KR102625384B1 - 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법 - Google Patents

플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법 Download PDF

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KR102625384B1
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Abstract

본 발명은 고속, 고온의 플라즈마 흐름을 노즐(2) 내에 발생시키는 플라즈마 토치에 있어 노즐(2)은 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 통과 및 배출되는 플라즈마 통로(11) 및 플라즈마 출구(12), 액체가 통과 및 배출되는 액체 통로(21) 및 액체 출구(22), 액체 출구(22)로부터 배출된 액체가 액체 필름층(32)을 형성하는 젖음면(31)을 포함하고 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 액체 필름층(32)을 전단시켜 미세액적(7)을 생성시키는 액적 생성부(33)를 포함하는 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법에 관한 것이다.

Description

플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법{PLASMA TORCH AND METHOD FOR TREATING OBJECT GAS USING IT}
본 발명은 막힘 및 손상 없이 액체를 기화시키며 기화물, 플라즈마 및 외기 간의 혼합을 강화시키는 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법에 관한 것이다.
플라즈마에 액체를 투입하고 이를 기화시켜 기체, 활성종, 이온, 전자 등의 기화물을 생성시키는 기술은 물질변환, 증착 등의 여러 분야에 활용되고 있으며 대부분의 경우 플라즈마 발생 장치 외부에 위치하는 별도의 아토마이저를 이용하여 액체를 미세 액적화한 후 플라즈마에 분사하는 방식을 취하고 있다.
아토마이저는 수십um의 좁은 경로를 통과하는 액체를 고속의 아토마이징 기체로 파쇄하여 미세 액적을 생성시키므로 고체가 용해되어 있는 용액이나 고체가 분산되어 있는 현탁액을 액체로 사용할 경우 혹은 아토마이저 주변에 분말상의 물질이 존재하거나 액체와 외기가 반응하여 고상의 물질을 생성할 경우 고체 상태의 물질이 아토마이저 내의 좁은 경로에 쌓여 미세 액적의 분사가 불안정해지거나 심한 경우 막혀버릴 가능성이 높다. 또한 미세 구조의 정밀한 제작을 필요로 하여 높은 비용이 소요된다. 아토마이징 기체의 유량은 매우 중요한 변수로서 유량이 낮은 경우 액적의 크기가 커지고 모멘텀이 낮아져 플라즈마의 고온부까지 침투하지 못하게 되며 반대로 유량이 높은 경우 플라즈마의 온도를 불필요하게 낮출 뿐만 아니라 플라즈마 고온부에서의 액적 체류시간을 짧게 한다. 두 경우 모두에 있어 액체의 기화가 불충분해지므로 섬세한 조정을 필요로 하는 문제점이 있다.
플라즈마 토치를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법의 일 예로서 KR1020180081616는 플라즈마에 1차 이온화에너지가 10eV 이하인 변환촉진원소를 첨가하여 CF4 등 난분해성 기체의 변환율을 높이고 변환 과정에서 필요한 에너지의 소모를 줄이는 것에 관한 것이며 비용, 안전성 및 투입의 용이성 측면에서 변환촉진원소를 포함하는 고상화합물 상태의 변환촉진제를 용매에 녹인 용액을 별도의 아토마이저로 미세 액적화한 후 이를 플라즈마 토치 하부에 분사하여 기화, 이온화시키는 방식에 대해 기술하고 있다. 아토마이저를 냉각시키고 끝부분에 경사부를 두면 막힘의 문제를 저감시킬 수 있다고 기술하고 있으나 장시간 운전시 여전히 막힘이 발생할 뿐만 아니라 아토마이징 가스, 냉각수 등 추가적인 공급라인이 필요하여 사용이 불편하다. 또한 기화물과 플라즈마 및 대상기체와의 혼합이 불충분하여 대상기체의 변환율을 더 높이고 변환 과정에서 필요한 에너지의 소모를 더 줄이는데 있어 어려움이 있다.
