KR100420129B1 - 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면처리를 위한 플라즈마 방전장치에 관한 것으로, 특히 대형피처리물을 용이하게 표면처리할 수 있도록 된 다중전극 어레이 구조의 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서, 두 전극의 구조가 적어도 2개 이상의 단위전극셀들이 모인 다중전극 어레이로 구성되어 대형 피처리물에 대한 가공을 용이하게 하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면 단위전극셀들이 모여 형성된 다중 전극 어레이에 의해 처리영역이 넓어지므로 대형 피처리물에 대해서 용이하게 표면처리할 수 있고, 플라즈마가 각 단위전극에서 형성되어 외부로 분사되는 형태이므로 유전체에 부착된 전도성 전극간의 아크, 스트리머 등의 이상방전에 의해 피처리물이 손상되는 것을 방지할 수 있다.

Description

다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치 { Plasma surface treatment apparatus using multiple electrodes array }

본 발명은 표면처리를 위한 플라즈마 방전장치에 관한 것으로, 특히 대형피처리물을 용이하게 표면처리할 수 있도록 된 다중전극 어레이 구조의 플라즈마 표면처리장치에 관한 것이다.

일반적으로, 플라즈마(Plasma)란 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계( RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다. 특히, 글로우 방전에 의한 플라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전계(RF)에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성족(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성족은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이활성족(플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다.

한편, 종래의 대면적 표면처리기술은 주로 습식세정(wet cleaning)을 이용하는 방법으로서 다량의 수용액과 유해성 용액을 사용하여 피처리물의 표면을 처리하는 방식이다. 또한 UV-O3 세정과 같은 자외선으로 오존을 활성화시키는 방법이나 진공 플라즈마를 이용하는 대면적 표면처리 방법도 있으나 진공장비나 독립된 반응 용기가 필요하여 연속공정에 적용하기 힘든 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위한 기술로 상온/상압(760torr)에서 유전막을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 유전 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge)이 있다.

이와 같이 유전 장벽 방전을 이용한 종래의 플라즈마 표면처리 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 한쌍의 평판전극(1,2)들이 반응 용기내의 방전공간에 설치되고, 방전 공간에는 헬륨과 아르곤 등 불활성 가스를 주성분으로 하는 플라즈마 생성 가스들로 채워진다. 이 때, 각 전극에는 유전체(3)가 접속되어 있고, 피처리물(4)은 두 전극 사이에 위치한다.

이와 같이 피처리물을 반응용기 내에 삽입하고, 전극 사이에 AC 전압을 인가하면 방전이 일어나서 플라즈마 생성가스가 여기하여 반응용기내에서 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마에 의해 상기 피처리물이 플라즈마 표면처리된다. 즉, 두개의 평판 전극(1,2) 사이에 1개 이상의 유전체를 부착한 후, 수 kHz~수MHz 주파수의 전원을 양 전극 사이에 인가하면, 유전체는 전압이 인가될 때 전하를 축적하는 특성이 있으므로 낮은 전압에서도 쉽게 방전이 일어나도록 함과 아울러 금속과는 달리 국부적인 방전의 집중 현상을 방지할 수 있다. 이러한 상압 유전막 방전을 이용하여 표면처리할 때에는 피처리물을 두 전극 사이에 놓고, 방전시켜서 이 때 생성되는 플라즈마 내의 이온이나 활성 입자인 라디칼을 이용하여 피처리물의 표면을 처리한다.

그런데 종래와 같이 습식세정 기술을 이용하여 대형 피처리물을 표면처리할 경우에는 다량의 수용액과 유해 산성, 알칼리 용액이 배출되므로 운영비용이 많이 들고 환경을 오염시키는 문제점이 있다. 또한, 플라즈마를 이용한 진공 플라즈마 기술과 상압 유전장벽 방전처리기술 등의 건식기술은 습식기술에 비해 상대적 우위를 갖고 있으나 진공 플라즈마를 이용하는 기술은 특정한 크기의 반응용기에 진공장비를 부착하여야 하므로 처리 가능한 크기에 제약이 있음과 아울러 고가의 장비가 요구되고, 상압 유전 장벽 방전을 이용한 기술은 피처리물이 마주보는 전극 사이에 장입되므로 대형의 피처리물을 표면처리하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 단위전극셀을 다수 결합하여 다중전극 어레이를 형성함으로써 처리할 수 있는 전극 면적을 넓게 하여 대형 피처리물에 대해서도 용이하게 표면처리할 수 있는 다중전극 어레이를 이용한 플라즈마 표면처리장치을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 상압 플라즈마 장치를 도시한 개략도,

