KR100500360B1

KR100500360B1 - High efficient-atmospheric microwave plasma system

Info

Publication number: KR100500360B1
Application number: KR10-2002-0004606A
Authority: KR
Inventors: 홍정미; 김상영; 이근호
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2002-01-26
Publication date: 2005-07-12
Also published as: KR20030064125A

Abstract

본 발명은 이중 공진기를 이용하여 에너지 전달 효율을 높인 고효율의 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a high-efficiency atmospheric microwave plasma system having a high energy transfer efficiency using a dual resonator.

이러한 본 발명의 시스템은 마이크로웨이브를 발생하기 위한 마이크로웨이브 발생부와, 상기 마이크로웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 반응부를 구비한 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 있어서, 상기 플라즈마 반응부가 상기 반응가스가 통과되는 유전체로 된 플라즈마 반응관과, 공진기 튜너가 이중의 공진기 구조내에 포함되어 공진모드와 주파수를 최적화할 수 있도록 구성된다.The system of the present invention is a microwave plasma system including a microwave generating unit for generating a microwave and a plasma reaction unit for generating a plasma from a reaction gas by receiving the microwave, wherein the plasma reaction unit is the reaction A plasma reaction tube made of a dielectric material through which gas passes and a resonator tuner are included in the dual resonator structure to optimize the resonance mode and frequency.

따라서, 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마시스템은 에너지 결합효율이 높은 이중 공진기형이면서, 공진기 내의 튜너를 통해 다양한 공정변수에서도 안정하게 유지되는 상압 플라즈마 방전을 얻을 수 있으므로 기존의 저압시스템을 활용한 경우보다 고밀도 중성 활성종을 얻을 수 있어 효율을 높이고 이에 따라 처리속도를 높일 수 있다.Therefore, the microwave plasma system of the present invention is a dual resonator type with high energy coupling efficiency, and can obtain a atmospheric pressure plasma discharge that is stably maintained under various process variables through a tuner in the resonator. Neutral active species can be obtained to increase the efficiency and thus the processing speed.

Description

High efficient-atmospheric microwave plasma system

본 발명은 상압 플라즈마시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이중 공진기를 이용하여 에너지 전달 효율을 높인 고효율의 상압 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an atmospheric pressure plasma system, and more particularly, to a high-efficiency atmospheric microwave plasma system having a high energy transfer efficiency by using a dual resonator.

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 활성종(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성종은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성종(플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다. In general, plasma refers to an ionized gas state composed of ions, electrons, radicals, and the like, which is generated by a very high temperature, a strong electric field, or an RF electromagnetic field. Particularly, plasma generation by glow discharge is performed by free electrons excited by direct current (DC) or high frequency electric field (RF). The excited free electrons collide with gas molecules to generate active species such as ions, radicals, and electrons. active species). And such active species physically or chemically act on the surface of the material to change the surface properties. In this way, intentionally changing the surface properties of the material by the active species (plasma) is called 'surface treatment'.

플라즈마를 일으키는 대표적인 방법으로서 상온/상압(760torr)에서 유전막을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 유전 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge)과 마이크로웨이브를 이용한 마이크로웨이브 플라즈마시스템을 들 수 있다. Representative methods for generating a plasma include a dielectric barrier discharge (Dielectric Barrier Discharge) for generating a plasma using a dielectric film at room temperature / atmospheric pressure (760torr) and a microwave plasma system using a microwave.

