KR100710525B1 - 전자식 캐소딕 아크 점화 장치 - Google Patents

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(주)신한진공
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Abstract

본 발명은 전자식 캐소딕 아크 점화 장치에 관한 것으로, 특히 챔버의 내부에 위치하는 타겟의 표면에 설치되는 점화 전극부; 점화 개시신호에 따라 구동하여 상기 점화 전극부로 점화를 위한 전압펄스신호를 출력하는 점화 전원부; 및 아크 발생을 위한 전원을 공급하고 초기 점화를 위한 점화 개시신호를 상기 점화 전원부로 출력하며, 상기 초기 점화 이후 아크의 이상 감지시 상기 점화 전원부로 재점화를 위한 점화 개시신호를 출력하는 아크 전원부;를 포함하여 구성되되, 상기 점화 전원부의 (+) 단자와 점화 전극부가 연결되고, 상기 점화 전원부의 (-) 단자와 아크 전원부의 (+) 단자가 챔버인 접지와 연결되며, 아크 전원부의 (-) 단자가 타겟에 연결되며, 이러한 본 발명은 아크 상태 감지에 따라 아크 재점화가 이루어짐에 따라 아크 재점화의 지연 시간이 없을 뿐만 아니라, 점화 전극이 별도로 설치되어 대형 타겟에 적용 및 관리가 용이한 효과를 제공한다.
캐소딕 아크, 이온 플레이팅, 점화 개시회로, 점화 전극

Description

전자식 캐소딕 아크 점화 장치{Electrical Ignition Apparatus for Cathodic Arc}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자식 캐소딕 아크 점화 장치를 설명하기 위해 나타낸 개략구성도,
도 2는 본 발명에 따른 점화 전극부의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 점화 전원부의 내부 구성을 나타낸 기능블록도,
도 4는 본 발명에 따른 아크 전원부의 내부 구성을 나타낸 기능블록도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자식 캐소딕 아크 점화 장치의 동작관계를 나타낸 타이밍 공정도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 : 점화 전극부 111 : 점화 전극
112 : 절연물 120 : 점화 전원부
121 : 전원공급부 122 : 콘덴서(C)
123 : 전류제한소자 124 : 펄스발생용 스위치
130 : 아크 전원부 131 : 전원공급부
132 : 콘덴서(C1) 133 : 점화개시회로
본 발명은 이온 플레이팅 코팅에 사용되는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치에 관한 것으로, 특히 이온 플레이팅 코팅 공정을 위한 초기 아크 점화 이후 계속해서 아크 상태를 검지하다가 이상 감지시 전자식 아크 재점화를 통해 아크 소멸이 발생하지 않도록 제어하는 것이 가능한 전자식 캐소딕 아크 점화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 캐소딕 아크를 이용하는 이온 플레이팅 코팅장치는 공정의 시작 시 캐소딕 아크를 점화해야 하며, 공정 중에도 아크가 꺼지면 재점화를 해야 한다. 특히 공정 중 아크 소멸시 신속한 재점화가 이루어지지 않으면 공정 압력의 변동으로 코팅 박막에 계면이 형성되어 밀착력 및 코팅 품질에 영향을 주게 된다.
이러한 이온 플레이팅에 사용되는 플라즈마 발생원은 마그네트론 스퍼터, HCD(Hollow Cathode Discharge), 애노딕 아크와 캐소딕 아크가 주로 사용되고 있으며, 이들 중 이온화율이 가장 높으며 구조가 간단한 캐소딕 아크가 가장 많이 사용되고 있다.
상기와 같은 캐소딕 아크는 아크가 타겟 표면에서 벗어나 꺼지는 현상이 빈번하게 일어나 코팅층에 계면을 형성하여 막 품질을 저하시키므로 이에 대한 대책 이 필요하다. 해결 방법으로는 첫째 캐소딕 아크의 자석, 쉴드와 같이 구조를 개선하여 아크가 빠져나가는 빈도를 줄이거나, 둘째 아크 전류를 증가시켜 타겟 표면에 2개 이상의 아크점(Arc Spot)을 존재하게 하여 1개의 아크점이 빠져나가도 다른 한 개의 아크점이 살아남아 아크가 꺼지지 않게 해야 한다.
그러나 첫째 방법에 의해서는 아크가 꺼지는 빈도를 줄일 수는 있지만 타겟 표면 상태, 공정 압력, 가스 종류 등 다양한 공정 조건에서 근본적으로 아크가 꺼지는 것을 막을 수 없는 문제가 있으며, 둘째 방법은 아크가 거의 꺼지지 않게 유지할 수는 있지만 공정 조건의 하나인 아크 전류에 제한이 있다. 따라서 두 방법 모두 아크가 꺼지는 현상을 개선할 수는 있어도 근본적으로는 아크 재점화에 대한 대책이 요구되는 실정이다.
