WO2024136306A1 - 플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비 - Google Patents

플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비 Download PDF

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WO2024136306A1
WO2024136306A1 PCT/KR2023/020665 KR2023020665W WO2024136306A1 WO 2024136306 A1 WO2024136306 A1 WO 2024136306A1 KR 2023020665 W KR2023020665 W KR 2023020665W WO 2024136306 A1 WO2024136306 A1 WO 2024136306A1
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WO
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electrode
cathode
space
plasma
cooling solution
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Application number
PCT/KR2023/020665
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English (en)
French (fr)
Inventor
이상엽
정상현
Original Assignee
한밭대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to plasma-related devices and their utilization, and more specifically, to plasma generating devices and plasma application equipment including the same.
  • Plasma refers to a state in which a gas is heated to an extremely high temperature and separated into electrons and ions with a positive charge. Plasma has a fairly high degree of charge separation and can have a neutral state with the same number of negative and positive charges overall. When energy is applied to a solid, it can become a liquid or gas, and when high energy is applied to a gaseous substance, the gas can be separated into electrons and atomic nuclei and become a plasma state. Plasma is used for various purposes in various industries.
  • Direct-fired (oxidation-type) scrubbers and plasma-type scrubbers are mainly used to treat harmful gases installed in semiconductor and display manufacturing lines.
  • Direct-fired scrubbers are capable of decomposing oxide-based gases, but decomposition of perfluorinated compounds (PFCs)-based gases require high-temperature treatment of approximately 1400°C or higher, and for this purpose, plasma-type scrubbers are used.
  • PFCs perfluorinated compounds
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to improve the cooling structure and minimize or eliminate the use of piping (tube-type piping), thereby increasing power consumption efficiency, preventing or minimizing water leakage/damage/defect problems, and significantly increasing service life.
  • the object is to provide a plasma generating device.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to perform various functions (multi-function) as an assembled structure (assembly), thereby improving the ease of manufacturing/assembly/disassembly, lowering the defect rate, and improving performance.
  • the aim is to provide a plasma generating device that can
  • the technical problem that the present invention aims to achieve is to reduce process interruption time by introducing a system that can predict the life of the device, and to fundamentally prevent problems such as toxic gas emissions by replacing parts before problems occur.
  • the aim is to provide a plasma generating device.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide plasma application equipment including the plasma generating device.
  • anode electrode having an ejection hole for ejecting plasma
  • an anode side housing surrounding a side of the anode electrode
  • a cooling solution injection part provided in the anode side housing
  • the anode electrode includes A first body portion including a first flow path through which the cooling solution injected through the cooling solution injection part moves; It is disposed in combination with the first body portion, a cathode electrode disposed opposite to the anode electrode, a cathode-side insulator surrounding a side of the cathode electrode, a cooling solution discharge portion coupled to the cathode electrode, and It is provided on the cathode side insulator and includes a gas injection part for injecting a gas for generating plasma between the anode electrode and the cathode electrode, the cathode side insulator includes a second flow path through which the cooling solution moves, and the cathode electrode a second body portion communicating with the second flow path and including a third flow path for
  • An intermediate space for generating plasma may exist between the anode electrode and the cathode-side insulator, and the gas may be provided to the intermediate space.
  • a ring-shaped pillar member coupled to the anode electrode may be disposed in the intermediate space, a plurality of gas supply holes may be formed in the ring-shaped pillar member, and the gas may be supplied through the plurality of gas supply holes to the ring-shaped pillar. It can be supplied inside the member.
  • An insulating member covering an upper end of the ring-shaped pillar member may be disposed between the ring-shaped pillar member and the cathode-side insulator, and a through hole may be formed in the insulating member, and a portion of the cathode electrode may be exposed through the through hole. may be introduced into the ring-shaped pillar member.
  • a first space may be provided between a first area on the side of the anode electrode and the anode-side housing, a second space may be provided under the anode electrode, and the first area on the side of the anode electrode may be provided.
  • a third space may be provided between the anode-side housing and a second region closer to the cathode-side insulator.
  • the first passage may include a 1-1 passage hole connecting the first space and the second space and a 1-2 passage hole connecting the second space and the third space, The cooling solution may move from the first space through the second space to the third space.
  • a fourth space may be provided between the middle portion of the cathode electrode and the cathode-side insulator.
  • the second flow path may include a second flow path hole connecting the third space and the fourth space, and the third flow path is formed in the middle portion of the cathode electrode and communicates with the cooling solution discharge portion. It may include a third flow path hole, and the cooling solution can move from the third space through the fourth space to the cooling solution discharge part.
  • the cathode-side insulator includes a first insulator portion having a first hollow hole, a second insulator portion disposed on an edge of the first insulator portion, and the cathode electrode disposed on the second insulator portion to be closer to the cathode electrode than the second insulator portion. It may include a third insulator portion having a structure protruding toward the surface.
  • the cathode electrode includes a first electrode portion inserted into the first hollow hole, a second electrode portion extending from the first electrode portion and disposed on the first insulator portion, and a second electrode portion extending from the second electrode portion. It may include a third electrode portion disposed on the third insulator portion. The third flow path may be formed in the second electrode portion and the third electrode portion.
  • a space may exist between the second and third insulator portions and the second electrode portion, and the cooling solution may move to the cooling solution discharge portion through the space portion.
  • a lower supporter supporting the first body may be further provided, and a lifespan prediction device unit for predicting the lifespan of the plasma generating device may be disposed within the lower supporter.
  • the life prediction device unit may include an electrically conductive material element and a plurality of electrical contact elements, and the life prediction device unit may be configured to activate the function of the plurality of electrical contact elements by melting the electrically conductive material element. .
  • the life prediction device may include a recess, the electrically conductive material element may be disposed at an entrance to an upper portion of the recess, and the plurality of electrical contact elements may be exposed to a surface inside the recess. can be placed. When the electrically conductive material element is melted, the melted electrically conductive material element may be configured to enter the interior of the recess portion.
  • a core hole may be formed along the center of the cathode electrode, and the cathode electrode may include a cathode core electrode portion disposed within the core hole, and the cathode core electrode portion may be disposed to face the anode electrode. It can be.
  • a vent hole connected to the core hole may be formed in the cathode electrode.
  • the cathode core electrode portion may include, for example, a tungsten alloy.
  • plasma application equipment including the above-described plasma generating device is provided.
  • the plasma application equipment may include a plasma scrubber.
  • a plasma generating device can be implemented. For example, when using the plasma generating device according to the embodiment, compared to the existing plasma generating device, power consumption efficiency can be increased by about 25% or more, and service life can be increased by about two times.
  • process downtime can be shortened by predicting the lifespan of a device using a system that can predict the lifespan of a device, and by replacing parts before problems occur, toxic gas emissions, etc. during facility shutdown. It is possible to implement a plasma generator that can fundamentally prevent problems.
  • the plasma generator device By applying the plasma generator device according to embodiments of the present invention, it may be possible to manufacture plasma application equipment that has excellent performance, is easy to maintain, and can reduce product production costs.
  • Figure 1 is a perspective view showing a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view exemplarily illustrating a path along which a cooling solution moves in a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram illustrating the configuration of a life prediction device unit that can be applied to a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a plasma generating device according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram illustrating plasma application equipment including a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • connection used in this specification not only means that certain members are directly connected, but also includes indirectly connected members with other members interposed between them.
  • a member when a member is said to be located “on” another member in the present specification, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members.
  • the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of the listed items.
  • terms such as “about” and “substantially” used in the specification herein are used in the sense of a range or close to the numerical value or degree, taking into account unique manufacturing and material tolerances, and to aid understanding of the present application. Precise or absolute figures provided for this purpose are used to prevent infringers from taking unfair advantage of the stated disclosure.
  • Figure 1 is a perspective view showing a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma generating device includes a first body portion (B10), a second body portion (B20) coupled to the first body portion (B10), and a second body portion (B20). It may include a cathode cover (C10) coupled to.
  • the second body B20 may be disposed between the first body B10 and the cathode cover C10.
  • the second body portion B20 may be disposed on the first body portion B10
  • the cathode cover C10 may be disposed on the second body portion B20.
  • the first body B10, the second body B20, and the cathode cover C10 may be assembled to form one structure.
  • the first body B10, the second body B20, and the cathode cover C10 may form one assembly having a substantially cylindrical shape.
  • the cooling solution injection part 150 may be coupled and installed to the first body part B10.
  • the cooling solution discharge portion 250 may be coupled and installed to the second body portion B20.
  • the cooling solution may be injected into the plasma generating device through the cooling solution injection unit 150, and the injected cooling solution may be discharged from the plasma generating device through the cooling solution discharge unit 250.
  • the cooling solution may be, for example, cooling water. In this case, the cooling solution may be referred to as PCW (process cooling water).
  • the cooling solution injection unit 150 may have a type of fitting structure.
  • the cooling solution discharge portion 250 may also have a type of fitting structure.
  • the cooling solution injection part 150 and the cooling solution discharge part 250 may be made of metal or may include metal as a main constituent material.
  • the cooling solution injection part 150 may be arranged to extend in the horizontal direction, and the cooling solution discharge part 250 may be arranged to extend in the vertical direction.
  • a gas injection unit 270 for injecting gas for plasma generation may be coupled and installed to the second body B20.
  • the gas for generating plasma may be injected into the plasma generating device through the gas injection unit 270.
  • the gas for generating plasma may include, as a non-limiting example, any one of N 2 gas, Ar gas, and He gas.
  • the gas injection unit 270 may have a type of fitting structure.
  • the gas injection unit 270 may be made of a metal material or may include metal as a main constituent material.
  • the gas injection unit 270 may be arranged to extend in the horizontal direction.
  • the gas injection unit 270 may be disposed on the opposite side to the cooling solution injection unit 150, but the position of the gas injection unit 270 may vary.
  • the cathode cover C10 may have a type of cap shape and may include a cover hole CH1 on its upper surface.
  • the cooling solution discharge portion 250 may be disposed to be exposed through the cover hole CH1.
  • the top of the cooling solution discharge unit 250 may have a slightly lower height than the top of the cathode cover (C10). Accordingly, the cooling solution discharge portion 250 may be disposed inside the cover hole CH1 and may not protrude outside the cover hole CH1.