마이크로웨이브 플라즈마시스템인 종래의 마이크로웨이브 토치(torch)는 도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로웨이브 공급원인 마그네트론(104)과, 마그네트론(104)에 인가되는 전압의 크기를 조절하여 마그네트론(104)의 출력을 제어하는 제어기(106), 마그네트론(104)에 요구되는 고전압을 발생하는 전원부(102), 마그네트론(104)에서 발생되어 도파관을 통해 전파되는 마이크로웨이브의 반사로부터 마그네트론(104)을 보호하기 위한 분리기(isolator: 108), 입사방향과 반사방향의 출력을 감지할 수 있는 방향성 결합기(directional coupler: 110), 임피던스 정합(impedence matching)을 위한 3중 막대 튜너(3-stub tuner: 112), 도파관(waveguide)에 여기되는 TE01 모드의 전기장 세기를 증가시켜 주는 높이가 연속적으로 가늘어지는 형태의 연결 도파관(tapered waveguide: 114), 플라즈마 방전영역이 포함된 구멍뚫린 도파관(116), 석영관(118), 가스공급장치(미도시), 점화전극(igniter)(120) 등으로 구성된다.As shown in FIG. 1, a conventional microwave torch, which is a microwave plasma system, adjusts the magnitude of the voltage applied to the magnetron 104 and the magnetron 104 as a microwave source. A controller 106 for controlling the output, a power supply 102 for generating the high voltage required for the magnetron 104, for protecting the magnetron 104 from reflection of microwaves generated in the magnetron 104 and propagating through the waveguide. Isolator 108, directional coupler 110 capable of detecting outputs of incidence and reflection directions, 3-stub tuner 112 for impedance matching, waveguide The tapered waveguide 114, a tapered continuous waveguide that increases the electric field strength of the TE01 mode excited by the waveguide, It includes a perforated waveguide 116, a quartz tube 118, a gas supply device (not shown), an igniter (120) and the like.

그런데 이와 같이 상압에서 동작이 가능한 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템은 대부분 공진구조(resonant structure)가 아닌 간단한 토치(torch) 형태를 사용해 왔으나 이러한 토치형태는 플라즈마 불꽃이 매우 적은 면적에 한정되는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 공진구조(resonant structure)를 채택한 경우에는 공진기 치수나 공진기내 포함되는 구조물, 및 매질의 변화에 따라 매우 민감하게 방전특성이 영향을 받는 문제점이 있다. 즉, 압력이나 온도가 변하거나 마이크로웨이브의 출력에 따라 마그네트론의 발진 주파수에 요동이 있을 때, 여러가지 플라즈마 변수들이 달라져 안정한 동작점에서 벗어나게 되므로, 넓은 압력범위와 다양한 공정조건에 적용하기 어려운 문제점이 있다. By the way, the conventional microwave plasma system that can operate at normal pressure has been using a simple torch (torch) form, rather than a resonant structure, but such a torch type has a problem that the plasma flame is limited to a very small area. In order to overcome this problem, when a resonant structure is adopted, there is a problem in that discharge characteristics are very sensitively affected by changes in resonator dimensions, structures included in the resonator, and a medium. In other words, when the oscillation frequency of the magnetron changes depending on the pressure or temperature or the output of the microwave, various plasma parameters are changed to escape the stable operating point, which makes it difficult to apply to a wide pressure range and various process conditions. .

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이중 공진기 구조를 갖고 공진기 튜너(tuner)를 반응기내에 포함시킴으로써 공정조건에 적응(adaptive) 가능하여 보다 안정적인 플라즈마를 형성할 수 있는 고효율 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. In order to solve the above problems, the present invention provides a high-efficiency atmospheric pressure microwave plasma system having a double resonator structure and including a resonator tuner in a reactor, which can be adapted to process conditions to form a more stable plasma. The purpose is to provide.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시스템은, 마이크로웨이브를 발생하기 위한 마이크로웨이브 발생부와, 상기 마이크로웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하기 위한 플라즈마 반응부를 구비한 마이크로웨이브 플라즈마시스템에 있어서, 상기 플라즈마 반응부가 상기 반응가스가 통과되는 유전체로 된 플라즈마 반응관과, 공진기 튜너가 이중의 공진기 구조내에 포함되어 공진모드와 주파수를 최적화할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the system of the present invention, in the microwave plasma system having a microwave generating unit for generating a microwave, and a plasma reaction unit for generating a plasma from the reaction gas by receiving the microwave The plasma reactor may include a plasma reaction tube made of a dielectric material through which the reaction gas passes, and a resonator tuner included in a dual resonator structure to optimize a resonance mode and a frequency.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 크게 마이크로웨이브 발생부, 분리기(isolator:208), 방향성 결합기(directional coupler:210), 3중 막대튜너(212), 플라즈마 반응부(220), 연속공정을 위한 자동 이송시스템(230)으로 구성된다. As shown in FIG. 2, the atmospheric pressure microwave plasma system according to the present invention includes a microwave generator, an separator (208), a directional coupler (210), a triple bar tuner (212), and a plasma reaction. The unit 220 is composed of an automatic transfer system 230 for a continuous process.

