KR101032836B1 - 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치 - Google Patents

직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두개의 전극 사이로 플라즈마 방전용 피딩가스를 공급하여 글로우 방전을 발생시키는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 전극에 인가되는 전원이 직류(DC) 펄스 전압으로서, 상기 직류 펄스 전압은 대기압 상태에서 전원 인가 시점을 시작시간으로 해서 플라즈마가 글로우 방전을 개시한 후 아크 방전으로 전이되기 전을 종료시간으로 하는 펄스 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 전극설계의 자유도가 크고, 고주파 전원 및 임피던스 정합장치 등과 같은 고가의 주변 장치 설치비가 필요없으며, 플라즈마 처리 장치 설계의 자유도가 큰 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치가 제공되는 이점이 있다.
플라즈마, 직류 방전, RF 방전, 마이크로 방전, 대기압 플라즈마

Description

직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치{Atmospheric Pressure Glow discharges Plasma device by DC pulse power}
본 발명은 두개의 전극 사이로 플라즈마 방전용 피딩가스를 공급하여 글로우 방전을 발생시키는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 전극에 인가되는 전원이 직류(DC) 펄스 전압으로서, 상기 직류 펄스 전압은 대기압 상태에서 전원 인가 시점을 시작시간으로 해서 플라즈마가 글로우 방전을 개시한 후 아크 방전으로 전이되기 전을 종료시간으로 하는 펄스 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
최근 들어 대기압 플라즈마에 대한 관심이 크게 증가되고 있는데, 이는 통상의 저압 공정(혹은 진공 공정)으로 이루어지는 플라즈마 프로세스에 비해 많은 장점을 가지고 있기 때문이다.
종래의 플라즈마 공정은 대부분이 대기압보다 낮은 압력에서 행해지고 있었으므로, 플라즈마 프로세싱에는 진공 챔버가 필요하였으며 이를 위한 고가의 진공 시스템 등이 구비되어야 하였다.
이러한 이유로 디스플레이 산업의 경우를 예를 들면, 대면적의 기판을 처리하기 위한 플라즈마 공정장비의 가격은 그 처리 면적이 증가함에 따라 기하급수적 으로 증가하였다.
반면, 모든 공정이 대기압에서 진행되는 대기압 플라즈마 프로세스는 저렴한 가격 및 간편한 시스템, 환경문제를 해결하면서도 각종 재료 및 물질의 처리에 있어서 진공 플라즈마와 같은 효과를 내는 이상적인 기술이므로, 상기한 바와 같은 진공 시스템이 필요 없으며, 이는 전체 시스템의 구조를 단순화하고 시스템의 제작, 유지, 보수 비용을 대폭 절감시키는 효과가 있다.
또한 진공 환경이 필요 없기 때문에 지금까지 공정 적용에 제약을 받았던 물질의 프로세스나 다양한 형상의 대상물의 처리도 가능해져, 플라즈마 공정의 응용 분야를 확대할 수 있으며, 플라즈마 처리면적의 확장에 있어서도 통상의 저압 플라즈마에 비하여 개발이 용이한 이점이 있다.
이와 같이 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 기술은 그 산업적 응용성이 무궁무진함으로 인해서 산업적으로 대단히 매력적인 기술이지만, 진공 플라즈마에 비해 대기압 플라즈마의 발생이 대단히 어렵다는 문제점이 있다.
이하, 상기 대기압 플라즈마의 생성기술에 대하여 살펴보기로 한다.
종래에 있어서 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 선행기술에는 일반적으로 코로나 방전(Corona Discharges), 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharges), 대기압 글로우 방전(Atmospheric Pressure Glow discharges, APG)이 있다.
상기 코로나 방전은 두 개의 전극 중 적어도 하나를 침상, 와이어 혹은 핀 형태로 구성하여 전계의 집중 효과를 이용하고 내부저항이 큰 고전압 전원 또는 전극에 저항을 이용하여 아크를 억제하고 저전류의 플라즈마를 발생시켜 여러 산업 분야에 이용되고 있다.
하지만 코로나 방전의 경우, 아크를 억제하기 위해 사용되는 저항에서의 소비전력이 크기 때문에 비효율적이며, 스트리머 형태로 발생됨으로 인해 플라즈마가 균일하지 못하고 밀도가 크지 않다. 또한 전극손상이 쉬우며 내부저항이 큰 고전압 전원을 사용으로 장치비가 고가이며 전원장치의 운전 및 관리에 어려움이 따른다.
상기 유전체 장벽 방전은 상기 코로나 방전에서 쉽게 발생하는 아크방전을 해결하기 위한 방식으로 쌍을 이루는 두 개의 전극 일측 또는 양측에 유전체 장벽을 설치하여 유전분극 현상을 이용하여 전하집적을 통한 역전위 형성으로 방전이 정지되는 즉, 펄스방전으로 되어 아크 방전으로 전환되는 것을 막는 방전이다.
이 방전은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있으나 플라즈마 밀도가 낮고 유전체 장벽을 우선으로 생각해야하기 때문에 전극 설계 및 장치 설계에 한계가 있으며 무효 전력에 의한 전력손실이 큰 단점이 있다.
즉, 상기한 바와 같이 상기 코로나 방전과 유전체 장벽 방전은 아크로 전환 되기 쉬운 단점과 이를 보완하기 위한 장치적 한계가 뚜렷하므로, 최근에 이르러 대기압 글로우 방전에 대한 관심이 집중되고 있다.
이하 상기 대기압 글로우 방전에 대하여 보다 상세히 살펴보기로 한다.
대기압 글로우 방전(Atmospheric pressure glow discharges)은 방전 개시전압이 높고, 가스 온도가 높아지기 쉽기 때문에 글로우-아크 전이 현상이 일어나기 쉽다.
따라서, 대기압 글로우 방전을 유지하기 위해서는 이러한 글로우-아크 전이 현상을 방지할 수 있어야 하며, 대기압 글루우 방전 기술의 발전은 이러한 글로우-아크 전이 현상을 해결하기 위한 노력에 따라 이루어졌다.
대기압 글루우 방전을 일으키는 플라즈마 발생 메카니즘은 여러 가지가 있지만 산업체에서 주로 사용되는 플라즈마 발생 방식은 대부분 전기장을 통해 하전입자에 에너지를 전달하는 방식으로 이루어 진다.
전기장에는 시간에 따른 전기장의 크기와 방향이 어떻게 변하느냐에 따라 직류 전기장과 교류전기장으로 나눌수 있으며 이러한 전기장의 주파수에 따라 플라즈마가 발생되는 메카니즘과 플라즈마의 특성이 다르게 된다.
이러한 전기장을 형성시키는 방법에 따라 직류 방전, RF 방전, 마이크로웨이프 방전으로 구분되는데, 이하, 이러한 전기장 각각에 대해서 플라즈마 발생 메카니즘과 플라즈마의 특성에 대해서 자세히 살펴보기로 한다.
