KR100565561B1 - 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치에 관한 것으로서, 특히 간단한 구성으로 전압조정기를 자동 제어하여 소정의 크기의 전압 및 전류를 고압 직류 플라즈마 발생장치에 공급하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치에 관한 것이다.
본 발명인 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치는 외부 전원을 입력받는 전원입력부와, 상기 전원입력부로부터의 전원의 크기를 조절하는 전압조정부와, 상기 전압조정부로부터 조절된 전원을 입력받아 고압 전원을 출력하는 변압부와, 상기 고압 전원을 직류 고압 전원으로 변환하는 정류부와, 상기 정류부로부터의 직류 고압 전원의 음극을 플라즈마 전극봉에 연결하고 양극을 진공챔버에 연결하는 고압 출력부와, 상기 전압조정부를 제어하여 상기 고압 출력부로 입력되는 직류 고압 전원의 크기를 조절하는 제어부로 이루어진다.
플라즈마, 전원공급장치

Description

고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치{POWER SUPPLY APPARATUS FOR HIGH VOLTAGE DC PLASMA GENERATOR}
도 1은 고압 직류 플라즈마 발생 장치에 인가되는 전류-전압 특성 곡선이다.
도 2는 본 발명에 따른 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치의 제1실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치의 제2실시예이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20: 전원입력부 21: 전압조정부
22: 차단필터 23: 변압부
24: 정류부 25: 부하저항
26: 고압출력부 27, 27a: 제어부
28, 28a: 전류측정장치 29, 29a: 전압측정장치
30, 30a: 분류기
본 발명은 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치에 관한 것으로서, 특히 간단한 구성으로 전압조정기를 자동 제어하여 소정의 크기의 전압 및 전류를 고압 직류 플라즈마 발생장치에 공급하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치에 관한 것이다.
고압 직류 플라즈마 발생장치는 플라스틱, 유리, 금속 등의 모재 표면의 세정과 그 표면에 Al, Cr, Mg, Au, Ag 등 금속 박막 및 고분자, 세라믹 박막을 진공 증착하여 제조하기 위한 장치이다.
이 발생장치는 소정의 진공챔버 내에 장착되어 고분자, 금속 및 세라믹 다층막을 순차적으로 코팅함에 있어서 박막과 모재와의 접착성, 코팅막의 내마모성, 내화학성을 극대화할 수 있는 장치이다. 진공 중에서 플라즈마를 발생시켜 제품 표면에 오염되어 있는 유기물 및 수분 등을 제거하는 세정 공정을 통해 모재와 박막 간의 접착력을 증대시킨 후 플라즈마를 발생시켜 고분자 하도막 코팅을 하고, 가열 증착 방식에 의해 금속 박막을 코팅한다. 이후 플라즈마를 다시 발생시켜 금속 코팅된 제품의 표면에 산화 및 마모 방지를 위한 고분자 상도 코팅을 실시한다. 이 때 세라믹 코팅 공정을 추가할 수도 있다. 이러한 모든 공정을 하나의 진공 챔버 내에서 자동으로 연속 진행함으로써 고품질의 코팅막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 제품의 불량률을 극소화하여 생산 효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 플라즈마 코팅 기술은 자동차 헤드 램프, 화장품 용기, 완구, 장식품, 가정용품, 키패드, EMI 차폐 등의 분야에 응용할 수 있으며 기존의 작업 공정에서 야기되는 문제점을 해결할 수 있으므로 점차 각광받고 있다.
이 진공챔버는 고진공 챔버 및 내부 공자전 지그, 고압 플라즈마 전원, 금속 증발원, 모노머 기화부, 펌핑 시스템 등으로 구성 되어 있다. 진공 챔버에 있어 그 기능 상 핵심 부분은 대형의 챔버 내에서 대량의 제품을 한꺼번에 처리할 수 있는 고압 플라즈마 발생 장치이다.
통상의 플라즈마 전원으로는 DC와 RF가 있는데 경제성이나 안전성에 있어서 DC를 사용하는 것이 유리하다. 하지만 고압 DC 플라즈마를 발생시키기는 기술적으로 매우 어렵다고 알려져 있다. 이러한 공정을 수행하려면 약 5000 V 정도의 전위차를 진공 중의 전극에 걸어주어야 하는데 전원의 제어가 불안정할 경우 아크 방전이 발생하여 글로우 방전을 유지할 수 없게 된다. 즉, 여기서 가장 중요한 점은 전극에 인가되는 전류가 과도하게 증가될 경우 글로우 방전 영역에서 아크방전 영역으로 전이된다는 사실이다. 이 경우 박막 공정 중 미세분진, 불균일한 코팅, 모노머의 고분자화 효율 감소가 야기될 뿐 만 아니라 장치에 관련된 전기 계통에 과부하가 발생되어 전체 시스템의 손실을 유발할 수 있다.