  • the shape and size of the cathode cover C10 may vary.
  • a lower supporter (not shown) (50 in FIG. 2) supporting the first body B10 may be further disposed below the first body B10.
  • the lower support may have an approximately plate-shaped structure.
  • a flange member 70 may be further disposed around the lower support.
  • the flange member 70 may be coupled to the lower support.
  • the flange member 70 may have a structure extending in the horizontal direction around the first body portion B10.
  • the flange member 70 may have a generally flat annular structure.
  • a plurality of fastening holes FH1 may be formed in the flange member 70 for fastening to a lower structure (not shown).
  • Figure 2 is a cross-sectional view showing a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma generating device includes a first body portion (B10), a second body portion (B20) coupled to the first body portion (B10), and a second body portion (B20). It may include a cathode cover (C10) coupled to.
  • the first body portion B10 may include an anode electrode 100, an anode side housing 120 surrounding the side of the anode electrode 100, and a cooling solution injection portion 150 provided in the anode side housing 120.
  • the anode electrode 100 may have an ejection hole (JH1) for ejecting plasma.
  • the blowing hole JH1 may be formed to extend in a vertical direction in the drawing.
  • the blowing hole JH1 may be formed to penetrate the central part of the anode electrode 100. Therefore, the blowing hole JH1 can be said to be a hollow hole of the anode electrode 100.
  • Plasma plasma (plasma flame) may be ejected (sprayed) through the ejection hole (JH1).
  • the jet hole (JH1) can be said to be a type of plasma jet nozzle.
  • the anode electrode 100 may include a first flow path through which the cooling solution injected through the cooling solution injection unit 150 moves. The first flow path will be described in more detail later.
  • the anode-side housing 120 may surround the side of the anode electrode 100 and be partially joined to the anode electrode 100, and may be structurally coupled (fastened) to the anode electrode 100.
  • the anode-side housing 120 may be formed of an insulator or a conductor (electrical conductor). Insulation may be required between the anode electrode 100 and the cathode electrode 200, and the anode-side housing 120 may be formed of a conductor containing metal.
  • the cooling solution injection unit 150 may be installed inside the wall of the anode-side housing 120.
  • a fastening hole may be formed in the anode-side housing 120, and the cooling solution injection part 150 may be fastened and installed in the fastening hole.
  • the second body portion B20 may be disposed in combination with the first body portion B10.
  • the second body portion (B20) is coupled to the cathode electrode 200 disposed opposite to the anode electrode 100, the cathode side insulator 220 surrounding the side of the cathode electrode 200, and the cathode electrode 200. It may include a gas injection part 270 provided in the cooling solution discharge part 250 and the cathode side insulator 220 for injecting a gas for generating plasma between the anode electrode 100 and the cathode electrode 200.
  • the cathode-side insulator 220 may include a second flow path through which the cooling solution moves.
  • the cathode electrode 200 may be in communication with the second flow path and may include a third flow path for moving the cooling solution to the cooling solution discharge unit 250. The second and third flow paths will be described in more detail later.
  • the cathode-side insulator 220 may be partially bonded to the cathode electrode 200 while surrounding the side surface of the cathode electrode 200, and may be structurally coupled (fastened) to the cathode electrode 200. Additionally, the cathode-side insulator 220 may be structurally coupled (fastened) to the anode electrode 100.
  • the cathode-side insulator 220 may also be referred to as a cathode-side housing.
  • the gas injection unit 270 may be installed inside the wall of the cathode-side insulator 220. A gas inlet hole for gas injection may be formed in the cathode-side insulator 220, and a gas injection unit 270 may be installed by fastening to the gas inlet hole.
  • the gas injection unit 270 may be fastened and installed only in a portion of the outer area of the gas inlet hole.
  • the inner end of the gas inlet hole may have a structure bent at, for example, 90°.
  • the inner end of the gas inlet hole may be connected (exposed) to the middle space NS1, which will be described later, and gas for plasma generation may be supplied to the middle space NS1 through the gas inlet hole.
  • the structure of the gas inlet hole is not limited to the above and may vary in various ways.
  • a fastening hole may be formed on the top of the cathode electrode 200, and the cooling solution discharge unit 250 may be fastened to the fastening hole.
  • the cathode cover C10 may be disposed in combination with the second body portion B20 to cover the cathode electrode 200.
  • the cathode cover C10 may be structurally coupled to the cathode side insulator 220.
  • the cathode cover C10 may have an accommodation space that accommodates the upper portion of the cathode electrode 200 and at least a portion of the cooling solution discharge portion 250.
  • the cathode cover C10 may have a type of cap shape and may include a cover hole CH1 formed at the top.
  • the cooling solution discharge portion 250 may be exposed through the cover hole (CH1).
  • the cathode cover (C10) may be an insulator.
  • a lower supporter 50 supporting the first body B10 may be further disposed below the first body B10.
  • the lower support 50 may have an approximately plate-shaped structure.
  • the anode electrode 100 and the anode-side housing 120 may be disposed coupled to the lower support body 50.
  • a flange member 70 may be further disposed around the lower support body 50.
  • the flange member 70 may be coupled to the lower support 50.
  • the flange member 70 may have a structure extending in the horizontal direction around the first body portion B10.
  • the flange member 70 may have a generally flat annular structure.
  • a plurality of fastening holes FH1 may be formed in the flange member 70 for fastening to a lower structure (not shown).
  • an intermediate space (NS1) for plasma generation may exist between the anode electrode 100 and the cathode side insulator 220, and the gas (gas for plasma generation) may exist in the intermediate space (NS1). It can be provided as .
  • the gas may be provided to the edge area (outer part) of the intermediate space NS1.
  • a ring-shaped pillar member 105 coupled to the anode electrode 100 may be disposed in the intermediate space NS1, and a plurality of gas supply holes may be formed in the ring-shaped pillar member 105, and the plurality of gas supply holes may be formed. The gas may be supplied into the interior of the ring-shaped pillar member 105 through the hole.
  • An insulating member 110 covering the top (upper opening) of the ring-shaped pillar member 105 may be disposed between the ring-shaped pillar member 105 and the cathode-side insulator 220, and a through hole may be formed in the insulating member 110. may be formed, and a portion of the cathode electrode 200 may be introduced into the ring-shaped pillar member 105 through the through hole.
  • the upper surfaces of the ring-shaped pillar member 105, the insulating member 110, and the anode electrode 100 define one reaction space.
  • the anode electrode 100 and the cathode electrode 200 may be disposed close to each other within the reaction space, and the gas for generating plasma may be supplied into the reaction space.
  • plasma can be generated by arcing within the reaction space, and the generated plasma (plasma flame) is emitted through the ejection hole (JH1). ) can be ejected through.
  • the ring-shaped pillar member 105 may serve to block heat from spreading outside the reaction space.
  • the ring-shaped pillar member 105 may be formed of a metal such as stainless steel (ex, SUS).
  • the insulating member 110 may have a plate-shaped structure with the through hole, and may serve to electrically insulate between the cathode electrode 200 and the ring-shaped pillar member 105.
  • a first space S1 may be provided between the first area on the side of the anode electrode 100 and the anode-side housing 120, and a second space may be provided below the anode electrode 100.
  • a portion S2 may be provided, and a third space S3 may be provided between the anode side housing 120 and a second region closer to the cathode side insulator 220 than the first region on the side of the anode electrode 100.
  • the first space S1 may be arranged to face the cooling solution injection part 150.
  • the second space S2 may be defined between a portion of the lower surface of the anode electrode 100 and the lower support 50.
  • the third space S3 may be disposed above the second space S2 and may have a structure extending to contact the lower surface of the cathode-side insulator 220.
  • the anode electrode 100 may include a first flow path through which the cooling solution injected through the cooling solution injection unit 150 moves.
  • the first flow path connects the 1-1 flow hole (P11) connecting the first space (S1) and the second space (S2) and the second space (S2) and the third space (S3). It may include a 1-2 flow path hole (P12).
  • a plurality of 1-1 passage holes (P11) may be formed, and a plurality of 1-2 passage holes (P12) may be formed.
  • the 1-1st passage hole (P11) and the 1-2th passage hole (P12) can be called cooling holes.
  • the cooling solution may move from the first space (S1) to the third space (S3) through the second space (S2).
  • a fourth space S4 may be provided between the middle portion of the cathode electrode 200 (middle portion along the vertical direction in the drawing) and the cathode-side insulator 220.
  • the cathode-side insulator 220 may include a second flow path through which the cooling solution moves.
  • the second flow path may include a second flow path hole (P2) connecting the third space (S3) and the fourth space (S4).
  • a plurality of second passage holes P2 may be formed.
  • the second passage hole (P2) can be called a cooling hole.
  • the cathode electrode 200 may be in communication with the second flow path and may include a third flow path for moving the cooling solution to the cooling solution discharge unit 250.
  • the third flow path may include a third flow path hole P3 formed in the middle portion of the cathode electrode 200 and communicating (connected) with the cooling solution discharge portion 250.
  • a plurality of third passage holes P3 may be formed.
  • an upper hole in communication with (connected to) the third passage hole P3 may be formed at the top of the cathode electrode 200, and the upper hole may be connected to the cooling solution discharge portion 250.
  • the upper hole may be a type of hollow hole. The upper hole can also be viewed as included in the third flow path.
  • the cooling solution may move from the third space S3 to the cooling solution discharge unit 250 through the fourth space S4.
  • the cathode-side insulator 220 includes a first insulator portion 220a having a first hollow hole, a second insulator portion 220b disposed on an edge area of the first insulator portion 220a, and a first insulator portion 220b. 2 It may include a third insulator portion 220c disposed on the insulator portion 220b and having a structure that protrudes toward the cathode electrode 200 rather than the second insulator portion 220b.
  • the cathode electrode 200 includes a first electrode portion 200a inserted into the first hollow hole and a second electrode portion extending from the first electrode portion 200a and disposed on the first insulator portion 220a.
  • It may include an electrode portion 200b and a third electrode portion 200c extending from the second electrode portion 200b and disposed on the third insulator portion 220c.
  • the second electrode portion 200b can be said to be the middle portion of the cathode electrode 200.
