KR100691875B1 - 대기압 플라즈마 유전체 세정장치 - Google Patents

대기압 플라즈마 유전체 세정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기압 플라스마를 이용한 유전체 세정장치에 관한 것으로서, 특히 유전장벽방전 방식(Dielectric barrier discharge) 방식으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 세정장치를 구성함에 있어서; 유전물질(Dielectric material)로 제작된 피가공물(1)을 이송하는 이송장치(6)와; 이송장치의 일부 구간에 설치되며, 상기 피가공물이 통과할 수 있도록 일정 간격 떨어진 상부전극(31)과 하부전극(32)으로 구성되는 전극부와; 상기 전극부에 장파 주파수대(1kHz ~ 1MHz)의 전원을 공급하는 전원 공급부(2)를 포함하여 구성되는 대기압 플라즈마 유전체 세정장치를 제공한다.
이상과 같은 본 발명은, 피가공물을 대기압 플라즈마의 발생에 필요한 유전체로 사용함으로써, 구조가 간단하며, 에너지 효율이 극대화시킬 수 있는 효과를 가진다.
플라즈마 세정장치, 대기압 플라즈마, 유전체장벽방전, 유전체

Description

대기압 플라즈마 유전체 세정장치 {Cleaning apparatus for dielectrics by atmospheric pressure plasma}
도 1은 유전체장벽방전 방식의 플라즈마 발생장치를 나타내는 개략도
도 2는 종래의 대기압 플라즈마 발생장치를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 대기압 플라즈마 유전체 세정장치의 제 1 실시예를 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 대기압 플라즈마 유전체 세정장치의 제 2 실시예를 나타내는 개략도
도 5는 본 발명의 대기압 플라즈마 유전체 세정장치의 제 3 실시예를 나타내는 개략도
도 6과 도 7은 본 발명의 대기압 플라즈마 유전체 세정장치의 제 4 실시예를 나타내는 개략도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 기판 2 : 전원 공급장치
6 : 이송장치 5 : 플라즈마
31 : 상부 전극 32 : 하부 전극
33 : 유전체 41 : 챔버
43 : 가스 공급장치 44 : 펌핑 포트
본 발명은 대기압 플라즈마 유전체 세정장치에 관한 것으로서, 특히 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 방식으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 세정장치를 구성함에 있어서, 유전물질(Dielectric material)로 제작된 피가공물을 플라즈마 방전에 필요한 유전체로 사용하는 대기압 플라즈마 유전체 세정장치에 관한 것이다.
저온 플라즈마 발생기술은, 플라즈마에 의한 활성입자를 이용하는 건식에칭(Dry etching), 반도체 분야에서 박막 형성에 이용하는 화학기상증착법, 불화탄소(PFC) 가스를 이용한 반도체용 증착 챔버의 세정, 활성화된 이온 혹은 전자들에 의한 고체의 표면 개질, 이온을 전기장으로 가속시켜 증착하는 스퍼터링, 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
이러한 저온 플라즈마 발생기술은 주로 진공 중에서 이루어졌으나, 최근에는 대기압에서 플라즈마를 발생시키는 여러 가지 방법들이 개발되고 있는데, 코로나 방전, 유전체장벽방전, 마이크로파 방전, 그리고 플라즈마 제트 등이 그것이다. 그 중에서 유전체장벽방전 방식의 대기압 플라즈마 발생 장치가 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 유전체장벽방전 방식은 두 전극(3a,3b) 중의 하나 혹은 모두에 유전체(4a,4b,4c)를 설치하고 전원(2)으로부터 교류 혹은 펄스를 인가하여 플라즈마(5)가 전극 전체에서 발생하도록 하는 것으로서, 플라즈마 발생 면적이 넓고 사용하는 전원의 특성에 따라 다양한 가스에서 방전이 일어나도록 할 수 있으며 1-10eV의 에너지를 가져 표면에서의 화학결합을 파괴하기에 적당하기 때문에 표면 개질이나 표면 세정 등에 많이 사용되고 있다.
이러한 대기압 플라즈마를 이용하여 평판 디스플레이 등에 사용되는 유리 기판과 같은 유전체의 세정장치를 구성함에 있어서, 종래의 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이 이송되는 유리 기판 등의 피가공물(1)의 상측 면에 유전체(12a,12b)로 둘러싸인 두 전극(11a,11b)을 위치시키고 전원(2)으로부터 전기를 인가하여 전극사이에서 발생한 플라즈마(5)가 유리 표면에 도달하도록 하는 방식을 사용하고 있다.
