KR100572848B1 - 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초기 공정시 주입가스를 점화시키는 이그나이터가 구비되어, 매우 높은 개시전압이 불필요하여 낮은 소비전력으로 글로우 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 초기 점화시 피처리물의 손상을 방지할 수 있도록 된 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 일측은 고주파 전원(50)에 연결되고 타측은 접지되며 상호 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 전원극(52) 및 접지극(54)과, 상기 전원극(52) 및 접지극(54) 사이에 설치되어 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 글로우 플라즈마를 발생시키는 유전체(56)와, 상기 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 주입가스를 방전시키기 위하여 소정 공간이 형성된 방전간극(58)과, 상기 접지극(54) 내부에 형성되어 상기 방전간극(58)으로 주입가스를 공급하는 가스유입경로(60)와, 상기 방전간극(58)에 인접되도록 가스유입경로(60) 일측에 설치되며 초기에 주입가스를 점화시키기 위한 방전침(62)과, 상기 방전침(62)에 연결되며 순간적으로 고전압을 발생시켜 방전침(62)에 방전전류를 인가하는 이그나이터(64)를 포함하여 구성되는 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치가 제공된다.

Description

이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치{Atmospheric plasma generator with ignitor}
도 1은 종래 대기압 플라즈마 발생장치의 일예를 개략적으로 보인 단면도
도 2는 본 발명에 따른 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치를 개략적으로 보인 단면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분해사시도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50. 고주파 전원 52. 전원극
54. 접지극 56. 유전체
58. 방전간극 60. 가스유입경로
62. 방전침 63. 갭
64. 이그나이터 66. 피처리물
본 발명은 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매우 높은 개시전압이 필요하지 않아, 낮은 소비전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 초기 점화시 피처리물의 손상을 방지할 수 있도록 된 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마 발생장치는 금속 및 비금속물질의 표면개질, 전자부품과 반도체 웨이퍼의 세정공정 등 다양한 분야에 응용되는 것으로서, 첨단산업에서 중추적 역할을 하는 기술로 대두되고 있다. 종래 대부분의 산업용 플라즈마 발생장치는 진공에 가까운 저압을 유지하여 플라즈마를 발생시키는 진공 플라즈마 장치이나, 이는 진공을 이루기 위한 조건이 까다롭고, 장치가 대형화되는 등 많은 제약이 뒤따름으로 인해, 최근 들어 점차 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시키는 대기압 플라즈마 발생장치로의 전환이 시도되고 있다.
종래 대기압 플라즈마 발생장치의 일예가 도 1에 도시되어 있다. 이 대기압 플라즈마 발생장치는 소정간격 이격 설치되는 전원극(10) 및 접지극(12)과, 이 전원극(10)과 접지극(12) 중 적어도 어느 일측의 내측면에 설치되는 유전체막(11)과, 상기 전원극(10)과 접지극(12) 사이에 설치되어 전원극(10)과 접지극(12) 사이에서 아크 방전이 일어나는 것을 방지하고 글로우 플라즈마가 발생되도록 하며 그 하부 에 방전간극(g)을 형성하는 중간유전체(14)와, 상기 접지극(12) 내부에 형성되는 가스유입경로(16)와, 상기 가스유입경로(16)와 방전간극(g)을 연통시켜 가스유입경로(16)로 유입되는 주입가스를 방전간극(g)으로 고르게 공급하는 다수개의 가스방출용 오리피스(18)로 구성된다. 한편, 도면 중 미설명 부호 24는 고주파 전원(20)을 전원극(10)에 공급할 때 임피던스를 매칭시키는 블록이다.
이러한 대기압 플라즈마 발생장치는 전원극(10)에 고주파 전원(20)을 인가하면, 전원극(10)과 접지극(12) 사이에, 즉, 방전간극(g)에 전기장이 형성되고, 가스유입경로(16)를 통해 방전간극(g)으로 유입되는 주입가스가 전기장에 의해 해리되면서 플라즈마를 발생시킨다. 이렇게 발생된 플라즈마는 하측으로 통과하는 피처리물(22)의 표면을 개질하거나, 세정, 또는 살균처리하는데 이용된다.