  • the third flow path may be formed in the second electrode portion 200b and the third electrode portion 200c.
  • the outer portion of the lower surface of the first insulator portion 220a may protrude in a downward direction and may be joined and combined with the anode-side housing 120 and the anode electrode 100.
  • the outer portion of the upper surface of the third insulator portion 220c may protrude upward and may be bonded and combined with the cathode cover C10.
  • a space may exist between the second and third insulator parts 220a and 220b and the second electrode part 200b, and here, the space may correspond to the fourth space S4 described above.
  • the cooling solution may move to the cooling solution discharge unit 250 through the fourth space S4.
  • the first space S1 may have a substantially closed structure except for the cooling solution injection part 150 and the 1-1 flow hole P11, and the first space S1 may have a substantially closed structure. Excluding the 1-1 passage hole (P11) and the 1-2 passage hole (P12), it may have a substantially closed structure, and the third space (S3) includes the 1-2 passage hole (P12) and the second passage hole (P12). 2 Excluding the channel hole (P2), it can have a substantially closed structure. Additionally, the fourth space S4 may have a substantially closed structure except for the second passage hole P2 and the third passage hole P3.
  • the intermediate space NS1 may have a substantially closed structure except for the gas injection portion 270 and the blowing hole JH1.
  • Figure 3 is a cross-sectional view exemplarily illustrating a path along which a cooling solution moves in a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • the cooling solution may be injected into the cooling solution injection unit 150, and may be injected into the first space (S1), the 1-1 passage hole (P11), the second space (S2), and the 1-2 passage hole (P12). , it may sequentially pass through the third space (S3), the second passage hole (P2), the fourth space (S4), and the third passage hole (P3) and then be discharged through the cooling solution discharge unit 250. According to the movement of this cooling solution, the heat generated during the plasma generation process can be effectively cooled.
  • a plasma generating device can be implemented. For example, when using the plasma generating device according to the embodiment, compared to the existing plasma generating device, power consumption efficiency can be increased by about 25% or more, and service life can be increased by about two times.
  • power consumption efficiency can be increased by about 25% or more, and service life can be increased by about two times.
  • multi-function multi-function
  • ease of manufacturing/assembly/disassembly can be improved, defect rate can be reduced, and performance can be improved. It is possible to implement a plasma generating device that can
  • the plasma generator according to an embodiment of the present invention does not use a cooling pipe (tube) or a gas injection pipe (tube) inside the plasma generator, and the cooling solution flow path is formed through a plurality of holes and components. It can be implemented as a space between them, and injection of gas for plasma generation can also be implemented through a hole and a gas injection unit 270 installed in the hole.
  • the cathode side insulator 220 may be integrated (coupled) with the gas injection part 270 while performing the function of an insulator surrounding the cathode electrode 200, and also includes the second flow path for movement of the cooling solution. can do.
  • the anode-side housing 120 can be integrated (coupled) with the cooling solution injection part 150 while performing the function of an insulator surrounding the anode electrode 100, and the anode electrode 100 is the anode electrode 100 for movement of the cooling solution. It may include the first euro. Therefore, cooling pipes (tubes) and gas injection pipes (tubes) may not be used inside the plasma generator.
  • the plasma generating device may be a type of plasma torch.
  • the plasma generating device may further include a lifespan prediction device unit for predicting the lifespan of the plasma generating device.
  • a lower support 50 supporting the first body B10 may be further provided, and the life prediction device may be provided within the lower support 50.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of a life prediction device unit 300 that can be applied to a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma generating device may include a lifespan prediction device unit 300.
  • the life prediction device unit 300 may be installed in the lower support 50 of FIG. 2 .
  • the life prediction device unit 300 may include an electrically conductive material element (CM1) and a plurality of electrical contact elements (CC1, CC2).
  • the life prediction device unit 300 may be configured to activate the functions of the plurality of electrical contact elements CC1 and CC2 by melting the electrically conductive material element CM1.
  • the function of the plurality of electrical contact elements (CC1, CC2) is a function expressed by the plurality of electrical contact elements (CC1, CC2), for example, sounding an alarm indicating replacement time or other replacement signal. It may be a display function.
  • the life prediction device unit 300 may include a predetermined recess portion (R10), and the electrically conductive material element (CM1) may be disposed at the entrance to the upper portion of the recess portion (R10).
  • the plurality of electrical contact elements CC1 and CC2 may be disposed to be exposed to the inner surface of the recessed portion R10.
  • the electrically conductive material element CM1 may have, for example, a bead structure.
  • the electrically conductive material element CM1 may be disposed to span the entrance portion of the recess portion R10, and may not enter the interior (lower portion) of the recess portion R10 in an unmelted state.
  • the electrically conductive material element (CM1) may be composed of a material having a relatively low melting point and excellent conductivity, such as, but not limited to, lead or indium.
  • the electrically conductive material element (CM1) When the electrically conductive material element (CM1) is melted, the melted electrically conductive material element (CM1) may enter the interior of the recess portion (R10), and thus function by the plurality of electrical contact elements (CC1, CC2). This can be activated.
  • the function can be activated at a desired temperature.
  • Each of the plurality of electrical contact elements CC1 and CC2 may include electrical wiring.
  • the size (diameter) of the ejection hole JH1 through which plasma is ejected can be gradually expanded. That is, the size (diameter) of the ejection hole JH1 may gradually increase due to etching by high-temperature plasma and heat. As the size (diameter) of the blowing hole (JH1) expands, the heat transferred to the life prediction device unit 300 increases, and the temperature increase of the life prediction device unit 300 by plasma may gradually increase, given the At a temperature level, the electrically conductive material element (CM1) may melt and activate the function of the plurality of electrical contact elements (CC1, CC2). Therefore, it is possible to determine when to replace the anode electrode (100 in FIG.
  • the life prediction device unit 300 may also be replaced or its function may be updated.
  • process downtime can be shortened by predicting the lifespan using the lifespan prediction device unit 300, which can predict the lifespan of the device, and by replacing parts before a problem occurs, toxicity during facility shutdown can be reduced. It is possible to implement a plasma generator that can fundamentally prevent problems such as gas emissions.
  • the specific configuration of the life prediction device unit 300 described with reference to FIG. 4 is merely illustrative and may vary in various ways.
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a plasma generating device according to another embodiment of the present invention.
  • the plasma generating device may have a structure partially modified from the plasma generating device of FIG. 2.
  • a core hole (h1) may be formed along the center of the cathode electrode 200', and the cathode electrode 200' may be a cathode disposed within the core hole (h1). It may include a core electrode unit 210.
  • the cathode core electrode portion 210 may be disposed to face the anode electrode 100.
  • a core hole (h1) extending in a vertical direction may be formed in the first electrode portion (200a') of the cathode electrode (200'), and the cathode core electrode portion (210) may be disposed within the core hole (h1). .
  • the cathode core electrode portion 210 may have superior electrical conductivity and superior durability than the remaining portion of the cathode electrode 200' (i.e., the main body electrode portion).
  • the cathode core electrode portion 210 may include a tungsten alloy.
  • a vent hole V1 connected to the core hole h1 may be further formed in the cathode electrode 200'.
  • the vent hole V1 may be connected to the upper end of the core hole h1 or a portion adjacent thereto, and may be disposed to be exposed toward the cathode-side insulator 220.
  • the vent hole V1 may be formed to extend in the horizontal direction in the first electrode portion 200a' of the cathode electrode 200'.
  • the remaining configuration except for the cathode electrode 200' may be the same as the plasma generating device described in FIG. 2 .
  • the plasma generating device can be applied to various plasma application equipment.
  • the plasma generating device can be installed in a manufacturing line for semiconductors or displays and applied to plasma scrubber equipment that decomposes harmful gases.
  • the plasma generator is used in the processing of industrial and medical waste, metal processing for metal cutting and coating surface treatment, raw material manufacturing processes such as nano powder and silicon manufacturing, hydrogen production, biomass production, and energy. It can be applied to various fields, including the recovery field.
  • Figure 6 is a diagram illustrating plasma application equipment including a plasma generating device according to an embodiment of the present invention.
  • plasma application equipment may be a plasma scrubber.
  • the plasma application equipment may include a plasma generating device 500 and a reaction chamber 600 disposed in contact with the plasma generating device 500.
  • a reaction chamber 600 may be disposed below the plasma generating device 500.
  • the plasma generator 500 may have the configuration and features described with reference to FIGS. 1 to 5 .
  • Plasma (plasma flame) generated by the plasma generating device 500 may be injected into the reaction chamber 600. Harmful gases generated from a certain manufacturing line may flow into the reaction chamber 600. The harmful gas may be decomposed by the plasma (plasma flame) within the reaction chamber 600.
  • the plasma application equipment may further include a separate device unit for subsequently processing the gas (harmful gas) decomposed by the plasma (plasma flame).
  • the configuration of the plasma application equipment described with reference to FIG. 6 is merely an example, and the configuration of the plasma application equipment may vary depending on the field/purpose/use, etc.
  • process downtime can be shortened by predicting the lifespan of a device using a system that can predict the lifespan of a device, and by replacing parts before problems occur, toxic gas emissions, etc. during facility shutdown. It is possible to implement a plasma generator that can fundamentally prevent problems.
  • the plasma generator device according to embodiments of the present invention it may be possible to manufacture plasma application equipment that has excellent performance, is easy to maintain, and can reduce product production costs.
  • B10 first body
  • B20 second body
  • anode electrode 105 ring-shaped pillar member
  • insulating member 120 anode side housing
  • cathode core electrode portion 220 cathode side insulator
  • Cooling solution discharge part 270 Gas injection part
  • the present invention relates to a plasma generating device and plasma application equipment including the same, and has industrial applicability.