플라즈마가 발생되기 전 단계의 물체 상태는 레이저 핵융합과 같은 특이한 경우를 제외하면 대부분 기체 상태이다. 이러한 기체 내에는 아주 작은 양의 전자가 존재하는데 이러한 전자들은 지구 바깥에서 온 방사선이나 우주선, 빛 등 여러 가지 원인에 의해서 이온화된 것들이다.
이렇게 기체 내부에는 미세한 양이기는 하지만 전자들이 존재하며 기체에 전압이 인가되면 전기장이 형성되고 이런 전자들은 전기장에 의해 가속되며 에너지를 얻게 된다.
전기장에 의해 얻은 전자의 에너지가 작은 경우에는 기체분자들과 충돌과정에서 기체분자를 이온화 또는 해리시키지 못하고 주로 탄성충돌에 의해 자신의 운동 방향만 바뀌게 된다.
원자나 분자와의 탄성 충돌로 전자가 잃는 에너지의 비율은 대략 2me/M (M은 원자나 분자의 질량, Ar 원자의 경우 대략 1/38,000)정도이기 때문에 이러한 탄성 충돌 동안 전자는 전체 에너지의 아주 작은 부분만 잃는다.
반면 전자의 에너지가 큰 경우는 기체 분자를 해리시키기도 하고 이온화 시키기도 하는데 플라즈마가 처음에 생성되기 위해서는 이온화 과정이 필수적으로 일어나야 한다.
만약 하나의 전자와 하나의 기체가 충돌하여 이온화 과정이 일어났다고 한다면 결과적으로 전자는 2개가 된다.
2개의 전자는 다시 가속되어 에너지를 얻게되고 이들은 다시 이온화 과정을 통해 4개의 전자를 만들게 되며 이러한 반응은 반복적으로 일어나 전자의 수는 급겨하게 증가하게 되며 이 과정을 ‘전자 증식’이라 한다.
이온화에 의해서 생성되는 전자 수와 재결합에 의해서 없어지는 수가 같아지는 평형 상태에 도달할 때까지 전자의 수는 계속 증가하게 된다.
이때 형성된 전자 밀도 및 전자온도가 플라즈마의 물리 화학적 특성을 결정하게 되며 이는 인가된 전기장의 세기, 주파수, 가스의 종류와 압력, 반응기의 크기와 재료의 표면 등 수많은 원인들에 의해서 결정이 된다.
또한 해리, 이온화, 여기 등과 같은 비탄성 충돌로 전자는 많은 양의 에너지를 원자나 분자로 전달하게 되어 효과적인 에너지 전달을 할 수 있다.
직류 방전( 또는 DC 방전 (DC Discharge))은 두 전도성 전극 사이에 기체를 주입하고 낮은 압력으로 만든 후 직류 전압을 인가하여 만들며 이때 큰 임피던스(impedence)의 전원 공급장치가 DC 방전에 사용된다.
인가전압에 대한 기체 내에서의 변화는 보통 인가전압 V에 대한 방전전류 I의 변화로 설명되며 이를 방전의 I-V 특성곡선이라고 한다.
I-V 특성곡선에서 보면 크게 Dark discharge, Glow discharge, 그리고 Arc discharge로 나뉘어 진다.
인가전압이 낮은 경우에 튜브를 통과하는 전류는 원래 존재하는 전자들에 의한 것이며 이는 무시할 만큼 작다.
전압을 올려주면 기체의 이온화에 의해 더 많은 하전 입자들이 생성되며 전 류는 지속적으로 증가하지만 전압은 전원 장치의 출력 임피던스에 의해 제한된다.
이러한 영역을 타운젠트 방전 영역이라 한다.
타운젠트 방전영역에서 전압을 더욱 증가시켜 특정 문턱전압(threshold)에 이르면 다음 세 가지 과정을 통해서 사태(avalanche)가 일어나며 글로우 방전 단계로 전이된다.
1. 전기장에 의해 가속 받은 이온은 음극을 때리고 이차 전자들(secondary electrons)이 방출된다. 방출된 이차 전자는 기체 분자와 충돌하여 이온을 많이 만든다.
2. 이렇게 생긴 이온이 음극 쪽으로 다시 가속되고 음극을 때려 이차 전자들이 방출되고 나온 전자들이 기체를 이온화시켜 이온을 많이 만든다.
3. 동시에 이온화 또는 이차 전자 방출로 생긴 전자들은 표류나 확산에 의해 플라즈마로부터 빠져나가서 벽에서 양이온과 재결합하거나 음이온을 형성하면서 플라즈마에서 사라진다.
일반적으로 수 mTorr 보다 낮은 압력에서는 통상 벽에서 일어나는 재결합이 주된 전자 손실 과정이다.
전자의 수가, 손실되는 만큼의 전자를 다시 만들어 낼 수 있는 이온을 생성하기에 충분히 많으면 방전은 정상상태에 도달하게 되고 이때에는 이온의 생성률이 전자와 재결합하여 없어지는 손실률과 같게 된다.
이 단계에서 방전은 스스로 유지되면서 광범위한 절연파괴가 (breakdown) 일 어나는 글로우 방전이 된다.
기체는 타기(glow) 시작하고 전압은 떨어지며, 전류는 급격히 증가한다.
이 영역을 정상 글로우(normal glow)라고 한다.
방전에서 나오는 많은 빛은 분자나 원자의 여기 상태에서 나오는 것이다. 글로우 방전을 유지하는데 필요한 최소 문턱 전압을 사태 전압이라고 부른다.
글로우 방전은 이차 전자 방출로 나온 전자들에 의해서 유지되며 이러한 전자 방출은 전자 방출 계수에 의해서 결정된다.
이 계수는 때리는 이온의 수에 대해 방출된 전자의 수의 비로 정의되며 종종 이차 전자의 수율(yield)이라고도 한다.
전자 방출 계수가 대부분의 경우 약 0.1 정도이기 때문에 하나보다 매우 많은 이온이 음극을 때려야 전자 하나가 방출된다. 손실 정도에 따라 다르지만, 플라즈마가 유지되려면 방출된 이차 전자가 개당 10-20 번의 이온화 과정을 수행해야 한다.
DC 글로우 방전은 주로 이온이 음극에 충돌하여 이차 전자가 방출되는데 이러한 이차 전자 방출 메커니즘이 방전에 기여하는 정도는 기체의 종류와 압력에 따라 많이 달라진다.
전압이 사태 전압에 도달하고 글로우 방전이 시작되면, 처음 낮은 파워에서는 음극 가장자리에만 방전이 되지만, 파워를 증가시키면 전류가 증가하고 방전 공간이 퍼지면서 음극의 표면 전체를 둘러싸게 된다.