이에 본 발명은 고분자, 금속 다층막을 코팅하는 진공챔버에서 안정적인 글로우 방전을 유지하도록 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치를 제공 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고압 직류 플라즈마 공정 시 아크 발생을 억제하여 이로부터 야기될 수 있는 미세분진, 불균일한 코팅, 모노머의 고분자화 효율 감소 등의 문제점을 제거하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명인 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치는 외부 전원을 입력받는 전원입력부와, 상기 전원입력부로부터의 전원의 크기를 조절하는 전압조정부와, 상기 전압조정부로부터 조절된 전원을 입력받아 고압 전원을 출력하는 변압부와, 상기 고압 전원을 직류 고압 전원으로 변환하는 정류부와, 상기 정류부로부터의 직류 고압 전원의 음극을 플라즈마 전극봉에 연결하고 양극을 진공챔버에 연결하는 고압 출력부와, 상기 전압조정부를 제어하여 상기 고압 출력부로 입력되는 직류 고압 전원의 크기를 조절하는 제어부로 이루어진다.
이때, 상기 전원공급장치는 상기 전압조정부의 조절된 전원의 전류 및 전압을 각각 측정하는 전류측정장치와 전압측정장치를 추가적으로 구비하고, 상기 제어부는 상기 전압조정부의 조절된 전원에 대한 기설정된 전류 및 전압의 크기를 저장하고, 상기 전류측정장치와 전압측정장치에 의해 측정된 전류 및 전압과 기설정된 전류 및 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 상기 전압조정부를 제어한다.
또한, 상기 전원공급장치는 상기 정류부로부터의 직류 고압 전원의 전류와 전압을 각각 측정하는 전류측정장치와 전압측정장치를 추가적으로 구비하고, 상기 제어부는 기설정된 전류 및 전압의 크기를 저장하고, 상기 전류측정장치와 전압측정장치에 의해 측정된 전류 및 전압과 기설정된 전류 및 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 상기 전압조정부를 제어한다.
또한, 상기 전원공급장치는 상기 전류측정계와 병렬로 연결된 분류기를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전원공급장치는 상기 고압출력부의 음극과 양극 사이에 연결된 부하저항을 추가적으로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전압조정부는 슬라이닥스인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전원공급장치는 상기 전압조정부와 변압부 사이에 연결된 차단필터를 추가적으로 포함하는 것이 바람직하고, 상기 차단필터는 코일인 것이 더욱 바람직하다.
이하에서 본 발명은 첨부 도면 및 바람직한 실시예를 참고로 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 아래의 설명에 의해 본 발명의 범위가 제한되어서는 아니되며, 본 발명의 범위는 이어지는 청구의 범위에 기재된 것에 의해서만 제한될 것이다.
기체는 대기 상태에서는 절연체로 다룰 수 있으나 낮은 압력 조건 하에서는 도체적 성질을 갖게 된다. 기체가 전도성을 갖는 것은 기체 중에 전자나 이온과 같은 하전입자가 존재하기 때문이며, 이러한 기체의 특성은 산업적인 응용에 있어 중요한 요소가 된다.
도 1은 고압 직류 플라즈마 발생 장치에 인가되는 전류-전압 특성 곡선이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고압 직류 플라즈마 발생장치의 음극(cathode)과 양극(anode)을 일정한 간격으로 유지하고 직류 전압을 점차로 올리면서 전류를 측정하면, 이러한 전류-전압 특성곡선이 얻어진다.
A에서 B까지의 영역에서는 전압이 증가함에 따라 전류도 비례적으로 증가한다. 이때 B점에 이르기까지의 전류는 우주선에 의해 만들어진 전자와 자연 방사선에 의한 이온화(ionizing background radiation)에 의해서 생긴 암전류(dark current)에 해당한다.
포화영역(saturation regime)인 B-C구간에서는 background radiation에 의해 생성된 모든 이온과 전자들이 방전공간(discharge volume)에서 전기장을 따라 이동하거나 재결합에 의해 소멸되며 전자들은 새롭게 이온화를 시킬 만큼 충분한 에너지를 갖지 않는다.