그런데, 대기압 플라즈마 발생장치에서 초기에 주입가스를 점화시키기 위해서는 매우 높은 개시전압이 필요하게 된다. 이처럼 높은 개시전압을 갖는 고주파 전원(20)을 사용함으로 인해, 장치가 불안정하며, 글로우 플라즈마를 일으키지 못하고 아크로 전이되는 문제점이 야기되고 있다. 또한, 높은 개시전압에 따른 아크로 인하여, 피처리물(22)이 손상되는 등의 문제점이 발생되고 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 초기 점화시 별도의 점화장치를 구비함으로써, 높은 개시전압으로 시동할 필요가 없어, 낮은 소비전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 초기 점화시 아크로 인한 피처 리물의 손상을 방지할 수 있도록 된 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 일측은 고주파 전원(50)에 연결되고 타측은 접지되며 상호 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 전원극(52) 및 접지극(54)과, 상기 전원극(52) 및 접지극(54) 사이에 설치되어 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 글로우 플라즈마를 발생시키는 유전체(56)와, 상기 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 주입가스를 방전시키기 위하여 소정 공간이 형성되며 그 일단의 개구부로 플라즈마를 분출하는 방전간극(58)과, 상기 접지극(54) 내부에 형성되며 오리피스(70)를 통해 상기 방전간극(58) 내부로 주입가스를 공급하는 가스유입경로(60)와, 상기 방전간극(58)에 인접하도록 가스유입경로(60)의 오리피스(70)에 설치되며 초기에 주입가스를 점화시키기 위한 방전침(62)과, 상기 방전침(62)에 연결되며 순간적으로 고전압을 발생시켜 방전침(62)에 방전전류를 인가하는 이그나이터(64)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치가 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 방전침(62)은 갭(63)에 의해 소정 간격 이격되도록 이그나이터(64)와 연결되어, 방전침(62)으로부터 이그나이터(64)로 유도기전류가 역바이어스되는 것을 방지하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치가 제공된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치를 개략적으로 보인 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 분해사시도이다.
이를 참조하면, 상기 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치는 전원극(52)과 접지극(54)이 상호 이격되어 배치되고, 전원극(52)과 접지극(54) 사이에는 유전체(56)가 개재되며, 전원극(52)과 접지극(54) 사이에 주입가스에 방전을 일으키는 방전간극(58)이 형성되고, 접지극(54) 내부에는 방전간극(58)으로 주입가스를 공급하는 가스유입경로(60)가 형성되는 것은 종래와 동일하다.
이때, 상기 방전간극(58)에 연통되는 가스유입경로(60)의 오리피스(70)에는 초기에 주입가스를 점화하기 위한 방전침(62)이 설치되며, 이 방전침(62)에 순간적으로 고전압을 발생시키는 이그나이터(64)가 연결되어 방전침(62)에 방전전류를 인가한다. 바람직하게, 이그나이터(64)와 방전침(62)은 갭(63)에 의해 소정 간격 이격된 상태로 연결되어, 유도기전류가 역방향으로 인가되는 것을 방지하는 구조로 이루어진다.
상기 전원극(52)과 접지극(54)은 알루미늄합금 또는 스테인레스 스틸 등 도전성이 양호한 금속 재질로 제작된다. 바람직하게, 접지극(54)은 내부에 가스유입경로(60)를 형성하기 위하여, 충분한 폭을 갖도록 제작된다. 전원극(52)과 접지극(54) 사이에는 금속재질로 이루어진 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 아크가 발생되는 것을 방지하고 글로우 플라즈마를 발생시키도록 하기 위하여, 알루미 나(Al2O3) 또는 석영(SiO2) 등으로 성형된 유전체(56)가 설치된다. 바람직하게, 유전체(56)는 접지극(54)에 대향되는 전원극(52)의 전면적을 커버하도록 설치되며, 경우에 따라 전원극(52)과 접지면(54) 양쪽 모두의 내측면에 설치될 수도 있다. 이와 별도로, 도 2의 실시예에서와 같이, 전원극(52)과 접지극(54) 사이에 중간유전체(68)가 개재되어 그 하부에 방전간극(58)을 형성할 수 있다. 또한, 도 3의 실시예에서와 같이, 접지극(54) 일측이 함몰 성형되어 방전간극(58)을 형성할 수도 있다. 전원극(52)에는 2MHz∼60MHz 범위의 주파수를 갖는 고주파 전원(50)이 인가되며, 바람직하게는 13.56MHz 대역의 고주파 전원(50)이 채택된다. 접지극(54) 내부에는 가스유입경로(60)가 형성되어 방전간극(58)에 주입가스를 공급하며, 보다 상세하게, 가스유입경로(60) 단부에 주입가스를 방전간극(58)에 고르게 공급하기 위하여 다수의 오리피스(70)가 구비된다. 가스유입경로(60)로 유입되는 주입가스로는 아르곤 또는 헬륨 등의 분위기 가스가 채택될 수 있으며, 바람직하게는 이들 가스에 미량의 산소 또는 질소 등의 반응가스가 혼합된 주입가스를 공급하여 활성라디칼 양을 극대화시킬 수 있다.