그런데 상기와 같은 종래의 플라즈마 발생장치는 다음과 같은 몇 가지 단점이 있다. 먼저, 기판의 상측에서 두 전극 사이에 발생한 플라즈마를 유리 기판에 도달하게 하기 위해서는 큰 전원을 인가해야 하며, 전극의 구조 또한 비대칭으로 독특한 구조를 가져야만 한다. 또한, 발생한 플라즈마의 대부분은 유리 기판으로 향하지 않으므로 플라즈마의 사용 효율이 현저하게 낮아진다. 마지막으로 공급되는 에너지 중 일부는 유전체에 가해져서 유전체를 가열하는데 사용되기 때문에, 에너지 사용 효율이 낮고 별도의 냉각장치가 추가되어야 하며, 플라즈마를 발생시키기 위한 유전체가 쉽게 파괴되는 단점이 있다.
플라즈마를 발생시키기 위한 전원 장치에 있어서는, 종래의 경우에는 단파(HF) 주파수대(3MHz ~ 300MHz)의 전원을 이용하게 되는데, 전원 자체에 매칭박스와 냉각 장치가 부가적으로 필요하게 된다는 단점이 있다.
종래의 대기압 플라즈마 발생장치 중에서 일부는 다른 종류의 전원을 사용하기도 하는데, 상용 교류 전원과 펄스 전원이 그것이다. 상용 교류 전원은 일반 교류 전원(50Hz ~ 60Hz)을 승압하여 사용하는 것으로서, 전원장치의 내구성이 좋으나, 승압을 위한 전원장치의 부피가 크며 에너지 효율이 낮은 단점이 있으며, 펄스 전원은 고전압의 펄스를 사용하는 것으로서, 전원장치 자체가 고가이고 수명이 짧다는 단점이 있다.
또한, 종래의 대기압 플라즈마 발생장치들은, 균일한 플라즈마의 발생을 위해 특정한 혼합가스를 사용해야하므로 가스 공급을 위한 설비가 부가적으로 필요하게 되며, 플라즈마 발생시 함께 발생하는 전자파와 오존에 의한 전자파장애(Electro Magnetic Interference:EMI) 문제와 환경 오염의 문제가 있다.
덧붙여서, 한국 등록 특허 10-0415271 에는 이송되는 기판의 양측에 유전체로 둘러싸인 두 전극을 위치시키고 저주파 전원을 인가하여 습기를 함유한 청정 공기를 분사하여 피가공물을 처리하는 방식의 대기압 플라즈마 발생장치가 제시되어 있는데, 상기 발명 또한 습기를 함유한 특별한 가스를 만들기 위한 부대 장치가 필요하며, 전극에 설치된 유전체가 쉽게 파괴될 수 있다는 단점이 있다.
본 발명은 종래의 대기압 플라즈마 세정장치의 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전극과 유전체의 구조가 간단하면서도 수명이 길고, 전원장치의 구성이 용이하며, 에너지 효율을 극대화시키고, 냉각 장치와 특수 가스 공급장치 등의 부가 장치가 적고, 유지 보수가 쉬운 대기압 플라즈마 유전체 세정장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적으로는, 대기압 플라즈마를 사용함에 있어서 함께 발생할 수 있는 전자파와 오존에 의한 EMI 문제와 환경 오염 문제를 최소화할 수 있는 대기압 플라즈마 유전체 세정장치를 제공하고자 한다.
이러한 본 발명의 목적은, (신설)유전체 방전(Dielectric barrier discharge)방식으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 세정장치를 구성함에 있어서,
소정의 간격을 두고 대향 배치되는 상부전극과 하부전극으로 구성되는 전극부와; 상부전극과 하부전극사이로 유전물질(Dielectric material)로 제작된 피가공물을 이송 통과시키는 이송장치와; 상기 전극부에 전원을 공급하여 플라즈마를 유도하는 전원 공급부로 이루어진 대기압 플라즈마 유전체 세정장치에 의해 달성될 수 있다.
