플라즈마 발생 장치 및 플라즈마 발생 방법{PLASMA GENERATION APPARATUS AND GENERATION METHOD OF THE SAME}
본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 플라즈마 금속 투과 현상을 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치에 관한 것이다.
DBD(Dielectrc Barrier Discharge), 제트 플라즈마, 저온 코로나 방전은 대기압 플라즈마 소스로서 많이 이용되고 있다. 상기 플라즈마 소스는 양극과 음극 사이에 고전압을 인가하여 대기압 하에서 플라즈마를 발생시킨다. 대기압에서 전압을 이용하여 플라즈마를 발생시키기 위하여 고전압이 요구된다. 따라서, 항상 아킹(arcing) 등의 전기적 위험성이 있다. 또한 전극의 형태에 대한 제한으로 인하여, 플라즈마 발생 범위가 좁다. 따라서, 한 번에 처리할 수 있는 타겟 영역이 한정되어 있다. 또한, 고전압을 인가함으로써 소모되는 에너지가 크고, 플라즈마 발생 효율도 나쁘다. 대기압 하에서 고전압을 통한 전자의 가열 방식은 가스를 이온화시켜 플라즈마를 생성하는 고에너지 전자군(high energy electron gruop)을 형성한다. 따라서, 고전압을 통한 전자의 가열 방식은 매우 비효율적이다.
본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 진공 용기 안에서 고에너지 전자(High energy electron)의 금속 투과 현상(Tunneling)을 이용한 고효율 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 플라즈마 발생 장치는 진공 용기, 상기 진공 용기 내부에 배치되는 전자를 발생시키는 전자 방출부, 상기 진공 용기 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부, 및 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막을 포함한다. 상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기 외부에 플라즈마를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 플라즈마 발생 장치는 일렬로 나란히 배열된 복수의 진공 용기들, 상기 진공 용기들 각각의 내부에 배치된 전자 방출부들, 상기 진공 용기들 각각의 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부들, 및 상기 진공 용기들에 배치되고 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막들을 포함한다. 상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기들 외부에 플라즈마를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 방법은 진공 용기 내에서 전자를 방출하는 단계, 방출된 전자를 가속하여 전자빔을 형성하는 단계, 상기 전자빔을 금속 박막에 입사시키어 투과시키는 단계, 상기 금속 박막을 투과한 전자빔이 플라즈마를 형성하는 단계, 및 상기 플라즈마가 대상물을 처리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 전자빔의 금속투과(tunneling) 현상을 이용하여 소형의 진공 챔버를 사용하는 대기압 플라즈마를 제공할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 높은 플라즈마 발생 효율, 넓은 플라즈마 발생 영역, 아킹(Arcing)의 제거 등의 특징을 가진다. 상기 플라즈마 발생 장치는 대기압에서 동작하여 물성 처리 및 바이오 응용 등에서 실질적으로 활용될 수 있다. 본 발명에서는 진공 용기 안에서 고에너지 전자빔을 직접적으로 발생시켜서 고에너지 전자군을 만듬으로써, 기존의 대기압 소스들보다 플라즈마 내부에 반응성이 좋은 고에너지 입자군 생성 에너지 효율이 우수하며, 고에너지 전자군을 직접 금속 박막을 투과(tunneling)하여 대기에 조사, 대기압 플라즈마를 발생시킴으로써 그 발생 메커니즘이 에너지 효율 측면에서 매우 효과적이다. 플라즈마가 발생되는 곳에서 고전압에 의한 아킹(arcing) 등의 우려가 없으며 진공 용기 외부에서 넓은 범위에 걸쳐 플라즈마를 발생 시켜 플라즈마 처리를 하고자하는 목표물(target)과 플라즈마 발생 용기의 완전한 비접촉 형태를 취한다. 또한 플라즈마 처리에서 효과적으로 작용하는 플라즈마 입자(radical)를 전자빔에 의한 고에너지 전자군이 효율적으로 만들어 줌으로 플라즈마 어플리케이션에 적합한 소스로 작용한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생 장치의 진공 용기의 사시도이다.
도 3은 질소의 이온화 산란 단면적을 설명하는 도면이다.