방전전류의 증가가 이 지점을 지나서 계속 증가하면 이때부터 전압도 증가하기 시작하는 비정상 방전 (abnormal discharge) 영역에 도달하며 이 영역 역시 글로우 방전에 사용된다.
파워를 더 증가시키면 음극이 가열되는데 이 경우 열전자가 방출되기 시작하며 전압은 감소하고 글로우 방전은 아크로 넘어가게 된다.
이와 같은 DC 방전에서의 사태 전압(breakdown voltage)은 방전에 사용하는 기체의 종류와 기체 압력, 용기의 크기에 의해 결정되는데, 전극 사이의 간격이 작거나 압력이 너무 낮으면 음극으로부터 방출된 이차 전자가 전위차 만큼의 에너지를 얻어 양극에 도달한다 하더라도 기체들과 거의 충돌을 하지 않아 이차 전자를 만들 수 있을 정도의 이온들을 만들지 못한다.
한편 압력이 높으면 잦은 충돌로 전자가 이온들을 만들 정도의 충분한 에너지를 전기장으로부터 얻지 못하게 되며, 전극 사이의 간격이 매우 크면 생성된 이온의 일부만이 음극에 도달하여 이차 전자를 방출시킨다.
이와 같이 DC 방전은 방전 유지 조건이 까다롭다는 문제점이 있다.
또한, DC 방전을 유지하기 위해서는 금속 전극이 반응 용기 내에 삽입되어야 하고 이 전극이 직접 플라즈마와 접촉해야 하는 문제점이 있다.
이러한 문제점은 예를 들어, 부도체인 유전체 증착에 DC 방전을 사용하면 플 라즈마에 노출된 전극들은 점차로 유전체로 덮여지게 됨으로써, 처음에는 DC 방전으로 플라즈마가 발생되지만 전자가 유전체 위에 쌓이고 뒤이어 이온과 재결합하게 되면 방전(플라즈마)이 꺼지게 된다.
DC 방전의 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 교류 전기장에 의한 방전이 개발되었다.
교류 전기장은 주로 라디오 주파수(Radio Frequency)를 사용하므로 일반적으로 RF 방전이라 한다.
DC 플라즈마에 대한 RF 플라즈마의 장점은 다음과 같이 정리된다.
첫째로 RF 플라즈마에서는 플라즈마 생성과 유지를 위해 전도성 전극이나 비전도성 전극을 모두 사용할 수 있지만 DC 방전에서는 전도성 물질만 가능하다.
둘째로 RF 플라즈마는 외부 전극뿐만 아니라 내부 전극으로도 발생 가능하지만 DC 방전에서는 전극이 용기 내에 삽입되어야 하며 플라즈마와 직접 접촉해야 한다. 또한 방전 기체가 부식성이 강하거나 전극물질로 인한 플라즈마의 오염을 줄여야 하는 경우 전극을 외부에 설치하는 것이 좋다.
셋째로 RF 플라즈마는 DC 플라즈마보다 이온화율이 높다.
넷째로 RF 플라즈마는 DC 플라즈마보다 더 낮은 압력에서 유지될 수 있다.
그리고 마지막으로 RF 플라즈마에서는 시료에 포격하는 이온 에너지가 음 전압(negative bias)에 의해 제어되지만, DC 방전에서는 음극에 놓여진 시료가 최소 사태 전압보다 높은 전압으로 가속된 고에너지 이온의 포격을 받게 되므로 민감한 기판이 손상될 수 있다.
RF 방전에는 전극에 전압을 인가하여 방전하는 축전결합형 플라즈마 발생 방식과 코일이나 안테나에 전류를 인가하여 방전하는 유도결합형 플라즈마 발생 방식으로 나누어진다.
이 두 방식은 발생 방법뿐만 아니라 방전 메카니즘, 플라즈마 특성들에 많은 차이점이 있어서 공정에 따라 적합한 방식을 사용해야 한다. 여기에서는 DC 방전 메카니즘과 비교가 용이하도록 DC 방전관과 구조가 비슷한 축전 결합형 플라즈마 발생 방식을 조금 더 자세히 살펴보도록 하겠다.
이제 교류 전기장에 대한 방전을 위해 100 Hz 이하의 낮은 주파수의 교류 전기장을 두 전극에 인가한다고 가정해 보자. 이때 각 전극이 시간에 따라 음극에서 양극으로, 양극에서 음극으로 변하게 되며 반 주기동안의 전압이 사태 전압보다 높으면 DC 방전과 같이 순간적으로 플라즈마가 발생하게 된다. 전압이 주기 동안 사태 전압보다 낮아지면 방전은 꺼지게 되며 이는 반대 극으로 방전이 다시 켜지기 전에 공간 전하가 사라지기 때문이다.
전기장의 주파수가 이온들이 전극사이를 왕복하는 주파수 (임계 이온 주파수)보다 높아지면 양이온이 두 전극 사이를 움직이는데 걸리는 시간은 전기장의 반주기보다 커지게 된다. 이 때 양극 근처에서 만들어진 이온이 전기장의 방향이 바뀌기 전에 음극에 도달할 수 가 없게 되며 이 경우 전기장 내에서 가속 받는 이온 이 이동한 거리는 플라즈마 쉬스 두께보다 짧게 된다. 그러한 주파수에서는 교류 전기장의 반주기 동안에 양전하(이온)가 부분적으로 남아 있게 되고 다음 반주기의 방전 점화(ignition)에 도움을 준다. 이러한 임계 이온 주파수, 즉 이온 전이 주파수(ion transition frequency)는 산업용 저온 저압 플라즈마에서 약 500kHz에서 수 MHz 사이가 된다.
글로우 방전 조건에서의 탄성 충돌 주파수는 대개 109~1011 회/초이다. 이렇게 충돌 주파수가 인가하는 주파수(대개 13.56MHz 사용)보다 매우 높아 전자들은 인가된 전기장 주기 동안 충돌을 많이 하게 된다. 전자들은 용기 벽으로 확산되어 사라지고 플라즈마 내에서는 충돌 이온화(impact ionization)로 전자와 이온들이 다시 생성된다. 그러므로 전하 손실은 전기장에 의해서가 아니라 주로 양쪽극 퍼짐(ambipolar diffusion)과 균질 재결합(homogeneous recombination, 기체 상에서 재결합을 의미)에 의해 결정된다. 물론 새로운 하전 입자들은 주로 전자와 중성 종과의 충돌 이온화로 생성된다.