즉, 본 발명은, 피가공물을 세정하기 위한 유전체 방전 방식의 대기압 플라즈마 발생장치를 구성함에 있어서, 피가공물 자체가 플라즈마 발생에 사용되는 유전체 역할을 하도록 장치를 구성하는 것을 그 기술상의 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 플라즈마 발생장치의 구조를 획기적으로 단순화시킴으로써, 제작이 용이하며 에너지 효율이 높은 대기압 플라즈마 세정장치를 구성할 수 있다.
본 발명은 상기 전극부를 감싸며 배치되며 피가공물이 출입하는 게이트 밸브들이 설치되고, 내부로 가스를 공급하는 가스공급장치 및 내부가스를 배출하는 펌핑장치를 설치된 진공용기를 더 포함한다. 진공용기는 플라즈마 사용시 발생할 수 있는 전자파를 최소화하기 위해 전자파 차폐장치 기능을 수행함과 동시에, 오존의 발생을 막기 위해 산소가 포함되지 않은 기체 분위기에서 사용할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
상기 전극부를 구성하는 상부전극 및 하부전극은, 이송장치의 진행방향을 따라 일대일 대응하도록 복수개 배치되며, 각각의 전극부는 독립 제어되어 피가공물이 이동함에 따라 순차적으로 작동하는 것이 바람직하다.
상기 이송장치의 소정위치에는 상부전극과 하부전극사이에 피가공물의 존재여부를 감지하는 검출수단이 설치된다. 이 검출수단은 피가공물이 상하전극 사이에 없는 경우에는 전극 사이에 직접 방전이 일어나는 것에 의한 전극의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 상기 상부전극 또는 하부전극중 적어도 어느 한쪽은 유전체에 의해 둘러싸이고, 전원을 단속적으로 공급하는 것에 의해 검출수단의 추가 장착 없이도 유전체 파괴를 막을 수 있다.
상기 전원공급부는 장파(LF) 주파수대(1kHz ~ 1MHz)의 전원을 사용하는 것이 바람직하다. 장파의 전원장치는 구성이 용이하며 전자파 장애(EMI)의 문제가 적다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예의 구성을 나타내는 개략도 이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 유전물질(Dielectric material)로 제작된 유리 기판 등의 피가공물(1)을 이송하는 이송장치(6)를 갖추고 있다. 이송장치의 일부 구간에는 상기 피가공물이 통과할 수 있도록 일정 간격 떨어진 상부전극(31)과 하부전극(32)으로 구성되는 전극부가 설치된다. 즉, 상부전극(31)과 하부전극(32)은 피가공물(1)이 이동하는 경로의 양측에 상호 대향하도록 배치된다. 본 발명은 상기 전극부에 전원을 단속 또는 연속적으로 공급하는 전원 공급부(2)를 포함한다. 이러한 본 발명은 유리 기판 등이 대상이 되는 피가공물 자체가 대기압 플라즈마 발생에 필요한 유전체 역할을 동시에 수행할 수 있도록 하는 구조를 가지는 것을 그 기술상의 특징으로 한다. 이때 전극의 구조는 도 3에 도시된 바와 같은 직육면체 구조 이외에도 원통형, 다각 기둥 등 다양한 형태가 가능하다.
그런데 제 1 실시예와 같이 대기압 플라즈마 발생장치를 구성하는 경우, 두 전극 사이에 피가공물이 위치하지 않으면, 두 전극이 직접 바라보게 되므로 전극 사이의 직접 방전이 발생할 수 있다. 전극에서 직접 방전이 일어나면 전극이 손상될 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 피가공물을 검출할 수 있는 검출장치(도시되지 않음)를 추가하는 것이 좋다. 피가공물을 검출하는 방법으로는 광학 센서와 같은 검출센서를 사용하거나, 전극 사이의 전기용량의 차이를 이용한 전기적 검출 회로를 이용하는 등의 방법을 사용할 수 있다.