KR1020180081616
본 발명의 과제는 간편하면서도 막힘 및 손상 없이 액체를 기화시키며 기화물, 플라즈마 및 외기 간의 혼합을 강화시키는 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법을 구현하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 플라즈마 토치 및 이를 이용하여 대상기체를 처리하는 방법을 제공하는데 상기 플라즈마 토치는, 고속, 고온의 플라즈마 흐름을 노즐(2) 내에 발생시키는 플라즈마 토치에 있어 노즐(2)은 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 통과 및 배출되는 플라즈마 통로(11) 및 플라즈마 출구(12), 액체가 통과 및 배출되는 액체 통로(21) 및 액체 출구(22), 액체 출구(22)로부터 배출된 액체가 액체 필름층(32)을 형성하는 젖음면(31)을 포함하고 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 액체 필름층(32)을 전단시켜 미세 액적(7)을 생성시키는 액적 생성부(33) 를 포함할 수 있다.
액체 출구(22)는 플라즈마 접촉면(13)에 위치할 수 있다.
액체 출구(22)는 외기 접촉면(23)에 위치할 수 있다.
플라즈마 접촉면(13)과 외기 접촉면(23) 사이에 확장면(41)을 더 구비할 수 있다.
확장면(41)에 액체 출구(22)가 위치할 수 있다.
액체 출구(22)와 플라즈마 출구(12)를 연결하는 홈(25)이 있을 수 있다.
플라즈마 출구(12) 주위에 완충면(42)을 두고 액체 출구(22)와 완충면(42)을 연결하는 홈(25)이 있을 수 있다.
액체 출구(22)가 플라즈마 출구(12)보다 높은 위치에 있을 수 있다.
노즐(2)은 플라즈마 접촉 파트(14)와 외기 접촉 파트(24)가 결합되어 구성될 수 있다.
액적 생성부(33)는 세라믹 인서트(55)에 의해 형성될 수 있다.
간섭맞춤에 의해 세라믹 인서트(55)에 압축응력을 생성시킬 수 있다.
젖음면(31)은 거칠게 하거나 다공성일 수 있다.
고속, 고온의 플라즈마는 직류 아크 방전에 의해 생성될 수 있다.
고속, 고온의 플라즈마는 연소에 의해 생성될 수 있다.
또한, 고속, 고온의 플라즈마 흐름을 노즐(2) 내에 발생시키는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법을 제공하는데 플라즈마 통로(11) 내에 가속 및 가열된 플라즈마(5)를 생성시키는 단계, 액체 출구(22)로부터 배출된 액체가 젖음면(31) 상에 액체 필름층(32)을 형성하는 단계, 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 액적 생성부(33)에서 액체 필름층(32)을 전단시켜 미세 액적(7)을 생성시키는 단계, 가속 및 가열된 플라즈마(5)로부터의 열전달로 미세 액적(7)을 기화시키는 단계, 액체의 기화물, 플라즈마 및 대상기체를 혼합시키는 단계를 포함할 수 있다.
액체는 1차 이온화 에너지가 10eV 이하인 원소로서 대상기체의 변환을 촉진시키는 변환촉진원소를 함유하는 변환촉진제를 액상의 용매에 용해시킨 용액일 수 있다.
대상기체는 할로겐화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
대상기체는 CF4, C2F6, CHF3, C3F8, C4F6, C4F8, NF3 및 SF6 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
고속, 고온의 플라즈마는 직류 아크 방전에 의해 생성되는 것일 수 있다.
고속, 고온의 플라즈마는 연소에 의해 생성되는 것일 수 있다.
직류 아크 방전 혹은 연소 등으로 노즐(2)의 플라즈마 통로(11)에 가속 및 가열된 플라즈마(5)를 생성시킨다. 액체는 정량 펌프에 의해 액체 저장통으로부터 노즐(2)의 액체 통로(21)로 전달된 후 액체 출구(22)를 통해 배출된후 젖음면(31) 상에 액체 필름층(32)을 생성시킨다. 젖음면(31) 상에 생성된 액체 필름층(32)은 액적 생성부(33)에서 가속 및 가열된 플라즈마(5)에 의해 전단되어 미세 액적(7)을 생성시키고 생성된 미세 액적(7)은 가속 및 가열된 플라즈마(5)로부터의 열전달로 인해 기화된다.
