KR100206667B1 - 청정공간에 존재하는 하전된 물체로부터 정전기를 제거하는 장치 - Google Patents

Abstract

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Description

청정공간에 존재하는 하전된 물체로부터 정전기를 제거하는 장치

제1도는 본 발명에 의한 장치에 사용되는 공기 이오나이저의 개략투시도.

제2도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 한가지 예의 이미터의 단면도.

제3도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 한쌍의 이미터 및 대극(對極)의 확대 측면도.

제4도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 또 다른 예의 이미터의 단면도.

제5도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 다른 예의 이미터의 단면도.

제6도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 접지된 루우프 형상의 대극의 일부를 예시한 확대투시도.

제7도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 이미터 및 상응한 대극의 상대적인 위치의 한가지 예를 예시한 측면도.

제8도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 이미터 및 상응한 대극의 상대적인 위치의 또 다른 예를 예시한 측면도.

제9도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 전압조절 장치와 그 전압조작부의 회로의 한가지 예를 예시한 도면.

제10도는 제1도의 이오나이저에 사용되는 전압조절 장치와 그 전압조작부의 회로의 바람직한 다른 예를 예시한 도면.

제11도는 제10도의 회로구성에서 얻게 되는 네모파의 예.

제12도는 본 발명에서 사용된 장치와 시험방법을 예시한 도면.

제13도는 제12도의 시험에서 인가된 고전압 AC의 유효 AC성분을 예시한 파형도.

제14도는 제12도의 시험에 사용된 바이어스 전압을 예시한 파형도.

제15도는 제12도의 시험장치에서 소정의 조건하에서 바이어스 전압을 변화시켜 인가한 경우에 이온밀도 측정기로 측정한 양이온 및 음이온의 밀도를 나타낸 그래프.

제16도는 바이어스 전압의 효과를 설명한 AC 파형도.

제17도는 제16도의 파형에 있어서의 양(+) 전압(a)을 인가하고 있을 때의 방전부의 상태를 나타낸 설명도.

제18도는 제16도의 파형에 있어서의 음(-) 전압(b)을 인가하고 있을 때의 방전부의 상태를 나타낸 설명도.

제19도는 종래의 펄스방식의 DC형 이오나이저의 개략도.

제20도는 제19도의 이오나이저에 인가된 전압의 파형도.

제21도는 종래의 DC형 이오나이저의 개략도.

제22도는 종래의 AC형 이오나이저의 개략도.

제23도는 종래의 펄스방식의 DC형 이오나이저를 사용할 경우 시간에 따른 하전된 물체의 표면전위의 변화의 한가지 예를 예시한 도면.

제24도는 종래의 AC형 이오나이저에서 발생된 양이온과 음이온의 밀도를 예시한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 화살표 2, 2a : 이미터

3 : 대극(對極) 5 : 전압조절 장치

14 : 세라믹 튜우브 23 : 접속부재

[발명의 목적]

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

본 발명은 청정(淸淨) 공간에 존재하는 하전(荷電)된 물체로부터 정전기를 제거하는 장치에 관한 것이다.

청정실에서 반도체 요소를 제조함에 있어서 정전기화 현상에 의해 일어나는 여러 가지 어려움에 주의를 기울이고 있다. 이러한 어려움 중에는 반도체 장치의 파손 및 성능 저하, 미세입자 흡착에 의한 제품의 표면 오염 및 청정실내에 있는 각종 전자기기의 오동작(fault function)등이 있다.

반도체 장치에 있어서, 반도체 소자의 고집적화, 고속연산 및 에너지 절감이 촉진됨에 따라 산화물 절연피막의 두께는 점차 얇아지게 되고 각 소자의 회로와 금속전극은 극소화하고 있기 때문에 정전기에 의한 방전에 의하여 각 소자에서 구멍이 생기거나 각 소자의 금속부품의 용융 혹은 증발현상이 자주 발생하여, 결과적으로 생산된 반도체 장치가 파손되고 성능이 저하된다. 예를 들자면, 어떤 MOS-FET와 GaAs는 100~200 볼트 정도의 낮은 전압에도 견디지 못하므로 이 반도체 재료로 된 각 소자의 표면전압을 약 20볼트 이하로 유지해야 할 필요가 흔히 있게 된다. 반도체 소자가 완전히 파손되면 출하검사시에 체크된다. 그러나 각 소자의 성능저하를 발견하기는 극히 어렵다. 정전기에 의해 일어나는 이러한 어려움을 줄이자면 반도체가 정전기와 접하게 되는 기회를 될 수 있는 한 줄여야 하는 것인데, 반도체 소자 및 여기에 결합된 기판에 하전된 물체가 접근하지 못하도록 될 수 있는 한 멀리 떨어져 있게 하고 하전된 물체 전부를 탈(脫)정전기화 해야 한다. 그러나 종래의 방법에서는 이러한 조치를 완전하게 할 수는 없었다. 반도체 장치 제조시에 개재되는 각종 물체에 대한 표면전위 측정에 대한 예에서 나타난 경우를 보면 표면전위는 웨이퍼(wafer)의 경우 5kV이었고, 웨이퍼 캐리어(wafer carrier) 35kV, 아크릴 커버 8kV, 테이블 표면 10kV, 보관용 캐비넷 30kV, 작업복 10kV 및 석영 팔렛(quartz paletter) 1.5kV라는 보고가 있었다.

다른 한편으로 최근의 청정실의 경우를 보면 공급된 청정공기중에 입자 크기가 0.03㎛ 이상인 입자를 전혀 함유하지 않는 초청정도를 실현할 수 있게 되었다. 그러나 청정실내에 있는 작업자, 로보트 및 각종 제조장치에서 미세한 입자가 불가피하게 발생하고 있다. 이러한 내부적으로 발생된 입자들의 크기는 0.1㎛~수십㎛이고 1㎛정도로 작은 최소 선폭(line distance)을 가진 최근의 LSI 및 VLSI의 웨이퍼에 이들 입자가 부착되면 불량품이 생사되어 생산성이 저하된다. 최근 확립된 사실은 웨이퍼에 미세 입자가 부착하는 것은 정전기력에 주로 기인한 것이고 웨이퍼에 인접하여 이동하는 공기의 특수한 유동 패턴과는 실질적으로 무관하다는 것이다. 따라서 미세입자들의 부착으로 인한 제품의 표면오염을 방지하자면 청정실의 청정도를 향상시키는 기술과 필터의 성능향상 기술과는 직접적인 관련이 없는 정전기의 제거 기술을 개발하는 길뿐이다. 더욱이, 전자 기기가 청정실내에 있을 경우, 예컨대 하전된 인체와 프린터의 종이 같은 하전된 물체의 방전에 의해 생긴 방전 전류는 정적 소음(static noise)으로 되어 버려 결과적으로 전자 기기의 오동작을 일으키는 경우도 있다. 이러한 오동작을 피하도록 하자면 청정실내에 있는 하전된 물체로부터 정전기를 제거해야할 필요가 있는 것이다.

위에 나온 바와 같은 청정실내에서의 정전기의 대전(帶電) 현상으로 인한 여러 가지 난점을 해결하자면 청정실내에 있는 하전된 물체로부터 정전기를 제거하는, 즉 탈정전기화 하는 것이 효과적이다. 하전된 물체가 전기 전도성인 경우에는 물체를 접지시켜 정전기를 신속하게 제거해 주는 것만으로 탈정전기화 할 수 있다. 그러나 청정실내에 있는 하전된 모든 물체를 접지한다는 것은 실질적으로 불가능하고, 하전된 물체가 절연체인 경우에는 접지시키는 것으로도 탈정전기화 할 수 없다. 웨이퍼의 경우에 있어서 이들 자체는 전도성이라 하더라도 절연물인 카세트 케이스와 팔레트에 넣어 수송하고 취급하므로 접지시켜 웨이퍼를 탈정전기화 하기가 어렵다. 이런 이유들로 해서 이온(ion) 발생기, 즉 이오나이저(ionizer)를 이용하여 각 시스템을 탈정전기화하는 방법이 제안되고 있다.

