KR101020769B1 - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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이원주
신강식
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Abstract

본 발명은, 중공관의 형태로 내부는 대기압 상태의 방전공간이 형성되며, 단부로는 플라즈마가 분사되는 하우징과, 상기 하우징의 길이방향으로 상기 하우징 내에 플라즈마 방전가스를 공급하는 방전가스 공급부와, 상기 방전공간을 둘러싸는 제1방전전극과, 상기 제1방전전극과 플라즈마 방전을 발생시키는 제2방전전극 및 상기 제1방전전극과 상기 제2방전전극에 교류 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.
따라서, 진공상태의 반응실이 아닌 대기압 상태인 하우징에서 플라즈마 제트의 형성이 가능하고, 플라즈마 제트를 발생시키는 플라즈마 발생장치의 구조가 간단하며, 하우징의 내부에 삽입되는 플로팅 전극에 의하여 방전 개시 전압을 낮추어 낮은 전압으로도 플라즈마의 발생이 가능하고, 링 형상의 방전 전극에 의하여 방전이 측면에서 중앙부로 확산되므로 인하여, 방전영역이 향상됨으로써 방전공간 전체를 효율적으로 이용할 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치{Plasma generator}
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기압 하에서 플라즈마 젯(Jet)을 발생시키는 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적인 종래의 플라즈마 발생장치를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 플라즈마 발생에 필요한 조건을 형성시키기 위하여 외부와 차단되어 있는 석영으로 된 반응실(Chamber:2) 상부에 해당공정에 필요한 특정가스를 공급시키기 위한 가스공급계(17)가 연결되어 있고, 반응실(2)과 온도조절기를 이용하여 시로(공급가스)의 온도를 조절하는 하부전극(5)을 오링(6)을 이용하여 밀폐시킨다.
상기 하부전극(5)에는 펌핑 포트(Pumping port:15)가 가공되어 있고 원하는 압력을 유지하기 위한 진공펌프(7)가 압력조절기(14)를 통하여 펌핑포트(15)에 연결되어 있다.
또한, 하부전극(5) 내에 온도조절관(16)이 가공되어 있으며, 이는 온도조절기(8)와 연결되어 있다.
밀폐된 반응실(2) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위한 고주파(RF)전극(3)과 접지전극(4)이 반응실의 석영에 형성되어 고주파전극(3)에는 고주파 파워발생기(10)가 연결되고, 접지전극(4)이 접지되며, 상기 접지전극(4)과 고주파전극(3)은 절연체(12)를 이용하여 전기적으로 서로 고립되어 있다.
이와 같이 구성된 종래의 플라즈마 발생장치는 다음과 같이 동작한다.
진공펌프(7) 및 압력조절기(14)를 이용하여 반응실 내부의 압력을 일정하게 유지시키면서 가스공급체(17)를 이용하여 일정한 가스를 주입하고 접지전극(4)과 고주파전극(3)에 고주파 전원을 인가시키면 전극사이에 플라즈마가 형성된다.
이 플라즈마 내부에는 공급된 가스가 전기적으로 해리되어 양이온과 전자가 존재하며, 또한 화학적으로 활성을 지닌 라디칼(Radical)이 존재한다.
그리고, 진공펌프(7)로 가스 공급계에 의해 공급된 가스가 배기되며, 이에 따라 플라즈마 내의 양이온, 전자, 라디칼은 서로 재결합되며, 펌핑포트(15)로 흘러내려 간다.
종래의 플라즈마 발생장치는 진공상태가 유지되는 반응실(2)에 설치되어야 하고, 전체 구조가 복잡하며, 시료의 품질이 저하되고 시료의 이용이 불편한 문제점이 있었다.
본 발명은 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 대기압 하에서 플라즈마 젯(Jet)을 발생시키는 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 중공관의 형태로 내부는 대기압 상태의 방전공간이 형성되며, 단부로는 플라즈마가 분사되는 하우징과, 상기 하우징의 길이방향으로 상기 하우징 내에 플라즈마 방전가스를 공급하는 방전가스 공급부와, 상기 방전공간을 둘러싸는 제1방전전극과, 상기 제1방전전극과 플라즈마 방전을 발생시키는 제2방전전극 및 상기 제1방전전극과 상기 제2방전전극에 교류 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하는 플라즈마 발생장치를 제공한다.
본 발명에 따른 플라즈마 발생장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 진공상태의 반응실이 아닌 대기압 상태인 하우징에서 플라즈마 제트의 형성이 가능하다.
둘째, 플라즈마 발생장치의 구조가 간단하고, 하우징의 내부에 삽입되는 플로팅 전극에 의하여 방전 개시 전압을 낮출 수 있다.
셋째, 링 형상의 방전 전극에 의하여 방전이 측면에서 중앙부로 확산되므로 인하여, 방전영역이 향상됨으로써 방전공간 전체를 효율적으로 이용할 수 있다.