도 4는 전자빔의 에너지에 따른 투과 효율 및 투과 깊이의 관계를 나타낸다.
도 5는 200, 308, 417keV 전자빔이 금속 박막 (티타니움) 투과시, 금속 박막의 두께와 그에 따른 투과 효율을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다.
플라즈마를 이용한 물성 변화와 생체 반응에 대한 연구가 진행되고 있다. 플라즈마의 응용 분야는 기존의 공기 청정, 소독, 계면 처리에서부터 첨단 바이오 분야까지 확장되고 있다. 이러한 용도의 플라즈마 소스는 대기압 하에서 구동될 필요가 있다. 한편, 종래의 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge;DBD), 초초고주파 공진기(crowave Resonator), 제트 플라즈마, 저온 코로나 방전 등을 이용한 플라즈마 소스는 고압의 전원을 사용함에 따라 낮은 플라즈마 발생을 제공한다. 또한, 종래의 플라즈마 소스는 설계가 복잡하며, 플라즈마 방생 영역이 한정되어 있다. 따라서, 플라즈마 소스는 실질적인 응용에 한계를 가진다. 또한, 고압에서 전기장을 이용하여 전자를 가열시키는 대기압 플라즈마 발생 방법은 고에너지 입자들의 생성에 비효율적이다. 종래의 플라즈마 소스는 플라즈마의 특성을 결정하는 플라즈마 온도 및 밀도의 조절 능력에 한계가 있다. 또한, 종래의 플라즈마 소스는 플라즈마 처리의 효율과 관련된 고에너지 입자들의 생성 및 조절 능력에 한계가 있다. 결국, 종래의 대기압 플라즈마 소스는 플라즈마를 이용한 응용(application)에 한계를 제공한다. 따라서, 종래의 대기압 플라즈마는 적극적으로 다양한 물성 변환 능력과 생체적인 치료에 적극적으로 사용되지 못하고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치는 소형의 진공 용기 내부에서 발생한 전자빔이 금속 박막을 투과하여 생성하는 대기압 플라즈마를 제공한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 전자빔을 가속하여 고에너지의 전자들을 제공하고, 고에너지의 전자들은 효율적으로 상기 금속 박막을 투과하여 넓은 영역에서 대기압 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 2는 도 1의 플라즈마 발생 장치의 진공 용기의 사시도이다. 도 3은 질소의 이온화 산란 단면적을 설명하는 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 진공 용기(110), 상기 진공 용기(110) 내부에 배치되고 전자를 발생시키는 전자 방출부(120), 상기 진공 용기(110) 내부에 배치되고 상기 전자 방출부(120)에서 방출된 전자를 가속하는 가속부(130), 및 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막(140)을 포함한다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자는 진공 용기(110) 외부에 플라즈마를 형성한다. 상기 진공 용기(110)는 금속 또는 유전체로 형성될 수 있다. 상기 진공 용기(110)는 원통형 실린더 형상일 수 있다. 상기 진공 용기(110)의 일단에 워셔 형태의 제1 지지판(113)이 결합할 수 있다. 상기 제1 지지판(113)의 중심에 형성된 관통홀(116)에 상기 전자 방출부(120)가 삽입되어 결합할 수 있다. 상기 진공 용기(110)의 타단에는 와셔 형태의 제2 지지판(111)이 결합할 수 있다. 상기 제2 지지판(111)의 중심 영역에는 관통홀(115)이 형성될 수 있다. 상기 관통홀(115) 주위에는 오링(미도시) 홈이 형성될 수 있다. 상기 오링 홈에는 오링(144)이 삽입될 수 있다. 상기 진공 용기(110)의 압력은 0.1 mTorr 이하가 바람직할 수 있다. 상기 진공 용기(110)는 음극선관과 같이 밀폐형이거나 진공 펌프(190)를 이용하여 펌핑할 수 있다. 