, 안테나 구조체(2000)에 의해 방전관(3000) 내부에 형성되는 전자기장은 RF 발생기(1000)에 의해 공급되는 교류 전원으로 인하여 그 방향이 주기적으로 변경되고, 방전관(3000) 내에 공급되는 가스가 주기에 따라 변경되는 전자기장에 의해 에너지를 공급받아 플라즈마로 상 전이(phase transition)하게 된다.

안테나 구조체(2000)는 기본적으로 방전관(또는 유전체 튜브)의 외측면을 감싸는 코일 유사 형상(coil-like shape)을 가질 수 있다.

다만, 플라즈마의 형성을 위한 및 높은 주파수 및 높은 전력을 가지는 전원이 안테나 구조체에 공급되어도 목표인 플라즈마의 생성 및 플라즈마 밀도의 유지를 위해 공학적으로 설계된 특별한 구조를 가질 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 겹층 구조(layered structure)를 가질 수 있다. 예를 들어, 동일하거나 매우 유사한 구조가 방전관(또는 유전체 튜브)의 길이 방향으로 적층(stacked)되어 있는 구조를 가질 수 있다.

안테나 구조체(2000)의 한 층(one layer of antenna structure)은 복수의 턴들로 구성되어 있을 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)의 한 층은 2개의 턴들로 구성되어 있을 수 있다. 또는 안테나 구조체(2000)의 한 층은 3개 이상의 턴들로 구성되어 있을 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)를 구성하는 복수의 안테나들은 용량성 소자에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 안테나 구조체(2000)는 RF 발생기(1000)와 연결되기 위한 용량성 소자를 더 포함할 수도 있다.

한편, 본 개시에서 서술하는 용량성 소자는 축전기, 커패시터(capacitor), 적층 세라믹 커패시터, 울트라 커패시터 또는 전기 에너지를 저장하는 기능을 가지는 용량성 소자의 등가 회로 등을 의미할 수 있다.

방전관(3000)은 플라즈마를 유도하기 위한 환경을 조성할 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)는 플라즈마가 유도되는 내부 공간을 정의할 수 있다.

방전관(3000)은 플라즈마 발생이 유도되는 공간을 제공할 수 있다. 방전관(3000)은 관(pipe) 형상(또는, 속이 빈 원기둥 형상)을 가질 수 있다. 다만, 방전관(3000)의 형상이 관 형상으로 한정되는 것은 아니며 플라즈마를 발생시키기 위한 내부 공간을 포함하는 형상이면 충분하다.

방전관(3000)에는 플라즈마 발생을 위한 가스(ex. NF3, Ar, CO2, CH4, O2, He, 및/또는 H2 등)가 유입될 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)은 적어도 하나의 가스 저장부와 유체적으로 연결되고, 질량유량제어기(MFC: Mass Flow Controller)를 통해 가스 저장부로부터 방전관(3000)으로 가스가 유입될 수 있다.

방전관(3000)은 다양한 재질로 만들어질 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)은 비전도체 또는 열전도도가 높은 물질로 제조될 수 있다. 구체적으로, 방전관(3000)은 알루미늄 질화물(AlN), 산화 알루미늄(Al2O3), 실리콘 질화물(SiN), 질화 규소(Si3N4), 이산화 규소(SiO2), 이트륨 산화물(Y2O3), 또는 실리콘 카바이드(SiC)로 제조될 수 있다. 나아가, 방전관(3000)은 플라즈마 유도를 위해 방전관(3000)에 유입되는 가스와 반응하여 불순물(particle)을 발생시키지 않는 물질로 제조될 수 있다.

방전관(3000)은 공정 챔버와 유체적으로 연결될 수 있다. 여기서, 공정 챔버는 플라즈마 공정이 이루어지는 공간을 정의하고, 방전관(3000)에서 생성된 결과물(ex. 활성종 등)이 유입되는 챔버로 이해될 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000) 및 공정 챔버는 도관을 통해 연결되고, 도관을 통해 방전관(3000)에서 공정 챔버로 유체가 이동할 수 있다.

방전관(3000) 내부 환경은 제어될 수 있다. 구체적으로, 플라즈마 유도를 위해 방전관(3000) 내부의 온도나 압력은 적절한 값을 가지도록 제어되거나 일정 범위 내에서 유지되도록 제어될 수 있다. 이를 위해, 방전관(3000)은 열선이나 열전소자 등의 온도 조절부를 포함할 수 있다. 또한, 방전관(3000)은 내부의 압력을 제어하기 위한 압력 조절부를 포함할 수 있다. 압력 조절부는 방전관(3000) 내부의 압력을 모니터링하여 방전관(3000) 내부의 가스를 배기하는 등으로 방전관(3000) 내부의 압력을 조절할 수 있다.

방전관(3000)에는 배기구 및 배출구가 연결될 수 있다.

배기구는 방전관(3000) 내 가스를 외부의 배기 시스템으로 공급하는 기능을 수행할 수 있다. 다시 말해, 방전관(3000) 및 배기 시스템이 배기구를 통해 유체적으로 연결되어, 방전관(3000)에서 배기되어야 하는 가스가 있는 경우 배기 펌프가 동작하여 방전관(3000) 내 가스가 배기 시스템으로 이동할 수 있다.

배출구는 방전관(3000) 내에서 플라즈마에 의해 개질된 가스가 개질되어 생성되는 가스, 예를 들어 활성종 또는 합성 가스가 배출되는 통로를 의미할 수 있다. 배출구는 반도체 플라즈마 공정에서 웨이퍼가 위치하는 챔버와 연결되거나 후술하는 가스 개질 시스템의 후처리부와 연결되어 방전관(3000)에서 개질된 가스를 필요한 곳에 제공하는 통로 역할을 수행한다.

이하에서는, 상술한 RF 발생기(1000) 및 안테나 구조체(2000)에 대해 보다 구체적으로 서술하도록 한다.

[RF 발생기]

도 2는 일 실시예에 따른 RF(radio frequency) 발생기(1000)를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100), 정류기(1200), 인버터(1300), 센서모듈(1400), 및 제어부(1500)를 포함할 수 있다. RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100)에서 공급되는 제1 교류 전력을 제2 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급할 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 가정 또는 산업에서 통상적으로 사용되는 제1 교류 전력을 수백kHz 내지 수십MHz의 주파수 및 수kW 이상의 전력을 가지는 제2 교류 전력으로 변환하여 부하에 제공할 수 있다.

여기서, 부하는 안테나 구조체(2000) 및 안테나 구조체(2000)에 의해 발생되는 플라즈마를 포함할 수 있다. 이 때, 부하는 유도되는 플라즈마에 의해 시간에 따라 변하는 공진 주파수를 가질 수 있다.

정류기(1200)는 교류 전원(1100)의 출력을 직류로 변환할 수 있다. 정류기(1200)는 교류 전원(1100)에서 공급되는 제1 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 인버터(1300) 양단에 인가할 수 있다. 한편, 본 개시에서 직류 전력은 직류 전류 또는 직류 전압을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

인버터(1300)는 정류기(1200)로부터 직류 전력을 인가 받아 부하에 제2 교류 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 인버터(1300)는 제어부(1500)로부터 스위치 신호를 수신하고, 수신한 스위치 신호를 이용하여 제2 교류 전력을 부하에 제공할 수 있다.

인버터(1300)는 스위치 신호에 의해 제어되는 적어도 하나의 스위치 소자를 포함할 수 있고, 인버터(1300)에서 부하로 공급되는 제2 교류 전력은 인버터(1300)가 제어부(1500)로부터 제공받는 스위치 신호에 기초하여 설정되는 구동 주파수를 가질 수 있다.

일 예로, 인버터(1300)는 풀 브릿지(full bridge) 형태로 구현될 수 있다. 구체적으로, 인버터(1300)는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)는 제어부(1500)로부터 스위치 신호를 수신하여 턴 온(turn on) 또는 턴 오프(turn off)될 수 있다. 이 때, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온되고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 턴오프되면 부하에 양의 전압이 인가되고, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴오프되고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 턴온되면 부하에 음의 전압이 인가될 수 있다. 이와 같이, 인버터(1300)는 부하에 양의 전압 및 음의 전압을 교번적으로 인가하여 특정 주파수를 가지는 교류 전력을 인가할 수 있다.

인버터(1300)의 구현 방식이 상술한 형태로 제한되는 것은 아니며, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 기능을 수행하는 회로 구조를 포함하고 있는 구성을 의미할 수 있다.

인버터(1300)는 제어부(1500)의 주파수 제어 방법에 따라, 예를 들어 시간 지연 방식(time delay), 펄스 폭 변조 방식(PWM: Pulse Width Modulation) 또는 이들을 조합하는 방식 등으로 제어될 수 있다.

한편, 정류기(1200)와 인버터(1300) 사이에 용량성 소자가 배치될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 정류기(1200) 및 인버터(1300)와 병렬로 연결되는 커패시터(capacitor)를 포함하며, 커패시터는 인버터(1300)에 인가되는 전원의 교류 성분을 접지 노드(GND)로 방전할 수 있다.

제어부(1500)는 스위치 신호를 생성할 수 있다. 구체적으로, 제어부(1500)는 후술하는 센서모듈(1400)로부터 센싱된 데이터를 수신하여 상술한 스위치 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어부(1500)는 센서모듈(1400)로부터 부하의 전류 및 전압 등 공진 주파수와 관련된 데이터를 획득하여 스위치 신호를 생성하도록 구현될 수 있다. 구체적으로, 제어부(1500)는 센서모듈(1400)로부터 획득한 부하에 인가되는 전류의 위상 데이터 및 부하에 인가되는 전압의 위상 데이터를 이용하여 위상차 데이터 또는 지연 시간을 획득하고 이에 기초하여 스위치 신호를 생성할 수 있다.

제어부(1900)는 하드웨어나 소프트웨어 또는 이들의 조합에 따라 중앙처리장치(CPU: Central Processing Unit), 마이크로프로세서(microprocessor), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 장치로 구현될 수 있다.

센서모듈(1400)은 제어부(1500)에 부하의 공진 주파수에 관한 데이터 또는 부하에 공급되는 전력에 관한 데이터를 제공할 수 있다.

도 2에 도시되진 않았으나, 센서모듈(1400)는 변류기, 필터 및 비교기를 포함할 수 있다.

센서모듈(1400)는 변류기를 통해 부하에 흐르는 전류 또는 전압 신호를 입력 받아 크기가 다른 전류 또는 전압 신호로 변환하고, 필터를 이용하여 변환된 전류 또는 전압 신호를 필터링하고, 비교기를 통해 위상 데이터를 제어부(1500)에 출력할 수 있다.

변류기는 인버터(1300) 및 부하 사이의 배선에 유도 결합(inductively coupled)될 수 있고 부하에 인가되는 전압 또는 전류 신호를 변환하여 필터에 제공할 수 있다. 구체적으로, 변류기는 부하와 연결된 도선에 흐르는 전류를 전압 신호로 변환할 수 있다.

필터는 입력 받은 전류 또는 전압 신호에서 직류 성분을 제거하여 비교기에 출력할 수 있다. 이를 위해, 필터는 고대역 통과 필터링(high pass band filter) 또는 저대역 통과 필터링(low pass band filter)을 수행할 수 있다.

비교기는 위상 데이터를 획득할 수 있다. 예를 들어, 비교기는 변류기 또는 필터로부터 획득한 전압 신호와 미리 설정된 값을 비교하여 위상 데이터를 획득할 수 있다. 이 때, 위상 데이터는 부하에 인가되는 전류의 위상 데이터를 의미할 수 있다.

상술한 센서모듈(1400)이 포함하는 구성 중 적어도 하나는 생략될 수 있으며, 다른 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, RF 발생기(1000)는 부하의 공진 주파수에 관한 데이터에 기초하여 부하에 제공되는 제2 교류 전력의 구동 주파수를 제어할 수 있다. 다시 말해, RF 발생기(1000)는 플라즈마 발생에 따라 변화하는 부하의 공진 주파수를 추적하여 제2 교류 전력의 구동 주파수를 부하의 공진 주파수와 대응되도록 출력할 수 있다. 이로써, 불필요한 전력 소모를 방지하고 플라즈마 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 도 2에 도시되지 않았으나 RF 발생기(1000)는 메모리를 포함할 수 있다. 메모리는 각종 데이터를 저장할 수 있다. 메모리에는 각종 데이터가 임시적으로 또는 반영구적으로 저장될 수 있다. 메모리의 예로는 하드 디스크(HDD: Hard Disk Drive), SSD(Solid State Drive), 플래쉬 메모리(flash memory), 롬(ROM: Read-Only Memory), 램(RAM: Random Access Memory) 등이 있을 수 있다. 메모리는 RF 발생기(1000)에 내장되는 형태나 탈부착 가능한 형태로 제공될 수 있다.

또한, RF 발생기(1000)는 사용자로부터 입력을 수신하기 위한 입력부를 포함할 수 있다. 입력부는 사용자로부터 사용자 입력을 수신할 수 있다. 사용자 입력은 키 입력, 터치 입력, 음성 음력을 비롯한 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 입력부의 예로는 전통적인 형태의 키패드나 키보드, 마우스는 물론, 사용자의 터치를 감지하는 터치 센서 및 그 외의 다양한 형태의 사용자 입력을 감지하거나 입력 받는 다양한 형태의 입력 수단을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다.

또한, RF 발생기(1000)는 사용자에게 정보를 제공하기 위한 출력부를 포함할 수 있다. 출력부는 플라즈마 유도 시스템(100)의 상태에 관한 정보(ex. 센서모듈(1400)에 의해 측정되는 센서 값, RF 발생기(1000)의 구동 주파수, 안테나 구조체(2000)의 온도 등)를 출력해 사용자에게 이를 제공할 수 있다. 출력부는 영상을 출력하는 디스플레이, 소리를 출력하는 스피커, 진동을 발생시키는 햅틱 장치 및 그 외의 다양한 형태의 출력 수단을 모두 포함하는 포괄적인 개념이다.

이상에서 설명한 RF 발생기(1000)는 그 구성 중 적어도 하나가 생략될 수 있다. 예를 들어, RF 발생기(1000)는 센서모듈(1400)을 포함하지 않고 외부의 센서로부터 부하에 대한 전기적 데이터를 획득할 수 있다. 다른 예를 들어, RF 발생기(1000)는 교류 전원(1100) 및 정류기(1200)를 포함하지 않고 외부로부터 직류 전력 또는 정류된 직류 전력을 제공 받을 수 있다.

[안테나 구조체]

도 3은 일 실시예에 따른 안테나 구조체(2000) 및 방전관(3000)을 나타내는 도면이다.

도 3을 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 방전관(3000) 주위에 배치될 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 고리 형상을 가지고 방전관(3000)을 감싸도록 배치될 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 복수의 턴으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 제1 평면에서 제1 곡률 반경을 가지고 방전관(3000)을 감싸도록 배치되는 제1 안테나 및 제1 평면에서 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 가지고 제1 안테나를 감싸도록 배치되는 제2 안테나를 포함할 수 있다. 안테나 구조체(2000)가 항상 두 턴으로 구성되는 것은 아니며, 안테나 구조체(2000)는 m턴(또는, m겹, m은 1 이상의 자연수)으로 구성될 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 제1 평면에서 제1 곡률 반경을 가지고 방전관(3000)을 감싸도록 배치되는 제1 안테나 및 제1 평면과 다른 제2 평면에서 제1 곡률 반경을 가지고 방전관(3000)을 감싸도록 배치되는 제2 안테나를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 안테나 및 제2 안테나는 서로 다른 곡률 반경을 가질 수도 있다. 안테나 구조체(2000)가 항상 두 층으로 구성되는 것은 아니며, 안테나 구조체(2000)는 n층(n은 1 이상의 자연수)으로 구성될 수 있다. 이 때, 안테나 구조체(2000)에서 각 층의 안테나 형상은 실질적으로 동일할 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 복수의 턴 및 복수의 층으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 제1 평면에서 제1 곡률 반경을 가지고 방전관(3000)을 감싸도록 배치되는 제1 안테나 및 제1 평면에서 제1 곡률 반경보다 큰 제2 곡률 반경을 가지고 제1 안테나를 감싸도록 배치되는 제2 안테나를 포함하고, 제2 평면에서 제1 곡률 반경을 가지고 방전관(3000)을 감싸도록 배치되는 제3 안테나 및 제2 평면에서 제2 곡률 반경을 가지고 제3 안테나를 감싸도록 배치되는 제4 안테나를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 안테나 및 제3 안테나는 서로 다른 곡률 반경을 가질 수 있고, 제2 안테나 및 제4 안테나도 서로 다른 곡률 반경을 가질 수 있다. 이 때, 각 층의 안테나 형상이 실질적으로 동일할 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 상술한 바와 같이 적어도 하나의 안테나를 포함할 수 있고, 적어도 하나의 안테나 각각은 적어도 하나의 안테나 세그먼트를 포함할 수 있다. 안테나 구조체(2000)는 상술한 복수의 안테나 세그먼트의 상호 연결관계에 따라 그 구조나 형상이 달라질 수 있다. 안테나 구조체(2000)의 구조 및 형상에 대해서는 추후 구체적으로 서술한다.

한편, 플라즈마를 이용하는 공정의 종류에 따라 플라즈마 형성에 필요한 유도 기전력이 커지거나 방전 유지력을 증가시키기 위한 안테나 구조체(2000)가 요구될 수 있다. 예를 들어, 공정 결과물의 순도를 높이거나 공정 비용을 절감하기 위해 공정에 사용하는 반응 가스의 양을 줄일 수 있다.

이 경우, 기존 방전 성능을 유지하기 위해서는, 안테나 구조체(2000)에 인가하는 전력의 주파수를 증가시키거나 크기를 증가시킬 필요가 있고, 그로 인한 안테나 세그먼트 사이의 아크 (arc) 발생, 안테나 구조체(2000)의 전압 증가에 따른 방전관(3000) 파손 및 이온 손실(ion loss)에 의한 효율 저하 등의 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 방전관(3000)은 플라즈마 유도 시스템(100)의 규모나 스펙(specification)에 따라 크기가 결정될 수 있다. 예를 들어, 플라즈마 유도 시스템(100)의 규모에 따라 방전관(3000)의 직경은 20mm 이하, 20mm 내지 80mm, 80mm 이상 등으로 구분될 수 있다. 방전관(3000)의 직경에 따라 플라즈마를 유도하기 위해 안테나 구조체(2000)에 인가되는 전력 크기 및/또는 전력의 구동 주파수가 달라질 수 있다.

이 때, 방전관(3000)의 직경이 커질수록 안테나 구조체(2000)에 인가되는 전력의 크기 및/또는 전력의 구동 주파수가 커질 수 있는데, 이는 안테나 구조체(2000) 중 방전관(3000)에 인접한 부분의 전압의 증가를 야기하고, 방전관(3000) 내부의 플라즈마 발생을 위한 이온 손실 및 방전관(3000) 내벽 손상으로 연결될 수 있다.

전술한 문제점들은 플라즈마 유도 시스템(100)의 내구성이나 효율성 및 안정성을 저해하게 되는 점에서 방지될 필요가 있다.

본 개시에서는 전술한 플라즈마 공정에 따른 요구를 만족시키면서 그에 따른 문제 발생을 최소화할 수 있는 안테나 구조체(2000)의 구성 및 구조에 대해 서술하고자 한다.

[기존 안테나 구조체의 문제점]

이하에서는, 도 4 및 도 5를 참고하여 기존 안테나 구조체의 문제점에 대해 우선적으로 서술한다.

