KR101550472B1 - 이동중인 금속기재의 플라즈마처리방법과 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 처리영역(2)을 갖는 진공실을 통하여 연속적으로 이동하는 금속기재 또는 절연기재(3)를 플라즈마로 처리하기 위한 방법과 장치에 관한 것으로, 플라즈마가 무선주파수 제너레이터에 연결된 인덕터(4)에 의하여 처리영역(2)에서 무선주파수 유도결합으로 발생되어 유지되고, 인덕터(4)가 플라즈마와 인덕터(4) 사이에 배치된 패러데이 스크린(7)에 의하여 기재(3)의 표면으로부터 방출되는 물질에 의한 오염으로부터 보호되며, 패러데이 스크린(7)이 기재(3) 또는 플라즈마내에 존재하는 상대-전극(23)에 대하여 전기적으로 양으로 분극된다.
Description
본 발명은 롤러 또는 모노레일 이송시스템과 같은 종류의 장치에 의하여 처리영역으로 이송되는 와이어, 거더(girder), 튜브, 판재, 형강재, 다양한 횡단면형태를 갖는 대상재, 스트립 또는 시이트, 또는 예를 들어 금속제 후크 또는 배스킷과 같은 지지체상에 배치된 부품의 형태로 양산되는 금속기재 또는 절연기재를 세정처리 또는 열처리하는 플라즈마처리방법에 관한 것이다.
이러한 방법에서 처리될 기재는 또한 본 발명에 따른 장치에 의해 기재의 표면에 근접하여 전극과 기재 사이에 방전이 이루어지는 처리영역을 갖는 진공실내에서 주어진 방향으로 이동된다.
본 발명에 따른 방법과 장치는 진공증착기술에 의하여 계속적으로 도포되는 코팅물의 접착이 촉진될 수 있도록 표면금속산화물이나 표면탄소와 같은 기재상의 오염물층을 제거할 수 있도록 한다.
또한 본 발명은 효과적으로 기재를 가열할 수 있도록 하고 처리영역에 반응물질이 가스의 형태로 1000 mbar 이하의 압력에서 첨가될 때 확산 또는 기재와의 반응으로 금속제품의 어닐링이나 표면화합물의 형성이 이루어질 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 방법은 전기적으로 충분한 전도성을 갖는 기재에 대하여 적용할 수 있고, 또한 비록 실질적으로는 진공증착방법에 의한 갈바나이징 전에 연강의 전처리에 목적을 둔 산업분야에서는 개발되었으나, 연강, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 동 및 기타 다른 금속으로 이루어진 기재에도 적용할 수 있을 뿐만 아니라 특히 본 발명의 실시형태에서 기재의 절연에 적용할 수 있도록 한다. 이와 같은 본 발명의 방법은 특히 강철제품의 처리에 목적을 두고 이제까지 이용된 처리방법과 비교하여 상당한 이점을 주는 매우 다양한 적용성을 보인다. 이후 상세히 설명되는 바와 같이, 이러한 방법은 예를 들어 본 발명의 장치에 의하여 발생된 플라즈마가 표면으로 확산되는 경우 다양한 단면형상을 갖는 개방형 또는 폐쇄형 제품의 표면을 처리할 수 있도록 한다. 이러한 방법은 그 특별한 여기장치를 통하여 2차전자의 발생에 의한 플라즈마의 가열에 기초하는 종래기술의 방법보다 전기아크의 형성에 대하여 덜 민감하다. 끝으로, 이와 같은 새로운 본 발명의 방법은 처리될 제품을 향한 전극의 교차여기 또는 맥동여기를 통하여 예를 들어 전류가 흐르지 않는 페인트로 피복된 강철시이트, 형강재 또는 거더 등과 같은 전기적으로 절연된 물질로 덮힌 금속표면을 처리할 수 있도록 한다.
플라즈마를 이용하여 금속제품을 세정하거나 가열하기 위한 지금까지 알려진 방법은 여러 가지 결점을 갖는다.
본 발명에 따른 방법과 장치는 다음의 수단에 의하여 종래기술의 결점을 해소하는데 그 목적이 있다.
RF 유도결합은 RF 전력의 대부분이 쉬스(sheathes)에서 이온의 가속을 위하여 사용되는 용량결합방식에 비하여 주어진 전력에서 고밀도 플라즈마를 생성하기 위한 비교적 간단한 잘 알려진 수단이다. 일반적으로 RF 유도결합은 전자기에너지의 전달을 허용하도록 유전체(세라믹, 유리 또는 수정)로 구성되는 진공실의 외부에 배치된 인덕터 솔레노이드에 의하여 이루어진다. 예를 들어 빔이나 강철시이트의 처리에 관련하여 본 발명에 의하여 언급되는 형태의 산업규모의 처리시설에서, 진공실의 크기는 외부 대기압에 의하여 발생될 수 있는 힘이 유전체로 이러한 크기의 진공실의 일부를 구성하는데 매우 복잡하게 하거나 위험을 줄 수 있다. 그 이유는 강철이나 알루미늄으로 만들어져 있고 크기가 1 미터가 넘으며 기계적으로 용접된 구조인 경우 보강체가 구비되는 것이 필연적이기 때문이다. 이러한 기계적인 제약은 진공실의 내부에 인덕터를 배치하여야 하는데 전기적인 특성상 곤란한 문제가 있는 바, 본 발명은 이를 해결하고자 한다.
금속제품의 표면의 이온충격에 이은 이들 금속제품의 오염물제거처리는 제거되는 오염층으로부터 다량의 원자방출이 일어나도록 하는 바, 줄효과에 의한 손실을 최소화하기 위하여 가능한 한 표면저항을 작게 유지하여야 하는 인덕터를 보호할 필요가 있다. 예를 들어 인덕터는 솔레노이드로 구성된다. 일반적으로, 인덕터는 구리로 만들어지고 RF 전류가 본질적으로 인덕터의 표면으로 흐르기 때문에 가능한 한 표면저항을 줄이기 위하여 표면을 은증착으로 피복하는 것이 유리하다.
오염물이 제거된 표면에 의하여 방출되는 물질, 예를 들어 철과 같은 물질에 의한 다른 오염으로부터 인덕터의 결합면을 보호하는 것은, 본 발명에 따르면, 그 부근에 배치되고 인덕터의 형상과 유사한 형상을 갖는 패러데이 스크린에 의하여 보증되며, 그 구조는 인덕터의 그 활성면을 전체적으로 보호할 뿐만 아니라 처리영역에서 RF 전자기 전력의 최적한 전달이 이루어질 수 있도록 한다.