마이크로웨이브 발생부는 플라즈마의 에너지원인 2.45 GHz 대역의 마이크로웨이브를 발진시켜주는 마그네트론(magnetron: 204)과, 마그네트론(204)의 출력을 제어하는 제어기(controller)(206), 마그네트론(204)에 전력을 공급하기 위한 전원부(high voltage power supply: 202)로 이루어져 2.45 GHz 대역의 마이크로웨이브를 발진한다. 이 때, 마이크로웨이브 발생원으로서 마그네트론(204)외에 파장 가변이 가능한 클라이스트론(Klystron)을 사용할 수도 있고, 응용 용도에 따라 다른 마이크로웨이브 주파수 영역의 에너지원을 모두 사용할 수 있다. 그리고 마이크로웨이브 신호의 형태를 펄스로 할 것인지 혹은 연속출력으로 할 것인지의 여부도 목적에 따라 구분하여 선택할 수 있다. The microwave generating unit supplies power to the magnetron 204 for oscillating microwaves in the 2.45 GHz band, which is the energy source of the plasma, and the controller 206 and the magnetron 204 for controlling the output of the magnetron 204. It consists of a high voltage power supply (202) to supply the oscillation of microwaves in the 2.45 GHz band. In this case, as the microwave generation source, Klystron which can change the wavelength in addition to the magnetron 204 may be used, and all energy sources in other microwave frequency regions may be used according to the application. In addition, the type of microwave signal can be selected according to the purpose, whether it is a pulse or continuous output.

분리기(208)는 반사된 마이크로웨이브가 마이크로웨이브 발생부로 되돌아 들어가 마그네트론(204)을 손상 입히지 않도록 보호하는 역할을 하고, 방향성 결합기(210)는 순방향과 역방향으로 진행하는 마이크로웨이브의 세기 정도를 감지하기 위한 장치이며, 이러한 구성은 기존의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템에서도 기본적으로 사용되므로 더 이상의 자세한 설명은 생략한다.The separator 208 serves to protect the reflected microwaves from returning to the microwave generator to damage the magnetron 204, and the directional coupler 210 detects the strength of the microwave traveling in the forward and reverse directions. This configuration is basically used in the existing microwave plasma system, so further description thereof will be omitted.

