KR20210154579A

KR20210154579A - 플라즈마 생성기

Info

Publication number: KR20210154579A
Application number: KR1020200071730A
Authority: KR
Inventors: 정진욱; 김주호
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-12-21
Also published as: KR102378573B1

Abstract

본 실시예에 의한 플라즈마 생성기는 전원과, 전원이 제공하는 전력을 전송하는 송신 코일을 포함하는 전력 송신측 및 수신 코일로부터 전력을 전송받는 수신 코일과, 수신 코일이 전송받은 전력이 제공되는 플라즈마 생성 챔버와, 전력 송신측과 공진하도록 공진 주파수를 제어하는 공진 주파수 제어 회로를 포함하는 전력 수신측을 포함한다.

Description

플라즈마 생성기{PLASMA GENERATOR}

본 기술은 플라즈마 생성기와 관련된다.

플라즈마(plasma)는 궤도 전자들이 제거된 원자들인 이온 가스와 자유 전자들로 구성되며, 강력한 전기장 혹은 열원으로 가열되어 기체 상태를 넘어 전자, 중성입자, 이온 등 입자들로 나누어진 상태를 의미한다. 플라즈마는 반도체 산업에서 식각, 증착 등에 주로 사용되었으나, 요즈음에는 물질의 표면 개질, 코팅, 살균, 소독 등으로 사용 범위가 확장되었으며, 최근에는 바이오 의료 분야뿐만 아니라 미용 분야에 까지 널리 사용되고 있다.

무선으로 전력을 전송하는 기술이 주목을 받고 있다. 1차 코일과 2차 코일로 유도 결합을 이루어 전력을 전송하는 방식이 있으나, 이는 1차 코일과 2차 코일이 밀착되어야 높은 전력 전송 효율을 얻을 수 있다. 송신측에서 RF 신호를 방사하고, 수신측에서 이를 수신하는 방식이 있으나, 아직은 전송 효율이 낮은 편이다.

상기한 방식들의 단점을 극복할 수 있는 방식인 자기 공진 방식이 주목을 받고 있다. 자기 공진 방식에서 전력 수신측은 전력 전송 측이 전송하는 신호의 주파수에 공진(resonance)을 일으켜 전송 신호를 수신하고, 이로부터 전력을 복원하는 방식이다. 자기 공진 방식은 유도 결합 방식과는 달리 이격된 상태에서도 전력을 수신할 수 있다는 점에서 주목을 받고 있다.

종래의 플라즈마 생성기는 전원과 유선으로 연결되어 전력이 제공되었다. 이로부터 플라즈마 생성기의 배치에 제약이 있으며, 사용에 제한점이 되었다. 본 기술은 이러한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 전력 송신측과 전력 수신측을 분리하여 효율적으로 플라즈마 생성기를 배치하게끔 하는 것이 본 실시예로 해결하고자 하는 과제의 하나이다.

또한, 본 실시예의 일 태양은 무선으로 전력을 전송받아 용량 결합성 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성기를 제공하는 것이 해결하고자 하는 또 다른 과제의 하나이다.

본 실시예의 어느 한 모습에 의하면, 플라즈마 생성 챔버는, 수신 코일과 전기적으로 연결되는 제1 극판과, 기준 전압이 제공되는 제2 극판 및 제1 극판과 제2 극판을 이격시키는 격벽을 포함하며, 플라즈마 챔버는 용량성 결합(capacitively couple)된 플라즈마를 생성한다.

본 실시예의 어느 한 모습에 의하면, 제1 극판과 제2 극판은 전도성 물질이며, 격벽은 쿼츠(quartz)로, 플라즈마 생성 챔버는 커패시터로 모델된다.

본 실시예의 어느 한 모습에 의하면, 공진 주파수 제어 회로는, 가변 인덕터와 가변 커패시터가 전기적으로 연결되며, 가변 인덕터의 인덕턴스와 가변 커패시터의 커패시턴스 중 어느 하나 이상을 조절하여 공진 주파수를 제어한다.

본 실시예의 어느 한 모습에 의하면, 전원은 제1 주파수의 전압 및 제1 주파수의 전류를 제공하고, 공진 주파수 제어 회로는 전력 수신측의 공진 주파수를 제1 주파수에 상응하도록 제어한다.

본 실시예의 어느 한 모습에 의하면, 플라즈마 생성기는 송신 코일과 수신 코일 사이에 위치하는 중계 코일(intermediate coil)을 더 포함한다.