그 원리는 다음과 같다. 청정실에서 필터를 통과시켜 청정 처리한 공기는 거의 한쪽 방향으로 이동하고 있다. 코로나 방전에 의하여 공기를 이온화하는 이오나이저(이온 발생기)를 청정공기 이동방향의 위쪽(보통 필터의 공기배출표면에 인접한 쪽)에 배치하여, 여기서 이온화된 공기의 흐름을 하전된 물체와 접하도록 함으로써 하전된 물체의 정전기를 중화하도록 하는 것이다. 즉, 물체표면이 양으로 하전되어 있으면 음으로 이온화된 공기에 의해 중화하고, 음으로 하전되어 있으면 양으로 이온화된 공기에 의하여 중화하여 물체 표면의 정전기를 제거하도록 하는 것이다.

코로나 방전에 의한 이오나이저로 공지된 것들로서는 펄스방식 DC형(pulsed DC type), DC형 및 AC형 등의 이오나이저가 있다. 이러한 공기 이오나이저에 있어서 공기중에 배치한 전극(emitter) 근방에서 발생하는 전계 강도가 공기의 절연 파괴 전계강도보다 훨씬 크도록 이미터에 고전압(DA 또는 AC)을 인가함으로써 코로나 방전을 하게 하는 것이다. 공지 형식의 공기 이오나이저에 대하여 다소 구체적으로 설명한다.

[펄스 방식 DC형]

도 19에 있는 바와 같이 이런 유형의 이오나이저에 있어서는, 일정한 간격(예컨대 수십 cm)을 두고 서로 마주보면 배치된 한쌍의 침모양의 이미터(텅스텐 전극(100a,100b)에다, 예컨대 전압이 각각 +13kV~+20kV 및 -13kV~-20kV인 직류를, 예컨대 1~11초의 간격으로 교대로 인가하여 이미터(100a,100b) 각각으로부터 양(+) 공기이온과 음(-) 공기이온을 교대로 발생시킨다. 이렇게 해서 발생시킨 공기이온을 공기흐름을 이용하여 하전된 물체(101)에 이동시켜 이 하전 물체의 대전전하와 반대되는 극성의 이온으로써 정전기 전하들을 중화시키는 구성이다. 펄스 파형의 한가지 예는 도 20에 나와 있다.

[DC형]

도 21에 있는 바와 같이 이런 유형의 이오나이저에 있어서는 절연 피복이 각각 되어 있고 다수의 침모양의 이미터(103a,103b)가 1~2cm 간격으로 각각 매설되어 있는 한쌍의 전도성 막대(102a,102b)를 막대축을 평행하게 하여 일정간격으로(예 : 수십 cm) 서로간에 마주보며 배치(對向配置)한다. 한쪽의 막대(102b)의 각 이미터(103b)에다 -12~-30kV의 DC 전압을 인가하면서 막대(102a)의 이미터(103)에다 +12~+30kV의 DC 전압을 인가하여 공기를 이온화하는 구성이다.

[AC형]

이런 유형의 이오나이저에 있어서는, 50/60Hz의 상용 주파수를 가진 AC 고전압을 침모양의 이미터에 인가한다. 도 22에 있는 바와 같이 다수의 이미터(104)를 2차원적 공간내에 배열하여 절연 피복된 전도성 막대(106)의 골격부위를 통해 고전압 AC원(105)에 접속한다. 각 이미터에 있어서, 각 이미터(104)의 방전단(discharge end)을 둘러싸도록 방전단으로부터 떨어져서 그리드(grid)(107)를 대극(對極 : opposite conductor)으로 하여 배치하고, 이 그리드(107)를 접지하는 구조의 것이 알려져 있다. 고전압 AC를 이미터(104)에 인가하면, 각 이미터(104)와 접지 그리드(107) 사이에서 인가된 AC의 사이클에 따라 극성이 반전하는 전계가 형성되어 각 이미터(104)에서 양(+) 공기 이온 및 음(-) 공기 이온이 발생한다.

이런 모든 공지의 유형의 이오나이저는 청정실에서 하전된 물체를 탈정전기화 할 때 사용하면 다음과 같은 여러 가지 문제를 발생하게 된다.

첫째, 이미터 자체가 청절실을 오염시킨다. 텅스텐은 가장 바람직한 이미터의 재질이라고 하지만 텅스텐 이미터에 고전압을 인가하여 코로나 방전을 시키면 양(+)의 공기이온 발생시에 스퍼터링(sputtering) 현상에 의해 다량의 미립자(거의 대부분이 0.1㎛ 이하의 크기)가 이미터의 방전단으로부터 발생하여 청정공기의 이동에 따라 이동하여 청정실내를 오염시키게 된다. 더욱이 이미터의 방출단이 스퍼터링에 의하여 손상되기 때문에 이미터를 자주 재생시켜 주어야 한다.

둘째, 이오나이저를 청정실내에서 장시간 작동시킬 경우 SiO₂가 주성분인 백색 먼지 분말이 이미터의 방전단에 눈에 띨 정도로 부착되고 축적된다. 이러한 백색 먼지 분말이 생기는 원인은 공기를 청정하게 하기 위한 필터의 소재 때문이라고 생가되는 한편, 이미터의 방전단에 먼지 분말이 부착되고 축적되면 이온 발생량이 감소되고 먼지 분산으로 인한 오염이 된다는 문제를 야기시킨다. 따라서 이미터를 자주 깨끗이 세정해 줘야 한다.

셋째, 청정실 천정에 구성된 다수의 이미터에 의해 청정실내의 오존의 농도를 증가시키게 된다. 오존농도가 증가한다고 해서 인체에 극히 유해한 것은 아니라 하더라도 오존은 반응성이 있으므로 반도체 제조에 있어서 바람직하지 못하다.

위에 나온 보편적인 여러 가지 문제점 외에도 공지의 이오나이저는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. DC형 이오나이저에 있어서는, 어떤 이미터 [도 21의 막대(102a)에 있는 이미터(103a)]는 양(+)의 공기이온을 발생하는 한편 기타 이미터 [도 21의 막대(102b)에 있는 이미터(103b)]는 음(-)의 공기이온을 발생하며, 이들 이온이 공기 이동에 따라 같이 이동하게 되므로 (+)쪽 또는 (-)쪽으로 치우친 공기 이온이 하전된 물체에 도달하는 경우가 흔히 있다. 따라서, 하전 물체의 대전 부하의 극성과 동일한 극성을 가진 공기이온만이 공급될 때가 흔히 있다. 이 경우에 있어서 하전 물체는 탈정전기화 하지 않는다. 이와는 반대로 하전되어 있지 않거나 약간 하전된 물체는 동반된 공기이온에 의해 정전기화 할 경우가 있는데, 이러한 현상은 각 전극간의 거리 [도 21에 예시한 막대(102a)와 (102b)사이의 거리]를 멀리했을 경우에 일어나기 쉽지만, 그 거리를 좁혀주면 스파크가 일어나는 문제가 생긴다.

펄스방식의 DC형 이오나이저의 경우에 있어서는 일정한 주기로 공기이온의 극성을 반전시키므로 각 이온의 발생주기마다 음 및 양의 공기이온이 하전 물체에 교대로 공급된다. 따라서, DC형 이오나이저의 경우처럼 하전 물체에 음이온 또는 양이온이 계속해서 공급되는 조건을 피할 수 있다. 그러나, 이 주기가 너무 짧아지면 음이온과 양이온이 공기 흐름중에 서로 섞이어 이들이 하전 물체에 도달하기 전에 결합하여 소멸해 버릴 기회는 많아진다. 이와는 반대로 주기가 너무 길어지면 이온이 소멸할 기회가 감소한다 하더라도 음이온과 양이온의 큰 괴(mass)가 하전 물체에 교대로 도달하게 된다. 보고된 바에 의하면 [Blitshteyn et al. in Assessing The Effectiveness of Cleanroom Ionization Systems, Microcontamination, March 1985, pages 46~52, 76] 펄스방식의 DC형 이오나이저의 경우에 있어서는 하전된 표면의 전위는 도 23에서 처럼 (+)와 (-)를 교대로 반복하면서 감쇄한다고 한다. 이 보고서에 따르면 하전된 표면의 정전기는 소멸하지 않고 오히려 약 +500 볼트 및 약 -500볼트의 대전전하가 교대로 하전 물체에 나타난다고 한다. 최근의 초 LSI는 수십 볼트나 되는 표면전위에 의해서도 파손될 수 있기 때문에 이러한 500 볼트나 되는 큰 표면전위는 제품의 수율을 저하시킬 수 있다.