본 발명에서 구분되는 구성상의 특징은 도 2에 도시된 바와 같이, 플라즈마 반응부(220)가 결합효율이 높은 이중의 공진기(hybrid type resonator)(221,222)로 되어 있고, 공진기 내에 적절한 형태의 공진기 튜너(224)를 위치시켜 매질이나 마이크로웨이브 발생원의 조건이 변화할 때 생기는 여러가지 공진특성 변화에도 잘 정합시킬 수 있도록 된 것이다. 따라서 본 발명에 따르면, 수십 mtorr의 저압에서 상압(1기압)에 이르기까지 넓은 압력범위에서 안정적인 플라즈마 발생이 가능하다. 그리고 플라즈마 반응관(223)은 설계시 선택된 모드를 유지하고, 마이크로웨이브가 잘 투과하도록 유전체를 사용하며, 고유의 유전상수(relative dielectric constant)와 온도특성 등을 설계변수로 고려하여 용도에 따라 임의로 선택이 가능하다. 이 때, 플라즈마 반응관(223)의 재질로는 유전상수가 너무 크면 유전체 내부에 저장되는 에너지가 커지므로 2 이상 10 미만에서 유전상수를 갖고, 녹는 점이 높아(예컨대, 600도) 플라즈마 공정온도인 수백도에서도 변형이 없는 소재를 선택한다.As illustrated in FIG. 2, the structural features distinguished by the present invention include a plasma type reactor 220 having dual coupling resonators 221 and 222 having high coupling efficiency, and a suitable type of resonator tuner in the resonator. The position 224 can be well matched to various resonance characteristic changes that occur when the conditions of the medium or microwave source change. Therefore, according to the present invention, stable plasma generation is possible in a wide pressure range from low pressure of several tens of mtorr to normal pressure (1 atm). In addition, the plasma reaction tube 223 maintains the selected mode during design, uses a dielectric to transmit microwaves well, and considers the relative dielectric constant and temperature characteristics as design variables. You can choose. At this time, if the dielectric constant is too large as the material of the plasma reaction tube 223, the energy stored in the dielectric becomes large, so that the dielectric constant is 2 or more and less than 10, and the melting point is high (for example, 600 degrees). Choose materials that do not deform even at hundreds of degrees.

도 2를 참조하면, 상용화된 마이크로웨이브 발생원(예컨대, 마그네트론이나 클라이스트론)으로부터 발진된 마이크로웨이브(일반적으로 사용되는 2.45 GHz 대역외에 수백 MHz ~ 수십 GHz에 이르는 넓은 영역의 마이크로웨이브 주파수 대역을 포함한다)가 도파관(waveguide)을 따라 진행하여 플라즈마 반응관(223)이 포함된 마이크로웨이브 공진기(221,222)에 전달됨으로써 플라즈마 방전을 생성하게 된다. 이러한 마이크로웨이브의 도파관내 진행경로에는 분리기(208), 방향성 결합기(210), 임피던스 정합을 위한 3중 막대 튜너(212)가 있다. 여기서, 분리기(208)는 반응기(220)로부터 마이크로웨이브가 반사되어 돌아 올 때, 마그네트론(204)을 보호하는 역할을 한다. 방향성 결합기(210)는 튜너(212)로 진행하는 방향과 반사되는 방향의 마이크로웨이브 세기를 감지하기 위한 장치로 공정변수에 변화가 있을 때, 반사파의 출력이 최소화되는 방향으로 임피던스 정합을 하는데 필수적이다. 3중 막대 튜너(212)는 튜너의 임피던스를 마이크로웨이브 발생원에 정합시켜 최대한의 마이크로웨이브 출력이 플라즈마 반응부(220) 내로 전달되게 튜닝하는 역할을 한다. 3중 막대튜너(212)를 대신하여 고출력 마이크웨이브 시스템에서는 흔히 E-H 튜너 등 다른 형태의 튜너를 사용할 수도 있다.Referring to FIG. 2, microwaves oscillated from commercially available microwave sources (eg, magnetrons or klystrons), including microwave bands ranging from several hundred MHz to several tens of GHz, in addition to the commonly used 2.45 GHz band. Is propagated along the waveguide and delivered to the microwave resonators 221 and 222 including the plasma reaction tube 223 to generate plasma discharge. The waveguide propagation path of the microwave includes a separator 208, a directional coupler 210, and a triple bar tuner 212 for impedance matching. Here, the separator 208 serves to protect the magnetron 204 when the microwave is reflected back from the reactor 220. Directional coupler 210 is a device for sensing the microwave strength in the direction of the tuner 212 and the reflected direction is essential for impedance matching in the direction of minimizing the output of the reflected wave when the process variable changes. . The triple bar tuner 212 serves to tune the impedance of the tuner to the microwave generator so that the maximum microwave output is delivered into the plasma reactor 220. In place of the triple bar tuner 212, other types of tuners, such as the E-H tuner, are often used in high-power microwave systems.