도 4에는 본 발명의 제 2 실시예가 도시되어 있다. 여기에는 전극을 감싸는 유전체를 제공하여 검출수단이 필요 없이 전극을 보호할 수 있는 실시예를 나타내고 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 상부전극 및 하부전극(31,32)에는 유전체(33a,33b)가 설치된다. 상부전극 및 하부전극중 어느 한쪽에만 유전체가 설치될 수도 있다. 이러한 제 2 실시예에서는 피가공물이 전극 사이에 없어도 두 전극이 직접 바라보지 않기 때문에 피가공물 검출 센서가 필요하지 않으며, 더욱 안전하게 장치를 사용할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 제 3 실시예가 도시되어 있다. 여기에는 플라즈마를 특정한 압력 또는 분위기에서 발생시켜 세정효율을 높일 수 있는 실시예를 나타내고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 특정 압력이나 특정 가스분위기에서 플라즈마 발생장치를 사용할 수 있도록, 진공용기(41) 내에 제 1실시예에서 설명한 플라즈마 발생장치가 설치된다. 상기 진공용기(41)에는 피가공물(1)이 출입할 수 있는 게이트 밸브(42a,42b), 진공 배기를 위한 펌핑 포트(44)와 밸브(45b), 가스 주입을 위한 가스 공급포트(43)와 밸브(45a), 전극을 진공 용기 내로 도입하기 위한 전원 도입기(power feedthrough)(35a,35b) 등이 설치될 수 있다. 이러한 실시예서는 필요에 따라 내부가스를 배출하여 진공상태에서 작업을 진행할 수 있고, 필요에 따라 처리가스를 주입하여 세정효율을 높일 수 있게 된다.
도 6과 도 7에는 본 발명의 제 4 실시예가 도시되어 있다. 여기에는 복수의 전극부를 제공하여 과열을 방지하는 실시예를 개시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 다수 개의 상부전극(51a, 51b, 51c, 51d)과 이들에 일대일 대응하는 하부전극(52a, 52b, 52c, 52d)이 열 지어 배열되고, 각각의 상부전극과 하부전극 쌍은 독립적으로 전원 제어가 가능하여, 피가공물(1)이 이동함에 따라 순차적으로 전원을 공급하는 것을 그 기술상에 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 제 4 실시예에서, 전극의 수는 도 6에 도시된 4개보다 크거나 작은 것이 모두 가능하며, 도 7에 도시된 바와 같이 전극의 앞에 유전체(53)를 추가하는 것도 가능하다. 이러한 본 발명의 제 4 실시예는 피가공물이 이동함에 따라 각각의 전극에 전원을 순차적으로 공급하여, 각 전극부가 동작되는 시간을 줄이는 효과를 가짐으로써, 전극부가 과열되는 것을 막아 냉각장치의 필요성을 줄일 수 있고 전극부의 수명을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 실시예들에 한정되지 않으며, 기술적 사상의 범주를 넘지 않는 범위 내에서의 단순한 설계 변경 및 부가 등에 의한 다양한 실시예의 구성이 가능하다.
이상과 같은 본 발명은, 피가공물은 유리 기판 자체를 플라즈마 발생에 필요한 유전체로 사용하는 유전체 방전 플라즈마 발생장치 및 유전체 세정장치를 제공하여, 전극과 유전체의 구조가 간단하며, 전원 장치의 구성이 용이하고, 에너지 사용효율을 획기적으로 높일 수 있으며, 냉각장치와 특수 가스 공급장치 등의 부가 장치가 적어 유지 보수가 줄어들고, EMI 문제와 환경오염 문제를 일으키는 전자파와 오존의 방출을 최소화시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 유전체 방전(Dielectric barrier discharge)방식으로 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 세정장치를 구성함에 있어서,
    소정의 간격을 두고 대향 배치되는 상부전극과 하부전극에 각각 전원을 공급하여 플라즈마를 유도하는 전극부와;
    상기 전극부 전체를 감싸도록 배치되며 피가공물이 출입하는 게이트 밸브들이 설치되고, 내부로 가스를 공급하는 가스공급장치 및 공급된 가스를 외부로 배출하는 펌핑장치가 설치된 진공용기와;
    유전물질(Dielectric material)로 제작된 피가공물을 입구를 통해 진공용기 내부로 유도하고 이를 상부전극과 하부전극 사이로 이송 통과시켜 출구를 통해 배출시키는 이송장치;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 유전체 세정장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 전극부를 구성하는 상부전극 및 하부전극은, 이송장치의 진행방향을 따라 일대일 대응하도록 복수개 배치되며, 각각의 전극부는 독립 제어되어 피가공물이 이동함에 따라 순차적으로 작동하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 유전체 세정장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 이송장치의 소정위치에는 상부전극과 하부전극사이에 피가공물의 존재여부를 감지하는 검출수단이 설치됨을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 유전체 세정장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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