AC형 이오나이저에서는 양이온과 음이온의 발생량이 크게 상이하다는 근본적인 문제가 있다. 흔히 겪게 되는 일로서는 음이온 발생량의 10배 이상이 되는 양으로 양이온이 발생되는 경우도 있다. M. Suzuki 등의 보고 [일어 문헌 : Proceedings of The 6th. Annual Meeting For Study of Air Cleaning and Contamination Control, (1987) pages 269~276; 대응한 영어 문헌 : M. Suzuki et al., Effectiveness of Air Ionization Systems in Clean Rooms, 1988 Proceedings of The IES Annual Technical Meeting, Institute of Environmental Sciences, Mt. Prospect, Illinois, Pages 405~412]에서는 도 24에 있는 바와 같은 AC형 이오나이저에서 발생된 음이온과 양이온의 밀도를 측정한 예가 나와 있다. 도 24에서 알 수 있는 것처럼 음이온의 밀도는 양이온의 밀도보다 현저하게 적다. 도 24에 나와 있는 측정결과는 수평으로 배설된 HEPA 필터로부터 수직하방향으로 청정공기를 흐르도록 한 공간중에 설치된 AC형 이오나이저에 대한 것이다. 도 24에서 참조부호 d는 이미터 각각의 지점에서부터 측정점까지의 수직거리를 뜻하고, 참조부호 I은 이오나이저의 중앙지점을 통과하는 수직선으로부터 측정점까지의 수평거리를 뜻하며, BACKGROUND는 이오나이저가 OFF 상태에 있을 때 본래부터 기류중에 함유되어 있던 음이온 밀도와 양이온 밀도를 뜻한다. 양이온이 풍부한 공기를 공급하는 종래의 AC형 이오나이저에 있어서 하전된 표면을 탈정전기화하지 않고 오히려 수십볼트 내지 약 +200 볼트의 전위에서 양(+)으로 한전된체로 잔존하게 되는 경우까지 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 청정 공간, 특히 반도체 제조용 청정실에 있는 하전 물체로부터 정전기를 제거함으로써 정전기화 현상으로 나타나는 여러 가지 난점을 극복할 수 있는 장치를 제공함에 있는 것이다. 특히 본 발명의 목적은 공지의 AC형 이오나이저에서 나타나는 이온 불균형의 문제와 공지의 이오나이저에 공통적인 위에 나온 여러 문제점, 즉 이미터 스퍼터링에 의한 청정실 오염, 이미터의 먼지 분말 부착과 축적 및 오존 발생 등의 문제점을 해결함으로써 반도체 제조 환경에 있어서 정전기화 현상을 효과적으로 방지함에 있다.

본 발명의 목적은 본 발명에 따라 청정공간에 있는 하전된 물체로부터 정전기를 제거하는 장치에 의해 달성되는데, 이 장치는 AC 고전압을 침모양의 이미터(放電極)에 인가하여 코로나 방전을 시켜 공기를 이온화하는 침모양의 다수의 이미터를 가진 AC 이오나이저를 필터를 통과한 청정공기 흐름중에 설치하고, 이 AC 이오나이저에 의해 이온화된 공기흐름을 정전기를 띤 물체에다 공급하여 이 대전 물체의 정전기를 중화시키도록 한 장치에 있어서, ㉮ 침모양의 이미터(방전극) 각각의 방전단이 유전성 세라믹 재료로 피복되어 있고, ㉯ 그리드 모양 또는 루우프 모양의 접지된 대극으로부터 일정한 간격을 두고 이 이미터 각각에 방전단이 배치됨으로써 한 개의 방전쌍(discharge pair)이 형성되며, ㉰ 다수의 방전쌍이 청정공기의 흐름에 대하여 횡방향으로 있는 2차원적인 공간내에 배치되고, ㉱ 상기한 다수의 방전쌍중에서 어떤 방전쌍의 이미터는 마이너스의 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압 전원에 접속되게 함으로써, 의사(擬似)음극 이미터(peseudo negative pole emitter)를 구성하는 한편, 다른 방전쌍의 이미터는 상기한 마이너스 바이어스 전압보다 (+)쪽으로 치우친 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압 전원에 접속되게 함으로써 의사양극 이미터(pseudo positive pole emitter)를 구성하며, 이들 의사양극 이미터와 의사음극 이미터가 상기한 2차원적 공간내에 분산 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명자들이 확인한 바로서는 침모양의 이미터(방전극)의 방전단을 유전성 세라믹 재료로 된 박막으로 피복함으로써, 여기에 AC 고전압을 인가하여 코로나 방전을 시키면, 이미터의 공기 이온화 능력을 거의 저하시키지 않고서도 방전단에서 생기는 먼지 분말 발생을 극소화할 수 있고, 또한 세라믹 재료로 피복된 방전단을 가진 이미터를 청정실내에서 사용할 경우에도 방전단에 먼지 분말이 부착되지 않을 뿐만 아니라 청정실내에 오존 발생을 극소화할 수 있다는 것이었다.

본 발명에서 사용할 수 있는 적당한 유전성 세라믹 재료의 예로서는 석영, 알루미나, 알루미나-실리카 및 내열성 유리가 있다. 이들중 석영, 특히 투명 석영이 바람직하다. 이미터(방전극)의 방전단에 대한 세라믹 코우팅 두께는 2mm 이하가 적당하다. 투명 석영의 경우에 있어서 바람직한 두께는 0.05~0.5mm이다. 세라믹 재료로 피복된 방전단을 가진 이미터에 DC 고전압을 인가하면 DC 고전압을 인가한 순간은 이미터의 방전단에서 발생된 전계에 의하여 공기가 (+)이온 및 (-)이온으로 이온화된다. 그러나 일정한 시간이 경과하면(예로서 0.3m/sec의 공기 이동시에는 0.1초), 인가된 전압의 극성과 반대되는 극성을 가진 공기 이온의 이미터를 둘러싸서 이미터의 방전단에서 전계강도를 약화시키게 되어 결과적으로 이온 발생은 그 이상 더 계속되지 않는다. 따라서, AC 전압을 인가할 필요가 있다.

또한, 본 발명자들은 AC형 이오나이저의 기본적인 문제이었던 음이온의 밀도와 양이온 밀도와의 사이에 큰 차이 및 (+)과 (-)의 극성이 인가된 AC의 주파수에 따라 경시적으로 변화함에 의한 공기 이동중에서의 중화의 문제는 인가하는 AC 고전압에 일정한 바이어스 전압을 부가함으로써 완전히 없앨 수 있고, AC 고전압을 이미터에 인가한다는 사실에도 불구하고 어떤 이미터(의사양극 이미터)로부터는 계속하여 양이온의 풍부한 공기를 생성시키는 한편, 다른 이미터(의사음극 이미터)로 부터는 계속하여 음이온의 풍부한 공기를 생성시킬 수 있음을 발견하였다. 따라서, 청정공기 흐름중에 의사양극 이미터와 의사음극 이미터의 배치를 적절히 분산시킴으로써 양이온과 음이온의 양이 균형잡인 공기를 하전 물체에다 공급할 수 있어 탈정전기화 할 수 있다.