종래의 캐소딕 아크 점화 방식은 기본적으로 기계식과 전자식으로 크게 나눌 수 있으며, 기계식의 경우 접점 분리, 점화 가스 주입 방식이 있으며 통상적으로 기계식 점화는 접점 분리 방식을 사용한다. 이는 근본적으로 기계 구성품의 동작이 수반되어야 하므로 수 초의 점화시간의 지연이 발생하게 된다. 이는 재점화 시 시간 지연으로 인해 코팅 막 층에 계면을 형성하고, 막질을 저하시키는 단점이 있다. 이는 TiN, TiC와 같이 타겟 물질과 반응가스의 비율이 비슷한 공정에서는 비교적 안정하게 사용할 수 있으나 MDLC(Metallized Diamond Like Carbon)와 같이 캐소딕 아크를 플라즈마 원으로 하는 PECVD 공정의 경우에는 아크가 꺼지는 현상이 박막 특성에 치명적으로 작용할 수 있다.
한편, 전자식의 경우 고전압 펄스와 저전압 펄스 방식이 있으며, 고전압 펄 스 방식의 경우 전극 사이의 가스 방전을 이용하는 것으로 캐소딕 아크 동작 영역이 고진공이므로 높은 전압(~ 10kV)이 필요하다. 또한 저전압 펄스 방식은 절연물 표면에서의 방전을 이용하는 방식으로 상대적으로 저전압(< 1kV)으로 점화가 가능하나, 아크 전원과 점화용 전원을 병렬로 인가하므로 아크 전원에는 역전압 방지를 위해 다이오드를 설치해야 하고 이 다이오드는 점화용 전원의 출력전압 이상의 내압이 필요하고 아크 전원의 높은 출력 전류(~100A)를 감당해야 한다.
또한 아크 전원과 점화용 전원 병렬 출력단과 타겟 사이에는 점화 및 아크 전류 공급을 위한 스위치를 설치하는데 역전압 방지 다이오드와 마찬가지로 높은 전압과 고전류 사양이 요구된다.
또한 타겟의 크기가 커지면 타겟 경계면이 모두 점화에 기여할 수 있어 아크 점화에 필요한 충분한 에너지 밀도를 확보하기가 어렵게 되므로 소형 타겟을 사용하는 경우에만 제한적으로 사용되는 문제가 있다.
이외에도 레이저, 플라즈마 주입 방식이 있으나 구조가 복잡하고 가격이 비싸 특수한 용도로만 제한적으로 사용된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 초기 점화 이후 아크 상태의 감지를 통해 전자식으로 재점화를 수행함으로써 재점화의 시간지연을 극복하고 점화의 재현성 확보 및 대형 캐소딕 아크에 용이하게 적용할 수 있는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 챔버의 내부에 위치하는 타겟의 표면에 설치되는 점화 전극부; 점화 개시신호에 따라 구동하여 상기 점화 전극부로 점화를 위한 전압펄스신호를 출력하는 점화 전원부; 및 아크 발생을 위한 전원을 공급하고 초기 점화를 위한 점화 개시신호를 상기 점화 전원부로 출력하며, 상기 초기 점화 이후 아크의 이상 감지시 상기 점화 전원부로 재점화를 위한 점화 개시신호를 출력하는 아크 전원부;를 포함하여 구성되되, 상기 점화 전원부의 (+) 단자와 점화 전극부가 연결되고, 상기 점화 전원부의 (-) 단자와 아크 전원부의 (+) 단자가 챔버인 접지와 연결되며, 아크 전원부의 (-) 단자가 타겟에 연결되는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치를 개시한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 전자식 캐소딕 아크 점화 장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자식 캐소딕 아크 점화 장치를 설명하기 위해 나타낸 개략구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 점화 전극부의 개략도이며, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 점화 전원부와 아크 전원부의 내부 구성을 나타낸 기능블록도 이며, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자식 캐소딕 아크 점화 장치의 동작관계를 나타낸 타이밍 공정도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자식 캐소딕 아크 점화 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 점화 전극부(110), 점화 전원부(120), 아크 전원부(130)를 포함하여 구성된다.
이러한 구성의 연결 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10)의 내부에 타겟(11)이 위치하고, 그 타겟(11)의 표면에 점화 전극부(110)가 설치되고, 상기 점화 전원부의 (+) 단자가 점화 전극부(110)의 점화 전극(111)과 연결되고, 상기 점화 전원부(120)의 (-) 단자와 아크 전원부(130)의 (+) 단자가 접지인 챔버(10)에 연결되며, 아크 전원부(130)의 (-) 단자가 타겟(11)에 연결된다.
