KR101193380B1 - 플라즈마 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 대한 것으로, 특히 서로 대향하는 2개의 전극을 가지고, 상기 전극 상호 간에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치로서, 상기 2개의 전극 중 하나 이상의 전극 표면에 유전체가 형성되어 있으며, 상기 유전체는 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 유전체의 종류에 따라 상기 유전체가 적정한 두께로 형성됨으로서, 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 가질 수 있는 효과가 있다.

플라즈마, 유전체, 두께

Description

플라즈마 발생 장치{plasma generator}

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 대한 것으로, 특히 유전체의 종류에 따라 적정한 두께로 유전체가 형성됨으로서, 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 가질 수 있는 플라즈마 발생 장치에 대한 것이다.

일반적으로, 안정화된 대기압 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생 장치는, 그 내부에 한쌍의 전극이 구비되고, 상기 전극은 유전체로 덮여있다. 그래서, 상기 한쌍의 전극 간에 전압을 인가하는 것에 의해, 상기 전극 사이에 글로우(glow) 방전이 발생되고, 이렇게 방전이 발생하는 부분에 피처리물을 도입하여 피처리물에 플라즈마 처리를 행하는 것이다.

이러한 플라즈마 발생 장치 또는 처리 장치에 있어서, 안정화된 플라즈마(Plasma)를 발생시기 위해서는, 전극을 둘러 싼 유전체의 역할이 중요하다. 유전체는 전극의 지속적인 안정적인 플라즈마 발생과 밀접한 관련이 있으며, 또한 지속적인 열 발생에 대해 안정적이어야 한다.

그러나, 종래의 플라즈마 발생 장치에서, 전극 위에 형성된 유전체는 유전체의 종류에 상관없이 그 두께가 일률적이거나 전극의 크기에 따라 유전체의 두께가 다르게 사용되는 등, 유전체의 종류에 따른 유전율과는 상관없이 그 두께가 결정되었다.

근래에는, 플라즈마 발생 장치가 대형화 됨에 따라, 소형인 경우 문제가 되지 않았던 방전 안정성이 더욱이 중요하게 되었다. 이에 따라, 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 갖기 위하여, 적정한 유전체 선정 및 유전율에 따른 적정한 두께가 고려되어야 할 필요성이 절실한 시점이다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 가질 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하는 것이 목적이다. 그리고, 대형화되는 플라즈마 발생 설비에서 플라즈마 처리되는 기판(피처리물)에 데미지를 감소시킬 수 있고, 이와 함께 설비의 수명도 향상시키고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 지속적인 방전에 의하더라도 열적 안정성이 더욱 우수하고, 방전에 문제가 생겨 유전체를 교환해야 하는 경우에도 간단하고 용이하게 유전체를 교체할 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는, 서로 대향하는 2개의 전극을 가지고, 상기 전극 상호 간에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치로서, 상기 2개의 전극 중 적어도 하나 이상의 전극 표면에 유전체가 형성되어 있으며, 상기 유전체는 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내의 두께로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 유전체가 석영(Quar㎜z)인 경우, 그 두께는 1.0㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내인 것이 바람직하다. 그리고, 상기 유전체가 알루미나계 세라믹(Alumina-based ceramic)인 경우에, 그 두께는 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상술한 본 발명에 있어서, 상기 알루미나계 세라믹은 알루미나 및 세라믹 성분을 포함하고, 그 중에서 상기 알루미나 성분은 85질량％ 이상 포함되어 있는 것이 가능하다.

또한, 상술한 본 발명에 있어서, 상기 2개의 전극 중 하나 이상의 전극은 봉 형태의 전극이고, 상기 봉 형태의 전극을 수용하는 케이스 상의 유전 부재가 상기 전극 표면을 둘러싸도록 형성된 것일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 본 발명은 서로 대향하는 2개의 전극 상호 간에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치에 있어서, 상기 2개의 전극 중 적어도 하나의 전극 표면에 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내의 두께로 형성된 유전체를 가짐으로서, 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 가질 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명은 유전체의 종류에 따라 상기 유전체가 적정한 두께로 형성됨으로서, 대형화되는 플라즈마 발생 설비에서 플라즈마 처리되는 기판(피처리물)에 데미지를 감소시킬 수 있고, 이와 함께 설비의 수명도 향상시킬 수가 있다.

또한, 본 발명은 상기 전극 위에 일체형 유전체가 형성됨으로서, 지속적인 방전에 의하더라도 열정 안정성이 더욱 우수하고, 방전에 문제가 생겨 유전체를 교환해야 하는 경우에도 간단하고 용이하게 유전체를 교체할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 하나의 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1과 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성을 나타내는 모식도이고, 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치는 서로 대향하는 2개의 전극(10)을 가지고, 상기 전극(10) 상호 간에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치이다.