도 4 및 도 5는 각각 종래 안테나 구조체(10, 20)를 나타내는 도면이다. 도4 및 도 5 모두 방전관(3000)을 둘러싸도록 배치되는 종래 안테나 구조체(10, 20)를 도시하며, 특히 방전관(3000)의 중심축에 수직인 단면을 도시한다. 또한, 도 4 및 도 5에서 도시되어 있지는 않으나 종래 안테나 구조체(10, 20)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결된다. 그에 따라 종래 안테나 구조체(10, 20)에 일정 전압(또는 전류)이 인가되며, 도 4 및 도 5는 종래 안테나 구조체(10, 20) 내의 위치(중심점(CP)을 기준으로 회전각에 따른 위치)에 따라 인가되는 전압에 관한 그래프를 도시한다.

도 4를 참고하면, 제1 종래 안테나 구조체(10)는 방전관(3000)을 둘러싸는 내측 안테나 및 내측 안테나를 둘러싸는 외측 안테나를 포함하되, 내측 안테나와 외측 안테나는 서로 연결되어 있다. 구체적으로, 내측 안테나는 방전관(3000) 외경면을 따라 A지점에서 B지점까지 연장되고, 외측 안테나는 C지점에서 D지점까지 연장되며, 내측 안테나의 B지점과 외측 안테나의 C지점이 연결된다. 또한, 도시되어 있지는 않지만 제1 종래 안테나 구조체(10)의 A지점과 D지점이 RF 발생기(1000)의 양단에 각각 연결되어 제1 종래 안테나 구조체(10)가 RF 발생기(1000)로부터 전압을 인가 받는다.

도 4를 참고하면, 제1 종래 안테나 구조체(10)의 양단에 그라운드 전압 V0를 기준으로 전압 V2가 인가될 때, 제1 종래 안테나 구조체(10)의 내측 안테나의 A지점에서 B지점까지 전압 V0 내지 전압 V1이 인가되고, 제1 종래 안테나 구조체(10)의 외측 안테나의 C지점에서 D지점까지 전압 V1 내지 전압 V2가 인가된다. 여기서, 전압 V1은 전압 V0 및 전압 V2의 중간 값으로 이해될 수 있으며, V0가 0V인 경우, 전압 V1은 전압 V2의 1/2 값에 대응될 수 있다. 이처럼, 제1 종래 안테나 구조체(10)는 전압이 인가되면 내측 안테나에서 외측 안테나로 갈수록 전압의 크기가 증가한다. 만약, 제1 종래 안테나 구조체(10)에 인가되는 전압의 크기가 증가하게 되면 내측 안테나 및 외측 안테나에 인가되는 전압의 크기 역시 커지게 되어, 결과적으로 내측 안테나에 의해 방전관(3000) 내부에 형성되는 전기장의 세기가 강해지고 그에 따른 이온 손실 및 방전관(3000) 손상이 불가피해진다.

도 5를 참고하면, 제2 종래 안테나 구조체(20)는 방전관(3000)을 둘러싸는 내측 안테나 및 내측 안테나를 둘러싸는 외측 안테나를 포함하되, 내측 안테나와 외측 안테나는 용량성 소자를 통해 연결된다. 구체적으로, 내측 안테나는 방전관(3000) 외경면을 따라 A지점에서 B지점까지 연장되고, 외측 안테나는 C지점에서 D지점까지 연장되며, 내측 안테나의 B지점과 외측 안테나의 C지점이 용량성 소자의 양단에 각각 연결된다. 또한, 도시되어 있지는 않지만 제2 종래 안테나 구조체(20)의 A지점과 D지점이 RF 발생기(1000)의 양단에 각각 연결되어 제2 종래 안테나 구조체(20)가 RF 발생기(1000)로부터 전압을 인가 받는다.

여기서, 안테나는 유도성 소자인바, 용량성 소자와는 다른 특성을 가지며, 특히 교류 전원에 의해 안테나에 양의 전압이 인가되는 경우 용량성 소자에는 음의 전압이 인가되고, 교류 전원에 의해 안테나에 음의 전압이 인가되는 경우 용량성 소자에는 양의 전압이 인가된다. 다시 말해, 안테나에서 전압 상승이 일어나면 용량성 소자에서는 전압 강하가 일어나고, 안테나에서 전압 강하가 일어나면 용량성 소자에서는 전압 상승이 일어난다. 또한, 내측 안테나 또는 외측 안테나에 인가되는 전압과 용량성 소자에 인가되는 전압이 서로 대응되도록 내측 안테나의 유도 리액턴스 및 외측 안테나의 유도 리액턴스에 기초하여 용량성 소자의 용량 리액턴스가 결정된다.

도 5를 참고하면, 제2 종래 안테나 구조체(20)의 양단에 그라운드 전압 V0를 기준으로 전압 V2가 인가될 때, 제2 종래 안테나 구조체(20)의 내측 안테나의 A지점에서 B지점까지 전압 V0 내지 전압 V1이 인가되고, 제2 종래 안테나 구조체(20)의 외측 안테나의 C지점에서 D지점까지 마찬가지로 전압 V0 내지 전압 V1가 인가된다. 여기서, 전압 V1은 전압 V0 및 전압 V2의 중간 값으로 이해될 수 있다. 제2 종래 안테나 구조체(20)의 내측 안테나와 외측 안테나에는 위치에 따라 실질적으로 동일한 크기의 전압이 인가될 수 있으며, 이는 내측 안테나와 외측 안테나 사이에 배치된 용량성 소자에서 전압 강하 또는 전압 상승이 일어나기 때문이다.

다만, 제2 종래 안테나 구조체(20)에서도 인가되는 전압의 크기가 증가하면 내측 안테나에 인가되는 전압의 크기 역시 증가하고, 도 4의 제1 종래 안테나 구조체(10)와 비교했을 때 방전관(3000) 내부에 형성되는 전기장의 세기가 크게 달라지지 않아 여전히 이온 소실 및 방전관(3000)의 손상 문제가 잔존한다.

[신규 디자인 - 제1 실시예]

이하에서는, 도 6 내지 도 9를 참고하여 방전관(3000)에 형성되는 전기장의 세기를 감소시키기 위한 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에 대해 서술한다.

안테나 구조체(2000)는 전술한 바와 같이 방전관(3000)의 외측면에 배치되어 교류 전력을 공급 받아 방전관(3000) 내부 공간에 전기장 및 자기장을 형성한다. 그리고, 방전관(3000) 내부로 유입되는 가스가 안테나 구조체(2000)에 의해 형성되는 전기장 및 자기장에 의해 이온화되고 서로 충돌하여 플라즈마가 발생된다.

안테나 구조체(2000)는 전술한 바와 같이 방전관(3000)을 둘러싸는 코일 형태로 구현될 수 있다. 또한, 안테나 구조체(2000)는 m턴 및 n층으로 구성될 수 있으며, 각 턴은 x개의 안테나 세그먼트를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 안테나 구조체(2000)가 2턴 및 7층으로 구성되며, 각 턴은 3개의 안테나 세그먼트를 포함하는 경우에 대해 서술하나 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

안테나 구조체(2000)의 각 층은 적어도 방전관(3000)에 근접하게 위치하는 내측 안테나 및 방전관(3000)을 기준으로 내측 안테나 보다 더 바깥쪽에 위치하는 외측 안테나를 포함할 수 있다.

또한, 안테나 구조체(2000)에서 인접한 층은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000) 중 제1 층의 외측 안테나와 제2 층의 내측 안테나가 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 안테나 구조체(2000)에서 인접한 층은 도체를 통해 연결되거나 층간 용량성 소자를 통해 연결될 수 있다.

이하에서는 도 6 및 도 7을 참고하여, 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)의 각 층의 형상 및 구조에 대해 서술한다.

도 6은 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)의 한 층의 구조 및 형상을 나타내는 도면이다.

안테나 구조체(2000)의 한 층은 복수의 안테나 세그먼트로 구성될 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)는 복수의 내측 안테나 세그먼트들 및 복수의 외측 안테나 세그먼트들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 6을 참고하면 안테나 구조체(2000)의 한 층은 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)(a first to third inner antenna segment) 및 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)(a first to third outer antenna segment)를 포함할 수 있다.

제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)은 방전관(3000)에 인접하게 배치되어 내측 안테나를 구성할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)는 방전관(3000)의 외경에 대응하는 곡률 반경을 가지고, 동일 평면 상에서 방전관(3000)의 중심점(CP)을 기준으로 120°씩 회전하여 배치될 수 있다.

제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)는 내측 안테나를 감싸도록 배치되어 외측 안테나를 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)는 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)의 바깥쪽에 배치되고, 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)는 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)의 바깥쪽에 배치되며, 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)는 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)의 바깥쪽에 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)는 동일 평면 상에서 방전관(3000)의 중심점(CP)을 기준으로 120°씩 회전하여 배치될 수 있다.

도 6에서는 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)가 시계 방향으로 회전하면서 배치되고 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320) 역시 시계 방향으로 회전하면서 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 내측 안테나 세그먼트들 및 외측 안테나 세그먼트들이 반시계 방향으로 회전하면서 배치될 수도 있음은 물론이다. 후술하는 바와 같이, 내측 안테나 세그먼트들과 외측 안테나 세그먼트들은 각각 곡률 반경, 중심각, 및 길이를 가질 수 있다.

제1 내측 안테나 세그먼트(2110)는 호(arc) 형상을 가지며, 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)가 방전관(3000)에 접촉하여 배치되도록 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경과 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 예를 들어, 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)가 방전관(3000)으로부터 일정 거리 이격되어 배치되도록 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경보다 클 수 있다.

제2 내측 안테나 세그먼트(2210)는 호 형상을 가지며, 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)가 방전관(3000)에 접촉하여 배치되도록 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경과 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 예를 들어, 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)가 방전관(3000)으로부터 일정 거리 이격되어 배치되도록 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경보다 클 수 있다.

제3 내측 안테나 세그먼트(2310)는 호 형상을 가지며, 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)가 방전관(3000)에 접촉하여 배치되도록 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경과 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 예를 들어, 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)가 방전관(3000)으로부터 일정 거리 이격되어 배치되도록 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)의 곡률 반경은 방전관(3000)의 외경보다 클 수 있다.

제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)의 곡률 반경은 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)가 서로 다른 곡률 반경을 가질 수 있음은 물론이다.

제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)는 각각 120°이하의 중심각을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310) 각각의 중심각은 90°이상일 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)의 중심각은 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)가 서로 다른 크기의 중심각을 가질 수 있음은 물론이다.

제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)는 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)의 길이의 총 합은 내측 안테나 세그먼트들 중 어느 하나의 곡률 반경을 반지름으로 하는 원주의 길이보다 작을 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)가 서로 다른 길이를 가질 수 있음은 물론이다.

제1 외측 안테나 세그먼트(2120)는 호 형상을 가지며, 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)의 곡률 반경은 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)의 곡률 반경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)의 곡률 반경은 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)와 미리 정해진 간격을 유지할 수 있도록 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)의 곡률 반경보다 클 수 있다.

제2 외측 안테나 세그먼트(2220)는 호 형상을 가지며, 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)의 곡률 반경은 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)의 곡률 반경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)의 곡률 반경은 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)와 미리 정해진 간격을 유지할 수 있도록 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)의 곡률 반경보다 클 수 있다.

제3 외측 안테나 세그먼트(2320)는 호 형상을 가지며, 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)의 곡률 반경은 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)의 곡률 반경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)의 곡률 반경은 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)와 미리 정해진 간격을 유지할 수 있도록 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)의 곡률 반경보다 클 수 있다.

제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)의 곡률 반경은 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)가 서로 다른 곡률 반경을 가질 수 있음은 물론이다.

제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)는 각각 120°이하의 중심각을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320) 각각의 중심각은 90°이상일 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)의 중심각은 실질적으로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)가 서로 다른 크기의 중심각을 가질 수 있음은 물론이다.

한편, 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)의 중심각은 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)의 중심각보다 작을 수 있다. 이로써, 내측 안테나 세그먼트들의 일단 또는 그로부터 연장되는 부분, 안테나 세그먼트들을 연결하는 부분이 외측 안테나 세그먼트들과 중첩되는 것이 방지될 수 있다.

제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)는 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)의 길이의 총 합은 외측 안테나 세그먼트들 중 어느 하나의 곡률 반경을 반지름으로 하는 원주의 길이보다 작을 수 있다. 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)가 서로 다른 길이를 가질 수 있음은 물론이다.

[내측 안테나 및 외측 안테나의 연결 관계]

도 7은 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에서 안테나 세그먼트들의 연결관계를 나타내는 도면이다.

도 7을 참고하면, 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)와 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)는 다음과 같이 연결될 수 있다.

제1 내측 안테나 세그먼트(2110)는 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 내측 안테나 세그먼트의 타단(2112)은 제1 외측 안테나 세그먼트의 일단(2121)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 내측 안테나 세그먼트의 타단(2112)은 제1 연결부를 통해 제1 외측 안테나 세그먼트의 일단(2121)과 연결될 수 있다. 여기서, 제1 연결부는 U자 형상으로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111)은 RF 발생기(1000)의 일단과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111) 및 RF 발생기(1000) 사이에 제1 보조 용량성 소자(SC1)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제1 외측 안테나 세그먼트(2120)는 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122)은 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122)은 제1 턴간 용량성 소자(ITC1)(a first inter-turn capacitive element)를 통해 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211)과 연결될 수 있다.

제2 내측 안테나 세그먼트(2210)는 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 내측 안테나 세그먼트의 타단(2212)은 제2 외측 안테나 세그먼트의 일단(2221)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 내측 안테나 세그먼트의 타단(2212)은 제2 연결부를 통해 제2 외측 안테나 세그먼트의 일단(2221)과 연결될 수 있다. 여기서, 제2 연결부는 U자형상으로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

제2 외측 안테나 세그먼트(2220)는 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222)은 제3 내측 안테나 세그먼트의 일단(2311)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222)은 제2 턴간 용량성 소자(ITC2)(a second inner layer capacitive element)를 통해 제3 내측 안테나 세그먼트의 일단(2311)과 연결될 수 있다.

제3 내측 안테나 세그먼트(2310)는 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)와 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 내측 안테나 세그먼트의 타단(2312)은 제3 외측 안테나 세그먼트의 일단(2321)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제3 내측 안테나 세그먼트의 타단(2312)은 제3 연결부를 통해 제3 외측 안테나 세그먼트의 일단(2321)과 연결될 수 있다. 여기서, 제3 연결부는 U자형상으로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

한편, 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322)은 다른 층의 안테나 세그먼트와 전기적으로 연결될 수 있다. 다만, 안테나 구조체(2000)가 하나의 층으로 구성되는 경우 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322)은 RF 발생기(1000)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322) 및 RF 발생기(1000) 사이에 제2 보조 용량성 소자(SC2)가 전기적으로 개재될 수 있다. 다만, 제1 보조 용량성 소자(SC1) 및 제2 보조 용량성 소자(SC2) 중 어느 하나가 생략될 수도 있다.

안테나 구조체(2000) 내의 안테나 세그먼트들이 상술한 바와 같이 연결되는 경우, RF 발생기(1000)를 기준으로 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제1 외측 안테나 세그먼트(2120), 제1 턴간 용량성 소자(ITC1) 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 제2 외측 안테나 세그먼트(2220), 제2 턴간 용량성 소자(ITC2), 제3 내측 안테나 세그먼트(2310), 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)의 순서로 직렬연결 될 수 있다.

여기서, 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)와 제2 내측 안테나 세그먼트(2210) 사이에 제1 외측 안테나 세그먼트(2120) 및 제1 턴간 용량성 소자(ITC1)가 전기적으로 개재(interposition)된다.

또한, 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)와 제3 내측 안테나 세그먼트(2210) 사이에 제2 외측 안테나 세그먼트(2220) 및 제2 턴간 용량성 소자(ITC2)가 전기적으로 개재될 수 있다.

또한, 제2 외측 안테나 세그먼트(2220) 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2320) 사이에 제2 턴간 용량성 소자(ITC2) 및 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)가 전기적으로 개재될 수 있다.

[신규 안테나 구조체 전압]

이하에서는 도 8을 참고하여 안테나 구조체(2000) 내의 안테나 세그먼트들에 인가되는 전압에 대해 서술한다.

도 8은 일 실시예에 따른 안테나 구조체(2000) 내 위치에 따른 전압을 나타내는 도면이다.

도 8을 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 도 6 및 도 7에서 서술한 바와 같이 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제1 외측 안테나 세그먼트(2120), 제1 턴간 용량성 소자(ITC1) 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 제2 외측 안테나 세그먼트(2220), 제2 턴간 용량성 소자(ITC2), 제3 내측 안테나 세그먼트(2310), 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)가 순서대로 직렬연결 된 형태로 구현될 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5의 종래 안테나 구조체(10, 20)의 경우와 비교하기 위해, 안테나 구조체(2000)의 양단에 전압 V0를 기준으로 전압 V2가 인가되는 것으로 가정한다. 또한, 안테나 구조체(2000)에서 각 안테나 세그먼트에 인가되는 전압이 실질적으로 동일하고, 안테나 세그먼트들에서의 상승된 전압의 총 합이 턴간 용량성 소자들에서 강하된 전압의 총 합과 대응되도록 또는 안테나 세그먼트들에서의 강하된 전압의 총 합이 턴간 용량성 소자들에서 상승된 전압의 총 합과 대응되도록 안테나 세그먼트들의 인덕턴스와 턴간 용량성 소자의 커패시턴스가 적절히 선택된 것으로 가정한다. 예를 들어, 안테나 세그먼트들의 총 합성 인덕턴스와 용량성 소자들의 총 합성 커패시턴스의 값은 그들의 공진 주파수가 기본 구동 주파수가 되는 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.

도 8을 참고하면, 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)의 양단에는 전압 V0를 기준으로 전압 V4가 인가될 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)의 양단에는 전압 V4를 기준으로 전압 V3가 인가될 수 있다.

여기서, 계산의 편의를 위해 전압 V0가 0V라고 하면, 전압 V3는 전압 V2의 1/3 값에 대응되는 값으로, 층 안테나가 턴간 용량성 소자를 기준으로 세 부분으로 분할되어 각 부분에 실질적으로 동일한 전압이 분배되는 점에 기인한다.

또한, 전압 V4는 전압 V3 및 전압 V0의 중간 값에 대응되는 값으로, 내측 안테나 세그먼트와 외측 안테나 세그먼트에 실질적으로 동일한 전압이 인가되는 점에 기인한다. 이는, 전압 V0가 0V일 때, 전압 V4는 전압 V2의 1/6에 대응되는 값임을 의미한다.

한편, 종래 안테나 구조체에서 전압 V1이 전압 V2의 1/2 값에 대응되는 점에서 전압 V3은 전압 V1 보다 낮은 값으로 이해될 수 있다. 나아가, 내측 안테나를 구성하는 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)에 인가되는 전압의 최대값은 V4로, 마찬가지로 종래 안테나 구조체(10, 20)에서 내측 안테나에 인가되는 전압의 최대값인 V1 보다 현저히 낮아지게 된다.

결과적으로, 본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)와 종래 안테나 구조체(10, 20)를 비교할 때, 안테나 구조체(2000)의 안테나 세그먼트 사이에 발생하는 전위차가 낮아져 안테나 구조체(2000) 내의 아킹 현상이 방지되고, 플라즈마 유도를 위한 이온 손실이 낮아지며, 이온 충격(ion bombardment)으로 인한 안테나 구조체(2000)에 인접한 방전관(3000) 내측면의 마모 정도가 감소하고, 안테나 세그먼트들 사이의 기생 저항이 감소되어, 시스템 안정성 및 효율이 증대될 수 있다.

[층간 연결_직렬]

이하에서는 도 9를 참고하여 안테나 구조체(2000)에서 서로 다른 층에 위치하는 층 안테나의 배치 방법 및 층 안테나들이 서로 연결되는 과정에 대해 서술한다.

도 9는 일 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)의 층 안테나들을 나타내는 도면이다.