특별히 유리한 구성에 있어서, 패러데이 스크린은 인덕터 솔레노이드의 내부에 배치되는 금속구조물로 구성되고 서로 평행하나 솔레노이드를 통하여 이동하는 유도전류의 흐름방향에 대하여 수직인 일련의 슬로트를 갖는다. 각 슬로트는 패러데이 스크린에 고정되고 슬로트에 의하여 발생된 전기적인 캐패시턴스의 단락을 방지하기 위하여 슬로트로부터 약간의 거리를 두고 슬로트와 정렬된 처리영역과 같은 쪽에 배치된 금속제 종방향부재로 보호된다. 따라서, 종방향부재가 패러데이 스크린의 각 슬로트를 향하여 배치되어 슬로트를 통하여 솔레노이드의 표면을 오염시키는 것을 방지하도록 한다.
패러데이 스크린과 종방향 슬로트를 보호하는 종방향부재는 인덕터의 영향이 미치는 영역의 외측에 놓이는 두개의 플랜지에 의하여 조립된다. 이들 플랜지는 물로 냉각되는 것이 바람직하다. 이들 플랜지는 인덕터 솔레노이드의 영향이 미치는 영역의 외부에 놓이는 것이 좋으며 실제로 패러데이 스크린이 충분히 기다란 길이를 가질 때 이들이 유도전류가 흐르지 않도록 솔레노이드의 외측에서 이들의 단부로부터 충분히 떨어져 있는 위치에 놓인다. 이는 이러한 구조를 패러데이 스크린의 지지플랜지에 하나 또는 수개의 절연구간에 조합함으로서 패러데이 스크린이 전기적인 폐쇄회로를 구성하지 않도록 하여 패러데이 스크린에서 유도되는 전류의 레벨을 더욱 낮출 수 있도록 한다.
시뮬레이션만으로 종방향 슬로트의 최적한 배열, 인덕터에 대한 플랜지의 위치와, 플랜지를 위하여 제공되어야 하는 절연구간의 수를 결정할 수 있다. 최적한 배열은 패러데이 스크린을 통해 인덕터에 의하여 방사된 전자기 전력의 최대전달이 이루어질 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 따르면, 패러데이 스크린은 처리될 기재 또는 기재들을 향하는 전극을 구성하고 처리에 필요한 전력의 결합이 이루어질 수 있도록 하기 위하여 기재 또는 이를 향하는 전극에 대하여 대체로 전 시간에 걸쳐 전기적으로 양(positively)으로 분극된다.
본 발명에 따르면, 이러한 전극은 상기 언급된 패러데이 스크린을 구성하고 기재의 처리조건에 장애를 주지 않고 그 표면에 처리되는 기재로부터 제거된 오염물층이 쌓일 수 있다.
본 발명에 따른 장치에서, 패러데이 스크린은 플라즈마에 인접하여, 특히 플라즈마에 접촉하는 전도성 전극을 구성하며, 이러한 전극은 상대-전극에 대하여 또는 처리될 기재에 대하여 대체로 양으로 분극된다. 따라서, 주로 양극을 구성하는 패러데이 스크린은 플라즈마로부터 전극을 회복시키고 다른 수단에 의하여 형성된 플라즈마에 전기회로를 폐쇄한다. 여기에서, 다른 수단이란 패러데이 스크린을 통한 무선주파수 유도전자기의 여기이다. 이와 같이 패러데이 스크린은 플라즈마내에 존재하는 이온을 예를 들어 처리될 기재로 구성되는 상대-전극을 향하여 가속시킨다.
플라즈마는 두 전극 사이, 처리영역에서 패러데이 스크린과 기재 사이, 또는 패러데이 스크린과 상대-전극 사이의 중간공간에서 발생된다.
패러데이 스크린을 형성하는 전극과 인덕터 사이에서 표유 플라즈마가 형성되는 것을 방지하는 것이 중요하다. 이를 위하여 이들 전극 및 인덕터의 표면과 플라즈마 사이에서 형성될 수 있는 쉬스의 두께 보다 얇은 크기로 이러한 전극과 인덕터 사이의 자유공간을 제한하는 것이 필요하다. 이러한 쉬스의 두께는 전형적으로 1 mm 이하, 또는 그 정도이다.
더욱이, 인덕터와 패러데이 스크린을 형성하는 전극 사이의 용량성 리액턴스를 증가시키고 구조상의 이유로 용량결합을 제한하기 위하여, 이들 표면 사이에 적어도 수 밀리미터의 간격을 유지하는 것이 필요하다. 이를 위하여, 일반적으로 패러데이 스크린과 인덕터 사이에 1~10 cm 의 거리가 유지되어야 한다.
이들 두 조건을 따르기 위하여, 본 발명에 있어서는 패러데이 스크린을 형성하는 전극으로부터 인덕터를 분리하는 공간에 중간유전체를 배치한다. 인덕터와 전극이 예를 들어 냉각을 위하여 제공된 냉각회로의 물의 순환에 의하여 적당히 냉각될 때, 테프론(Teflon)과 같은 중간 폴리머물질이 사용될 수 있으며, 또한 중간물질로서 세라믹 폼, 유리 또는 알루미나 울(alumina wool)이 사용될 수도 있다. 그 이유는 이러한 중간물질이 내열성을 가지며 근접한 섬유를 통하여 플라즈마가 형성될 수 있는 자유공간의 형성을 제한하는 이점을 갖기 때문이다.
그러나, 비록 두 전극 사이에 용량결합 리액턴스가 증가하여도 인덕터와 패러데이 스크린을 형성하는 전극 사이에 중간유전체가 배치되는 공간의 증가로 패러데이 스크린을 향하는 RF 이동전류가 이러한 수단에 의하여서만 충분히 감소되지 않는다. 그 이유는 이러한 공간의 증가로 유도전류가 플라즈마에서 유도된 전류로부터 이동되기 때문이며 이는 유도리액턴스의 증가에 의하여 RF 전압의 진폭을 증가시키는데 이는 패러데이 스크린에서 감소되는 표유 RF 용량성 전류의 증가를 의미한다.
