KR101453856B1 - 곡면 형상의 구동 전극을 구비한 분사형 플라즈마 발생기 - Google Patents

곡면 형상의 구동 전극을 구비한 분사형 플라즈마 발생기 Download PDF

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Abstract

공간적으로 균일한 대면적 플라즈마 제트를 구현하기 위한 분사형 플라즈마 발생기를 제공한다. 분사형 플라즈마 발생기는, 내부에 플라즈마 생성 공간을 형성하며 일측에 가스 주입구와 반대편 일측에 가스 배출구를 형성하는 유전 지지체와, 가스 주입구를 관통하면서 적어도 일부가 유전 지지체의 내부에 위치하는 구동 전극과, 유전 지지체 상에서 유전 지지체의 축 방향을 따라 구동 전극과 가스 배출구 사이에 위치하는 접지 전극을 포함한다. 구동 전극은 가스 배출구를 향해 볼록한 곡면부를 형성한다.

Description

곡면 형상의 구동 전극을 구비한 분사형 플라즈마 발생기 {JET TYPE PLASMA GENERATOR WITH CURVED-SHAPED DRIVING ELECTRODE}
본 발명은 분사형 플라즈마 발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공간적으로 균일한 대면적 플라즈마 제트를 구현하기 위한 분사형 플라즈마 발생기에 관한 것이다.
다양한 기술 분야에서 대면적 플라즈마 처리 기술이 요구되고 있다. 예를 들어, 세정, 증착, 식각 등 널리 알려진 플라즈마 공정 이외에 유연 디스플레이(flexible display)의 기판으로 사용되는 폴리머 기판의 표면 처리나 특정 물질의 분해를 위한 생화학적 응용 등 다양한 분야에서 플라즈마 공정을 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
플라즈마 발생기는 플라즈마 발생 원리와 전극 구조에 따라 다양한 방식으로 분류되며, 이 가운데 용량성 결합 플라즈마(capacitively coupled plasma, CCP) 방식을 이용한 분사형 플라즈마 발생기가 있다. 그런데 이 경우 높은 압력에서 균일한 대면적 플라즈마 생성이 어렵고, 플라즈마 분사를 위해 높은 전압과 높은 유량이 요구되는 기술적인 어려움이 있다.
본 발명은 공간적으로 균일하고 분사 거리가 긴 대면적 플라즈마 제트를 구현함과 아울러 낮은 전압과 낮은 유량에서 플라즈마 분사를 효과적으로 수행할 수 있는 분사형 플라즈마 발생기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기는, ⅰ) 내부에 플라즈마 생성 공간을 형성하며, 일측에 가스 주입구와 반대편 일측에 가스 배출구를 형성하는 유전 지지체와, ⅱ) 가스 주입구를 관통하면서 적어도 일부가 유전 지지체의 내부에 위치하고, 가스 배출구를 향해 볼록한 곡면부를 포함하는 구동 전극과, ⅲ) 유전 지지체 상에서 유전 지지체의 축 방향을 따라 구동 전극과 가스 배출구 사이에 위치하는 접지 전극을 포함한다. 구동 전극과 접지 전극 사이의 거리는 곡면부의 위치에 따라 변한다.
접지 전극은 유전 지지체의 외벽과 접하며 유전 지지체의 원주 방향을 따라 유전 지지체를 둘러쌀 수 있다.
구동 전극은 곡면부를 포함하는 제1 구동 전극과, 유전 지지체의 반경 방향을 따라 제1 구동 전극과 겹치도록 유전 지치체 상에 위치하는 제2 구동 전극을 포함할 수 있다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극은 공통 전원부에 연결되어 동일한 교류 전압을 인가받을 수 있다. 다른 한편으로, 제1 구동 전극과 제2 구동 전극은 각자의 전원부에 연결되어 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 각각 인가받으며, 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압일 수 있다.
구동 전극은 유전 지지체의 축 방향을 따라 그 내부를 관통하는 관통 홀을 형성하여 일측에 가스 주입구를 형성하고, 반대편 일측에 가스 배출구를 형성할 수 있다. 구동 전극의 가스 배출구는 유전 지지체의 내부 정중앙에 위치할 수 있다.