층 안테나는 안테나 구조체(2000)가 복수의 층으로 구성되는 경우 각 층에 배치된 안테나를 의미하며, 도 6에서 서술한 복수의 안테나 세그먼트들을 포함하고, 각 안테나 세그먼트들은 도 7에서 서술한 방법으로 연결될 수 있다.

본 개시의 일 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 복수의 층으로 구성되며, 각 층마다 배치되는 층 안테나를 포함할 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 서로 인접한 두 개의 층 안테나가 서로 연결되는 방법에 대해서 서술하며, 다른 층 안테나들 역시 마찬가지 방법으로 연결될 수 있다.

도 9를 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 적어도 제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)를 포함할 수 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)는 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 층 안테나(2001)의 외측 안테나 세그먼트들 중 어느 하나와 제2 층 안테나(2002)의 내측 안테나 세그먼트들 중 어느 하나가 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 층 안테나(2001)의 제3 외측 안테나 세그먼트(2320) 및 제2 층 안테나(2002)의 제4 내측 안테나 세그먼트(2410)가 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제1 층 안테나의 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322)은 제2 층 안테나의 제4 내측 안테나 세그먼트의 일단(2411)과 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)는 용량성 소자를 통해 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 층 안테나의 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322) 및 제2 층 안테나의 제4 내측 안테나 세그먼트의 일단(2411) 사이에 층간 용량성 소자(inter layer capacitive element)(ILC)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)는 도체를 통해 연결될 수도 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)가 연결되는 방법을 이용하여, 제2 층 안테나(2002)와 제3 층 안테나가 전기적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제3 층 안테나 및 제4 층 안테나, 제4 층 안테나 및 제5 층 안테나, 제5 층 안테나 및 제6 층 안테나, 그리고 제6 층 안테나 및 제7 층 안테나가 각각 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 내지 제7층 안테나는 각각 제1 내지 제7 평면에 배치될 수 있다. 제1 내지 제7 평면의 사이 간격은 동일하게 설정될 수 있다. 또는, 필요에 따라 제1 내지 제7 평면 사이 가격이 서로 다르게 설정될 수도 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제7 층 안테나는 각각 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 층 안테나의 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111)은 RF 발생기(1000)의 일단과 전기적으로 연결되고, 제7 층 안테나의 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단은 RF 발생기(1000)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제1 층 안테나의 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111) 및 RF 발생기(1000) 사이에 제1 보조 용량성 소자(SC1)가 전기적으로 개재될 수 있다. 또한, 제7 층 안테나의 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단 및 RF 발생기(1000)의 타단 사이에 제2 보조 용량성 소자(SC2)가 전기적으로 개재될 수 있다. 다만, 제1 보조 용량성 소자(SC1) 및 제2 보조 용량성 소자(SC2) 중 어느 하나는 생략될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 안테나 구조체(2000)에서 층 안테나 각각은 적어도 두 개의 턴간 용량성 소자를 포함한다. 한편, 턴간 용량성 소자는 층 안테나와 비교할 때 상대적으로 부피가 클 수 있다. 예를 들어, 턴간 용량성 소자는 방전관(3000)의 길이 방향으로 미리 설정된 높이를 가질 수 있고, 턴간 용량성 소자의 높이가 층 안테나 사이의 거리 또는 각 층 안테나가 배치되는 평면들의 사이 간격보다 클 수 있다.

턴간 용량성 소자의 높이가 상대적으로 큰 경우, 인접한 층 안테나가 동위상으로 배치되는 경우 턴간 용량성 소자들 간의 거리가 좁아져 간섭이 일어나거나 물리적인 충돌이 발생할 수 있다. 따라서, 후술하는 바와 같이 층 안테나들이 일정 규칙에 따라 배치될 필요가 있다.

안테나 구조체(2000)에서 인접한 층 안테나는 서로 미리 설정된 회전각도만큼 틀어져 배치될 수 있다. 도 8을 참고하면, 제2 층 안테나(2002)는 제1 층 안테나(2001)에 대해 약 30°만큼 회전되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 기준선(reference line)을 기준으로 제1 층 안테나(2001)가 0°만큼 회전된 상태일 때, 제2 층 안테나(2002)는 기준선을 기준으로 약 30°만큼 회전된 상태일 수 있다.

마찬가지로, 제1 내지 제7 층 안테나 중 서로 인접한 층 안테나는 기준선을 기준으로 30°만큼 틀어진 상태로 배치될 수 있다. 이에 따라, 각 층 안테나의 턴간 용량성 소자들이 충돌되거나 서로 간섭 받는 것이 방지될 수 있다. 구체적으로, 상술한 규칙에 따라 층 안테나들이 배치될 때, 제1 층 안테나(2001)의 턴간 용량성 소자들은 기준선을 기준으로 각각 약 120°와 약 240°만큼 회전되어 배치되고, 제5 층 안테나의 턴간 용량성 소자들은 기준선을 기준으로 각각 약 240°와 약 360°만큼 회전되어 배치될 수 있다. 여기서, 제1 층 안테나에서 기준선을 기준으로 약 240°만큼 회전되어 배치된 턴간 용량성 소자와 제5 층 안테나에서 기준선을 기준으로 약 240°만큼 회전되어 배치된 턴간 용량성 소자가 서로 동위상이 되지만, 제1 층 안테나와 제5 층 안테나가 충분히 이격되어 배치됨으로써 제1 층 안테나의 턴간 용량성 소자와 제5 층 안테나의 턴간 용량성 소자가 서로 간섭되거나 물리적으로 충돌하는 것이 방지될 수 있다.

인접한 층 안테나가 틀어지는 회전각도는 턴간 용량성 소자의 크기(ex. 높이), 층 안테나 사이의 이격거리(또는 층 안테나가 배치되는 평면들의 사이 간격), 층 안테나의 각 턴을 구성하는 안테나 세그먼트의 개수 및/또는 층 안테나의 크기(ex. 안테나 세그먼트의 두께)에 기초하여 결정될 수 있다.

일 예로, 층 안테나에서 각 턴을 구성하는 안테나 세그먼트의 개수가 x개인 경우, 회전각도는 (180/x)°이하로 결정될 수 있다. 구체적으로, 턴간 용량성 소자의 높이가 층 안테나 사이의 이격거리의 2배 보다 크고, 층 안테나의 각 턴을 구성하는 안테나 세그먼트의 개수가 3개인 경우, 회전각도는 60°이하로 결정될 수 있다.

다른 예로, 안테나 구조체(2000)를 구성하는 층 안테나의 개수가 y개인 경우, 회전각도는 (180/(y-1))°이하로 결정될 수 있다. 구체적으로, 안테나 구조체(2000)를 구성하는 층 안테나의 개수가 7개인 경우, 회전각도는 30°이하로 결정될 수 있다.

안테나 구조체(2000) 내의 층 안테나들이 상술한 바와 같이 연결되는 경우, 안테나 구조체(2000)의 모든 구성들이 직렬 연결된 상태로 RF 발생기(1000)에 전기적으로 연결될 수 있다.

이 때, 제1 층 안테나(2001)에서는 도 8에서 서술한 바와 같이 전압 분배가 되어 방전관(3000)에 인접한 내측 안테나 세그먼트들에 인가되는 전압이 상대적으로 낮아질 수 있다.

또한, 제1 층 안테나(2001)에서 외측 안테나 세그먼트와 내측 안테나 세그먼트가 턴간 용량성 소자를 통해 연결되는 것과 동일하게, 제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)가 층간 용량성 소자(ILC)를 통해 연결됨으로써, 제2 층 안테나(2002)에서도 도 8에서 서술한 바와 같이 전압 분배가 이루어질 수 있다.

결과적으로, 안테나 구조체(2000)에서 각 층 안테나의 내측 안테나 세그먼트들에 인가되는 전압이 상대적으로 낮아져 전술한 이온 소실이나 방전관(3000) 내벽의 손상 등이 방지되고 플라즈마 유도 시스템(100)의 내구성이나 효율성 및 안정성이 향상될 수 있다.

[층간 연결_병렬]

이하에서는 도 10을 참고하여, 안테나 구조체(2000)에서 서로 다른 층에 위치하는 층 안테나들이 서로 연결되는 또 다른 방법에 대해 서술한다.

도 9에서 서술한 것과 마찬가지로, 층 안테나는 안테나 구조체(2000)가 복수의 층으로 구성되는 경우 각 층에 배치된 안테나를 의미하며, 도 6에서 서술한 복수의 안테나 세그먼트들을 포함하고, 각 안테나 세그먼트들은 도 7에서 서술한 방법으로 연결될 수 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위해 서로 인접한 두 개의 층 안테나가 서로 연결되는 방법에 대해서 서술하며, 다른 층 안테나들 역시 마찬가지 방법으로 연결될 수 있다.

도 10을 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 적어도 제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)를 포함할 수 있다.

제1 층 안테나(2001)는 내측 안테나를 구성하는 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310) 및 외측 안테나를 구성하는 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)을 포함할 수 있다. 제2 층 안테나(2002)는 내측 안테나를 구성하는 제4 내지 제6 내측 안테나 세그먼트(2410, 2510, 2610) 및 외측 안테나를 구성하는 제4 내지 제6 외측 안테나 세그먼트(2420, 2520, 2620)를 포함할 수 있다.

안테나 구조체(2000)는 층 안테나들 사이에 개재되는 제1 내지 제3 층간 용량성 소자(ILC1, ILC2, ILC3)를 더 포함할 수 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)는 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 층 안테나(2001)의 어느 한 안테나 세그먼트는 그에 대응되는 제2 층 안테나(2002)의 안테나 세그먼트와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 층 안테나(2001)의 외측 안테나 세그먼트들과 제2 층 안테나(2002)의 내측 안테나 세그먼트들이 일대일로 연결될 수 있다.

제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)는 아래와 같이 병렬적으로 연결될 수 있다.

먼저, 제1 층 안테나(2001)의 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)가 제2 층 안테나(2002)의 제5 내측 안테나 세그먼트(2510)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122) 및 제5 내측 안테나 세그먼트의 일단(2511)이 전기적으로 연결될 수 있다.

여기서, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122) 및 제5 내측 안테나 세그먼트의 일단(2511) 사이에는 제1 층간 용량성 소자(ILC1)가 전기적으로 개재될 수 있다. 다시 말해, 제1 외측 안테나 세그먼트(2120) 및 제5 내측 안테나 세그먼트(2510)가 제1 층간 용량성 소자(ILC1)를 통해 연결될 수 있다.

한편, 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111)이 RF 발생기(1000)의 일단에 전기적으로 연결되고, 제5 외측 안테나 세그먼트의 타단(2522)이 RF 발생기(1000)의 타단에 전기적으로 연결되는 경우, RF 발생기(1000), 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제1 외측 안테나 세그먼트(2120), 제1 층간 용량성 소자(ILC1), 제5 내측 안테나 세그먼트(2510), 및 제5 외측 안테나 세그먼트(2520)가 제1 폐회로를 구성할 수 있다.

또는, 안테나 구조체(2000)가 3층 이상으로 구현되는 경우, 제5 외측 안테나 세그먼트(2520)는 같은 방법으로 다음 층의 내측 안테나 세그먼트와 전기적으로 연결되고, 마찬가지로 각 층에서 대응되는 안테나 세그먼트들이 전기적으로 연결될 수 있다. 결국 마지막 층의 외측 안테나 세그먼트가 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결되어 제1 폐회로를 구성할 수 있다.

제1 층 안테나(2001)의 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)는 제2 층 안테나(2002)의 제6 내측 안테나 세그먼트(2610)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222) 및 제6 내측 안테나 세그먼트의 일단(2611)이 전기적으로 연결될 수 있다.

여기서, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222) 및 제6 내측 안테나 세그먼트의 일단(2611) 사이에는 제2 층간 용량성 소자(ILC2)가 전기적으로 개재될 수 있다. 다시 말해, 제2 외측 안테나 세그먼트(2220) 및 제6 내측 안테나 세그먼트(2610)가 제2 층간 용량성 소자(ILC2)를 통해 연결될 수 있다.

한편, 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211)이 RF 발생기(1000)의 일단에 전기적으로 연결되고, 제6 외측 안테나 세그먼트의 타단(2622)이 RF 발생기(1000)의 타단에 전기적으로 연결되는 경우, RF 발생기(1000), 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 제2 외측 안테나 세그먼트(2220), 제2 층간 용량성 소자(ILC2), 제6 내측 안테나 세그먼트(2610), 및 제6 외측 안테나 세그먼트(2620)가 순차적으로 직렬 연결되어 제2 폐회로를 구성할 수 있다.

또는, 안테나 구조체(2000)가 3층 이상으로 구현되는 경우, 제6 외측 안테나 세그먼트(2620)는 같은 방법으로 다음 층에서 대응하는 내측 안테나 세그먼트와 전기적으로 연결되고, 마찬가지로 각 층에서 대응되는 안테나 세그먼트들이 전기적으로 연결될 수 있다. 결국 마지막 층의 외측 안테나 세그먼트가 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결되어 제2 폐회로를 구성할 수 있다.

제1 층 안테나(2001)의 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)가 제2 층 안테나(2002)의 제4 내측 안테나 세그먼트(2410)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322) 및 제4 내측 안테나 세그먼트의 일단(2411)이 전기적으로 연결될 수 있다.

여기서, 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322) 및 제4 내측 안테나 세그먼트의 일단(2411) 사이에는 제3 층간 용량성 소자(ILC3)가 전기적으로 개재될 수 있다. 다시 말해, 제3 외측 안테나 세그먼트(2320) 및 제4 내측 안테나 세그먼트(2410)가 제3 층간 용량성 소자(ILC3)를 통해 연결될 수 있다.

한편, 제3 내측 안테나 세그먼트의 일단(2311)이 RF 발생기(1000)의 일단에 전기적으로 연결되고, 제4 외측 안테나 세그먼트의 타단(2422)이 RF 발생기(1000)의 타단에 전기적으로 연결되는 경우, RF 발생기(1000), 제3 내측 안테나 세그먼트(2310), 제3 외측 안테나 세그먼트(2320), 제3 층간 용량성 소자(ILC3), 제4 내측 안테나 세그먼트(2410), 및 제4 외측 안테나 세그먼트(2420)가 제1 폐회로를 구성할 수 있다.

또는, 안테나 구조체(2000)가 3층 이상으로 구현되는 경우, 제4 외측 안테나 세그먼트(2420)는 같은 방법으로 다음 층의 내측 안테나 세그먼트와 전기적으로 연결되고, 마찬가지로 각 층에서 대응되는 안테나 세그먼트들이 전기적으로 연결될 수 있다. 결국 마지막 층의 외측 안테나 세그먼트가 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결되어 제3 폐회로를 구성할 수 있다.

안테나 구조체(2000)와 RF 발생기(1000) 사이에 복수의 폐회로가 형성될 수 있다. 여기서, 형성되는 폐회로의 개수는 한 턴을 구성하는 안테나 세그먼트의 개수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 상술한 바와 같이 안테나 구조체(2000)의 한 턴이 3개의 안테나 세그먼트로 구성되는 경우 안테나 구조체(2000) 및 RF 발생기(1000) 사이에는 제1 내지 제3 폐회로가 형성될 수 있고, 각 폐회로는 RF 발생기(1000)를 기준으로 서로 병렬 연결된다.

이 때, 각 폐회로를 살펴보면 내측 안테나 세그먼트, 외측 안테나 세그먼트, 용량성 소자 순서의 연결이 층 수에 따라 반복 되는 형태가 관측될 수 있다. 이것은 결국 각 폐회로에서 도 8에서 서술한 전압 분배가 이루어짐을 의미하고, 나아가 내측 안테나 세그먼트에 상대적으로 낮은 전압이 인가됨을 의미할 수 있다.

결과적으로, 층 안테나 각각의 내측 안테나 세그먼트들에 인가되는 전압이 상대적으로 낮아져 전술한 이온 소실이나 방전관(3000) 내벽의 손상 등이 방지되고 플라즈마 유도 시스템(100)의 내구성이나 효율성 및 안정성이 향상될 수 있다.

상술한 바와 같이 안테나 세그먼트들은 하나의 폐회로를 만드는 직렬 연결 방식과 복수의 폐회로를 만드는 병렬 연결 방식으로 연결될 수 있다. 직렬 연결 방식과 병렬 연결 방식에 있어서, 안테나 구조체(2000)의 총 인덕턴스 및 총 커패시턴스에 따른 공진 조건은 크게 달라지지 않으므로, 안테나 구조체(2000)에 인가되는 전력의 구동 주파수 역시 크게 달라지지 않는다. 한편, 연결 방식에 따라 RF 발생기(1000)에서 안테나 구조체(2000)를 바라볼 때의 임피던스가 변경되며, 그에 따라 동일한 전력을 안테나 구조체(2000)에 인가하더라도 안테나 구조체(2000)에 흐르는 전류량이 달라질 수 있다. 예를 들어, 안테나 구조체(2000)가 동일 층 동일 턴을 가질 때, 병렬 연결 방식의 경우 직렬 연결 방식 보다 저항 성분이 작아지므로, 동일한 입력 전압으로 높은 소비 전력을 얻고자 하는 경우 병렬 연결 방식을 채택할 수 있다.

다만, 도 9에서 서술한 것과 다르게, 안테나 구조체(2000)의 어느 한 층 안테나는 인접한 다른 층 안테나와 동위상으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참고하면 안테나 구조체(2000)가 7층으로 구성될 때, 제1 층 안테나(2001) 및 제2 층 안테나(2002)는 기준선에 대해 동일한 각도(ex. 0°)를 유지할 수 있다. 한편, 도 9에서 서술한 바와 같이 안테나 구조체(2000)에서 인접한 층 안테나가 서로 미리 설정된 회전각도만큼 틀어져서 배치되는 것도 가능하다.

[신규 디자인 - 제2 실시예]

이하에서는, 도 11을 참고하여 다른 형태의 안테나 구조체(2000)에 대해 서술한다. 이하에서 별도로 언급하지 않는 이상 도 6 내지 도 9에서 서술한 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에 관한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

도 11은 제2 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)를 나타내는 도면이다.

도 11을 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 제1 외측 안테나 세그먼트(2120), 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2110, 2120)는 내측 안테나를 구성하고, 제1 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220)는 외측 안테나를 구성할 수 있다.

제1 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210)는 각각 180°이하의 중심각을 가질 수 있다. 제1 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210) 각각의 중심각은 120°이상일 수 있다. 제1 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210)가 서로 다른 크기의 중심각을 가질 수 있음은 물론이다.

제1 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220)는 각각 180°이하의 중심각을 가질 수 있다. 제1 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220) 각각의 중심각은 120°이상일 수 있다. 제1 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220)가 서로 다른 크기의 중심각을 가질 수 있음은 물론이다.

한편, 제1 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220)의 중심각은 제1 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210)의 중심각보다 작을 수 있다. 이로써, 내측 안테나 세그먼트들의 일단 또는 그로부터 연장되는 부분, 안테나 세그먼트들을 연결하는 부분이 외측 안테나 세그먼트들과 중첩되는 것이 방지될 수 있다.

제2 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에서 안테나 세그먼트들은 다음과 같이 RF 발생기(1000)와 병렬로 연결될 수 있다.