방전간극(58)에서 주입가스가 플라즈마 상태로 변이하기 위해서는 피처리물(66)의 표면개질, 세정, 또는 살균처리 등의 공정 초기에 주입가스를 점화시키는 공정이 필요하다. 이 점화 공정을 위하여, 도 2의 단면도에서와 같이, 방전간극(58)에 인접되도록 가스유입경로(60)의 오리피스(70)에 방전침(62)이 설치된다. 방전침(62)은 백금이나 텅스텐 등과 같이, 도전성이 양호하고 내아크성이 뛰어난 금속재질로 제작된다. 이 방전침(62)에는 순간적으로 고전압을 발생시키는 이그나이터(64)가 연결된다. 이그나이터(64)는 본 발명을 이용하여 피처리물(66)의 표면개질, 세정, 또는 살균처리 공정을 시작하는 시점, 또는 주입가스가 유입되는 시점에 작동되어, 방전침(62)에 방전전류를 인가한다. 바람직하게, 도 2의 단면도에서 보여지듯이, 이그나이터(64)와 방전침(62)은 갭(63)에 의해 소정 간격 상호 이격되도록 연결된다. 이는 전원극(52)과 접지극(54)에서 발생된 유도기전력에 의하여, 방전침(62)으로부터 이그나이터(64)로 유도기전류가 역바이어스되는 것을 방지하기 위한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 분해사시도로서, 대면적 플라즈마 발생장치의 일예를 보인 것이다. 이를 참조하면, 접지극(54) 내부에 형성된 가스유입경로(60)의 오리피스(70) 부분에 방전침(62)이 설치된 것을 볼 수 있으며, 이 방전침(62)에 이그나이터(64)를 연결시키기 위하여, 이그나이터(64)가 접속되는 단자대(72)가 접지극(54) 외부 일측으로 돌출된다. 바람직하게, 단자대(72) 선단에서 단자대(72) 기단의 방전침(62)에 이르는 내부 도선은 도 2의 개념도에서와 같이, 부분적으로 단선되어 갭(63)을 형성하며, 이에 따라, 방전침(62)으로부터 이그나이터(64)로 유도기전류가 역바이어스되는 것을 방지한다. 한편, 도면에서 보여지듯이, 대면적 플라즈마 발생장치의 경우 접지극(54)의 중앙부(74)가 넓은 면적 단차지어 형성되어, 이곳으로 피처리물(66)이 통과된다. 또한, 도면 중 미설명 부호 76은 전원극(52)과 접지극(54) 사이에 개재되는 절연재이고, 미설명 부호 78은 고주파 전원(50)을 연결하기 위해 전원극(52)에 구비된 터미널이며, 도 2에서 미설명 부호 80은 고주파 전원(50)을 전원극(52)에 공급할 때 임피던스를 매칭시키는 블록이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치는 가스유입경로(60)의 선단 오리피스(70)에 방전침(62)이 설치되고, 이 방전침(62)에 순간적으로 고전압을 발생시키는 이그나이터(64)가 연결되어 구성되며, 피처리물(66)의 표면개질, 세정, 또는 살균처리 등의 공정 초기에 이그나이터(64)를 이용하여 주입가스를 점화시키도록 구성된다. 따라서, 종래 대기압 플라즈마 발생장치가 매우 높은 개시전압을 필요로 함으로써, 이에 따라 고주파 전원(50)에서 높은 전압을 부담하던 문제점을 해결하며, 보다 낮은 소비전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 종래 높은 전압을 인가하여 초기 점화를 실시함으로써, 아크가 발생되어 피처리물(66)이 손상되던 것에 비해, 이그나이터(64)에서 순간적으로 발생된 고전압을 방전침(62)을 통해 방전시킴으로써, 초기 점화시 피처리물(66)이 손상되지 않는 장점이 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 가스유입경로의 오리피스에 설치되는 방전침과, 이 방전침에 순간적으로 고전압을 인가하는 이그나이터가 구비되어, 공정 초기에 이그나이터를 이용하여 주입가스를 점화시킴으로써, 고주파 전원에서 높은 개시전압을 부담할 필요가 없고, 보다 낮은 소비전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 초기 점화시 피처리물의 손상을 방지할 수 있도록 된 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치를 제공할 수 있다.

Claims (2)

  1. 일측은 고주파 전원(50)에 연결되고 타측은 접지되며 상호 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 전원극(52) 및 접지극(54)과, 상기 전원극(52) 및 접지극(54) 사이에 설치되어 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 글로우 플라즈마를 발생시키는 유전체(56)와, 상기 전원극(52)과 접지극(54) 사이에서 주입가스를 방전시키기 위하여 소정 공간이 형성되며 그 일단의 개구부로 플라즈마를 분출하는 방전간극(58)과, 상기 접지극(54) 내부에 형성되며 오리피스(70)를 통해 상기 방전간극(58) 내부로 주입가스를 공급하는 가스유입경로(60)와, 상기 방전간극(58)에 인접하도록 가스유입경로(60)의 오리피스(70)에 설치되며 초기에 주입가스를 점화시키기 위한 방전침(62)과, 상기 방전침(62)에 연결되며 순간적으로 고전압을 발생시켜 방전침(62)에 방전전류를 인가하는 이그나이터(64)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 방전침(62)은 갭(63)에 의해 소정 간격 이격되도록 이그나이터(64)와 연결되어, 방전침(62)으로부터 이그나이터(64)로 유도기전류가 역바이어스되는 것을 방지하는 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 이그나이터가 구비된 대기압 플라즈마 발생장치.
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