KR100459847B1 - 플라즈마 표면처리장치의 전극구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면처리를 위한 플라즈마 방전장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 방전장치의 전극구조에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 장치는, 관형태의 외부전극과 내부전극 사이에 유전체로 된 분사관이 있고, 상기 두 전극 사이에 반응가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 내부전극이 코일형태로 이루어지거나 망이 감긴 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 따르면 플라즈마 표면 처리장치의 전극구조를 코일형이나 망형으로 함로써 전기장에 의해 플라즈마의 분사거리를 향상시킬 수 있고, 2차 전자의 발생량을 증가시켜 플라즈마의 생성을 보다 용이하게 할 수 있다.

Description

플라즈마 표면처리장치의 전극구조 { Electrode structure of plasma surface treatment apparatus }

본 발명은 표면처리를 위한 플라즈마 방전장치에 관한 것으로, 특히 플라즈마 방전장치의 전극구조에 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 같이 활성족(플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다.

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.

한편, 도 2는 종래 상압 플라즈마 처리장치에서 원통형 전극의 예를 도시한 것으로서, (가)는 측단면도이고, (나)는 평면도이다.

도 2를 참조하면, 원통형 관의 중심에는 전도성을 갖는 원통형 봉으로 된 내부전극(23)이 있고, 이 내부전극(23)을 중심으로 서로 직경이 다른 2개의 원통형관이 위치한다. 이 때, 제일 바깥쪽에 위치한 원통형 관은 전도성 물질로된 외부전극(21)이고, 내부전극(23)과 외부전극(21) 사이에 위치한 원통형의 유전체관이 분사관(22)이다.

그런데 이와 같은 종래의 유전막 상압방전 장치는 유전체관 내부의 플라즈마 밀도가 약하게 형성되어 반응활성종 및 이온, 전자 등이 외부로 효과적으로 분사되지 못하며 인체에 유해한 오존이 다량으로 발생하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 다음 수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이 전극에 인가되는 전압을 높이거나 내부전극과 외부전극간의 간격을 좁히는 방법을 사용해야 하나 전압을 높이는 것은 전력의 소모가 커지므로 경제적이지 못하고 대용량 처리를 위한 장비의 제조시에 실제로 구현하기가 어렵다. 또한, 전극 간의 간격을 줄이는 방법은 높은 전류에 의한 전극 손상과 고열을 수반하는 아크로의 전이가 일어나기 쉬운 단점으로 인하여 바람직하지 못하다. 따라서 종래기술에 의한 유전막 상압방전 분사장치는 효과적인 플라즈마의 분사가 어려우며, 분사되는 플라즈마내의 반응 활성종의 농도 또한 낮아 실제로 사용되기 어려운 문제점이 있다.

상기 수학식 1에서, V는 생성되는 전기장이고, a는 두 전극 사이의 거리이며, U는 인가전압을 나타낸다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 원통형 전극에서 내부 전극의 구조를 코일형으로 함으로써 분사거리를 향상시킬 수 있는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 원통형 전극에서 내부전극의 구조를 그물형으로 함으로써 분사거리를 향상시킬 수 있는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 상압 플라즈마 장치를 도시한 개략도,

도 2는 종래 상압 플라즈마 장치에서 원통형 전극을 도시한 개략도,

도 3은 본 발명에 따른 상압 플라즈마장치의 코일형 전극을 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 따른 상압 플라즈마장치의 망형 전극을 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 코일형 전극에서 코일턴 수와 2차 전자 발생량과의 관계를 도시한 그래프,

도 6~도 8은 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위하여 도시한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

31,51: 외부전극 32,52: 분사관

33,53: 내부전극

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 관형태의 외부전극과 내부전극 사이에 유전체로 된 분사관이 있고, 상기 두 전극 사이에 반응가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 외부전극은 관형태로 형성되고, 상기 내부전극은 코일형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 관형태의 외부전극과 내부전극 사이에 유전체로 된 분사관이 있고, 상기 두 전극 사이에 반응가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 외부전극은 관형태로 형성되는 한편, 상기 내부전극은 그물형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.

