KR20040034262A - 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기 - Google Patents

플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기에 관한 것이다.
직류 또는 교류 전압을 발생시키는 전원 장치와, 상기 전원 장치로부터 입력 전류를 공급받아 동작하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기에 있어서, 상기 입력 전류의 공급을 차단하기 위한 차단 스위치가 상기 전원 장치의 일측에 직렬로 연결되고, 상기 차단 스위치와 상기 플라즈마 처리 장치의 사이에 전류 검출기가 직렬로 연결되고, 일측으로는 상기 전류 검출기로부터 검출된 전류값을 입력받고, 다른 일측으로는 기준 전류값을 입력받아 상기 차단 스위치를 온 시키는 차단 신호를 송출하는 비교기가 상기 전류 검출기 및 상기 차단 스위치와 직렬로 연결되며, 상기 플라즈마 처리 장치가 정상 상태인 경우 단락 회로처럼 기능하고, 단락 발생 상태인 경우 상기 입력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위한 전류 제한기가 상기 차단 스위치와 상기 전류 검출기의 사이에 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기를 제공한다.
본 발명의 의하면, 정상 상태에서도 입력 전류 파형의 왜곡을 초래하지 않으면서도, 단락 발생 상태에서도 효율적으로 과도 전류의 발생을 억제할 수 있다.

Description

플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기{Current Limiting Circuit for Use in Plasma Processing Apparatus}
본 발명은 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 플라즈마 처리 장치에서 발생하는 아크로 인한 단락 발생 상태에서 전원을 차단하기까지의 일정 시간 동안 출력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위해 플라즈마 처리 장치의 입력단에 사용되는 전류 제한기에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마(Plasma)란 물질을 구성하는 분자들이 외부로부터 많은 에너지를 제공받아 극도로 활성화됨으로써 중성 상태의 가스 분자들의 일부가 분해되어 이온과 전자로 구성된 상태로서, 중성의 가스분자와 양 전하를 가진 이온과 음 전하를 가진 전자를 통칭하는 말이다. 이러한, 플라즈마의 실용화는 오래 전부터 꾸준히 추진되어 왔는데, 예컨대, 네온등은 플라즈마의 글로우(Glow) 방전을 이용한 것이고 아크(Arc) 용접은 플라즈마의 아크 방전을 이용한 것이다. 플라즈마는 기존 물질의 합성이나 가공 방법으로는 제조하기 어려웠던 새로운 물질을 만들 수도 있고, 공해유발 공정이나 난공정 등을 대체할 수 있다.
이러한, 플라즈마는 크게 고온 플라즈마(Thermal Plasma)와 저온 플라즈마(Non-Thermal Plasma)로 구분되어 사용된다. 특히, 저온 플라즈마는 기체를 사이에 둔 두 개의 전극 양단에 고전압을 인가하여 밀도가 낮은 플라즈마를 얻고, 그 플라즈마가 갖는 높은 물리적 에너지와 높은 화학적 활성도를 이용하여 난분해성 가스를 분해하거나, 금속 혹은 폴리머(Polymer)의 표면을 세정하거나, 표면에 유효한 막을 입히는 등의 응용에 활용되고 있다.
하지만, 저온 플라즈마를 사용하는 플라즈마 장치는 고전압 전기 방전을 일으키는 특성상 전원 장치의 출력단에 아크(Arc)에 의한 단락 현상이 빈번하게 발생하게 된다. 이 때 피처리물이 설치되어 있는 부하 장치로의 단락 현상에 따른 과도한 전류 공급을 최대한 신속하게 차단하지 않으면 피처리물이나 부하 장치에 피해를 주어 피처리물의 품질을 크게 떨어뜨리는 결과를 초래한다.