RF 방전에 의한 파워흡수는 충돌, 비충돌 과정 모두를 통해 일어난다. 플라즈마 내에서 고주파 파워의 충돌흡수는 전자가 이온과 충돌하거나 중성입자와 충돌하는 경우에 해당한다. 103 Pa (7.5 Torr) 이상의 플라즈마에서는 이온화율이 매우 낮아(<10-4) 중성 종의 밀도가 이온 밀도보다 매우 높기 때문에 전자와 중성 종이 주로 충돌한다. 한편 1 Pa (7.5m Torr) 이하에서는 이온화율이 10-2 이상 되어 전자-이온 충돌도 중요해진다. 중간 정도 압력에서는 전자-중성종 충돌 및 전자-이온 충돌 모두 다 파워 소모에 중요하다. 충돌 주파수가 더 낮아서 ν/ω << 1일 정도 의 낮은 압력에서는 비충돌 흡수가 주된 파워흡수 과정이 된다.
비충돌 상황에서는 전자가 RF 전기장에 따라 진동하며 에너지를 얻게되는데 예를 들면 13.56 MHz를 사용하고 전기장의 세기가 10 V/cm인 RF 방전에서는 약 11 eV 정도의 에너지를 갖게된다. 이는 비충돌 플라즈마에서 아르곤의 이온화 에너지(15.7 eV)에 도달할 수 있는 전자들을 만들기 위해서는 전기장이 10 V/cm보다 다소 높아야 한다는 것을 의미한다.
그러나 중성 원소들과 충돌하면 전자 운동은 무작위(random)로 바뀌게 된다. 중성 원소와 충돌하는 동안 전자는 외부 전기장으로부터 추가의 에너지를 얻는다. 만약 전자가 전기장의 방향이 바뀔 때마다 탄성 충돌을 하여 운동 방향이 반대로 바뀌면 전자는 계속적으로 에너지를 얻게 된다. 이렇게 해서 낮은 전기장의 RF 방전에서도 전자가 중성 원소를 이온화시킬 수 있는 정도의 충분한 에너지를 축적할 수 있다. DC 방전보다 RF 방전이 이온화율이 높고 방전을 유지하는 데 더욱 효율적이다.
50 kHz 보다 높은 주파수에서는 진동하는 전자들이 이온화시킬 정도의 충분한 에너지를 얻을 수 있어, 방전이 이차전자에 의존하는 정도가 줄어들며 사태전압은 낮아진다. 즉 벽이나 전극에서 방출되는 이차전자의 수율과 무관하게 방전이 유지된다. 이온의 낮은 이동도 때문에 고주파수의 경우 이온은 거의 정지해 있지만 전자는 전기장을 따라 전극 사이를 이동할 수 있어 전자의 분포는 시간과 공간의 함수로 주어진다.
RF 방전에서는 RF 전극이나 벽에서 방출된 이차 전자가 플라즈마 쉬스를 가 로지르면서 가속되어 이온화 과정에 기여하지만 DC 방전만큼 이차 전자 방출이 방전 유지에 중요하지는 않다. 방전 임피던스는 주파수가 증가할수록 작아져, 같은 전압에 더 많은 전류를 흘릴 수 있게 된다. 기체들을 주입하여 만든 플라즈마에서 같은 세기의 전기장과 같은 압력에서 DC 플라즈마에서 보다 RF 방전에서 원자나 라디칼이 더 많이 생성된다.
RF 방전에서는 전자의 진동으로 인해 이온화 효율이 높아져 1 mTorr 정도의 낮은 압력에서도 방전이 유지된다. 이러한 장점은 스퍼터링처럼 떨어져 나온 물질이 기체분자와의 충돌로 인해 다시 타겟으로 되돌아가면 안되는 경우나, 이온의 방향성이 요구되는 식각이나 증착에 유용하다. 이렇게 압력이 낮으면 이온 운동이 거의 직선 운동이 되므로 이온 운동이 방향성을 가질 수 있기 때문이다.
마이크로파 플라즈마(Microwave plasmas)는 2.45GHz 주파수의 전원 공급으로 유지된다. 이 주파수는 가정에서 사용하는 전자렌지나 산업계에서 공통적으로 사용하는 것이어서 전원 공급장치는 쉽게 구할 수 있다. 마이크로파에 의한 플라즈마 발생은 주파수가 다르다는 것을 제외하면 RF 플라즈마 발생 방법과 유사하다.
전형적인 마이크로파 플라즈마에서의 전기장의 세기는 약 E0 ~30 V/cm이며 비충돌의 경우 한 주기 동안 전자가 얻는 최대 에너지는 약 0.03 eV 정도이다. 이 정도의 에너지는 플라즈마를 유지하기에 너무 작다. 그러므로 많은 경우에 마이크로파 방전으로는 DC나 RF 방전보다 낮은 압력(< 1 Torr)에서 플라즈마를 발생시키기가 더 어렵다.
충돌 방전 영역에서 일정한 전기장과 파워인 경우 인가 주파수와 충돌 주파수가 같을 경우에 최대값을 갖는다. 마이크로파 흡수 정도는 전자와 중성종 사이의 충돌 주파수의 함수이므로 압력에 따라 달라진다. 2.45 GHz의 마이크로파 주파수의 경우 효율적인 마이크로파 흡수는 헬륨의 경우 5-10 Torr 정도의 압력에서 일어나며 다른 기체들의 경우에도 대개는 최적 압력이 0.5-10 Torr 정도이다. ECR 장치처럼 전자 공명과 같은 현상을 이용하면 압력이 1 mTorr이하일 때도 방전이 가능하기도 하며 최근에는 대기압에서 열플라즈마를 마이크로 웨이브로 방전하기도 한다.
파장이 용기보다 훨씬 큰(13.56 MHz의 파장은 약 22 m) RF에서는 플라즈마가 용기 전체에 넓게 만들어지지만 파장이 짧은(2.45 GHz의 경우 12.24 cm) 마이크로파 플라즈마는 작은 부분에서만 높은 밀도를 가지고 그 주위는 밀도가 급격히 감소한다. 반응 용기 내부에서 전기장의 세기는 위치에 따라 다른데 전기장의 파장 길이 정도 내에서 달라진다. 또한 RF의 경우 전력 전달을 위해서 동축케이블을 사용하지만 마이크로파 파워의 전달은 도파관(waveguide), 공진 공동(resonance cavity), 동축 어플리케이터(coaxial applicator)와 같은 마이크로파 어플리케이터들을 통해서 이루어진다.
이상에서 플라즈마 기술분야에서 대기압 글로우 방전을 발생시키는 대기압 플라즈마의 발전 배경과 대기압 플라즈마를 발생시키는 DC 방전, RF 방전, 마이크로파 방전 등을 살펴보았다.
상기한 바와 같이 현재에는 기술적 곤란성으로 인하여 대기압 글로우 방전은 13.56MHz의 고주파 전압(RF 전압)을 전극 사이에 인가시켜 플라즈마 밀도 등을 향상시키고, 전력은 고주파 전원에 접속된 임피던스 정합 장치를 통해 전극에 공급되면서 효율을 극대화시키는 RF 방전이 일반적이다.