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

도 3은 본 발명에 따른 상압 플라즈마장치의 코일형 전극을 도시한 도면으로서, (가)는 측단면도이고, (나)는 평면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 상압 플라즈마장치의 전극구조는 가장 빠깥쪽에 형성되는 관형태의 외부전극(31)과 외부전극(31)의 내측에 설치되는 분사관(32), 그리고 분사관(32) 안에 코일형으로 감겨 설치되는 내부전극(33)으로 이루어져 있다. 이 때, 분사관(32)은 외부전극(31)에 도포되거나 접촉되어 반응가스가 분사관(32) 안으로 흐르게 되어 있는 유전체관이고, 분사관(32)의 길이가 외부전극(31)이나 내부전극(33)보다 길어 두 전극 사이에 아크방전이 일어나는 것을 방지하도록 되어 있다. 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 내부전극(33)과 외부전극(31) 사이에는 소정 주파수 범위의 교류전원이 연결되어 있고, 분사관(32) 안으로 반응가스가 주입되면서 교류전원이 인가되면 방전에 의해 플라즈마가 생성된다.

특히, 본 발명에 따른 전극구조는 분사거리와 플라즈마의 방전 효율을 증대시키기 위하여 분사관(32) 안쪽에 있는 내부전극(33)이 코일형태로 되어 있으므로, 분사관(32) 내에서 생성되는 플라즈마는 코일형태의 내부전극(33)에 의해 생성된 전기장에 의해 관의 중심쪽으로 확산되어 관중앙 부분에 고밀도 플라즈마가 형성되고, 반응가스의 흐름에 의해 외부로 분사되게 된다.

도 3에서 외부전극(31)은 그 모양이 원통형이나 다각형 등 다양한 형태의 관으로 이루어질 수 있으며, 재질로는 전도성 물질로 내식성이 강한 알루미늄, 타이타늄, 니켈, 크롬, 구리, 텅스텐, 백금과 합금을 사용한다.

분사관(32)은 그 모양이 원통형이나 다각형 등 다양한 형태의 관으로 이루어질 수 있으며, 재질로는 MgO, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂등의 산화물 계열의 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마를 원하는 곳까지 분사하기 위해서는 공급되는 반응가스의 종류 및 유량에 따라 분사관의 내부 직경을 0.5~100mm, 두께는 약 20mm 이내 등으로 다양하게 구현할 수 있다. 반응가스로는 표면처리 방식 예컨대, 표면개질(surface modification)이냐 Si에칭이냐, 포토레지스트 에칭이냐, 살균, 필름 증착이냐에 따라 N₂, O₂, H₂O, Ar, He, CO₂, CO, H₂, NH₃, CF₄, Air, CH₄, C₂H₆등 다양하게 혼합하여 사용할 수 있다.

분사관(32) 안쪽의 내부전극(33)은 그 모양이 코일형태로 감겨 있으며, 그 재질로는 방전이 쉽게 일어나도록 금속표면에서 2차전자의 방출이 많은 백금(Pt)이나 텅스텐(W), 은(Ag) 등을 사용한다. 이와 같은 내부전극(33)은 코일 내부에 봉을 장입한 형태의 전극으로도 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 전극구조에서 유전체로 된 분사관(32)의 내부에 있는 내부전극(33)은 코일형태로 되어 있으므로, 코일형태의 외측과 유전체 사이에 형성된 공간(A)에서는 외부전극(31)과의 간격이 아주 좁으므로 극히 높은 전기장이 형성되어 높은 밀도를 가진 플라즈마가 형성되고, 화살표로 표시된 바와 같이 분사관(32)의 중앙부로 확산된다.