플라즈마 접촉면(13)은 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 통과하는 플라즈마 통로(11)를 둘러 싸는 면으로 플라즈마의 흐름으로 인해 외기와는 차단된 면이고 외기 접촉면(23)은 외기에 노출되어 있는 면이다. 액체 출구(22)는 플라즈마 접촉면(13) 혹은 외기 접촉면(23)에 위치할 수 있다.
액체 출구(22)가 플라즈마 접촉면(13)에 위치하는 경우 플라즈마 접촉면(13)이 젖음면(31)이 되어 여기에 액체 필름층(32)이 생성되며 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 젖음면(31)과 평행인 방향으로 액체 필름층(32)을 전단하여 미세 액적(7)을 생성시킨 후 기화시킨다. 이 경우 액체 필름층(32) 전체가 액적 생성부(33)로 작용한다. 플라즈마 접촉면(13)은 고온 플라즈마로부터의 높은 열속으로 인해 외기 접촉면(23)에 비해 높은 온도로 유지되므로 부식성 액체 혹은 플라즈마와 반응하여 부식성을 갖게 되는 액체를 사용할 경우 손상될 가능성이 높다. 특히 직류 아크 토치에 있어 노즐(2)은 전극(대부분의 경우 양극)의 역할을 하여 플라즈마 접촉면(13)에 국부적으로 전류 밀도가 높고 고온인 아크점(6)이 생성되고 이러한 아크점(6)은 플라즈마 접촉면(13) 상에서 불규칙적으로 움직이게 되는데 이러한 아크점(6)이 액체 필름층(32)에 형성되는 경우 이 부위에서의 손상이 증대된다. 액체 출구(22)를 아크점(6)이 움직이는 영역 아래에 두면 손상을 줄일 수 있으나 이 경우 플라즈마 접촉면(13)의 길이가 길어져야 하므로 이를 통해 손실되는 열이 많아져 토치의 열효율이 감소한다.
액체 출구(22)가 외기 접촉면(23)에 위치하는 경우 위와 같은 손상은 줄일 수 있지만 액체를 가속 및 가열된 플라즈마(5) 흐름이 있는 플라즈마 출구(12)까지 젖음면(31)을 통해 이송시켜야 할 필요가 있다. 가속 및 가열된 플라즈마(5)는 플라즈마 출구(12)에 낮은 압력 영역을 형성하므로 액체 출구(22)가 플라즈마 출구(12)로부터 너무 먼 곳에 위치하지 않는 한 액체는 외기와 함께 플라즈마 출구(12)로 대부분 유입(8)될 수 있다. 가속 및 가열된 플라즈마(5)는 플라즈마 출구(12)의 둘레를 구성하는 액적 생성부(33)에서 액체 필름층(32)을 두께 방향으로 전단하여 미세 액적(7)을 생성시키고 이러한 미세 액적(7)은 액적 생성부(33)에서부터 시작하는 전단층(9)에서 고온의 플라즈마 및 외기와 혼합되어 기화한다.
플라즈마 접촉면(13)과 외기 접촉면(23) 사이에 확장면(41)을 두면 액적 생성부(33)에서의 난류 및 플라즈마 출구(12)로의 유입(8)을 향상시켜 미세 액적(7) 생성 및 플라즈마와의 혼합에 유리하며 특히 액체 출구(22)를 이러한 확장면(41)에 위치시키면 중력 방향에 상관없이 대부분의 액체(8)를 유입할 수 있다.
액체 필름층(32)의 두께가 얇을수록 생성되는 액적의 크기를 줄일 수 있어 기화가 용이해지는데 젖음면(31)의 젖음성이 높을수록 액체는 뭉치지 않고 넓은 면적에 퍼질 수 있어 액체 필름층(32)의 두께를 얇게 할 수 있다. 또한 젖음면(31)의 젖음성이 높을수록 액체 출구(22)로부터 플라즈마 출구(12)로의 액체 이송에도 유리하다. 거칠거나 다공성인 표면을 이용하거나 표면장력이 낮거나 계면활성제를 첨가한 액체를 이용함으로 인해 젖음성을 향상시킬 수 있다.