도 2에 도시된 플라즈마 반응부(220)는 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222), 플라즈마 반응관(223), 공진기 튜너(224)로 이루어지는데, 공진기 튜너(224)의 위치나 형태, 1차 공진기(221)로부터 2차 공진기(222)로의 에너지 전달을 위한 구멍 또는 안테나의 위치나 방식에 따라 여러가지 모드를 여기시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 플라즈마 반응부(220)의 공진기 튜너(224)가 반응관(223)안에 포함되는 제1 실시예와 공진기 튜너(224)가 2차 공진기(222)와 반응관(223) 사이에 위치하는 제2 실시예로 구분하여 설명하기로 한다.The plasma reactor 220 illustrated in FIG. 2 includes a primary resonator 221, a secondary resonator 222, a plasma reaction tube 223, and a resonator tuner 224. Various modes can be excited depending on the shape, location or method of the hole or antenna for energy transfer from the primary resonator 221 to the secondary resonator 222. In the embodiment of the present invention, the first embodiment in which the resonator tuner 224 of the plasma reactor 220 is included in the reaction tube 223 and the resonator tuner 224 may include the secondary resonator 222 and the reaction tube 223. The description will be made separately according to the second embodiment located in between.

반응관(223)은 석영(quartz)이나 사파이어(sapphire) 등 고온에서 잘 견디고 투명한 유전체(dielectric material)를 흔히 사용하며, 용도에 따라 여러가지 다양한 유전체를 선택할 수 있다.The reaction tube 223 commonly uses a dielectric material that is well resistant and transparent at high temperatures such as quartz or sapphire, and various dielectrics may be selected according to a purpose.

그리고 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)의 모양은 응용 목적에 맞도록 원기둥 형태나 직육면체, 구, 평판, 오목거울 모양 등 다양하게 설계가 가능하나 본 발명의 실시예에서는 편의상 원기둥 형태의 이중 공진기 구조를 기본으로 본 발명의 동작 원리를 설명하기로 한다.The shapes of the primary resonator 221 and the secondary resonator 222 may be variously designed such as a cylindrical shape, a rectangular parallelepiped, a sphere, a flat plate, and a concave mirror shape to suit an application purpose, but in the embodiment of the present invention, a cylindrical shape is provided for convenience. Based on the dual resonator structure of the operation principle of the present invention will be described.

본 발명의 이중 공진기 구조는 모드의 순도(mode purity)를 높여 에너지 전달효율을 극대화하기 위해 일종의 모드 필터 역할을 하는 1차 공진기(외곽의 동축공진기(coaxial cavity:221))를 필요로 하며, 이로부터 일정한 위치의 구멍 또는 안테나를 통해 반응관(223)이 포함된 중심의 2차 공진기(222)로 에너지가 전달되는 구조를 갖는다.The dual resonator structure of the present invention requires a primary resonator (an outer coaxial cavity (221)) serving as a kind of mode filter to maximize mode purity and maximize energy transfer efficiency. Since the energy is transmitted to the central secondary resonator 222 including the reaction tube 223 through a hole or antenna of a predetermined position.