그런데, 상기 RF 방전의 경우, 고주파전원 인가로 인한 방전 공간으로부터 방출된 플라즈마의 온도가 증가되어 처리될 대상물이 열에 의해 손상을 받기 때문에 전극설계에 제한을 받게 되며, 고주파 전원 및 임피던스 정합장치를 사용해야 하기 때문에 고가의 설치비가 요구되는 문제점이 있으며, 반응 용기 또는 전극 근처에 임피던스 정합 장치를 배치하는 것이 필요하기 때문에 플라즈마 처리 장치의 설계의 자유도가 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 전극설계의 자유도가 크고, 고주파 전원 및 임피던스 정합장치 등과 같은 고가의 주변 장치 설치비가 필요없으며, 플라즈마 처리 장치 설계의 자유도가 큰 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 두개의 전극 사이로 플라즈마 방전용 피딩가스를 공급하여 글로우 방전을 발생시키는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 있어서, 상기 전극에 인가되는 전원이 직류(DC) 펄스 전압으로서, 상기 직류 펄스 전압은 대기압 상태에서 전원 인가 시점을 시작시간으로 해서 플라즈마가 글로우 방전을 개시한 후 아크 방전으로 전이되기 전을 종료시간으로 하는 펄스 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치를 기술적 요지로 한다.
여기서 상기 직류 펄스 전압은 대기압 상태에서 전원 인가 시점을 시작시간으로 해서 플라즈마가 글로우 방전을 개시한 후 아크 방전으로 전이되기 전을 종료시간으로 하는 펄스 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 직류 펄스 전압은 펄스의 듀티비와 주파수, 펄스의 크기를 제어변수로 하여 발생되는 글로우 방전의 품질을 제어시키는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치로 되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 전극에는 양단의 전극에 동시에 펄스를 인가하되, 양 펄스의 극성과 듀티비를 다르게 인가하여 글로우 방전에 관여하는 펄스의 폭을 정밀 조정 하는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치로 되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 직류 펄스 전압은 직류 전압의 펄스폭은 500nsec 이하이고, 듀티비는 0.5이하 주파수 범위는 5 ~ 100 kHz인 것을 특징으로 하는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치로 되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 전극설계의 자유도가 크고, 고주파 전원 및 임피던스 정합장치 등과 같은 고가의 주변 장치 설치비가 필요없으며, 플라즈마 처리 장치 설계의 자유도가 큰 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치가 제공되는 이점이 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하의 도 1은 본 발명의 회로 블럭도이며, 도 2는 본 발명의 플라즈마 발생 시 방전전류에 의한 DC Pulse 전압 왜곡현상 그래프이며, 도 3은 본 발명의 전압변 화에 따른 방전전류 그래프이며, 도 4는 본 발명의 전압변화에 따른 V-I curve 특성그래프이며, 도 5는 본 발명에서 450V 인가시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프이며, 도 6은 본 발명에서 480V 인가 시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프이며, 도 7은 본 발명에서 520V 인가 시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프이며, 도 8은 본 발명에서 550V 인가 시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프이며, 도 9는 본 발명에서 주파수 변화에 따른 방전전류 그래프이며, 도 10은 본 발명에서 주파수 변화에 따른 V-I curve 특성 그래프이며, 도 11은 본 발명에서 5kHz인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 12는 본 발명에서 33kHz인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 13은 본 발명에서 66kHz인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 14는 본 발명에서 Gas flow 변화에 따른 방전전류 그래프이며, 도 15는 본 발명에서 Gas flow 증가에 따른 방전면적 감소 사진이며, 도 16은 본 발명에서 Gas flow 0.1[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 17은 본 발명에서 Gas flow 0.5[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 18은 본 발명에서 Gas flow 1.0[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 19는 본 발명에서 Gas flow 3.0[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 20은 본 발명에서 Gas flow 5.0[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프이며, 도 21은 본 발명에서 한 펄스 내에서 시간에 따라 측정된 플라즈마 온도(K)그래프이며, 도 22는 본 발명에서 인가전압에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프이며, 도 23은 본 발명에서 인가전압에 따 른 소비전력 그래프이며, 도 24는 본 발명에서 Gas flow에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프이며, 도 25는 본 발명에서 Gas flow에 따른 소비전력 그래프이며, 도 26은 본 발명에서 주파수에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프이며, 도 27은 본 발명에서 주파수에 따른 소비전력 그래프이며, 도 28은 본 발명에서 Pulse Width에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프이며, 도 29는 본 발명에서 Pulse Width에 따른 소비전력 그래프이며, 도 30은 본 발명에서 320K 플라즈마와 피부 접촉 사진이며, 도 31은 본 발명의 대기압 플라즈마 전극 구조도이며, 도 32와 도 33은 도 31의 대기압 플라즈마 전극에 입력되는 펄스열의 그래프이다.
본 발명은 글로우 방전을 목적으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
상기한 배경기술의 설명에서 자세히 언급한 바와 같이 플라즈마 발생기술 분야에서 대기압 환경하에서 글로우 방전을 일으키는 플라즈마 발생기술이 가지는 가치는 매우 크다고 할 수 있는데 현재의 기술적 한계에 의하여 RF 방전이 일반적으로 이용되고 있다.
그러나 상기 RF 방전은 방출된 플라즈마의 온도에 의해 처리될 대상물이 손상을 받을 위험이 크고 전극설계에 제한을 받게 되며, 고주파 전원 및 임피던스 정합장치를 사용해야 하기 때문에 고가의 설치비가 요구되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술을 문제점을 해결하는 장치로서, 도 1에 도시된 바와 같이 두개의 전극 사이로 플라즈마 방전용 피딩가스를 공급하여 글로우 방전 을 발생시키는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 인가시키는 전원을 직류(DC) 펄스 전압으로 하는 것을 특징으로 한다.
도 1의 장치는 본 발명을 실시하기 위한 회로 블럭도로서, 플라즈마 전극에 직류 펄스를 인가시키기 위한 직류(DC) 펄스 전압 공급원과 플라즈마 전극 사이에 피딩 가스(불활성 기체로서 보통 He)를 공급시키기 위한 가스 공급원 및 상기 직류 펄스 전압 공급원의 펄스 생산에 관여하는 듀티, 주파수 제어부, 펄스 발생기, 전원 공급원이 도시되어 있다.
본 발명은 상기 도 1에서 도시된 바와 같이 2개의 플라즈마 전극 중에서 하나는 접지시키고 하나에 직류 펄스를 가하는 것이 일반형이기는 하나, 후술하는 바와 같이 펄스의 폭을 미세 조정하기 위하여 2개의 전극 양단에 서로 다른 극성과 듀티비를 가지는 펄스를 인가하기도 한다.
이에 관한 설명은 후술하기로 한다.
도 1과 같이 구성되는 본 발명은 플라즈마 장치의 전극에 직류 펄스열을 전원으로 인가시켜 글로우 플라즈마 방전을 유지시키는 특징을 가진다.