본 실시예의 어느 한 모습에 의하면, 전력 송신측은, 전원과 송신 코일의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부를 더 포함한다.

본 실시예에 의한 플라즈마 생성기는 무선으로 전력을 전송받아 용량성 결합 플라즈마를 생성할 수 있어 그 배치가 자유롭다는 장점이 제공된다. 본 실시예의 일 태양에 의하면 전력 송신부와 전력 수신부 사이에 중계 코일이 위치할 수 있으며, 중계 코일에 의하여 전력 송신부와 전력 수신부 사이가 이격되어도 양호한 전력 전송 효율로 전력을 전송할 수 있다는 장점이 제공된다.

나아가, 무선 전력 전송에 의하여도 높은 효율로 플라즈마를 형성할 수 있다는 장점이 제공된다.

도 1은 본 실시예에 의한 플라즈마 발생 장치의 개요를 도시한 개요도이다.
도 2는 본 실시예에 의한 플라즈마 생성기에서 전력 송신측과 전력 수신측 사이에 중계 코일이 위치한 상태를 개요적으로 도시한 도면이다.
도 3은 가변 커패시터의 커패시턴스의 변화에 따른 전원부 전류의 변화를 도시한 도면이다.
도 4는 공진이 일어날 때 챔버 내 높이에 따른 플라즈마 밀도 분포를 도시한 도면이다.

도 1은 본 실시예에 의한 플라즈마 생성기(10)의 개요를 도시한 개요도이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 생성기(10)는 전원(110)과, 전원(110)이 제공하는 전력을 전송하는 송신 코일(120)을 포함하는 전력 송신측(100) 및 송신 코일(120)과 공진(resonate)하여 전력을 전송받는 수신 코일(210)과, 수신 코일(210)이 전송받은 전력이 제공되는 플라즈마 생성 챔버(220)와, 전력 송신측(100)과 공진하도록 공진 주파수를 제어하는 공진 주파수 제어 회로(230)를 포함하는 전력 수신측(200)을 포함한다.

전력 송신측(100)은 플라즈마를 생성하기 위한 전력을 제공하는 전원(110)을 포함한다. 일 실시예로 전원(110)은 제1 주파수를 가지는 전압 및/또는 전류를 제공하며, 전원(110)이 제공하는 전력은 송신 코일(120)과 수신 코일(210)을 거쳐 플라즈마 생성 챔버(220)에 제공된다. 일 예로, 제1 주파수는 RF 대역의 주파수일 수 있다.

일 실시예에서, 전력 송신측(100)은 전원(110)의 출력단의 임피던스(Zin1)와 송신 코일을 바라보는 임피던스(Zin2)를 매칭하는 임피던스 매칭부(IMB, 130)를 더 포함할 수 있다. 임피던스 매칭부(130)는 전원(110)이 제공하는 전력이 보다 높은 효율로 전송 코일(120)에 전달되도록 기능한다. 송신 코일(120)은 전원(110)이 제공한 전력을 제공받고, 이를 전자기파의 형태로 전송한다.

전력 수신측(200)은 전력 송신측(100)이 제공하는 전력를 제공받는 수신 코일(210)을 포함한다. 수신 코일(210)은 송신 코일(120)과 공진하거나 후술할 바와 같이 중계 코일(intermediate coil, 300)과 공진하여 전력을 제공받고 플라즈마 생성 챔버(220)에 제공한다.

도 2는 본 실시예에 의한 플라즈마 생성기(10)에서 전력 송신측(100)과 전력 수신측(200) 사이에 중계 코일(300)이 위치한 상태를 개요적으로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이에 중계 코일(intermediate coil, 300)이 위치할 수 있다. 도 2에서 중계 코일(300)의 비이상적인 특성에 의한 등가 저항과 등가 커패시턴스는 각각 도면에 Req와 Ceq로 도시되었다.

자기 공명 방식 전력 전송 방식에 있어서 송신 코일(120)과 수신 코일(210)이 접촉하지 않고 50cm 이하의 미드 레인지(mid range)로 이격되어도 전력 송수신이 가능하다. 그러나, 송신 코일(120)과 수신 코일(210)이 전력 송수신이 가능한 범위를 넘어서 이격되어 배치되면 전력 송수신의 효율이 감소한다.