도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 다중전극 구조의 제 1 실시예를 도시한 도면,

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 다중전극 구조의 제2실시예를 도시한 도면,

도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 다양한 다중전극 구조의 예를 도시한 도면,

도 5a~c는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치에서 일렬로 배열한 전극 구조의 예,

도 6a,6b는 본 발명에 따른 변형예로서 판형 전극을 이용한 다중전극의 예,

도 7a~7c는 본 발명에 따른 판형 다중전극에서 단위전극의 예를 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 따른 판형 다중전극에서 내부전극이 함몰된 구조를 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

21,61: 외부전극 22,62: 내부전극

23,63: 유전체 25,79: 구멍

67: 피처리물 73: 연장부

75: 가스 입출구 77: 슬릿

C: 단위전극셀

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

상기 두 전극의 구조가 적어도 2개 이상의 단위전극셀들이 모인 다중전극 어레이로 구성되어 대형 피처리물에 대한 가공을 용이하게 하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명은 유전체와 이를 사이에 둔 전도성 전극으로 단위전극셀을 형성한 후 이 단위전극셀을 배열하여 다중전극 어레이를 구성함으로써 전극면적을 넓혀 대형 피처리물을 효과적으로 표면처리하는 것이다. 즉, 다중전극 배열을 이용하면, 넓은 영역에서 발생되는 플라즈마를 대형 피처리물에 분사할 수 있으므로 넓은 면적에 대해서도 표면처리가 가능하게 되는 것이다.

도 2a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 다중전극 구조를 도시한 평면도이고, 도 2b는 평면도에서 다중전극을 A-A 방향으로 절단하여 도시한 단면도이다.

도 2a 및 2b를 참조하면, 다중전극 어레이는 6각형 모양의 단위전극셀(C)들이 결합하여 벌집형태로 배치되어 있고, 하나의 단위전극셀(C)은 6각형 관으로 된외부전극(21)과, 관형 전극 내부 중심위치에 봉형으로 된 내부전극(22) 및 내부전극(22)에 도포된 유전체(23)로 구성된다. 그리고 외부전극(21)과 유전체(23) 사이에는 공간이 형성되어 가스가 유입되고 플라즈마가 분사될 분사관으로서 기능한다. 이와 같이 구성된 단위전극셀(C)들이 전,후,좌,우로 서로 배열되어 다중 전극 어레이가 형성되고, 이와 같은 다중 전극 어레이에 의해 플라즈마가 분사되는 면적이 커짐으로써 피처리물에 대한 처리영역이 넓어지게 된다.

그리고 6각형 모양의 외부전극(21)은 인접전극들과 서로 접촉되어 전체적으로 하나로 연결되어 있고, 각 단위전극셀(C)의 내부전극(22)은 도 2b에 도시된 바와 같이 하나로 연결된다. 따라서 각 단위전극셀들의 외부전극(21)와 유전체(23) 사이에 형성된 공간으로 가스를 유입시키면서 외부전극(21)과 내부전극(22) 사이에 RF전원을 인가하면 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마를 피처리물측으로 분사하여 표면처리한다.