유전 지지체의 가스 주입구로 방전 가스가 투입되고, 구동 전극의 가스 주입구로 반응성 가스 또는 공정 가스가 투입될 수 있다. 유전 지지체의 축 방향을 따라 구동 전극과 가스 배출구 사이의 유전 지지체 상에 보조 주입구가 형성될 수 있다.
가스 주입구는 유전 지지체의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치되며, 유전 지지체의 반경 방향에 대해 경사각을 가지도록 형성될 수 있다. 유전 지지체의 축 방향을 따라 구동 전극과 가스 배출구 사이의 유전 지지체 상에 원주 방향을 따라 복수의 보조 주입구가 형성되고, 복수의 보조 주입구 각각은 유전 지지체의 반경 방향에 대해 경사각을 가지도록 형성될 수 있다.
곡면부는 포물선 또는 원호 모양의 유선형 단면을 가질 수 있다. 다른 한편으로, 곡면부는 원뿔의 일부를 이루는 제1 곡면부와, 포물선 또는 원호 모양의 유선형 단면을 가지는 제2 곡면부를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 곡면부는 원뿔 모양으로 형성될 수 있다.
본 실시예의 분사형 플라즈마 발생기는 유전 지지체의 내부 공간에서 반경 방향 및 축 방향을 따라 플라즈마 세기를 균일화하여 공간적으로 매우 균일한 플라즈마 제트를 구현할 수 있다. 또한, 축 방향을 따라 생성되는 전위로 인해 플라즈마 제트를 용이하게 분사할 수 있으며, 분사 거리가 긴 대면적 플라즈마 제트를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 분사형 플라즈마 발생기의 단면도이다.
도 3은 도 2의 부분 확대도이다.
도 4와 도 5는 각각 유전 지지체의 반경 방향과 축 방향에 따른 플라즈마의 광량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 4와 도 5에 나타낸 비교예에 따른 분사형 플라즈마 발생기를 나타낸 사시도이다.
도 7 내지 도 13은 각각 본 발명의 제2 실시예 내지 제8 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “상에” 또는 “위에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, “~ 상에” 또는 “~ 위에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
도 1과 도 2는 각각 본 발명의 제1 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도와 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(100)는 유전 지지체(10)와 구동 전극(20) 및 접지 전극(30)을 포함한다. 구동 전극(20)의 적어도 일부는 유전 지지체(10)의 내부에 위치하고, 접지 전극(30)은 유전 지지체(10) 상에 위치한다.
유전 지지체(10)는 유전체로 제작된 관 또는 덕트 모양의 부재로서 그 내부에 플라즈마 생성 공간을 형성한다. 유전 지지체(10)는 일측에 가스 주입구(11)를 형성하고, 반대편 일측에 가스 배출구(12)를 형성한다. 도 1에서는 원통형 유전 지지체(10)를 예로 들어 도시하였으나, 유전 지지체(10)의 단면은 원형 이외에 사각형 등 다양한 모양으로 형성될 수 있다.
유전 지지체(10)의 가스 주입구(11)는 도시하지 않은 기체 공급 장치 및 유량 조절기와 연결된다. 가스 주입구(11)를 통해 유전 지지체(10)의 내부로 투입되는 가스는 방전 가스로서, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 및 질소(N2)와 같은 불활성 가스이거나 불활성 가스와 클린 드라이 에어(clean dry air)의 혼합물일 수 있다.
또한, 필요에 따라 방전 가스에 반응성 가스 또는 공정 가스가 추가될 수 있다. 반응성 가스 또는 공정 가스는 분사형 플라즈마 발생기(100)의 용도(세정, 증착, 식각, 표면 처리, 물질 분해 등)에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 반응성 가스 또는 공정 가스는 SF6, CH4, CF4, O2, 또는 NF3 등을 포함할 수 있다.