따라서, 패러데이 스크린을 형성하는 전극과 이에 연결되는 전원 사이에 저역필터를 배치함으로서 이러한 RF 표유전류를 차단하는 것이 권유되고 있다. 실제로 1 MHz 이하, 바람직하기로는 100 kHz 이하의 주파수만을 통과시키는 필터가 적당한데, 이는 패러데이 스크린의 교번 또는 맥동여기를 허용하는 반면에 패러데이 스크린에 연결된 제너레이터를 향하는 RF 전류를 차단하여, 인덕터에 연결된 RF 제너레이터를 향하는 패러데이 스크린에 연결된 제너레이터의 최저주파수신호가 인덕터 솔레노이드와 패러데이 스크린을 형성하는 전극 사이의 공간에 의하여 생성된 고용량성 리액턴스에 의하여 차단된다. 저역필터는 일반적으로 패러데이 스크린과 그 제너레이터 사이에 직렬로 배치된 초크로 구성되고, 캐패시터가 초크의 단부중에서 하나는 접지연결하는데, 그러나, 다른 구성이 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 장치는 RF 신호를 차단할 수 있게 된 저역필터에 결합되고 패러데이 스크린과 그 전원 사이에 배치된 인덕터를 향하는 고주파 보다 작거나 같은 주파수를 갖는 신호를 충분히 차단할 수 있는 중간공간이 존재한다는 점에서 종래기술과 구별된다. 이러한 공간에서, 중간의 유전체가 존재함으로서 플라즈마가 형성될 수 없다.
처리장치를 진공실에 기계적으로 고정시킬 수 있도록 하고 제조후 유지 및 세정중에 취급을 위한 슬링(sling)을 고정할 수 있도록 하며 진공실내에서의 RF 방출을 줄이기 위하여 모든 처리장치를 보호하도록 접지형 시일딩(shielding)이 제공되는 것이 유리하다. 이와 같은 경우에 있어서, 한편으로는 이러한 시일딩과 인덕터 사이, 다른 한편으로는 시일딩과 패러데이 스크린을 형성하는 전극 사이에서 표유 플라즈마가 형성되는 것을 방지하고 접지에 대한 RF 용량성 결합에 의하여 이루어지는 이동을 통한 전류손실을 방지할 수 있도록 조심하여야 한다. 표유전류는 시일딩의 내면과 인덕터 솔레노이드의 외면, 필요한 경우 패러데이 스크린의 플랜지와의 사이에 적어도 수 밀리미터의 충분한 공간을 유지함으로서 감소된다.
표유플라즈마의 형성을 방지하기 위하여, 시일딩과 인덕터 그리고 패러데이 스크린 사이의 공간을 고체물질, 발포형 물질, 또는 섬유성 물질의 형태로, 폴리머, 세라믹 또는 유리와 같은 중간유전체로 채울 필요가 있다. 이들 물질은 처리중에 기재를 오염시키지 않도록 예상된 온도범위에서 사용될 수 있고 지나치게 탈기되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 장치의 한 특정 실시형태를 보인 사시도이다.
도 2는 도 1에서 보인 장치를 구성하는 여러 요소를 분해하여 보인 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에서 보인 본 발명 실시형태의 패러데이 스크린을 형성하는 전극을 보인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시형태를 보인 사시도이다.
도 5는 플라즈마 소오스의 이용을 위한 본 발명에 따른 장치의 한 실시형태를 보인 분해사시도이다.
도 6은 이온 소오스의 이용을 위한 본 발명에 따른 장치의 한 실시형태를 보인 분해사시도이다.
도 7은 조립되었을 때 본 발명에 따른 플라즈마 소오스 또는 이온 소오스를 보인 사시도이다.
도 2는 도 1에서 보인 장치를 구성하는 여러 요소를 분해하여 보인 사시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에서 보인 본 발명 실시형태의 패러데이 스크린을 형성하는 전극을 보인 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 다른 실시형태를 보인 사시도이다.
도 5는 플라즈마 소오스의 이용을 위한 본 발명에 따른 장치의 한 실시형태를 보인 분해사시도이다.
도 6은 이온 소오스의 이용을 위한 본 발명에 따른 장치의 한 실시형태를 보인 분해사시도이다.
도 7은 조립되었을 때 본 발명에 따른 플라즈마 소오스 또는 이온 소오스를 보인 사시도이다.
도면에서는 동일 또는 유사한 구성요소에 대하여 동일한 도면부호를 붙였다.
1. 본 발명에 따른 장치:
본 발명의 특정 실시형태에 따른 장치가 도 1 내지 도 3에 도시되어 있다. 이 처리장치(1)는 진공실내에 착설되며 하나 이상의 금속제기재가 연속하여 통과하는 처리영역(2)을 포함한다. 이 처리영역(2)은 장치의 내부에 위치한다.
도 1에서, 장치는 이를 통하여 기재(3)인 3개의 금속제 거더가 서로 평행한 상태에서 이들의 길이방향, 즉, 종방향으로 이동하는 것으로 도시되어 있다. 기재(3)인 거더는 처리장치의 상류측과 하류측에 배치된 일련의 롤러열(도시하지 않았음)에 의하여 지지된다.
장치는 처리영역(2)내에 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 갖는다. 이들 수단은 무선주파수 유도결합으로 처리영역(2)내에서 플라즈마를 발생하기 위한 무선주파수 제너레이터에 결합되는 인덕터(4)를 포함한다. 적어도 부분적으로 처리영역(2)을 둘러싸고 있는 인덕터(4)는 권선(turn)을 포함하는 솔레노이드로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 인덕터(4)는 임피던스 매칭회로(도시하지 않았음)를 통해 이러한 목적으로 제공된 커넥터(5)(6)에 의하여 무선주파수 제너레이터(도시하지 않았음)에 연결된다. 커넥터(5)(6)중의 하나는 무선주파수 제너레이터에 연결되고 커넥터(5)(6)중의 다른 하나는 접지연결된다. 접지에 대하여 무선주파수 전압진폭을 반으로 줄이는 푸쉬-풀 구성과 같은 다른 등가의 구성이 이용될 수 있다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극이 인덕터(4)와 처리영역(2) 사이에 제공되며 처리영역에서 플라즈마가 형성되고 기재의 표면에 의하여 방출되는 물질에 의하여 인덕터가 오염되는 것을 방지한다. 이러한 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에는 DC 전력이 공급되며 이러한 전력은 용도에 따라서 맥동되거나 또는 1 MHz 이하의 주파수를 갖는 고주파(HF) 전력일 수 있다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 DC 또는 HF 전력을 공급하기 위한 커넥터(8)를 갖는다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극을 냉각시키기 위하여, 이 전극은 커넥터(9)에 의하여 공급되고 커넥터(10)에 의하여 배출되는 물순환회로를 갖는다.