Townsend 영역인 C-E구간에서는, 방전공간 내의 전자가 전기장으로부터 충분한 에너지를 얻어 중성인 배경가스를 매우 빠르게 이온화시키므로 전압에 비해 전류가 지수함수적으로 증가한다.
D-E구간에서는 unipolar corona 방전이 발생하는데, 이것은 거칠거칠한 표면, 날카로운 면 또는 돌출된 점이 있는 전극의 표면으로 집중된 전기장에 기인한다. 이러한 강한 국부적 전기장은 주위 중성가스의 절연강도(breakdown strength)보다 크다. 점 E에서, 전압이 VB 보다 더 증가하면 전기적 절연파괴(electrical breakdown)가 발생한다. A-E 영역은 코로나 방전 외에는 눈에 보이지 않으므로 dark discharge라고 한다.
계속적인 전압의 증가는 글로우 방전, 아크 방전을 유발시키며 글로우 방전 영역에서는 전류가 충분히 높고 중성 배경기체의 여기정도가 충분히 크기 때문에 플라즈마가 눈으로 관찰될 수 있다.
E지점에서 F지점으로의 불연속적인 전이(discontinuous transition) 후에 normal glow region에 도달하는데, 이 영역에서 방전을 통한 전압은 전류의 상승에 대해 변화하지 않는다. F 지점에서 cathode 표면이 전체적으로 플라즈마로 둘러싸이는 G 지점에 이를 때까지 전류가 증가함에 따라 플라즈마와 접촉되는 cathode의 영역이 증가하게 된다. G 지점에서 abnormal glow regime이 시작되며, 이 영역에서는 전류의 함수로서 전압이 증가한다. H 지점에서 cathode에서의 전류밀도는 cathode가 발광에 이를 정도로 충분히 커지게 되어 불연속적인 glow-to-arc transition으로 이르게 된다.
이러한 전이 후에 직류 고전압 장치의 내부저항에 따라 I와 K 지점 사이의 어떤 지점에서 방전이 정착된다. I와 K의 아크 영역에서는 J 지점에서 큰 전류가 얻어질 때까지 전류가 증가함에 따라 전압이 감소한다. 그 후, 전압은 전류가 증가함에 따라 천천히 증가하게 된다. 전류가 증가함에 따라 전압이 감소하는 I와 J 사이의 영역을 Non-thermal 아크 영역이라 부르며, 이 영역에서 전자, 이온, 기체의 온도는 다르다. J와 K 사이의 양의 기울기를 가지는 Thermal 아크 영역은 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium)에 가까워 모든 종들의 온도가 대략적으로 같게 된다. 따라서 글로우 방전 플라즈마를 이용하여 모재의 표면 세정을 하거나 모노머 를 분해하여 고분자화 반응을 일으켜 박막을 증착하기 위해서는 아크 영역으로 전류가 과도하게 흐르지 않도록 하는 것이 매우 중요하다.
도 2는 본 발명에 따른 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치의 제1실시예이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전원공급장치(10)는 외부 전원(예를 들면, AC 220V)을 입력받는 전원입력부(20)와, 전원입력부(20)로부터의 전원의 크기를 조절하는 전압조정부(21)와, 변압부(23)로부터의 고압 전원의 역류를 방지하는 차단필터(22)와, 전압조정부(21)로부터 조절된 전원을 입력받아 고압 전원을 출력하는 변압부(23)와, 변압부(23)로부터의 고압 전원을 직류 고압 전원으로 변환하는 정류부(24)와, 고압출력부(26)의 음극과 양극 사이에 연결된 부하저항(25)과, 정류부(24)로부터의 직류 고압 전원의 음극을 플라즈마 전극봉(도시되지 않음)에 연결하고 양극을 진공챔버(도시되지 않음)에 연결하는 고압 출력부(26)와, 전압조정부(21)에 연결되어 제어하여 고압 출력부(26)로 입력되는 직류 고압 전원의 크기를 조절하는 제어부(27)로 이루어진다.
자세하게는, 전압 조정부(21)는 일종의 가변저항과 같이 입력되는 전압의 크기를 0 ~ 220 V 범위 내에서 조절하는 것으로, 바람직하게는 슬라이닥스(예를 들면, 5kV)가 사용될 수 있다.