상기 전극(10)은 별도의 전원공급수단(40)으로부터 전원을 인가받는 전원공급전극(11)과, 접지된 접지전극(12)을 포함하여 이루어질 수 있다. 그래서, 상기 전원공급전극(11)과 접지전극(12) 간에 인가되는 전압에 의해, 상기 2개의 전극(10) 사 이에 글로우(glow) 방전이 발생되고, 이렇게 방전이 발생하는 부분에 피처리물(30)을 도입하여 상기 피처리물(30)에 플라즈마 처리를 행하는 것이다.

여기서, 상기 전극(10)은 구리, 알루미늄, 놋쇠, 스테인리스강, 티탄 합금, 크롬 등의 금속 재료로 형성될 수 있고, 그 단면은 대략 구형, 사각형, 사다리꼴, 삼각형 등을 가질 수도 있다.

이러한 플라즈마 발생 장치 또는 처리 장치에 있어서, 안정화된 플라즈마(Plasma)를 발생시기 위해서는, 상기 2개의 전극(10) 중 어느 하나 이상의 전극(10)위에 형성된 유전체(20)의 역할이 중요하다. 상기 유전체(20)는 전원공급전극(11)과 접지전극(12)의 각 표면에 형성된 제1유전체(21) 및 제2유전체(22)를 포함할 수 있다. 이러한 유전체(20)는 전극(10)의 지속적인 안정적인 플라즈마 발생과 밀접한 관련이 있으며, 또한 지속적인 열 발생에 대해 안정적이어야 한다.

만약, 유전체(20) 두께가 얇은 경우에는, 내전압이 너무 작아지고 지속적인 방전에 의한 crack 이 생겨 대기압 플라즈마를 안정적으로 유지 할 수 없다. 또한, 상기 유전체(20) 두께가 두꺼운 경우에는, 내전압이 너무 커지고, 초기 방전을 일으켜서 그 방전을 안정적으로 유지하기가 어렵게 된다.

즉, 유전체(20)가 두꺼우면 유전체 자체적으로 안정적이나 방전 전압이 높아지게 되고, 너무 얇으면 절연 성능이 떨어져 아크로의 전이가 쉽게 된다. 따라서, 유전체(20)의 적당한 두께와 절연 성능을 위한 유전율이 중요한 변수이며, 이는 플라즈마 발생 장치의 내구성 및 방전 안정성과 밀접한 관계가 있다.

이에 따라, 본 발명자들은 유전체 종류에 따른 유전율과 그에 따른 유전체의 적정한 두께에 대하여, 수년간 연구개발을 하였고, 그 결과 일반적으로 많이 사용되는 유전체의 경우, 보통 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내의 두께로 형성되는 것이, 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 가질 수 있다는 것을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.

이와 같이, 전극 표면에 형성되는 유전체(20)는 rubber, ㎜eflon, 실리콘 수지류, 석영, 알루미나, 산화 티탄, PZ㎜(납-지르코늄-티타늄 복합 산화물) , 실리카, 산화 주석, 이산화 티타니늄, 산화 지르코늄 등으로 이루어질 수 있고, 특별히, 상기 유전체(20)가 석영(Quar㎜z)인 경우, 그 두께는 1.0㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내인 것이 바람직하고, 상기 유전체(20)가 알루미나계 세라믹(Alumina-based ceramic)인 경우, 그 두께는 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내인 것이 더욱 바람직하다.

여기서, 상기 알루미나계 세라믹은 알루미나 및 세라믹 성분을 포함하고, 그 중에서도 상기 알루미나 성분이 95질량％ 이상, 더 바람직하게는 96질량％ 이상인 것이 바람직하다. 알루미나의 비율이 95질량％보다 낮으면, 본래의 알루미나와 유사한 특성이 덜 나타나기 때문이다.

한편, 본 발명에 따른 유전체(20)는 지속적인 방전에 안정적이기 위해 전극(10) 표면에 기계적 결합이나 접착이 없는 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다.