인덕터(4)와 패러데이 스크린(7)은 처리영역(2)을 감싸는 슬리이브의 형태이다. 이 슬리이브의 종축선은 실질적으로 기재의 이동방향과 일치한다. 이 슬리이브는 기재(3)가 처리영역(2)으로 진입하고 이 처리영역으로부터 떠나는 입구와 출구를 갖는다.
도 3에서 보인 바와 같이, 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 두 플랜지(12)(13) 사이에 위치하는 중앙부를 갖는다. 이들 플랜지(12)(13)는 전도성 물질로 만들어지고 형상은 환상(環狀)이다. 중앙부는 양단부가 각각 플랜지(12)(13)에 연결된 연속적인 스트립(14)을 포함한다. 스트립(14)들의 사이에 슬로트(15)가 형성되어 있다. 이들 슬로트(15)는 기재의 이동방향에 평행하게, 환언컨데, 인덕터(4)를 구성하는 솔레노이드의 축선에 실질적으로 평행하게 연장되는 것이 바람직하다. 따라서, 이들 슬로트(15)는 인덕터(4) 내에서 유도전류의 흐름방향에 실질적으로 수직을 이룬다.
슬로트(15)는 처리영역(2)에서 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 내부에 배치된 그리고 이러한 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 플랜지(12)(13)에 의하여 지지된 종방향부재(16)에 의하여 보호된다. 슬로트(15)들의 단락을 방지하고 인덕터(4)에 의하여 발생된 전자기장이 처리영역(2)까지 도달할 수 있도록 종방향부재(16)와 스트립(14) 사이에는 약간의 거리가 유지된다. 일측 플랜지(12)에는 수냉각회로에 연결하기 위한 상기 언급된 커넥터(9)(10)가 구비되고 DC 또는 HF 전력에 의하여 기재(3)에 대한 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 전기적인 분극을 위한 커넥터(8)가 구비된다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 필히 연속스트립으로 구성될 필요는 없고 슬로트 형태의 연속개방부가 구비된 금속시이트로 구성될 수도 있다.
상기 언급된 장치의 변형 실시형태에서, 플랜지(12)(13)는 폐회로를 형성하지 않고 인덕터(4)에 의하여 유도되는 전류의 진폭을 줄일 수 있도록 하는 적어도 하나의 절결부를 가질 수 있다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 인덕터(4)내에 삽입되기 전에 유전체(11)로 피복되는 것이 바람직하다.
인덕터(4)는 시일딩(18)으로 피복되기 전에 중간의 유전체(17)로 보호된다. 시일딩은 일반적으로 접지된다. 이러한 시일딩(18)은 커넥터(5)(6)가 통과할 수 있도록 하는 개방부(19)(20)(21)를 갖는다. 또한 일부의 경우, 시일딩(18)은 진공실내에서 그 고정점에 의해 접지부로부터 격리하여 부동전위가 유지될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 장치의 특별한 구성을 보인 것이다. 이러한 구성은 I-형상의 단면을 갖는 기재(3)인 빔과 같은 고하중의 제품이 처리될 수 있도록 한다. 처리장치(1)의 횡단면은 기재(3)인 제품의 횡단면을 에워싸고 있다. 이러한 구성에 있어서, 처리장치(1)는 인덕터(4)와 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극을 포함하고, 전극의 플랜지(12)(13)는 유도전류의 근원이 되지 않도록 하기 위하여 인덕터(4)로부터 돌출되어 있다. 장치의 주요부분을 강조하기 위하여 중간의 유전체(17)와 시일딩(18)은 도시하지 않았다. 중간의 유전체(11)는 인덕터(4)와 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극 사이에 배치되어 있어 보이지 않는다. 인덕터(4)에는 커넥터(5)(6)에 의하여 RF 전력이 인가된다. 개방부(22)가 처리장치(1)의 상측부에 형성되어 있어 필요한 경우 모노레일(도시하지 않았음)의 하측에 매달린 지지체에 의하여 처리될 제품을 이송할 수 있도록 한다. 이러한 모노레일은 처리영역(2)의 외측으로 이동한다.
또한 개방부(22)가 처리장치(1)의 하측부에 놓이는 것도 상상할 수 있다. 이는 기재가 하나 이상의 레일에서 이동하는 캐리지상의 처리영역(2)을 통하여 이송될 수 있도록 한다. 또한 하측으로 향하는 개방부(22)는 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 쌓이는 오염물층으로부터 분리된 부스러기를 회수용기(도시하지 않았음)측으로 회수할 수 있도록 한다.
특별히 유리한 형태의 하나로서 하나 이상의 권선을 포함하는 솔레노이드에 의하여 형성되는 인덕터는 다양한 구조를 가질 수 있다. 그 이유는 전자기장이 플라즈마의 주변에서 인덕터를 보호하는 패러데이 스크린을 형성하는 전극의 부근에 한정된 인덕터에 의하여 유도되므로, 실질적으로 전자기장이 장치의 일반적인 구조나 근접한 다른 독립장치에 무관하기 때문이다. 이는 특별한 경우에 유리할 수 있다. 예를 들어, 기재의 특별한 면을 처리하기 위하여, 인덕터와, 표면이 유사한 형상이고 이러한 표면에 실질적으로 평행하며 그 전면으로 기재가 통과하는 플라즈마 스크린을 제공하는 것이 가능하다.
이와 같이 예를 들어 처리될 기재의 표면에 대향하는 패러데이 스크린을 형성하는 전극에 의하여 보호되는 평판형 인덕터로 구성된 평판형 장치의 전면측으로 통과하는 강철시이트를 이러한 방법에 의하여 독립적으로 처리하는 것이 가능하다. 이와 같은 구성은 이러한 강철시이트를 수평으로 180°로 전도시켜 시이트의 하측에 놓이는 장치로 이 강철시이트의 두 면을 처리할 수 있게 하며, 패러데이 스크린을 형성하는 그 전극은 오염물층을 회수하기 위한 용기로서 사용될 수 있도록 한다.