구동 전극(20)은 가스 주입구(11)를 관통하면서 유전 지지체(10)의 일측에 설치되고, 전원부(25)와 연결되어 이로부터 교류 전압을 인가받는다. 구체적으로, 구동 전극(20)은 가스 주입구(11)의 중앙을 관통하면서 유전 지지체(10)의 축 방향과 나란하게 설치되며, 유전 지지체(10)의 축 방향을 따라 이웃한 균일 직경부(21)와 곡면부(22)를 포함한다.
균일 직경부(21)는 구동 전극(20) 중 가스 주입구(11)를 향해 위치하고, 유전 지지체(10)의 반경 방향을 따라 유전 지지체(10)의 내벽과 일정한 거리를 유지한다. 곡면부(22)는 구동 전극(20) 중 가스 배출구(12)를 향해 위치하며, 가스 배출구(12)를 향해 볼록한 곡면으로 형성된다. 곡면부(22)는 균일 직경부(21)에서 멀어질수록 유전 지지체(10)의 반경 방향을 따라 유전 지지체(10)의 내벽과 더 큰 거리를 유지한다.
곡면부(22)는 포물선 또는 원호 모양의 단면을 가질 수 있다. 이 경우 곡면부(22)는 뾰족한 부분 없이 전체적으로 부드러운 유선형 구조를 이룬다. 도 1과 도 2에서는 포물선 모양의 단면을 가진 곡면부(22)를 예로 들어 도시하였다.
접지 전극(30)은 유전 지지체(10) 상에서 유전 지지체(10)의 축 방향을 따라 구동 전극(20)과 가스 배출구(12) 사이에 위치한다. 접지 전극(30)은 고리형 전극일 수 있으며, 유전 지지체(10)의 외벽과 접하면서 원주 방향을 따라 유전 지지체(10)를 둘러싼다. 접지 전극(30)의 모양은 유전 지지체(10)의 형상에 따라 다양하게 변할 수 있다.
구동 전극(20)이 곡면부(22)를 포함하고 있고, 접지 전극(30)이 유전 지지체(10)의 원주 방향을 따라 유전 지지체(10)를 둘러싸도록 설치되므로, 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리는 곡면부(22)의 위치에 따라 변한다. 즉 곡면부(22)의 중앙에서 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리는 최소가 되고, 곡면부(22)의 중앙에서 멀어질수록 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리는 점진적으로 커진다.
구동 전극(20)에 교류 전압을 인가하면, 구동 전극(20)과 접지 전극(30)의 전위 차에 의해 유전 지지체(10) 내부에 전기장이 형성되어 플라즈마 방전이 일어난다. 이때 플라즈마 방전은 유전 지지체(10)의 벽전하를 이용하는 표면 방전형으로서 유전 지지체(10)의 내부와 외부에 걸쳐 플라즈마 제트(도 1에서 점선으로 도시)가 생성된다.
구동 전극(20)에 인가되는 교류 전압은 수백V 내지 수kV의 크기와, 수kHz 내지 수백kHz의 주파수 특성을 가질 수 있다. 구동 전극(20)의 운전 전압은 압력에 비례하여 높아지는데, 저압의 경우 수백V이고, 고압 및 대기압의 경우 수kV일 수 있다.
플라즈마 방전은 운전 전압이 내부 가스의 항복 전압보다 높을 때 발생하며, 방전 전류는 시간에 따라 계속 증가하다가 유전 지지체(10)의 표면에 벽전하가 쌓이는 양이 많아짐에 따라 감소한다. 즉, 방전 개시 이후 방전 전류가 높아짐에 따라 플라즈마 내부의 공간 전하들이 유전 지지체(10) 위에 쌓여 벽전하가 생성된다.
벽전하는 외부에서 걸리는 전압을 억제하는 기능을 하고, 유전 지지체(10)의 벽전압에 의해 시간이 지남에 따라 방전이 약해진다. 플라즈마 방전은 인가 전압이 유지되는 기간 동안 생성과 유지 및 소멸 과정을 반복한다. 따라서 저압, 대기압, 고압 조건 모두에서 방전이 아크로 전이되지 않으면서 낮은 전압으로도 효과적인 대용량 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한, 플라즈마 제트는 가스 유동에 의해 가스 배출구(12) 외측으로 이동하므로 구동 전극(20)으로부터 가스 배출구(12)의 외측에 이르기까지 넓은 영역에 걸쳐 분포한다. 즉, 유전 지지체(10)의 내부와 가스 배출구(12)의 외측에 걸쳐 체적이 크고 분사 거리가 긴 대면적 플라즈마 제트가 형성된다.