이러한 단락에 따른 과도한 전류 공급을 최소로 하기 위하여 통상적으로 플라즈마 처리 장치의 출력단의 출력 전류를 감지하여 소정의 값 이상으로 출력 전류가 증가하면 출력단에 아크로 인한 단락 현상 발생으로 판단하여 신속하게 전원을 차단하는 방법을 사용하고 있다. 하지만, 이러한 방법은 단락 현상 발생을 감지하고, 플라즈마 처리 장치에 전원을 공급하는 전원 장치의 전원을 차단하는 데 통상적으로 수 ㎲ 정도의 시간 지연이 발생하고 있다. 따라서, 전원을 차단하는 데 소요되는 시간 동안 플라즈마 처리 장치의 출력 전류는 급격하게 증가하여 부하 장치의 피처리물에 나쁜 영향을 미치는 문제점이 있다.
도 1은 단락 현상에 의한 출력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위한 종래 플라즈마 처리 시스템을 간략하게 나타낸 블럭도이다.
종래 플라즈마 처리 시스템은 플라즈마 처리 장치(100)와 플라즈마 처리 장치(100)에 전원을 공급하는 전원 장치(110), 플라즈마 처리 장치(100)와 전원 장치(110) 사이에 직렬로 연결되는 차단 스위치(150), 인덕터(L)(140) 및 전류 검출기(120)와 출력 전류를 비교하기 위한 비교기(130)를 포함한다.
플라즈마 처리 장치(100)의 입력단 앞에는 플라즈마 처리 장치(100)에서 아크로 인한 단락 현상이 발생하여 입력 전류(I)의 값이 급격히 증가하는지를 판단하기 위하여 입력 전류(I)를 검출하는 전류 검출기(120)가 연결되어 있다.
전류 검출기(120)에서 검출된 전류값은 하나의 단자를 통해 비교기(Comparator)(130)로 입력되고, 비교기(130)의 다른 단자로는 단락 여부를 판단하기 위해 미리 설정된 기준 전류값(Reference)이 입력된다. 따라서, 비교기(130)는 전류 검출기(120)로부터 입력되는 전류값과 기준 전류값을 비교하여 플라즈마 처리 장치(100)에서의 단락 발생 여부를 판단한다. 비교기(130)는 플라즈마 처리 장치(100)에서 단락이 발생하였다고 판단되면, 출력차단 신호(Signal)를 차단 스위치(150)로 전달하여 차단 스위치(150)를 오프 상태로 전환시킴으로써 플라즈마 처리 장치(100)로의 전원 공급을 차단시킨다.
하지만, 이러한 방법은 앞에서 설명하였듯이 단락 발생 감지 후, 전원 공급을 차단하기까지 어느 정도의 시간 지연이 발생하는 문제점이 있다. 따라서, 이러한 시간 지연이 발생하는 동안 입력 전류(I)가 급격하게 증가하는 사태를 억제하기 위하여 전류 검출기(120)의 전단에 적절한 값의 인덕터(140)를 추가하는 방법이 사용되고 있다. 도 1에서와 같이 인덕터(140)를 추가하면 인덕터(140)가 전류의 급격한 증가 또는 감소를 억제하는 특성으로 인하여 전원 장치(110)로부터 송출되는 입력 전류(I)의 급격한 증가를 상당 부분 억제할 수 있다.