또한, 차단필터(22)는 변압부(23)의 고압 전원이 다시 역류하여 전압조정부(21) 등의 구성소자들에 심각한 손상을 주는 것을 방지하고, 간헐적으로 나타나는 아크 방지를 통해 전압 강하의 방지 및 노이즈를 제거하는 것으로, 바람직하게는 코일이 사용될 수 있다.
또한, 변압부(23)는 글로우 방전을 유지할 수 있을 정도의 고압 전원으로 변환시키는 것으로서, 본 실시예에서는 8kVA 8000V가 사용된다.
또한, 정류부(24)는 변압부(23)로부터의 고압 교류 전원을 고압 직류 전원으로 변환시키는 것으로서, 본 실시예에서는 다이오드 브리지가 사용된다.
또한, 부하저항(25)은 고압 출력부(26)의 음극(Cathode)과 양극(Anode)에 연결되어 임피던스를 맞추어 주는 역할을 한다.
또한, 고압 출력부(26)의 음극은 플라즈마 전극봉에 연결되고, 양극은 진공 챔버에 연결되어 접지된다.
또한, 전원공급장치(10)는 전압조정부(21)의 조절된 전원의 전류 및 전압을 각각 측정하는 전류측정장치(28)와 전압측정장치(29)를 추가적으로 구비하고, 이때 제어부(27)는 사용자에 의해서 또는 제조자에 의해서 글로우 방전을 유지하기 위해 전압조정부(21)의 조절된 전원에 대한 기설정된 전류 및 전압의 크기를 저장하고, 전류측정장치(28)와 전압측정장치(29)에 의해 측정된 전류 및 전압과 기설정된 전류 및 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전압조정부(21)를 제어하여, 고압출력부(26)에서 공급되는 고압 직류 전원의 크기를 조절한다. 즉, 제어부(27)는 고압출력부(26)로부터의 고압 직류 전원이 플라즈마 발생장치로 하여금 글로우 방전을 유지하도록 하는 소정의 범위에서 유지되도록 하기 위해, 전압조정부(21)를 상술된 비교 결과에 따라 제어하여, 예를 들면, 전압조정부(21)의 조절된 전원이 소정의 범위의 기설정된 전류 및 전압보다 낮아지려 하면, 전압조정부(21)의 출력 전원을 증가시키고, 전압조정부(21)의 조절된 전원이 소정의 범위의 기설정된 전류 및 전 압보다 높아지려 하면, 전압조정부(21)의 출력 전원을 감소시키도록 한다.
또한, 전원공급장치(10)는 전류측정계(28)와 병렬로 연결된 분류기(30)를 추가적으로 포함하여, 전류의 측정범위를 확장시키도록 한다. 이 분류기는 일종의 저항기이다.
도 3은 본 발명에 따른 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치의 제2실시예이다. 도 3의 전원공급장치(10a)는 도 2의 전원공급장치(10)의 전원입력부(20), 전압조정부(21), 차단필터(22), 변압부(23), 정류부(24), 부하저항(25), 고압출력부(26)의 구성 및 기능을 동일하게 수행하나, 제어부(27a), 전류측정장치(28a), 전압측정장치(29a) 및 분류기(30a)는 그 연결상태 및/또는 동작이 상이하다.
도 3에 도시된 전원공급장치(10a)에서, 전류측정장치(28a)와 전압측정장치(29a)는 정류부(24)와 고압출력부(26) 사이에 연결되어, 정류부(24)의 고압 직류 전원의 전류 및 전압을 각각 측정한다.
또한, 제어부(27a)는 사용자에 의해서 또는 제조자에 의해서 글로우 방전을 유지하기 위해 고압출력부(26)의 고압 직류 전원에 대한 기설정된 전류 및 전압의 크기를 저장하고, 전류측정장치(28a)와 전압측정장치(29a)에 의해 측정된 전류 및 전압과 기설정된 전류 및 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 전압조정부(21)를 제어하여, 고압출력부(26)에서 공급되는 고압 직류 전원의 크기를 조절한다. 즉, 제어부(27a)는 고압출력부(26)로부터의 고압 직류 전원이 플라즈마 발생장치로 하여금 글로우 방전을 유지하도록 하는 소정의 범위에서 유지되도록 하기 위해, 전압 조정부(21)를 상술된 비교 결과에 따라 제어하여, 예를 들면, 소정의 범위의 기설정된 고압 직류전원보다 고압출력부(26)의 고압 직류 전원이 낮아지려 하면, 전압조정부(21)의 출력 전원을 증가시키고, 소정의 범위의 기설정된 고압 직류전원보다 고압출력부(26)의 고압 직류 전원이 높아지려 하면, 전압조정부(21)의 출력 전원을 감소시키도록 한다.