다중전극 어레이에서 전극으로 사용되는 전도성 물질은 열전도율이 우수하고 높은 부식저항을 갖는 구리(copper), 일루미늄(Aluminium), 스테인리스 스틸(Stainless Steel) 등을 사용하고, 유전체의 물질로는 유리(glass), 알루미나(Alumina), 산화티타늄(titanium oxide), polymeric materials 등 용도에 따라 적합한 유전율을 갖는 물질을 선택한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 다중전극 구조의 제2 실시예를 도시한 도면으로서, 도 2a 및 2b의 구조에서 유전체(23)를 외부전극(21)에 부착한 경우이다. 도 3a는 벌집모양으로 배열된 다중전극 어레이의 평면도이고, 도 3b는 평면도에서 B-B 방향으로 절단한 경우를 도시한 단면도이다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 다중전극 어레이는 6각형 모양의 단위전극셀(C)들이 결합하여 벌집형태로 배치되어 있고, 하나의 단위전극셀(C)은 6각형 관으로 된 외부전극(21)과 관형 전극 내부 중심위치에 봉형으로 된 내부전극(22) 및, 외부전극(21)에 부착된 유전체(23)로 이루어진다. 그리고 외부전극의 유전체(23)와 내부전극(22) 사이에는 공간이 형성되어 플라즈마가 분사될 분사관으로서 기능한다. 이와 같이 구성된 단위전극셀들이 전,후,좌,우로 서로 배열되어 다중 전극 어레이가 형성된다.

도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치의 다양한 다중전극 구조의 예를 도시한 도면으로서, 도 4a는 단위전극셀(C)의 가장 바깥쪽에 형성된 관 전극이 원통형으로 된 경우이고, 도 4 b는 단위전극셀(C)의 가장 바깥쪽에 형성된 관전극이 사각형의 관으로 된 경우이다.

이와 같이 본 발명에 적용되는 단위전극셀(C)의 모양은 6각형 관, 원통형, 4각 관 등 다양한 형태가 가능하고, 내부전극의 모양도 원통형이나 원통형 봉, 철사 혹은 다각형 모양의 봉등 다양한 형태가 가능하다.

도 5a는 본 발명에 따른 플라즈마 처리장치에서 단위전극을 일렬로 배열한 다중 전극 구조의 평면도이다. 도 5a를 참조하면, 원통형 외부전극(21)과 봉형 내부전극(22)에 유전체(23)가 부착되어 형성된 단위전극셀들이 일렬로 나란히 배열되어 있다.

그리고 도 5b는 도 5a와 같이 일렬로 배열된 구조에서 하나의 단위전극셀을 도시한 도면으로서, 특히 외부전극의 통에 구멍(25)을 형성하고 통의 일단 혹은 통의 양단으로 가스를 입력하고 원통형의 전극의 구멍(25)을 통해 플라즈마를 분사한 예이다. 또한 도 5c는 도 5b에서 가스의 입출력 방향을 반대로 한 것으로서, 외부전극 통(21)에 형성된 구멍(25)으로 가스를 입력하고 통의 일단 혹은 양단으로 플라즈마를 분사하는 예이다.

이와 같이 단위 전극셀을 일렬로 연결하여 다중 전극을 형성한 후 가스를 입력하고 플라즈마를 출력하는 입출구 형태를 다양하게 구현할 수 있다.

도 6a 및 6b는 본 발명에 따른 변형예로서, 판형 전극을 이용한 다중전극 어레이의 예이다. 도 6a는 판형전극을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 6b는 도 6a에서 C방향으로 절단한 단면도이다.

도 6a 및 6b를 참조하면, 2개의 판형 전극(61)이 배열되어 단위전극셀(C)을 이루고, 이 단위전극셀(C)들이 모여 다중전극 어레이를 구성한다. 그리고 두 판 전극 사이에 형성된 공간으로 가스가 유입된 후 판 전극(61,62)에 인가된 RF 전원에 의해 플라즈마가 생성되어 피처리물측으로 분사된다. 이 때, 판형 전극의 세부적인 형태를 살펴보면, 도 6b에 도시된 바와 같이 최우측에 있는 판이 제1전극(61)이고, 제1전극(61)의 좌측에 있는 판이 제2전극(62)이며, 반복하여 제1전극(61), 제2전극(62)이 공간을 두고 적층되어 있다. 그리고 각 제2 전극(62)은 유전체(63)가 도포되어 있으며, 유전체(63)가 도포된 제2전극(62)과 제1전극(61) 사이에 형성된 공간을 통해 가스가 유입되어 플라즈마가 생성된 후 분사된다.

그리고 평행한 두 전극성 전도판과 그 사이에 부착된 유전체 막을 기본 단위로 하여 여러개가 적층된 경우, 전기적으로는 교류전원을 사용하거나 음과 양이 교차되어 인가되는 직류 형태도 가능하다.