상기 진공 용기(110)가 도전체인 경우, 상기 진공 용기(110)는 접지될 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 텅스텐 필라멘트(122) 또는 탄소나노튜브 등을 사용할 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 전자를 방출하는 한 다양하게 변형될 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 텅스텐 필라멘트(122), 상기 텅스텐 필라메트(122)를 지지하는 지지봉들(124)을 포함할 수 있다. 밀봉부(126)는 상기 지지봉들은 감싸도록 형성될 수 있다. 실링부(128)에 상기 밀봉부(126)를 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 실링부(126)는 상기 지지판(113)과 결합할 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 상기 진공 용기(110)에 탈착 또는 부착될 수 있다. 상기 전자 방출부(120)는 열전자를 방출하거나 강한 전기장에 의하여 전자를 방출할 수 있다. 상기 전자 방출부(120)에 전력을 공급하는 주 전원부(150)는 직류 전원 또는 교류 전원일 수 있다. 상기 주 전원부(120)의 전력은 수 와트 정도가 바람직하고, 전압은 수십 볼트 정도이고, 전류는 수 암페어일 수 있다. 상기 가속부(130)는 적어도 2개의 그리드들(132,134)을 포함할 수 있다. 상기 그리드들(132,134) 사이에 전압이 인가된다. 상기 그리드들(132,134)은 입사하는 전자를 가속할 수 있다. 상기 그리드들(132,134)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 가속 전원부(160)는 상기 가속부(130)에 전력을 제공할 수 있다. 상기 가속 전원부(160)는 직류 전원 또는 교류 전원일 수 있다. 상기 가속 전원부(160)의 전력은 수백 와트 정도가 바람직하고, 상기 가속 전원부(160)의 전압은 수 백 kV 이상이 바람직하고, 상기 가속 전원부(160)의 전류는 수 mA 이상이 바람직할 수 있다. 상기 가속 전원부(160)의 전압은 시간에 따라 변조될 수 있다. 이에 따라, 가속되는 전자의 에너지는 시간에 따라 변할 수 있다. 상기 금속 박막(140)은 텅스텐(W) 또는 타이타늄(Ti)일 수 있다. 고정부(142)는 상기 금속 박막(140)을 지지한다. 상기 고정부(142)는 상기 제2 지지판(111)의 턱에 결합할 수 있다. 커버(112)는 상기 금속 박막(140)을 상기 제2 지지판(111)에 고정 수단을 이용하여 고정한다. 상기 커버(112)는 와셔 형태일 수 있다. 상기 금속 박막(140)은 다른 물질로 변형될 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터일 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께는 위치에 따라 균일할 수 있다. 가속된 전자빔은 상기 금속 박막(140)을 터널링하여 투과할 수 있다. 상기 금속 박막(140)은 상기 진공 용기(110)와 외부를 구분할 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께가 너무 얇으면, 압력차에 의하여 심하게 변형될 수 있다. 상기 금속 박막(140)의 두께가 너무 두꺼우면 상기 전자빔은 상기 금속 박막(140)을 투과하지 못할 수 있다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자는 고에너지를 가지고 외부 가스를 이온화하여 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 플라즈마가 발생하는 영역은 가속된 전자빔의 에너지에 의존할 수 있다. 상기 가속부(130)는 상기 전자 방출부(120)에서 생성된 전자를 상기 진공 용기(110)의 중심축 방향으로 집속할 수 있다. 상기 가속부(130)는 상기 전자를 가속하여 고에너지의 전자빔을 제공한다. 도 3을 참조하면, 상기 진공 용기(110)의 압력은 0.1 mTorr 내지 0.01 mTorr가 바람직할 수 있다. 상기 압력에서 대기의 78 퍼센트를 구성하고 있는 질소(N 2 ) 가스의 이온화 산란 단면적(Ionization cross section)은 도 3에 표시된다. 예를 들어, 상기 전자빔이 100 keV의 에너지를 가진 경우, 이온화 산란 단면적은 0.738610 -20 m 2 이다. 