이 경우, 의사음극 이미터를 구성하고 있는 방전극의 각각의 방전단은 그리드 또는 루우프 모양의 접지된 대극에 대해 일정한 거리만큼 기류의 하류쪽에 위치해 있는 것이 바람직하다. 그리고 다수의 방전쌍중에서 어떤 방전쌍의 이미터가 마이너스 바이어스 전압이 부가된 공통의 AC 고전압 전원에 접속되게 함으로써 의사음극 이미터를 구성하는 한편, 다른 방전쌍의 방전극은 플러스 바이어스 전압이 부가된 공통의 AC 고전압 전원에 접속되게 함으로써 의사양극 이미터를 구성하는 것이 유리하다. 이와 같은 소정의 바이어스 전압이 부가된 이들 두 가지 AC 고전압 전원을 얻자면 상용(商用)의 AC를 입력하여 이것을 소정의 고전압의 AC로 승압하는 수단 및 승압한 AC에 소정의 (+) 및 (-)의 DC의 바이어스 전압을 부가하는 수단을 구비한 전압조절 장치를 사용하면 좋고, 특히 이 AC 고전압의 크기와 DC 바이어스 전압의 크기를 조절하는 전압 조작부가 구비된 장치로 구성된 것이 좋다.

본 발명을 도면에 따라 설명한다.

도 1에는 본 발명에 의한 장치에 사용되는 이오나이저의 한가지 예가 개략적으로 도시되어 있다. 이 이오나이저는 다수의 방전쌍(4)으로 되어 있고 각 방전쌍은 침모양의 이미터(2)와 루우프 모양의 접지대극(3)으로 되어 있다. 방전쌍(4)은 화살표(1)로 나타낸 청정공기의 이동방향에 대하여 횡방향으로 2차원적 공간내에 다수 배치되어 있다. 방전쌍(4)이 있는 위치의 위쪽에 HEPA 또는 ULPA 필터(도면에 없음)가 설치되어 있고, 이 필터에 의해 정화된 공기는 방전쌍(4)을 통과한다. 방전쌍(4)을 통과한 일방향성의 공기흐름은 하전 물체쪽으로 향해 흐른다. 예시된 바와 같이 침모양의 이미터(2) 각각의 끝을 공기이동 방향에 대해 하류방향으로 향하게 하여 배치하고, 링모양의 대극(3) 각각을 공기이동 방향에 대해 횡방향으로 배치한다.

각 이미터(2)의 끝을 대극(3)의 링 중심을 관통하는 가상적인 수직선상에 거의 위치하게 한다. 또한 도면에 예시된 바와 같이 이미터(2)와 대극(3)으로 구성된 방전쌍(4)을 거의 동일한 간격으로 6개 나란히 하여 일렬을 구성하고, 이 열이 거의 평행하게 동일 평면내에 4열로 배치되어 있다. 즉 도면의 최상부의 제1열째의 각 이미터(2a)와 위에서부터 제3열째의 각 이미터(2a)는 절연 피복된 공통의 도선(6a)에 의해 전압조절 장치(5)의 출력단자(7a)와 통해 있는 한편, 제2열째의 각 이미터(2b)와 제4열째의 각 이미터(2b)는 절연 피복된 공통의 도선(6b)에 의해 전압조절 장치(5)의 출력단자(7b)와 통해 있다. 뒤에 구체적으로 설명이 되겠지만, 출력단자(7b)로부터는 마이너스쪽으로 소정의 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압이 인가되며, 출력단자(7a)로부터는 출력단자(7b)보다 마이너스쪽으로의 치우침이 적은, 경우에 따라서는 마이너스쪽으로 치우친 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압이 인가된다. 참조부호(8)는 전압조절 장치(5)의 전압 조작부이다. 그리고 링모양의 대극(3) 전부가 절연 피복된 공통의 도선(9)에 의해 땅(10)에 접지되어 있다.

도 2는 이미터(2)의 한가지 예를 예시한 단면도인데, 여기에 사용된 이미터의 특징은 그 방전단이 유전성 세라믹 재료로 피복되어 있다는 것이다.

도 2의 이미터에서는 한쪽 끝이 테이퍼(taper)된 침부분(13)을 가진 텅스텐막대(12)를 세라믹 재료로 된 튜우브(14)내에 동심원상으로 수용하고 있다. 세라믹 튜우브(14)에도 밀봉되고 테이퍼된 끝부분(15)이 있다. 그 테이퍼된 침부분(13)의 끝이 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼된 끝부분(15)의 내면과 접하게 함으로써 텅스텐막대(12)의 테이퍼된 침부분(13)은 세라믹 튜우브(14)의 얇은 층으로 피복되어 텅스텐 막대(12)가 설치된다. 도 2에 예시한 바와 같이 텅스텐 막대(12)의 외경은 세라믹 튜우브(14)의 내경보다 약간 작고, 텅스텐 막대(12)의 테이퍼된 침부분(13)의 각도는 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼된 끝부분(15)의 각도보다 예각으로 되어 있기 때문에 텅스텐 막대(12)의 테이퍼된 침부분(13)이 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼된 끝부분(15)의 내면과 접하도록 텅스텐 막대(12)를 세라믹 튜우브(14)로 피복하면 텅스텐 막대(12)의 테이퍼된 침부분(13)의 끝 중심이 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼된 끝부분(15)의 내면의 중심에 자연스럽게 정합하여 접하게 된다. 텅스텐 막대(12)의 다른 끝(16)을 금속도체(17)에다 접속시킨다. 이 접속은 텅스텐 막대(12)보다 큰 직경을 가진 금속막대(17) 끝속으로 동심원상으로 텅스텐 막대(12)의 끝(16)을 밀접하게 소정의 거리만큼 삽입하면 된다.

유리등의 절연재료로 된 튜우브(18)속에 금속막대(17)가 수용되고, 이 튜우브(18)에 대해 세라믹 튜우브(14)의 다른 쪽 끝(19)도 밀봉부재(20)를 통해 접속되어 있다.

이렇게 하여 구성된 본 발명의 이미터(2)는 도 3에 있는 바와 같이 도 1에서 설명한 링모양의 접지된 대극(3)에 대해 세라믹 커버가 있는 이미터(2)의 방전단(21)이 소정의 거리를 두고 떨어져 이 방전단(21)이 링형상의 대극(3)의 가상적인 수직중심선 위에 거의 위치하도록 배치되는데, 이러한 위치고정은 충분한 강도를 가지며, 따라서 그 자체가 이러한 이미터 구조를 지지하는 프레임 부재로서 기능하는 절연피복도체(6)에 이미터(2)를 현수식으로 지지케 함으로써 달성된다.

절연피복도체(6)는 절연성 수지(22)(예 : 테플론등과 같은 플루오르 수지)로 피복된 비교적 두꺼운 금속도체(17)로 되어 있어서 절연 지지부재를 통하여 대극(3)을 지지하는 프레임 부재로서도 기능한다. 각 접속부재(23)를 통해 절연피복도체(6)에 대해 이미터(2)를 목적으로 하는 위치에 접속시킴으로써 공기유동을 방해함이 없이 공기이동 경로에 이미터(2)를 배치할 수 있다.

여기에 사용된 이미터(2)의 방전단(21)은 유전성 세라믹 재료로 피복된 것이어야 한다. 이러한 유전성 세라믹 재료의 예로서는 석영, 알루미나, 알루미나-실리카 및 내열성 유리등이 있다. 이들 중에서 석영, 특히 투명 석영이 바람직하다.

텅스텐 막대(12)의 침부분(13)에 대한 세라믹 피복의 두께는 2mm 이하가 적절하고, 0.05~0.5mm가 바람직하다. 세라믹 피복은 그 끝부분을 테이퍼식으로 해야한다[도 2의 예리한 끝부분(15)].

그 침모양의 부분 이외의 텅스텐 막대(12) 부분, 즉 몸체부분은 방전단으로 작용하지 않으므로 세라믹 재료로 피복할 필요는 없다. 이러한 예는 도 4와 도 5에서 볼 수 있다. 도 4에는 테이퍼된 끝이 세라믹 튜우브(14)로 씌워져 있는 텅스텐 막대(12)가 나와 있다. 즉, 텅스텐 막대(12)의 침부분(13)은 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼진 끝부분(15)으로 견고히 피복되어 있고 텅스텐 막대(12)의 몸체부분은 또 다른 절연재료(예 : 절연성 수지)(25)로 피복되어 있다. 접착제(예 : 예폭시 수지계 접착제)(26)로 세라믹 튜우브(14)를 텅스텐 막대(12)에다 고정시키고, 이 고정부분은 밀봉제(예 : 실리콘계 밀봉제)(27)가 텅스텐이 노출되지 않도록 피복되어 있다. 이와 같은 실시예에 있어서 텅스텐 막대(12)의 테이퍼진 침부분(13)의 외면과 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼진 끝부분(15)의 내면 사이에는 공간이 존재하지 않는다.