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비에 관해 개시되어 있다. 개시된 플라즈마 발생 장치는 플라즈마 분출을 위한 분출홀을 갖는 애노드 전극, 상기 애노드 전극의 측면을 둘러싸는 애노드측 하우징 및 상기 애노드측 하우징에 구비된 냉각용액 주입부를 포함하고, 상기 애노드 전극은 상기 냉각용액 주입부를 통해 주입된 냉각용액이 이동되는 제 1 유로를 포함하는 제 1 몸체부, 상기 제 1 몸체부 상에 이와 결합되어 배치된 것으로, 상기 애노드 전극과 대향하여 배치되는 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극의 측면을 둘러싸는 캐소드측 절연체, 상기 캐소드 전극에 결합되어 구비된 냉각용액 배출부 및 상기 캐소드측 절연체에 구비되어 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이로 플라즈마 발생용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 포함하고, 상기 캐소드측 절연체는 상기 냉각용액이 이동되는 제 2 유로를 포함하고, 상기 캐소드 전극은 상기 제 2 유로와 연통되어 상기 냉각용액을 상기 냉각용액 배출부로 이동시키기 위한 제 3 유로를 포함하는 제 2 몸체부 및 상기 캐소드 전극을 덮도록 상기 제 2 몸체부와 결합되어 배치된 캐소드 커버를 포함할 수 있다.

Description

플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비
본 발명은 플라즈마 관련 장치 및 그 활용에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비에 관한 것이다.
플라즈마란 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다. 플라즈마는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하 수가 같아서 중성 상태를 가질 수 있다. 고체에 에너지를 가하면 액체 및 기체가 될 수 있고, 기체 상태의 물질에 높은 에너지를 가하면 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라즈마 상태가 될 수 있다. 플라즈마는 다양한 산업 분야에서 여러 가지 용도로 사용되고 있다.
반도체 및 디스플레이 제조 라인에 설치되는 유해가스 처리용 스크러버(scrubber)는 직화식(산화식) 스크러버와 플라즈마식 스크러버가 주로 이용된다. 직화식 스크러버는 산화물계 가스의 분해는 가능하지만, 과불화 화합물(perfluorinated compounds)(PFCs)계 가스의 분해를 위해서는 약 1400 ℃ 이상의 고온 처리가 요구되므로, 이를 위해, 플라즈마 방식의 스크러버가 사용되고 있다.
그러나 기존의 플라즈마식 스크러버의 경우, 전력 사용 효율이 낮고 가스 분해 효율이 낮으며 사용 수명이 비교적 짧은 문제가 있다. 또한, 기존의 플라즈마식 스크러버는 냉각용 배관(튜브)이나 가스 주입용 배관(튜브)을 사용하기 때문에, 제조가 용이하지 않을 뿐 아니라 누수, 손상 및 불량 문제 등이 쉽게 발생할 수 있다. 따라서, 관리 및 유지보수가 어려워지고 환경/안전 관리 비용이 상승하며, 결과적으로, 반도체/디스플레이 소자의 제조 단가가 높아질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 냉각 구조를 개선하고 배관(튜브형 배관)의 사용을 최소화 내지 배제함으로써, 전력 소비 효율을 높이고 누수/손상/불량 문제를 방지 내지 최소화하며 사용 수명을 크게 증가시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 조립된 하나의 구조물(조립체)로서 다양한 기능(다기능)을 수행하도록 함으로써, 제조/조립/분해의 용이성을 개선할 수 있고 불량률을 낮출 수 있으며 성능을 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 장치의 수명을 예측할 수 있는 시스템을 도입하여 공정 중단 시간을 단축시킬 수 있고, 문제 발생 이전에 부품을 교환함으로써 독성 가스 배출 등의 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 플라즈마 발생 장치를 포함하는 플라즈마 응용 장비를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 플라즈마 분출을 위한 분출홀을 갖는 애노드 전극, 상기 애노드 전극의 측면을 둘러싸는 애노드측 하우징 및 상기 애노드측 하우징에 구비된 냉각용액 주입부를 포함하고, 상기 애노드 전극은 상기 냉각용액 주입부를 통해 주입된 냉각용액이 이동되는 제 1 유로를 포함하는, 제 1 몸체부; 상기 제 1 몸체부 상에 이와 결합되어 배치된 것으로, 상기 애노드 전극과 대향하여 배치되는 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극의 측면을 둘러싸는 캐소드측 절연체, 상기 캐소드 전극에 결합되어 구비된 냉각용액 배출부 및 상기 캐소드측 절연체에 구비되어 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이로 플라즈마 발생용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 포함하고, 상기 캐소드측 절연체는 상기 냉각용액이 이동되는 제 2 유로를 포함하고, 상기 캐소드 전극은 상기 제 2 유로와 연통되어 상기 냉각용액을 상기 냉각용액 배출부로 이동시키기 위한 제 3 유로를 포함하는, 제 2 몸체부; 및 상기 캐소드 전극을 덮도록 상기 제 2 몸체부와 결합되어 배치된 캐소드 커버를 포함하는 플라즈마 발생 장치가 제공된다.
상기 애노드 전극과 상기 캐소드측 절연체 사이에 플라즈마 발생을 위한 중간 공간부가 존재할 수 있고, 상기 가스는 상기 중간 공간부로 제공될 수 있다. 상기 중간 공간부 내에 상기 애노드 전극과 결합된 링형 기둥 부재가 배치될 수 있고, 상기 링형 기둥 부재에 복수의 가스 공급홀이 형성될 수 있고, 상기 복수의 가스 공급홀을 통해서 상기 가스가 상기 링형 기둥 부재의 내부로 공급될 수 있다. 상기 링형 기둥 부재와 상기 캐소드측 절연체 사이에 상기 링형 기둥 부재의 상단을 덮어주는 절연성 부재가 배치될 수 있고, 상기 절연성 부재에 관통홀이 형성될 수 있으며, 상기 관통홀을 통해서 상기 캐소드 전극의 일부가 상기 링형 기둥 부재 안쪽으로 인입될 수 있다.
상기 애노드 전극의 측면의 제 1 영역과 상기 애노드측 하우징 사이에 제 1 공간부가 제공될 수 있고, 상기 애노드 전극의 하부에 제 2 공간부가 제공될 수 있고, 상기 애노드 전극의 측면에서 상기 제 1 영역 보다 상기 캐소드측 절연체에 가까운 제 2 영역과 상기 애노드측 하우징 사이에 제 3 공간부가 제공될 수 있다. 상기 제 1 유로는 상기 제 1 공간부와 상기 제 2 공간부를 연결하는 제 1-1 유로홀 및 상기 제 2 공간부와 상기 제 3 공간부를 연결하는 제 1-2 유로홀을 포함할 수 있고, 상기 냉각용액은 상기 제 1 공간부에서 상기 제 2 공간부를 거쳐 상기 제 3 공간부로 이동할 수 있다.
상기 캐소드 전극의 중간 부분과 상기 캐소드측 절연체 사이에 제 4 공간부가 제공될 수 있다. 상기 제 2 유로는 상기 제 3 공간부와 상기 제 4 공간부를 연결하는 제 2 유로홀을 포함할 수 있고, 상기 제 3 유로는 상기 캐소드 전극의 중간 부분에 형성되어 상기 냉각용액 배출부와 연통된 제 3 유로홀을 포함할 수 있고, 상기 냉각용액은 상기 제 3 공간부에서 상기 제 4 공간부를 거쳐 상기 냉각용액 배출부로 이동할 수 있다.
상기 캐소드측 절연체는 제 1 중공홀을 갖는 제 1 절연체부, 상기 제 1 절연체부의 가장자리 상에 배치된 제 2 절연체부 및 상기 제 2 절연체부 상에 배치되고 상기 제 2 절연체부 보다 상기 캐소드 전극을 향하여 돌출된 구조를 갖는 제 3 절연체부를 포함할 수 있다. 상기 캐소드 전극은 상기 제 1 중공홀에 삽입되어 배치되는 제 1 전극부, 상기 제 1 전극부로부터 연장되어 상기 제 1 절연체부 상에 배치되는 제 2 전극부 및 상기 제 2 전극부로부터 연장되어 상기 제 3 절연체부 상에 배치되는 제 3 전극부를 포함할 수 있다. 상기 제 3 유로는 상기 제 2 전극부와 상기 제 3 전극부에 형성될 수 있다.
상기 제 2 및 제 3 절연체부와 상기 제 2 전극부 사이에 공간부가 존재할 수 있고, 상기 냉각용액은 상기 공간부를 통해서 상기 냉각용액 배출부로 이동할 수 있다.
상기 제 1 몸체부를 지지하는 하부 지지체가 더 구비될 수 있고, 상기 하부 지지체 내에 상기 플라즈마 발생 장치의 수명을 예측하기 위한 수명 예측 장치부가 배치될 수 있다.
상기 수명 예측 장치부는 전기전도성 물질 요소 및 복수의 전기 접점 요소를 포함할 수 있고, 상기 수명 예측 장치부는 상기 전기전도성 물질 요소의 용융에 의해 상기 복수의 전기 접점 요소의 기능을 활성화하도록 구성될 수 있다.
상기 수명 예측 장치부는 리세스부를 포함할 수 있고, 상기 전기전도성 물질 요소는 상기 리세스부의 입구부 내지 상부에 배치될 수 있으며, 상기 복수의 전기 접점 요소는 상기 리세스부의 내부의 표면측으로 노출되도록 배치될 수 있다. 상기 전기전도성 물질 요소의 용융시, 용융된 상기 전기전도성 물질 요소가 상기 리세스부의 내부로 들어가도록 구성될 수 있다.
상기 캐소드 전극의 중심부를 따라 코어홀(core hole)이 형성될 수 있고, 상기 캐소드 전극은 상기 코어홀 내에 배치된 캐소드 코어 전극부를 포함할 수 있으며, 상기 캐소드 코어 전극부는 상기 애노드 전극에 대향하도록 배치될 수 있다. 상기 캐소드 전극에 상기 코어홀과 연결되는 벤트홀(vent hole)이 형성될 수 있다.
상기 캐소드 코어 전극부는, 예컨대, 텅스텐 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전술한 플라즈마 발생 장치를 포함하는 플라즈마 응용 장비가 제공된다.
