特許 7466056 プラズマ発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-03

(45)【発行日】2024-04-11

(54)【発明の名称】プラズマ発生装置

(51)【国際特許分類】

   H05H 1/34 20060101AFI20240404BHJP

【ＦＩ】

H05H1/34

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2023508106

(86)(22)【出願日】2021-08-06

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-08-30

(86)【国際出願番号】 KR2021010411

(87)【国際公開番号】W WO2022031108

(87)【国際公開日】2022-02-10

【審査請求日】2023-02-24

(31)【優先権主張番号】10-2020-0098546

(32)【優先日】2020-08-06

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】521036654

【氏名又は名称】コリア インスティテュート オブ フュージョン エナジー

(74)【代理人】

【識別番号】110000578

【氏名又は名称】名古屋国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】シン ドン フン

(72)【発明者】

【氏名】ホン ヨン チョル

(72)【発明者】

【氏名】チュン セ ミン

(72)【発明者】

【氏名】ヤン ギョン ウ

(72)【発明者】

【氏名】イ ヒー ジェ

【審査官】佐藤 海

(56)【参考文献】

【文献】韓国登録特許第１０－１８０２７４７（ＫＲ，Ｂ１）

【文献】米国特許第９６８１５２９（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特表２０１３－５０９５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－０１４０３１０（ＫＲ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０５２８６７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０５Ｈ １／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電磁波発生器と、
アーク放電によってプラズマを発生させるプラズマトーチと、
前記電磁波発生器から発生した電磁波が前記プラズマ側に伝送されるようにガイドする導波管と、を含み、
前記導波管を介して伝送された前記電磁波が前記プラズマの一側部を加熱するプラズマ発生装置。

【請求項2】

前記プラズマの長さ方向と前記電磁波が前記プラズマ側に伝送される方向は、互いに垂直である請求項１に記載のプラズマ発生装置。

【請求項3】

前記電磁波は、前記プラズマが放出される放出口から前記プラズマの長さ方向に所定の距離だけ離隔した位置で前記プラズマを加熱する請求項１に記載のプラズマ発生装置。

【請求項4】

前記所定の距離は、前記電磁波の波長の長さの１／４である請求項３に記載のプラズマ発生装置。

【請求項5】

前記プラズマトーチと前記導波管を互いに連結する連結部材を含む請求項１に記載のプラズマ発生装置。

【請求項6】

前記連結部材は、中空を備えたフランジとして形成される請求項５に記載のプラズマ発生装置。

【請求項7】

前記導波管は、一側に前記連結部材を結合できる貫通空間を備える請求項５に記載のプラズマ発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プラズマ発生装置に関するものであって、より具体的には、プラズマトーチから発生したプラズマのボリュームを増加させることができるプラズマ発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

溶接、切断、表面処理、廃棄物燃焼などを目的に特定部分に高熱を加えるトーチは、燃焼する燃料の形態に応じて様々な構造で提供されている。

【0003】

最近、２つの電極の間に高圧の電流が印加されて作られたプラズマ状態でワーキングガス（窒素、酸素、水素、アルゴン、ヘリウム、メタン、プロパンなど）を供給することによって、より高い連続熱が得られるようにするプラズマトーチが広く普及されて使用されている。

【0004】

特に、半導体の製造工程において、ＰＦＣ（ＰｅｒＦｌｕｏｒｏ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）ガスを含むフッ素化合物などの有害な廃ガスを環境にやさしく処理、排出するためには１０、０００℃以上の高温が要求される。この点を考慮して、アークプラズマを通じて高温のプラズマを発生させることが可能なアークプラズマトーチを用いて廃ガスを分解する技術についての研究が進められている。

【0005】

しかし、実際に応用先に適用する際、アーク放電を通じてプラズマを発生させるプラズマトーチ自体だけではプラズマのボリュームを十分に確保することが困難であり、廃ガスの処理効率が低下する問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の一実施形態は、プラズマトーチから発生したプラズマのボリュームを十分に増加させることができるプラズマ発生装置を提供しようとする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によると、電磁波発生器と、アーク放電によってプラズマを発生させるプラズマトーチと、前記電磁波発生器から発生した電磁波が前記プラズマ側に伝送されるようにガイドする導波管と、を含み、前記導波管を介して伝送された前記電磁波が前記プラズマの一側部を加熱するプラズマ発生装置が提供される。