본 발명의 실시예에서는 제2전극(62)에 유전체를 도포하였으나 앞서 설명한 바와 같이, 제1전극(61)에 유전체를 도포할 수도 있고, 양 전극(61,62)에 모두 유전체를 도포할 수도 있다.

도 7a 내지 7c는 도 6a와 같은 판형 다중전극 어레이에서 단위전극셀의 다른 예를 도시한 도면으로서, 도 7a는 제1전극(61)과 제2전극(62)에 의해 형성된 사각통 공간에 가스를 유입하기기 용이하도록 확장부(73)를 형성하여 선단에 가스 입출구(75)를 내고, 유입된 가스가 분출될 수 있도록 사각통의 일단에는 슬릿(77)을 형성한 구조이다. 도 7b는 도 7a와 같은 형태의 통에 슬릿을 막고 사각형통의 일면에 다수의 구멍(79)을 내어 이 구멍(79)으로 가스를 유입한 후 가스입출구(75)로 플라즈마를 분사하는 구조이다. 도 7c는 7b와 동일한 구조로 이루어지나 가스의 유입방향이 반대인 경우이다. 즉, 도 7c에서는 연장부의 가스입출구(75)로 가스를 유입하고, 통형에 형성된 구멍(79)을 통해 플라즈마를 피처리물측으로 분사하는 구조이다.

이와 같이 본 발명의 실시예에서 가스를 유입하고 플라즈마를 분사하는 관의 구조는 매우 다양한 형태로 구현될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 판형 다중전극에서 제2전극(62)이 함몰된 구조를 도시한 도면이다.

통상적으로, 제1전극(혹은 외부전극)과 제2전극(혹은 내부전극) 사이에 유전체가 도포되어 전극 사이에 이상방전이 일어나는 것을 방지하도록 되어 있으나 내부전극과 외부전극이 동일한 높이로 되어 있으면 두 전극 사이에 이상방전이 일어나는 경우가 자주 있다. 이와 같이 두 전극 사이에서 이상방전이 일어나는 것을 방지하기 위하여 도 8의 실시예에서는 유전체가 도포된 외부전극의 길이보다 내부전극의 길이를 짧게 하여 내부전극이 함몰된 구조로 되어 있다. 이와 같이 내부전극의 길이를 외부전극의 길이보다 짧게 함으로써 양 전극의 끝단에서 이상방전이 발생되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 다중전극 구조에서 플라즈마를 생성하기 위한 가스로는 표면처리의 목적에 따라 다양한 기체를 사용할 수 있으며, 방전이 어렵거나 강한 방전이 요구될 경우 단위전극 내의 유전체를 사이에 둔 전도성 전극간의 간격을 조절함으로써 원하는 방전을 일으켜서 플라즈마를 생성시킬 수 있다. 그리고 다중전극 배열과 피처리물과의 간격은 분사되는 플라즈마의 강도와 피처리물의 재질특성에 따라 달라진다. 분사되는 플라즈마의 강도는 일반적으로 인가되는 전력의 전압, 주파수 등의 인자와 전극 간격, 그리고 유입되는 기체의 종류, 그리고 유속에 따라 달라진다. 전압이나 교류전원의 주파수가 높거나 기체의 유속이 빠르면, 일반적으로 분사되는 플라즈마의 강도가 강해지므로, 피처리물과 다중 전극배열의 간격이 멀어지게 된다. 또한, 재질(rubber, polymer, glass, metal, ceramic)의 열적, 전기적 특성과 플라즈마가 되어 분사된 기체와의 화학적 특성에 따라서도 영향을 받는다. 분사되는 플라즈마는 기체의 유속에 따라 움직이므로, 피처리물 위치에 대한 제약은 없으나 일반적으로 다중 배열전극의 아래에 샘플 홀더가 놓여진다. 이 때, 처리될 Si 웨이퍼, 그래스 패널등의 피처리물들이 직진 왕복운동 또는 회전운동 등을 하게 되면, 처리속도나 표면처리의 군일성을 더욱 향상시킬 수 있으며, 가스의 전체 유속을 제어함으로써 표면의 유기불순물(organic imputrity)의 화학적 제거뿐만 아니라 입자 등의 물리적 제거도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 표면처리장치는 플라즈마가 각 단위전극셀에서 형성되어 외부로 분사되는 형태이므로, 복잡한 형상에 대한 표면처리가 가능하다. 특히, 단위전극셀들이 모여 형성된 다중 전극 어레이에 의해 처리영역이 넓어지므로 대형 피처리물에 대해서 용이하게 표면처리할 수 있고, 플라즈마가 각 단위전극에서 형성되어 외부로 분사되는 형태이므로 유전체에 부착된 전도성 전극간의 아크, 스트리머 등의 이상방전에 의해 피처리물이 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 종래의 평판형 방전장치로는 플라즈마 형성이 어려운 기체의 경우에도 충분히 강한 전압을 인가하여 방전시킬 수 있으므로 높은 부가가치의 표면처리가 가능하고, 공기 등의 저렴한 기체의 사용이 가능하므로 경제성이 높아진다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 두 전극의 구조가 적어도 2개 이상의 단위전극셀들이 모인 다중전극 어레이로 구성되어 있고, 상기 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 대형 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

