KR101503906B1 - 유전체 장벽 방전 플라스마 반응기 - Google Patents

유전체 장벽 방전 플라스마 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 애노드와 캐소드 사이의 간극을 간단한 구조에 의하여 일정하게 유지할 수 있는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge; DBD) 플라스마 반응기를 개시한다. 본 발명은 하우징, 애노드, 한 쌍의 하부 홀더들, 유전체, 캐소드와 커버로 구성되어 있다. 하우징은 하면이 개방되어 있는 체임버를 갖는다. 애노드는 하우징의 하면에 체임버를 덮도록 장착되어 있고, 플라스마 가스를 분사할 수 있는 복수의 오리피스들이 형성되어 있다. 하부 홀더들은 체임버의 하면 양쪽에 서로 간격을 두고 대향되어 그 사이에 하부 설치 공간을 형성하도록 장착되어 있으며, 애노드의 상면으로부터 떨어져 배치되어 있다. 유전체는 하부 설치 공간에 장착되어 있고, 애노드와 간극을 유지하도록 하부 홀더들에 의하여 지지되어 있으며, 상면 중앙에 설치 구멍이 형성되어 있다. 캐소드는 애노드와의 사이에 방전을 발생할 수 있도록 설치 구멍에 장착되어 있다. 커버는 설치 구멍을 덮도록 유전체의 상면에 장착되어 있다. 하부 홀더들의 서로 마주하는 내면의 하부에 유전체를 지지하도록 하부 설치 공간의 중앙을 향하여 하부 지지대가 연장되어 있다. 유전체는 간극을 유지하도록 하부 설치 공간을 통하여 한 쌍의 하부 홀더들의 아래로 돌출되는 본체와, 하부 지지대에 지지되도록 본체의 상면 가장자리에 형성되어 있는 플랜지를 구비한다. 본 발명에 의하면, 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기는, 캐소드가 장착되어 있는 유전체가 애노드와 캐소드 사이의 간극을 유지하도록 하부 홀더들에 의하여 지지되어 하우징의 체임버 안에 설치되는 구조에 의하여 애노드와 캐소드 사의 간극을 유지하기 위한 스페이서가 제거되므로, 작동 및 플라스마 가스의 흐름이 원활해져 워크피스의 불량을 방지할 수 있다.

Description

유전체 장벽 방전 플라스마 반응기{DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE PLASMA REACTOR}
본 발명은 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge; DBD) 플라스마 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 사이의 간극(Gap)을 간단한 구조에 의하여 일정하게 유지할 수 있는 DBD 플라스마 반응기에 관한 것이다.
플라스마는 인공적인 방법으로 방전(Discharge)을 통해 발생시킬 수 있다. 방전 형태와 특성에 따라 다양한 플라스마를 발생시킬 수 있는데, 압력 조건에 따라 진공 및 상압 플라스마가 있고, 전원공급장치의 종류에 따라 직류(DC), 교류(AC), RF(Radio Frequency), 마이크로파 플라스마(Microwave)가 있다. 또한, 1,000K 내외의 가스 온도를 기준으로 고온 및 저온 플라스마로 분류되고 있다. 아크(Arc)와 같이 가스 및 전자 온도가 동시에 높은 플라스마를 고온 플라스마로 분류하고, 글로우 방전(Glow discharge)과 같이 가스 온도는 낮으나 전자 온도는 높은 경우를 저온 플라스마로 분류하고 있다. 플라스마는 이온(Ion), 라디칼(Radical), 들뜬 분자(Excited molecule) 등을 발생시켜 매우 빠른 화학반응을 가능케 하기 때문에 가스처리, 연료개질에 주로 활용되고 있다. 최근에는 가속된 플라스마 입자와 가스와의 충돌을 통해 유동을 제어할 수 있는 기법이 개발되어 경계층제어, 표면마찰저감 등에 플라스마를 이용하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다.
한편, DBD 플라스마는 평행한 두 개의 전극들 사이에 한 개 이상의 유전체(Dielectric material)를 두어 코로나 방전(Corona discharge)이 스파크(Spark) 또는 아크 방전으로 전이되는 것을 막아 필라멘트 글로우(Filamentary glow)와 같은 방전을 발생시키는 것으로 간극 거리, 사용 가스의 종류 및 유속 인가된 전기장의 크기에 따라 플라스마의 물성이 변하는 방전이다. 이러한 DBD 플라스마는 대표적인 대기압 비평형 플라스마(Atmospheric pressure nonequilibrium plasma)으로 친수소성, 세정 및 산화막 증착 등과 같은 표면처리 분야, 살균, 공해 물질의 제거 등 환경 분야에 응용되고 있다.