도 2로 예시된 것과 같이 중계 코일(300)이 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이에 위치하여 이격된 거리에 따른 전력 송수신의 효율을 보상할 수 있다. 중계 코일(300)이 배치됨에 따라 중계 코일(300) 없이 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이의 전력 송수신 가능한 거리를 두 배 이상 확장할 수 있다. 또한, 하나 이상의 중계 코일(300)들을 송신 코일(120)과 수신 코일(210) 사이에 배치할 수 있으며, 이러한 경우에는 배치된 중계 코일(300)들의 개수에 따라 전력 전송 가능한 거리를 확장할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 공진 주파수 제어 회로(230)는 커패시턴스(capapcitance)를 변화할 수 있는 가변 커패시터(Cx) 및 인덕턴스를 변화할 수 있는 가변 인덕터(Lx) 중 어느 하나이상을 포함한다. 도 1로 예시된 실시예에서 공진 주파수 제어 회로(230)는 커패시턴스를 조절할 수 있는 가변 커패시터(Cx)와 인덕턴스를 조절할 수 있는 가변 인덕터(Lx)를 포함할 수 있다. 가변 커패시터(Cx)와 가변 인덕터(Lx)의 인덕턴스를 제어하여 전원(110)이 제공하는 전압 및/또는 전류의 주파수에 공진하도록 공진 주파수를 제어할 수 있다.

도시되지 않은 다른 실시예에 의하면, 공진 주파수 제어 회로(230)는 커패시턴스를 가변할 수 있는 가변 커패시터 및 인덕턴스를 가변할 수 있는 가변 인덕터 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 이 때 가변 가능한 소자값을 변화시켜 공진 주파수를 제어할 수 있다. 하나 이상의 중계 코일(300)이 송신 코일(110)과 수신 코일(210) 사이에 위치하여도 공진 주파수는 변화하지 않아 전력 송수신 효율을 유지할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 플라즈마 생성챔버(220)는 용량 결합성 플라즈마(capacitively coupled plasma)를 생성한다. 일 실시예로, 플라즈마 생성 챔버(220)는 전도성 재질의 금속판인 제1 극판(222)와 제2 극판(224) 및 제1 극판(222)과 제2 극판(224)를 이격시키되, 챔버의 측벽을 형성하는 격벽(226)을 포함한다. 일 예로, 격벽(226)은 쿼츠(quartz)일 수 있다.

일 실시예로, 플라즈마 생성 챔버(220)는 원통 형태(cylindrical shape)을 가질 수 있으며, 제1 극판(222)과 제2 극판(224)은 원통 형태 플라즈마 생성 챔버의 상판 및 하판 중 각각 어느 하나일 수 있으며, 격벽(226)은 원통 형태 플라즈마 생성 챔버의 측벽일 수 있다.

다른 실시예로, 플라즈마 생성 챔버(220)는 육면체 형태를 가질 수 있으며, 제1 극판(222)과 제2 극판(224)은 육면체 형태의 플라즈마 생성 챔버의 상판 및 하판 중 각각 어느 하나일 수 있으며, 격벽(226)은 원통 형태 플라즈마 생성 챔버(220)의 측벽일 수 있다. 다만, 상기한 플라즈마 생성 챔버(220) 형태는 모두 예일 따름이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하지 않는다.

플라즈마 생성 챔버(220)의 일 실시예에서, 플라즈마 생성 챔버(220)는 플라즈마를 형성하기 위한 가스 유입구(I)를 더 포함할 수 있다. 가스 유입구(I)를 통하여 플라즈마 생성 챔버(220)의 내부에 가스가 제공되며, 제공되는 가스는 아르곤(Ar), 산소(O₂), 질소(N₂), 헬륨(He), 제논(Xe), CF 계열의 가스 중 어느 하나이상일 수 있다.

플라즈마 생성 챔버(220)는 챔버 내부를 진공에 가까운 압력으로 유지하기 위하여 진공 펌프(vacuum pump, 미도시)와 연결하기 위한 유출구(O)를 더 포함할 수 있다. 진공 펌프는 유출구(O)와 연결되어 플라즈마 생성 챔버(220) 내부의 압력을 수 mTorr ~ 수십 mTorr로 유지할 수 있다.

플라즈마 생성 챔버(220)는 가스 유입구(I)로 가스를 주입하고, 수신 코일(210)로부터 전력을 제공받고 방전하여 플라즈마를 생성한다. 도시된 실시예에서, 제1 극판(222)과 제2 극판(224)는 이격되어 배치되므로 전기적으로 커패시터(capacitor)로 모델될 수 있다. 커패시터로 모델 가능한 플라즈마 생성 챔버(220)에서 생성되는 플라즈마는 용량 결합성 플라즈마로 분류될 수 있다. 일 예로, 용량 결합성 플라즈마는 반도체, 디스플레이 장치의 식각, 증착 등의 제조 설비와 살균, 소독 등의 의료 분야에 유용하게 활용될 수 있다.