또한, 전원공급장치(10a)는 정류부(24)와 고압출력부(26) 사이에서 전류측정계(28a)와 병렬로 연결된 분류기(30a)를 추가적으로 포함하여, 전류의 측정범위를 확장시키도록 한다. 이 분류기는 일종의 저항기이다.
상술된 도 2 및 도 3에 따른 전원공급장치(10), (10a) 외에도, 전류측정장치와 전압측정장치와 분류기는 예를 들면, 차단필터와 변압부 사이에, 또는 변압부와 정류부 사이에 연결되는 것과 같은 다양한 변형이 가능하다.
상술된 구성의 본 발명은 고분자, 금속 다층막을 코팅하는 진공챔버에서 안정적인 글로우 방전을 자동적으로 유지하도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 고압 직류 플라즈마 공정 시 아크 발생을 억제하여 이로부터 야기될 수 있는 미세분진, 불균일한 코팅, 모노머의 고분자화 효율 감소 등의 문제점을 제거하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 간단한 구성의 전원공급장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 소정의 출력 전원(예를 들면 전압 조정부의 전원, 고압출력 부의 전원)을 기설정된 전원과의 비교를 통하여 동적으로 출력 전원을 제어하여 효율적인 플라즈마 방전이 이루어지도록 하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 외부 전원을 입력받는 전원입력부와;
    상기 전원입력부로부터의 전원을 글로우 방전에 대응하는 전원의 크기로 조절하는 전압조정부와;
    상기 전압조정부의 조절된 전원의 전류 및 전압을 각각 측정하는 전류측정장치와 전압측정장치와;
    상기 전압조정부로부터 조절된 전원을 입력받아 고압 전원을 출력하는 변압부와;
    상기 고압 전원을 직류 고압 전원으로 변환하는 정류부와;
    상기 정류부로부터의 직류 고압 전원의 음극을 플라즈마 전극봉에 연결하고 양극을 진공챔버에 연결하는 고압 출력부와;
    상기 진공챔버 내에서 글로우 방전이 유지되도록 상기 전압조정부를 제어하여 상기 고압 출력부로 입력되는 직류 고압 전원의 크기를 조절하는 제어부로 이루어지되,
    상기 제어부는 상기 전압조정부의 조절된 전원에 대한 기설정된 전류 및 전압의 크기를 저장하고, 상기 전류측정장치와 전압측정장치에 의해 측정된 전류 및 전압과 기설정된 전류 및 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 상기 전압조정부를 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
  3. 외부 전원을 입력받는 전원입력부와;
    상기 전원입력부로부터의 전원을 글로우 방전에 대응하는 전원의 크기로 조절하는 전압조정부와;
    상기 전압조정부로부터 조절된 전원을 입력받아 고압 전원을 출력하는 변압부와;
    상기 고압 전원을 직류 고압 전원으로 변환하는 정류부와;
    상기 정류부로부터의 직류 고압 전원의 전류와 전압을 각각 측정하는 전류측정장치와 전압측정장치와;
    상기 정류부로부터의 직류 고압 전원의 음극을 플라즈마 전극봉에 연결하고 양극을 진공챔버에 연결하는 고압 출력부와;
    상기 진공챔버 내에서 글로우 방전이 유지되도록 상기 전압조정부를 제어하여 상기 고압 출력부로 입력되는 직류 고압 전원의 크기를 조절하는 제어부로 이루어지되,
    상기 제어부는 기설정된 전류 및 전압의 크기를 저장하고, 상기 전류측정장치와 전압측정장치에 의해 측정된 전류 및 전압과 기설정된 전류 및 전압을 비교하여, 그 비교 결과에 따라 상기 전압조정부를 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원공급장치는 상기 전류측정계와 병렬로 연결된 분류기를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원공급장치는 상기 고압출력부의 음극과 양극 사이에 연결된 부하저항을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전압조정부는 슬라이닥스인 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 전원공급장치는 상기 전압조정부와 변압부 사이에 연결된 차단필터를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 차단필터는 코일인 것을 특징으로 하는 고압 직류 플라즈마 발생장치의 전원공급장치.
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