하지만, 도 1에서 설명한 방법은 인덕터(140)가 아크로 인한 단락 발생 상태에서는 입력 전류(I)의 급격한 증가를 억제할 수 있는 장점이 있지만, 아크가 발생하지 않는 정상 상태에서도 인덕터(140)가 하나의 불필요한 소자로 기능을 하게 된다. 더욱이, 단락 발생 상태에서 입력 전류(I)의 급격한 증가를 억제하는 성능은 인덕터(140)의 인덕턴스(Inductance) 크기에 비례하므로 인덕턴스가 큰 인덕터(140)를 사용하는 것이 일반적이다. 하지만, 인덕턴스가 큰 인덕터(140)를 사용할수록 정상 상태에서 전원 장치(110)에서 출력되는 전류의 파형을 크게 왜곡시키는 문제점을 유발한다. 즉, 인덕턴스의 크기를 작게 하면 단락 발생 상태에서 전류의 급격한 증가를 억제하는 성능이 나빠지고, 인덕턴스의 크기를 크게 하면 정상 상태에서 정상 전류의 왜곡을 초래하는 문제점이 발생된다. 더욱이, 전원 장치(110)에서 출력되는 전압의 파형이 펄스(Pulse)파인 경우에는 도 1에 나타낸 것과 같이 출력 파형의 왜곡 현상이 더욱 더 심하게 된다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 플라즈마 처리 장치에서 발생하는 아크로 인한 단락 발생 상태에서 전원을 차단하기까지의 일정 시간 동안 출력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위해 플라즈마 처리 장치의 입력단에 사용되는 전류 제한기를 제시하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 단락 현상에 의한 출력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위한 종래 플라즈마 처리 시스템을 간략하게 나타낸 블럭도,
도 2는 단락 현상에 따른 입력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 시스템의 간략하게 나타낸 블럭도,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전류 제한기가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단락 발생 상태에서의 입력 전류의 변화를 보여주는 그래프,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전류 제한기가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단락 발생 상태에서의 입력 전류의 변화를 보여주는 그래프,
도 7은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 전류 제한기가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도,
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 단락 발생 상태에서의 입력 전류의 변화를 보여주는 그래프,
도 9는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 전류 제한기가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100, 320 : 플라즈마 처리 장치 110 : 전원 장치
120 : 전류 검출기 130 : 비교기
140 : 인덕터 150 : 차단 스위치
200, 310, 510, 710 : 전류 제한기 520 : 다이오드 브릿지
720, 930, 940 : 가포화 변성기 722 : 자화도 그래프
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 직류 또는 교류 전압을 발생시키는 전원 장치와, 상기 전원 장치로부터 입력 전류를 공급받아 동작하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기에 있어서, 상기 플라즈마 처리 장치로의 상기 입력 전류의 공급을 차단하기 위한 차단 스위치가 상기 전원 장치의 일측에 직렬로 연결되고, 상기 차단 스위치와 상기 플라즈마 처리 장치의 사이에 상기 입력 전류를 검출하는 전류 검출기가 직렬로 연결되고, 일측으로는 상기 전류 검출기로부터 검출된 전류값을 입력받고, 다른 일측으로는 기설정된 기준 전류값을 입력받되, 소정의 조건에 해당되면 상기 차단 스위치를 오프시키는 차단 신호를 송출하는 비교기가 상기 전류 검출기 및 상기 차단 스위치와 직렬로 연결되며, 상기 플라즈마 처리 장치가 정상 상태인 경우 단락 회로처럼 기능하고, 상기 플라즈마 처리 장치가 단락 발생 상태인 경우 상기 입력 전류의 급격한 증가를 소정의 시간 동안 억제하기 위한 전류 제한기가 상기 차단 스위치와 상기 전류 검출기의 사이에 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 사용함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 단락 현상에 따른 입력 전류의 급격한 증가를 억제하기 위한 플라즈마 처리 시스템의 간략하게 나타낸 블럭도이다.
도 2의 플라즈마 처리 시스템은 도 1에서 설명한 구조와 거의 동일하다. 다만, 도 1에서 설명하였듯이 정상 상태에서 인덕터(140)로 인한 입력 전류(I)의 왜곡 현상을 제거하기 위하여 인덕터(140)를 제거하고, 소정의 전류 제한기(200)를 사용하였다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전류 제한기(200)가 사용된 플라즈마 처리 시스템은 정상 상태에서는 전류 제한기(200)가 회로를 구성하는 소자로서 기능하지 않고, 단락 발생 상태에서만 그 기능을 수행하는 소자로서 기능한다. 따라서, 전류 제한기(200)는 정상 상태에서는 플라즈마 처리 장치(100)로의 입력 전류(I)의 왜곡 현상을 전혀 발생시키지 않지만, 단락이 발생한 상태에서는 입력 전류(I)의 급격한 증가를 억제할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시에에 따른 전류 제한기(200)는 도 3 내지 도 9에서 더욱 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전류 제한기(310)가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도이다.