종래의 DBD 플라스마 반응기는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 하우징(Housing: 10)의 체임버(Chamber: 12)는 하면이 개방되어 있다. 애노드(20)가 하우징(10)의 하면에 장착되어 있다. 애노드(20)는 체임버(12)와 연통되도록 형성되어 있는 복수의 오리피스(Orifice: 22)들을 갖는다. 유전체(30)가 체임버(12) 안에 장착되어 있다. 설치 구멍(32)이 유전체(30)의 상면 중앙에 형성되어 있다.
캐소드(40)가 유전체(30)의 설치 구멍(32)에 장착되어 있다. 복수의 세라믹 스페이서(Ceramic space: 50)들이 애노드(20)와 캐소드(40) 사이의 간극(G)을 유지하도록 애노드(20)와 유전체(30) 사이에 장착되어 있다. 간극(G)은 세라믹 스페이서(50)들에 의하여 0.5mm 정도로 유지되고 있다. 커버(Cover: 60)가 설치 구멍(32)을 덮도록 유전체(30)의 상면에 장착되어 있다. 스토퍼(Stopper: 70)가 커버(60)를 눌러 구속하도록 커버(60)의 상부에 장착되어 있다.
종래의 DBD 플라스마 반응기는 전원공급장치의 작동에 의하여 캐소드(40)에 고전압(High voltage)이 공급되면, 애노드(20)와 캐소드(40) 사이의 간극(G)에서 방전이 발생되고, 간극(G)에 공급되는 작동 가스에 의하여 플라스마 가스가 생성된다. 플라스마 가스는 애노드(20)의 오리피스(22)들을 통하여 워크피스(Workpiece: 2)의 표면에 분사되어 워크피스(2)의 표면처리를 행하게 된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래의 DBD 플라스마 반응기는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 세라믹 스페이서(50)들이 작동 및 플라스마 가스의 흐름을 방해하는 장해물로 되어 워크피스(2), 예를 들면 액정디스플레이(Liquid crystal display, LCD)의 유리기판(4)에 가로선 형태의 얼룩(Mura)이 발생되는 문제가 있다. 세라믹 스페이서(50)들의 크기를 최소로 제조하는 경우에도 애노드(20)의 오리피스(22)들과 세라믹 스페이서(50)들 사이의 거리가 가깝기 때문에 세라믹 스페이서(50)들이 작동 및 플라스마 가스의 흐름을 방해하게 된다.
또한, DBD 플라스마 반응기의 장기간 운전 시 세라믹 스페이서(50)들 각각의 표면에 질화막 및 산화막이 증착되면서 세라믹 스페이서(50)들 주위에서 균일도(Uniformity)의 차이가 발생되는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 세라믹 스페이서(50)들이 제자리에서 이탈되는 경우, 아크 방전의 발생 및 불균형 방전의 원인이 되는 문제가 있다. 한편, DBD 플라스마 반응기의 유지보수를 위하여 애노드(20)를 분리하게 되면, 세라믹 스페이서(50)들이 제자리에서 이탈되기 때문에 사용하는 공장에서 DBD 플라스마 반응기의 유지보수를 실시하기 매우 곤란한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 DBD 플라스마 반응기의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 애노드와 캐소드 사이의 간극에서 스페이서가 제거되는 구조에 의하여 작동 및 플라스마 가스의 흐름을 원활하게 유지할 수 있는 새로운 DBD 플라스마 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 애노드와 캐소드 사이의 간극에서 스페이서가 제거되어 구조가 간단해지고, 스페이서에 의한 아크 방전의 발생 및 불균형 방전을 방지하여 신뢰성, 재현성(Reproducibility) 및 유지보수성을 향상시킬 수 있는 DBD 플라스마 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, DBD 플라스마 반응기가 제공된다. 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기는, 하면이 개방되어 있는 체임버를 갖는 하우징과; 하우징의 하면에 체임버를 덮도록 장착되어 있고, 플라스마 가스를 분사할 수 있는 복수의 오리피스들이 형성되어 있는 애노드와; 체임버의 하면 양쪽에 서로 간격을 두고 대향되어 그 사이에 하부 설치 공간을 형성하도록 장착되어 있으며, 애노드의 상면으로부터 떨어져 배치되어 있는 한 쌍의 하부 홀더들과; 하부 설치 공간에 장착되어 있고, 애노드와 간극을 유지하도록 한 쌍의 하부 홀더들에 의하여 지지되어 있으며, 상면 중앙에 설치 구멍이 형성되어 있는 유전체와; 애노드와의 사이에 방전을 발생할 수 있도록 설치 구멍에 장착되어 있는 캐소드와; 설치 구멍을 덮도록 유전체의 상면에 장착되어 있는 커버를 포함한다. 한 쌍의 하부 홀더들의 서로 마주하는 내면의 하부에 유전체를 지지하도록 하부 설치 공간의 중앙을 향하여 하부 지지대가 연장되어 있고, 유전체는 간극을 유지하도록 하부 설치 공간을 통하여 한 쌍의 하부 홀더들의 아래로 돌출되는 본체와, 하부 지지대에 지지되도록 본체의 상면 가장자리에 형성되어 있는 플랜지를 구비한다.