본 발명이 직류 전원을 사용함에도 글로우 방전이 유지되는 이유는 직류가 펄스의 형태로 공급되기 때문이다.
이때, 상기 전원으로 사용되는 직류 펄스 전압은 도 2에 도시된 바와 같이 대기압 상태에서 전원 인가 시점을 시작시간으로 해서 플라즈마가 글로우 방전을 개시한 후 아크 방전으로 전이되기 전을 종료시간으로 하는 펄스 폭을 가진다.
도 2의 그래프를 살펴보면, 글로우 방전 이전의 펄스(무부하 상태의 펄스)의 모양은 구형파에 가까운 펄스인데, 글로우 방전이 생길 때(부하 상태)의 펄스는 왜곡된 모양을 가짐을 알 수 있다.
펄스의 모양이 왜곡된 이유는 왜곡 시점부터 글로우 방전이 개시되었기 때문이며, 글로우 방전이 아크 방전으로 전이되기 이전에 펄스가 끝나게 된다.
일반적으로 직류 전압이 전원으로 인가되면 아주 짧은 기간의 글로우 방전을 거친 후 아크로 전이되는데, 본 발명은 도 2에서 보여지는 바와 같이 글로우 방전이 유지되는 시간만 직류 전원이 인가되도록 하는 것을 반복(펄스열의 입력)되게 함으로써, 글로우 방전을 유지시킨다.
본 발명의 이러한 특성은 직류 펄스의 형태를 제어함으로써, 글로우- 아크 전이를 자유롭게 제어시킬 수도 있다는 것을 의미한다.
즉, 본 발명에 의하면 아크에 가까운 글로우 방전을 형성시키는 등 글로우 방전 품질에 선형적으로 관여할 수 있게 된다.
이하, 글로우 방전 영역에서 직류 펄스의 형태에 따라 플라즈마의 거동이 어떻게 변화되며, 어떤 선형 특성을 가지는지 살펴보기로 한다.
실험은 직류 펄스의 형태에 관여하는 각 파라미터를 구분하여 각 파라미터에 따른 플라즈마의 특성 변화를 관찰하였다.
먼저 인가되는 직류 펄스의 크기(전압 변화)에 따른 플라즈마 특성을 살펴보 기로 한다.
실험은 피딩 가스(이하 'Gas flow')가 일정하고 주파수가 일정할 때, 인가 전압을 증가시켰을 때의 변화를 살펴본 것으로서, 도 3에 나타난 바와 같이 Gas flow 5[SLM], 주파수 25[kHz]에서 인가 전압이 450~550[V]로 증가함에 따라 플라즈마 방전전류도 선형적으로 증가한다.
도 4에 나타난 바와 같이 인가전압이 증가함에 따라 측정된 V-I curve가 형성하는 면적도 넓어지며, 이 면적의 넓이는 펄스 1개에 의한 플라즈마 발생시의 소비에너지로 환산된다.
또한, 도 5 내지 도 8에서 보여지는 바와 같이 인가전압이 증가함에 따라 플라즈마 방전에 의해 계측된 He, N2, O의 Emission Intensity도 선형적으로 증가한다.
즉, 대기압 플라즈마에서 반응가스로 He을 사용할 경우, He, N2, O의 방출세기는 전압에 의해 제어할 수 있음을 알 수 있다.
이러한 플라즈마의 방출가스는 다양한 용도로 활용될 수 있는데, 예를 들어 일반적으로 대기압 플라즈마에서 발생하는 O의 원자는 표면특성 변화 및 박테리아의 비활성에 영향을 끼치는 것으로 알려지고 있다.(참고문헌 : [1] Appl. Phys. Lett. 88, 171501 (2006). / [2] J. Appl. Phys. 99, 093305 (2006). / [3] Appl. Phys. Lett. 87, 153901 (2005).)
본 발명에 의하면 상기한 바와 같이 플라즈마의 방출가스가 전압의 크기에 의하여 선형 제어될 수 있음을 보여주며, 이러한 선형 제어 특성은 향후 플라즈마 방출가스를 이용하는 다양한 산업 분야에 적극적인 활용될 것으로 예측된다.
한편, 본 발명의 대기압 플라즈마인 경우 도 5 내지 도 8에서 보여지는 바와 같이 기존의 발표된 대기압 플라즈마(RF전원 사용, DBD 전극 사용)보다 He과 N2보다 상대적으로 많은 O가 발생되는 것으로 관측된다. (참고문헌 : [1] Appl. Phys. Lett. 88, 171501 (2006). / [2] New Journal of Physics 6 (2004) 149.)
이러한 특성을 얻을 수 있는 이유는 DBD 나 RF 전원을 사용하는 경우에 비해 본 발명이 투입되는 에너지 밀도가 매우 높고, 아주 짧은 기간 동안 Arc plasma 에 좀 더 가까운 (저전압, 대전류, 낮은 전자온도, 높은 전자밀도) 특성을 유지하기 때문으로 추정된다.
다음으로 본 발명의 주파수 변화에 따른 플라즈마 특성에 관하여 살펴보기로 한다.
실험은 인가전압이 일정하고 Gas flow가 일정할 때, 주파수의 변화에 대한 플라즈마의 거동을 관찰하였으며, 도 9에서 보여지는 바와 같이 인가전압 480[V], Gas flow 5SLM]에서 주파수를 5~66[kHz]로 증가시킬 때 플라즈마 방전전류는 거의 일정하다.
도 10에서 보여지는 바와 같이 주파수가 증가함에 따라 측정된 V-I curve가 형성하는 면적은 일정하며, 이는 펄스 1개에 의해 발생되는 소비전력은 거의 일정 함. 따라서 대기압 플라즈마의 시간당 소비전력은 주파수 증가에 따라 선형적으로 증가한다.
도 11 내지 도 13에서 보여지는 바와 같이 주파수가 증가함에 따라 플라즈마 방전에 의해 발생하는 모든 입자의 Emission Intensity는 선형적으로 증가한다.
따라서 본 발명에 의하면 플라즈마의 밀도는 주파수 가변에 의하여 선형 제어시킬 수 있음을 보여준다.
본 발명에 있어서 글로우 방전이 발생되는 직류 펄스의 주파수 범위는 5 ~ 100 kHz이며, 가청 주파수와 안정적 구동, 시스템 부하등을 고려하였을 때 20 ~ 40 kHz 범위내 구동이 이상적이다.
이하, 본 발명의 Gas flow 변화에 따른 플라즈마 특성에 관하여 살펴보기로 한다.
실험은 인가전압, 주파수, 펄스폭이 일정할 때, Gas flow의 변화에 대한 플라즈마의 거동을 관찰한 것이며, 도 14에서 보여지는 바와 같이 인가전압 500[V], 주파수 40[kHz], Pulse Width 380[ns]에서 Gas flow를 1~5[SLM]으로 변화시킬 경우, 방전전류는 감소한다.