젖음면(31)의 온도가 너무 높으면 액체의 폭발적 비등이 발생하여 액체 필름층(32)이 생성되지 않고 큰 액적이 발생할 수 있다. 또한 고체가 용매에 용해되어 있는 용액을 액체로 사용하는 경우 용매만의 기화로 인해 고체상의 퇴적물이 생성될 수 있다. 많은 경우에 있어 플라즈마 토치의 노즐(2)은 고온에 의한 손상을 방지하기 위해 냉각수로 냉각되는데 냉각 채널(53)을 젖음면(31) 가까이에 위치하도록 하여 액체의 폭발적 비등이 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
냉각 채널(53) 혹은 제작상의 이유로 인해 액체 출구(22)가 플라즈마 출구(12)로부터 멀리 떨어지게 되어 유입력이 낮은 경우 액체는 플라즈마 출구(12)로 이송되지 못하고 액체 출구(22)에 맺혀 큰 액적으로 낙하하는 현상이 발생할 수 있는데 이 경우 액체 출구(22)를 플라즈마 출구(12)에 비해 높은 곳에 위치시키고 경사면을 두어 중력에 의해 액체의 이송을 도울 수 있다. 액체 출구(22)와 플라즈마 출구(12)를 연결하는 홈(25)을 두어 액체를 가이드하면 보다 용이하게 액체를 플라즈마 출구(12)로 이송시킬 수 있는데 하나의 홈(25)을 두는 경우 플라즈마 출구(12) 중 홈(25)과 접한 영역에서만 미세 액적(7)이 생성되어 불균일하고 비효율적이므로 여러 개의 홈을 둘 수 있다. 하나의 홈(25)을 두는 경우에 있어서도 플라즈마 출구(12) 주위에 젖음성이 높은 완충면(42)을 두고 홈(25)을 이곳까지 연결하면 액체 필름층(32)이 플라즈마 출구(12) 주위를 보다 넓게 감쌀 수 있으며 완충면(42) 주변을 약간 돌출시켜 벽을 형성시키면 더욱 유리하다. 홈(25)의 단면 형상은 사각형, V형, 반원형일 수 있다.
노즐(2)에서 플라즈마 접촉면(13)은 고온의 플라즈마에 의해, 외기 접촉면(23)은 부식성 외기에 의해 손상될 수 있다. 직류 아크 플라즈마 토치의 경우 노즐(2)은 대부분 고온 플라즈마의 생성을 용이하게 하고 생성된 고온 플라즈마에 의한 손상을 줄이기 위하여 높은 전기전도도, 내아크성, 높은 열전도도를 갖는 구리로 제작되는데 구리의 외기에 대한 내부식성이 불충분한 경우 노즐(2)은 플라즈마 접촉 파트(14) 및 외기 접촉 파트(24)의 두 파트를 결합하여 구성할 수 있다. 예를 들어 외기에 다량의 불화수소(HF)가 함유되어 있는 경우 플라즈마 접촉 파트(14)로는 구리를, 외기 접촉 파트(24)로는 니켈이나 인코넬 등의 합금을 사용할 수 있으며 두 파트의 결합에는 브레이징, 솔더링 등이 적합하다. 직류 아크 토치에 있어서 아크점(6)은 플라즈마 접촉면(13) 상에서 불규칙적으로 움직이는데 플라즈마 전류가 낮고 플라즈마 형성 기체(4)의 유량이 높을수록 이러한 아크점(6)의 움직임, 특히 상하의 움직임이 강화되어 액체 및 외기가 플라즈마 출구(12)를 넘어 플라즈마 통로(11) 내부로 역류하기도 한다. 부식성 액체도 손상을 야기할 수 있는데 부식성 액체가 액체 출구(22)를 통해 플라즈마 접촉면(13)에 투입되는 경우 혹은 부식성 액체 및 외기가 플라즈마 통로(11) 내부로 역류하는 경우 플라즈마 접촉면(13) 중 액체 혹은 외기와 접하는 부분을 외기 접촉 파트(24)로 구성하는 것이 바람직하다.