도 2를 참조하면, 도파관(221a)으로부터 전달된 마이크로웨이브는 1차 공진기(221)에서 설계시 결정된 모드로 공진하며, 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)의 공통된 벽에 설치된 에너지 전달을 위한 구멍(coupling slot) 또는 고리(loop)모양이나 탐침(probe) 형태의 안테나를 통해 플라즈마 방전을 일으킬 2차 공진기에 최종적으로 도달하여 반응관(223)내에서 플라즈마 방전(225)을 일으키게 된다. 이 때, 2차 공진기(222)의 내부에는 유전체 튜브인 플라즈마 반응관(223)과 원판 형태 혹은 막대모양의 공진기 튜너(224)가 포함된다. 그리고 마이크로웨이브 공진기 내에 존재하는 어떤 구조물이 유전체이건 도체이건 공진기 응답특성 즉, 공진주파수나 모드, Q값(Quality factor) 등에 영향을 미치지만 금속과 같은 도체에 대해서 보다 민감하게 반응하므로 공진기 튜너(224)는 금속으로 제작하는 것이 바람직하며, 플라즈마 반응관(223)내에 포함되어 온도가 크게 상승되더라도 영향을 받지 않고, 사용하는 반응기체와 반응성이 작은 소재를 선택해야 한다.Referring to FIG. 2, the microwaves transmitted from the waveguide 221a resonate in a mode determined in the design of the primary resonator 221, and energy installed on a common wall of the primary resonator 221 and the secondary resonator 222. Finally, the secondary resonator that will cause the plasma discharge through the antenna of the coupling slot or loop shape or probe shape for the delivery finally reaches the secondary resonator to cause the plasma discharge 225 in the reaction tube 223. do. At this time, the inside of the secondary resonator 222 includes a plasma reaction tube 223 which is a dielectric tube and a disc-shaped or rod-shaped resonator tuner 224. The structure of the microwave resonator affects the resonator response characteristics of the dielectric or conductor, that is, the resonant frequency, mode, Q factor, etc., but is more sensitive to conductors such as metals. ) Is preferably made of a metal, it is included in the plasma reaction tube 223 is not affected even if the temperature is greatly increased, it is necessary to select a material having a low reactivity with the reactor used.

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제1 실시예를 도시한 단면도로서 (가)는 측면도이고 (나)는 평면도이다. 도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 1 실시예의 사시도이다.Figure 3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the plasma reaction unit according to the present invention (a) is a side view and (b) is a plan view. 4 is a perspective view of a first embodiment of a plasma reaction unit according to the present invention.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제 1 실시예의 플라즈마 반응부의 구조는 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)가 모두 원통형으로 되어 있고, 1차 공진기(221)는 2차 공진기(222)보다 지름이 크고, 2차 공진기(222)는 1차 공진기(221)와 높이가 같거나 높으며, 2차 공진기(222)의 내부에 반응관(223)이 위치하고, 이 반응관(223)의 내부에 공진기 튜너(224)가 위치한다.3 and 4, in the structure of the plasma reaction unit of the first embodiment, both the primary resonator 221 and the secondary resonator 222 are cylindrical, and the primary resonator 221 is the secondary resonator 222. The diameter of the secondary resonator 222 is greater than or equal to or higher than that of the primary resonator 221, and the reaction tube 223 is positioned inside the secondary resonator 222. The resonator tuner 224 is located inside.

도 5는 본 발명에 따른 공진기 튜너의 예를 도시한 도면으로서, (가)는 중앙부가 빈 원판형의 공진기 튜너이고, (나)는 막대가 달린 원판형의 공진기 튜너이며, (다)는 원판에 구멍이 뚫린 형태의 공진기 튜너이다. 그리고 (라)는 원기둥형의 공진기 튜너이고, (마)는 다각기둥 모양의 공진기 튜너이다. 5 is a diagram showing an example of a resonator tuner according to the present invention, (a) is a disc-shaped resonator tuner with a hollow central portion, (b) is a disc-shaped resonator tuner with a rod, and (c) is a disc A resonator tuner with a hole in it. (D) is a cylindrical resonator tuner, and (E) is a polygonal resonator tuner.

도 5를 참조하면, (가)는 제 2 실시예에 적합한 형태의 공진기 튜너이고, (나) 내지 (마)는 제 1 실시예에 적합한 형태의 공진기 튜너이다. 특히, (다)와 같이 다수의 구멍을 뚫거나 (라) 및 (마)와 같이 원판을 대신하여 커패시터 튜닝을 위해 기둥모양의 튜너를 공진기 중앙에 삽입할 수도 있다. 이 때, 막대튜너의 단면은 임의의 다각형 형태를 가질 수 있고, 어떤 형태이든 튜너는 공진기의 축방향으로 수직운동이 가능하도록 제작되어야 한다.Referring to FIG. 5, (a) is a resonator tuner of a type suitable for the second embodiment, and (b) to (e) are resonator tuners of a type suitable for the first embodiment. In particular, a columnar tuner may be inserted in the center of the resonator for the purpose of capacitor tuning in place of the discs, such as (d) and (d), as shown in (c). At this time, the cross section of the bar tuner may have an arbitrary polygonal shape, and the tuner in any form should be manufactured to enable vertical movement in the axial direction of the resonator.