종래에 플라즈마 발생 전극에 유전체를 형성하는 방법으로는, 전극 표면에 유전체 재료를 spray 등으로 뿌려 커버한 다음 고온으로 용융시키는 법랑 피복 방법과 졸겔법에 의한 유리질막의 형성 방법 등이 있다. 또한, CVD 나 PVD로 전극 표면을 절연물로 코팅하는 경우도 있다. 또한, 판상으로 형성시킨 절연물을 전극의 표면에 접착 또는 밀착 시키는 방법 등이 있다. 그러나, 이와 같이 접착 및 밀착시키는 종래의 방법에 의하는 경우, 전극을 둘러 싸기 위해 세라믹을 볼트 등을 사용하여 체결하는 경우도 생기는데, 그러한 경우, 방전에 의한 이음매 부분이 약하여 crack 문제가 많이 발생되는 문제점이 있다.

이에, 본 발명에 따른 유전체(20)는 지속적인 방전에 안정적이기 위해, 상기 2개의 전극 중 하나 이상의 전극은 봉 형태의 전극이고, 상기 봉 형태의 전극을 수용하는 케이스 상의 유전 부재가 상기 전극 표면을 둘러싸도록 형성된 것이 바람직하다. 즉, 본 발명에 따른 일체형 유전체(20)라는 것은, 봉 형태의 전극을 내부에 수용할 수 있도록 관통부를 가지는 케이스 상의 유전 부재가, 상기 봉 형태의 전극에 일체 로 결합될 수 있는 형태의 유전체를 뜻한다. 그렇지 않은 경우, 지속적인 방전에 의해 작은 틈이 있는 경우라도 점점 변형이 되어 결국은 crack이 발생하게 되고, 아크가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 유전체(20)는 용접이나 볼트 체결이 따로 없는 일체형 유전체가 바람직하다. 이러한 유전체(20)는 지속적인 방전이 있어도 열적인 안정성이 우수하다는 장점이 있다.

즉, 본 발명에서는 지속적인 방전에 의해 지속적인 안정성을 갖는 일체형 유전체를 사용하되, 전극과 접합이 아닌 물리적 밀착으로 유지되게 함으로서, 금속의 전극 재료와 유전체의 열팽창 계수의 차이가 있어도, 열팽창 계수 차에 의한 유전체 crack 이 발생하지 않고, 또한 head에 문제가 발생했을 때 A/S가 용이하도록 한 것이다. 다시 말해서, 본 발명과 같이 봉 형태의 전극을 수용하는 케이스 상의 유전 부재로 이루어진 일체형 유전체(20)는, 전극 또는 유전체에 불량이 발생하는 경우, 상기 전극에서 유전체를 분리하여, 문제있는 전극 또는 유전체만을 간단하고 용히하게 교체하여, 불량의 문제점을 쉽게 해결할 수 있다.

나아가, 본 발명의 다른 실시형태는, 서로 대향하는 2개의 전극을 가지고, 상기 전극 상호 간에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치로서, 상기 2개의 전극 각각은 그 표면에 유전체가 형성되어 있으며, 상기 유전체의 유전율과 상기 유전체의 두께의 곱셈(mul㎜iplica㎜ion) 값은 2.1 내지 30.6 범위 내의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치일 수 있다. 이때, 상기 유전체는 석영 또는 알루미나계 세라믹일 수 있는데, 석영은 2.1 내지 4의 유전율과 1.0㎜ 내지 3.0㎜의 두께를 가지고, 알루미나계 세라믹은 9 내지 10.2의 유전율과 0.5㎜ 내지 3.0㎜의 두께를 가질 수 있다.

이러한 본 발명은 설비 대형화에 따라 대기압 플라즈마를 유지할 수 있는 유전체(20)의 유전율과 두께의 관계를 분석하여 플라즈마 발생 장치의 안정성을 높이고자 한 것이다.

본 발명자들은 이러한 유전체(20)의 유전율과 두께(mm)의 관계에서, 특별한 임계적 의의를 발명하였다. 예를 들면, 유전체(20)의 유전율이 1.0 내지 3.0 인 경우에, 상기 유전체(20)의 두께는 0.5㎜ 내지 3.0㎜ 범위 내로 형성되는 것이 가장 안정한 방전을 가질 수 있다는 것을 확인하였다.

본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 더 잘 이해 될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적을 위한 것이며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 한정되는 보호범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

실시예 : 유전체 두께가 다른 플라즈마 발생 장치의 제조

본 발명자들은 도 1에 나타난 바와 같이, 서로 대향하는 2전극 표면에 Quartz 및 Alumina류 세라믹 유전체의 두께를 달리하여 형성하였다. 두께는 0.3㎜ 내지 6㎜ 범위까지 형성하였다. 여기서, 사용된 Quartz 및 Alumina류 세라믹 유전체의 특성은 하기 표 1에 나타난 바와 같다.