제1 내측 안테나 세그먼트(2110)는 RF 발생기(1000) 및 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111)은 RF 발생기(1000)의 일단에 전기적으로 연결되고, 제1 내측 안테나 세그먼트의 타단(2112)은 제1 외측 안테나 세그먼트의 일단(2121)과 연결될 수 있다. 이 때, 제1 내측 안테나 세그먼트의 일단(2111) 및 RF 발생기(1000)의 일단 사이에 제1 보조 용량성 소자(SC1)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제1 외측 안테나 세그먼트(2120)는 RF 발생기(1000) 및 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 외측 안테나 세그먼트의 일단(2121)은 제1 내측 안테나 세그먼트의 타단(2112)과 연결되고, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122)은 RF 발생기(1000)의 타단에 연결될 수 있다. 이 때, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122) 및 RF 발생기(1000)의 타단 사이에 제2 용량성 소자(SC2)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제2 내측 안테나 세그먼트(2210)는 RF 발생기(1000) 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211)은 RF 발생기(1000)의 일단에 연결되고, 제2 내측 안테나 세그먼트의 타단(2212)은 제2 외측 안테나 세그먼트의 일단(2221)과 연결될 수 있다. 이 때, 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211) 및 RF 발생기(1000)의 일단 사이에 제1 보조 용량성 소자(SC1)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제2 외측 안테나 세그먼트(2220)는 RF 발생기(1000) 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)와 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 외측 안테나 세그먼트의 일단(2221)은 제2 내측 안테나 세그먼트의 타단(2212)과 연결되고, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222)은 RF 발생기(1000)의 타단에 연결될 수 있다. 이 때, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222) 및 RF 발생기(1000)의 타단 사이에 제2 보조 용량성 소자(SC2)가 전기적으로 개재될 수 있다.

이상에서는 제2 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)가 1층으로 구현되는 경우에 대해 서술하였으나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 제2 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 복수의 층 안테나를 포함할 수 있고, 각 층 안테나는 상술한 구조로 설계될 수 있다. 이 때, 각 층 안테나는 도 9 또는 도 10에서 서술한 방법으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122)은 다른 층의 내측 안테나 세그먼트들 중 어느 하나의 일단과 제1 층간 용량성 소자(ILC1)를 통해 전기적으로 연결될 수 있고, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222) 역시 다른 층의 내측 안테나 세그먼트들 중 다른 하나의 일단과 제2 층간 용량성 소자(ILC2)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

상술한 바와 같이, RF 발생기(1000), 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 및 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)가 하나의 폐회로를 구성하고, RF 발생기(1000), 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)가 다른 하나의 폐회로를 구성할 수 있다. 다시 말해, 안테나 구조체(2000) 및 RF 발생기(1000)는 병렬회로를 구성할 수 있다.

이처럼, 안테나 구조체(2000)의 턴 수가 짝수이고, 각 턴을 구성하는 안테나 세그먼트의 개수가 짝수인 경우, 안테나 구조체(2000)와 RF 발생기(1000)는 적어도 둘 이상의 폐회로를 가지도록 병렬적으로 연결될 수 있다.

이러한 병렬 연결 구조는 전술한 바와 같이 안테나 구조체(2000)의 저항 성분이 작아져 낮은 인가 전압으로도 소모 전력을 크게 가져갈 수 있다. 특히 제2 실시예의 경우 직렬 연결 방식으로 안테나 구조체(2000)를 구성할 수도 있으나 병렬 연결 방식에 특화되어 있다. 보다 구체적으로, 제2 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 각 층에서 안테나 세그먼트들이 대칭성을 가질 뿐만 아니라 모든 층에 대해서도 안테나 세그먼트들이 대칭성을 가지므로, 방전관(3000) 내 유도되는 플라즈마가 어느 한쪽으로 치우치더라도 임피던스가 안정적으로 관리될 수 있다.

나아가, 안테나 구조체(2000) 및 RF 발생기(1000)가 상술한 병렬연결 구조를 통해 전기적으로 연결되는 경우, 용량성 소자를 이용하지 않더라도 방전관(3000)에 인접한 내측 안테나에 인가되는 전압이 상대적으로 낮아질 수 있다.

예를 들어, 도 10에서 RF 발생기(1000)의 양단(P, Q)를 통해 안테나 구조체(2000)에 전압 V0를 기준으로 전압 V2를 인가하는 경우, 제1 및 제2 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210)에는 전압 V0 내지 전압 V1이 인가되고, 제1 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2210, 2220)에는 전압 V1 내지 전압 V2가 인가될 수 있다.

[신규 디자인 - 제3 실시예]

이하에서는, 도 12를 참고하여 또 다른 형태의 안테나 구조체(2000)에 대해 서술한다. 이하에서 별도로 언급하지 않는 이상 도 6 내지 도 9에서 서술한 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에 관한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

도 12는 제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)를 나타내는 도면이다.

도 12를 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 내측 안테나를 구성하는 제1 내지 제4 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310, 2410), 외측 안테나를 구성하는 제1 내지 제4 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320, 2420), 및 제1 및 제2 턴간 용량성 소자(ITC1, ITC2)를 포함할 수 있다.

제1 내지 제4 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310, 2410)는 각각 90°이하의 중심각을 가질 수 있다. 제1 내지 제4 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310, 2410) 각각의 중심각은 72°이상일 수 있다. 제1 내지 제4 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310, 2410)가 서로 다른 크기의 중심각을 가질 수 있음은 물론이다.

제1 내지 제4 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320, 2420)는 각각 90°이하의 중심각을 가질 수 있다. 제1 내지 제4 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320, 2420) 각각의 중심각은 72°이상일 수 있다. 제1 내지 제4 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320, 2420)가 서로 다른 크기의 중심각을 가질 수 있음은 물론이다.

한편, 제1 내지 제4 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320, 2420)의 중심각은 제1 내지 제4 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310, 2410)의 중심각보다 작을 수 있다. 이로써, 내측 안테나 세그먼트들의 일단 또는 그로부터 연장되는 부분, 안테나 세그먼트들을 연결하는 부분이 외측 안테나 세그먼트들과 중첩되는 것이 방지될 수 있다.

제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에서 안테나 세그먼트들은 다음과 같이 RF 발생기(1000)와 병렬로 연결될 수 있다.

제1 외측 안테나 세그먼트(2120)는 제2 내측 안테나 세그먼트(2210)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122)은 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제1 외측 안테나 세그먼트의 타단(2122) 및 제2 내측 안테나 세그먼트의 일단(2211) 사이에 제1 턴간 용량성 소자(ITC1)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제2 내측 안테나 세그먼트(2210)는 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 내측 안테나 세그먼트의 타단(2212)은 제2 외측 안테나 세그먼트의 일단(2221)과 연결될 수 있다.

제2 외측 안테나 세그먼트(2220)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222)은 RF 발생기(1000)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222) 및 RF 발생기(1000)의 타단 사이에 제2 보조 용량성 소자(SC2)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제3 내측 안테나 세그먼트(2310)는 RF 발생기(1000) 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제3 내측 안테나 세그먼트의 일단(2311)은 RF 발생기(1000)의 일단에 전기적으로 연결되고, 제3 내측 안테나 세그먼트의 타단(2312)은 제3 외측 안테나 세그먼트의 일단(2321)과 연결될 수 있다. 이 때, 제3 내측 안테나 세그먼트의 일단(2311) 및 RF 발생기(1000)의 일단 사이에 제1 보조 용량성 소자(SC1)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제3 외측 안테나 세그먼트(2320)는 제4 내측 안테나 세그먼트(2410)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322)은 제4 내측 안테나 세그먼트의 일단(2411)과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제3 외측 안테나 세그먼트의 타단(2322) 및 제4 내측 안테나 세그먼트의 일단(2411) 사이에 제2 턴간 용량성 소자(ITC2)가 전기적으로 개재될 수 있다.

제4 내측 안테나 세그먼트(2410)는 제4 외측 안테나 세그먼트(2420)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제4 내측 안테나 세그먼트의 타단(2412)은 제4 외측 안테나 세그먼트의 일단(2421)과 연결될 수 있다.

제4 외측 안테나 세그먼트(2420)는 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 제4 외측 안테나 세그먼트의 타단(2422)은 RF 발생기(1000)의 타단과 전기적으로 연결될 수 있다. 이 때, 제4 외측 안테나 세그먼트의 타단(2422) 및 RF 발생기(1000)의 타단 사이에 제2 보조 용량성 소자(SC2)가 전기적으로 개재될 수 있다.

이상에서는 제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)가 1층으로 구현되는 경우에 대해 서술하였으나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 복수의 층 안테나를 포함할 수 있고, 각 층 안테나는 상술한 구조로 설계될 수 있다. 이 때, 각 층 안테나는 도 9 또는 도 10에서 서술한 방법으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 외측 안테나 세그먼트의 타단(2222)은 다른 층의 내측 안테나 세그먼트들 중 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)와 동위상을 가지는 안테나 세그먼트의 일단과 제1 층간 용량성 소자(ILC1)를 통해 전기적으로 연결될 수 있고, 제4 외측 안테나 세그먼트의 타단(2422) 역시 다른 층의 안테나 세그먼트들 중 제3 내측 안테나 세그먼트(2310)와 동위상을 가지는 안테나 세그먼트의 일단과 제2 층간 용량성 소자(ILC2)를 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

상술한 바와 같이, RF 발생기(1000), 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제1 외측 안테나 세그먼트(2120), 제1 턴간 용량성 소자(ITC1), 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 및 제2 외측 안테나 세그먼트(2220)가 하나의 폐회로를 구성하고, RF 발생기(1000), 제3 내측 안테나 세그먼트(2310), 제3 외측 안테나 세그먼트(2320), 제2 턴간 용량성 소자(ITC2), 제4 내측 안테나 세그먼트(2410), 및 제4 외측 안테나 세그먼트(2420)가 다른 하나의 폐회로를 구성할 수 있다.

제2 실시예에서 서술한 바와 같이, 제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)가 한 층에서 두 턴을 가지고, 네 개의 안테나 세그먼트가 각 턴을 구성하는 바, 안테나 구조체(2000)와 RF 발생기(1000)는 적어도 두 개의 폐회로를 가지도록 병렬적으로 연결될 수 있다.

한편, 제2 실시예와 다르게, 제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 턴간 용량성 소자를 포함하므로, 각 안테나 세그먼트, 특히 내측 안테나를 구성하는 제1 내지 제4 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310, 2410)에 인가되는 전압의 크기가 제2 실시예에서 보다 낮아질 수 있다. 다만, 제3 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 턴간 용량성 소자를 추가적으로 포함하는 만큼 제2 실시예에서 보다 설계가 복잡해질 수 있다.

이상에서는 안테나 구조체(2000)가 적어도 하나 이상의 층 안테나를 포함하되, 각 층 안테나는 2턴으로 구성되고, 각 턴이 2 내지 4개의 안테나 세그먼트를 포함하는 경우에 대해 주로 서술하였다. 다만, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니며, 안테나 구조체(2000)의 한 층은 3턴 이상으로도 구성될 수도 있으며, 각 턴이 5개 이상의 안테나 세그먼트를 포함하는 것도 가능하다.

[신규 디자인 - 제4 실시예]

이하에서는, 도 13을 참고하여 방전관(3000)에 형성되는 또 다른 형태의 안테나 구조체(2000)에 대해 서술한다. 이하에서 별도로 언급하지 않는 이상 도 6 내지 도 9에서 서술한 제1 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에 관한 내용이 동일하게 적용될 수 있다.

도 13은 제4 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)를 나타내는 도면이다. 제4 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 각 층에서 안테나 세그먼트들이 3개의 턴 안테나를 구성할 수 있다. 구체적으로, 내측 안테나 세그먼트들 및 외측 안테나 세그먼트들 사이에 중간 안테나 세그먼트들이 배치될 수 있다.

도 13을 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 제3 내측 안테나 세그먼트(2310), 제1 중간 안테나 세그먼트(2130), 제2 중간 안테나 세그먼트(2230), 제3 중간 안테나 세그먼트(2330), 제1 외측 안테나 세그먼트(2120), 제2 외측 안테나 세그먼트(2220), 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)을 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 내측 안테나 세그먼트(2110, 2210, 2310)는 내측 안테나를 구성하고, 제1 내지 제3 중간 안테나 세그먼트(2130, 2230, 2330)는 중간 안테나를 구성하고, 제1 내지 제3 외측 안테나 세그먼트(2120, 2220, 2320)는 외측 안테나를 구성할 수 있다.

제4 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)에서 안테나 세그먼트들은 다음과 같이 RF 발생기(1000)에 병렬로 연결될 수 있다.제1 내측 안테나 세그먼트(2110), 제1 중간 안테나 세그먼트(2130), 및 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)가 직렬로 연결되어 RF 발생기(1000) 양단에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 내측 안테나 세그먼트(2210), 제2 중간 안테나 세그먼트(2230), 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2220)가 직렬로 연결되어 RF 발생기(1000) 양단에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제3 내측 안테나 세그먼트(2310), 제3 중간 안테나 세그먼트(2330), 및 제3 외측 안테나 세그먼트(2320)가 직렬로 연결되어 RF 발생기(1000) 양단에 전기적으로 연결될 수 있다.

제4 실시예에 따른 안테나 구조체(2000)는 한 층 또는 복수의 층으로 구성될 수 있다.

[안테나 구조체 형상]

이하에서는 도 14 및 도 15를 참고하여 단위 안테나들(4100, 4200, 4300)을 이용하여 안테나 구조체(2000)를 구성하는 방법에 대해 서술한다. 이하에서는 안테나 구조체(2000)가 도 6에 도시된 바와 같이 2턴으로 구성되고 각 턴이 3개의 안테나 세그먼트를 포함하는 형상인 것을 전제로 서술한다.

도 14는 일 실시예에 따른 단위 안테나를 나타내는 도면이다.

도 14를 참고하면, 제1 단위 안테나(4100)는 제1 연결부분(4110), 제1 아크부분(4120), 제1 아크연결부분(4130), 제2 아크부분(4140), 및 제2 연결부분(4150)을 포함할 수 있다.

제1 단위 안테나(4100)는 상술한 구성들이 일체로 구성되어 구현될 수 있다. 또는, 제1 단위 안테나(4100)는 상술한 구성들이 상호 연결부재를 포함하여, 상호 조립되어 구성될 수도 있다.

도 14에 도시된 바와 같이 제1 연결부분(4110), 제1 아크부분(4120), 제1 아크연결부분(4130), 제2 아크부분(4140), 및 제2 연결부분(4150)은 반시계 방향으로 배치될 수 있다. 상술한 구성이 시계 방향으로 배치될 수 있음은 물론이다.

제1 연결부분(4110)은 제1 단위 안테나(4100)가 외부 구성과 전기적으로 연결되기 위한 부분을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 연결부분(4110)은 RF 발생기(1000), 같은 층 내 다른 단위 안테나, 또는 다른 층 안테나의 단위 안테나들 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 연결부분(4110)의 적어도 일부는 제1 단위 안테나(4100)의 다른 구성들과 동일 평면 상에 위치하지 않을 수 있다. 제1 연결부분(4110)의 적어도 일부는 구부러질 수 있다. 예를 들어, 도 14의 (a)를 참고하면 xyz 공간에서 제1 아크부분(4120) 및 제1 아크연결부분(4130)이 xy평면에 위치할 때, 제1 연결부분(4110)의 적어도 일부가 구부러져(bending) 제1 연결부분(4110)의 일단이 xy 평면으로부터 z축 방향 이격된 평면 상에 위치할 수 있다. 상술한 바와 같이 제1 연결부분(4110)이 구부러짐으로써 같은 층 내 다른 단위 안테나(ex. 다른 단위 안테나의 아크연결부분)와 충돌하는 것이 방지될 수 있다. 한편, 제1 연결부분(4110)이 구부러지는 부분을 포함하지 않고 xy 평면 상에 위치하고, 다른 단위 안테나의 일부분이 구부러진 형상을 가질 수도 있다.

제1 아크부분(4120)은 방전관(3000)의 적어도 일부를 감싸고 전압 또는 전류를 인가 받아 방전관(3000) 내부에 전기장 또는 자기장을 형성하는 부분을 의미할 수 있다.

제1 아크부분(4120)은 도 6에 도시된 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)에 대응되는 부분으로 이해될 수 있는 바, 제1 내측 안테나 세그먼트(2110)에 관한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

구체적으로, 제1 아크부분(4120)은 제1 곡률반경을 가지고, 제1 곡률반경은 방전관(3000)의 외경에 기초하여 설계될 수 있다.

또한, 제1 아크부분(4120)의 중심각은 120°이하 및/또는 90°이상으로 설계될 수 있다.

제1 아크연결부분(4130)은 제1 아크부분(4120) 및 제2 아크부분(4140)이 연결되는 부분을 의미할 수 있다. 제1 아크연결부분(4130)은 도 7에서 서술한 제1 연결부에 대응되는 구성으로 이해될 수 있다.

제1 아크연결부분(4130)은 U자 형상으로 구현될 수 있다. 다만, 제1 아크연결부분(4130)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 아크부분(4120) 및 제2 아크부분(4140)을 연결할 수 있는 형상이면 족하다.

제1 아크연결부분(4130)은 후술하는 바와 같이 다른 단위 안테나의 연결부분과 충돌하지 않도록 설계될 수 있다.

제2 아크부분(4140)은 호 형상을 가지고 제1 아크부분(4120)과 마찬가지로 전압 또는 전류를 인가 받아 방전관(3000) 내부에 전기장 또는 자기장을 형성하는 부분을 의미할 수 있다.

제2 아크부분(4140)은 외측 안테나의 일부를 형성하는 구성으로, 제1 아크부분(4120) 보다 큰 곡률 반경을 가질 수 있다.

제2 아크부분(4140)은 도 6에 도시된 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)에 대응되는 부분으로 이해될 수 있는 바, 제1 외측 안테나 세그먼트(2120)에 관한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

구체적으로, 제2 아크부분(4140)은 제2 곡률반경을 가지고, 제2 곡률반경은 제1 곡률 반경을 고려하여 설계될 수 있다. 예를 들어, 제2 곡률 반경은 제1 곡률 반경보다 미리 설정된 크기만큼 크게 설정될 수 있다. 또는, 제2 곡률 반경은 후술하는 제3 단위 안테나(4300)의 제5 아크부분(4320)과 미리 설정된 거리만큼 이격되도록 설계될 수 있다.

또한, 제2 아크부분(4140)의 중심각은 120°이하 및/또는 90°이상으로 설계될 수 있다.

제2 연결부분(4150)은 제1 단위 안테나(4100)가 외부 구성과 전기적으로 연결되기 위한 부분을 의미할 수 있다. 예를 들어, 제2 연결부분(4150)은 RF 발생기(1000), 같은 층 내 다른 단위 안테나, 또는 다른 층 안테나의 단위 안테나들 중 어느 하나와 전기적으로 연결될 수 있다.

제2 연결부분(4150)은 제1 아크부분(4120) 및 제2 아크부분(4140)과 동일 평면 상에 위치할 수 있다.

또는, 제2 연결부분(4150)은 전술한 제1 연결부분(4110)과 같이 구부러진 형상을 포함할 수도 있다.

이 때, 제1 연결부분(4110) 및 제2 연결부분(4150) 중 적어도 하나는 구부러진 형상을 포함할 수 있다. 이는, 후술하는 바와 같이 제1 연결부분(4110) 및 제2 연결부분(4150)이 다른 단위 안테나의 아크연결부분과 충돌하지 않기 위함이다.

도 15는 일 실시예에 따른 단위 안테나들로 구성된 안테나 구조체(2000)를 나타내는 도면이다.

도 15를 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 제1 연결부분(4110), 제1 아크부분(4120), 제1 아크연결부분(4130), 제2 아크부분(4140), 및 제2 연결부분(4150)을 포함하는 제1 단위 안테나(4100), 제3 연결부분(4210), 제3 아크부분(4220), 제2 아크연결부분(4230), 제4 아크부분(4240), 및 제4 연결부분(4250)을 포함하는 제2 단위 안테나(4200), 및 제5 연결부분(4310), 제5 아크부분(4320), 제3 아크연결부분(4330), 제6 아크부분(4340), 및 제6 연결부분(4350)을 포함하는 제3 단위 안테나(4300)를 포함할 수 있다.

도 15에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)는 실질적으로 동일한 형상을 가질 수 있다. 따라서, 제2 및 제3 단위 안테나(4200, 4300)의 각 구성은 제1 단위 안테나(4100)의 각 구성에 대응되며 그 내용이 중복되는 바 생략하도록 한다.