전원부(300)는 1000V의 직류 전원을 공급하고, 플라즈마 처리 장치(320)의 부하 저항 R2는 20Ω의 값을 갖는다. 따라서, 전원부(300)로부터 제공되는 입력 전류 I1의 크기는 50A이다. 그리고, 전류 제한기(310)는 전압 V2가 100V이고, 저항 R1이 1Ω이므로 100A의 전류원을 갖는다.
먼저, 전원부(300)에서 플라즈마 처리 장치(320)측으로 50A의 전류 I1이 흐르고, 전류 제한기(310)내의 인덕터(L)에는 I1의 허용 최대치인 100A의 I2가 흐르도록 설정한다. 따라서, I1이 I2보다 작은 정상 상태에서는 다이오드(D)에 I2-I1=50A만큼의 순방향 전류가 흐르게 되므로, 노드 A점과 노드 B점이 마치 단락된 것처럼 동작하여 전류 제한기(310)내의 회로 소자들은 전원부에서 부하단까지의 회로 경로에서 아무런 역할을 하지 않게 된다.
하지만, 플라즈마 처리 장치(320)에서 발생하는 아크로 인해 U1에 단락이 발생한 상태에서는 플라즈마 처리 당치(320)로 유입되는 I1의 값이 급격하게 증가하게 된다. 따라서, I1이 증가하여 I2와 같아지면 다이오드(D)에는 더 이상 순방향으로 전류가 흐르지 못하게 되므로, 다이오드(D)가 회로에서 없어지는 것과 같은 효과를 나타내며, I2와 같아진 I1은 다이오드(D) 대신 전류 제한기(310)내의 인덕터(L)를 통하여 흐르게 된다. 즉, 인덕터(L)은 I1이 I2보다 작은 정상 상태에서는 전원부(300)에서 플라즈마 처리 장치(320)의 회로 경로에서 아무런 역할을 못하다가, I1이 I2와 같아지는 상황에서부터 상기 경로에 직렬로 삽입되어 동작하게 되는 것이다.
하지만, 인덕터(L)에는 정상 상태에서 100A의 전류가 흐르고 있던 상태여서 부하 전류가 급격하게 증가하게 되면 인덕터(L)는 "렌츠의 법칙"에 의해 전류의 급격한 증가를 억제하기 시작한다. 즉, 단락 발생 상태에서 전류 제한기(310)의 인덕터(L)가 전류제한 소자로서 작용하는 것이다. 따라서, 플라즈마 처리 장치(320)로 인가되는 I1은 인덕터(L)에 의해 급격한 증가가 억제되어 서서히 증가되다가 정상 상태인 100A로 수렴된다. 이 때, 인덕터(L)에 흐르는 전류 I1 = I2는 아래 수식에 의해 증가한다.
(L : 인덕턴스 값, VL은 인덕터 양단의 전압 값)
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단락 발생 상태에서의 입력 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3을 함께 참조하여 도 4의 그래프를 보면, 정상 상태에서는 플라즈마 처리 장치(320)로 50A의 전류가 일정하게 입력되고 있음을 알 수 있다. 하지만, 도 4의 그래프에서 보여지는 것과 같이 5 ㎲ 시점에서 플라즈마 처리 장치(320)에 단락이 발생하더라도 전류가 약 100A 정도에서 전류값이 일정하게 제한되고 있음을 알 수 있다. 즉, 전류 제한기(310)의 인덕터(L)에 의해 전류가 순간적으로 엄청나게 증가할 수 있는 현상이 억제되고 있음을 알 수 있다. 따라서, 전류 제한기(310)에 의해 플라즈마 처리 장치(320)로 인가되는 전류가 정상 상태에 비해 단락 발생 상태시에도 급격하게 증가하지 않게 되므로 플라즈마 처리 장치(320)의 부하 장치를 보호할 수 있다. 물론, 이러한 전류 제한기(310)의 급격한 전류 제한 기능은 비교기(130)에 의해 차단 스위치(150)가 작동되는 시점까지만 수행되면 충분할 것이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전류 제한기(510)가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도이다.