   상기 단위전극셀은,

   봉형의 내부전극과, 상기 내부전극을 포함하는 다각형 관의 외부전극으로 이루어져,

   상기 내부전극과 상기 외부전극 사이에 공간이 형성되어 관을 이루고, 이 관의 일단에 가스가 유입되어 플라즈마가 형성된 후 타단을 통해 외부로 분사되며, 상기 내부전극이나 상기 외부전극 중 어느 한 전극에는 유전체가 도포된 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
3. 두 전극의 구조가 적어도 2개 이상의 단위전극셀들이 모인 다중전극 어레이로 구성되어 있고, 상기 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 대형 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

   상기 단위전극셀은,

   봉형의 내부전극과 상기 내부전극을 포함하는 원통형의 외부전극으로 이루어져,

   상기 내부전극과 상기 외부전극 사이에 공간이 형성되고, 이 공간에 가스가 유입되어 플라즈마가 형성된 후 외부로 분사되며, 상기 내부전극이나 상기 외부전극 중 어느 한 전극에는 유전체가 도포된 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 다중전극 어레이는 상기 단위전극셀들이 일렬로 배열된 형태인 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 단위전극셀의 내부전극이 와이어형인 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 단위전극셀의 외부관에 구멍이 형성되고 상기 관의 일단 혹은 상기 관의 양단으로 가스가 유입되어 상기 외부관에 형성된 상기 구멍으로 플라즈마를 분사하거나 상기 외부관에 형성된 상기 구멍으로 가스를 유입하여 관의 일단 혹은 양단으로 플라즈마를 분사하는 구조인 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 단위전극의 상기 내부전극이 상기 외부전극보다 짧게 함몰되어 이상 방전을 방지하도록 된 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
8. 두 전극의 구조가 적어도 2개 이상의 단위전극셀들이 모인 다중전극 어레이로 구성되어 있고, 상기 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 대형 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

   상기 단위전극셀의 두 전극이 판형으로 구성되고, 두 판형 사이에 공간이 형성되어 관을 이루되 상기 두 판형 전극중 어느 한 전극 면에는 유전체가 도포된 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 두 판형 전극 사이에 공간이 형성되어 관을 연장하되 테이핑을 주어 관의 일단에 좁은 구를 형성하고, 관의 타단에는 슬릿을 형성하여 상기 좁은 구로 가스를 유입한 후 슬릿으로 플라즈마를 분사하도록 된 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.
10. 제8항에 있어서, 상기 두 판형 전극 사이에 공간이 형성되어 관을 연장하되 테이핑을 주어 관의 일단에 좁은 구를 형성하고, 관의 타단은 밀봉함과 아울러 관의 평면에 다수의 구멍을 뚫어 상기 좁은 구로 가스를 유입한 후 상기 구멍으로 플라즈마를 분사하거나 상기 구멍으로 가스를 유입한 후 상기 좁은 구로 플라즈마를 분사하도록 된 것을 특징으로 하는 다중전극 배열을 이용한 플라즈마 표면처리장치.