제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)는 각 단위 안테나의 아크부분들이 내측 턴 또는 외측 턴을 구성하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 15에 도시된 바와 같이 제1 단위 안테나(4100)의 제1 아크부분(4120), 제2 단위 안테나(4200)의 제3 아크부분(4220), 및 제3 단위 안테나(4300)의 제5 아크부분(4320)은 내측 턴을 구성하고, 제1 단위 안테나(4100)의 제2 아크부분(4140), 제2 단위 안테나(4200)의 제4 아크부분(4240), 및 제3 단위 안테나(4300)의 제6 아크부분(4340)은 외측 턴을 구성할 수 있다.

제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)는 미리 설정된 각도만큼 회전되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 단위 안테나(4200)는 제1 단위 안테나(4100)로부터 약 120°만큼 회전되어 배치되고, 제3 단위 안테나(4300)는 제2 단위 안테나(4200)로부터 약 120°만큼 회전되어 배치될 수 있다.

이 때, 제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300) 중 서로 인접한 단위 안테나 각각의 아크연결부분이 안테나 구조체(2000)의 중심 또는 방전관(3000)의 중심점에 대해 형성하는 각도가 특정될 수 있다.

여기서, 단위 안테나들이 서로 인접하다는 것은 어떤 두 단위 안테나 각각의 아크연결부분이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 가까운 경우를 의미할 수 있다. 또는, 단위 안테나들이 서로 인접하다는 것은 각 단위 안테나에서 내측 턴을 구성하는 아크부분이 서로 인접한 경우, 또는 각 단위 안테나에서 외측 턴을 구성하는 아크부분이 서로 인접한 경우를 의미할 수 있다.

일 예로, 도 15에서 제1 단위 안테나(4100)는 제2 단위 안테나(4200) 및 제3 단위 안테나(4300)와 모두 인접하다고 볼 수 있고, 이 때 제1 단위 안테나(4100)의 제1 아크연결부분(4130)과 방전관(3000)의 중심을 잇는 가상의 선과 제2 단위 안테나(4200)의 제2 아크연결부분(4230) 또는 제3 단위 안테나(4300)의 제3 아크연결부분(4330)을 잇는 가상의 선이 이루는 각도는 약 120°일 수 있다.

나아가, 안테나 구조체(2000)가 복수의 단위 안테나들, 예를 들어 제1 내지 제a 단위 안테나로 구성될 때(a는 2 이상의 자연수), 서로 인접한 제b 단위 안테나와 제b+1 단위 안테나에 있어서(b는 a 보다 작은 자연수) 제b 단위 안테나의 아크연결부분과 방전관(3000)의 중심을 잇는 가상의 제1 선과 제b+1 단위 안테나의 아크연결부분과 방전관(3000)의 중심을 잇는 가상의 제2 선이 이루는 각도는 약 360/a°일 수 있다.

제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)이 상술한 바와 같이 회전되어 배치되는 과정에서 단위 안테나들 사이에 충돌하는 부분이 없도록 각 단위 안테나의 형상이 설계될 수 있다. 여기서, 도 15에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)가 xy 평면을 3등분한 제1 내지 제3 기준선을 기준으로 배치된다고 가정한다. 또 여기서, 설명의 편의를 위해 제1 단위 안테나(4100)를 중심으로 서술하나, 제2 단위 안테나(4200) 및 제3 단위 안테나(4300)에 대해서도 마찬가지로 적용될 수 있음을 미리 밝혀 둔다.

일 예로, 제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)는, 어느 한 단위 안테나의 연결부분이 다른 한 단위 안테나의 아크연결부분과 충돌하지 않도록 설계될 수 있다. 구체적으로, 제1 단위 안테나(4100)의 제1 연결부분(4110)과 제2 단위 안테나(4200)의 제2 아크연결부분(4230)이 서로 충돌하지 않도록 제1 연결부분(4110) 및 제2 아크연결부분(4230) 중 어느 하나는 구부러진 부분을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 15의 (a)에 도시된 바와 같이 제2 아크연결부분(4230)은 xy 평면 상에 위치하고, 제1 연결부분(4110)의 적어도 일부는 구부러지도록 설계될 수 있다. 반대로, 제1 연결부분(4110)은 xy 평면 상에 위치하고, 제2 아크연결부분(4230)은 구부러지도록 설계될 수도 있다. 또한, 제1 단위 안테나(4100)의 제1 연결부분(4110)과 제2 단위 안테나(4200)의 제2 아크연결부분(4230)이 xy 평면에서 서로 충돌하지 않도록 제1 연결부분(4110)이 제1 기준선으로부터 미리 설정된 거리 만큼 이격되도록 설계될 수 있다.

다른 예로, 제1 단위 안테나(4100)의 제1 아크연결부분(4130)과 제3 단위 안테나(4300)의 제6 연결부분(4250)이 서로 충돌하지 않도록 설계될 수 있다. 구체적으로, 도 15의 (b)를 참고하면 제6 연결부분(4250)은 제2 기준선으로부터 미리 설정된 거리만큼 이격되어 제1 아크연결부분(4130)과 충돌하지 않도록 설계될 수 있다.

이하에서는 도 16을 참고하여 두 개의 단위 안테나들을 이용하여 안테나 구조체(2000)를 구성하는 다른 방법에 대해 서술한다. 이하에서는 안테나 구조체(2000)가 도 11에 도시된 바와 같이 2턴으로 구성되고 각 턴이 2개의 안테나 세그먼트를 포함하는 형상인 것을 전제로 서술한다. 따라서, 안테나 세그먼트들 사이의 연결 관계에 대해서는 도 11에서 서술한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

도 16은 일 실시예에 따른 단위 안테나(도 16의 (a)) 및 단위 안테나들(4100, 4200)로 구성된 안테나 구조체(2000)(도 16의 (b))를 나타내는 도면이다.

도 16의 (a)를 참고하면, 제1 단위 안테나(4100)는 제1 연결부분(4110), 제1 아크부분(4120), 제1 아크연결부분(4130), 제2 아크부분(4140), 및 제2 연결부분(4150)을 포함할 수 있다.

여기서, 도 16의 (a)에 도시된 제1 단위 안테나(4100)는 도 14에 도시된 제1 단위 안테나(4100)와 구성들 및 그 구성들 각각의 역할은 동일하나, 구성들 각각의 형상이 다른 것으로 이해될 수 있다.

구체적으로, 도 16의 (a)에서 제1 및 제2 아크부분(4120, 4140)의 중심각은 180°이하 및/또는 120°이상으로 설계될 수 있다.

도 16의 (b)를 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 제1 연결부분(4110), 제1 아크부분(4120), 제1 아크연결부분(4130), 제2 아크부분(4140), 및 제2 연결부분(4150)을 포함하는 제1 단위 안테나(4100) 및 제3 연결부분(4210), 제3 아크부분(4220), 제2 아크연결부분(4230), 제4 아크부분(4240), 및 제4 연결부분(4250)을 포함하는 제2 단위 안테나(4200)를 포함할 수 있다.

도 16의 (b)에서, 제1 단위 안테나(4100) 및 제2 단위 안테나(4200)는 서로 직렬 연결되지 않을 수 있다. 구체적으로, 제1 단위 안테나(4100)의 제1 연결부분(4110)이 RF 발생기(1000)와 전기적으로 연결될 때, 제1 단위 안테나(4100)의 제2 연결부분(4150)은 다른 층의 단위 안테나와 용량성 소자를 통해 연결되거나, RF 발생기(1000)에 전기적으로 연결될 수 있다. 마찬가지로, 제2 단위 안테나(4200)의 제3 연결부분(4250)은 다른 층의 단위 안테나와 용량성 소자를 통해 연결되거나, RF 발생기(1000)에 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 단위 안테나(4100) 및 제2 단위 안테나(4200)는 RF 발생기(1000)에 대해 서로 병렬로 연결될 수 있다. 또는, 제1 단위 안테나(4100) 및 제2 단위 안테나(4200)는 서로 다른 RF 발생기(1000)이 연결될 수 있다.

이하에서는 도 17 및 도 18을 참고하여 3개의 단위 안테나들을 이용하여 3턴을 가지는 안테나 구조체(2000)를 구성하는 다른 방법에 대해 서술한다. 이하에서는 안테나 구조체(2000)가 도 13에 도시된 바와 같이 3턴으로 구성되고 각 턴이 3개의 안테나 세그먼트를 포함하는 형상인 것을 전제로 서술한다. 따라서, 안테나 세그먼트들 사이의 연결 관계에 대해서는 도 13에서 서술한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

도 17은 일 실시예에 따른 단위 안테나를 나타내는 도면이고, 도 18은 일 실시예에 따른 단위 안테나들로 구성된 안테나 구조체(2000)를 나타내는 도면이다.

도 17에 도시된 제1 단위 안테나(4100)는 도 14에서 도시된 제1 단위 안테나(4100)에서 제1 추가 아크부분(4170) 및 제1 추가 아크연결부분(4160)을 더 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 도 14에서 서술한 내용이 적용되되, 단위 안테나의 부분들 사이의 연결관계가 변경될 수 있다.

구체적으로, 제1 단위 안테나(4100)는 제1 연결부분(4110), 제1 아크부분(4120), 제1 아크연결부분(4130), 제2 아크부분(4140), 제1 추가 아크연결부분(4160), 제1 추가 아크부분(4170), 및 제2 연결부분(4150)을 포함할 수 있다.

여기서, 제1 아크부분(4120)은 내측 안테나의 일부를 구성하고, 제2 아크 부분(4140)은 중간 안테나의 일부를 구성하며, 제1 추가 아크부분(4170)은 외측 안테나의 일부를 구성할 수 있다. 다시 말해, 제1 추가 아크부분(4170)은 제1 아크부분(4120)의 제1 곡률반경이나 제2 아크부분(4140)의 제2 곡률반경 보다 큰 제3 곡률반경을 가질 수 있다.

또 여기서, 도 14에 도시된 바와 다르게, 제2 아크부분(4140)은 제1 아크연결부분(4130) 및 제1 추가 아크연결부분(4160)과 연결될 수 있다. 또한, 도 14에 도시된 바와 다르게, 제2 연결부분(4150)은 제1 추가 아크부분(4170)과 연결될 수 있다.

도 18을 참고하면, 안테나 구조체(2000)는 3개의 단위 안테나들로 구성될 수 있다. 이 때, 각 단위 안테나는 도 17에서 서술한 제1 단위 안테나(4100)에 대한 설명이 그대로 적용될 수 있다. 또한, 도 18에서 단위 안테나들 사이의 연결관계는 도 13에서 서술한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

[커패시터 모듈]

이하에서는, 도 19 및 도 20을 참고하여 용량성 소자 역할을 수행하는 커패시터 모듈(5000)에 대해 서술하고, 나아가 커패시터 모듈(5000)이 단위 안테나들에 연결되는 방법에 대해 서술한다.

도 19는 일 실시예에 따른 커패시터 모듈(5000)을 나타내는 도면이다.

도 19를 참고하면, 커패시터 모듈(5000)은 적어도 하나의 커패시터 그룹(5100), 몸체(5200), 방열부(5300), 및 버스바(bus bar)(5400)를 포함할 수 있다.

커패시터 모듈(5000)은 전술한 턴간 용량성 소자 또는 층간 용량성 소자 역할을 수행하기 위한 것으로, 안테나 구조체(2000) 내의 안테나 세그먼트들 사이에 배치되어 전압상승 또는 전압강하를 위한 수단으로 이해될 수 있다.

커패시터 모듈(5000)은 몸체(5200)에 적어도 하나의 커패시터 그룹(5100)이 탑재되고, 방열부(5300) 및 버스바(5400)가 조립되는 형태로 구현될 수 있다.

커패시터 그룹(5100)은 적어도 하나의 커패시터를 포함하며, 커패시터는 전기 에너지를 축적하는 소자로, 다양한 종류의 커패시터(ex. 전해 커패시터, 탄탈 커패시터, 고유전율 커패시터, 마일러 커패시터, 세라믹 커패시터, 적층 세라믹 커패시터 등)가 이용될 수 있다.

몸체(5200)는 커패시터 그룹(5100)이 탑재되는 기판을 포함할 수 있다.

몸체(5200)는 방열부(5300) 및 버스바(5400)가 결합되기 위한 구조로 설계될 수 있다.

방열부(5300)는 커패시터 모듈(5000)에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있다. 방열부(5300)는 복수의 방열핀을 포함할 수 있다.

버스바(5400)는 커패시터 모듈(5000)과 안테나 구조체(2000)의 단위 안테나들이 전기적으로 연결되기 위한 부재로 이용될 수 있다.

한편, 커패시터 모듈(5000)의 커패시터 그룹(5100)은 전기적으로 단위 안테나들 사이에 배치되어야 하는데, 커패시터 그룹(5100)의 크기가 단위 안테나들 사이에 물리적으로 위치할 수 있을 만큼 작지 않을 수 있다. 따라서, 커패시터 그룹(5100)은 단위 안테나들로부터 일정 거리 이격되어 위치해야 하고, 커패시터 그룹(5100)과 단위 안테나(4000)가 전기적으로 연결되도록 버스바(5400)는 아래의 형상을 가질 필요가 있다.

도 19의 (b)를 참고하면, 버스바(5400)는 제1 부분(5410), 제2 부분(5420), 제3 부분(5430), 및 제4 부분(5440)으로 구분될 수 있다.

제1 부분(5410)은 버스바(5400) 중 커패시터 그룹(5100)에 연결되는 부분을 의미할 수 있다. 제1 부분(5410)은 커패시터 그룹(5100)에 고정되기 위한 제1 고정 홀을 포함하고, 제1 고정 홀 및 제1 고정 핀(또는 제1 고정 나사)을 통해 몸체(5200)에 결합될 수 있다.

제4 부분(5440)은 버스바(5400) 중 단위 안테나(4000)에 연결되는 부분을 의미할 수 있다. 제4 부분(5440)은 단위 안테나(4000)에 고정되기 위한 제2 고정 홀을 포함하고, 제2 고정 홀 및 제2 고정 핀(또는 제2 고정 나사)을 통해 단위 안테나들 중 어느 하나에 결합될 수 있다.

제2 부분(5420) 및 제3 부분(5430)은 제1 부분(5410)과 제4 부분(5440)을 연결해주기 위한 부분으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 제2 부분(5420)은 제1 부분(5410)으로부터 연장되고 제3 부분(5430)은 제4 부분(5440)으로부터 연장되며, 제2 부분(5420) 및 제3 부분(5430)이 결합되어 결과적으로 커패시터 그룹(5100)이 버스바(5400)를 통해 단위 안테나(4000)와 전기적으로 연결될 수 있다.

제1 부분(5410) 및 제2 부분(5420)은 일체로 형성될 수 있다. 제1 부분(5410) 및 제2 부분(5420) 사이가 미리 설정된 각도(ex. 90°)가 되도록 제2 부분(5420)이 제1 부분(5410)으로부터 구부러질 수 있다. 여기서, 미리 설정된 각도는 필요에 따라 변할 수 있다.

제3 부분(5430) 및 제4 부분(5440)은 일체로 형성될 수 있다. 제3 부분(5430) 및 제4 부분(5440) 사이가 미리 설정된 각도(ex. 90°)가 되도록 제4 부분(5440)이 제3 부분(5430)으로부터 구부러질 수 있다. 여기서, 미리 설정된 각도는 필요에 따라 변할 수 있다.

제2 부분(5420) 및 제3 부분(5430)은 각각 고정 홀을 포함하고, 고정 핀(또는 고정 나사)를 통해 결합될 수 있다. 여기서, 별도의 고정부재가 이용될 수 있으며, 고정부재는 커패시터 모듈(5000)을 지지하는 수단으로 이용될 수 있다.

[커패시터 모듈과 단위 안테나 결합]

도 20을 참고하면 안테나 구조체(2000)는 제1 내지 제3 단위 안테나(4100, 4200, 4300)을 포함하고, 제1 내지 제3 커패시터 모듈(5001, 5002, 5003)을 더 포함할 수 있다.

제1 커패시터 모듈(5001)은 제1 단위 안테나(4100) 및 제2 단위 안테나(4200) 사이에 전기적으로 개재될 수 있다. 구체적으로, 제1 커패시터 모듈(5001)의 제1 버스바는 제1 단위 안테나(4100)의 제2 연결부(4150)와 연결되고, 제1 커패시터 모듈(5001)의 제2 버스바는 제2 단위 안테나(4200)의 제3 연결부(4210)와 연결될 수 있다.

제2 커패시터 모듈(5002)은 제2 단위 안테나(4200) 및 제3 단위 안테나(4300) 사이에 전기적으로 개재될 수 있다. 구체적으로, 제2 커패시터 모듈(5002)의 제1 버스바는 제2 단위 안테나(4200)의 제4 연결부(4250)와 연결되고, 제2 커패시터 모듈(5002)의 제2 버스바는 제3 단위 안테나(4300)의 제5 연결부(4310)와 연결될 수 있다.

제3 커패시터 모듈(5003)은 제3 단위 안테나(4300) 및 다른 층의 단위 안테나 사이에 전기적으로 개재될 수 있다. 구체적으로, 제3 커패시터 모듈(5003)의 제1 버스바는 제3 단위 안테나(4300)의 제6 연결부(4350)와 연결되고, 제3 커패시터 모듈(5003)의 제2 버스바는 다른 층의 단위 안테나의 연결부와 연결될 수 있다.

한편, 안테나 구조체(2000)가 한 층으로 구성되는 경우, 제3 커패시터 모듈(5003)은 생략될 수 있다.

[가스 개질 시스템]

이하에서는, 도 21을 참고하여 플라즈마 유도 시스템(100)을 이용하는 가스 개질 시스템(10)에 대해 서술한다.

도 21은 일 실시예에 따른 가스 개질 시스템(10)을 나타내는 도면이다. 도 21을 참고하면, 가스 개질 시스템(10)은 전처리부(200), 플라즈마 유도 시스템(100), 및 후처리부(300)를 포함할 수 있다.

한편, 도 21에 도시되진 않았으나, 가스 개질 시스템(10)은 전처리부(200), 플라즈마 유도 시스템(100), 및 후처리부(300)를 제어하기 위한 중앙 제어부를 더 포함할 수 있다. 중앙 제어부는 전처리부(200)를 제어하는 제1 제어기, 플라즈마 유도 시스템(100)을 제어하는 제2 제어기, 및 후처리부(300)를 제어하는 제3 제어기를 제어할 수 있다.

가스 개질(gas reforming)이란, 기존 가스를 다른 종류의 가스로 변환시키는 것을 의미하며, 촉매 기반 개질, 열 에너지 기반 개질, 플라즈마 기반 개질 등 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 본 개시에서 서술하는 가스 개질은 공급되는 가스를 플라즈마를 이용하여 다른 종류의 가스로 변환하는 공정인 것으로 서술하나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

개질의 대상이 되는 원료 가스(feed gas)는 가스 개질 시스템(10)을 필요로 하는 곳에서 처리하고자 하는 가스를 의미할 수 있다. 또는, 원료 가스는 특정 방법으로 포집한 일정량의 가스를 의미할 수 있다.

원료 가스는 발생원인에 따라 바이오 가스(bio gas), 매립지 가스(LFG: Land Fill Gas), 천연 가스(natural gas), 또는 메탄 가스(methane gas) 등으로 구분될 수 있다. 개질 대상 가스는 그 종류에 따라 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 산소(O2), 질소(N2) 등을 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 원료 가스가 적어도 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 경우로 서술하나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

원료 가스가 개질되면 합성 가스(synthesis gas)가 생성될 수 있다. 합성 가스는 수소와 일산화탄소의 혼합 기체로, 다양한 화학제품의 원료 뿐만 아니라 전기 발전 등의 에너지원이 될 수 있다. 보다 구체적으로, 합성 가스에 대해 어떤 후처리 공정을 수행하는지에 따라 최종적으로 생산되는 최종 생산물이 달라질 수 있다.