도 5의 전원부(500)는 주파수(FREQ)가 50 KHz인 교류 전원으로서, RMS값이 1,000V이며 사인(Sine)파의 파형 특성을 갖는다. 물론, 인덕터(L), 저항(R1, R2), 전류 제한기(510)의 전압 V2, I1의 값(50A) 및 I2의 값(100A)은 도 3과 동일하다.
먼저, 전원부(500)에서 플라즈마 처리 장치(320)측으로 첨두치가 50A인 전류 I1이 흐르고, 전류 제한기(510)내의 인덕터(L)에는 I1의 허용 최대치인 100A의 I2가 흐르도록 설정한다. I1의 절대값이 I2보다 작은 정상 상태에서는 다이오드 브릿지(Bridge)(520)내의 각 다이오드(D1, D2, D3, D4)는 모두 순방향으로 전압이 인가되므로, 노드 A점과 노드 B점이 마치 단락된 것처럼 동작하여 전류 제한기(510)내의 회로 소자들은 전원부(500)에서 부하단까지의 회로 경로에서 아무런 역할지 하지 않게 된다.
하지만, 단락 발생 상태에서는 도 3에서 설명한 것과 마찬가지로 플라즈마 처리 장치(320)의 저항은 거의 0이 되므로 전원부(500)에서 인가되는 전류 I1은 급격하게 증가하게 된다. 따라서, I1이 증가하여 I2와 같아지면 다이오드 브릿지(520)에 더 이상 순방향으로 전압이 인가되지 못하므로 다이오드 브릿지(520)가 회로에서 없어지는 효과를 나타내며, I2와 같아진 I1은 다이오드(D)대신 전류 제한기(510) 내의 인덕터(L)를 통하여 흐르게 된다. 즉, 인덕터(L)은 I1이 I2보다 작은 정상 상태에서는 전원부(500)에서 플라즈마 처리 장치(320)의 회로 경로에서 아무런 역할을 못하다가, I1이 I2와 같아지는 상황에서부터 상기 경로에 직렬로 삽입되어 동작하게 되는 것이다. 이 때, 인덕터(L)이 도 3에서 설명한 것과 마찬가지로 급격한 전류의 증가를 억제하는 소자로 작용하여 플라즈마 처리 장치(320)의 부하 장치를 보호한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단락 발생 상태에서의 입력 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 5를 함께 참조하여 도 6의 그래프를 보면, 정상 상태에서는 플라즈마 처리 장치(320)로 ±50A의 범위 내에서 일정한 사인파(I = -sin2πft = -sin(2π×5×104t))가 흐르고 있음을 알 수 있다. 하지만, 도 4의 그래프에서 보여지는 것과 같이 100 ㎲ 시점에서 플라즈마 처리 장치(320)에 단락이 발생하더라도 전류 제한기(510)에 의해 전류가 약 ±100A 범위 내에서 전류값이 일정하게 제한되고 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 제한기(710)가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도이다.
도 7을 보면, 전류 제한기(710)에 가포화 변성기(Saturable Cored Transformer)(720)가 사용되고 있음을 알 수 있다. 여기서, 가포화 변성기란 변성기의 일측 권선에 일정 이상의 직류 전류를 흐르게 하여 코어를 포화시킬 수 있는 일종의 변성기이며, 포화가 되었을 때에는 코어가 공심의 특성을 나타내어 매우 낮은 자화 인덕턴스를 가지며, 반대로 포화가 되지 않았을 때에는 매우 큰 자화 인덕턴스를 가져 일반적인 변성기처럼 동작하는 변성기이다. 본 발명의 실시예에 따른 가포화 변성기(720)는 정상 부하 전류의 반대 방향으로 포화된 상태로 설치된다. 즉, 도 7의 가포화 변성기(720)는 자화도 그래프(Hysteresis Curve)(722)의 정상 구간에서 역의 포화 상태(S1 : Saturation)로 동작한다. 여기서, 가포화 변성기(722)가 포화되지 않았을 때의 자화 인덕턴스는 L1의 값에 비하여 충분히 크다고 가정한다.