장치의 이러한 모듈화된 구조의 다른 이점은 전류에 의하여 이동되는 길이를 제한함으로서 인덕터의 리액턴스를 제한하고 대형 제품이 처리될 때 무선주파수 전력을 여러 인덕터로 나누는 것이 가능하다는 점이다. 예를 들어 만약 자동차의 차체 전부를 처리할 필요가 있는 경우, 4개의 장치를 이용하는 시스템을 구성하여 두개의 장치는 차체의 상부와 하부를 처리하기 위하여 2 미터의 폭을 갖도록 하고 다른 두개의 장치는 차체의 양측부를 처리하기 위하여 1.5 미터의 폭을 갖도록 한다. 이와 같이 모듈화된 구조는 여러 기재의 특별한 횡방향 크기에 적응시키기 위하여 장치의 구조를 일부 제품의 내면을 처리하기 위하여 적응시키거나 처리되는 기재의 운동방향에 대하여 수직을 이루는 측방향으로 장치를 이동시킬 수 있도록 한다.
2. 발명의 작동조건과 특별한 구성
2.1. 처리가스의 특성과 압력
특히 강철로 만들어져 있고 길이가 길며 평판형인 금속제품을 세정하기 위하여, 진공실내에 존재하는 가스의 압력은 0.05 Pa ~ 5 Pa (5 x 10-4 mbar ~ 5 x 10-2 mbar)로 고정된다.
이 가스는 통상적으로 100%의 아르곤으로 구성된다. 특별한 경우에 있어서는 아르곤이 산소, 수소, 또는 He, Kr 또는 Xe와 같은 희가스와 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 장치가 이에 포함된 기체분자의 형태로 공급된 원소의 확산처리로 제품을 가열하기 위하여 사용될 때, 처리가스는 일반적으로 아르곤이고 이는 기재의 표면과 반응처리의 경우에 처리된 제품의 표면에서 확산되어야 하는 원소를 함유하는 가스와 혼합될 수 있다. 예를 들어 이러한 가스는 제품의 표면에 탄소를 확산시키기 위한 탄화수소가스, 또는 이러한 표면에 금속을 첨가하기 위한 유기금속가스를 포함할 수 있다. 가스의 전체압력은 스퍼터링에 의한 기재표면의 부식을 방지하기 위하여 5 Pa 이상, 바람직하기로는 5 Pa ~ 100 Pa (0.05 mbar ~ 1 mbar) 사이이어야 한다.
2.2 인덕터의 무선주파수 여기
인덕터(4)는 인덕터에서 전류에 의하여 이동되는 길이에 따라서 1 MHz ~ 170 MHz 사이, 바람직하기로는 1 ~ 30 MHz 사이, 특히 13.56 MHz 의 여기주파수로 여기되는 것이 유리하다. 최저주파수는 인덕터의 초크의 임피던스를 줄이기 위하여 장치의 큰 단면을 위하여 선택된다. 이와 같이 동일한 이유로, 인덕터는 통상적으로 단 하나의 권선을 갖는 바, 이는 또한 상기 언급하고 예를 들어 도 4에서 보인 바와 같은 개방부를 갖는 장치를 구성할 수 있도록 한다. 이와 같이 이는 모노레일 또는 캐리지에 매달려 구성된 이송장치를 이용할 수 있도록 하고, 또는 처리장치의 하측에 배치된 회수용기에 패러데이 스크린을 형성하는 전극으로부터 분리될 수 있는 오염물층을 제거할 수 있도록 한다.
13.56 MHz의 통상적인 주파수가 사용되나, 인덕터에서 전류에 의하여 이동되는 길이가 3 미터가 넘는 플랜트인 경우 10 MHz 이하, 특히 2 MHz ~ 5 MHz 사이의 주파수가 사용되는 것이 바람직하다. 장치를 위한 유용한 무선주파수 전력은 장치의 크기에 따라서 달라지나 일반적으로는 5 kW 보다 크거나 같을 수 있다. 전형적으로 이러한 전력은 인덕터 당 5 kW ~ 30 kW 사이이나 이 보다 더 낮거나 더 큰 전력이 사용될 수도 있다.
2.3. 패러데이 스크린을 형성하는 전극의 여기
패러데이 스크린을 형성하는 전극은 처리되는 기재에 대하여 또는 패러데이 스크린과 기재 사이에 위치하는 상대-전극에 대하여 양으로 분극된다. 이러한 기재 또는 이러한 상대-전극은 항상 그렇지는 않지만 일반적으로 플랜트의 접지부에 연결된다. 처리되는 기재 또는 상대-전극의 전위에 대한 분극싸이클에서의 평균전력은 양이어야 한다. 즉, 어느 주기상 전압의 적분 사이의 비율이 양이다. 따라서, 분극은 네거티브 펄스를 갖는 기재 또는 상대-전극에 대하여 DC, 정류된 AC, 또는 AC 분극될 수 있다.
패러데이 스크린을 형성하는 전극의 여기주파수는 인덕터에 결합된 무선주파수 제너레이터의 주파수에 대하여 적어도 10분의 1로 낮아져야 한다. 실제의 경우에 있어서, 여기주파수는 1 MHz 이하, 바람직하기로는 100 kHz이다. DC 전류의 경우, 이러한 여기주파수는 특히 네거티브 펄스를 가질 수 있는 제로이다.
전원이 패러데이 스크린을 형성하는 전극과 기재 또는 이러한 기재를 향하는 전극에 연결된다. 이러한 전원은 패러데이 스크린를 형성하는 전극을 향하고 처리영역에서 패러데이 스크린의 전방에서 이동하는 기재의 영역에 비례하는 전력을 위하여 조절된다.
패러데이 스크린을 형성하는 전극에 공급되는 전력은 플라즈마가 생성될 수 있도록 인덕터에 인가되는 무선주파수 전력과 적어도 같은 것이 바람직하다고 할 수 있다. 전극에 인가되는 이러한 전력은 인가되는 무선주파수 전력 보다 큰 것이 바람직하다. 실제로, 이러한 방법은 패러데이 스크린을 형성하는 전극의 전력이 인덕터에 의하여 결합된 무선주파수 전력 보다 크면 클수록 보다 경제적이다. 이러한 점은 사용되는 전력이 상당히 많이 들어가고 투자비용과 RF 전원의 이용이 100 kHz 이하의 주파수에서 작동하는 전원 보다 높은 야금분야에서는 중요하다.