도 5에는 텅스텐 막대(12)의 끝(28)과 세라믹 튜우브(14)의 테이퍼진 끝부분(15) 사이에 전도성 접착제(29)를 충전시킨 예가 나와 있다. 즉, 텅스텐 막대(12)의 끝(28)을 절연피막(225)으로부터 돌출시키고, 이 돌출부에 테이퍼된 끝부분(15)을 가진 세라믹 튜우브(14)를 간극을 두어 덮어씌우고 이 간극을 전도성 접착제(29)로 충전한 것이다. 참조숫자(27)는 도 4에서 처럼 밀봉재이다.

여기서 사용되는 전도성 접착제(29)의 예로서는 에폭시 접착제에 은분말을 분산시킨 것과 접착제중에 흑연을 분산시킨 콜로이드상 분산물이 있다. 도 5에 예시된 바와 같이 텅스텐 막대(28)를 뾰족하게 하던지 둔하게 해도 된다.

도 6은 도 1의 루우프 모양의 접지대극(3)의 일부를 예시한 확대 투시도이다. 이 예에서 각각의 대극(3)은 금속링으로 되어 있으며, 이 링형상의 대극(3)이 이러한 절연피막을 입힌 도체(9)에 의해 필요한 수만큼 거의 동일면내에서 2차원적인 공간내에 소정의 간격을 두고 서로 접속되어 있다. 절연피막을 입힌 도체(9)는 링모양 대극(3) 각각을 공간내에서 지지할 수 있을 정도로 충분한 강도를 가진 것이 사용되므로 이 도체(9) 자체가 각 링모양의 대극(3)을 공간내의 소정의 위치에 지지하기 위한 프레임으로 작용한다. 그리고 어떠한 링모양 대극(3)도 이 도체(9)를 통해 땅(10)에 접지된다. 이 도체(9)가 대극(3)을 지지하는 프레임으로서도 기능하므로 별도로 대극(3)을 공중에 지지하는 지지부재를 특히 필요로 하지 않으며, 따라서 이것을 흐르는 청정공기 흐름이 방해받는 일이 없어진다.

대극(3)은 완전한 원형의 것이 바람직하지만 타원형이나 다각형이어도 좋다. 또한 이들은 종래의 AC형 이오나이저에서 사용된 것과 같이 한 평면내에서 다수의 직선을 수직으로 교차시켜 구성한 그리드(grid) 형상이어도 된다. 어느 경우에서라도 대극(3)의 표면을 상기한 이미터와 같이 세라믹 재료로 피복하지 않고 금속표면을 노출시킨채로 사용한다.

도 7과 도 8은 방전쌍(4)을 구성하는 이미터(2) 및 상응한 대극(3)의 상대적인 위치관계를 예시한 것이다. 이들 두 가지 실시예에 있어서 이미터(2)와 대극(3)을 화살표로 나타낸 공기(1)의 흐름에 따르는 방향으로 이미터(2)가, 그리고 이 흐름에 대해 횡방향으로 대극(3)이 배치되고, 또한 이미터(2)는 대극(3)의 중심을 통과하는 가상적인 축선을 따라 배치되지만, 도 7에 예시된 바와 같이 이미터(2)의 방전단(21)이 대극(3)보다도 공기흐름의 상류쪽의 방향으로 거리(G)만큼 떨어진 위치에 설치된다.

이에 반하여 도 8에서는 이미터(2)의 방전단(21)이 대극(3)보다도 공기흐름의 하류쪽의 방향으로 거리(G)만큼 떨어진 위치에 설치된다. 즉, 도 8의 예에서는 이미터(2)가 링형상의 대극(3)을 관통하고 있는데 대하여 도 7에서는 그러하지 못하다. 이후 설명되는 바와 같이 전압인가 조건에 따라 어떤 실시태양을 채택해야 할 것인가를 결정한다.

앞서 나온 바와 같이 본 발명의 첫 번째 특징은 AC형 이오나이저에 있어서 유전성 세라믹 재료로 피복된 방전단을 가진 이미터를 사용하는데 있고, 본 발명의 두 번째 특징은 AC 고전압을 이미터에 인가하는 방식에 있다. 본 발명인들이 확인한 바로는 유전성 세라믹 재료로 피복된 방전단을 가진 이미터에 AC 고전압을 인가할 때에는 적당한 바이어스 전압을 AC 고전압에 부가한 결과, AC 고전압을 인가함에도 불구하고 어떤 이미터에서는 양이온이 풍부한 공기를 계속해서 생성하는 한편 다른 이미터에서는 음이온이 풍부한 공기를 계속해서 생성한다는 점이다. 종래의 AC형 이오나이저는 발생된 양이온의 밀도와 음이온의 밀도 사이에 큰 차이가 있다 하더라도 사용된 AC 주파수에 따라 양이온과 음이온을 교대로 발생하는 것이었다. 한편으로는 이미 나온 바와 같이, 세라믹 재료로 피복된 방전단을 가진 이미터에 DC 고전압을 인가할 경우 DC 고전압을 인가한 순간에는 공기를 이온화 할 수 있더라도 인가된 AC 전압과 반대되는 극성을 가진 공기 이온이 즉시에 이미터를 둘러싸서 이미터의 방전단의 전계 강도를 약화시키므로, 이온발생이 그 이상 더 계속되지 않는다. 본 발명의 한가지 특징에 의하면 어떤 이미터에서는 계속해서 양이온을 발생시키는 한편 다른 이미터에서는 계속해서 음이온을 발생시킬 수 있는 개량된 AC 형 이오나이저를 제공하고 있는 것이다. 여기에 기술된 이오나이저는 인가된 AC 주파수에 따라 양이온과 음이온을 교대로 발생시키는 것이 아니고, AC 고전압을 이미터에 인가함에도 불구하고, 어떤 이미터에서는 양이온만을 발생시키고 다른 이미터에서는 음이온만을 발생시킨다. 가장 대표적인 예로써 말하면 어떤 이미터에는 마이너스 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압을 인가하는 한편, 다른 이미터에는 플러스 바이어스 전압이 인가된 AC 고전압을 인가하는 것이다. 도 1로 되돌아가서 설명하면 (2b)로 나타낸 이미터군에 대해 마이너스 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압을 인가함으로써 음이온이 풍부한 공기를 계속해서 생성시키고, (2a)로 나타낸 이미터군에는 보다 (+)쪽으로 바이어스 된 전압이 부가된 AC 고전압을 인가함으로써 양이온이 풍부한 공기를 계속해서 생성시키는 것이다.

엄밀히 말하자면, AC 전압이 인가되기 때문에 이미터는 모두가 양극 또는 모두가 음극으로 될 수 있다. 설명을 하자면 마이너스 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압을 인가하여 음이온이 풍부한 공기를 계속해서 발생시키는 이미터를 의사음극 이미터(pseudo negative pole emitter)라 부르기로 하고, 보다 (+)쪽으로 치우친 전압이 부가된 AC 고전압을 인가하여 음이온이 풍부한 공기를 계속해서 발생시키는 이미터를 의사양극 이미터(pseudo positive pole emitter)라 부르기로 한다. 도 1에서 이미터(2a)는 의사양극 이미터인 반면, 이미터(2b)는 의사음극 이미터이다. 의사양극 이미터(2a) 전부는 절연 피복 도선(6a)에 의해 전압조절 장치(5)의 OUT PUT(7a)과 통해 있는 반면, 의사음극 이미터(2b) 전부는 절연 피복 도선(6b)에 의해 전압조절 장치(5)의 OUT PUT(7b)과 통해 있다. OUT PUT(7a)과 OUT PUT(7b)은 각각 극성과 강도가 서로간에 각각 상이한 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압을 출력한다. 도 1에서 참조번호(8)는 OUT PUT(7a,7b)에서 출력된 AC 전압의 특성을 조작하거나 조절하는 전압 조작부이다.