상기 플라즈마 응용 장비는 플라즈마 스크러버(plasma scrubber)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 냉각 구조를 개선하고 배관(튜브형 배관)의 사용을 최소화 내지 배제함으로써, 전력 소비 효율을 높이고 누수/손상/불량 문제를 방지 내지 최소화하며 사용 수명을 크게 증가시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 이용하면, 기존의 플라즈마 발생 장치와 비교하여, 전력 소비 효율은 약 25% 이상 증가시킬 수 있고, 사용 수명은 약 2배 정도 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 조립된 하나의 구조물(조립체)로서 다양한 기능(다기능)을 수행하도록 함으로써, 제조/조립/분해의 용이성을 개선할 수 있고 불량률을 낮출 수 있으며 성능을 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 장치의 수명을 예측할 수 있는 시스템을 이용해서 수명을 예측함으로써 공정 중단 시간을 단축시킬 수 있고, 문제 발생 이전에 부품을 교환함으로써 설비 정지 중에 독성 가스 배출 등의 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 적용하면, 성능이 우수하고 유지관리가 용이하며 제품 생산 비용을 낮출 수 있는 플라즈마 응용 장비의 제조가 가능할 수 있다.
그러나, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 보여주는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서 냉각용액이 이동하는 경로를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에 적용될 수 있는 수명 예측 장치부의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 포함하는 플라즈마 응용 장비를 예시적으로 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 설명할 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 명확하게 설명하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태의 용어는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이라는 용어는 언급한 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 단계, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 "연결"이라는 용어는 어떤 부재들이 직접적으로 연결된 것을 의미할 뿐만 아니라, 부재들 사이에 다른 부재가 더 개재되어 간접적으로 연결된 것까지 포함하는 개념이다.
아울러, 본원 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서에서 사용된 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 또한, 본원 명세서에서 사용되는 "약", "실질적으로" 등의 정도의 용어는 고유한 제조 및 물질 허용 오차를 감안하여, 그 수치나 정도의 범주 또는 이에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 제공된 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 영역이나 파트들의 사이즈나 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 보여주는 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 제 1 몸체부(B10), 제 1 몸체부(B10)에 결합된 제 2 몸체부(B20) 및 제 2 몸체부(B20)에 결합된 캐소드 커버(C10)를 포함할 수 있다. 제 2 몸체부(B20)는 제 1 몸체부(B10)와 캐소드 커버(C10) 사이에 배치될 수 있다. 도면상, 제 1 몸체부(B10) 위에 제 2 몸체부(B20)가 배치될 수 있고, 제 2 몸체부(B20) 위에 캐소드 커버(C10)가 배치될 수 있다. 제 1 몸체부(B10), 제 2 몸체부(B20) 및 캐소드 커버(C10)는 조립되어 하나의 구조체를 이룰 수 있다. 예를 들어, 제 1 몸체부(B10), 제 2 몸체부(B20) 및 캐소드 커버(C10)는 대략 원통 형상을 갖는 하나의 조립체를 구성할 수 있다.
제 1 몸체부(B10)에 냉각용액 주입부(150)가 결합되어 설치될 수 있다. 제 2 몸체부(B20)에 냉각용액 배출부(250)가 결합되어 설치될 수 있다. 냉각용액 주입부(150)를 통해서 냉각용액이 상기 플라즈마 발생 장치로 주입될 수 있고, 상기 주입된 냉각용액은 냉각용액 배출부(250)를 통해서 상기 플라즈마 발생 장치로부터 배출될 수 있다. 상기 냉각용액은, 예컨대, 냉각수일 수 있다. 이 경우, 상기 냉각용액은 PCW(process cooling water)라고 할 수 있다. 냉각용액 주입부(150)는 일종의 피팅(fitting) 구조를 가질 수 있다. 이와 유사하게, 냉각용액 배출부(250)도 일종의 피팅 구조를 가질 수 있다. 냉각용액 주입부(150) 및 냉각용액 배출부(250)는 금속 재질로 구성되거나, 금속을 주요 구성 물질로 포함할 수 있다. 냉각용액 주입부(150)는 수평 방향으로 연장되어 배치될 수 있고, 냉각용액 배출부(250)는 수직 방향으로 연장되어 배치될 수 있다.
제 2 몸체부(B20)에 플라즈마 발생용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(270)가 결합되어 설치될 수 있다. 가스 주입부(270)를 통해서 상기 플라즈마 발생용 가스가 상기 플라즈마 발생 장치 내부로 주입될 수 있다. 여기서, 상기 플라즈마 발생용 가스는, 비제한적인 예로서, N2 가스, Ar 가스, He 가스 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 가스 주입부(270)는 일종의 피팅(fitting) 구조를 가질 수 있다. 가스 주입부(270)는 금속 재질로 구성되거나, 금속을 주요 구성 물질로 포함할 수 있다. 가스 주입부(270)는 수평 방향으로 연장되어 배치될 수 있다. 가스 주입부(270)는 냉각용액 주입부(150)에 대하여 반대 쪽에 배치될 수 있지만, 가스 주입부(270)의 위치는 다양하게 변화될 수 있다.
캐소드 커버(C10)는 일종의 캡(cap) 모양을 가질 수 있고, 그 상면부에 커버 홀(CH1)을 포함할 수 있다. 냉각용액 배출부(250)는 커버 홀(CH1)을 통해서 노출되도록 배치될 수 있다. 냉각용액 배출부(250)의 상단은 캐소드 커버(C10)의 상단 보다 다소 낮은 높이를 가질 수 있다. 따라서, 냉각용액 배출부(250)는 커버 홀(CH1) 안쪽에 배치되고, 그 외부로 돌출되지 않을 수 있다. 그러나, 캐소드 커버(C10)의 형태나 크기 등은 다양하게 변화될 수 있다.
제 1 몸체부(B10) 아래에는 제 1 몸체부(B10)를 지지하는 하부 지지체(도시 안됨)(도 2의 50)가 더 배치될 수 있다. 상기 하부 지지체는 대략적으로 판형 구조를 가질 수 있다. 상기 하부 지지체의 주위에는 플랜지 부재(70)가 더 배치될 수 있다. 플랜지 부재(70)는 상기 하부 지지체와 결합될 수 있다. 플랜지 부재(70)는 제 1 몸체부(B10)의 주위로 수평 방향으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 플랜지 부재(70)는 대체로 평평한 환형 구조를 가질 수 있다. 플랜지 부재(70)에는 하부 구조물(미도시)과의 체결을 위한 복수의 체결홀(FH1)이 형성될 수 있다.
아래에서 도 2를 참조하여 상기 플라즈마 발생 장치의 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 제 1 몸체부(B10), 제 1 몸체부(B10)에 결합된 제 2 몸체부(B20) 및 제 2 몸체부(B20)에 결합된 캐소드 커버(C10)를 포함할 수 있다.
제 1 몸체부(B10)는 애노드 전극(100), 애노드 전극(100)의 측면을 둘러싸는 애노드측 하우징(120) 및 애노드측 하우징(120)에 구비된 냉각용액 주입부(150)를 포함할 수 있다. 애노드 전극(100)은 플라즈마 분출을 위한 분출홀(JH1)을 가질 수 있다. 분출홀(JH1)은 도면상 수직한 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 분출홀(JH1)은 애노드 전극(100)의 중앙부를 관통하도록 형성될 수 있다. 따라서, 분출홀(JH1)은 애노드 전극(100)의 중공홀이라고 할 수 있다. 분출홀(JH1)을 통해서 플라즈마(플라즈마 화염)가 분출(분사)될 수 있다. 분출홀(JH1)은 일종의 플라즈마 제트 노즐(plasma jet nozzle)이라고 할 수 있다. 또한, 애노드 전극(100)은 냉각용액 주입부(150)를 통해 주입된 냉각용액이 이동되는 제 1 유로를 포함할 수 있다. 상기 제 1 유로에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명한다.
애노드측 하우징(120)은 애노드 전극(100)의 측면을 둘러싸면서 애노드 전극(100)과 부분적으로 접합될 수 있고, 애노드 전극(100)과 구조적으로 결합(체결)될 수 있다. 애노드측 하우징(120)은 절연체 또는 도전체(전기전도체)로 형성될 수 있다. 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(200) 사이에 절연이 요구될 수 있고, 애노드측 하우징(120)은 금속을 포함한 도전체로 형성될 수 있다. 냉각용액 주입부(150)는 애노드측 하우징(120)의 벽체 내부로 인입되어 설치될 수 있다. 애노드측 하우징(120)에 체결홀이 형성될 수 있고, 상기 체결홀에 냉각용액 주입부(150)가 체결되어 설치될 수 있다.
제 2 몸체부(B20)는 제 1 몸체부(B10) 상에 이와 결합되어 배치될 수 있다. 제 2 몸체부(B20)는 애노드 전극(100)과 대향하여 배치되는 캐소드 전극(200), 캐소드 전극(200)의 측면을 둘러싸는 캐소드측 절연체(220), 캐소드 전극(200)에 결합되어 구비된 냉각용액 배출부(250) 및 캐소드측 절연체(220)에 구비되어 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(200) 사이로 플라즈마 발생용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부(270)를 포함할 수 있다. 캐소드측 절연체(220)는 상기 냉각용액이 이동되는 제 2 유로를 포함할 수 있다. 캐소드 전극(200)은 상기 제 2 유로와 연통되어 상기 냉각용액을 냉각용액 배출부(250)로 이동시키기 위한 제 3 유로를 포함할 수 있다. 상기 제 2 및 제 3 유로에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명한다.
캐소드측 절연체(220)는 캐소드 전극(200)의 측면을 둘러싸면서 캐소드 전극(200)과 부분적으로 접합될 수 있고, 캐소드 전극(200)과 구조적으로 결합(체결)될 수 있다. 또한, 캐소드측 절연체(220)는 애노드 전극(100)과도 구조적으로 결합(체결)될 수 있다. 캐소드측 절연체(220)는 캐소드측 하우징이라고 지칭할 수도 있다. 가스 주입부(270)는 캐소드측 절연체(220)의 벽체 내부로 인입되어 설치될 수 있다. 캐소드측 절연체(220)에 가스 주입을 위한 가스 인입홀이 형성될 수 있고, 상기 가스 인입홀에 가스 주입부(270)가 체결되어 설치될 수 있다. 상기 가스 인입홀의 외측 일부 영역에만 가스 주입부(270)가 체결되어 설치될 수 있다. 상기 가스 인입홀의 내측 단부는, 예를 들어, 90°로 절곡된 구조를 가질 수 있다. 상기 가스 인입홀의 내측 끝단이 추후에 설명할 중간 공간부(NS1)로 연결(노출)될 수 있고, 상기 가스 인입홀을 통해서 중간 공간부(NS1)로 플라즈마 발생용 가스가 공급될 수 있다. 그러나, 상기 가스 인입홀의 구조는 전술한 바에 한정되지 않고, 다양하게 변화될 수 있다. 캐소드 전극(200)의 상부에 체결홀이 형성될 수 있고, 상기 체결홀에 냉각용액 배출부(250)가 체결되어 설치될 수 있다.