2.4. 처리장치를 통과하는 기재에 의하여 적응되어야 하는 조건
처리장치를 통과하는 금속기재는 유도전류의 근원이 되지 않도록 제한된 횡방향 크기를 가져야 한다. 이를 위하여, 기재는 인덕터에 의하여 유도되는 전류의 근원을 구성하는 플라즈마의 주변영역에 접촉하는 환경하에 놓여서는 아니되며 이로부터 충분한 거리를 두고 떨어져 있어야 한다. 일반적으로 거의 1 센티미터의 두께를 가지고 플라즈마에서 유도된 모든 전자전류가 순환하고 확률 및 충돌공정에 의하여 유도전기장과 방전전자 사이에 에너지의 전달이 이루어지는 플라즈마의 이러한 주변영역은 기재의 표면에 전류가 유도되는 것으로부터 기재를 보호한다. 따라서 본질적으로 모든 유도전자기(EM)장이 위치하는 플라즈마의 주변에서 유도전류의 이러한 층의 역할은 처리되는 기재가 통과하는 지점에서 처리영역의 전자기장을 무시할 수 있으므로 매우 중요한 것이다. 따라서, 플라즈마는 진폭이 장치의 축선방향으로 매우 급격히 감쇠하는 전자기파의 전파를 효과적으로 차폐한다. 이러한 물리적인 특성은 본 발명에 따른 장치에서 전도성 물질과 특히 연강과 같은 강자성체 물질의 처리가 이루어질 수 있도록 한다.
이를 위하여, (1) 처리영역을 통한 기재의 통과에 앞서 플라즈마가 존재하여야 하고, (2) 인덕터에 무선주파수 전력이 공급되기 전에 인덕터와는 상이한 수단에 의하여 점화플라즈마가 생성되어야 하며 (3) 이미 언급된 바와 같이 처리되는 기재가 실질적으로 플라즈마에서 유도된 모든 전자전류가 흐르는 플라즈마의 주변영역으로부터 충분한 거리를 두고 통과하여야 한다. 실제로, 기재표면의 어느 지점에서는 플라즈마를 향하는 패러데이 스크린을 형성하는 전극의 표면으로부터 5 cm 이하로 접근하지 않을 것이다. 유도된 전자기장은 인덕터로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 플라즈마의 표면에 대하여 수직으로 측정된 거리에 따라 급격히 감소한다. 거리가 5 cm 이면, 신호의 진폭의 감쇠는 일반적으로 그 초기값의 99% 정도이다.
따라서, 플라즈마는 처리될 기재가 이러한 인덕터와 일렬로 통과하기 전에 인덕터의 표면의 부근에서 무선주파수 유도에 의하여 발생되거나, 또는 점화플라즈마를 발생하는 장치가 제공되어 기재가 인덕터의 정렬된 선상에 이미 적어도 부분적으로 존재할 때 무선주파수 전력이 인덕터에 결합되기 전에 플라즈마를 생성한다. 무선주파수 공급원이 기재의 처리중에 차단되는 경우에 플라즈마의 용량성 점화를 위한 장치가 특히 이 경우에 적합하다. 인덕터에 전력이 공급될 때 인덕터의 상기 언급된 커넥터(5)(6)에서 발생된 고전압의 이점을 취할 수 있으며 패러데이 스크린을 형성하는 전극의 부근에서 처리영역내에 위치하는 점화전극을 사용할 수 있도록 한다. 이러한 점화전극은 예를 들어 이러한 점화전극과 기재 사이에서 용량성 점화플라즈마의 생성이 가능하도록 상기 언급된 커넥터(5)(6)에 연결된다.
2.5.
자기경의
이용
본 발명에 따른 장치의 상기 언급된 플랜지(12)(13)에 배치된 입구 및 출구 개방부에서 이극성 확산에 의한 플라즈마손실을 줄이기 위하여, DC 전류가 통과하는 솔레노이드로 구성되는 자기경을 이용할 수 있다. 두개의 솔레노이드는 플랜지(12)(13)를 둘러싸도록 배치된다. 플랜지(12)(13)에 정렬되어 배치되는 두개의 솔레노이드를 시일딩(18)의 둘레에 배치하는 간단한 방법도 있다. 이들 솔레노이드에는 각 솔레노이드에 정렬되는 최대자기유도장을 형성하기 위하여 독립된 제너레이터에 의하여 전류가 공급된다.
3.
실제응용예
3.1.
평균단면적을
갖는 기다란 강철제품을 위한 세정장치
사용된 장치는 도 1 내지 도 3에서 보인 형태의 장치이다. 처리된 제품은 2 ㎡/m의 공칭 전체피표면적을 갖는다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 주요내부크기는 1 m x 0.3 m 이고, 유효축방향길이는 0.55 m 이다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 물로 냉각된다. 인덕터(4) 솔레노이드는 구리로 만들어져 있으며 물로 냉각되고 그 내면은 유도된 플라즈마의 외면으로부터 2 cm 떨어진 위치에 놓인다.
장치는 진공실내에서 기재(3)인 제품을 처리영역(2)으로 이송시킬 수 있는 두 롤러열 사이에 고정된다. 시일딩(18)은 접지된다. 진공실에는 5 x 10-3 mbar 의 압력과 300°K 의 온도에서 아르곤이 공급된다.
이들 조건하에서, 인덕터(4)의 커넥터(6)에 연결된 전극으로 구성되는 용량성 점화장치가 사용된다. 접지된 기재(3)인 제품이 상대-전극으로서 이용된다. 플라즈마의 용량성 점화후에 플라즈마는 내부에서 13.56 MHz 의 유효전력 15 kW 을 소비하면서 인덕터(4) 솔레노이드를 통한 유도에 의하여 유지된다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 DC 전류 제너레이터에 연결되고 이는 제품과의 사이에 57 kW 의 전력을 유지하여 600 V 의 전압에서 이온충격에 의한 제품표면의 세정이 이루어질 수 있도록 한다. 플라즈마의 주변에서 전자기장의 감쇠계수의 역은 1.14 cm 이다. 플라즈마의 주변은 실질적으로 유도전류가 흐르는 플라즈마의 표피두께부분을 의미한다.
장치의 인덕터가 13.56 MHz 에서는 여기되지 않고 3.39 MHz 에서 여기될 때, 다른 모든 조건은 동일하며, 플라즈마의 특징은 변하지 않으나, 인덕터(4)의 커넥터(5)(6) 사이의 여기회로의 임피던스가 낮아진다.