이 과정에서 구동 전극(20)은 접지 전극(30)을 향해 볼록한 곡면부(22)를 형성하므로, 유전 지지체(10)의 반경 방향과 축 방향을 따라 높은 밀도의 플라즈마를 균일하게 생성할 수 있다. 도 3은 도 2의 부분 확대도로서, 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 전위 분포를 개략적으로 나타내었다.
도 3을 참고하면, 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리는 곡면부(22)의 중심부(A 영역)에서 가장 작고, 균일 직경부(21)와 접하는 곡면부(22)의 제1 주변부(B 영역)에서 가장 크다.
곡면부(22)의 중심부(A 영역)는 접지 전극(30)과 가장 가깝게 위치하므로 가장 높은 전기장 세기를 나타내며, 하전 입자들의 생성량이 가장 높은 영역이다. 곡면부(22)의 제1 주변부(B 영역)는 접지 전극(30)과의 거리로 인해 전기장 세기는 낮지만 빠른 유속으로 인해 하전 입자들의 축 방향 이동이 빠른 영역이다.
유전 지지체(10)의 반경 방향을 따라 중심부(A 영역)를 둘러싸는 곡면부(22)의 제2 주변부(C 영역)는 중간 수준의 전기장 세기를 나타내며, 제1 주변부(B 영역)에서 생성된 하전 입자들이 씨앗 전자들로 기능하여 쉽게 가속되고 밀도가 높아지는 영역이다. 곡면부(22)의 유선형 구조로 인해 제1 및 제2 주변부의 유동이 중심부로 유입되면서 하전 입자들 역시 빠른 속도로 유입된다.
결과적으로, 곡면부(22)의 중심부(A 영역)는 높은 전기장과 풍부한 하전 입자들로 인해 높은 플라즈마 밀도를 나타내며, 곡면부(22)의 주변부들(B 영역 및 C 영역)은 상대적으로 전기장은 낮지만 빠른 유속에 의해 이송된 하전 입자들로 인해 높은 플라즈마 밀도를 나타낸다.
따라서 본 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(100)는 유전 지지체(10)의 내부 공간에서 반경 방향 및 축 방향을 따라 플라즈마 세기를 균일화하여 공간적으로 매우 균일한 플라즈마 제트를 구현할 수 있다.
도 4와 도 5는 각각 유전 지지체의 반경 방향과 축 방향에 따른 플라즈마의 광량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 4와 도 5에서 광량은 플라즈마 세기에 비례한다.
도 6은 도 4와 도 5에 나타낸 비교예에 따른 분사형 플라즈마 발생기를 나타낸 사시도이다.
도 6을 참고하면, 비교예의 분사형 플라즈마 발생기는 구동 전극(201)이 막대형인 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 즉 비교예의 분사형 플라즈마 발생기는 유전 지지체(10)와, 유전 지지체(10)의 가스 주입구(11)를 관통하는 막대 모양의 구동 전극(201)과, 유전 지지체(10) 상에서 유전 지지체(10)의 축 방향을 따라 구동 전극(201)과 가스 배출구(12) 사이에 위치하는 접지 전극(30)을 포함한다.
도 4를 참고하면, 비교예에서는 구동 전극의 단부에만 강한 전기장이 인가되므로 유전 지지체의 내부 공간에서 반경 방향에 따른 플라즈마 균일도가 매우 낮다. 반면 제1 실시예에서는 구동 전극이 곡면부를 형성함에 따라 곡면부의 중심부와 주변부에서 높은 플라즈마 밀도를 구현하여 반경 방향에 따른 플라즈마 균일도를 효과적으로 높일 수 있다.