통상, 전극간격이 좁으면 온도가 높아지는 문제점이 있으나 본 발명의 구조에서는 코일형태의 내부전극(33)과 유전체로 된 분사관(32)이 맞닿는 부위(A)의 일부만 가열이 되며, 분사관(32)의 가운데를 통과하는 기체(반응가스)에 의해서 냉각이 되므로 전체적으로 온도가 올라가지 않는다.

한편, 반응가스를 방전시켜서 반응 활성종(radical)의 밀도가 높은 우수한 특성의 플라즈마를 얻기 위해서는 외부 에너지에 의해서 금속표면에서 방출되는 2차 전자의 역할이 중요하다.

본 발명에서는 내부전극(33)이 코일형태로 감겨서 분사관(32) 내에 장착되므로 종래의 선형 와이어(봉전극)에 비해 수 내지 수십 배가 긴 와이어가 내부전극으로 장착되므로 이러한 2차 전자의 방출량이 극히 많아져서 방전의 안정성과 효율이 높아진다. 이와 같이 코일형태의 전극에서 코일턴 수와 2차 전자 발생량과의 관계는 도 4에 도시된 그래프와 같다.

도 4에 도시된 좌표에서 횡축은 코일 턴(Coil Turn) 수를 나타내고, 종축은 2차 전자 발생량을 나타내며, 점선 그래프(G1)은 봉형전극의 특성을, 실선 그래프(G2)는 코일형 전극의 특성을 나타낸다. 도 4의 그래프를 살펴보면, 봉전극에서 발생되는 2차 전자의 량은 일정하나 코일형 전극에서 발생되는 2차 전자의 량은 코일턴수에 비례하여 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 이러한 효과는 코일 내부에 와이어 형태의 전극을 추가하거나 코일 외에 망을 장착한 경우에도 동일한 효과가 있으며, 코일과 망에 제한되지 않고 동일한 원리를 가진 다양한 변형예들이 가능하다.

이와 같은 상태에서 플라즈마 방전을 위한 반응가스를 분사관(32)을 통하여 0.01~100ℓ/min, 좀더 양호하게는 0.05 ~10 ℓ/min의 유량으로 흘러 보낸다. 두 전극 사이의 전원으로는 교류를 사용하며 전원 주파수는 10~ 수GHz를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 1KHz ~수십MHz를 사용한다.

가스관(미도시)을 통해 분사관(32) 내로 유입된 반응가스는 분사관(32) 내에서 방전되고, 이 방전에 의해 생성된 플라즈마는 분사관(32)을 통해 대기중으로 분사되어 표면처리 등에 사용된다.

도 5는 본 발명에 따른 상압 플라즈마 장치의 그물형 전극을 도시한 도면으로서, (가)는 측단면도를 나타내고 (나)는 평면도를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 상압 플라즈마장치의 망형 전극(53)은 가장 빠깥쪽에 형성되는 원통형 혹은 다각형 관타입의 외부전극(51)과 외부전극(51)의 내측에 설치되는 원통형 혹은 다각형의 분사관(52), 그리고 분사관(52) 안에 망이 감겨진 형태로 이루어진 내부전극(53)으로 이루어진다. 이 때, 분사관(52)은 유전체로 되어 있고 외부전극(51)과 접촉되어 반응가스가 분사관(52) 안으로 흐르게 되어 있으며, 분사관(52)의 길이가 외부전극(51)이나 내부전극(53)보다 길어 두 전극 사이에 아크방전이 일어나는 것을 방지하도록 되어 있다. 그리고 도면에는 도시되지 않았으나 내부전극(53)과 외부전극(51) 사이에는 교류전원이 연결되어 있고, 분사관(52) 안으로 반응가스가 주입되면서 교류전원이 인가되면 방전에 의해 플라즈마가 생성된다.

본 발명에 따르면 분사거리와 플라즈마의 방전 효율을 증대시키기 위하여 분사관 안쪽의 내부전극(53)이 망이 감긴 형태로 되어 있으므로 내부전극에서 발생되는 2차 전자의 량이 많아 낮은 전압에서 고밀도 플라즈마가 형성되고, 반응가스의 흐름에 의해 외부로 분사되게 된다.