먼저, 정상 상태에서 가포화 변성기(720)는 포화 상태이므로 매우 낮은 자화 인덕턴스를 가지므로 전원부(700)와 플라즈마 처리 장치(320)가 이루는 회로 경로에서 단락처럼 동작한다. 따라서, 전원부(700)에서 인가되는 전류 I1은 단락과 같은 상태의 가포화 변성기(720)의 왼쪽 권선을 그대로 통과하여 플라즈마 처리 장치(320)로 흘러간다.
하지만, 플라즈마 처리 장치(320)의 U2에 단락이 발생하면 전원부(700)에서 인가되는 I1은 급격하게 증가하게 된다. 따라서, 가포화 변성기(720)의 왼쪽 권선(제어 권선)으로 많은 양의 전류가 갑자기 유입되므로, 가포화 변성기(720)는 자화도 그래프(722)의 포화 상태에서 벗어나 단락 발생 구간의 곡선 ①을 따라 자화도가 증가하는 일반적인 변성기(720)로서 동작하기 시작한다. 즉, 가포화 변성기(720)의 자화 인덕턴스가 커지므로 I1은 L1을 통하여 흐르려고 한다.
한편, 가포화 변성기(720)가 자화도 그래프(722)를 따라 정의 포화 상태(S2)에 도달하면, 반대로 곡선 ②를 따라 역의 포화 상태(S1)로 진행하려고 한다. 따라서, 도 2에서 설명한 전류 검출기(120) 및 비교기(130)는 가포화 변성기(720)가 정의 포화 상태(S2)에 도달하기 전에 차단 스위치(150)를 동작시켜 전원을 차단할 수 있도록 설계되어야 할 것이다.
한편, 도 7에서 설명한 전류 제한기(710)는 도 3에서 설명한 전류 제한기(310)과 함께 (+) 또는 (-)의 플라즈마 처리용 전원을 공급하는 단극성의 전원부(300, 700)와 함께 사용된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단락 발생 상태에서의 입력 전류의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 7을 함께 참조하여 도 8의 그래프를 보면, 그래프 ①은 플라즈마 처리 장치(320)로 입력되는 입력 전류를 나타내고 있고, 그래프 ②는 가포화 변성기(720)의 자화도를 나타내고 있다.
먼저, 정상 상태에서는 가포화 변성기(720)가 단락된 것처럼 보이므로 전류 I1은 일정한 값을 가진다. 하지만, 도 8의 5 ㎲ 지점에서 U2에 단락이 발생하면 그래프 ②에서 보는 것과 같이 플럭스(Flux)가 증가하므로 가포화 변성기(720)의 포화 상태가 풀려 일반적인 변성기로 작용하여 전류 제한기(710)에 설정된 제한값인 100A 이내로 입력 전류의 급격한 증가가 억제된다. 즉, 가포화 변성기(720)가 일반적인 변성기로 전환되면 자화 인덕턴스가 커지므로 변성기의 2차 권선을 통하여 입력 전류가 흐르므로, 인덕터(L)에 의해 입력 전류의 급격한 증가가 억제되는 것이다.
하지만, 도 8에서 보여지는 것과 같이 단락 발생 상태에서 시간이 계속 흘러대략 7 ㎲ 지점에서 가포화 변성기(720)가 정의 포화 상태(S2)에 도달하면 가포화 변성기(720)는 도 7의 자화도 그래프(722)에 나타낸 것과 같이 곡선 ②를 따라 자화도가 감소하기 시작한다. 따라서, 역의 포화 상태(S1)의 경우와 반대 방향으로 입력 전류가 급격하게 다시 증가하기 시작하므로 도 8의 그래프 ①에서 보듯이, 입력 전류가 7 ㎲ 지점에서 다시 급격하게 증가하게 된다. 따라서, 앞에서 설명하였듯이 가포화 변성기(720)가 정의 포화 상태(S2)에 도달하기 전에 전원을 차단해야 할 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전류 제한기(910, 920)가 사용된 플라즈마 처리 시스템의 회로도이다.