도 5를 참고하면, 비교예에서는 구동 전극의 단부에서 플라즈마 방전이 개시되므로 플라즈마 발생 위치가 가스 주입구에서 멀고, 구동 전극의 단부를 중심으로 단부의 좌우측 영역에서 플라즈마 균일도가 매우 낮다. 반면 제1 실시예에서는 비교예 대비 플라즈마 발생 위치가 가스 주입구에 보다 가깝고, 축 방향을 따라 균일한 플라즈마 세기를 나타낸다.
이와 같이 본 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(100)는 접지 전극(30)을 향한 구동 전극(20)의 일측에 곡면부(22)를 형성함과 아울러 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이의 거리가 곡면부(22)의 위치에 따라 변하므로, 유전 지지체(10)의 내부 공간에서 반경 방향 및 축 방향을 따라 플라즈마 세기를 균일화할 수 있다. 또한, 축 방향을 따라 생성되는 전위로 인해 플라즈마 제트를 용이하게 분사할 수 있으며, 분사 거리가 긴 대면적 플라즈마 제트를 생성할 수 있다.
한편, 상기에서는 구동 전극(20)의 곡면부(22)가 포물선 또는 원호 모양인 경우에 대해 설명하였으나, 구동 전극(20)의 곡면부(22)는 서로 다른 두 곡면의 조합으로 형성되거나 원뿔 모양으로 형성될 수도 있다. 도 7과 도 8을 참고하여 곡면부의 변형예들에 대해 설명한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 7을 참고하면, 제2 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(200)는 구동 전극(20a)의 곡면부(22)가 두 개의 곡면부로 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
구동 전극(20a)의 곡면부(22)는 원뿔의 일부를 이루는 제1 곡면부(221)와, 포물선 또는 원호 모양의 단면을 가진 제2 곡면부(222)로 구성된다. 제1 곡면부(221)는 균일 직경부(21)와 제2 곡면부(222) 사이에 위치한다. 도 7에서는 원호 모양의 단면을 가진 제2 곡면부(222)를 예로 들어 도시하였다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 8을 참고하면, 제3 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(300)는 구동 전극(20b)의 곡면부(23)가 원뿔 모양으로 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제1 실시예와 제2 실시예의 경우 유전 지지체(10)의 반경 방향 및 축 방향에 따른 플라즈마 균일도가 우수하다. 제3 실시예의 경우 제1 실시예 및 제2 실시예 대비 플라즈마 균일도는 다소 낮지만, 곡면부(23)의 중심에 전위를 집중시켜 전기장의 세기(플라즈마 세기)를 높일 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 9를 참고하면, 제4 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(400)는 구동 전극(20, 24)이 두 개로 분리 배치되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 하나와 같은 구성으로 이루어진다. 도 9에서는 제1 실시예의 기본 구조를 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
구동 전극(20, 24)은 균일 직경부(21)와 곡면부(22)로 구성된 제1 구동 전극(20)과, 유전 지지체(10) 상에 설치된 제2 구동 전극(24)을 포함한다. 제2 구동 전극(24)은 유전 지지체(10)의 반경 방향을 따라 제1 구동 전극(20)과 중첩되며, 가스 배출구(12)를 향한 제1 구동 전극(20)의 단부는 제2 구동 전극(24)과 접지 전극(30) 사이에 위치한다. 제2 구동 전극(24)은 유전 지지체(10)의 외벽과 접하면서 원주 방향을 따라 유전 지지체(10)를 둘러싼다.
유전 지지체(10)의 내부 공간을 편의상 중앙부와 주변부로 구분하면, 제1 구동 전극(20)은 방전 가스의 흐름을 방해하지 않으면서 중앙부의 넓은 영역에 걸쳐 플라즈마 방전에 필요한 전기장을 높게 유지시키는 기능을 한다. 그리고 제2 구동 전극(24)은 유전 지지체(10)의 외벽과 접함에 따라 주변부에서 플라즈마 방전에 필요한 전기장을 높게 유지시키는 기능을 한다.
따라서 제4 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(400)는 전술한 제1 실시예 대비 유전 지지체(10)의 주변부에서 플라즈마 세기를 높일 수 있으며, 유전 지지체(10)의 반경 방향 및 축 방향을 따라 보다 균일한 플라즈마를 생성할 수 있다.