캐소드 커버(C10)는 캐소드 전극(200)을 덮도록 제 2 몸체부(B20)와 결합되어 배치될 수 있다. 캐소드 커버(C10)는 캐소드측 절연체(220)와 구조적으로 결합될 수 있다. 캐소드 커버(C10)는 캐소드 전극(200)의 상부와 냉각용액 배출부(250)의 적어도 일부를 수용하는 수용 공간을 가질 수 있다. 캐소드 커버(C10)는 일종의 캡(cap) 모양을 가질 수 있고, 상부에 형성된 커버 홀(CH1)을 포함할 수 있다. 냉각용액 배출부(250)는 커버 홀(CH1)을 통해서 노출될 수 있다. 캐소드 커버(C10)는 절연체일 수 있다.
제 1 몸체부(B10) 아래에는 제 1 몸체부(B10)를 지지하는 하부 지지체(50)가 더 배치될 수 있다. 하부 지지체(50)는 대략적인 판형 구조를 가질 수 있다. 애노드 전극(100)과 애노드측 하우징(120)은 하부 지지체(50)에 결합되어 배치될 수 있다. 하부 지지체(50)의 주위에는 플랜지 부재(70)가 더 배치될 수 있다. 플랜지 부재(70)는 하부 지지체(50)와 결합될 수 있다. 플랜지 부재(70)는 제 1 몸체부(B10)의 주위로 수평 방향으로 연장된 구조를 가질 수 있다. 플랜지 부재(70)는 대체로 평평한 환형 구조를 가질 수 있다. 플랜지 부재(70)에는 하부 구조물(미도시)과의 체결을 위한 복수의 체결홀(FH1)이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 애노드 전극(100)과 캐소드측 절연체(220) 사이에 플라즈마 발생을 위한 중간 공간부(NS1)가 존재할 수 있고, 상기 가스(플라즈마 발생용 가스)는 중간 공간부(NS1)로 제공될 수 있다. 상기 가스는 중간 공간부(NS1)의 가장자리 영역(외곽부)으로 제공될 수 있다. 중간 공간부(NS1) 내에 애노드 전극(100)과 결합된 링형 기둥 부재(105)가 배치될 수 있고, 링형 기둥 부재(105)에 복수의 가스 공급홀이 형성될 수 있으며, 상기 복수의 가스 공급홀을 통해서 상기 가스가 링형 기둥 부재(105)의 내부로 공급될 수 있다. 링형 기둥 부재(105)와 캐소드측 절연체(220) 사이에 링형 기둥 부재(105)의 상단(상부의 개구)을 덮어주는 절연성 부재(110)가 배치될 수 있고, 절연성 부재(110)에 관통홀이 형성될 수 있으며, 상기 관통홀을 통해서 캐소드 전극(200)의 일부가 링형 기둥 부재(105) 안쪽으로 인입될 수 있다.
링형 기둥 부재(105)와 절연성 부재(110) 및 애노드 전극(100)의 상면은 하나의 반응 공간을 한정한다고 할 수 있다. 상기 반응 공간 내에서 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(200)이 근접하여 배치될 수 있고, 상기 반응 공간 내부로 상기 플라즈마 발생용 가스가 공급될 수 있다. 애노드 전극(100)과 캐소드 전극(200) 사이에 주어진 전기적 신호가 인가됨에 따라, 상기 반응 공간 내에서 아킹(arcing)에 의해 플라즈마가 발생할 수 있고, 발생된 플라즈마(플라즈마 화염)는 분출홀(JH1)을 통해 분출될 수 있다.
링형 기둥 부재(105)는 상기 반응 공간 외부로 열이 확산하는 것을 차단하는 역할을 할 수 있다. 링형 기둥 부재(105)는, 예를 들어, 스테인레스 스틸(ex, SUS)과 같은 금속으로 형성될 수 있다. 절연성 부재(110)는 상기 관통홀을 갖는 판형 구조를 가질 수 있고, 캐소드 전극(200)과 링형 기둥 부재(105) 사이를 전기적으로 절연하는 역할을 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 애노드 전극(100)의 측면의 제 1 영역과 애노드측 하우징(120) 사이에 제 1 공간부(S1)가 제공될 수 있고, 애노드 전극(100)의 하부에 제 2 공간부(S2)가 제공될 수 있으며, 애노드 전극(100)의 측면에서 상기 제 1 영역 보다 캐소드측 절연체(220)에 가까운 제 2 영역과 애노드측 하우징(120) 사이에 제 3 공간부(S3)가 제공될 수 있다. 여기서, 제 1 공간부(S1)는 냉각용액 주입부(150)와 마주하도록 배치될 수 있다. 제 2 공간부(S2)는 애노드 전극(100)의 하면의 일부와 하부 지지체(50) 사이에 한정될 수 있다. 제 3 공간부(S3)는 제 2 공간부(S2) 위쪽에 배치될 수 있고, 캐소드측 절연체(220)의 하면에 접하도록 연장된 구조를 가질 수 있다.
애노드 전극(100)은 냉각용액 주입부(150)를 통해 주입된 상기 냉각용액이 이동되는 제 1 유로를 포함할 수 있다. 상기 제 1 유로는 제 1 공간부(S1)와 제 2 공간부(S2)를 연결하는 제 1-1 유로홀(P11) 및 제 2 공간부(S2)와 제 3 공간부(S3)를 연결하는 제 1-2 유로홀(P12)을 포함할 수 있다. 복수의 제 1-1 유로홀(P11)이 형성될 수 있고, 복수의 제 1-2 유로홀(P12)이 형성될 수 있다. 제 1-1 유로홀(P11) 및 제 1-2 유로홀(P12)은 냉각홀이라고 할 수 있다. 상기 냉각용액은 제 1 공간부(S1)에서 제 2 공간부(S2)를 거쳐 제 3 공간부(S3)로 이동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 전극(200)의 중간 부분(도면상 상하 방향에 따른 중간 부분)과 캐소드측 절연체(220) 사이에 제 4 공간부(S4)가 제공될 수 있다. 캐소드측 절연체(220)는 상기 냉각용액이 이동되는 제 2 유로를 포함할 수 있다. 상기 제 2 유로는 제 3 공간부(S3)와 제 4 공간부(S4)를 연결하는 제 2 유로홀(P2)을 포함할 수 있다. 복수의 제 2 유로홀(P2)이 형성될 수 있다. 제 2 유로홀(P2)은 냉각홀이라고 할 수 있다. 캐소드 전극(200)은 상기 제 2 유로와 연통되어 상기 냉각용액을 냉각용액 배출부(250)로 이동시키기 위한 제 3 유로를 포함할 수 있다. 상기 제 3 유로는 캐소드 전극(200)의 상기 중간 부분에 형성되어 냉각용액 배출부(250)와 연통된(연결된) 제 3 유로홀(P3)을 포함할 수 있다. 복수의 제 3 유로홀(P3)이 형성될 수 있다. 또한, 캐소드 전극(200)의 상부에는 제 3 유로홀(P3)과 연통된(연결된) 상부홀이 형성될 수 있고, 상기 상부홀은 냉각용액 배출부(250)로 연결될 수 있다. 상기 상부홀은 일종의 중공홀일 수 있다. 상기 상부홀 또한 상기 제 3 유로에 포함된 것으로 볼 수 있다. 상기 냉각용액은 제 3 공간부(S3)에서 제 4 공간부(S4)를 거쳐 냉각용액 배출부(250)로 이동할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 캐소드측 절연체(220)는 제 1 중공홀을 갖는 제 1 절연체부(220a), 제 1 절연체부(220a)의 가장자리 영역 상에 배치된 제 2 절연체부(220b) 및 제 2 절연체부(220b) 상에 배치되고 제 2 절연체부(220b) 보다 캐소드 전극(200)을 향하여 돌출된 구조를 갖는 제 3 절연체부(220c)를 포함할 수 있다. 이 경우, 캐소드 전극(200)은 상기 제 1 중공홀에 삽입되어 배치되는 제 1 전극부(200a), 제 1 전극부(200a)로부터 연장되어 제 1 절연체부(220a) 상에 배치되는 제 2 전극부(200b) 및 제 2 전극부(200b)로부터 연장되어 제 3 절연체부(220c) 상에 배치되는 제 3 전극부(200c)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 2 전극부(200b)는 캐소드 전극(200)의 중간 부분이라고 할 수 있다. 상기한 제 3 유로는 제 2 전극부(200b)와 제 3 전극부(200c)에 형성될 수 있다. 부가해서, 제 1 절연체부(220a)의 하면의 외곽부는 아래쪽 방향으로 돌출될 수 있고, 애노드측 하우징(120) 및 애노드 전극(100)과 접합 및 결합될 수 있다. 또한, 제 3 절연체부(220c)의 상면의 외곽부는 위쪽 방향으로 돌출될 수 있고, 캐소드 커버(C10)와 접합 및 결합될 수 있다.
아울러, 제 2 및 제 3 절연체부(220a, 220b)와 제 2 전극부(200b) 사이에 공간부가 존재할 수 있고, 여기서, 상기 공간부는 앞서 설명한 제 4 공간부(S4)에 대응될 수 있다. 상기 냉각용액은 제 4 공간부(S4)를 통해서 냉각용액 배출부(250)로 이동할 수 있다.