3.2. 큰
단면적을
갖는 기다란 강철제품을 위한 세정장치
사용된 장치는 도 4에서 보인 형태이고 시일딩(18)과 중간의 유전체(17)가 구비된 장치이다(이들 구성요소는 보이지 않음). 처리된 제품은 3 ㎡/m의 공칭 전체피표면적을 갖는다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 주요내부크기는 0.8 m x 0.9 m 이고, 유효축방향길이는 0.5 m 이다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 물로 냉각된다. 인덕터(4) 솔레노이드는 구리로 만들어져 있으며 물로 냉각되고 그 내면은 유도된 플라즈마의 외면으로부터 2 cm 떨어진 위치에 놓인다. 장치는 진공실내에서 기재(3)인 제품을 처리영역으로 이송시킬 수 있는 두 롤러열 사이에 고정된다. 시일딩(18)은 접지된다. 진공실에는 5 x 10-3 mbar 의 압력과 300°K 의 온도에서 아르곤이 공급된다.
이들 조건하에서, 커넥터(6)에 연결된 전극으로 구성되고 접지된 기재(3)인 제품이 상대-전극으로서 이용되는 용량성 점화장치가 플라즈마를 점화하고, 이 플라즈마는 내부에서 13.56 MHz 의 유효전력 15kW 을 소비하면서 인덕터(4) 솔레노이드를 통한 유도에 의하여 유지된다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 DC 전류 제너레이터에 연결되고 이는 제품과의 사이에 50 kW 의 전력을 유지하여 600 V 의 전압에서 이온충격에 의한 제품표면의 세정이 이루어질 수 있도록 한다. 플라즈마의 주변에서 전자기장의 감쇠계수의 역은 1.37 cm 이다. 플라즈마의 주변은 실질적으로 유도전류가 흐르는 플라즈마의 표피두께부분을 의미한다.
3.3.
강철시이트의
연속세정에 적용되는 장치
사용된 장치는 도 1 내지 도 3에서 보인 형태이다. 처리된 제품은 3 ㎡/m의 공칭 전체피표면적을 갖는다. 특히 시이트의 폭이 1.5 m 이다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 주요내부크기는 1.7 m x 0.2 m 이고, 유효축방향길이는 0.7 m 이다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 물로 냉각된다. 인덕터(4) 솔레노이드는 구리로 만들어져 있으며 물로 냉각되고 그 내면은 유도된 플라즈마의 외면으로부터 2 cm 떨어진 위치에 놓인다. 장치는 진공실내에 고정되어 수직으로 이동하는 시이트가 그 중간평면을 통하여 통과한다. 시일딩(18)은 접지된다. 진공실에는 5 x 10-3 mbar 의 압력과 300°K 의 온도에서 아르곤이 공급된다.
이들 조건하에서, 인덕터(4)의 커넥터(6)에 연결된 전극으로 구성되는 용량성 점화장치가 사용된다. 접지된 시이트를 상대-전극으로 이용함으로서 플라즈마의 점화가 이루어질 수 있도록 하며 이는 내부에서 13.56 MHz 의 유효전력 25 kW 을 소비하면서 인덕터(4) 솔레노이드를 통한 유도에 의하여 유지된다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 DC 전류 제너레이터에 연결되고 이는 제품과의 사이에 148 kW 의 전력을 유지하여 900 V 의 전압에서 이온충격에 의한 제품표면의 세정이 이루어질 수 있도록 한다. 이들 작동조건하에서, 플라즈마의 주변, 즉 실질적으로 유도전류가 흐르는 플라즈마의 표피두께부분을 의미하는 플라즈마의 주변에서 전자기장의 감쇠계수의 역은 1.2 cm 이다.
4.
플라즈마
소오스
또는 이온
소오스를
형성하는 본 발명에 따른 장치
또한 본 발명의 원리는 플라즈마 소오스 또는 이온 소오스를 형성할 수 있는 것이다.
도 5는 플라즈마 소오스를 이용하기 위한 본 발명에 따른 장치의 특별한 구성을 보인 것이다. 이러한 구성에서, 주어진 에너지에서 이온이 가속되는 플라즈마의 생성이 기재의 분극없이 수행된다. 그 이유는, 분극이, 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 전도성 기재 사이에서 더 이상 일어나지 않고 실제로 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 추출그릴(24)의 형태인 상대-전극(23) 사이에서 일어나기 때문이다. 상대-전극(23)은 크기 "d"의 개방부를 갖는다. 추출그릴(24)에 형성된 개방부의 크기 "d"는 전형적으로 플라즈마와 추출전위를 유지하는 상대-전극(23) 사이의 경계를 자연적으로 형성하는 쉬스의 두께 정도이다.
추출그릴(24)에 형성된 개방부의 최적한 간격은 인덕터에 의하여 발생된 플라즈마 밀도와 이러한 추출그릴(24)에 대하여 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 인가되는 양분극에 상응하는 쉬스의 두께의 두배 정도이다. 그 이유는 플라즈마 소오스를 위한 이들의 조건하에서, 플라즈마가 개방부의 제한으로 이러한 개방부를 통하여 확산할 수 없기 때문이며, 이들 개방부를 통하여 통과하는 이온의 진로를 결정하는 자력선은 정전기법칙에 의하여 예상될 수 있다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 저면(25)과 측벽(26)을 갖는 용기의 형태이다. 슬로트(15)가 저면(25)에 형성되어 있으며 이들 슬로트는 서로 평행하게 연장되어 있고 인덕터(4)에서 유도전류의 흐름방향에 실질적으로 수직을 이룬다.
추출그릴(24)의 추출전위는 본 발명에 따라서 일반적으로 양전위인 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 전위에 대하여 일반적으로 음전위이다. 그 이유는 상대-전극(23)에 대하여 고정되는 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 전위 때문이다. 상대-전극(23)의 전위는 접지전위이다. 이들 조건하에서, 이러한 추출그릴(24)의 영역의 개방부분이 그 돌출된 전체표면에 비하여 높은 경우 플라즈마의 쉬스에 형성되는 전기장 자력선은 주로 추출그릴(24)을 통하여 통과한다. 이는 예를 들어 개방부의 크기 "d" 보다 크기가 작은 텅스텐, 몰리브덴, 강철 또는 다른 물질의 금속와이어를 교차시켜 구성된 것을 이용함으로서 성취될 수 있다. 전형적으로 정상적인 이용조건하에서는 "d"의 크기가 1 밀리미터 정도이며, 추출그릴(24)을 구성하기 위하여 수분의 1 밀리미터의 금속와이어를 사용할 수 있다.