실험예

이하에서는 도 3 내지 도 4를 참조하여 본 실시예에 의한 플라즈마 생성기의 실험예를 설명한다. 도 3은 가변 커패시터의 커패시턴스의 변화에 따른 전원부 전류의 변화를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 챔버 내부를 10mTorr로 유지하고, 전원이 0.14Ω의 부하에 50W를 제공할 때, 송신 코일(110)에 제공되는 전류의 크기 변화를 실측하였다.

공진이 이루어지지 않을 때, 전원(110)이 송신 코일(120)에 18.9A의 전류를 제공하며, 이 때의 소모 전력을 연산하면 (18.9)²*0.14= 50W이다. 가변 커패시터(Cx)의 커패시턴스를 변화시켜 전력 수신측(200)이 전력 송신측(100)과 공진함에 따라 송신 코일(120)에 흐르는 전류는 5.8 A로 감소한다. 이 때, 전력 송신측(100)에서 소모되는 전력은 (5.8)²*0.14 = 4.7W에 불과하며, 나머지 전력은 송신 코일(110)을 통하여 전력 수신측(200)에 제공되어 높은 효율을 가지는 것을 알 수 있다.

도 4는 공진이 일어날 때 챔버 내 높이에 따른 플라즈마 밀도 분포를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 전력 수신측(200)으로 제공되는 전력이 증가함에 따라 챔버 내부에서 형성되는 플라즈마의 밀도도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 챔버의 중앙부(5cm)에 인접한 높이에서는 균일한 밀도를 가지는 플라즈마가 생성되는 것을 확인할 수 있다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

10: 플라즈마 생성기 100: 전력 송신측
110: 전원 120: 송신 코일
130: 임피던스 매칭 부 200: 전력 수신측
210: 수신 코일 220: 플라즈마 생성 챔버
222: 제1 극판 224: 제2 극판
226: 격벽 230: 공진 주파수 제어 회로
I: 가스 유입구 O: 유출구
Cx: 가변 커패시터 Lx: 가변 인덕터
300: 중계 코일 Req: 등가 저항
Ceq: 등가 커패시터

Claims

전원과,
상기 전원이 제공하는 전력을 전송하는 송신 코일을 포함하는 전력 송신측 및
상기 수신 코일로부터 전력을 전송받는 수신 코일과,
상기 수신 코일이 전송받은 전력이 제공되는 플라즈마 생성 챔버와,
상기 전력 송신측과 공진하도록 공진 주파수를 제어하는 공진 주파수 제어 회로를 포함하는 전력 수신측을 포함하는 플라즈마 생성기.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 생성 챔버는,
상기 수신 코일과 전기적으로 연결되는 제1 극판;
기준 전압이 제공되는 제2 극판 및
상기 제1 극판과 상기 제2 극판을 이격시키는 격벽을 포함하며,
상기 플라즈마 챔버는 용량성 결합(capacitively couple)된 플라즈마를 생성하는 플라즈마 생성기.
제2항에 있어서,
상기 제1 극판 및 상기 제2 극판은
전도성 물질이며,
상기 격벽은 쿼츠(quartz)로,
상기 플라즈마 생성 챔버는 커패시터로 모델되는 플라즈마 생성기.
제1항에 있어서,
상기 공진 주파수 제어 회로는,
가변 인덕터와 가변 커패시터가 전기적으로 연결되며,
상기 가변 인덕터의 인덕턴스와 상기 가변 커패시터의 커패시턴스 중 어느 하나 이상을 조절하여 상기 공진 주파수를 제어하는 플라즈마 생성기.
제1항에 있어서,
상기 전원은 제1 주파수의 전압 및 제1 주파수의 전류를 제공하고,
상기 공진 주파수 제어 회로는 상기 전력 수신측의 공진 주파수를 상기 제1 주파수에 상응하도록 제어하는 플라즈마 생성기.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 생성기는
상기 송신 코일과
상기 수신 코일 사이에 위치하는 중계 코일(intermediate coil)을 더 포함하는 플라즈마 생성기.
제1항에 있어서,
상기 전력 송신측은,
상기 전원과 상기 송신 코일의 임피던스를 매칭하는 임피던스 매칭부를 더 포함하는 플라즈마 생성기.