도 5를 참조하면, 외부전극(51)은 그 모양이 원통형이나 다각형 등 다양한 형태의 관으로 이루어질 수 있으며, 재질로는 전도성 물질로 내식성이 강한 알루미늄, 타이타늄, 니켈, 크롬, 구리, 텅스텐, 백금과 합금을 사용한다.

분사관(52)은 그 모양이 원통형이나 다각형 등 다양한 형태의 관으로 이루어질 수 있으며, 재질로는 MgO, Al₂O₃, TiO₂, SiO₂등의 산화물 계열의 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 플라즈마를 원하는 곳까지 분사하기 위해서는 공급되는 반응가스의 종류 및 유량에 따라 분사관의 내부 직경을 0.5~100mm, 두께는 약 20mm 이내 등으로 다양하게 구현할 수 있다. 반응가스로는 표면처리 방식 예컨대, 표면개질(surface modification)이냐 Si에칭이냐, 포토레지스트 에칭이냐, 살균, 필름 증착이냐에 따라 N₂, O₂, H₂O, Ar, He, CO₂, CO, H₂, NH₃, CF₄, Air, CH₄, C₂H₆등 다양하게 혼합하여 사용할 수 있다.

내부전극(53)은 그 모양이 망이 감긴 형태로 되어 있으며, 그 재질로는 방전이 쉽게 일어나도록 금속표면에서 2차 전자의 방출이 많은 백금(Pt)이나 텅스텐(W), 은(Ag) 등을 사용한다.

도 6은 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위하여 종래기술에 의한 분사거리와 본 발명에 따른 분사거리를 도시한 도면으로서, 도 6a는 종래기술에 의한 분사거리이고, 도 6b는 본 발명에 따른 분사거리이다.

도 6에서, 종래기술에 의한 분사거리와 본 발명에 따른 분사거리를 비교해 보면 본 발명에 따른 분사거리가 향상된 것을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위하여 도시한 도면으로서, (가)는 미처리 샘플의 확대도면이고, (나)는 본 발명에 따라 표면 처리한 경우의 확대도면이다.

도 7을 참조하면, 미처리시의 샘플의 접촉각도는 약 97°로서 돌출된 모양이나 본 발명에 따라 표면처리된 샘플의 접촉각도는 약 15°로서 접촉성이 개선된 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위하여 도시한 도면으로서, (가)는 종래기술에 의한 플라즈마 분사를 나타내고, (나)는 본 발명에 따른 플라즈마분사를 나타낸다.

도 8을 참조하면, 종래의 전극구조에서는 내부의 봉전극(23)에 의해 플라즈마가 분사되지 않은 영역(B)이 형성되나 본 발명에 따른 코일형 전극(33) 구조에서는 이 영역(B)이 없어져 플라즈마 분사 영역이 확장된 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 플라즈마 표면 처리장치의 전극구조를 코일형이나 망형으로 함로써 전기장에 의해 플라즈마의 분사거리를 향상시킬 수 있고 2차 전자의 발생량을 증가시켜 플라즈마의 생성을 보다 용이하게 할 수 있다.

Claims (5)

1. (정정) 외부전극과 내부전극 사이에 유전체로 된 분사관이 있고, 상기 두 전극 사이에 반응가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

   상기 외부전극은 관형태로 형성되는 한편, 상기 내부전극은 코일형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일형태의 내부전극에 봉형태의 전극을 더 구비한 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조.
3. (정정) 외부전극과 내부전극 사이에 유전체로 된 분사관이 있고, 상기 두 전극 사이에 반응가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마를 피처리물에 분사하여 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 처리장치에 있어서,

   상기 외부전극은 관형태로 형성되는 한편, 상기 내부전극은 망이 감긴 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조.
4. (정정) 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 분사관은 원형관, 삼각형관, 사각형관 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전극구조가 다중으로 배열된 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리장치의 전극구조.