금속 재질로는 손상을 억제하는데 있어 불충분한 경우 알루미나, 지르코니아 등의 세라믹을 사용할 수 있으나 이러한 세라믹으로 외기 접촉 파트(24) 전체를 제작하는 것은 높은 비용으로 인해 바람직하지 않다. 손상은 액적 생성부(33)에서 특히 심하므로 소형의 세라믹 인서트(55)로 이 부분을 형성하는 것이 바람직하다. 절연성의 세라믹에는 아크점(6)이 형성되지 않으므로 액체 필름층(32)과 아크점(6)의 반응에 의한 손상도 방지할 수 있다. 세라믹 인서트(55)는 플라즈마 점화, 소화시 혹은 액체 투입, 중지시 열충격에 의해 크랙이 발생하기 쉬운데 세라믹 인서트(55) 결합시 간섭맞춤을 이용하여 세라믹 인서트(55)에 압축응력을 생성시키면 크랙 생성을 억제시킬 수 있다.
본 발명에 있어 액체는 아토마이저에서와 같이 미세 액적(7) 생성을 위해 수십um의 좁은 경로를 통과할 필요 없이 수백um~수mm의 액체 출구(22)로 배출된 후 젖음면(31)으로 이송되므로 막힘의 염려가 없다.
외기가 처리의 대상기체이고 액체의 기화물이 대상기체의 처리에 필요한 경우 본 발명을 적용하면 액체의 기화물, 플라즈마 및 대상기체 간의 혼합을 강화시켜 대상기체의 처리 특성을 향상시킬 수 있다. 예로서 KR1020180081616에 본 발명을 적용하면 별도의 아토마이저를 이용하는 방식에 비해 액체 투입부에서의 막힘이 발생하지 않을 뿐만 아니라 보다 고온부에 액체를 투입할 수 있어 대상기체의 변환을 촉진시키는 기화물의 생성이 용이해진다. 또한 플라즈마 출구(12)에서의 강한 유입(8)으로 인해 변환을 촉진시키는 기화물, 플라즈마 및 대상기체의 혼합이 강화되어 변환을 더욱 가속화시킬 수 있다. 플라즈마는 고온으로 인해 외기에 비해 밀도가 낮은데 이러한 플라즈마와 외기와의 밀도차는 플라즈마 출구(12)에서부터 시작되는 전단층(9)에서 강한 와동(vortex) 및 난류를 생성시켜 상기의 혼합을 더욱 증대시킨다. 이러한 작용은 CF4 등의 난분해성 대상기체의 변환에 있어 더욱 중요하다.
본 발명으로 인해 별도의 아토마이저 등의 미세 액적 생성기구를 사용하지 않고 간편하면서도 막힘 및 손상 없이 액체를 기화시키는 플라즈마 토치를 구현할 수 있으며 이를 이용하여 대상기체의 변환에 적용할 경우 대상기체의 변환율을 증가시키거나 변환에 소모되는 에너지를 줄일 수 있다.
도 1은 본발명의 비교예에 따른 직류 아크 토치 및 아토마이저의 개념도이다.
도 2는 본발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도이다.
도 3은 본발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도이다.
도 4는 본발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도이다.
도5는 본발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도이며 도 5(b)는 도5(a)의 하면도이다.
도6은 본발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도이며 도 6(b)는 도6(a)의 하면도이다.