도 1은 종래의 플라즈마 발생장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 3은 도 1에 플로팅 전극이 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치(100)는, 하우징(110)과, 방전가스 공급부(120)와, 제1방전 전극(130)과, 제2방전 전극(140)과, 전원공급부(150)을 포함한다.
상기 하우징(100)은 중공관의 형태로 이루어지며, 상기 하우징(100)의 상부에는 방전가스가 유입되는 유입구(112)가 형성되고, 상기 하우징(100)의 하부에는 발생된 플라즈마 제트가 토출되는 토출구(114)가 형성된다.
상기 하우징(110)의 내측으로는 방전공간(116)이 형성되는데, 상기 방전공간(116)으로는 방전가스 공급부(120)에서 공급하는 방전가스가 공급된다. 상기 방전가스 공급부(120)에서 상기 하우징(110)의 방전공간(116)으로 공급되는 방전가스로는 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 및 질소(N₂)가 주로 이용되는데, 하나씩 독립적으로 사용될 수 있고, 상기 헬륨(He)이나 아르곤(Ar) 및 질소(N₂)가 혼합되어 사용될 수 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다양한 종류의 방전가스가 이용 가능하다.
상기 방전가스 공급부(120)는 방전가스 저정부(122)와 공급관(124)로 이루어지는데, 상기 방전가스 저정부(122)는 플라즈마를 발생시키는 방전가스로 사용되는 헬륨(He), 아르곤(Ar) 또는 질소(N₂)가 저장되는 공간이며, 상기 공급관(124)은 플라즈마를 발생시키는 방전가스를 상기 방전가스 저장부(122)로부터 상기 하우징(110)의 방전공간(116)으로 공급하는 역할을 한다.
상기 하우징(110)의 외측면에는 상기 하우징(110) 내측의 방전공간(116)을 둘러싸는 제1방전 전극(130)이 구비되는데, 상기 제1방전 전극(130)은 링 형상을 가진다.
또한, 상기 하우징(110)에는 상기 제1방전 전극(130)과 함께 플라즈마 방전을 발생시키는 제2방전 전극(140)이 구비되는데, 상기 제2방전 전극(140) 역시 상기 제1방전 전극(130)과 동일한 링 형상을 가진다. 상기 제1방전 전극(130) 및 상기 제2방전 전극(140)은 유전체(미도시)로 덮여질 수 있다.
상기 제1방전 전극(130)과 상기 제2방전 전극(140)이 링 형상으로 형성되어 있기 때문에 면 방전이 방전공간(116)을 형성하는 모든 측면에서 발생될 수 있으므로, 방전면적이 크게 확대될 수 있고, 플라즈마 방전이 방전 셀을 형성하는 측면에서 발생하여 중앙부로 확산되므로, 방전 영역이 종래에 비하여 현저하게 향상됨으로써 방전공간(116) 전체를 효율적으로 이용할 수 있다.
상기 제1방전 전극(130)과 상기 제2방전 전극(140)에는 교류 전원이 공급되는데, 교류 전원은 별도로 구비되는 전원공급부(150)에서 상기 제1방전 전극(130)과 제2방전 전극(140)으로 공급된다.
상기 전원공급부(150)에서 공급되는 교류 전원은 제1방전 전극(130)과 제2방전 전극(140)에 서로 다른 전극이 교번하여 공급되는데, 상기 제1방전 전극(130)과 제2방전 전극(140)으로 공급되는 서로 다른 전극의 전원에 의해 상기 하우징(110)의 방전공간(116) 내의 방전가스가 상기 제1방전 전극(130)과 상기 제2방전 전극(140)의 사이에서 플라즈마 방전을 일으킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치(100)에 의해서, 플라즈마를 방전공간(116)의 중앙부로 집중시킬 수 있는데, 플라즈마 방전이 상기 방전공간(116)의 측면에서 발생하여 상기 방전공간(116)의 중앙부로 확산되고, 그에 따라 플라즈마도 상기 방전공간(116)의 중앙부로 집중하게 되며, 상기 제1방전 전극(130)과 상기 제2방전 전극(140)에 인가된 전압에 의한 전계의 영향으로 플라즈마가 상기 방전공간(116)의 중앙부에 모이는 경향을 갖게 됨으로써, 공간저하를 플라즈마 방전에 활용할 수 있다.
또한, 상기 발생된 플라즈마는 방전가스 공급관(124)으로부터 유입되는 방전가스의 모멘텀에 의하여 토출부에서 젯(Jet) 형상을 가지게 된다.