본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기는, 캐소드가 장착되어 있는 유전체가 애노드와 캐소드 사이의 간극을 유지하도록 하부 홀더들에 의하여 지지되어 하우징의 체임버 안에 설치되는 구조에 의하여 애노드와 캐소드 사의 간극을 유지하기 위한 스페이서가 제거되므로, 작동 및 플라스마 가스의 흐름이 원활해져 워크피스의 불량을 방지할 수 있다. 또한, 유전체의 가장자리가 하부 홀더에 지지되어 설치되므로, 애노드와 캐소드 사이의 간극에서 스페이서가 제거되어 구조가 간단해지고, 스페이서에 의한 아크 방전의 발생 및 불균형 방전을 방지하여 신뢰성, 재현성 및 유지보수성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기는 TFT-LCD용 유리기판과 같이 균일성(Uniformity)을 중요시 하는 워크피스의 표면처리에 매우 유용하게 채택될 수 있다.
도 1은 종래 DBD 플라스마 반응기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래 DBD 플라스마 반응기에서 세라믹 스페이서에 의하여 발생되는 얼룩을 설명하기 위하여 나타낸 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기의 구성을 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기에서 상하부 홀더, 캐소드와 유전체의 구성을 분리하여 나타낸 단면도이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기(100)는 외관을 구성하는 하우징(110)을 구비한다. 하우징(110)은 하단이 개방되도록 형성되어 있는 체임버(112)를 갖는다. 홈(114)이 하우징(110)의 하단에 형성되어 있다. 한 쌍의 하부 걸림턱(116)들이 하우징(110)의 하단과 이웃하도록 하우징(110)의 내면 양쪽에 형성되어 있다. 한 쌍의 상부 걸림턱(118)들이 하부 걸림턱(116)들의 상부에 배치되도록 하우징(110)의 내면에 형성되어 있다.
작동 가스의 주입을 위하여 하우징(110)의 상면에 가스공급관(120)이 체임버(112)와 연통되도록 장착되어 있다. 애노드(130)가 체임버(112)를 덮도록 홈(114)에 장착되어 있다. 애노드(130)는 워크피스(2), 예를 들면 TFT-LCD용 유리기판(4)의 표면에 플라스마 가스를 분사하도록 형성되어 있는 복수의 오리피스(132)들을 갖는다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 한 쌍의 하부 홀더(Lower holder: 140)들이 서로 간격을 두고 대향되어 그 사이에 하부 설치 공간(142)을 형성하도록 체임버(112) 안에 장착되어 있다. 하부 홀더(140)들의 하면 가장자리는 하부 걸림턱(116)들에 걸려 있다. 따라서 하부 홀더(140)들은 체임버(112) 안에서 애노드(130)의 상면으로부터 떨어져 일정한 높이를 유지하게 된다. 하부 지지대(144)가 하부 홀더(140)들의 서로 마주하는 내면의 하부에 하부 설치 공간(142)의 중앙을 향하여 연장되어 있다.
유전체(150)가 하부 홀더(140)들 사이의 하부 설치 공간(142)에 장착되어 있다. 유전체(150)는 애노드(130)와의 사이에 간극(G1)을 형성하도록 하부 홀더(140)들의 아래쪽으로 돌출되는 본체(152)를 갖는다. 설치 구멍(154)이 본체(152)의 상면 중앙에 형성되어 있다. 플랜지(Flange: 156)가 본체(152)의 상면 가장자리에 형성되어 있다. 플랜지(156)는 하부 지지대(144)에 지지되어 애노드(130)의 상면과 유전체(150)의 하면 사이의 간극(G1)을 일정하게 유지시키게 된다.
캐소드(160)가 유전체(150)의 설치 구멍(154)에 장착되어 있다. 즉, 캐소드(160)는 유전체(150)에 둘러싸이도록 유전체(150)에 장착되어 있다. 한 쌍의 상부 홀더(170)들이 하부 홀더(140)들의 상부에 장착되어 있다. 상부 홀더(170)들의 하면 가장자리는 상부 걸림턱(118)들에 걸려 상부 홀더(170)들의 위치를 구속하게 된다. 상부 홀더(170)들은 서로 간격을 두고 대향되어 그 사이에 상부 설치 공간(172)을 형성한다. 상부 지지대(174)가 상부 홀더(170)들의 서로 마주하는 내면의 상부에 상부 설치 공간(172)의 중앙을 향하여 연장되어 있다. 커버(180)가 유전체(150)를 눌러주도록 유전체(150)의 상면에 결합되어 있다. 커버(180)의 상면은 상부 지지대(174)의 하면에 지지되어 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기(100)에 있어서, 전원공급장치의 작동에 의하여 캐소드(160)에 고전압, 즉 교류전압이 인가되면, 애노드(130)와 캐소드(160) 사이의 간극(G1)에서 방전이 발생된다. 방전이 발생되면, 가스공급관(120)을 통하여 간극(G1)에 공급되는 작동 가스에 의하여 플라스마 가스가 생성된다. 플라스마 가스는 애노드(130)의 오리피스(132)들을 통하여 워크피스(2)의 표면에 분사되어 워크피스(2)의 표면처리를 행하게 된다. 예를 들면, 플라스마 가스의 분사에 의하여 TFT-LCD용 유리기판(4)을 세정할 수 있다.