도7은 본발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도이며 도 7(b)는 도7(a)의 하면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도 1은 비교예로서 직류 아크 토치 및 별도의 아토마이저(60)를 이용하여 액체를 기화시키는 방식을 설명하는 개념도이다. 플라즈마 형성 기체(4)를 양극으로 작용하는 구리 재질의 노즐(2)과 음극(3) 사이에 투입한 후 둘 사이에 직류 전류를 흐르게 하여 고속, 고온의 플라즈마를 형성시킨 후 아토마이저(60)에서 생성된 미세 액적(7)을 플라즈마 출구(12)의 하류에 분사하여 기화시킨다. 아토마이저(60)에서는 수십um의 좁은 경로를 통과하는 액체를 고속의 아토마이징 기체로 파쇄하여 미세 액적(7)을 생성시키므로 고체가 용해되어 있는 용액이나 고체가 분산되어 있는 현탁액을 액체로 사용할 경우 혹은 아토마이저(60) 주변에 분말상의 물질이 존재하거나 액체와 외기가 반응하여 고상의 물질을 생성할 경우 고체 상태의 물질이 아토마이저(60) 내의 좁은 경로에 쌓여 미세 액적(7)의 분사가 불안정해지거나 심한 경우 막혀버릴 가능성이 높다. 아토마이징 기체의 유량은 매우 중요한 변수로서 유량이 낮은 경우 액적의 크기가 커지고 모멘텀이 낮아져 플라즈마의 고온부까지 침투하지 못하게 되며 반대로 유량이 높은 경우 플라즈마의 온도를 불필요하게 낮출 뿐만 아니라 플라즈마 고온부에서의 액적 체류시간을 짧게 한다. 두 경우 모두에 있어 액체의 기화가 불충분해지므로 섬세한 조정을 필요로 하는 문제점이 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도로서 액체 출구(22)는 플라즈마 접촉면(13)에 위치한다. 플라즈마 접촉면(13) 중 액체 출구(22) 하류의 면이 젖음면(31)이 되어 여기에 액체 필름층(32)이 생성되며 가속 및 가열된 플라즈마(5)가 젖음면(31)과 평행인 방향으로 액체 필름층(32)을 전단하여 미세 액적(7)을 생성시킨 후 기화시킨다. 이 경우 액체 필름층(32) 전체가 액적 생성부(33)로 작용한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도로서 액체 출구(22)는 외기 접촉면(23)에 위치한다. 가속 및 가열된 플라즈마(5)는 플라즈마 출구(12)에 낮은 압력 영역을 형성하여 액체 출구(22)로부터 배출된 액체 및 외기를 플라즈마 출구(12)로 유입(8)시킨다. 가속 및 가열된 플라즈마(5)는 플라즈마 출구(12)의 둘레를 구성하는 액적 생성부(33)에서 액체 필름층(32)을 두께 방향으로 전단하여 미세 액적(7)을 생성시키고 이러한 미세 액적(7)은 전단층(9)에서 고온의 플라즈마 및 외기와 혼합되어 기화한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도로서 플라즈마 접촉면(13)과 외기 접촉면(23) 사이에 확장면(41)을 두고 액체 출구(22)가 확장면(41)에 위치한다. 가속 및 가열된 플라즈마(5)는 플라즈마 출구(12)의 둘레를 구성하는 액적 생성부(33)에서 액체 필름층(32)을 두께에 사선 방향으로 전단하여 미세 액적(7)을 생성시키고 이러한 미세 액적(7)은 전단층(9)에서 고온의 플라즈마 및 외기와 혼합되어 기화한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도로서 구리 재질의 노즐(2)은 냉각 채널(53)을 구비하며 액체 출구(22)는 외기 접촉면(23)에 위치한다. 액체 출구(22)를 플라즈마 출구(12)에 비해 높은 곳에 위치시키고 경사면을 두어 중력에 의해 액체의 이송을 도울 수 있게 하고 사각형의 홈(25)을 두어 액체를 가이드한다. 