도 9는 도 1의 이오나이저에 사용되는 전압조절 장치(5) 및 그 전압조작부(8)의 회로도이다. 도면에 나온 바와 같이 이 회로는 상용의 AC(도면의 예에서는 AC 100V)의 IN PUT(31)을 공통으로 하고 4개의 변압기(32,33,34,35)가 병렬로 배치되어 있다. 변압기(32,33,34,35)의 입력측에 각각 가변 저항기(slide rheostat)(T₁,T₂,T₃,T₄)가 구성되어 있다. 이들 가변 저항기는 도 1의 전압조작부(8)를 구성한다. 변압기 (32)는 의사양극 이미터(2a)와 통해 있는 OUT PUT(7a)에다 상용 AC(100V)를 예컨대 8kV 이상의 전압으로 승압시켜 출력하고, 변압기(33)는 의사음극 이미터(2b)와 통해 있는 OUT PUT(7b)에다 마찬가지로 상용 AC(100V)를 예컨대 8kV 이상으로 승압시켜 출력한다. 따라서, 변압기(32,33)는 주파수를 변화시키지 않고서도 상용 AC를 고전압으로 승압시키는 통상적인 AC 변압기이다. 이에 대하여 변압기(34,35)에는 정류기가 내장되어 있어서 상용 AC를 정류하여 DC로 한후 DC를 보다 높은 전압으로 승압시킨다. 따라서, 이 변압기(34,35)를 DC 변압기라 부르기도 한다. DC 변압기(34)는 승압된 마이너스 전압의 DC를 출력하며 변압기(33)의 2차 코일의 한쪽에 접속되어 있다. 따라서, OUT PUT(7b)로부터는 교류 변압기(33)에 의해 승압된 AC 성분에 소정의 마이너스 쪽으로 치우친 DC 전압이 부가된 합성 전압이 인가된다. 다른 한편으로는, DC 변압기(35)는 승압된 (+)의 DC 전압을 출력하며 변압기(32)의 2차 코일의 한쪽에 접속된다. 이와 같이 하여 OUT PUT(7a)으로 부터는 변압기(32)에 의해 승압된 AC 성분에 소정의 (+)쪽의 바이어스 DC 전압이 부가된 합성이 인가된다. 도 9에서 참조부호(F)는 퓨우즈이고, (SW)는 전원용 스위치이며, (Z₁)와 (Z₂)는 스위치 온(switch-on)할 순간 잡음을 흡수하며 펄스 성분의 공급을 감소시키는 스파크 킬러(spark killer)이다. 이러한 구성의 회로에 의하면 가변 저항기(T₁및 T₄)의 조작에 의해 OUT PUT(7a)으로부터 의사양극 이미터(2a)로 출력되는 (+)쪽의 바이어스 DC 전압과 AC 전압의 크기를 마음대로 조절할 수 있다. 마찬가지로 가변 저항기(T₂및 T₃)의 조작에 의해 OUT PUT(7b)으로부터 의사음극 이미터(2b)로 출력되는 마이너스쪽의 바이어스 DC 전압과 AC 전압의 크기를 마음대로 조절할 수 있다.

도 10은 도 1의 이오나이저에 사용되는 전압조절 장치(5)와 그 전압조작부(8)의 바람직한 회로 구성도이다. 예시된 회로장치는 상용의 AC(100V의 AC)의 입력단자(31)에 변압기(37)를 장착하고, 변압기(37)의 2차 쪽에 정류회로(38), 정전압 회로(39), 인버어터 회로(40), 고전압 변압기(41) 및 고전압 블록을 순서로 접속한 것이다. 정류회로(38)에서는 변압기(37)에서 얻은 AC를 전파정류(全波整流)하여 DC로 변환한다. 정전압 회로(39)는 출력 전압을 일정하게 하는 것이다. 입력하는 상용 AC의 전압이 여러 가지 이유로 변동할 경우는 정류회로(38)에서 얻어지는 DC 전압도 거기에 따라서 변동하며, 그 다음의 고전압 변압기(41)의 입력 전압이 변화하여 최종적인 출력전압을 일정하게 유지할 수 없게 되므로, 이 정전압(定電壓) 회로(39)를 삽입한다. 인버어터 회로(40)에 발진회로를 결합시키고 정전압 회로(39)로 부터 출력하는 정전압 DC를 네모판(square wave)로 쵸퍼(chopper)한다. 이 네모파의 전압은 고전압 변압기(41)에 의해 승압되어 도 11(a)의 (43)으로 나타낸 네모파의 AC를 얻는다. 이 고전압 변압기(41)는 가변 저항기가 결합되어 있는 절연된 변압기로 구성되어 있는데 출력 AC 전압의 크기를 변화시킬 수 있다. 이 AC 전압은 고전압 변압기(41)에서 출력되어 고전압 정류기(다이오우드 D1 및 D2)와 고전압 저항(R1~R6)이 있는 고전압 블록(42)을 거쳐 OUT PUT(7a,7b)에 출력한다. 고전압 블록(42)에 있어서 변압기(41)의 2차 코일은 한쪽이 접지된 접지선(44)과, 다른 쪽이 OUT PUT (7a,7b)과 통하는 출력선 (45,46)으로 분지하며, OUT PUT(7a)과 통하는 출력선(45)과 접지선(44) 사이에 플러스쪽의 전류가 흐르지 못하게 하고 마이너스쪽 전류만 흐르도록 하는 다이오우드(D1)를 삽입하며, 그리고, OUT PUT(7b)에 통하는 출력선(46)과 접지선(44) 사이에 마이너스쪽의 전류가 흐르지 못하게 하고 플러스쪽의 전류만 흐르도록 하는 다이오우드(D2)를 삽입한다. 또한 도 10의 경우와 마찬가지로 고전압 블록(42)에 저항(R1~R6)이 결합되어 있으므로 OUT PUT(7a)에 대해서는 변압기(41)에서 승압된 플러스쪽의 전압을 그대로 인가하지만 OUT PUT(7a)에 인가된 마이너스쪽의 전압은 다이오우드(D1)를 통해 땅쪽으로 흘러간 양만큼 0에 가까운 값으로 된다. 땅으로 흘러간 마이너스 전류의 양을 저항(R1,R5)의 저항 비율을 이용하여 조절한다. 따라서 도 11(b)에 있는 파형(47)으로 나타낸 플러스쪽으로 바이어스 된 전압이 OUT PUT(7a)에 인가된다. 이 경우에 있어서 플러스쪽의 바이어스 전압(V_B)이 부가되어 있다고 할 수 있다. 마찬가지로 도 11(c)에 있는 파형(48)으로 나타낸 마이너스쪽으로 바이어스 된 전압이 OUT PUT(7b)에 인가된다. 이 경우에 있어서 마이너스쪽 바이어스 전압(V_B)이 부가되어 있다고 할 수 있다. 도 10의 회로장치의 경우에 있어서 의사양극 이미터(2a)와 의사음극 이미터(2b)에 출력되는 AC 전압의 강도를 고전압 변압기(41)의 가변 저항기에 의하여 마음대로 조정할 수 있고, 또한 OUT PUT(7a)으로부터 의사양극 이미터(2a)로 출력되는 플러스쪽 바이어스 전압(V_B)의 강도를 저항 R1과 R5의 비율, 더욱 정확하게는 R5/(R1+R5)의 비율을 조정함으로써 마음대로 조절할 수 있다. 마찬가지로 OUT PUT(7b)으로 부터 의사음극 이미터(2b)로 출력되는 마이너스쪽 바이어스 전압(V_B)의 강도를 저항 R2와 R6의 비율, 더욱 정확하게는 R6/(R2+R6)의 비율을 조정함으로써 마음대로 조절할 수 있다.