제1 구동 전극(20)과 제2 구동 전극(24)은 공통 전원부에 연결되어 같은 교류 전압을 인가받을 수 있다. 다른 한편으로, 제1 구동 전극(20)과 제2 구동 전극(24)은 각자의 전원부(26, 27)에 연결되어 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 각각 인가받을 수 있다. 도 9에서는 두 번째 경우를 예로 들어 도시하였다.
특히 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압일 수 있다. 제1 교류 전압과 제2 교류 전압 각각은 상승부와 유지부 및 하강부를 포함하며, 서로 180도의 위상 차를 가진다.
이 경우 제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 크기(진폭)가 같은 경우 플라즈마 발생기(400)의 실제 구동 전압은 제1 교류 전압 및 제2 교류 전압의 2배가 된다. 따라서 교류 전압 자체를 높이지 않고도 제1 구동 전극(20)과 제2 구동 전극(24) 사이에 높은 전기장을 형성할 수 있다. 이러한 구동 방법은 유전 지지체(10) 내부에서 보다 빠른 방전 개시를 가능하게 한다.
다른 한편으로, 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 다른 크기(진폭)를 가질 수 있다. 제1 교류 전압은 주로 유전 지지체(10)의 반경 방향에 따른 플라즈마 특성을 결정하고, 제2 교류 전압은 주로 유전 지지체(10)의 축 방향에 따른 플라즈마 특성을 결정한다. 제1 교류 전압을 높이면 반경 방향으로 플라즈마 밀도를 높일 수 있고, 제2 교류 전압을 높이면 축 방향에 따른 플라즈마 길이를 늘릴 수 있다. 제1 교류 전압과 제2 교류 전압의 운전 효과는 중첩되어 나타난다.
도 9에서는 제2 구동 전극(24)과 접지 전극(30)이 고리 모양인 경우를 예로 들어 도시하였으나, 제2 구동 전극(24)과 접지 전극(30)은 일정한 폭을 가진 관 또는 덕트 모양으로도 형성될 수 있다. 이 경우 유전 지지체(10)와 접하는 제2 구동 전극(24)과 접지 전극(30)의 면적이 확대됨에 따라, 유전 지지체(10)의 내부 공간 중 보다 넓은 영역에 걸쳐 균일한 플라즈마 제트를 형성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제5 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 10을 참고하면, 제5 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(500)는 구동 전극(20c)에 관통 홀(202)이 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예 중 어느 하나와 같은 구성으로 이루어진다. 도 10에서는 제1 실시예의 기본 구조를 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
구동 전극(20c)은 유전 지지체(10)의 축 방향을 따라 내부 중앙을 관통하는 관통 홀(202)을 형성한다. 따라서 구동 전극(20c)은 일측에 가스 주입구(203)를 형성하고, 반대편 일측에 가스 배출구(204)를 형성한다. 구동 전극(20)의 가스 배출구(204)는 유전 지지체(10)의 내부 정중앙에 위치한다.
방전 가스는 유전 지지체(10)의 가스 주입구(203)로 투입되고, 반응성 가스 또는 공정 가스는 구동 전극(20c)의 가스 주입구(203)로 투입될 수 있다. 이 경우 반응성 가스 또는 공정 가스는 배출과 동시에 방전 가스로 둘러싸여 혼합된다.
플라즈마 처리 효과를 높이기 위해 반응성 가스의 양을 늘리면 플라즈마가 쉽게 불안정해진다. 유전 지지체(10)의 가스 주입구(11)로 방전 가스를 투입하고, 구동 전극(20c)의 가스 주입구(203)로 반응성 가스를 투입하는 경우, 공간적으로 분압 차이가 발생하므로 반응성 가스가 플라즈마에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
즉 유전 지지체(10)의 내부 중 방전 가스의 분압이 높은 영역에서 플라즈마가 먼저 생성되고, 플라즈마와 반응성 가스가 2차 반응하면서 반응성 가스의 효과적인 분해를 유도할 수 있다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 11을 참고하면, 제6 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(600)는 유전 지지체(10)에 보조 주입구(13)가 추가로 형성된 것을 제외하고 전술한 제5 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제5 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
보조 주입구(13)는 유전 지지체(10)의 축 방향을 따라 구동 전극(20c)과 가스 배출구(12) 사이에 위치하며, 유전 지지체(10)의 반경 방향을 따라 설치된다. 보조 주입구(13)는 접지 전극(30)과 가스 배출구(12) 사이에 위치하거나, 구동 전극(20c)과 접지 전극(30) 사이에 위치할 수 있다. 도 11에서는 첫 번째 경우를 예로 들어 도시하였다.