이것은 He 유량의 감소로 중성기체 밀도가 감소함에 따라, 전자가 중성기체와 충돌 없이 이동할 수 있는 mean free path가 증가 되었음을 의미한다.
즉, 전계에 의해 전자가 가속되는 거리가 늘어나게 되고, 이로 인해 전자의 속도 역시 증가되며, 이러한 전자는 더욱 빨라진 속도로 중성기체와 충돌하므로 짧 은 시간 안에 중성기체를 이온화 혹은 여기시킨다.
또한, 밀도가 낮으므로 이온화가 시작되는 시점에서 일어나는 electron avalanch의 확산속도 또한 빨라진다.
따라서 Helium Gas flow가 감소할수록 방전은 빨리 일어나며 방전면적이 증가하므로, 방전전류는 증가한다.
도 15는 Gas flow에 따른 방전 면적을 실제 촬영한 것으로서, Gas flow가 커질 수록 방전 면적이 작아진 것을 알 수 있다.
즉, 이에 의하면 플라즈마의 글로우 방전 면적은 Gas flow의 변화량에 의하여 선형 제어될 수 있음을 보여준다.
한편, 대기압 플라즈마는 He, Ne, Xe등과 같은 불활성 기체 없이는 플라즈마를 생성시키기 어려운데, 본 발명의 실험에 의하면 He 밀도가 0.1[SLM] 이하로 현저히 낮아질 경우 플라즈마는 생성되지 않는다.
도 16 내지 도 20에서 보여지는 바와 같이 Gas flow가 증가함에 따라 플라즈마 방전에 의해 계측된 O의 Emission Intensity는 선형적으로 증가하며, 다른 종류의 가스들은 거의 변화가 없다.
즉, O 원자의 영향만 필요로 하는 특정 목적의 기술환경에서는 Gas flow를 변화시키는 것으로 O 원자의 제어가 가능하다.
한편, 도 19와 도 20에서 보여지는 바와 같이 Gas flow가 3~5[SLM] 일 때에 는 Emission Intensity가 포화되는 특성이 나타낸다.
이하, 본 발명에 의한 플라즈마 온도에 관하여 살펴보기로 한다.
플라즈마의 특성으로 인하여 플라즈마의 온도를 직접적으로 측정하기는 어려우므로, N2의 rotational temperature(Tr)를 이용해 플라즈마의 중성기체 온도를 간접적으로 측정하였다.(참고문헌 : [1] G Gardet et al., Meas. Sci. Technol. 11(2000) 333-341. / [2] K Sahli, et al., Meas. Sci. Technol. 4 (1993) 685-688)
도 21은 파란색이 전압, 빨간색이 전류, 초록색이 온도곡선인 한 펄스에서의 온도파형 그래프이다. 도 21은 인가전압 500[V], Gas flow 1[SLM], 주파수 40[kHz]에서 한 펄스 내에서 온도를 측정한 것으로서, 도면에서 보여지는 바와 같이 전류파형과 온도곡선이 일치하며 최고 800K 까지 증가하지만 평균적으로는 500K이다.
도 22 내지 도 29는 인가전압, Gas flow, 주파수, Pulse Width의 변화에 따라 온도 및 소비전력을 측정한 그래프로서, Gas flow에 따라 온도변화가 가장 크게 변화하며 온도변화와 소비전력의 경향성은 대체로 일치함을 보여주고 있다.
도 22 내지 도 23은 인가전압에 따른 온도 및 소비전력의 관계 그래프로서 온도 측정조건은 40[kHz], Pulse Width 380[ns], Gas flow 1[SLM]이며, 인가전압이 증가할수록 온도는 증가한다.
도 24 내지 도 25는 Gas flow에 따른 온도 및 소비전력의 관계 그래프로서 온도 측정조건은 인가전압 450[V], 45[kHz], Pulse width 380[ns]이며, Gas flow가 증가할수록 온도는 감소한다.
이는 전계에 의한 에너지가 플라즈마의 전리, 여기에 효율적으로 전달되기 때문이다.
도 26 내지 도 27은 주파수에 따른 온도 및 소비전력의 관계로서, 측정조건은 인가전압 500[V], Pulse Width 380[ns], Gas flow 1[SLM]이며, 주파수가 20[kHz]에서 50[kHz]까지 증가할수록 온도는 증가하지만 그 변화폭은 100K 정도로 4가지 변수중에서 가장 적다.
도 28 내지 도 29는 Pulse Width에 따른 온도 및 소비전력의 관계로서, 측정조건은 인가전압 500[V], 40[kHz], 1[SLM]이며, Pulse Width가 증가할수록 온도는 증가한다.
Pulse Width가 50[ns]씩 증가할 때마다 온도는 대략 70K씩 증가한다. Pulse Width는 전류를 제한하는 핵심적인 역할은 하는 변수로 550[ns]이상이 되면 전류를 안정적으로 제한하기 힘들다.
본 발명에 의하면 상기와 같은 변수의 제어에 따라 300K 정도에서 플라즈마 를 생성시킬 수 있으며, 이러한 온도는 도 30에서 보여지는 바와 같이 피부에 직접 사용 가능하므로 의료용으로 활용할 수 있다.
이상 실험과 함께 설명한 바와 같이 본 발명은 직류 펄스의 형태에 따라 플 라즈마의 거동이 선형적으로 가변되므로 직류 펄스를 정밀하게 제어할 필요가 있다.
특히, 상기 직류 펄스의 펄스폭(n)이 큰 경우에는 금속전극에 과도한 에너지가 공급되어 아크 방전에 의해 금속전극이 손상된다.
따라서 본 발명에서는 인가되는 상기 직류 펄스전압의 폭을 대기압 플라즈마 방전에 적절한 에너지가 공급되게 수백ns에서 수us 단위의 펄스 폭을 정밀 제어하는 방법이 제공되어야 글로우 방전을 유지시켜 금속전극의 손상을 방지할 수 있다.
이를 위하여 본 발명에서는 도 1에도 도시된 바와 같이 한쪽 전극을 접지시키고 타측 전극에 펄스열을 인가하는 방법 이외에, 도 31에 도시된 바와 같이 플라즈마 전극의 양측에 도 32 또는 도 33에 도시된 바와 같이 서로 다른 극성을 가지는 직류(DC) 펄스(도 32와 도 33의 Vp1, Vp2는 서로 다른 극성을 가지는 펄스이지만 비교 편의를 위해서 같은 방향으로 도시하였음)를 듀티비를 달리하여 인가함으로써, 양단의 전극에 인가되는 펄스의 폭을 정밀 조절하는 특징을 가진다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 직류 펄스 전압을 인가하여 대기압 상태에서 플라즈마의 글로우 방전을 유지하며, 이때 형성되는 플라즈마의 상태가 펄스의 듀티비와 주파수, 펄스의 크기, 가스 유량과 선형적인 상관관계가 있음을 이용하여 발생되는 글로우 방전의 품질을 제어시키는 것을 특징으로 한다.