【0008】

このとき、前記プラズマの長さ方向と前記電磁波が前記プラズマ側に伝送される方向は互いに垂直であり得る。

【0009】

このとき、前記電磁波は、前記プラズマが放出される放出口から前記プラズマの長さ方向に所定の距離だけ離隔した位置で前記プラズマを加熱することができる。

【0010】

このとき、前記所定の距離は、前記電磁波の波長の長さの１／４であり得る。

【0011】

このとき、前記プラズマトーチと前記導波管を互いに連結する連結部材を含み得る。

【0012】

このとき、前記連結部材は、中空を備えたフランジとして形成され得る。

【0013】

このとき、前記導波管は、一側に前記連結部材を結合できる貫通空間を備え得る。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置は、プラズマトーチから発生したプラズマの一側を電磁波で加熱することによって、プラズマのボリュームを増加させることができる。

【0015】

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置は、同じ電力を使用しながらもボリュームが拡大されたプラズマを得ることができ、従来のプラズマトーチ対比エネルギー使用の効率性を向上させ得る。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置を示す斜視図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の断面を示す断面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の原理を説明する説明図である。

【図4】同一に５ｋＷの電力を使用したとき、従来のプラズマトーチ対比本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によって生成されたプラズマの長さ方向および幅方向のボリューム向上効果を示す写真である。

【図5】同一に５ｋＷの電力を使用したとき、従来のプラズマトーチ対比本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によって生成されたプラズマの長さ方向および幅方向のボリューム向上効果を示す写真である。

【図6】同一に６ｋＷの電力を使用したとき、従来のプラズマトーチ対比本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によって生成されたプラズマの長さ方向および幅方向のボリューム向上効果を示す写真である。

【図7】同一に６ｋＷの電力を使用したとき、従来のプラズマトーチ対比本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によって生成されたプラズマの長さ方向および幅方向のボリューム向上効果を示す写真である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態について、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。本発明は、様々な異なる形態で具現でき、ここで説明する実施形態に限定されない。図面で本発明を明確に説明するために説明と関係のない部分は、省略し、明細書全体を通して同一または類似の構成要素については、同一の参照符号を付けた。

【0018】

本明細書において、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載した特徴、数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、１つまたは複数の他の特徴や数字、ステップ、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加の可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。

【0019】

本明細書における方向を規定することにおいて、図３を参照すると、プラズマ７０の長さ方向は、垂直方向に対応するものであり、図３においてＡで示される方向と規定される。そして、プラズマ７０の幅方向は、水平方向に対応するものであり、図３においてＢで示される方向と規定される。

【0020】

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、プラズマトーチ２０によってプラズマ７０を発生させるが、これを電磁波８０加熱を用いてプラズマ７０のボリュームを増加させることができる装置である。

【0021】

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の主な構成について具体的に説明する。

【0022】

図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置を示す斜視図である。図２は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の断面を示す断面図である。

【0023】

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、大気圧プラズマを生成するためのプラズマトーチ２０を含む。

【0024】

このとき、プラズマトーチ２０は、直流、交流および高周波（ＲＦ）などの電源を用い、一般的には、陰電極（図示せず）と陽電極（図示せず）との間にプラズマを発生させるための作動ガスを注入し、電源を印加することによって、アーク放電を発生させてジェットプラズマを形成する。

【0025】

本発明の一実施形態において、プラズマトーチ２０は、非移送（Ｎｏｎ－Ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ）方式によって具現でき、したがって、電子が放出される陰電極（図示せず）と、プラズマ７０が放出されるプラズマ放出口（ノズル）２２の役割を兼ねる陽電極と、を備えるトーチ本体２１を含み得る。

【0026】

このとき、プラズマ放出口２２の役割を兼ねる陽電極は、作動ガスが供給される作動ガス供給管（図示せず）と連結でき、作動ガスとしては、ヘリウム、アルゴンおよび窒素などの公知のガスが用いられ得る。

【0027】

そして、トーチ本体２１の一側には、プラズマ放出口２２から放出されるプラズマ７０を一方向にガイドし、後述する連結部材６０との結合のためにガイド部材２３を結合できる。

【0028】

このとき、ガイド部材２３は、図２に示すように、プラズマ７０をガイドできるように内部に中空が形成され、一端部は、プラズマトーチ２０と結合され、他端部は、連結部材６０と結合できる。すなわち、ガイド部材２３は、プラズマトーチ２０と連結部材６０との間で結合の媒介体として機能することができる。

【0029】

このとき、ガイド部材２３は、必要に応じて延長長さをそれぞれ異にする複数個が設けられ得る。これにより、本発明の一実施形態に係るプラズマ放出装置１０は、必要に応じて適切な規格のガイド部材２３を選択して介在させることによって、プラズマトーチ２０から連結部材６０の間の離隔距離Ｄを変更できる。