본 개시에서, 가스 개질 시스템(10)을 통해 획득하고자 하는 최종 생산물은 고순도 수소, 메탄올, 항공유, 윤활기유(base oil), 바이오납사(bio-naphtha), 바이오디젤(bio-diesel), 카본 블랙(carbon black), 그래핀(graphene), 탄소나노튜브(carbon nanotube), 암모니아, 또는 일산화탄소 등을 의미할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

본 개시에서 서술하는 가스 개질 시스템(10)은 전처리 공정, 개질 공정, 및 후처리 공정을 수행하며, 각각 전처리부(200), 츨라즈마 유도 시스템(100), 및 후처리부(300)에서 수행된다. 이하에서 언급한 구성들과 각 공정에 대해 서술하도록 한다.

먼저, 가스 개질에 앞서, 전처리부(200)에 의해 원료 가스에 대한 전처리 공정이 수행될 수 있다.

전처리 공정은 가스 개질이 보다 효율적으로 수행되기 위한 공정으로, 가스 개질에 의해 생성되는 합성 가스의 생산량 또는 합성 가스의 조성비, 에너지 전환 효율 등을 고려하여 수행될 수 있다.

일 예로, 전처리부(200)에서는 원료 가스에 대한 탈황 공정 및 가스 분리 공정이 수행될 수 있다.

이하에서는 도 22를 참고하여 전처리부(200)의 구조와 기능에 대해 서술한다.

도 22는 일 실시예에 따른 전처리부(200)를 나타내는 도면이다. 도 22를 참고하면, 전처리부(200)는 탈황 모듈(210), 전처리 가스 분리 모듈(220), 제1 가스 분리 관(231), 및 제2 가스 분리 관(232)을 포함할 수 있다.

탈황 모듈(210)은 원료 가스에 대해 탈황 공정을 수행할 수 있다. 탈황 공정은 원료 가스를 플라즈마 유도 시스템(100)의 방전관(3000)에 투입하기에 앞서 불필요한 성분들을 걸러내는 공정 중 하나로 이해될 수 있다.

구체적으로, 원료 가스가 바이오 가스인 경우, 황화수소, 할로겐화물, 및 규소 함유화합물 등의 성분을 포함할 수 있다. 이러한 성분들은 개질 과정에서 부식성 산을 형성하여 방전관(3000)이나 후처리부(300)의 내구도를 손상시킬 수 있으므로, 원료 가스로부터 제거될 필요가 있다.

탈황 모듈(210)은 원료 가스를 공급 받아 황화수소를 제거할 수 있다. 탈황 모듈(210)에서 황화수소를 제거하는 공정은 건식, 습식, 생물학적 공정으로 분류될 수 있다. 예를 들어, 탈황 모듈(210)은 철, 아연, 구리 등의 금속산화물 및 활성탄과 같은 흡착제를 이용하여 물리/화학적 흡착에 의해 황화수소를 제거하는 건식 탈황 공정을 수행할 수 있다. 다른 예를 들어, 탈황 모듈(210)은 원료 가스를 특정 온도 및 특정 압력에서 액체와 접촉하게 하여 황화수소를 용해시키는 습식 탈황 공정을 수행할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 탈황 모듈(210)은 미생물의 대사작용을 이용하여 황화수소를 산화/분해하여 제거하는 생물학적 탈황 공정을 수행할 수 있다.

탈황 모듈(210)은 전처리 가스 분리 모듈(220)과 유체적으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 탈황 모듈(210)의 아웃렛(outlet)은 전처리 가스 분리 모듈(220)의 인렛(inlet)과 유체적으로 연결되어, 탈황 모듈(210)에서 탈황 공정을 거친 가스가 전처리 가스 분리 모듈(220)로 이동할 수 있다.

전처리부(200)는 탈황 모듈(210)에 더하여 특정 성분을 제거하기 위한 모듈을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 전처리부(200)는 원료 가스가 매립지 가스인 경우 수분을 제거하기 위한 제습 모듈을 더 포함할 수 있다.

전처리 가스 분리 모듈(220)은 공급된 가스를 복수의 서브 피드 스트림으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 전처리 가스 분리 모듈(220)은 공급된 피드 스트림을 제1 서브 피드 스트림 및 제2 서브 피드 스트림으로 분리할 수 있다.

전처리 가스 분리 모듈(220)은 복수의 가스 분리 관과 연결될 수 있다. 예를 들어, 전처리 가스 분리 모듈(220)의 아웃렛은 제1 가스 분리 관(231) 및 제2 가스 분리 관(232)과 연결될 수 있다. 전처리 가스 분리 모듈(220)에서 분리된 제1 서브 피드 스트림은 제1 가스 분리 관(231)으로 이동하고, 제2 서브 피드 스트림은 제2 가스 분리 관(232)으로 이동할 수 있다.

복수의 가스 분리 관들은 전처리 가스 분리 모듈(220) 및 방전관(3000)을 유체적으로 연결하는 구성으로 이해될 수 있다. 여기서, 복수의 가스 분리 관들은 특정 조성비를 가지는 가스를 방전관(3000)의 특정 위치에 공급하는 기능을 수행한다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이 제1 가스 분리 관(231)은 방전관(3000)의 상단에 위치한 유입부와 연결되어 이산화탄소 풍부 가스(CO2 rich gas)가 방전관(3000)의 플라즈마 유도 영역 상단으로 공급되도록 구성된다. 또한, 후술하는 바와 같이 제2 가스 분리 관(232)은 방전관(3000)의 하단에 위치한 제2 유입부와 연결되어 메탄 풍부 가스(CH4 rich gas)가 방전관(3000)의 플라즈마 유도 영역 하단으로 공급되도록 구성된다.

전처리 가스 분리 모듈(220)에서 가스를 분리함에 있어서, 다공성 구조를 포함하는 분리막이 이용될 수 있다. 예를 들어, 전처리 가스 분리 모듈(220)은 내부에 일정 범위의 사이즈를 가지는 공극들을 포함하는 멤브레인(membrane)을 포함할 수 있다.

분리막은 전처리 가스 분리 모듈(220)의 인렛 및 제1 가스 분리 관(231) 사이에 배치될 수 있다. 또는, 분리막은 전처리 가스 분리 모듈(220)의 인렛 및 제2 가스 분리 관(232) 사이에 배치될 수 있다.

분리막은 전처리 가스 분리 모듈(220)로 공급된 피드 스트림의 가스들 중 일정 크기의 입자를 가지는 가스들을 분리할 수 있다. 예를 들어, 전처리 가스 분리 모듈(220) 내에 피드 스트림이 공급되면 유압이 형성되고, 형성된 유압에 의해 피드 스트림 중 일부가 분리막을 통과할 수 있다.

본 개시에서는, 전처리 가스 분리 모듈(220)은 공급된 피드 스트림을 이산화탄소의 몰 비율이 높은 제1 서브 피드 스트림과 메탄의 몰 비율이 높은 제2 서브 피드 스트림으로 분리하는 것을 목적으로 한다. 예를 들어, 제1 서브 피드 스트림에서 이산화탄소와 메탄의 몰 비율은 약 10:0 내지 7:3이고, 제2 서브 피드 스트림에서 이산화탄소와 메탄의 몰 비율은 약 0:10 내지 2:8일 수 있다.

여기서, 제1 서브 피드 스트림 내 이산화탄소의 몰 비율은 제2 서브 피드 스트림 내 이산화탄소의 몰 비율 보다 크다. 또한, 제1 서브 피드 스트림 내 메탄의 몰 비율은 제2 서브 피드 스트림 내 메탄의 몰 비율 보다 작다.

한편, 제1 서브 피드 스트림 내 이산화탄소의 몰 비율과 제2 서브 피드 스트림 내 메탄의 몰 비율은 전처리 가스 분리 모듈(220)의 설계 방법에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 전처리 가스 분리 모듈(220) 내 압력과 분리막의 공극 크기에 따라 제1 서브 피드 스트림 내 이산화탄소의 몰 비율과 제2 서브 피드 스트림 내 메탄의 몰 비율이 결정될 수 있다.

이와 같이 가스를 분리하는 이유는, i) 플라즈마 방전 유지를 위해서는 메탄과 같은 흡열 반응에 관여하는 가스를 플라즈마 유도 영역 후단에 투입시킬 필요가 있고, ii) 후술하는 바와 같이 플라즈마 유도 시스템(100)을 통해 개질된 합성 가스 내 수소와 일산화탄소 비율이 특정 값이 되기 위해서는, 방전관(3000)에 유입되는 가스의 조성비가 일정 범위가 되도록 제어되어야 하기 때문이다. 이러한 점을 고려할 때, 전처리 가스 분리 모듈(220)에서 공급되는 피드 스트림을 원하는 가스 조성비를 가지는 복수의 서브 피드 스트림으로 분리하기 위해 분리막의 스펙이 적절하게 선택될 필요가 있다.

일 예로, 분리막은, 전처리 가스 분리 모듈(220)에 공급되는 피드 스트림 내 이산화탄소 비율이 약 34%, 메탄 비율이 약 44%, 질소 비율이 약 20%, 산소 비율이 약 2%일 때, 제1 서브 피드 스트림 내 이산화탄소 비율은 약 60%, 메탄 비율은 약 25%, 질소 비율은 약 12%, 산소 비율은 약 3%이며, 제2 서브 피드 스트림 내 이산화탄소 비율은 약 10%, 메탄 비율은 약 58%, 질소 비율은 약 29%, 산소 비율은 약 3%일 수 있다.

이하에서는, 도 23을 참고하여 가스 개질을 위한 플라즈마 유도 시스템(100)에 대해 서술하도록 한다.

도 23은 일 실시예에 따른 가스 개질을 위한 플라즈마 유도 시스템(100)을 나타내는 도면이다.

플라즈마 유도 시스템(100)은 전처리부(200)에서 공급된 가스를 플라즈마를 이용하여 개질하여 합성 가스를 생산하고, 생산된 합성 가스를 후처리부(300)에 공급하기 위한 시스템으로 이해될 수 있다.

플라즈마 유도 시스템(100)은 플라즈마 유도를 통해 플라즈마를 발생시키고, 전처리된 원료 가스를 공급 받아 플라즈마 영역을 지나게 함으로써, 가스 개질을 수행할 수 있다.

일 예로, 메탄 및 이산화탄소를 포함하는 원료 가스를 개질하는 경우, 방전관(3000) 내에서는 아래의 반응들이 진행될 수 있다.

CH4 + H2O → CO + 3H2

CO + H2O → CO2 + H2

CH4 + CO2 → 2CO + 2H2

위의 반응들은 플라즈마의 열 에너지에 의해 공급된 가스들이 분해되고 다시 합성되는 과정에서 진행되며, 결과적으로 원료 가스의 메탄 및 이산화탄소가 플라즈마에 의해 개질되어 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성 가스가 생성될 수 있다.

도 23을 참고하면, 플라즈마 유도 시스템(100)은 RF 발생기(1000), 점화 안테나 구조체(2800), 메인 안테나 구조체(2900), 방전관(3000), 보조 가스 공급 모듈(4100), 수증기 공급 모듈(6200), 상부 스월 발생부(7100), 하부 스월 발생부(7200, 7300), 및 가이드 구조체(8000)을 포함할 수 있다.

먼저, 안테나 구조체(2000)는 점화 안테나 구조체(2800) 및 메인 안테나 구조체(2900)로 구분될 수 있다.

점화 안테나 구조체(2800)는 플라즈마 발생을 유도하기 위한 구성으로, 방전관(3000) 외측면을 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 점화 안테나 구조체(2800)는 겹층 구조(layered structure)를 가질 수 있으며, 예를 들어, 도 3 및 도 23에 도시된 바와 같이 두 개의 층 안테나를 포함하고 각 층 안테나는 두 개의 턴으로 구성되는 2층-2턴 구조를 가질 수 있다. 다만, 점화 안테나 구조체(2800)의 층 수와 층 별 턴 수가 2층- 2턴으로 한정되는 것은 아니며 필요에 따라 적절하게 결정될 수도 있다.

점화 안테나 구조체(2800)는 메인 안테나 구조체(2900)와 달리 층 안테나 사이에 용량성 소자가 배치되지 않는다. 이는, 전술한 바와 같이 점화 안테나 구조체(2800)에는 높은 전압이 인가될 필요가 있어, 층 안테나(또는 단위 안테나) 사이에 용량성 소자가 배치됨에 따라 전압의 크기가 줄어드는 것은 지양되어야 하기 때문이다.

점화 안테나 구조체(2800)는 메인 안테나 구조체(2900)에 비하여 방전관(3000) 내 상대적으로 강한 전기장을 형성하여 입자들이 빠른 속도로 상호 충돌하게 함으로써 플라즈마를 유도할 수 있다.

메인 안테나 구조체(2900)는 플라즈마를 유지시키기 위한 구성으로, 방전관(3000) 외측면을 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 메인 안테나 구조체(2900)는 점화 안테나 구조체(2800)로부터 방전관(3000)의 중심축에 평행하는 방향으로 일정 거리 이격되어 배치될 수 있다.

메인 안테나 구조체(2900)는 도 7 내지 도 18에서 서술한 안테나 구조체(1000)의 형상들 중 어느 하나의 형상을 가지는 것으로 이해될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 메인 안테나 구조체(2900)가 도 11 및 도 16에서 서술한 형상으로, 서로 다른 RF 발생기에 연결되는 제1 메인 안테나 모듈(2901) 및 제2 메인 안테나 모듈(2902)로 구성되는 것으로 서술하나, 본 개시의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

점화 안테나 구조체(2800) 및 메인 안테나 구조체(2900)에 의해 방전관(3000) 내 플라즈마 유도 영역(PIR, Plasma Inducing Region)이 정의될 수 있다. 보조 가스 투입과 함께 점화 안테나 구조체(2800)에 전력이 인가되면 플라즈마 유도 영역(PIR) 중 점화 안테나 구조체(2800)에 대응되는 영역에서 플라즈마가 점화되고, 이후 메인 안테나 구조체(2900)에 전력이 인가됨에 따라 플라즈마 유도 영역(PIR) 중 메인 안테나 구조체(2900)에 대응되는 영역으로 플라즈마가 옮겨져 유지되며, 플라즈마가 유지되는 동안 방전관(3000) 내부로 개질 대상 가스가 투입되어 가스 개질이 이루어지게 된다.

RF 발생기(1000)는 안테나 구조체(2000)에 전력을 인가하는 수단으로, 그 구조와 전력을 인가하는 방법에 대해서는 앞서 서술한 바 생략하도록 한다.

RF 발생기(1000) 개수는 메인 안테나 구조체(2900)의 구조에 따라 달라질 수 있다.

일 예로, 메인 안테나 구조체(2900)가 도 11 및 도 16에서 서술한 바와 같이 층 안테나가 서로 직렬 연결되지 않는 단위 안테나들로 구성되고, 각 층의 단위 안테나가 다른 층의 단위 안테나와 직렬 연결되어, 결과적으로 메인 안테나 구조체(2900)가 서로 도체로 연결되지 않는 제1 메인 안테나 모듈(2901) 및 제2 메인 안테나 모듈(2902)로 구성될 수 있다. 이 경우, RF 발생기(1000)는 점화 안테나 구조체(2800)에 전력을 인가하기 위한 제1 RF 발생기(1001), 제1 메인 안테나 모듈(2201)에 전력을 인가하기 위한 제2 RF 발생기(1002), 및 제2 메인 안테나 모듈(2902)에 전력을 인가하기 위한 제3 RF 발생기(1003)로 구분될 수 있다. 다만, 이 경우에도 제1 메인 안테나 모듈(2901) 및 제2 메인 안테나 모듈(2902)이 하나의 RF 발생기로부터 전력을 공급 받을 수도 있다.

다른 예로, 메인 안테나 구조체(2900)가 도 9에서 서술한 바와 같이 층 안테나 내 안테나 세그먼트들이 직렬 연결되고, 층 안테나들 역시 서로 직렬 연결되는 경우 RF 발생기(1000)는 점화 안테나 구조체(2800)에 전력을 인가하기 위한 제1 RF 발생기(1001) 및 메인 안테나 구조체(2900)에 전력을 인가하기 위한 제2 RF 발생기(1002)로 구분될 수 있다.

보조가스 공급 모듈(6100)은 방전관(3000) 내에 보조가스를 공급할 수 있다. 여기서, 보조가스는 아르곤 가스, 헬륨 가스와 같이 플라즈마를 방전시키는 데에 이용되는 가스로 이해될 수 있다.

보조가스 공급 모듈(6100)은 보조가스 공급관(4110)을 통해 방전관(3000)의 상단으로 보조 가스를 공급할 수 있으며, 공급되는 보조가스 양은 질량 흐름 제어기(MFC, Mass Flow Control)에 의해 제어될 수 있다.

보조가스는 보조가스 공급관(4110)을 통해 상부 스월 발생부(7100)로 이동하고, 상부 스월 발생부(7100)에서 특정 형태(직진, 시계 방향 스월, 또는 반시계 방향 스월)를 가진 상태로 방전관(3000) 내부로 이동할 수 있다.

수증기 공급 모듈(6200)은 방전관(3000) 내에 수증기를 공급할 수 있다. 수증기 공급 모듈(6200)은 방전관(3000) 내 공급되는 가스 스트림 내 수증기의 비율을 미리 설정된 범위 내로 조절하기 위해 방전관(3000)과 유체적으로 연결될 수 있다.

전술한 제1 서브 피드 스트림은 상단 스월 발생부(5100)를 통해 방전관(3000)으로 유입될 수 있다. 제2 서브 피드 스트림은 제1 하단 스월 발생부(7200)를 통해 방전관(3000)으로 유입될 수 있다. 수증기 공급 모듈(6200)에서 공급되는 수증기는 제2 하단 스월 발생부(7300)를 통해 방전관(3000) 내부로 유입될 수 있다.

이와 같이, 제1 서브 피드 스트림, 제2 서브 피드 스트림, 및 수증기는 각각 특정 형태(ex. 시계 방향 스월 또는 반시계 방향 스월)로 방전관(3000) 내부로 공급될 수 있다. 이 때, 에너지 전환 효율을 높이기 위해 제1 서브 피드 스트림, 제2 서브 피드 스트림, 및 수증기의 스월 방향이 결정될 수 있다. 각 스트림의 스월 방향을 결정하는 방법에 대해서는 후술하도록 한다.

가이드 구조체(8000)는 방전관(3000) 내 플라즈마 유도 영역(PIR) 후단으로 가스를 공급하기 위한 구조체이다. 예를 들어, 도 23을 참고하면, 가이드 구조체(8000)는 방전관(3000)의 하단에서 플라즈마 유도 영역(PIR) 후단까지 연장되며, 방전관(3000)의 하단으로 공급된 가스가 가이드 구조체(8000)의 외벽을 따라 이동하여 플라즈마 유도 영역(PIR) 후단에 도달할 수 있다.

가이드 구조체(8000)는 방전관(3000)에 삽입될 수 있다. 예를 들어 방전관(3000)은 서로 다른 너비를 가지는 제1 부분 및 제2 부분으로 구분되고, 제1 부분에는 점화 안테나 구조체(2800) 및 메인 안테나 구조체(2900)가 배치되고, 제2 부분의 내측으로 가이드 구조체(8000)가 삽입될 수 있다.

한편, 플라즈마 유도 시스템(100)은 점화 안테나 구조체(2800)와 함께 플라즈마 점화를 위해 방전관(3000) 외측에 부착되는 전극 및 전극에 고전압 펄스를 인가하는 펄스 발생기를 더 포함할 수 있다. 전극에 고전압 펄스가 인가되면, 방전관(3000) 내부에 위치하는 보조 가스 공급관(6110)의 말단이 다른 전극 역할을 수행하여 전극과 보조 가스 공급관(6110) 사이에 강한 전기장이 형성되어 플라즈마 점화가 보다 원활하게 이루어질 수 있다.