도 9와 도 10에 있는 전압조절 장치(5) 및 그 전압 조작부(8)를 구성하는 전기회로가 바람직하지만, 중요한 것은 OUT PUT(7b)로부터는 상용 AC를 예컨대 8kV 이 상의 고전압으로 변환시킨 다음 마이너스쪽으로 치우친 전압을 부가한 바이어스 고전압 AC를 그 승압량과 바이어스량을 조절 가능하게 하여 인가할 수 있고, 또한, OUT PUT(7a)로부터는 상용 AC를 예컨대 8kV 이상의 고전압으로 변환시킨 다음, OUT PUT(7b)와는 다른(마이너스쪽의 치우침이 적고, 경우에 따라서는 플러스쪽으로 치우친) 바이어스 전압을 부가한 바이어스 고전압 AC를 그 승압량과 바이어스량을 조절 가능하게 하여 인가할 수 있도록 한 전기회로를 구성한 것인데, 이러한 조건이 부합되면 어떤 회로라도 본 발명에서 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 장치를 조작하는 동안 의사음극 이미터(2b)는 AC 고전압이 인가됨에도 불구하고 음이온 밀도가 높고 양이온 밀도가 거의 0인 이온화된 공기가 계속해서 생성하며, 이렇게 해서 생성된 음이온이 풍부한 공기는 청정공기 흐름에 따라 동반되어 하전 물체에 도달하며, 다른 한편으로는 의사양극 이미터(2a)에도 AC 고전압이 인가됨에도 불구하고 양이온 밀도가 높고 음이온 밀도가 적은 이온화된 공기가 계속해서 생성하며, 이렇게 해서 생성된 양이온이 풍부한 공기는 청정공기 흐름에 따라 동반되어 하전 물체에 도달한다. 따라서 공기이동 방향에 대하여 횡방향으로 이차원적 공간내에 다수 배치하는 의사음극 이미터(2b)와 의사양극 이미터(2a)의 배치상태를 적절히 함으로써, 예를 들자면 도 1에 있는 바와 같이 이미터(2a)의 열과 이미터(2b)의 열을 교대로 배치하거나, 경우에 따라서는 개개로 이미터(2a,2b)를 교대로 또는 지그재그로 배치하거나, 이미터(2a,2b) 몇 개씩을 한 무리로 하여 이 무리들을 교대로 배치함으로써 이오나이저의 하류쪽에 있는 하전 물체에 양이온과 음이온을 균형있게 공급할 수 있다.

본 발명을 시험예에 따라 더욱 상세히 설명한다.

도 12에 이 시험에 사용된 시험방법 및 장치가 나와 있다. 도 2에 있는 구조를 가진 석영으로 피복된 이미터(2) 한 개를 수직층류식 청정실내에서 0.3m/sec의 속도로 아래쪽으로 이동하는 청정공기의 흐름중에 그 축을 수직으로 하여 배치한다. 이미터(2)의 텅스텐 막대(12)의 직경은 1.5mm이고, 이미터(2)의 석영관(14)의 외경은 3.0mm이며, 내경은 2.0mm이다. 석영관(14)의 테이퍼상 끝부분(15)의 길이는 5mm이고 이미터(2)의 유리관(18)의 외경은 8mm, 그리고 내경은 6mm인데, 그 속에 직경 3mm의 금속도체(17)가 통해 있다. 이미터(2)는 수직으로 연장되는 유리관(18)과 수평으로 연장되는 수지 피복관(22)속을 통해 전압조절 장치(5)와 전기적으로 접속되어 있다. 스텐레스강으로 된 링형상의 접지대극(3)을 그 가상적인 수직 중심축선이 이미터(2)의 축과 일치하도록 하여 설치한다. 접지대극(3)을 상하방향으로 슬라이딩시킴으로써 이미터(2)의 방전단(21)과 접지대극(3)의 중심 사이의 거리(G)를 조절한다. 방전단(21)이 공기이동 방향에 대하여 대극(3)의 상류쪽에 위치할 경우(도 7의 경우)에는 그 거리(G)는 (+)이다. 이에 반하여 방전단(21)이 대극(3)을 관통하여 공기이동 방향에 대하여 대극(3)의 하류쪽에 위치할 경우(도 8의 경우)에는 그 거리는 (-)이다. D는 대극(3)의 링직경을 나타낸다. 이와 같이 구성한 이미터(2)에 바이어스 전압을 부가한 고전압 AC를 인가하고, 이미터(2)의 방전단(21)으로부터 1200mm 떨어진 아래쪽에 설치된 공기이온 밀도 측정기(50)를 사용하여 양이온과 음이온의 밀도(단위:×10³이온/cc)를 측정한다. 이미터(2)에 인가된 AC 전압의 AC 성분실효치를 V로, 바이어스 전압을 V_B로 나타낸다. 도 13에 있는 바와 같이 AC 성분실효치 V는 AC 파형의 0으로부터 한쪽 피이크까지의 전압의

배의 크기이다. 그리고 바이어스 전압(V_B)은 도 14에 있는 바와 같이 AC 파형에 부가하는 DC 성분의 크기를 나타내며, (+)쪽으로 바이어스를 부가했을 경우는 V_B는 (+)이고, (-)쪽으로 바이어스를 부가했을 경우는 V_B는 (-)이다.

도 15는 D=80mm의 접지대극(3)을 사용하고, G=-25mm로 하여 이미터에 인가된 AC 주파수=50Hz의 조건하에 V=11kV의 고전압 AC를 바이어스 전압(V_B)을 변화시켜 인가했을 경우에 공기 이온밀도 측정기(50)로 측정한 양이온과 음이온의 밀도를 나타낸 그래프이다. 도 15에 나타낸 결과는 AC를 이미터에 인가함에도 불구하고 V_B의 조절에 의하여 양이온 또는 음이온으로 현저하게 치우친 이온화 된 공기를 얻을 수 있다는 극히 흥미 깊은 사실을 나타내고 있다. 즉, V_B가 약 +2kV인 경우 양이온 밀도는 최대가 되고 V_B가 -2kV~0 부근에서 밀도는 심하게 감소한다. 다른 한편으로 V_B가 약 -4kV일 경우에는 음이온 밀도는 최대가 되고 V_B가 0keV~-2kV로 증가함에 따라 심하게 감소한다. 채용된 시험조건하에서 V_B를 적당히 조절해주면 양이온 또는 음이온만을 발생시킬 수 있다. 예를 들자면 0보다 (+)쪽으로 V_B를 인가하면 음이온을 거의 발생함이 없이 고밀도의 양이온만이 발생된다. 그리고 -3kV보다도, 바람직하게는 -4kV보다도 더욱 (-)쪽으로 V_B를 인가하면 양이온을 거의 발생함이 없이 고밀도의 음이온만이 발생된다.

채용된 시험조건하에서 V_B가 -3kV~0kV 사이의 영역내에 있으면 양이온과 음이온이 모두 발생된다. 따라서 이 V_B영역에서는 하나의 이미터에서 양이온과 음이온을 발생시킬 수 있다. 이 경우에 있어서 인가된 AC의 주파수에 대응하여 양이온과 음이온이 교대로 발생된다. 그러나 이와 같이 높은 주파수에서 동일한 이미터로부터 양이온과 음이온을 교대로 발생시키는 방식에서는 양이온과 음이온이 하전물체에 도달하기까지의 공중 이동중에 이들 이온은 서로 중화되어 하전 물체를 탈정전기화할 수 있는 유효한 이온량이 감소하고, 또한 위에 나온 V_B영역에서는 V_B가 약간 변하여도 이온 밀도가 크게 변하게 되어 결국 V_B를 조절하기가 어렵게 되므로 반드시 유리한 탈정전기 방식이라고는 할 수 없다.

한편, 채용된 시험조건하에서 어떤 이미터에는 V_B를 0보다 (+)쪽으로 강하게 인가해주면 양이온만을 발생시키는 이미터 [즉 의사양극 이미터(2a)]가 되고, 어떤 이미터에는 V_B를 -3kV보다 더욱 (-)쪽으로 강하게 인가해주면 음이온만을 발생하는 이미터 [즉, 의사음극 이미터(2b)]가 되므로, 공기이동 방향에 대하여 횡방향으로 이차원적 공간내에 이들 의사 이미터(pseudo emitter)(2a,2b)를 적절히 배열하여 분산배치하면 양이온과 음이온을 균형있게 하전 물체에 계속하여 공급할 수 있다.