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 2 실시예를 도시한 단면도로서, (가)는 측단면도이고, (나) 평단면도이다.Figure 6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the plasma reaction unit according to the present invention, (a) is a side cross-sectional view, (b) a planar cross-sectional view.

도 6을 참조하면, 제2 실시예의 플라즈마 반응부(220)의 구조는 1차 공진기(221)와 2차 공진기(222)는 제 1 실시예와 유사하나 공진기 튜너(224)의 위치가 플라즈마 반응관(223) 외부에 위치한 점에서 차이가 있다. 즉, 제 2 실시예의 구조에서 플라즈마 반응관(223)은 중앙에 위치하고, 공진기 튜너(224)는 플라즈마 반응관(223)과 2차 공진기(222) 사이에 위치하여 튜닝하도록 되어 있다. 이 때, 원판 형태의 공진기 튜너(224)일 경우에는 플라즈마 반응관(223)외의 공진기 단면을 가득 메꾸는 형태라야 공진기 길이 튜닝의 효과를 적절히 이용할 수 있다.Referring to FIG. 6, the structure of the plasma reactor 220 of the second embodiment is similar to that of the first embodiment of the first resonator 221 and the second resonator 222, but the position of the resonator tuner 224 is plasma-reacted. There is a difference in that it is located outside the tube 223. That is, in the structure of the second embodiment, the plasma reaction tube 223 is positioned at the center, and the resonator tuner 224 is positioned between the plasma reaction tube 223 and the secondary resonator 222 to tune. In this case, in the case of the disc-shaped resonator tuner 224, the resonator length tuning effect can be appropriately utilized only when the resonator cross section other than the plasma reaction tube 223 is filled.

즉, 반응관(223)의 직경이 2차 공진기(222)의 직경과 비슷한 경우에는 제 1 실시예에서와 같이 원판 튜너의 외경이 반응기의 내경에 꼭 맞도록 제작하는 것이 바람직하고, 반응관(223)의 직경이 2차 공진기(222) 직경보다 훨씬 작아 2차 공진기(222) 대부분의 부피가 반응관(223) 외부에 놓이는 경우에는 제 2 실시예에서와 같이 원판 튜너(224)의 중앙에 반응관(223)의 외경과 같은 크기의 구멍을 뚫고 원판튜너(224)의 외경이 2차 공진기(223)의 내벽에 꼭 맞도록 설계한다.That is, when the diameter of the reaction tube 223 is similar to the diameter of the secondary resonator 222, it is preferable that the outer diameter of the disc tuner is made to fit the inner diameter of the reactor as in the first embodiment, and the reaction tube ( If the diameter of the second resonator 222 is much smaller than the diameter of the second resonator 222 and the volume of most of the second resonator 222 lies outside the reaction tube 223, the center of the disc tuner 224 as in the second embodiment is used. A hole having the same size as the outer diameter of the reaction tube 223 is designed so that the outer diameter of the disk tuner 224 fits the inner wall of the secondary resonator 223.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마시스템은 에너지 결합효율이 높은 이중 공진기형이면서, 공진기 내의 튜너를 통해 다양한 공정변수에서도 안정하게 유지되는 상압 플라즈마 방전을 얻을 수 있으므로 기존의 저압시스템을 활용한 경우보다 고밀도 중성 활성종을 얻을 수 있어 효율을 높이고 이에 따라 처리속도를 높일 수 있다. 즉, 본 발명의 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 이용하면, 종래의 저압시스템과 비교할 수 없는 고밀도 중성 활성종을 얻을 수 있으므로 증착 및 성장속도를 늘리기 위하는 코팅이나 합성공정, 폐가스정화 용도로 다양하게 응용할 수 있다. As described above, the microwave plasma system of the present invention is a dual resonator type with high energy coupling efficiency, and the conventional low pressure system can be utilized because an atmospheric pressure plasma discharge can be stably maintained under various process variables through a tuner in the resonator. It is possible to obtain higher density neutral active species than in one case, thereby increasing the efficiency and thus the processing speed. That is, by using the atmospheric pressure microwave plasma system of the present invention, it is possible to obtain a high-density neutral active species incomparable with the conventional low pressure system, so that it can be variously applied to coating, synthesis process, waste gas purification, etc. have.