보조 주입구(13)로 투입되는 가스는 반응성 가스 또는 공정 가스이며, 구동 전극(20c)의 가스 주입구(203)로 투입되는 가스와 같은 종류이거나 다른 종류일 수 있다. 가스 배출구(12) 근처에 보조 주입구(13)가 위치함에 따라, 보조 주입구(13)로 투입되는 반응성 가스는 플라즈마 제트 영역으로 투입된다.
제6 실시예의 플라즈마 발생기(600)는 두 종류 이상의 반응성 가스를 사용하는 경우와, 플라즈마 제트 영역으로 반응성 가스를 투입하는 것이 플라즈마 처리에 보다 효과적인 경우 유용하게 적용될 수 있다.
도 12는 본 발명의 제7 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 12를 참고하면, 제7 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(700)는 복수의 가스 주입구(11)가 유전 지지체(10)의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예 내지 제4 실시예 중 어느 하나와 같은 구성으로 이루어진다. 도 12에서는 제1 실시예의 기본 구조를 도시하였으며, 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
유전 지지체(10)의 일측(입구측)에 소용돌이 유도부(40)가 위치한다. 소용돌이 유도부(40)는 복수의 가스 주입구(11)를 형성하는 내측부(41)와, 내측부(41)를 둘러싸며 단일 주입구(421)를 형성하는 외측부(42)를 포함한다. 이때 각각의 가스 주입구(11)는 유전 지지체(10)의 내부 중심을 향하지 않고 유전 지지체(10)의 반경 방향에 대해 일정한 경사각을 가지도록 형성될 수 있다.
외측부(42)의 단일 주입구(421)로 투입된 방전 가스는 복수의 가스 주입구(11)를 통해 배출되면서 소용돌이치게 된다. 따라서 유전 지지체(10) 내부에서 방전 가스의 혼합을 보다 원활하게 하여 균일한 플라즈마 방전을 유도할 수 있다.
도 13은 본 발명의 제8 실시예에 따른 분사형 플라즈마 발생기의 사시도이다.
도 13을 참고하면, 제8 실시예의 분사형 플라즈마 발생기(800)는 유전 지지체(10)에 복수의 보조 주입구(13)가 추가로 형성된 것을 제외하고 전술한 제7 실시예와 같은 구성으로 이루어진다. 제7 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
유전 지지체(10)의 일측(입구측)에 제1 소용돌이 유도부(40)가 위치하고, 유전 지지체(10)의 축 방향을 따라 구동 전극(20)과 가스 배출구(12) 사이에 제2 소용돌이 유도부(50)가 위치한다. 제1 소용돌이 유도부(40)는 유전 지지체(10)의 내부로 방전 가스를 분사하고, 제2 소용돌이 유도부(50)는 유전 지지체(10)의 내부로 반응성 가스 또는 공정 가스를 분사한다.
제2 소용돌이 유도부(50)는 복수의 보조 주입구(13)를 형성하는 내측부(51)와, 내측부(51)를 둘러싸며 단일 주입구(521)를 형성하는 외측부(52)를 포함한다. 이때 각각의 보조 주입구(13)는 유전 지지체(10)의 내부 중심을 향하지 않고 유전 지지체(10)의 반경 방향에 대해 일정한 경사각을 가지도록 형성될 수 있다.
제2 소용돌이 유도부(50)는 접지 전극(30)과 가스 배출구(12) 사이에 위치하거나, 구동 전극(20)과 접지 전극(30) 사이에 위치할 수 있다. 도 13에서는 첫 번째 경우를 예로 들어 도시하였다.