상기 하우징(110)에는 방전공간(116)에 삽입되어 방전 개시 전압을 낮추기 위한 플로팅 전극(160)이 구비되는데, 상기 플로팅 전극(160)은 도전성 물질로 형성된다. 상기 플로팅 전극(160)은 상기 하우징 내에 삽입되며 상하로 이동가능한 구조인 상기 공급관(124)을 둘러싸는 링 형상이지만, 상기 플로팅 전극(160)을 링 형상으로 한정하는 것은 아니며, 다른 형상의 구조도 가능하다. 상기 공급관(124)을 둘러싸는 상기 플로팅 전극(160)은 유전체(미도시)로 덮여질 수 있다.
또한, 상기 방전가스 저장부(122)의 방전가스를 상기 하우징(110)으로 공급하는 공급관(124)이 도전성을 가지는 금속재질로 이루어진 경우에는, 상기 하우징(110)의 방전공간(116)에 삽입되어 방전 개시 전압을 낮추기 위한 플로팅 전극(160)이 상기 공급관(124)에 별도로 구비되지 않고, 상기 공급관(124) 자체가 플로팅 전극(160)의 역할을 하여 상기 방전공간(116) 내에서 방전 개시 전압을 낮추게 된다.
상기 하우징(110) 내에 삽입되는 상기 플로팅 전극(160)에 의하여 상기 방전공간(116) 내에서 낮은 전압으로 방전이 개시되며, 그 후 제1방전전극(130)과 제2방전전극(140) 사이의 방전이 발생한다.
상기 하우징(110)은 길이방향으로 일정한 내경(D)을 가지도록 형성되는데, 상기 내경(D)은 상기 하우징(110)의 방전공간(116)를 둘러싸는 링 형상의 제1방전 전극(130)과 제2방전 전극(140) 사이의 길이(H)보다 작거나 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 하우징(110)의 내경(D)이 상기 제1방전 전극(130)과 상기 제2방전 전극(140) 사이의 길이(H)보다 크게 되면, 상기 하우징(110)의 방전공간(116)으로 공급되는 방전가스가 상기 제1방전 전극(130)과 상기 제2방전 전극(140)에서 인가되는 전압에 의해 플라즈마를 발생시킬 때, 상기 하우징(110)의 방전공간(116)의 중앙부로 플랄즈마를 집중시키기가 어렵게 되기 때문이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플랄즈마 발생장치의 작동상태를 설명하면 다음과 같다.
방전가스 공급부(120)의 방전가스 저장부(122)에 저장된 플라즈마를 발생시키는 아르곤(Ar)이나 헬륨(He), 질소(N₂) 또는 혼합 방전가스는 공급관(124)을 통하여 하우징(110)의 주입구(112)로 공급된다.
상기 하우징(110)의 주입구(112)로 공급된 방전가스는 상기 하우징(110)의 방전공간(116)으로 이동되고, 상기 하우징(110)의 방전공간(116)을 둘러싸는 링 형상의 제1방전 전극(130)과 제2방전 전극(140)에서 인가되는 전압에 의해 플라즈마를 발생시키고, 상기 하우징(110)의 토출구(114)에 플라즈마 젯(Jet)이 형성된다.
따라서, 진공상태의 반응실이 아닌 대기압 상태인 하우징(110)에서 플라즈마 제트의 형성이 가능하고, 플라즈마 제트를 발생시키는 플라즈마 발생장치의 구조가 간단하며, 하우징(110)의 내부에 삽입되는 플로팅 전극(160) 및 도전성을 가지는 금속재질의 공급관에 의하여 방전 개시 전압을 낮추어 낮은 전압으로도 플라즈마의 발생이 가능하고, 링 형상의 방전 전극에 의하여 방전이 측면에서 중앙부로 확산되므로 인하여, 방전영역이 향상됨으로써 방전공간(116) 전체를 효율적으로 이용할 수 있다.
도 4와 도 5에 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치(200)가 도시되어 있다. 이하에서는 전술한 실시 예와 상이한 점을 중심으로 설명한다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치(200)는, 하우징(210)과, 방전가스 공급부(220)와, 제1방전 전극(230)과, 제2방전 전극(240)과, 전원공급부(250)를 포함한다.
상기 하우징(210)과, 방전가스 공급부(220)와, 제1방전 전극(230)과, 전원공급부(250)는 앞에서 언급한 구성과 내용이 동일하다.
다만, 제2방전 전극(240)이 링 형상으로 상기 하우징(200)의 방전공간(216)을 둘러싸는 것이 아니라, 상기 공급관(224)을 둘러싸는 것이며, 상기 제2방전 전극(240)은 유전체(미도시)에 의해 보호될 수 있고, 상기 하우징(200)의 방전공간(216)의 내측에 삽입되어 상하로 이동하게 된다.