플라즈마 출구(12)를 둘러 싸는 완충면(42)을 두고 완충면(42)의 외경부를 약간 돌출시켜 홈(25)이 있는 위치를 제외한 나머지 영역에 벽을 생성시킨다. 액체 출구(22)와 완충면(42)은 사각형의 홈(25)으로 연결된다. 가속 및 가열된 플라즈마(5)는 플라즈마 출구(12)의 둘레를 구성하는 액적 생성부(33)에서 액체 필름층(32)을 두께 방향으로 전단하여 미세 액적(7)을 생성시키고 이러한 미세 액적(7)은 전단층(9)에서 고온의 플라즈마 및 외기와 혼합되어 기화한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도로서 서로 다른 재질의 두 파트를 결합하여 노즐(2)을 구성하고 냉각 채널(53)을 구비한 것을 제외하면 도4와 동일하다. 플라즈마 접촉 파트(14)로는 구리를, 외기 접촉 파트(24)로는 니켈을 사용하여 제1결합면(51)에서 브레이징으로 결합한다. 액체 및 외기가 플라즈마 통로(11) 내로 역류하더라도 플라즈마 접촉면(13)의 손상이 없도록 역류 영역의 플라즈마 접촉면(13)은 외기 접촉 파트(24)로 구성한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 아크 토치의 개념도로서 서로 다른 재질의 세 파트를 결합하여 노즐(2)을 구성한 것을 제외하면 도 5와 동일하다. 노즐(2)은 냉각 채널(53)을 구비하며 플라즈마 접촉 파트(14)로는 구리를, 외기 접촉 파트(24)로는 인코넬600을 사용하여 제1결합면(51)에서 브레이징으로 결합하고 세라믹인서트(55)로서 환형 실린더 형상의 알루미나 인서트를 제2결합면(52)에서 외기 접촉 파트(24)와 간섭맞춤으로 결합하여 알루미나 인서트 내에 압축응력을 생성시킨다. 액체 출구(22)를 플라즈마 출구(12)에 비해 높은 곳에 위치시키고 경사면을 두어 중력에 의해 액체의 이송을 도울 수 있게 하고 사각형의 홈(25)을 두어 액체를 가이드한다. 알루미나 인서트(55)의 출구면은 완충면(42)으로 작용하며 외기 접촉 파트(24)를 완충면(42)보다 약간 돌출되게 하여 홈(25)이 있는 위치를 제외한 나머지 영역에 벽을 생성시킨다. 알루미나 인서트의 높이는 액체 및 외기가 플라즈마 통로(11) 내로 역류하는 깊이보다 크게 한다.
이하 상기의 직류 아크 토치들을 사용하여 KR1020180081616에 제시된 방법으로 대상기체를 처리하는 방법 및 그 결과에 대해 기술하지만 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다. 연소 토치, 글라이딩 아크 토치, 마이크로웨이브 토치 등 고속, 고온의 플라즈마 흐름을 플라즈마 통로(11)에 생성시킬 수 있는 어떠한 플라즈마 토치에도 적용 가능하며 고속, 고온의 플라즈마로 액체를 기화시켜 대상기체를 처리에 이용하는 어떠한 방법에도 적용 가능하다.
(비교예)
질소로 희석된 CF4를 플라즈마 상에서의 가수분해 반응(CF4+2H2O→4HF+CO2)을 통해 변환시킨다. 도 1에서와 같이 KNO3 수용액을 액체통과 경로의 두께가 20um인 아토마이저(60)를 이용하여 미세 액적(7)으로 만든 후 직류 아크 토치 하부에 분사하여 기화시킨 후 외기 중의 CF4와 혼합시켜 상기 가수분해 반응을 촉진시킨다. 10시간 동안 운전하여 CF4의 분해율을 측정한다.
(실시예1)
상기 수용액을 도 5의 직류 아크 토치에 공급한 것을 제외하고는 비교예와 같다.
(실시예2)
상기 수용액을 도 6의 직류 아크 토치에 공급한 것을 제외하고는 비교예와 같다.
(실시예3)
상기 수용액을 도 7의 직류 아크 토치에 공급한 것을 제외하고는 비교예와 같다.
비교예 및 실시예들에 있어 액체 이송 경로 상에서의 막힘, 노즐의 손상 및 CF4 분해율은 표 1과 같다. 본 발명을 적용함으로 인해 액체 투입부의 막힘이나 노즐의 손상 없이 장시간 안정적으로 높은 CF4 분해율을 유지할 수 있음을 알 수 있다.