플라즈마 유도 시스템(100)은 아래와 같이 동작할 수 있다.

먼저, 플라즈마 점화 작업이 수행될 수 있다. 구체적으로, 방전관(3000) 내에 보조가스가 공급되면서 제1 RF 발생기(1001)에 의해 점화 안테나 구조체(2800)에 전력이 인가되어 방전관(3000) 내 플라즈마가 점화될 수 있다.

이후, 플라즈마 유지 작업이 수행될 수 있다. 구체적으로, 제2 RF 발생기(1002)에 의해 제1 메인 안테나 모듈(2201)에 전력이 인가되고, 제3 RF 발생기(1003)에 의해 제2 메인 안테나 모듈(2902)에 전력이 인가되어 방전관(3000) 내 점화 안테나 구조체(2800) 근방에서 점화된 플라즈마가 메인 안테나 구조체(2900) 근방으로 이동하여 유지될 수 있다.

플라즈마가 유지된 상태에서 개질 대상 가스가 공급될 수 있다. 구체적으로, 방전관(3000)의 상단에서 제1 서브 피드 스트림(CO2 rich gas)가 유입되고, 방전관(3000) 내 플라즈마 유도 영역(PIR) 후단에서 제2 서브 피드 스트림(CH4 rich gas) 및 수증기가 유입될 수 있다.

제1 서브 피드 스트림, 제2 서브 피드 스트림, 및 수증기가 방전관(3000)에 유입됨에 따라 플라즈마에 의해 상술한 화학반응이 일어나게 되고, 그에 따라 합성 가스가 생성된다.

플라즈마 유도 시스템(100)에서 생성된 합성 가스에 대해 후처리 공정이 수행될 수 있고, 이로써 최종 생산물이 생성될 수 있다.

후처리 공정은 크게 가스 전이 공정 및 가스 분리 공정으로 이해될 수 있으며, 각 공정을 위해 후처리부(300)는 가스 전이 모듈 및 후처리 가스 분리 모듈을 포함할 수 있다.

먼저, 방전관(3000)에서 생성된 합성 가스는 가스 전이 모듈로 이동하여 합성 가스 내 수소 또는 일산화탄소가 특정 가스로 변환될 수 있다. 이 때, 가스 전이 모듈은 가스 개질 시스템(10)에서 생산하고자 하는 최종 생산물의 종류에 따라 그 구성이나 구조가 다를 수 있고, 일으키는 반응의 종류 역시 다를 수 있다.

일 예로, 가스 전이 모듈은 수성가스전이(WGS: Water Gas Shift) 모듈일 수 있다. 수성가스전이 모듈은 촉매 반응을 이용하여 합성 가스 내 일산화탄소를 수소로 전환하는 공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 수상가스전이 모듈은 합성 가스 및 수증기를 공급받아 CO+H2O->CO2+H2의 반응을 일으킬 수 있다.

가스 개질 시스템(10)에서 생산하고자 하는 최종 생산물이 고순도 수소일 때 수성가스전이 모듈이 가스 전이 모듈로 선택될 수 있다. 또는, 가스 개질 시스템(10)을 통해 이산화탄소를 수집하는 과정에서도 수성가스전이 모듈이 가스 전이 모듈로 선택될 수 있다.

다른 예로, 가스 전이 모듈은 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch) 공정 모듈일 수 있다. 피셔-트로프슈 공정 모듈은 촉매 반응을 이용하여 합성 가스로부터 액체 탄화수소를 합성하는 공정을 수행할 수 있다. 구체적으로, 피셔-트로프슈 공정 모듈은 합성 가스를 공급받아 (2n+1)H2+(n)CO->C(n)H(2n+2)+(n)H2O의 반응을 일으킬 수 있다.

가스 개질 시스템(100)에서 생산하고자 하는 최종 생산물이 항공유일 때, 피셔-트로프슈 공정 모듈이 가스 전이 모듈로 선택될 수 있다.

또 다른 예로, 가스 전이 모듈은 메탄올 합성 모듈일 수 있다. 메탄올 합성 모듈은 고정층 반응기(fixed bed Reactor) 또는 유동층 반응기(fluidized bed reactor)로 구현될 수 있으며, 촉매 반응을 이용하여 합성 가스로부터 메탄올을 합성하는 공정을 수행할 수 있다.

가스 전이 모듈을 통해 배출되는 가스는 후처리 가스 분리 모듈로 공급될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 가스 전이 모듈에서 배출되는 가스를 중간 생산물(IP)이라 명명한다.

후처리 가스 분리 모듈은 가스 분리 공정을 수행할 수 있다. 후처리 가스 분리 모듈에서 수행되는 가스 분리 공정은 최종 생산물의 수득 효율을 높이는 공정으로 이해될 수 있다.

후처리 가스 분리 모듈은 압력변동흡착(PSA: Pressure Swing Adsorption) 방식으로 구현될 수 있다. 압력변동흡착 방식은 흡착제(adsorbent)를 이용하여 통과하는 가스 중 선택도가 높은 성분들을 우선 흡착하여 선택도가 낮은 성분들을 먼저 배출시킴으로써 가스를 분리한다.

후처리 가스 분리 모듈은 전술한 전처리 가스 분리 모듈과 같이 분리막을 포함하는 형태로 구현될 수도 있다.

후처리 가스 분리 모듈에서 배출되는 가스는 최종 생산물로, 포집부에 포집될 수 있다. 후처리 가스 분리 모듈 및 포집부 사이에 압력을 변화시키거나 온도를 변화시키는 등의 추가 구성이 있을 수 있음은 물론이다.

한편, 가스 개질 시스템(10)을 이용한 가스 개질 공정에 있어서, 플라즈마 점화 및 유지에 큰 도움을 주는 보조가스의 사용은, 가스 개질 공정의 최종 생산물의 종류에 따라 지양되어야 하는 경우가 존재한다.

예를 들어, 가스 개질 공정의 최종 생산물이 고순도 수소인 경우, 플라즈마 개질을 통해 생성된 합성 가스로부터 후처리 공정을 통해 수소가 수집되는데, 아르곤 가스와 같은 보조가스가 합성 가스에 섞이는 경우 합성 가스 내 수소와 아르곤 가스의 분리가 상대적으로 어려워 고순도 수소 생산량이 줄어들거나 추가적인 장비가 필요하게 되는 등 공정 효율이 현저히 떨어지게 된다.

위와 같은 사정을 고려할 때, 플라즈마 점화 단계에서는 보조가스를 사용하더라도, 합성 가스를 본격적으로 생산하는 플라즈마 유지 단계에서는 보조가스를 사용하지 않는 방안이 검토될 수 있다.

보조가스를 이용하지 않는 경우 플라즈마 유지력이 약해져 플라즈마가 불안정해질 수 있고, 이를 보상하기 위해서는 메인 안테나 구조체(2900)에 인가되는 전력의 구동 주파수가 증가되어야 한다. 다만, 구동 주파수가 높아지면 메인 안테나 구조체(2900)에 인가되는 최대 전압 역시 커지게 되어 층 안테나 사이에 아킹(arcing) 발생 위험이 높아지고 그에 따른 구조체 손상 위험도 높아지게 된다.

본 출원인은 위와 같은 문제를 해결하기 위해, 플라즈마 유지 단계에서 보조가스를 이용하지 않으면서도 아킹이 발생하지 않는 안테나 구조체에 대해 연구 및 개발하였다.

그 결과, 본 출원인은 본 개시에서 서술한 안테나 구조체(2000)를 이용하여 플라즈마 유도 시스템(100)을 구축하였고, 구축된 플라즈마 유도 시스템(100)을 이용하여 가스 개질 시스템(10)을 설계하였으며, 실험을 통해 보조가스를 이용하지 않더라도 플라즈마를 유지하여 합성 가스 생산량을 일정 수준으로 유지될 수 있음을 확인하였다.

이하에서 실험 데이터를 이용하여 구체적으로 서술하도록 한다.

우선, 설계된 가스 개질 시스템(10)은 앞서 도 21 내지 도 23에서 서술하였으므로 구체적인 내용은 생략하도록 한다. 실험은 제1 서브 피드 스트림 가스의 메탄 가스 유량과 제2 서브 피드 스트림의 이산화탄소 가스 유량, 수증기 공급량을 일정 값으로 유지하고, 아르곤 가스의 투입량을 조절하면서 생산되는 합성 가스의 양과 에너지 전환 효율(ECE: Energy Conversion Efficiency)를 확인하였고, 그 과정에서 아킹 발생 여부도 확인하였다.

No.	Setup	Inlet Composition				Outlet Composition	ECE(%)
No.	Setup	CH4(LPM)	CO2(LPM)	Ar(LPM)	H2O(cc)	Syngas(LPM)	ECE(%)
1	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	6	70	147.5	64.37
2	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	151.03	63.95
3	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	6	70	124.01	67.02
4	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	140.63	66
5	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	6	70	122.65	66.56
6	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	151.37	65.08
7	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	6	70	140.74	67.11
8	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	148.95	67.19
9	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	6	70	133	69.69
10	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	157.3	67.58

위 [표 1]의 각 실험에서 메인 안테나 구조체(2900)는 도 11 및 도 16에서 서술한 형태(이하, 2분할 형태)를 이용하였다. "Setup"의 쿼츠 디스크와 에어갭(air gap)은 메인 안테나 구조체(2900)에서 층 안테나 사이의 유전율을 조절한 것을 나타내는 것으로, 층 안테나 사이의 유전율을 조절하는 방법에 대해서는 후술하도록 한다. "Setup"의 하부 노즐 방향은 방전관(3000)의 상부에서 바라볼 때 메탄 가스의 스월 방향을 나타내는 것으로, 수증기의 스월 방향과 관련성이 있으며, 메탄 가스의 스월 방향을 결정하는 방법에 대해서는 후술하도록 한다.또한, 모든 실험에서 플라즈마 점화 시에는 아르곤 가스가 방전관(3000)에 투입되었으며, [표 1]에 기재된 아르곤 가스 유입량은 플라즈마 점화가 감지된 후 플라즈마 유지 단계에서 방전관(3000)에 유입되는 양을 의미한다. [표 1]을 참고하면, 메인 안테나 구조체(2900)에 의해 플라즈마가 유지 단계에서 아르곤 가스가 투입되지 않더라도 합성 가스 생산량과 에너지 전환 효율이 일정 수준 이상으로 유지되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로, 각각의 Setup에서 아르곤 가스가 투입되지 않는 경우 아르곤 가스가 투입된 경우보다 합성 가스 생산량이 늘어났고, 에너지 전환 효율은 근소하게 줄어들었다.

한편, 아르곤 가스가 투입되지 않은 실험들에 있어서 아킹이나 아킹에 의한 손상은 확인되지 않았다.

다시 말해, 2분할 형태의 메인 안테나 구조체(2900)를 이용하여 다양한 형태의 Setup으로 실험 진행한 결과, 플라즈마 유지 단계에서 아르곤 가스를 투입하지 않더라도 플라즈마 유지가 가능하였고, 합성 가스 생산량과 에너지 전환 효율이 특정 기준을 넘었음이 확인되었다.

전술한 바와 같이, 플라즈마를 유지함에 있어서 아르곤 가스와 같은 보조 가스를 사용하지 않는 경우 보조가스 사용을 최소화하는 플라즈마 개질 방법이 도출될 수 있다.

이하에서는 도 24를 참고하여 보조가스 사용을 최소화하는 플라즈마 개질 방법에 대해 서술하도록 한다.

도 24를 참고하면, 플라즈마 개질 방법은 보조가스를 투입하는 단계(S1100), 점화 안테나 구조체(2800)에 전력을 인가하는 단계(S1200), 플라즈마 점화 여부를 확인하는 단계(S1300), 메인 안테나 구조체에 전력을 인가하는 단계(S1400), 개질 대상 가스를 투입하는 단계(S1500), 및 보조 가스 투입을 중단하는 단계(S1600)를 포함할 수 있다.

이하에서 각 단계에 대해 구체적으로 서술한다.

먼저, 방전관(3000)에 보조가스를 투입할 수 있다. 이는 플라즈마 점화를 위한 단계 중 하나로, 플라즈마를 점화시키기에 유리한 환경으로 만드는 작업으로 이해될 수 있다.

한편, 보다 플라즈마 점화에 유리한 환경을 만들기 위해, 방전관(3000)의 내부 압력을 낮출 수 있다. 내부 압력을 낮추기 위해 방전관(3000)에는 압력 펌프가 연결되고, 압력 펌프에 의해 방전관(3000) 내부의 압력이 조절될 수 있다. 플라즈마 점화에 유리한 환경은, 점화 안테나 구조체(2800)를 사용하지 않고, 메인 안테나 구조체(2900)만으로 플라즈마를 점화시키는 경우 조성될 수 있다. 다만, 점화 안테나 구조체(2800)를 사용하는 경우에도 내부 압력을 낮추어 플라즈마 점화에 유리한 환경이 조성될 수 있음은 물론이다. 방전관(3000) 내부 압력을 낮추는 경우, 플라즈마가 점화된 이후 다시 방전관(3000) 내부 압력을 높이는 단계가 추가적으로 수행될 수 있다.

또 한편, 플라즈마 유도 시스템(100)은 방전관(3000) 내 가스를 배기하기 위한 배기 시스템을 더 포함할 수 있으며, 배기 시스템을 통해 방전관(3000) 내부로 투입된 보조가스가 배기되어 보조가스가 후처리부(300)로 이동하는 것이 방지될 수 있다. 보다 구체적으로, 플라즈마 유도 시스템(100)은 방전관(3000)과 배기 시스템을 유체적으로 연결하는 배기구 및 배기 펌프를 더 포함하고, 배기 펌프를 작동시켜 방전관(3000) 내 가스를 배기 시스템으로 배기할 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이 보조가스가 후처리부(300)로 이동하는 경우 후처리공정에 있어서 목표하는 가스를 생산함에 있어서 불리하게 작용하는 것을 막기 위함이다.

보조가스가 투입된 후 플라즈마 점화를 위해 점화 안테나 구조체(2800)에 전력이 인가될 수 있다(S1200). 예를 들어, 제1 RF 발생기(1001)를 통해 점화 안테나 구조체(2800)에 RF 전압이 인가될 수 있다. 점화 안테나 구조체(2800)는 RF 전압을 인가 받아 방전관(3000) 내부에 전기장을 형성하고, 형성된 전기장에 의해 아르곤 가스가 상호 충돌하면서 플라즈마가 점화될 수 있다.

단계 S1100 및 단계 S1200은 동시에 수행될 수도 있다. 또는, 단계 S1200이 단계 S1100 보다 먼저 수행될 수도 있다.

플라즈마 점화 여부가 확인될 수 있다(S1300). 플라즈마 점화 여부는 점화 안테나 구조체(2800)에 인가되는 전력이 변화하는 정도에 기초하여 판단될 수 있다. 예를 들어, 점화 안테나 구조체(2800)에 대해 측정되는 전압이나 전류가 임계 범위 밖이 되는 경우 플라즈마가 점화된 것으로 판단될 수 있다. 다른 예를 들어, 점화 안테나 구조체(2800)에 대해 측정되는 전압이나 전류의 변화량이 임계 범위 밖이 되는 경우 플라즈마가 점화된 것으로 판단될 수 있다. 한편, 플라즈마 점화 여부는 플라즈마 유도 시스템(100)에 의해 자동으로 감지될 수도 있고, 사용자의 입력(ex. 사용자가 육안으로 플라즈마 점화를 확인하여 플라즈마 유도 시스템(100)에 입력)에 의해 감지될 수도 있다.

플라즈마 점화가 감지되면 메인 방전을 위해 메인 안테나 구조체(2900)에 전력이 인가될 수 있다(S1400). 예를 들어, 제2 RF 발생기(1002) 및/또는 제3 RF 발생기(1003)는 메인 안테나 구조체(2900)에 전력을 인가하고, 메인 안테나 구조체(2900)는 방전관(3000) 내 전기장 및 자기장을 형성하여 플라즈마가 유지될 수 있다.

메인 방전은 점화 안테나 구조체(2800)에 의해 점화된 플라즈마가 메인 안테나 구조체(2900) 측으로 이동하여 유지되는 현상을 의미한다. 구체적으로, 메인 안테나 구조체(2900)에 전력이 인가되면, 방전관(3000) 내 플라즈마 유도 영역(PIR) 중 점화 안테나 구조체(2800)에 대응하는 영역에 생성된 플라즈마가 플라즈마 유도 영역(PIR) 중 메인 안테나 구조체(2900)에 대응하는 영역으로 이동하고, 메인 안테나 구조체(2900)가 형성하는 전자기장에 의해 방전관(3000) 내 입자들이 상호 충돌하면서 플라즈마가 유지될 수 있다.

플라즈마가 유지되는 상태에서, 개질 대상 가스가 투입될 수 있다(S1500). 예를 들어, 방전관(3000)으로 이산화탄소 풍부 가스, 메탄 풍부 가스, 및 수증기가 투입될 수 있다.

개질 대상 가스가 투입되는 시점은 플라즈마 유도 시스템(100)이 가동된 시점으로부터 일정 시간 경과된 시점, 점화 안테나 구조체(2800)에 전력이 인가된 시점으로부터 일정 시간이 경과된 시점, 플라즈마 점화 여부가 확인된 시점, 플라즈마 점화 여부가 확인된 시점으로부터 일정 시간이 경과된 시점, 보조가스 투입이 중단된 시점으로부터 일정 시간 이전 시점, 보조가스 투입이 중단된 시점, 보조가스 투입이 중단된 시점으로부터 일정 시간 경과된 시점 중 선택된 시점일 수 있다. 한편, 개질 대상 가스는 사용자의 입력에 따라 투입될 수도 있다.

다시 말해, 단계 S1500이 반드시 단계 S1400 이후에 수행되어야 하는 것은 아니며, 단계 S1100 내지 단계 S1400이 수행되는 도중에도 단계 S1500이 수행될 수 있다. 다만, 보조가스만으로도 플라즈마 점화가 가능하고, 생산하고자 하는 최종 생산물에 따라 후술하는 바와 같이 개질 대상 가스 투입 후 정상상태가 되기 전까지 보조가스 배기를 위해 방전관(3000) 내 가스들을 모두 배기할 수 있으며, 이 경우 개질 대상 가스들이 개질되어 생성된 합성 가스가 불필요하게 소모될 수 있으므로, 개질 대상 가스 투입 시점은 플라즈마 유도 시스템(100) 또는 가스 개질 시스템(10)의 성능과 에너지 전환 효율을 고려하여 결정되어야 한다.

개질 대상 가스가 투입된 이후 보조 가스 투입이 중단될 수 있다(S1600).

보조 가스 투입의 중단 시점은 플라즈마가 점화된 시점, 플라즈마가 점화된 시점으로부터 일정 시간 경과한 시점, 개질 대상 가스가 투입된 시점 기준 일정 시간 이전 시점, 개질 대상 가스가 투입되는 시점, 또는 개질 대상 가스가 투입되는 시점으로부터 일정 시간 경과한 시점 중 어느 하나일 수 있다. 다시 말해, 단계 S1600이 반드시 단계 S1500 이후 수행되어야 하는 것은 아니며, 단계 S1300 내지 단계 S1500이 수행되는 도중에 수행될 수도 있다.

한편, 메인 방전에 의해 플라즈마가 유지되어 정상상태에 도달하면 플라즈마 유도 시스템(100)은 방전관(3000)과 배기 시스템을 연결하는 유로를 차단하거나 배기 펌프의 동작을 중단하여 방전관(3000) 내 생성된 합성 가스가 후처리부(300)로 이동할 수 있다. 또는, 플라즈마 유도 시스템(100)은 보조 가스 투입이 중단되고 일정 시간이 경과한 후에 방전관(3000)과 배기 시스템이 연결되는 유로를 차단하거나 배기 펌프의 작동을 중단할 수 있다. 이는, 전술한 바와 같이 보조가스가 포함된 합성 가스는 배기하고, 보조가스가 포함되지 않거나 보조가스 비율이 일정 수준 미만인 합성 가스를 후처리부(300)로 제공하기 위한 것으로 이해될 수 있다.