상기 점화 전극부(110)는 아크 점화를 위한 전극으로서 도 2에 도시된 바와 같이, 점화 전극(111)과 절연물(112)로 구성되며, 상기 절연물(112)이 점화 전극(111)을 감싼 형태로 이루어진다.
그리고, 상기 점화 전원부(120)는 점화 개시신호(외부 개시신호)에 따라 구동하여 상기 점화 전극부(110)로 점화를 위한 전압펄스신호를 출력하는 역할을 한다. 이때, 점화 전원부(120)의 출력은 점화에 필요한 에너지만을 전달하기 위해 펄스 형태로 인가하며, 전압은 1000V 이하, 펄스폭은 0.1 ~ 100 msec로 가변한다.
이러한 상기 점화 전원부(120)는 아크 전원부(130)로부터 점화 개시신호를 받아서 동작하며, 초기 구동시에는 외부의 개시신호를 통해서도 제어되어 구동될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 점화 전원부(120)의 내부 구성을 나타낸 기능블록도 이다.
상기 점화 전원부(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 콘덴서 충전용의 전원공급부(121)와, 상기 전원공급부(121)와 병렬 연결된 콘덴서(122)(C)와, 상기 전원공급부(121)와 직렬 연결된 전류 제한용의 전류제한소자(123)와, 상기 전류제한소자(123)와 직렬 연결되며 제공되는 점화 개시신호에 따라 구동되는 펄스발생용 스위치(124)로 구성되며, 상기 콘덴서(122)는 10㎌ 이하로 구성됨이 바람직하며, 상기 전류제한소자(123)는 저항 또는 리액터로 구성될 수 있다.
상기 아크 전원부(130)는 아크 발생을 위한 전원을 공급하고 초기 점화를 위한 점화 개시신호를 상기 점화 전원부(120)로 출력하며, 상기 초기 점화 이후 아크의 이상 감지시 상기 점화 전원부(120)로 재점화를 위한 점화 개시신호를 출력하는 역할을 한다.
도 4는 본 발명에 따른 아크 전원부의 내부 구성을 나타낸 기능블록도 이다.
상기 아크 전원부(130)는 도 4에 도시된 바와 같이, 아크 발생을 위한 전원을 공급하는 전원공급부(131)와, 상기 전원공급부(131)와 병렬 접속되는 콘덴서(132)(C1)와, 초기 점화 이후 아크의 전압 및 전류의 이상을 감지하고 그에 따른 재점화를 위한 점화 개시신호를 발생시키는 점화개시회로(133)를 포함하여 구성한다.
이때, 상기 콘덴서(132)(C1)는 상기 점화 전원부(120)에 의한 초기 아크 점화시 발생할 수 있는 고전압 방지를 위한 내압 콘덴서로서, 상기 점화 전원부(120)로부터의 펄스 에너지에 의해 상승하는 전압이 아크용 전원 내압 이하가 되도록 그 용량을 1 ㎌ 이하로 설정함이 바람직하다.
또한, 상기 점화개시회로(133)는 외부로부터 신호를 받거나 아크용 전원의 전압이 정상전압 이상일 때 혹은 아크 전류가 설정 전류 이하일 때 점화 개시신호를 발생시키고 상기 점화 전원부(120)의 펄스 발생용 스위치(124)로 출력한다.
또한, 상기 점화 전원부(120)의 (-) 단자와 아크 전원부(130)의 (+) 단자는 도 1에 도시된 챔버(10) 대신에 별도의 양극을 설치하는 경우, 챔버(10)가 아닌 별도의 양극을 공통 전극으로 사용할 수도 있다.
그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자식 캐소딕 아크 점화 장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 상기 챔버(10)에 타겟(11)이 위치하고, 그 타겟(11)의 표면에 점화 전극부(110)를 설치한 상태에서, 점화 전원부(120)와 아크 전원부(130)의 출력단자를 도 1에 도시된 바와 같이 각각 연결한다.
다음, 아크 전원부(130)와 점화 전원부(120)를 온(ON) 시키면, 상기 아크 전원부(130)는 출력 최대 전압을 타겟(11)에 인가하고 대기 상태가 된다. 이때 아크는 점화되지 않은 상태로 전류 값은 0이다.
이어서, 상기 아크 전원부(130)는 자체의 대기 상태에 도달한 것을 판단하여 점화 개시신호를 상기 점화 전원부(120)로 출력하고, 상기 점화 전원부(120)로부터 점화 개시신호를 수신한 상기 점화 전원부(120)는 1000V 이하의 전압펄스신호를 상기 점화 전극부(110)의 점화 전극(111)에 보내고, 상기 전압펄스신호를 받은 점화 전극(111)과 타겟(11) 사이의 절연물(112) 표면에서 도 2에 도시된 바와 같은 아크 가 발생하고 점화가 이루어진다.