그리고 기존의 상압 플라즈마시스템은 매우 제한된 영역에서만 방전이 되기 때문에 코팅이나 합성 공정시 처리 가능한 면적이 제한되고, 균일도가 크게 떨어지는 문제점이 있었으나 본 발명의 튜너를 포함한 이중 공진기 구조를 사용하면, 약 직경 10Cm 이상 방전영역을 넓힐 수 있고, 실제공정에서 발생할 수 있는 여러가지 오차 요인을 튜너를 통해 보상함으로써 안정한 표면처리를 가능하게 한다. In addition, since the conventional atmospheric pressure plasma system discharges only in a very limited area, the area that can be treated during coating or synthesis process is limited, and uniformity is greatly reduced. However, when using the dual resonator structure including the tuner of the present invention, the diameter is about 10 cm. The abnormal discharge area can be widened, and stable surface treatment is possible by compensating for various error factors that may occur in the actual process through the tuner.

도 1은 종래의 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 도시한 개략도,1 is a schematic diagram showing a conventional microwave plasma system;

도 2는 본 발명에 따른 상압 마이크로웨이브 플라즈마 시스템을 도시한 개략도,2 is a schematic view showing an atmospheric microwave plasma system according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 1 실시예를 도시한 단면도,3 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the plasma reaction unit according to the present invention;

도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 1 실시예를 도시한 사시도,4 is a perspective view showing a first embodiment of a plasma reaction unit according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 공진기 튜너의 예를 도시한 도면,5 shows an example of a resonator tuner according to the present invention;

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 반응부의 제 2 실시예를 도시한 단면도.6 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the plasma reaction unit according to the present invention;

*도면의 주요부분에 대한 간단한 부호의 설명* Explanation of simple symbols for main parts of the drawings

202: 전원부 204: 마그네트론202: power supply unit 204: magnetron

206: 제어기 208: 분리기206: controller 208: separator

210: 방향성 결합기 212: 3중 막대튜너210: directional coupler 212: triple bar tuner

220: 플라즈마 반응부 221: 1차 공진기220: plasma reaction unit 221: primary resonator

222: 2차 공진기 223: 플라즈마 반응관222: secondary resonator 223: plasma reaction tube

224: 공진기 튜너224: resonator tuner

Claims

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In the microwave plasma system having a microwave generating unit for generating a microwave, and a plasma reaction unit for generating a plasma from the reaction gas by receiving the microwave,

The plasma reaction unit

A primary resonator receiving the microwave through a waveguide;

A secondary resonator for causing a plasma to be microwaved from the primary resonator;

Coupling means for transferring microwaves between the primary resonator and the secondary resonator;

A plasma reaction tube made of a dielectric and positioned in the secondary resonator to cause a plasma reaction from a reaction gas by the microwave; And

An annular plate is attached to one end of the hollow cylinder and is located in the space between the plasma reactor and the resonator adjacent to the plasma reactor, and includes a resonator tuner for optimizing the resonance mode and the frequency according to the user's operation. Microwave plasma system characterized in that.

5. The microwave plasma system of claim 4, wherein the coupling means is a hole or an antenna.

The microwave plasma system of claim 4, wherein the plasma reaction tube has a dielectric constant in a range of 2 to 10 and a melting point of 600 degrees or more.

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