삭제
1. 직류 아크 토치 2. 노즐
3. 음극 4. 플라즈마 형성 기체
5. 가속 및 가열된 플라즈마 6. 아크점
7. 미세 액적 8. 유입
9. 전단층
11. 플라즈마 통로 12. 플라즈마 출구
13. 플라즈마 접촉면 14. 플라즈마 접촉 파트
21. 액체 통로 22. 액체 출구
23. 외기 접촉면 24. 외기 접촉 파트
25. 홈
31. 젖음면 32. 액체 필름층
33. 액적 생성부
41. 확장면 42. 완충면
51. 제1결합면 52. 제2결합면
53. 냉각 채널 54. 배플
55. 세라믹 인서트
60. 아토마이저

Claims (20)

  1. 고속, 고온의 플라즈마 흐름을 노즐(2) 내에 발생시키는 플라즈마 토치에 있어 노즐(2)은
    가속 및 가열된 플라즈마(5)가 통과 및 배출되는 플라즈마 통로(11) 및 플라즈마 출구(12),
    액체가 통과 및 배출되는 액체 통로(21) 및 액체 출구(22),
    액체 출구(22)로부터 배출된 액체가 액체 필름층(32)을 형성하는 젖음면(31)을 포함하고
    가속 및 가열된 플라즈마(5)가 액체 필름층(32)을 전단시켜 미세 액적(7)을 생성시키는 액적 생성부(33)를 포함하는, 플라즈마 토치.
  2. 제1항에 있어 액체 출구(22)는 플라즈마 접촉면(13)에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  3. 제1항에 있어 액체 출구(22)는 외기 접촉면(23)에 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  4. 제1항에 있어 플라즈마 접촉면(13)과 외기 접촉면(23) 사이에 확장면(41)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  5. 제4항에 있어 확장면(41)에 액체 출구(22)가 위치하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  6. 제3항에 있어 액체 출구(22)와 플라즈마 출구(12)를 연결하는 홈(25)이 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  7. 제3항에 있어 플라즈마 출구(12)와 액체 출구(22)와 연결된 홈(25) 사이에 플라즈마 출구(12) 주위를 감싸는 완충면(42)을 두어 액체필름층(32)이 플라즈마 출구 주위를 감싸도록 하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  8. 제1항에 있어 액체 출구(22)가 플라즈마 출구(12)보다 높은 위치에 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  9. 제1항에 있어 노즐(2)은 플라즈마 접촉 파트(14)와 외기 접촉 파트(24)가 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  10. 제1항에 있어 액적 생성부(33)는 세라믹에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  11. 제10항에 있어 간섭맞춤에 의해 세라믹에 압축응력을 생성시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  12. 제1항에 있어 젖음면(31)은 거칠게 하거나 다공성인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  13. 제1항에 있어 고속, 고온의 플라즈마는 직류 아크 방전에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  14. 제1항에 있어 고속, 고온의 플라즈마는 연소에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치.
  15. 고속, 고온의 플라즈마 흐름을 노즐(2) 내에 발생시키는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법에 있어서,
    플라즈마 통로(11) 내에 가속 및 가열된 플라즈마(5)를 생성시키는 단계,
    액체 출구(22)로부터 배출된 액체가 젖음면(31) 상에 액체 필름층(32)을 형성하는 단계,
    가속 및 가열된 플라즈마(5)가 액적 생성부(33)에서 액체 필름층(32)을 전단시켜 미세 액적(7)을 생성시키는 단계,
    가속 및 가열된 플라즈마(5)로부터의 열전달로 미세 액적(7)을 기화시키는 단계,
    액체의 기화물, 플라즈마 및 대상기체를 혼합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법.
  16. 제15항에 있어서 액체는 1차 이온화 에너지가 10eV 이하인 원소로서 대상기체의 변환을 촉진시키는 변환촉진원소를 함유하는 변환촉진제를 액상의 용매에 용해시킨 용액인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법.
  17. 제15항에 있어서 대상기체는 할로겐화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법.
  18. 제15항에 있어서 대상기체는 CF4, C2F6, CHF3, C3F8, C4F6, C4F8, NF3 및 SF6 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법.
  19. 제15항에 있어 고속, 고온의 플라즈마는 직류 아크 방전에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법.
  20. 제15항에 있어 고속, 고온의 플라즈마는 연소에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 토치로 대상기체를 처리하는 방법.
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