도 9의 회로도는 도 7의 것과 유사하지만, 전원부(900)에서 교류 전원(VMAG=1000V, FREQ=1KHz)이 인가되는 점과 두 개의 전류 제한기가 직렬로 연결되어 있는 점이 다르다. 즉, 도 7이 직류 전원을 위한 단방향성 전류 제한기라면 도 9는 교류 전원을 위한 양방향성 전류 제한기를 나타내고 있다.
먼저, 정상 상태에서는 도 7에서 설명한 대로 역의 포화 상태(S1)로 설정된 가포화 변성기 A(930)와 가포화 변성기 B(940)는 마치 단락된 것처럼 보이므로 입력 전류 I1은 플라즈마 처리 장치(320)로 그대로 흘러 들어간다. 하지만, U3에 단락이 발생하면 가포화 변성기 A(930) 또는 가포화 변성기 B(940)의 자화 인덕턴스가 커지고, 가포화 변성기 A(930) 및 가포화 변성기 B(940)의 2차 권선과 인덕터(L)를 통하여 입력 전류가 흐르므로 인덕터(L)에 의해 입력 전류의 급격한 증가가 억제되는 것이다.
한편, 도 9에서 설명한 전류 제한기(910 및 920)는 도 5에서 설명한 전류 제한기(510)과 함께 (+)와 (-)가 교번으로 인가되는 플라즈마 처리용 전원을 공급하는 양극성의 전원부(500, 900)와 함께 사용된다.
한편, 도 9에서와 같이 양방향성 전류 제한기의 경우에 단락 발생 상태에서의 입력 전류 파형의 변화하는 모습은 도 8에서 설명한 것과 동일함은 누구나 알 수 있을 것이다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
앞에서 설명하였듯이, 종래 전류 제한 회로에 사용되는 인덕터는 정상 상태에서도 동작하여 입력 전류의 파형을 왜곡하는 문제점을 유발하였으나, 본 발명에 따른 전류 제한 회로는 정상 상태에서는 단락된 것과 마찬가지로 동작하므로 입력 전류의 파형을 전혀 손상시키지 않는 장점이 있다.
또한, 전원부에서 인가되는 전원의 종류(교류 및 직류)별로 전류 제한 회로를 다양하게 구현함으로써 플라즈마 처리 장치에 교류 및 직류 전원의 사용을 모두가능하게 하였고, 과도 전류의 발생을 효율적으로 억제함으로써 부하 장치에서 생성되는 제품의 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 직류 또는 교류 전압을 발생시키는 전원 장치와, 상기 전원 장치로부터 입력 전류를 공급받아 동작하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기에 있어서,
    상기 플라즈마 처리 장치로의 상기 입력 전류의 공급을 차단하기 위한 차단 스위치가 상기 전원 장치의 일측에 직렬로 연결되고,
    상기 차단 스위치와 상기 플라즈마 처리 장치의 사이에 상기 입력 전류를 검출하는 전류 검출기가 직렬로 연결되고,
    일측으로는 상기 전류 검출기로부터 검출된 전류값을 입력받고, 다른 일측으로는 기설정된 기준 전류값(Reference)을 입력받되, 소정의 조건에 해당되면 상기 차단 스위치를 오프시키는 차단 신호를 송출하는 비교기가 상기 전류 검출기 및 상기 차단 스위치와 직렬로 연결되며,
    상기 플라즈마 처리 장치가 정상 상태인 경우 단락 회로처럼 기능하고, 상기 플라즈마 처리 장치가 단락 발생 상태인 경우 상기 입력 전류의 급격한 증가를 소정의 시간 동안 억제하기 위한 전류 제한기가 상기 차단 스위치와 상기 전류 검출기의 사이에 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한기는 상기 전원 장치가 직류 전압을 발생하는 경우, 다이오드가 상기 전원 장치와 상기 플라즈마 처리 장치에 직렬 연결되고, 상기 다이오드의 캐소드(Cathode)측에 직렬로 연결된 인덕터, 저항, 전원의 직렬체가 상기 다이오드의 양 끝단과 직렬로 연결되며, 상기 정상 상태에서 상기 다이오드는 쇼트(Short)로 기능하고, 상기 단락 발생 상태에서 상기 인덕터가 상기 입력 전류의 급격한 증가를 제한하는 소자로서 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 다이오드는 상기 정상 상태 및 상기 단락 발생 상태에서 상기 입력 전류의 흐름과 반대 