상기 방전가스 공급부(220)에서 공급되는 방전가스가 상기 하우징(210)의 내측으로 상기 공급관(224)를 통하여 유입되어, 상기 전원공공급부(250)에서 공급되는 전원이 상기 제1방전 전극(230)과 상기 제2방전 전극(240)으로 인가되면서, 상기 하우징(200)의 방전공간(216) 내에서 플라즈마를 발생시키고, 상기 하우징(210)의 토출구(214)에 플라즈마 젯(Jet)이 형성된다.
또한, 상기 하우징(210)의 방전공간(216) 내에 삽입되는 상기 제2방전 전극(240)의 내측에는 방전 개시 전압을 낮추기 위한 플로팅 전극(미도시)이 구비될 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 플라즈마 발생장치(200)는, 하우징(210)과, 방전가스 공급부(220)와, 제1방전 전극(230)과, 전원공급부(250)를 포함한다.
상기 하우징(210)과, 방전가스 공급부(220)와, 제1방전 전극(230)과, 전원공급부(250)는 앞에서 언급한 구성과 내용이 동일하다.
방전가스를 공급하는 공급관(224)이 도전성을 가지는 금속 재질로 상기 공급관(224)에 제2방전 전극(240)이 구비되는 것이 아니라, 상기 공급관(224)에 상기 전원공급부(250)에서 인가되는 전원이 공급되어 상기 공급관(224) 자체가 방전전극이 되어 상기 제1전극(230)과 교번하여, 상기 방전공간(216) 내에서 플라즈마를 발생시키고, 상기 하우징의 토출구(214)에 플라즈마 젯(Jet)이 형성된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 플라즈마 발생장치 110 : 하우징
112 : 유입구 114 : 토출구
120 : 방전가스 공급부 122 : 방전가스 저장부
124 : 공급관 130 : 제1방전 전극
140 : 제2방전 전극 150 : 전원공급부
160 : 플로팅 전극 200 : 플라즈마 발생장치
210 : 하우징 220 : 방전가스 공급부
230 : 제1방전 전극 240 : 제2방전 전극
250 : 전원공급부

Claims (8)

  1. 중공관의 형태로 내부는 대기압 상태의 방전공간이 형성되며, 단부로는 플라즈마가 분사되는 하우징;
    상기 하우징의 길이방향으로 상기 하우징 내에 플라즈마 방전가스를 공급하는 방전가스 공급부;
    상기 방전공간을 둘러싸는 제1방전전극;
    상기 제1방전전극과 플라즈마 방전을 발생시키는 제2방전전극; 및
    상기 제1방전전극과 상기 제2방전전극에 교류 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하고,
    상기 방전가스 공급부는,
    방전가스 저장부; 및
    상기 하우징의 내부에 삽입되며, 상기 방전가스 저장부로부터 상기 방전가스를 상기 방전공간으로 인젝션하는 공급관을 포함하고,
    상기 제1방전 전극은 상기 하우징의 외주면 상에 배치되어 있으며,
    상기 제2방전 전극은 상기 공급관의 외주면에 배치되어 있는 플라즈마 발생장치.
  2. 중공관의 형태로 내부는 대기압 상태의 방전공간이 형성되며, 단부로는 플라즈마가 분사되는 하우징;
    상기 하우징의 길이방향으로 상기 하우징 내에 플라즈마 방전가스를 공급하는 방전가스 공급부;
    상기 방전공간을 둘러싸는 제1방전전극;
    상기 제1방전전극과 플라즈마 방전을 발생시키는 제2방전전극; 및
    상기 제1방전전극과 상기 제2방전전극에 교류 전원을 공급하는 전원공급부를 포함하고,
    상기 방전가스 공급부는,
    방전가스 저장부; 및
    상기 하우징의 내부에 삽입되며, 상기 방전가스 저장부로부터 상기 방전가스를 상기 방전공간으로 인젝션하고, 전기 전도성 물질로 형성된 공급관을 포함하고,
    상기 제1방전 전극은 상기 하우징의 외주면 상에 배치되어 있으며,
    상기 공급관이 상기 제2방전 전극의 기능을 수행하는 플라즈마 발생장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2방전전극은 상기 방전공간을 둘러싸는 플라즈마 발생장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2방전전극은 상기 제1방전전극과 상기 하우징의 길이방향으로 이격되어 배치되는 플라즈마 발생장치.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 하우징의 방전공간 내에 삽입되어 방전 개시 전압을 낮추기 위한 플로팅 전극을 더 포함하는 플라즈마 발생장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 하우징은 길이 방향으로 일정한 내경(D)을 가지고,
    상기 내경(D)는 상기 제1방전전극과 상기 제2방전전극의 이격 길이(H) 보다 작거나 동일한 플라즈마 발생장치.
KR1020100084769A 2010-08-31 2010-08-31 플라즈마 발생장치 KR101020769B1 (ko)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100069263A (ko) * 2008-12-16 2010-06-24 부산대학교 산학협력단 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치

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