이때, 상기 아크 전원부(130)의 전원이 투입된 상태이므로 아크 방전을 기반으로 상기 타겟(11)과 챔버(10) 사이에 아크가 형성된다.
상기와 같은 초기 점화는 외부에서 별도의 외부 개시신호를 주거나 아크 전원부(130)에서 점화 개시신호를 상기 점화 전원부(120)로 전달하는 경우가 될 수 있다.
다음, 정상적으로 아크가 형성되면 이온 플레이팅 공정이 진행되고, 상기 이온 플레이팅 공정 중 아크의 소멸 가능성이 상기 아크 전원부(130)의 점화개시회로(133)에 의해 감지되면 상기 점화개시회로(133)가 재점화를 위한 점화 개시신호를 발생시켜 상기 점화 전원부(120)의 펄스발생용 스위치(124)로 발생시킨 점화 개시신호를 출력한다.
그러면, 상기 펄스발생용 스위치(124)가 구동되면서 재점화를 위한 전압펄스신호를 상기 점화 전극부(110)의 점화 전극(111)으로 출력하여 재점화를 시키게 된다. 이때, 상기 점화개시회로(133)는 아크의 전압이 정상 전압 이상일 경우, 또는 아크의 설정 전류 이하로 아크 전류가 동작할 때 점화 개시신호를 발생시키게 된다.
상기의 전자식 캐소딕 아크의 재점화는 아크의 전원 전류와 전압의 기준값 이상에 따라 발생한 점화 개시신호와, 그 점화 개시신호에 따른 점화 전원의 전압인 전압펄스신호에 의해 재점화가 이루어짐을 도 5에 도시된 타이밍 공정도를 통해 명확히 확인할 수 있다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 본 발명은 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아이며, 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 전자식 캐소딕 아크 점화 장치에 의하면, 아크 상태 감지에 따라 아크 재점화가 이루어짐에 따라 아크 재점화의 지연 시간이 없을 뿐만 아니라, 점화 전극이 별도로 설치되어 대형 타겟에 적용 및 관리가 용이한 효과가 있다.
또한, 공정 중 아크 소멸 시간을 최소화할 수 있으며, 아크 감지 변수의 설정에 따라서는 아크 소멸이 없는 공정을 실현할 수 있으며, 또한 점화 전원의 스위치가 저 전류 영역에서만 동작하므로 비용이 절감되고, 기존의 역전압 방지용 대전류, 역전압 방지 다이오드 대신에 콘덴서를 사용하므로 비용 절감은 물론 전원의 신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 챔버의 내부에 위치하는 타겟의 표면에 설치되는 점화 전극부;
    점화 개시신호에 따라 구동하여 상기 점화 전극부로 점화를 위한 전압펄스신호를 출력하는 점화 전원부; 및
    아크 발생을 위한 전원을 공급하는 전원공급부와, 초기 점화를 위한 점화 개시신호를 상기 점화 전원부로 출력하며 상기 초기 점화 이후 아크의 전압 및 전류의 이상을 감지하고 그에 따른 재점화를 위한 점화 개시신호를 발생시켜 상기 점화 전원부로 출력하는 점화개시회로를 포함하여 구성되는 아크 전원부;를 포함하고,
    상기 점화 전원부의 (+) 단자와 점화 전극부가 연결되고, 상기 점화 전원부의 (-) 단자와 아크 전원부의 (+) 단자가 접지인 챔버에 연결되며, 아크 전원부의 (-) 단자가 타겟에 연결되는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 점화 전극부는 점화 전극과 절연물로 구성하되, 상기 절연물이 점화 전극을 감싼 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 점화 전원부는 콘덴서 충전용의 전원공급부와, 상기 콘덴서 충전용의 전원공급부와 병렬 연결된 콘덴서와, 상기 전원공급부와 직렬 연결된 전류 제한용의 전류제한소자와, 상기 전류제한소자와 직렬 연결되며 제공되는 점화 개시신호에 따라 구동되는 펄스발생용 스위치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전류제한소자는 저항 또는 리액터로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 아크 전원부는 상기 전원공급부와 병렬 접속되는 콘덴서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 콘덴서는 상기 점화 전원부에 의한 초기 아크 점화시 발생하는 고전압 방지를 위한 내압 콘덴서로서, 그 용량은 1 ㎌ 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점화 전원부의 (-) 단자와 아크 전원부의 (+) 단자는 별도의 양극이 설치되는 경우, 챔버가 아닌 별도의 양극을 공통 전극으로 사용하는 것을 특징으로 하는 전자식 캐소딕 아크 점화 장치
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