방향으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한기는 상기 전원 장치가 교류 전압을 발생하는 경우, 다이오드 브릿지의 두 다이오드(D1 및 D2) 사이에는 상기 전원 장치가 직렬로 연결되고, 두 다이오드(D3 및 D4)의 사이에는 상기 플라즈마 처리 장치가 직렬로 연결되고, 두 다이오드 브릿지(D2 및 D4)의 사이에는 인덕터, 저항, 전원의 직렬체가 직렬로 연결되어 상기 정상 상태에서는 상기 다이오드 브릿지의 모든 다이오드(D1 내지 D4)에는 상기 교류 전압이 순방향으로 인가되어 상기 다이오드 브릿지가 쇼트로 기능하고, 상기 단락 발생 상태에서는 상기 다이오드 브릿지에 상기 교류 전압이 순방향으로 인가되지 못하여 상기 인덕터가 상기 입력 전류의 급격한 증가를 제한하는 소자로서 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 조건은 상기 검출된 전류값이 상기 기준 전류값을 초과하기 시작하는 상태인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정의 시간은 단락 발생을 감지한 시점에서부터 상기 차단 스위치가 오프 상태로 전이되기까지 걸리는 기간인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한기는 상기 전원 장치가 직류 전압을 발생하는 경우, 역의 포화 상태(S1)로 셋팅된 가포화 변성기의 일측 권선이 상기 전원 장치와 상기 플라즈마 처리 장치에 직렬 연결되고, 상기 가포화 변성기의 타측 권선에는 인덕터, 저항, 전원의 직렬체가 직렬로 연결되며, 상기 정상 상태에서는 상기 가포화 변성기와 상기 인덕터는 쇼트로 기능하고, 상기 단락 발생 상태에서 상기 가포화 변성기와 상기 인덕터는 상기 입력 전류의 급격한 증가를 제한하는 소자로서 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  8. 제 1 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 전류 검출기 및 상기 비교기는 상기 가포화 변성기가 상기 역의 포화 상태(S1)에서 벗어나 자화도 곡선 ①을 따라 정의 포화 상태(S2)에 도달하기 전에 상기 차단 스위치를 오프시킬 수 있는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 제한기는 상기 전원 장치가 교류 전압을 발생하는 경우, 역의 포화 상태(S1)로 셋팅된 가포화 변성기 A 및 가포화 변성기 B의 각 일측 권선이 상기 전원 장치와 상기 플라즈마 처리 장치에 직렬 연결되고, 상기 가포화 변성기 A의 타측 권선은 인덕터, 저항, 전원의 직렬체와 직렬로 연결되어 상기 가포화 변성기 B의 타측 권선에 직렬로 연결되고, 상기 정상 상태에서는 상기 가포화 변성기 A, 상기 인덕터 및 상기 가포화 변성기 B는 쇼트로 기능하고, 상기 단락 발생 상태에서 상기 가포화 변성기 A, 상기 인덕터 및 상기 가포화 변성기 B는 상기 입력 전류의 급격한 증가를 제한하는 소자로서 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 단락 발생 상태에서 상기 가포화 변성기 A는 상기 전원 장치에서 (+)교류 전압이 발생하는 경우에 동작하고, 상기 가포화 변성기 B는 상기 전원 장치에서 (-)교류 전압이 발생하는 경우에 동작하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
  11. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 전류 검출기 및 상기 비교기는 상기 가포화 변성기 A 또는 상기 가포화 변성기 B가 상기 역의 포화 상태(S1)에서 벗어나 자화도 곡선 ①을 따라 정의 포화 상태(S2)에 도달하기 전에 상기 차단 스위치를 오프시킬 수 있는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치에 사용되는 전류 제한기.
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