실험에 의하면 대기압 상태에서 글로우 방전이 유지되는 이상적인 상기 직류 펄스 전압은 직류 전압의 펄스폭은 500nsec 이하이고, 듀티비는 0.5이하인 것으로 나타났으며, 본 발명의 대기압 글루우 방전 역시 이 범위의 직류 펄스에서 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명은 특히 직류 펄스 전압에 의한 대기압 글로우 방전이 실시되므로, 전극의 형태를 동축형, 광폭 평판형, 평행 도선형 등 자유롭게 형성시킬 수가 있으므로 그 응용 자유도를 크게 기대할 수 있다.
이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 실시예는 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예에 불과하며, 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.
따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 회로 블럭도
도 2는 본 발명의 플라즈마 발생 시 방전전류에 의한 DC Pulse 전압 왜곡현상 그래프
도 3은 본 발명의 전압변화에 따른 방전전류 그래프
도 4는 본 발명의 전압변화에 따른 V-I curve 특성그래프
도 5는 본 발명에서 450V 인가시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프
도 6은 본 발명에서 480V 인가 시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프
도 7은 본 발명에서 520V 인가 시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프
도 8은 본 발명에서 550V 인가 시 플라즈마에 의한 Emission spectrum그래프
도 9는 본 발명에서 주파수 변화에 따른 방전전류 그래프
도 10은 본 발명에서 주파수 변화에 따른 V-I curve 특성 그래프
도 11은 본 발명에서 5kHz인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 12는 본 발명에서 33kHz인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 13은 본 발명에서 66kHz인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 14는 본 발명에서 Gas flow 변화에 따른 방전전류 그래프
도 15는 본 발명에서 Gas flow 증가에 따른 방전면적 감소 사진
도 16은 본 발명에서 Gas flow 0.1[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 17은 본 발명에서 Gas flow 0.5[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 18은 본 발명에서 Gas flow 1.0[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 19는 본 발명에서 Gas flow 3.0[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 20은 본 발명에서 Gas flow 5.0[SLM]인 경우 플라즈마에 의한 Emission spectrum 그래프
도 21은 본 발명에서 한 펄스 내에서 시간에 따라 측정된 플라즈마 온도(K)그래프
도 22는 본 발명에서 인가전압에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프
도 23은 본 발명에서 인가전압에 따른 소비전력 그래프
도 24는 본 발명에서 Gas flow에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프
도 25는 본 발명에서 Gas flow에 따른 소비전력 그래프
도 26은 본 발명에서 주파수에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프
도 27은 본 발명에서 주파수에 따른 소비전력 그래프
도 28은 본 발명에서 Pulse Width에 따른 플라즈마 온도(K) 그래프
도 29는 본 발명에서 Pulse Width에 따른 소비전력 그래프
도 30은 본 발명에서 320K 플라즈마와 피부 접촉 사진
도 31은 본 발명의 대기압 플라즈마 전극 구조도
도 32와 도 33은 도 31의 대기압 플라즈마 전극에 입력되는 펄스열의 그래프
*도면의 주요부분에 관한 부호의 설명*

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 두개의 전극 사이로 플라즈마 방전용 피딩가스를 공급하여 글로우 방전을 발생시키는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치에 있어서,
    상기 전극에 인가되는 전원이 직류(DC) 펄스 전압으로서
    상기 직류 펄스 전압은
    대기압 상태에서 전원 인가 시점을 시작시간으로 해서 플라즈마가 글로우 방전을 개시한 후 아크 방전으로 전이되기 전을 종료시간으로 하는 펄스 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치.
  3. 제2항에 있어서 상기 직류 펄스 전압은
    펄스의 듀티비와 주파수, 펄스의 크기를 제어변수로 하여 발생되는 글로우 방전의 품질을 제어시키는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치.
  4. 제2항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서 상기 전극에는
    양단의 전극에 동시에 펄스를 인가하되, 양 펄스의 극성과 듀티비를 다르게 인가하여 글로우 방전에 관여하는 펄스의 폭을 정밀 조정하는 것을 특징으로 하는 직류 펄스형 대기압 글로우 플라즈마 발생장치.
  5. 제2항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서 상기 직류 펄스 전압은
    직류 전압의 펄스폭은 500nsec 이하이고, 듀티비는 0.5이하인 것을 특징으로 하는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치.
  6. 제4항에 있어서 상기 직류 펄스 전압은
    직류 전압의 펄스폭은 500nsec 이하이고, 듀티비는 0.5이하 주파수 범위는 5 ~ 100 kHz인 것을 특징으로 하는 대기압 글로우 플라즈마 발생장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101020769B1 (ko) * 2010-08-31 2011-03-09 영동전자통신(주) 플라즈마 발생장치
KR101284735B1 (ko) * 2011-09-28 2013-07-17 부산대학교 산학협력단 외부 커패시터를 이용한 대기압 플라즈마 발생장치
KR102216854B1 (ko) * 2019-09-30 2021-02-17 포항공과대학교 산학협력단 마이크로파 플라즈마를 이용한 아크 방전장치 및 아크 방전방법
CN114623060A (zh) * 2022-01-28 2022-06-14 北京控制工程研究所 一种磁等离子体动力推力器阴极及其加工方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010103922A (ko) * 2000-05-12 2001-11-24 (주)에스이 플라즈마 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치
JP2002093823A (ja) 2000-09-14 2002-03-29 Tohoku Ricoh Co Ltd 薄膜形成装置
JP2005508738A (ja) 2001-08-02 2005-04-07 プラズマゾル・コーポレイション 燃焼空気の前処理のための電極放電非熱プラズマ装置（反応器）
KR20060009852A (ko) * 2003-04-17 2006-02-01 플라즈마 컨트롤 시스템, 엘엘씨 듀티 싸이클이 조절가능한 플라즈마 생성 장치 및 방법과고주파 구동 회로

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010103922A (ko) * 2000-05-12 2001-11-24 (주)에스이 플라즈마 대기압에서 글로우방전 플라즈마를 발생시키는 장치
JP2002093823A (ja) 2000-09-14 2002-03-29 Tohoku Ricoh Co Ltd 薄膜形成装置
JP2005508738A (ja) 2001-08-02 2005-04-07 プラズマゾル・コーポレイション 燃焼空気の前処理のための電極放電非熱プラズマ装置（反応器）
KR20060009852A (ko) * 2003-04-17 2006-02-01 플라즈마 컨트롤 시스템, 엘엘씨 듀티 싸이클이 조절가능한 플라즈마 생성 장치 및 방법과고주파 구동 회로

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