상기 압력에서 질소의 밀도는 3.2210 17 내지 3.2210 18 m - 3 이다. 따라서, 전자의 평균 자유 경로(mean free path)는 40.67 m 내지 406.7 m이다. 상기 진공 용기(110)의 크기는 상기 평균 자유 경로보다 작은 것이 바람직하다. 도 4는 전자빔의 에너지에 따른 투과 효율 및 투과 깊이의 관계를 나타낸다. 도 5는 200, 308, 417keV 전자빔이 금속 박막 (티타니움) 투과시, 금속 박막의 두께와 그에 따른 투과 효율을 나타낸다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 평균 자유 경로보다 작은 크기의 진공 용기 안에서 상기 전자빔은 원자 또는 분자를 이온화시키지 않고, 상기 가속부에 의하여 100 keV 이상 500 keV 이하로 가속된다. 가속된 전자의 에너지에 따라, 금속 박막의 두께는 금속 박막의 밀도를 고려하여 95 퍼센트 이상 투과할 수 있도록 5 um 내지 100 um 두께로 변형된다. 도 5는 도 4을 참고하여 티타니움의 밀도 4.506g/cm -3 에서 금속박막의 투과 깊이를 선형으로 나타낸 것이다. 약 308 keV의 전자빔은 두께 20 um의 이하의 금속 박막을 95 퍼센트 이상 통과할 수 있다. 가속된 전자빔은 5 um 내지 100 um 두께의 상기 금속 박막(140)을 투과한다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자빔의 약 95 퍼센트는 대기중에서 플라즈마를 발생시킨다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 고에너지를 가진 전자빔은 대기중의 질소의 이온화 에너지(14.5 eV) 보다 큰 에너지를 가질 수 있다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 전자빔은 대기를 만난다. 상기 전자빔의 평균 자유 경로는 760 Torr에서 5.35 um이다. 따라서, 상기 전자빔은 대기 중의 분자들과 활발하게 충돌하여 플라즈마를 생성한다. 상기 가속부(130)에 인가되는 상기 가속 전원부(160)의 출력 전압은 시간에 따라 100 kV 이상으로 증가시거나 이하로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 이온화 산란 단면적은 에너지의 함수이므로 에너지에 따라 감소 또는 증가한다. 결과적으로, 평균 자유 경로는 증가 또는 감소한다. 즉, 플라즈마가 발생되는 영역을 시간에 따라 변화시켜 플라즈마 기둥(plasma column)이 형성될 수 있다. 상기 금속 박막(140)을 투과한 고에너지 전자빔은 대기 중에서 중성 입자들과 고르게 반응한다. 따라서, 안정적인 저온 플라즈마가 형성된다. 상기 저온 플라즈마는 바이오 처리, 소독 등에 응용될 수 있다. 또한, 상기 진공 용기(110)가 접지된 경우, 고전압의 전기장이 상기 진공 용기(110) 밖으로 노출되지 않는다. 따라서, 아킹(arcing) 등의 전기적 문제점이 발생하지 않는다. 상기 플라즈마는 상기 금박 박막(140)과 물리적으로 분리되어 있어, 처리하고자 하는 타켓은 상기 플라즈마 발생 장치와 비접촉식으로 처리될 수 있다. 또한, 표면에 홈을 가지는 타켓에 대하여, 상기 가속부(130)에 인가되는 전압을 변경하여 상기 홈 속에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 스캐닝부(170)는 가속된 전자의 방향을 변경 또는 스캐닝하는 적어도 한 쌍의 전극판들(172)을 포함할 수 있다. 상기 스캐닝부(170)는 스캐닝 전원부(180)에 의하여 상기 전자빔의 방향을 바꿀 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 발생 장치는 넓은 면적에 대하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 전자빔의 금속 투과 현상을 이용하여 아킹(Arcing) 문제를 극복할 수 있다. 따라서, 신뢰성 및 안정성이 높은 플라즈마 처리가 가능하다. 하며 플라즈마 어플리케이션으로 부적합한 소스 특징을 원천적으로 제거 할 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 대기압에서 동작할 수 있고, 대상물을 비접촉식으로 처리할 수 있다. 