도 2에서 제 1 공간부(S1)는 냉각용액 주입부(150) 및 제 1-1 유로홀(P11)을 제외하면 실질적으로 폐쇄된 구조를 가질 수 있고, 제 1 공간부(S1)는 제 1-1 유로홀(P11) 및 제 1-2 유로홀(P12)을 제외하면 실질적으로 폐쇄된 구조를 가질 수 있으며, 제 3 공간부(S3)는 제 1-2 유로홀(P12) 및 제 2 유로홀(P2)을 제외하면 실질적으로 폐쇄된 구조를 가질 수 있다. 또한, 제 4 공간부(S4)는 제 2 유로홀(P2) 및 제 3 유로홀(P3)을 제외하면 실질적으로 폐쇄된 구조를 가질 수 있다. 중간 공간부(NS1)는 가스 주입부(270) 및 분출홀(JH1)을 제외하면 실질적으로 폐쇄된 구조를 가질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서 냉각용액이 이동하는 경로를 예시적으로 설명하기 위한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서 냉각용액이 이동하는 경로를 붉은색 화살표로 도시하였다. 상기 냉각용액은 냉각용액 주입부(150)로 주입될 수 있고, 제 1 공간(S1), 제 1-1 유로홀(P11), 제 2 공간(S2), 제 1-2 유로홀(P12), 제 3 공간(S3), 제 2 유로홀(P2), 제 4 공간(S4) 및 제 3 유로홀(P3)을 차례로 거쳐서 냉각용액 배출부(250)를 통해 배출될 수 있다. 이러한 냉각용액의 이동에 따라, 플라즈마 발생 과정에서 발생하는 열이 효과적으로 냉각될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 냉각 구조를 개선하고 배관(튜브형 배관)의 사용을 최소화 내지 배제함으로써, 전력 소비 효율을 높이고 누수/손상/불량 문제를 방지 내지 최소화하며 사용 수명을 크게 증가시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 이용하면, 기존의 플라즈마 발생 장치와 비교하여, 전력 소비 효율은 약 25% 이상 증가시킬 수 있고, 사용 수명은 약 2배 정도 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 조립된 하나의 구조물(조립체)로서 다양한 기능(다기능)을 수행하도록 함으로써, 제조/조립/분해의 용이성을 개선할 수 있고 불량률을 낮출 수 있으며 성능을 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서는 그 내부에 냉각용 배관(튜브) 및 가스 주입용 배관(튜브)을 사용하지 아니하고, 냉각용액의 유로를 복수의 홀(hole) 및 구성요소들 사이의 공간부로서 구현할 수 있고, 플라즈마 발생용 가스의 주입 또한 홀(hole) 및 상기 홀에 설치된 가스 주입부(270)를 통해서 구현할 수 있다. 캐소드측 절연체(220)는 캐소드 전극(200)을 감싸는 절연체의 기능을 수행하면서 가스 주입부(270)와 일체화(결합)될 수 있고, 아울러, 상기 냉각용액의 이동을 위한 상기 제 2 유로를 포함할 수 있다. 애노드측 하우징(120)은 애노드 전극(100)을 감싸는 절연체의 기능을 수행하면서 냉각용액 주입부(150)와 일체화(결합)될 수 있고, 애노드 전극(100)은 상기 냉각용액의 이동을 위한 상기 제 1 유로를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 발생 장치 내부에는 냉각용 배관(튜브) 및 가스 주입용 배관(튜브)이 사용되지 않을 수 있다.
이상에서 도 2 및 도 3을 참조하여 플라즈마 발생 장치는 일종의 플라즈마 토치(torch)일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 플라즈마 발생 장치는 상기 플라즈마 발생 장치의 수명을 예측하기 위한 수명 예측 장치부를 더 포함할 수 있다. 일례로, 제 1 몸체부(B10)를 지지하는 하부 지지체(50)가 더 구비될 수 있고, 하부 지지체(50) 내에 상기 수명 예측 장치부가 구비될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에 적용될 수 있는 수명 예측 장치부(300)의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 수명 예측 장치부(300)를 포함할 수 있다. 수명 예측 장치부(300)는 도 2의 하부 지지체(50) 내에 설치될 수 있다. 수명 예측 장치부(300)는 전기전도성 물질 요소(CM1) 및 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)를 포함할 수 있다. 수명 예측 장치부(300)는 전기전도성 물질 요소(CM1)의 용융에 의해 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)의 기능을 활성화하도록 구성될 수 있다. 여기서, 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)의 기능이란 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)에 의해 발현되는 기능으로서, 예를 들어, 교체 시기를 알리는 알람이나 그 밖에 다른 교체 신호를 울리거나 표시하는 기능일 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 수명 예측 장치부(300)는 소정의 리세스부(R10)를 포함할 수 있고, 전기전도성 물질 요소(CM1)는 리세스부(R10)의 입구부 내지 상부에 배치될 수 있으며, 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)는 리세스부(R10)의 내부의 표면측으로 노출되도록 배치될 수 있다. 전기전도성 물질 요소(CM1)는, 예를 들어, 비드(bead) 구조를 가질 수 있다. 전기전도성 물질 요소(CM1)는 리세스부(R10)의 입구부에 걸쳐지도록 배치될 수 있고, 용융되지 않은 상태에서는 리세스부(R10)의 내부(하부)로 들어가지 않을 수 있다. 전기전도성 물질 요소(CM1)는 녹는점이 비교적 낮으면서 우수한 전도성을 갖는 물질, 비제한적인 예로서, 납이나 인듐 등으로 구성될 수 있다. 전기전도성 물질 요소(CM1)의 용융시, 용융된 전기전도성 물질 요소(CM1)가 리세스부(R10)의 내부로 들어갈 수 있고, 그에 따라, 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)에 의한 기능이 활성화될 수 있다. 전기전도성 물질 요소(CM1)의 물질이나 전기전도성 물질 요소(CM1)와 상기 분출홀(도 2의 JH1) 사이의 간격을 적절히 선택/조절함으로써, 원하는 온도에서 상기 기능이 활성화되도록 할 수 있다. 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2) 각각은 전기적 배선을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 발생 장치를 사용함에 따라서, 플라즈마가 분출되는 분출홀(JH1)의 사이즈(직경)가 점차 확장될 수 있다. 즉, 고온의 플라즈마 및 열에 의한 식각에 의해 분출홀(JH1)의 사이즈(직경)가 점차 증가할 수 있다. 분출홀(JH1)의 사이즈(직경)가 확장됨에 따라, 수명 예측 장치부(300)로 전달되는 열이 증가하면서 플라즈마에 의한 수명 예측 장치부(300)의 승온 온도는 점차 증가할 수 있고, 주어진 온도 레벨에서 전기전도성 물질 요소(CM1)가 용융되어 복수의 전기 접점 요소(CC1, CC2)에 의한 기능이 활성화될 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마 발생 장치의 애노드 전극(도 2의 100)을 교체해야 하는 시기를 문제가 발생하기 이전에 파악할 수 있다. 따라서, 사용 수명 도과에 의한 문제 발생을 미연에 방지할 수 있고, 애노드 전극(100)을 적절한 시기에 교체할 수 있다. 필요에 따라, 애노드 전극(100)을 교체하면서 수명 예측 장치부(300)도 교체하거나 그 기능을 갱신할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 장치의 수명을 예측할 수 있는 수명 예측 장치부(300)를 이용해서 수명을 예측함으로써 공정 중단 시간을 단축시킬 수 있고, 문제 발생 이전에 부품을 교환함으로써 설비 정지 중에 독성 가스 배출 등의 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 그러나, 도 4를 참조하여 설명한 수명 예측 장치부(300)의 구체적인 구성은 예시적인 것에 불과하고, 이는 다양하게 변화될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 도 2의 플라즈마 발생 장치에서 일부 변형된 구조를 가질 수 있다. 본 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치에서는 캐소드 전극(200')의 중심부를 따라 코어홀(core hole)(h1)이 형성될 수 있고, 캐소드 전극(200')은 코어홀(h1) 내에 배치된 캐소드 코어 전극부(210)를 포함할 수 있다. 캐소드 코어 전극부(210)는 애노드 전극(100)에 대향하도록 배치될 수 있다. 캐소드 전극(200')의 제 1 전극부(200a')에 수직 방향으로 연장된 코어홀(h1)이 형성될 수 있고, 코어홀(h1) 내에 캐소드 코어 전극부(210)가 배치될 수 있다. 캐소드 코어 전극부(210)는 캐소드 전극(200')의 나머지 부분(즉, 본체 전극부) 보다 우수한 전기 전도도 및 뛰어난 내구성을 가질 수 있다. 비제한적인 예로서, 캐소드 코어 전극부(210)는 텅스텐 합금을 포함할 수 있다. 이러한 캐소드 코어 전극부(210)를 사용함으로써 플라즈마 발생 성능을 향상시킬 수 있고, 플라즈마 발생 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 캐소드 전극(200')에 코어홀(h1)과 연결되는 벤트홀(vent hole)(V1)이 더 형성될 수 있다. 벤트홀(V1)은 코어홀(h1)의 상단부나 그와 인접한 부분에 연결될 수 있고, 캐소드측 절연체(220) 쪽으로 노출되도록 배치될 수 있다. 벤트홀(V1)은 캐소드 전극(200')의 제 1 전극부(200a')에 수평 방향으로 연장되도록 형성될 수 있다. 플라즈마 발생에 의해 플라즈마 발생 장치의 온도가 상승하면, 코어홀(h1)의 내부에 잔류된 공기가 팽창할 수 있는데, 이렇게 팽창된 공기가 벤트홀(V1)을 통해서 배출될 수 있다. 따라서, 상기한 잔류 공기의 팽창에 의해 발생할 수 있는 부정적 영향을 방지할 수 있다.