【0030】

このように、離隔距離Ｄの変更が必要な理由は、より効果的なプラズマ放電のために前記離隔距離Ｄが導波管４０を介して伝送される電磁波８０の波長の長さを考慮して決定されるためである。これについては後述する。

【0031】

しかし、これらのガイド部材２３は、必ずしも必要ではなく、必要に応じて省略が可能である。すなわち、ガイド部材２３なしでプラズマトーチ２０と連結部材６０が直結されることもある。

【0032】

本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、プラズマトーチ２０によって発生したプラズマ７０側に伝送される電磁波８０を発生させるために電磁波発生器５０を含む。

【0033】

このとき、電磁波発生器５０は、一例として、１０ＭＨｚ～１０ＧＨｚ帯域の電磁波を発振するマグネトロン（Ｍａｇｎｅｔｒｏｎ）が用いられ得、一般的に用いられるマグネトロンが用いられ得るため、詳細な説明は省略する。

【0034】

このとき、図１および図２を参照すると、電磁波発生器５０は、プラズマトーチ２０からプラズマの幅方向に離隔して位置し得る。したがって、電磁波発生器５０から発振した電磁波８０をプラズマ７０側に伝送するためには、別の伝送手段を必要とする。

【0035】

このために、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、電磁波発生器５０から発振した電磁波８０がプラズマ７０側に伝送される通路として導波管４０を備える。

【0036】

より具体的に、図２を参照すると、導波管４０は、プラズマ７０の幅方向に延長されて形成され、前記電磁波８０がプラズマ７０の一側部を加熱するように配置される。ここで、電磁波８０がプラズマ７０を加熱するという意味は、電磁波７０をプラズマ７０の外側７１に直接供給することを意味する。

【0037】

本発明の一実施形態において、図面に示すように、プラズマ７０の長さ方向と導波管４０の延長方向（または電磁波がプラズマ７０に向かって伝送される方向）は、互いに垂直であり得る。

【0038】

そして、導波管４０は、所定の幅と高さを有し、このとき、導波管４０の長さ、幅などの規格に応じて電磁波８０の波長が決定され得る。したがって、設計上要求される電磁波８０の波長に応じて様々な規格の導波管４０が用いられ得る。

【0039】

そして、図面においては、導波管がプラズマ７０側に隣接するほど高さが低くなって傾斜した形で示されているが、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０の導波管４０の形状が必ずしもこれに限定されるものではない。

【0040】

一方、導波管４０の一側は、電磁波８０がプラズマ７０の側部を加熱できるようにプラズマトーチ２０と互いに連通されなければならない。このために、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、別の連結部材６０を導入できる。

【0041】

一例として、再び図２を参照すると、連結部材６０は、内部にプラズマ７０が通過できるように中空が形成された形のフランジとして形成され得る。

【0042】

このとき、連結部材６０の一側は、プラズマトーチ２０と直接結合されるか、または前述したガイド部材２３を介してプラズマトーチ２０と連結できる。

【0043】

そして、連結部材６０を基準に反対側には、プラズマ７０の外周領域を包みながら、プラズマ７０の長さ方向に延長される円筒状の放電管３０を結合できる。ここで放電管３０は、一例として石英からなり得、これによりプラズマ７０を肉眼で観察したり、または廃ガスなどの処理ガスをプラズマ７０と反応させるための空間を形成し得る。

【0044】

また、連結部材６０の側方向に導波管４０を連結できる。このために連結部材６０の側方向には、導波管４０を結合できるスリット状の空間が形成されるか、または導波管４０自体に連結部材６０を結合できるように貫通空間が形成され、これに連結部材６０がプラズマの長さ方向Ａに挿入されて結合されることもできる。このようにプラズマトーチ２０と導波管４０が互いに結合される場合、結合部分における気密を維持するためにパッキングなどの気密部材が用いられ得ることは勿論である。

【0045】

本発明の一実施形態において、導波管４０は、プラズマトーチ２０のプラズマ放出口２２からプラズマ７０の長さ方向に所定の距離で離隔して位置し得る。これは、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、プラズマ７０が可視炎の形で形成された後、その側部を加熱することによって、プラズマ７０のボリュームを増加させることができるが、このためには、プラズマ放出口２２からプラズマの長さ方向に離隔して配置されることが必要であるためである。