전술한 플라즈마 개질 방법에 의해 보조가스의 사용이 최소화(플라즈마 점화 단계에서만 사용)될 수 있으며, 그에 따라 보조가스가 섞이지 않은 합성 가스의 생산량이 극대화될 수 있다.

이하에서는, 도 25을 참고하여 플라즈마 개질의 성능을 향상시키기 위한 플라즈마 유도 시스템(100)의 설계 방법에 대해 서술하도록 한다.

먼저, 플라즈마 유도 시스템(100)에서 합성 가스 생산량 또는 에너지 전환 효율을 높이기 위해서는 안테나 구조체(2000), 특히 메인 안테나 구조체(2900)의 성능을 향상시킬 필요가 있다.

메인 안테나 구조체(2900)의 성능을 향상시키는 방법으로는, 메인 안테나 구조체(2900)를 설계함에 있어서 층 안테나 사이의 기생 커패시턴스(parasitic capacitance)의 크기를 줄이는 방법이 있다. 이는, 층 안테나 사이의 기생 커패시턴스에 의해 소모되는 전력을 줄임으로써 메인 안테나 구조체(2900)에 인가되는 전력이 불필요한 전력 소모 없이 모두 플라즈마에 공급되도록 하기 위함이다.

다시 말해, 메인 안테나 구조체(2900)에 동일한 전압(또는 전력)을 인가하더라도 메인 안테나 구조체(2900) 내 기생 커패시턴스가 작아질수록 메인 안테나 구조체(2900) 자체에서 소모되는 전력이 줄어들고 플라즈마에 공급되는 전력이 많아져, 합성가스 생산량이 증가할 수 있다.

한편, 메인 안테나 구조체(2900)에 상대적으로 높은 전압이 인가되는 경우, 메인 안테나 구조체(2900) 내 층 안테나 사이에 아킹이 발생할 수 있고, 이러한 아킹 발생을 방지하기 위해 층 안테나 사이에 쿼츠(quartz)와 같은 유전체 삽입이 불가피하였으며, 유전체 삽입은 곧 기생 커패시턴스의 증가로 이어져 플라즈마 유도 시스템(100)의 성능을 저하시키는 요인이 된다.

본 출원인은, 2분할 형태의 메인 안테나 구조체(2900)를 이용하여 기생 커패시턴스를 줄이되, 아킹이 발생하지 않는 경우에 대해 실험을 진행하였고, 그 결과 메인 안테나 구조체(2900) 내 층 안테나 사이에 일정 크기의 에어갭(air gap)을 두는 경우가 합성가스 생산량과 에너지 전환 효율이 개선됨을 확인하였다.

아래는 그 실험 데이터이다.

No.	Setup	Inlet Composition				Outlet Composition	ECE(%)
No.	Setup	CH4(LPM)	CO2(LPM)	Ar(LPM)	H2O(cc)	Syngas(LPM)	ECE(%)
1	쿼츠 디스크 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	132.41	62.56
2	쿼츠 디스크 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	134.64	62.35
3	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	151.03	63.95
4	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	140.86	64.53
5	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	140.63	66
6	쿼츠디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	148.95	67.19
7	쿼츠디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	155.44	66.92
8	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	153.09	68.68
9	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	163.97	69.05

실험에서 진행된 메인 안테나 구조체(2900) 유전체 조절 형태는 도 25에 도시된 바와 같다.도 25는 일 실시예에 따른 기생 커패시턴스가 각기 다르게 조절된 메인 안테나 구조체(2900)들을 나타내는 도면이다. 도 25의 (a)를 참고하면, 메인 안테나 구조체(2900) 내 층 안테나 사이에 에어갭 없이 유전체(3100)가 배치되었으며, [표 2]의 실험 1 및 실험 2의 Setup이 이에 해당한다. 도 25의 (b)를 참고하면, 메인 안테나 구조체(2900) 내 층 안테나 사이에 제1 두께(T1)의 에어갭과 제2 두께(T2)를 가지는 유전체(3100)가 배치되었으며, [표 2]의 실험 3의 Setup이 이에 해당한다(실험 3에서 제1 두께(T1)는 1mm이고, 제2 두께(T2)는 2mm이다). 도 25의 (c)를 참고하면, 메인 안테나 구조체(2900) 내 층 안테나들은 제1 두께(T1)만큼 이격되어 있고 유전체(3100)는 삽입되어 있지 않으며, [표 2]의 실험 4 및 실험 5의 Setup이 이에 해당한다(실험 4 및 실험 5에서 제1 두께(T1)는 3mm이다).

[표 2]의 실험 1&2와 실험 3을 비교하면, 메인 안테나 구조체(2900) 사이에 쿼츠 디스크만을 배치한 경우보다 쿼츠 디스크를 배치하고 1mm만큼 이격시켜 놓은 경우가 합성가스 생산량이 더 많았고 에너지 전환 효율 역시 더 높았다.

[표 2]의 실험 1&2과 실험 4&5를 비교하면, 메인 안테나 구조체(2900) 사이에 쿼츠 디스크만을 배치한 경우보다 쿼츠 디스크를 배치하지 않고 3mm만큼 이격시켜 놓은 경우가 합성가스 생산량이 더 많았고 에너지 전환 효율 역시 더 높았다.

[표 2]의 실험 3과 실험 4&5를 비교하면, 메인 안테나 구조체(2900) 사이에 쿼츠 디스크를 배치하고 1mm만큼 이격시켜 놓은 경우, 쿼츠 디스크를 배치하지 않고 3mm만큼 이격시켜 놓은 경우 보다 합성가스 생산량은 많았으나 에너지 전환 효율은 더 낮았다.

[표 2]의 실험 6&7과 실험 8&9를 비교하면, 메인 안테나 구조체(2900) 사이에 쿼츠 디스크를 배치하고 1mm만큼 이격시켜 놓은 경우보다 쿼츠 디스크를 배치하지 않고 3mm만큼 이격시켜 놓은 경우가 합성가스 생산량이 더 많았고, 에너지 전환 효율 역시 더 높았다.

위 실험 결과를 고려할 때, 플라즈마 유도 시스템(100)의 성능을 향상시키기 위해서는 메인 안테나 구조체(2900) 내 층 안테나들 사이가 일정 크기의 갭만큼 떨어지게 하고, 유전체(3100)는 배치하지 않는 것이 바람직한 것임을 알 수 있다.

여기서, 갭의 크기는 방전관(3000)의 직경, 방전관(3000)의 길이, 방전관(3000)의 중심축에 평행한 방향으로 점화 안테나 구조체(2800)가 가지는 길이, 및 방전관(3000)의 중심축에 평행한 방향으로 메인 안테나 구조체(2900)가 가지는 길이 중 적어도 하나에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 방전관(3000)의 직경이 약 80mm이고, 방전관(3000)의 길이가 약 250mm일 때, 갭의 크기는 약 3mm일 수 있다.

이하에서는, 플라즈마 개질의 성능을 향상시키기 위해 방전관(3000)에 투입되는 가스의 스월 방향을 결정하는 방법에 대해 서술하도록 한다.

플라즈마 유도 시스템(100)에서, 방전관(3000)에 유입되어 유동하는 가스는 기본적으로 스월을 가지며, 스월 방향은 방전관(3000)의 상부에서 방전관(3000) 내부를 향하는 방향에서 볼 때 시계 방향(CW) 또는 반시계 방향(CCW)으로 구분될 수 있다.

가스는 스월 발생부를 통해 방전관(3000)으로 유입되고, 스월 발생부의 구조에 따라 방전관(3000) 내 가스의 스월 방향이 결정될 수 있다.

한편, 본 개시에서 서술하는 가스 개질 시스템(10)은 전처리부(200)에서 원료 가스가 제1 서브 피드 스트림과 제2 서브 피드 스트림으로 나뉘고, 플라즈마 유도 시스템(100)의 방전관(3000)에는 제1 서브 피드 스트림, 제2 서브 피드 스트림, 및 수증기가 각기 다른 유로를 통해 유입된다.

도 23을 참고하면, 제1 서브 피드 스트림은 상부 스월 발생부(7100)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향의 스월을 형성하며 방전관(3000) 내부로 유입될 수 있다. 제2 서브 피드 스트림은 제1 하부 스월 발생부(7200)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향의 스월을 형성하며 방전관(3000) 내부로 유입될 수 있다. 수증기는 제2 하부 스월 발생부(7300)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향의 스월을 형성하며 방전관(3000) 내부로 유입될 수 있다.

이 때, 플라즈마 유도 시스템(100)의 성능을 향상시킴에 있어서, 전술한 안테나 구조체(2000)의 설계 뿐만 아니라 방전관(3000)에 투입되는 가스의 스월 방향이 중요한 요소가 될 수 있다. 특히, 플라즈마 유도 영역(PIR)의 후단으로 유입되는 제2 서브 피드 스트림과 수증기의 경우 각 가스의 스월 방향이 동일한지 또는 반대인지에 따라 화학반응이 일어나는 정도가 달라져, 합성가스 생산량 및 에너지 전환 효율에 영향을 줄 수 있다.

본 출원인은 방전관(3000) 내 가스의 스월 방향이 합성가스 생산량과 에너지 전환 효율에 미치는 영향에 대해 연구하였으며, 실험을 통해 제2 서브 피드 스트림의 스월 방향과 수증기의 스월 방향이 반대인 경우 합성가스 생산량과 에너지 전환 효율이 높아지는 것을 확인하였다.

아래는 그 실험 데이터이다.

No.	Setup	Inlet Composition				Outlet Composition	ECE(%)
No.	Setup	CH4(LPM)	CO2(LPM)	Ar(LPM)	H2O(cc)	Syngas(LPM)	ECE(%)
1	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	151.03	63.95
2	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	148.95	67.19
3	쿼츠 디스크+에어갭1mm 하부 노즐 방향 CW	41	24	0	70	155.44	66.92
4	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	140.86	64.53
5	에어갭3mm 하부 노즐 방향 CCW	41	24	0	70	140.63	66
6	에어갭3mm 하부 노증 방향 CW	41	24	0	70	153.09	68.68
7	에어갭3mm 하부 노증 방향 CW	41	24	0	70	163.97	69.05

위 실험에서 하부 노즐 방향은 제2 서브 피드 스트림의 스월 방향을 의미하며, 모든 실험에서 수증기의 스월 방향은 반시계 방향(CCW)이었고, 제1 서브 피드 스트림의 스월 방향은 시계 방향(CW)이었다.[표 3]의 실험 1과 실험 2&3을 비교하면, 제2 서브 피드 스트림의 스월 방향과 수증기의 스월 방향을 동일하게 반시계 방향으로 설계한 경우 보다 서로 반대 방향으로 설계한 경우가 합성가스 생산량이 더 많았고 에너지 전환 효율 역시 더 높았다.

마찬가지로, [표 3]의 실험 4&5와 실험 6&7을 비교하면, 제2 서브 피드 스트림의 스월 방향과 수증기의 스월 방향을 동일하게 반시계 방향으로 설계한 경우 보다 서로 반대 방향으로 설계한 경우가 합성가스 생산량이 더 많았고 에너지 전환 효율 역시 더 높았다.

위 실험 결과를 고려할 때, 플라즈마 유도 시스템(100)의 성능을 향상시키기 위해서는 제2 서브 피드 스트림의 스월 방향과 수증기의 스월 방향이 서로 반대가 되도록 제1 하부 스월 발생부(7200) 및 제2 하부 스월 발생부(7300)가 설계될 필요가 있다.

이하에서는 도 26을 참고하여 제1 하부 스월 발생부(7200) 및 제2 하부 스월 발생부(7300)의 구조에 대해 서술하도록 한다.

도 26은 일 실시예에 따른 하부 스월 발생부(7200, 7300)를 나타내는 도면이다. 도 26의 (a)는 제1 하부 스월 발생부(7200)를 나타내고, 도 26의 (b)는 제1 하부 스월 발생부(7200)의 상단에 위치하는 제2 하부 스월 발생부(7300)를 나타낸다.

제1 하부 스월 발생부(7200)는 제2 서브 피드 스트림을 공급 받아 방전관(3000) 내부로 유입시킬 수 있다. 제1 하부 스월 발생부(7200)는 제1 유입관(7210), 제2 유입관(7220), 및 노즐부(7230)을 포함할 수 있다.

제1 유입관(7210) 및 제2 유입관(7220)은 가스 공급부와 연결되어 가스를 공급 받는 관이다. 예를 들어, 제1 유입관(7210) 및 제2 유입관(7220)은 제2 서브 피드 스트림이 공급되는 제2 가스 분리 관(232)과 연결될 수 있다.

노즐부(7230)는 제1 유입관(7210) 또는 제2 유입관(7220)으로 유입된 가스를 방전관(3000)으로 유입시키되, 그 과정에서 스월을 형성할 수 있다. 예를 들어, 노즐부(7230)는 제1 하부 스월 발생부(7200)의 중심을 기준으로 나선형으로 배열되는 복수의 노즐관들을 포함할 수 있다.

노즐부(7230)의 노즐관들이 배치되는 방향에 따라 노즐부(7230)를 통과하는 가스는 시계 방향 또는 반시계 방향의 스월 형태를 가질 수 있다. 도 26을 참고하면, 제1 하부 스월 발생부(7200)를 통해 방전관(3000)으로 공급되는 가스는 시계 방향의 스월 형태를 가질 수 있다.

제2 하부 스월 발생부(7300)는 수증기를 공급 받아 방전관(3000) 내부로 유입시킬 수 있다.

제2 하부 스월 발생부(7300)는 제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)을 포함할 수 있다.

제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)은 또 다른 가스 공급부와 연결되어 가스를 공급 받는 관이다. 예를 들어, 제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)은 수증기 공급 모듈(6200)과 연결되어 수증기를 공급 받을 수 있다.

제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)은 공급되는 가스가 특정 방향의 스월을 가지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 26에 도시된 바와 같이 제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)은 방전관(3000)에 접하는 형태로 배치되어, 제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)에서 유입되는 가스는 방전관(3000)의 가장자리 또는 내측면을 따라 회전할 수 있다. 이 때, 제3 유입관(7310) 및 제4 유입관(7320)의 배치 방향에 따라 제2 하부 스월 발생부(7300)를 통과하는 가스의 스월 방향이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 설정될 수 있다.

제1 하부 스월 발생부(7200) 및 제2 하부 스월 발생부(7300)는 각각 통과하는 가스가 서로 반대 방향의 스월을 가지도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 도 26의 (b)를 참고하면, 제1 하부 스월 발생부(7200)를 통과하는 메탄 풍부 가스의 스월 방향은 시계 방향이고, 제2 하부 스월 발생부(7300)를 통과하는 수증기의 스월 방향은 반시계 방향일 수 있다.

제1 하부 스월 발생부(7200) 및 제2 하부 스월 발생부(7300)를 각각 통과한 가스는 도 23에 도시된 바와 같이 방전관(3000) 및 가이드 구조체(8000) 사이를 통해 이동하여 플라즈마 유도 영역(PIR) 후단에 도달할 수 있다.

이처럼, 하부 스월 발생부(7200, 7300)를 통해 방전관(3000) 내 플라즈마 유도 영역(PIR)의 후단으로 유입되는 서로 다른 가스가 서로 다른 스월 방향을 가질 수 있고, 이 경우 화학 반응이 보다 활발하게 이루어져 가스 개질 효율이 향상될 수 있다.

이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

플라즈마가 생성되는 공간을 제공하는 방전관의 측면 둘레에 배치되는 안테나 구조체에 있어서,

제1 단위 안테나 내지 제n 단위 안테나를 포함하는 n개의 단위 안테나들(n은 2 이상의 자연수)을 포함하고,

상기 n개의 단위 안테나들 각각은,

제1 단과 제2 단을 포함하고 제1 곡률 반경을 가지는 제1 아크부분;

제3 단과 제4 단을 포함하고 제2 곡률 반경을 가지는 제2 아크부분; 및

상기 제1 아크부분의 상기 제2 단과 상기 제2 아크 부분의 상기 제3 단을 연결하는 아크연결부분;을 포함하고,

서로 인접한 제m 단위 안테나(m은 n 보다 작은 자연수)와 제m+1 단위 안테나는, 상기 방전관의 중심과 상기 제m 단위 안테나의 아크연결부분을 잇는 가상의 제1 선과 상기 방전관의 중심과 상기m+1 단위 안테나의 아크연결부분을 잇는 가상의 제2 선이 이루는 각도가 360/n도(degree)가 되도록 배치되며,

상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경과 다른,

안테나 구조체.
제1 항에 있어서,

상기 제1 곡률 반경은 상기 방전관의 측면 둘레에 대응되고,

상기 제2 곡률 반경은 상기 제1 곡률 반경 보다 큰 값을 가지는,

안테나 구조체.
제1 항에 있어서,

상기 제1 아크부분은 제1 중심각을 가지고,

상기 제1 중심각은 360/n도(degree) 이하인,

안테나 구조체.
제3 항에 있어서,

상기 제2 아크부분은 제2 중심각을 가지고,

상기 제2 중심각은 상기 제1 중심각 보다 작은,

안테나 구조체.
제1 항에 있어서,

상기 n은 3 이상의 자연수이고 상기 m은 n-1 보다 작은 자연수이며,

제m+2 단위 안테나가 상기 제m+1 단위 안테나와 서로 인접할 때,

상기m 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단과 상기m+2 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1 단은 전기적으로 연결되는,

안테나 구조체.
제5 항에 있어서,

상기m 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단과 상기m+2 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1 단 사이에 턴간 용량성 소자가 전기적으로 개재되는,

안테나 구조체.
제1 항에 있어서,

상기 n개의 단위 안테나들은 제1 평면에 배치되어 제1 층 안테나를 구성하는,

안테나 구조체.
제7 항에 있어서,

상기 제1 곡률 반경은 상기 제2 곡률 반경 보다 작고,

상기 제1 내지 제n 단위 안테나의 제1 아크부분은 상기 방전관을 둘러싸도록 상기 제1 층 안테나의 내측 턴을 구성하고,

상기 제1 내지 제n 단위 안테나의 제2 아크부분은 상기 내측 턴을 둘러싸도록 상기 제1 층 안테나의 외측 턴을 구성하는,

안테나 구조체.
제7 항에 있어서,

상기 n개의 단위 안테나들은 상기 제1 평면에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 배치되되,

상기 제m 단위 안테나의 제2 아크부분이 상기 제m+1 단위 안테나의 제1 아크부분의 적어도 일부를 감싸도록 배치되는,

안테나 구조체.
제7 항에 있어서,

상기 n개의 단위 안테나들과는 다른 p개의 단위 안테나들(p는 2 이상의 자연수)로 구성되는 제2 층 안테나를 더 포함하고,

상기 제2 층 안테나는 상기 제1 평면으로부터 소정 거리 이격되는 제2 평면에 배치되며,

상기 n개의 단위 안테나들 중 어느 하나의 단위 안테나와 상기 p개의 단위 안테나들 중 어느 하나의 단위 안테나는 층간 용량성 소자를 통해 전기적으로 연결되는,

안테나 구조체.
제1 항에 있어서,

상기 n은 3이고,

상기 제1 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단은 상기 제3 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1 단과 제1 턴간 용량성 소자를 통해 연결되고,

상기 제3 단위 안테나의 제2 아크부분의 제4 단은 상기 제2 단위 안테나의 제1 아크부분의 제1단과 제2 턴간 용량성 소자를 통해 연결되는,

안테나 구조체.