도 16 내지 도 18은 바이어스 전압의 효과를 설명하는 것이다. 마이너스 바이어스 전압 V_B을 인가한 AC의 경우에 있어서 도 16에서 (a)로 나타낸 바와 같이 양(+)전압의 강도는 (V-|V_B|)이 되는데 이것은 AC 성분 실효치보다 |V_B|만큼 작다. 이에 반하여 도 16에서 (b)로 나타낸 바와 같이 음(-) 전압의 강도는 (V+|V_B|)가 되는데 이것은 AC 성분 실효치 |V_B|만큼 높다. 따라서 이 AC 전압을 이미터에 인가하면 이미터의 방전단 주위의 전계의 강도는 (a)의 경우보다 (b)의 경우에서 훨씬 강해져서 음이온을 아래쪽으로 이동시키는 쿨롱의 힘(Coulomb force)은 양이온을 아래쪽으로 이동시키는 쿨롱의 힘 보다 훨씬 크다. 도 17은 도 16의 양(+) 전압(a)을 인가한 시간에서의 방전단의 상태를 나타낸 다이아그램이고 도 18은 도 16의 음(-) 전압(b)을 인가한 시간에서의 방전단의 상태를 나타낸 다이아그램이다. 이들 도면에 있어서 각 이온에 붙여진 화살표는 각 이온을 방출하는 쿨롱의 힘의 세기를 나타낸다. 따라서 이 경우에 있어서 이미터에 양전압과 음전압이 인가됨에도 불구하고 음이온이 양이온보다 보다 많이 공기이온 밀도 측정기(50)에 도달한다.

본 발명자들은 상기 시험에서 여러 가지 파라메터(V,G,D)를 변화시켜 V_B의 영향을 조사한 결과, 기류의 속도 0.15~0.6m/sec에 있어서 (+)이온을 발생시키는 의사양극 이미터(2a)의 적정 조건은 아래와 같고,

8kV ≤ V,

-80mm ≤ G ≤ 80mm,

50mm ≤ D ≤ 150mm, 및

-8kV ≤ V_B≤ 8kV

또한 (-)이온을 발생시키는 의사음극 이미터(2b)의 적정조건은 아래와 같음을 발견하였다.

8kV ≤ V,

-80mm ≤ G ≤ 0mm,

50mm ≤ D ≤ 150mm, 및

-8kV ≤ V_B≤ 0kV

따라서 의사음극 이미터(2b)의 경우에 있어서, G는 (-)인 것이 바람직한데, 즉, 도 8에서 처럼 이미터(2)의 방전단(21)이 대극링(3)을 관통하여 방전단(21)이 공기이동 방향에 대하여 대극(3)의 하류쪽에 돌출하도록 하는 것이 바람직하고, 그리고 V_B는 (-)인 것이 바람직하다. 의사양극 이미터(2a)에 있어서 G는 (+) 또는 (-) 이어도 좋은데, 즉, 도 7에서 처럼 이미터(2)의 방전단(21)을 공기이동 방향에 대하여 대극(3)의 상류쪽에 위치하도록 하거나, 도 8에서 처럼 대극(3)을 관통하여 공기이동 방향에 대하여 대극(3)의 하류쪽에 위치하도록 하고, 또한 V_B는 (-) 또는 (+)이어도 좋다.

도 12의 시험에 있어서 20kV의 AC 고전압을 이미터에 인가하여도 방전단(21)으로부터 먼지발생을 전혀 검출할 수 없었다. 이에 반하여 텅스텐 막대(12)에 노출된 이미터를 사용한 이외는 기타 나머지 조건을 동일하게 하여 도 12의 시험을 한 결과, 6kV 과잉의 AC 고전압을 이미터에 사용했을 때 방전단(21)으로부터 먼지가 현저하게 발생하였다. 방전단(21) 아래의 160mm되는 위치에서 측정한 입자크기가 0.03㎛ 이상인 입자의 수는 6kV인 경우에는 7.4×10²개/ft³이었고, 10kV인 경우에는 2.5×10⁴개/ft³이었으며, 20kV인 경우에는 2.9×10⁴개/ft³이었다. 여기서 사용된 석영관(14)을 가진 본 발명의 이미터를 1050 시간동안 계속하여 사용하였다. 1050 시간후 이미터의 방전단을 현미경으로 관찰한 결과 새것과 구별할 수 없을 정도이었고 먼지분말이 전혀 부착되지 않았으며 아무런 손상도 없었다. 더욱이 11.5kV의 AC를 본 발명의 이미터에 인가하여 이미터의 방전단 아래의 12.5cm되는곳에서 오존 농도를 측정하였으나 1ppb 이상과 과잉의 오존은 검출되지 않았다.

본 발명에 의한 장치에 의하여 선행기술에서 나타나는 거의 모든 문제를 해결할 수 있고 반도체 제조시 정전기화 현상에 의해 나타나는 여러 가지 난점을 극복할 수 있다.

Claims (7)

1. AC 고전압을 이미터에 인가하여 코로나 방전을 시켜 공기를 이온화 하는 침모양의 다수의 이미터를 가진 AC 이오나이저를 필터를 통과한 청정공기 흐름중에 설치하고, 이 AC 이오나이저에 의해 이온화된 공기흐름을 정전기를 띤 물체에다 공급하여 이 하전 물체의 정전기를 중화하는, 청전공간에 존재하는 하천 물체로부터 정전기를 제거하는 장치에 있어서, ㉮ 침모양의 이미터 각각의 방전단이 유전성 세라믹 재료로 피복되어 있고, ㉯ 그리드 모양 또는 루우프 모양의 접지대극으로부터 일정한 간격을 두고 이 이미터 각각에 방전단이 배치됨으로써 한 개의 방전쌍이 형성되며, ㉰ 다수의 방전쌍이 청정공기의 흐름에 대하여 횡방향으로 2차원적인 공간내에 배치되고, ㉱ 상기한 다수의 방전쌍중에서 어떤 방전쌍의 이미터는 마이너스의 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압 전원에 접속되게 함으로써 의사음극 이미터를 구성하는 한편, 다른 방전쌍의 이미터는 상기한 마이너스 바이어스 전압보다 (+)쪽으로 치우친 바이어스 전압이 부가된 AC 고전압 전원에 접속되게 함으로써 의사양극 이미터를 구성하며, 이들 의사양극 이미터와 의사음극 이미터가 상기한 이차원적 공간내에 분산배치되어 있는 것을 특징으로 하는 청정공간에 존재하는 하전된 물체로 부터 정전기를 제거하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 청전공간이 반도체 제조를 위한 공간인 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 유전성 세라믹 재료가 석영인 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 의사음극 이미터의 방전단은 그리드 모양 또는 루우프 모양의 접지된 대극에 대하여 기류의 하류쪽에 위치해 있는 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 다수의 방전쌍중에서 어떤 방전쌍의 이미터는 마이너스의 바이어스 전압이 부가된 공통의 고전압 AC 전원에 접속됨으로써 의사음극 이미터를 구성하는 한편, 다른 방전쌍의 이미터는 플러스의 바이어스 전압이 부가된 공통의 고전압 AC 전원에 접속됨으로서 의사양극 이미터를 구성하고 있는 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 고전압 AC 전원은, 상용의 AC를 입력하여 이것을 소정의 고전압의 AC로 승압하는 수단과, 이 승압된 AC에 소정의 양(+) 및 음(-)으로 바이어스된 DC 전압을 부가하는 수단을 구비한 전압조절 장치로 되어 있고, 이 전압조절 장치는 AC 고전압의 크기와 바이어스 DC 전압의 크기를 조절하는 전압 조작부를 구비하고 있는 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 의사양극 이미터와 의사음극 이미터는 이차원적인 공간내에서 최소한 일차원 방향으로 엇갈리게 분산하여 배치되어 있는 장치.

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