외측부(52)의 단일 주입구(521)로 투입된 반응성 가스는 복수의 보조 주입구(13)를 통해 배출되면서 소용돌이치며, 플라즈마 제트 영역으로 바로 분사된다. 이 경우 플라즈마 제트 영역에서 반응성 가스를 균일하게 혼합시켜 반응성 가스가 플라즈마에 미치는 영향을 최소화할 수 있으며, 반응성 가스의 효과적인 분해를 유도할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800: 분사형 플라즈마 발생기
10: 유전 지지체 11: 가스 주입구
12: 가스 배출구 20, 20a, 20b, 20c: 구동 전극
21: 균일 직경부 22: 곡면부
30: 접지 전극

Claims (14)

  1. 내부에 플라즈마 생성 공간을 형성하며, 일측에 가스 주입구와 반대편 일측에 가스 배출구를 형성하는 유전 지지체;
    상기 가스 주입구를 관통하면서 적어도 일부가 상기 유전 지지체의 내부에 위치하고, 상기 가스 배출구를 향한 단부에 볼록한 곡면부를 형성하는 구동 전극; 및
    상기 유전 지지체의 외벽과 접하며 상기 유전 지지체의 원주 방향을 따라 상기 유전 지지체를 둘러싸고, 상기 유전 지지체의 축 방향을 따라 상기 곡면부와 상기 가스 배출구 사이에 위치하는 접지 전극
    을 포함하며,
    상기 구동 전극과 상기 접지 전극 사이의 거리는 상기 곡면부의 위치에 따라 변하는 분사형 플라즈마 발생기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동 전극은 상기 곡면부를 포함하는 제1 구동 전극; 및
    상기 유전 지지체의 반경 방향을 따라 상기 제1 구동 전극과 겹치도록 상기 유전 지치체 상에 위치하는 제2 구동 전극
    을 포함하는 분사형 플라즈마 발생기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극은 공통 전원부에 연결되어 동일한 교류 전압을 인가받는 분사형 플라즈마 발생기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극은 각자의 전원부에 연결되어 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 각각 인가받으며,
    상기 제1 교류 전압과 상기 제2 교류 전압은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압인 분사형 플라즈마 발생기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동 전극은 상기 유전 지지체의 축 방향을 따라 그 내부를 관통하는 관통 홀을 형성하여 일측에 가스 주입구를 형성하고, 반대편 일측에 가스 배출구를 형성하는 분사형 플라즈마 발생기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구동 전극의 가스 배출구는 상기 유전 지지체의 내부 정중앙에 위치하는 분사형 플라즈마 발생기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 유전 지지체의 가스 주입구로 방전 가스가 투입되고,
    상기 구동 전극의 가스 주입구로 반응성 가스 또는 공정 가스가 투입되는 분사형 플라즈마 발생기.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 유전 지지체 상에 보조 주입구가 형성되고,
    상기 보조 주입구는 상기 유전 지지체의 축 방향을 따라 상기 곡면부와 상기 유전 지지체의 가스 배출구 사이에 위치하는 분사형 플라즈마 발생기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가스 주입구는 상기 유전 지지체의 원주 방향을 따라 등간격으로 배치되며, 상기 유전 지지체의 반경 방향에 대해 경사각을 가지도록 형성되는 분사형 플라즈마 발생기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접지 전극과 상기 유전 지지체의 가스 배출구 사이의 상기 유전 지지체 상에 원주 방향을 따라 복수의 보조 주입구가 형성되고,
    상기 복수의 보조 주입구 각각은 상기 유전 지지체의 반경 방향에 대해 경사각을 가지도록 형성되는 분사형 플라즈마 발생기.
  12. 제1항, 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 곡면부는 포물선 또는 원호 모양의 유선형 단면을 가지는 분사형 플라즈마 발생기.
  13. 제1항, 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 곡면부는 원뿔의 일부를 이루는 제1 곡면부와, 포물선 또는 원호 모양의 유선형 단면을 가지는 제2 곡면부를 포함하는 분사형 플라즈마 발생기.
  14. 제1항, 제3항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 곡면부는 원뿔 모양으로 형성되는 분사형 플라즈마 발생기.
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