【0046】

このとき、導波管４０がプラズマトーチ２０のプラズマ放出口２２からプラズマ７０の長さ方向に離隔する距離Ｄは、前述したように、導波管４０を介して伝送される電磁波８０の波長の長さを考慮して決定され得る。

【0047】

具体的に、導波管４０がプラズマ放出口２２から離隔する距離Ｄは、電磁波８０の波長の長さの１／４内外であることが好ましい。これは、より効果的にプラズマ７０のボリュームを増加させるためである。

【0048】

したがって、電磁波８０の波長の長さを決定できる導波管４０の規格によって導波管４０がプラズマ放出口２２から離隔する距離Ｄは変わり得る。

【0049】

以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の動作および効果についてより詳細に説明する。

【0050】

図３は、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置の原理を説明する説明図である。図４および図５は、同一に５ｋＷの電力を使用したとき、従来のプラズマトーチ対比本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によって生成されたプラズマの長さ方向および幅方向のボリューム向上効果を示す写真である。図６および図７は、同一に６ｋＷの電力を使用したとき、従来のプラズマトーチ対比本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によって生成されたプラズマの長さ方向および幅方向のボリューム向上効果を示す写真である。

【0051】

図３を参照すると、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、プラズマトーチ２０を用いて一次的に形成された大気圧プラズマ７０の一側部に電磁波８０を供給して直接加熱することによって、プラズマ７０のボリュームを向上させ得る。

【0052】

ここで、プラズマ７０のボリュームとは、プラズマ７０の長さ方向Ａまたは幅方向Ｂへの体積を意味する。特に、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置によると、プラズマ７０の中でも、中心部の高温領域７２が相対的に低温のプラズマの外側領域７１に拡散することによって、プラズマ７０全体のボリュームおよび温度を増加させることができる。

【0053】

このようにプラズマ７０のボリュームを増大させることによって、一例として、半導体工程によって生産される廃ガスなどの処理ガスとプラズマ７０との間の反応時間を増加させることができる。

【0054】

一方、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、エネルギー効率を向上させることができる効果がある。このような効果を検証するために本発明の発明者は、同じ電力を使用するが、（ａ）従来のアーク放電によるプラズマ装置のみを用いてプラズマを発生させる場合と、（ｂ）本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置のように、プラズマ７０の一側を電磁波で加熱する場合のプラズマボリュームを観察してこれを対比した。これに関連する対比結果を表にまとめると以下の通りである。

【0055】

【表1】

【0056】

（ここで、トーチは、プラズマトーチに供給される電力を意味し、長さ方向のボリュームは、プラズマが撮影されたイメージ上のボリュームを意味する。）

【0057】

表１および図４に示されたように、同一に５ｋＷの電力を使用しているにもかかわらず、プラズマトーチ２０のみを使用したときよりもプラズマトーチ２０と電磁波発生器５０に電力を分配して電磁波８０加熱を並行した場合、長さ方向のボリュームが１３８％拡大されることが確認できる。図５を参照すると、プラズマ７０のボリュームが幅方向に６００％以上増加することからわかるように、幅方向増大効果は、より著しいことが確認される。そして、図４および図５において、白色で表示されるプラズマの高温領域も明確に増加したことがわかる。

【0058】

再び表１を参照すると、電磁波加熱によるプラズマボリュームの増大効果は、総使用電力を６ｋＷ、７ｋＷ、７．５ｋＷに増加させた場合にも同様に発生することがわかる。このようなプラズマボリューム増大効果は、総使用電力を６ｋＷとして撮影された図６および図７を通じても裏付けられることは勿論である。同様に、プラズマ高温領域も目立つように増加したことがわかる。

【0059】

前述の実験結果に基づいて、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０を適用する場合、同じ電力を使用しながらもプラズマボリュームを確実に増加させることができ、エネルギー効率の面で画期的な効果が得られる。

【0060】

前述したように、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置１０は、プラズマトーチから発生したプラズマの一側部を電磁波を通じて加熱することによって、プラズマのボリュームを増加させることができる。

【0061】

また、本発明の一実施形態に係るプラズマ発生装置は、同じ電力を使用しながらもボリュームが拡大されたプラズマを得ることができるため、エネルギー使用の効率性を向上させ得る。

【0062】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の思想は、本明細書に提示される実施形態に限定されず、本発明の思想を理解する当業者は、同じ思想の範囲内で構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施形態を容易に提案できるが、これも本発明の思想の範囲内に入るであろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4(a)】

【図4(b)】

【図5(a)】

【図5(b)】

【図6(a)】

【図6(b)】

【図7(a)】

【図7(b)】