[표 1: Quartz 및 Alumina류 세라믹 유전체의 특성]

	유전율	열팽창계수
Quartz	2.1 ~ 4	5.5 * 10 -7 cm/ ℃
알루미나류 세라믹	9 ~ 10.2	7.1 * 10 -7

상기와 같이 두께가 다르게 형성된 유전체 각각을 포함하는 플라즈마 발생 장치에서, 방전상태와 crack 발생 여부를 확인하였고, 그 결과는 하기 표2 및 도 1과 도 2에 나타난 바와 같다.

[표 2: 유전체 두께에 따른 방전상태 및 crack 발생 여부]

두께(mm)	0.3	0.5	1	2	3	4	5	6
Quartz	24시간 방전 지속 시 Quartz crack 발생		방전안정					방전 불안
Alumina류 세라믹	crack 발생	방전안정				방전불안

상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, Quartz에서 두께가 1㎜ 보다 작은 경우에는, 24 시간 방전 유지시 crack 이 발생하여 방전을 유지할 수 가 없었다. 또한, 5㎜에서는 도 3에 나타난 바와 같이 플라즈마의 방전상태가 안정하였지만, 5㎜보다 큰 6㎜의 경우에는, 도 4에서와 같이 플라즈마가 중간 중간에 끊기는 현상이 발생하였다. 이에 따라, Quartz는 급냉 및 급열의 내열성이 좋은 재질로서 유전체로 사용하는 경우에는 1 ~ 5㎜ 두께가 가장 바람직하다는 것을 확인하였다. 1㎜ 미만에서는 유전체 crack이 발생하여 적합하지 않고, 5㎜를 초과하는 경우에는 방전은 가능하나 내열성이 두께에 반비례하므로 Quartz crack 및 방전 불안정의 문제가 있기 때문이다.

또한, Alumina 류 세라믹에 경우는 0.5㎜ 까지 방전이 안정하였으나, 이보다 두께가 더 얇은 경우에는, 유전체에 crack 이 발생하였다. 또한, 3㎜ 까지는 방전이 안정하였으나, 그 보다 두께가 두꺼운 경우에는 역시 방전이 불안정한 상태를 나타내었다. 알루미나류의 세라믹 역시 열에 강한 특성을 갖고 있으며, 유전율이 Quartz 보다 상대적으로 높아 0.5㎜ 두께에서도 방전이 안정적으로 유지되며, 3㎜ 보다 큰 경우에는 방전 전압이 높아져 방전이 발생하기 않는다.

한편, 상기에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 기술적 특징이나 분야를 이탈하지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

본 발명은 유전체의 종류에 따라 적정한 두께로 유전체가 형성됨으로서, 안정적인 플라즈마 방전과 열에 대한 지속적인 내구성을 가질 수 있는 플라즈마 발생 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성을 나타내는 모식도이고,

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 플라즈마 발생 장치의 구성을 나타내는 모식도이고,

도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 발생 장치에서 안정한 방전 상태를 설명하기 위한 사진이고,

도 4는 종래기술에 따른 플라즈마 발생 장치에서 불안정한 방전 상태를 설명하기 위한 사진이다.

**도면의 주요부분에 대한 간단한 기호의 설명**

10 : 전극 11 : 전원공급전극

12 : 접지전극 20 : 유전체

21 : 제1유전체 22 : 제2유전체

30 : 피처리물 31 : 접지 전극 또는 지지대

40 : 전원공급수단

Claims (6)

1. 서로 대향하는 2개의 전극을 가지고, 상기 전극 상호 간에 전압을 인가하는 것에 의해 플라즈마(plasma)를 발생시키는 장치로서,

   상기 2개의 전극 중 하나 이상의 전극 표면에 유전체가 형성되어 있으며,

   상기 유전체의 유전율과 상기 유전체의 두께(㎜)의 곱셈(multiplication) 값은 2.1 내지 30.6 범위 내의 값을 가지되,

   상기 유전체는,

   유전율 2.1 내지 4, 두께 1.0 내지 5.0㎜을 가지는 석영 또는 유전율 9 내지 10.2, 두께 0.5 내지 3.0㎜을 가지는 알루미나계 세라믹인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 알루미나계 세라믹은 알루미나 및 세라믹 성분을 포함하고, 그 중에서 상기 알루미나 성분은 95질량％ 이상 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 2개의 전극 중 하나 이상의 전극은 봉 형태의 전극이고,

   상기 봉 형태의 전극을 수용하는 케이스 상의 유전 부재가 상기 전극 표면을 둘러싸도록 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생 장치.
6. 삭제

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