도 5에서 캐소드 전극(200')을 제외한 나머지 구성은 도 2에서 설명한 플라즈마 발생 장치와 동일할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치는 다양한 플라즈마 응용 장비에 적용될 수 있다. 예를 들어, 상기 플라즈마 발생 장치는 반도체나 디스플레이 등의 제조 라인에 설치되어 유해가스를 분해하는 플라즈마 스크러버(plasma scrubber) 장비에 적용될 수 있다. 또한, 상기 플라즈마 발생 장치는 산업용ㆍ의료용 폐기물의 처리, 금속절단ㆍ코팅 표면처리를 위한 금속 가공, 나노 파우더(nano powder)ㆍ실리콘 제조 등의 원재료 제조 공정, 수소 생산, 바이오(biomass) 생산, 에너지 회수 분야 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 포함하는 플라즈마 응용 장비를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 응용 장비는 플라즈마 스크러버(plasma scrubber)일 수 있다. 이 경우, 상기 플라즈마 응용 장비는 플라즈마 발생 장치(500) 및 플라즈마 발생 장치(500)에 접하여 배치된 반응 챔버(600)를 포함할 수 있다. 플라즈마 발생 장치(500)의 하부에 반응 챔버(600)가 배치될 수 있다. 플라즈마 발생 장치(500)는 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 구성 및 특징을 가질 수 있다. 플라즈마 발생 장치(500)에 의해 발생된 플라즈마(플라즈마 화염)는 반응 챔버(600) 내부로 분사될 수 있다. 반응 챔버(600) 내부로는 소정의 제조 라인으로부터 발생된 유해가스가 유입될 수 있다. 반응 챔버(600) 내에서 상기 플라즈마(플라즈마 화염)에 의한 상기 유해가스의 분해가 이루어질 수 있다. 도시하지는 않았지만, 상기 플라즈마 응용 장비는 상기 플라즈마(플라즈마 화염)에 의해 분해된 가스(유해가스)를 후속하여 처리하기 위한 별도의 장치부를 더 포함할 수 있다.
도 6을 참조하여 설명한 플라즈마 응용 장비의 구성은 예시적인 것에 불과하고, 분야/목적/용도 등에 따라서, 플라즈마 응용 장비의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따르면, 냉각 구조를 개선하고 배관(튜브형 배관)의 사용을 최소화 내지 배제함으로써, 전력 소비 효율을 높이고 누수/손상/불량 문제를 방지 내지 최소화하며 사용 수명을 크게 증가시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 이용하면, 기존의 플라즈마 발생 장치와 비교하여, 전력 소비 효율은 약 25% 이상 증가시킬 수 있고, 사용 수명은 약 2배 정도 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 조립된 하나의 구조물(조립체)로서 다양한 기능(다기능)을 수행하도록 함으로써, 제조/조립/분해의 용이성을 개선할 수 있고 불량률을 낮출 수 있으며 성능을 향상시킬 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 장치의 수명을 예측할 수 있는 시스템을 이용해서 수명을 예측함으로써 공정 중단 시간을 단축시킬 수 있고, 문제 발생 이전에 부품을 교환함으로써 설비 정지 중에 독성 가스 배출 등의 문제를 원천적으로 방지할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 구현할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 플라즈마 발생 장치를 적용하면, 성능이 우수하고 유지관리가 용이하며 제품 생산 비용을 낮출 수 있는 플라즈마 응용 장비의 제조가 가능할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비가, 본 발명의 기술적 사상이 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 치환, 변경 및 변형될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
[부호의 설명]
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
B10 : 제 1 몸체부 B20 : 제 2 몸체부
C10 : 캐소드 커버 CH1 : 커버 홀
JH1 : 분출홀 NS1 : 중간 공간부
P11 : 제 1-1 유로홀 P12 : 제 1-2 유로홀
P2 : 제 2 유로홀 P3 : 제 3 유로홀
S1 : 제 1 공간부 S2 : 제 2 공간부
S3 : 제 3 공간부 S4 : 제 4 공간부
h1 : 코어홀 V1 : 벤트홀
50 : 하부 지지체 70 : 플랜지 부재
100 : 애노드 전극 105 : 링형 기둥 부재
110 : 절연성 부재 120 : 애노드측 하우징
150 : 냉각용액 주입부 200, 200' : 캐소드 전극
210 : 캐소드 코어 전극부 220 : 캐소드측 절연체
250 : 냉각용액 배출부 270 : 가스 주입부
300 : 수명 예측 장치부 500 : 플라즈마 발생 장치
600 : 반응 챔버
본 발명은 플라즈마 발생 장치 및 이를 포함하는 플라즈마 응용 장비에 관한 것으로, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (13)

  1. 플라즈마 분출을 위한 분출홀을 갖는 애노드 전극, 상기 애노드 전극의 측면을 둘러싸는 애노드측 하우징 및 상기 애노드측 하우징에 구비된 냉각용액 주입부를 포함하고, 상기 애노드 전극은 상기 냉각용액 주입부를 통해 주입된 냉각용액이 이동되는 제 1 유로를 포함하는, 제 1 몸체부;
    상기 제 1 몸체부 상에 이와 결합되어 배치된 것으로, 상기 애노드 전극과 대향하여 배치되는 캐소드 전극, 상기 캐소드 전극의 측면을 둘러싸는 캐소드측 절연체, 상기 캐소드 전극에 결합되어 구비된 냉각용액 배출부 및 상기 캐소드측 절연체에 구비되어 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이로 플라즈마 발생용 가스를 주입하기 위한 가스 주입부를 포함하고, 상기 캐소드측 절연체는 상기 냉각용액이 이동되는 제 2 유로를 포함하고, 상기 캐소드 전극은 상기 제 2 유로와 연통되어 상기 냉각용액을 상기 냉각용액 배출부로 이동시키기 위한 제 3 유로를 포함하는, 제 2 몸체부; 및
    상기 캐소드 전극을 덮도록 상기 제 2 몸체부와 결합되어 배치된 캐소드 커버를 포함하는, 플라즈마 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 전극과 상기 캐소드측 절연체 사이에 플라즈마 발생을 위한 중간 공간부가 존재하고, 상기 가스는 상기 중간 공간부로 제공되며,
    상기 중간 공간부 내에 상기 애노드 전극과 결합된 링형 기둥 부재가 배치되고, 상기 링형 기둥 부재에 복수의 가스 공급홀이 형성되고, 상기 복수의 가스 공급홀을 통해서 상기 가스가 상기 링형 기둥 부재의 내부로 공급되며,
    상기 링형 기둥 부재와 상기 캐소드측 절연체 사이에 상기 링형 기둥 부재의 상단을 덮어주는 절연성 부재가 배치되고, 상기 절연성 부재에 관통홀이 형성되며, 상기 관통홀을 통해서 상기 캐소드 전극의 일부가 상기 링형 기둥 부재 안쪽으로 인입되는 플라즈마 발생 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드 전극의 측면의 제 1 영역과 상기 애노드측 하우징 사이에 제 1 공간부가 제공되고,
    상기 애노드 전극의 하부에 제 2 공간부가 제공되고,
    상기 애노드 전극의 측면에서 상기 제 1 영역 보다 상기 캐소드측 절연체에 가까운 제 2 영역과 상기 애노드측 하우징 사이에 제 3 공간부가 제공되고,
    상기 제 1 유로는 상기 제 1 공간부와 상기 제 2 공간부를 연결하는 제 1-1 유로홀 및 상기 제 2 공간부와 상기 제 3 공간부를 연결하는 제 1-2 유로홀을 포함하고, 상기 냉각용액은 상기 제 1 공간부에서 상기 제 2 공간부를 거쳐 상기 제 3 공간부로 이동하는 플라즈마 발생 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 중간 부분과 상기 캐소드측 절연체 사이에 제 4 공간부가 제공되고,
    상기 제 2 유로는 상기 제 3 공간부와 상기 제 4 공간부를 연결하는 제 2 유로홀을 포함하고, 상기 제 3 유로는 상기 캐소드 전극의 중간 부분에 형성되어 상기 냉각용액 배출부와 연통된 제 3 유로홀을 포함하고,
    상기 냉각용액은 상기 제 3 공간부에서 상기 제 4 공간부를 거쳐 상기 냉각용액 배출부로 이동하는 플라즈마 발생 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드측 절연체는 제 1 중공홀을 갖는 제 1 절연체부, 상기 제 1 절연체부의 가장자리 상에 배치된 제 2 절연체부 및 상기 제 2 절연체부 상에 배치되고 상기 제 2 절연체부 보다 상기 캐소드 전극을 향하여 돌출된 구조를 갖는 제 3 절연체부를 포함하고,
    상기 캐소드 전극은 상기 제 1 중공홀에 삽입되어 배치되는 제 1 전극부, 상기 제 1 전극부로부터 연장되어 상기 제 1 절연체부 상에 배치되는 제 2 전극부 및 상기 제 2 전극부로부터 연장되어 상기 제 3 절연체부 상에 배치되는 제 3 전극부를 포함하고,
    상기 제 3 유로는 상기 제 2 전극부와 상기 제 3 전극부에 형성된 플라즈마 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 3 절연체부와 상기 제 2 전극부 사이에 공간부가 존재하고,
    상기 냉각용액은 상기 공간부를 통해서 상기 냉각용액 배출부로 이동하는 플라즈마 발생 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 몸체부를 지지하는 하부 지지체가 더 구비되고,
    상기 하부 지지체 내에 상기 플라즈마 발생 장치의 수명을 예측하기 위한 수명 예측 장치부가 배치된 플라즈마 발생 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 수명 예측 장치부는 전기전도성 물질 요소 및 복수의 전기 접점 요소를 포함하고,
    상기 수명 예측 장치부는 상기 전기전도성 물질 요소의 용융에 의해 상기 복수의 전기 접점 요소의 기능을 활성화하도록 구성된 플라즈마 발생 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수명 예측 장치부는 리세스부를 포함하고, 상기 전기전도성 물질 요소는 상기 리세스부의 입구부 내지 상부에 배치되고, 상기 복수의 전기 접점 요소는 상기 리세스부의 내부의 표면측으로 노출되도록 배치되며,
    상기 전기전도성 물질 요소의 용융시, 용융된 상기 전기전도성 물질 요소가 상기 리세스부의 내부로 들어가도록 구성된 플라즈마 발생 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드 전극의 중심부를 따라 코어홀(core hole)이 형성되고, 상기 캐소드 전극은 상기 코어홀 내에 배치된 캐소드 코어 전극부를 포함하며, 상기 캐소드 코어 전극부는 상기 애노드 전극에 대향하도록 배치되고,
    상기 캐소드 전극에 상기 코어홀과 연결되는 벤트홀(vent hole)이 형성된 플라즈마 발생 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 캐소드 코어 전극부는 텅스텐 합금을 포함하는 플라즈마 발생 장치.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 기재된 플라즈마 발생 장치를 포함하는 플라즈마 응용 장비.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 플라즈마 응용 장비는 플라즈마 스크러버(plasma scrubber)를 포함하는 플라즈마 응용 장비.
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