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다. 도 6을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 수중 플라즈마 생성에 이용된 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 금속 박막을 투과하여 플라즈마를 생성한다. 따라서, 상기 플라즈마 발생 장치가 수중에 삽입되는 경우, 수중 플라즈마가 생성될 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 수조(10)에 삽입될 수 있다. 현재, 염소는 상하수도 정화 과정에서 사용된다. 상기 염소의 사용은 그 독성 때문에 감소되고 있다. 상기 염소를 대체하여, 플라즈마는 수중 존재하는 산소 분자를 이용하여 오존을 생성한다. 상기 오존은 정화 기능을 수행한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 같은 방식으로 과일, 식품 등의 소독에 사용될 수 있다. 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치를 설명하는 도면이다. 도 7을 참조하면, 상기 플라즈마 발생 장치는 일렬로 나란히 배열된 복수의 진공 용기들(210), 상기 진공 용기들(210) 각각의 내부에 배치된 전자 방출부들(미도시), 상기 진공 용기들(210) 각각의 내부에 배치되고 상기 전자 방출부에서 방출된 전자를 가속하는 가속부들(미도시), 및 상기 진공 용기들(210)에 배치되고 가속된 전자가 충돌하여 투과하는 금속 박막들(미도시)을 포함한다. 상기 금속 박막을 투과한 전자는 진공 용기들(210) 외부에 플라즈마를 형성한다. 상기 진공 용기들(210)은 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 진공 용기들(210)의 길이는 평균 자유 경로보다 작은 것이 바람직하다. 상기 진공 용기들(210)은 일렬로 배열되거나 또는 2차원적으로 매트릭스 형태로 배치될 수 있다. 전자 방출부들은 필라멘트, 또는 탄소나노튜브일 수 있다. 상기 필라멘트는 텅스텐, 카본, 또는 백금이 바람직할 수 있다. 상기 전자 방출부는 상기 진공 용기의 일단에 결합할 수 있다. 상기 전자 방출부들은 전자를 방출한다. 상기 가속부들은 상기 진공 용기의 내부에 배치되고, 적어도 2개의 그리드들을 포함할 수 있다. 상기 가속부들은 방출된 전자를 가속되어 전자빔을 제공한다. 상기 금속 박막들은 텅스텐 또는 타이타늄 판일 수 있다. 상기 금속 박막의 두께는 5 마이크로미터 내지 100 마이크로미터(um)일 수 있다. 상기 전자빔은 상기 금속 박막을 투과할 수 있다. 상기 투과된 전자빔은 플라즈마를 형성할 수 있다. 상기 플라즈마는 대상물을 처리할 수 있다. 상기 대상물은 금속 필름, 폴리에틸렌 수지 필름, 플라스틱 필름, 또는 옷감 등일 수 있다. 상기 대상물은 화살표 방향으로 이동할 수 있다. 상기 주 전원부들(250)은 상기 전자 방출부들 각각에 전력을 공급한다. 상기 주 전원부의 음극은 서로 병렬 연결될 수 있다. 상기 가속 전원부(260)는 상기 가속부들에게 공통으로 전력을 공급할 수 있다. 상기 가속 전극들(231,233)은 상기 가속부들에 연결되고 상기 가속 전원부(260)와의 전기적 연결을 위하여 상기 진공 용기(210)의 외부로 돌출될 수 있다. 상기 가속 전원부는 상기 가속부들에 전기적으로 병렬 연결될 수 있다. 상기 가속 전원부(260)의 양극은 접지되고, 상기 가속 전원부(260)의 음극은 저항을 통하여 상기 주원부들(250)의 음극에 연결될 수 있다. 상기 플라즈마 발생 장치는 대기압에서 동작하는 고밀도 플라즈마를 형성한다. 상기 플라즈마 발생 장치는 구성이 단순하고 집적화가 용이하다. 따라서, 진공 용기는 병렬로 연결되어 대면적 대기압 플라즈마 소스로 활용될 수 있다. 병렬화 된 상기 플라즈마 발생 장치는 균일한 전압을 상기 가속부들에 인가하여 전체적으로 균일한 고밀도 대면적 플라즈마를 제공할 수 있다. 상기 대상물의 처리는 물 소독, 식물 세정, 공기 청정, 소독, 및 계면 처리 등일 수 있다.
110: 진공 용기
120: 전자 방출부
130: 가속부
140: 금속 박막 |