본 발명에 따른 DBD 플라스마 반응기(100)는 유전체(150)가 하부 홀더(140)들에 지지되는 구조에 의하여 애노드(130)와 유전체(150) 사이의 간극(G1)이 일정하게 유지되고, 결과적으로 애노드(130)와 캐소드(160) 사이의 간극(G2)이 일정하게 유지된다. 특히, 애노드(130)와 유전체(150) 사이에 작동 가스의 흐름을 방해하는 스페이서들이 존재하지 않는 구조에 의하여 작동 가스의 흐름이 원활해져 워크피스(2)의 표면에 발생되었던 얼룩을 방지할 수 있다. 또한, 애노드(130)와 캐소드(160) 사이의 방전이 안정적으로 발생하여 아크 방전의 발생 및 불균형 방전이 방지되므로, 신뢰성과 재현성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
100: DBD 플라스마 반응기 110: 하우징
112: 체임버 116: 하부 걸림턱
118: 상부 걸림턱 130: 애노드
132: 오리피스 140: 하부 홀더
144: 하부 지지대 150: 유전체
160: 캐소드 170: 상부 홀더
174: 상부 지지대 180: 커버

Claims (4)

  1. 하면이 개방되어 있는 체임버를 갖는 하우징과;
    상기 하우징의 하면에 상기 체임버를 덮도록 장착되어 있고, 플라스마 가스를 분사할 수 있는 복수의 오리피스들이 형성되어 있는 애노드와;
    상기 체임버의 하면 양쪽에 서로 간격을 두고 대향되어 그 사이에 하부 설치 공간을 형성하도록 장착되어 있으며, 상기 애노드의 상면으로부터 떨어져 배치되어 있는 한 쌍의 하부 홀더들과;
    상기 하부 설치 공간에 장착되어 있고, 상기 애노드와 간극을 유지하도록 상기 한 쌍의 하부 홀더들에 의하여 지지되어 있으며, 상면 중앙에 설치 구멍이 형성되어 있는 유전체와;
    상기 애노드와의 사이에 방전을 발생할 수 있도록 상기 설치 구멍에 장착되어 있는 캐소드와;
    상기 설치 구멍을 덮도록 상기 유전체의 상면에 장착되어 있는 커버를 포함하고,
    상기 한 쌍의 하부 홀더들의 서로 마주하는 내면의 하부에 상기 유전체를 지지하도록 상기 하부 설치 공간의 중앙을 향하여 하부 지지대가 연장되어 있고, 상기 유전체는 상기 간극을 유지하도록 상기 하부 설치 공간을 통하여 상기 한 쌍의 하부 홀더들의 아래로 돌출되는 본체와, 상기 하부 지지대에 지지되도록 상기 본체의 상면 가장자리에 형성되어 있는 플랜지를 구비하는 유전체 방벽 방전 플라스마 반응기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 하부 홀더들의 상부에 한 쌍의 상부 홀더들이 장착되어 있고, 상기 한 쌍의 상부 홀더들은 그 사이에 상부 설치 공간을 형성하도록 서로 간격을 두고 대향되어 있고, 상기 상부 홀더들의 서로 마주하는 내면 상부에 상기 커버를 지지하도록 상기 상부 설치 구멍의 중앙을 향하여 상부 지지대가 연장되어 있는 유전체 방벽 방전 플라스마 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징의 내면 양쪽에 상기 한 쌍의 하부 홀더들의 하면 가장자리가 걸리는 한 쌍의 하부 걸림턱들과, 상기 한 쌍의 상부 홀더들의 하면 가장자리가 걸리는 한 쌍의 상부 걸림턱들이 각각 형성되어 있는 유전체 방벽 방전 플라스마 반응기.
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KR20070012933A (ko) * 2005-07-25 2007-01-30 주식회사 피에스엠 분사식 플라즈마 처리장치
JP2010073910A (ja) * 2008-09-19 2010-04-02 Sekisui Chem Co Ltd プラズマ処理装置

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