본 발명의 이러한 특별한 형태의 다른 실시형태에서, 추출그릴(24)은 거리 "d"의 간격을 두고 서로 평행한 와이어로 구성될 수 있다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 전위가 상대-전극(23)에 대하여 +600V 이고 쉬스의 한계에서 플라즈마밀도가 아르곤 이온내에서 2 x 1011 cm-3 정도 일 때에, 1.2 mm 의 쉬스 두께가 전형적으로 관측되기 때문이다. 추출그릴(24)은 필요한 경우 접지연결되는 시일딩(18)에 전기적으로 접촉되는 것이 바람직하다.
이들 조건하에서, 자력선을 따르는 이온은 상대-전극(23)에 대하여 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 고정된 전위에 의하여 결정되는 플라즈마와 이러한 추출그릴(24) 사이에 형성된 쉬스의 전위에 의하여 결정된 운동에너지를 갖는 추출그릴(24)의 개방부를 통하여 통과한다. 앞의 예에서, 이온은 약 600eV의 에너지로 소오스로부터 추출된다.
양공간전하의 형성을 방지하기 위하여, 이온의 흐름은 독립된 전자소오스에 의하여 발생된 전자의 흐름에 의하여 중화된다. 보다 우수하고 비용이 적게 드는 수단은 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극을 분극시키기 위하여 맥동형 전원을 이용하는 것이다. 이는 이들 조건하에서 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 시간이 짧으나 반복되는 네거티브 펄스를 가함으로서, 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 대하여 펄스에 의하여 양극이 되는 그릴의 개방부를 통하여 전자가 탈출하고 이온의 흐름을 전기적으로 중화시키기 때문이다.
따라서 이는 실질적으로 플라즈마 소오스가 된다. 양분극에 비하여 네거티브 펄스의 시간은 매우 짧다. 이는 네거티브 펄스 전위의 절대값에도 동일하게 적용된다. 전자의 이동성이 이온의 이동성에 비하여 매우 크다고 할 때, 이는 양전위의 값에 비하여 낮게 유지된다.
슬로트(15)는 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 형성된다. 물론 이들 슬로트(15)는 종방향부재(16)(도 5에서는 보이지 않음)에 의하여 보호되고 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 측벽(26)에 고정될 수 있다. 이들 측벽(26)은 도 1 내지 도 4에서 보인 플랜지(12)(13)와 같은 기능을 갖는다.
플라즈마 소오스의 구조는 도 5의 평면적인 구조로 한정되는 것은 아니다. 그 이유는 이러한 구조가 도 1 내지 도 4에서 보인 바와 같이 폐쇄형 구조이기 때문이다. 이러한 특정구조의 경우, 추출그릴(24)은 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 유사한 구조를 가지며 패러데이 스크린(7)의 전위로부터 전기적으로 절연되도록 측벽(26)의 상부에 배치되어야 한다.
도 6에서 본 발명에 따른 실시형태가 이온 소오스의 사용에 대하여 설명된다.
이러한 경우에 있어서, 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 이러한 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 전위와 동일한 전위에 놓인 출구그릴(27)에 의하여 폐쇄된다. 양전위인 출구그릴(27)에 대하여 음전위인 상대-전극(23)을 형성하는 추출그릴(24)은 이온 출구그릴(27)을 향하여 "d"의 거리를 두고 배치되어야 한다. 이온 소오스의 잘 알려진 방법에 기초하여, 이들 조건하에서, 그릴의 개방부의 구조를 최적화함으로서 플라즈마로부터 시작하여 두 그릴을 통과하는 전기장 자력선은 이온이 그릴에 충돌하지 않아 이들을 부식시키지 않도록 한다. 그리고 이온은 출구그릴(27)과 추출그릴(24) 사이의 간극 "d"에서 가속된다. 이에 대하여서는 예를 들어 "The Physics and Technology of Ion Sources" by Ian G. Brown, John Wiley & Sons ISBN 0471857084(1989)에 상세히 기술되어 있다.
상기 언급된 바와 같은 플라즈마 소오스의 경우에 있어서, 이온의 흐름은 도 6에서는 보이지 않은 본 발명의 독립된 전자소오스에 의하여 중화될 수 있다. 그러나, 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극을 분극시키기 위하여 맥동형 전원을 이용함으로서 이러한 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 추출그릴(24)에 인가되는 각 네거티브 펄스에서 전자가 이들 전극과 그릴 사이에 위치하는 플라즈마 공간으로부터 탈출하고 두 그릴인 출구그릴(27)과 추출그릴(24) 사이에서 가속된 후에 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 분극싸이클의 대부분 중에 방출된 이온의 흐름을 중화시키기 위하여 추출그릴(24)을 통하여 통과할 수 있도록 하는 것이 유리하다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 유사한 형상을 갖는 용기(28)에 의하여 형성되는 시일딩(18)은 이러한 패러데이 스크린을 형성하는 전극을 둘러싼다. 유전체(11)가 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 인덕터(4) 사이에 존재한다. 시일딩(18)을 형성하는 용기(28)의 내면은 유전체(17)로 피복된다. 인덕터(4)와 함께 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 시일딩(18)내에 배치된다.
패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극은 추출그릴(24)에 대하여 일반적으로 양으로 분극된다. 이러한 추출그릴은 시일딩(18)에 대하여 전기적으로 절연될 수 있으나 일반적으로 이러한 시일딩(18)의 전위이다. 추출그릴(24)의 전위는 접지되는 것이 좋으나 필수적인 것은 아니다.
이온 소오스의 경우, 시스템은 또한 3개의 전극, 즉 출구그릴(27), 추출그릴(24)과, 보완전극을 포함하는데, 이러한 보완전극은 이들 두 그릴인 출구그릴(27)과 추출그릴(24) 사이에 배치되나 출구그릴(27) 보다는 추출그릴(24)에 근접하여 배치되며, 전자가 장치에 독립된 소오스에 의하여 발생될 때 전자가 출구그릴(27)측으로 복귀하는 것을 방지하기 위하여 추출그릴(24) 보다는 약간 더 음전위에 가까운 전위를 갖는다. 이러한 독립된 이온 소오스는 중공형 캐소오드 방출전자 또는 필라멘트 방출전자일 수 있다. 그릴에 의하여 형성되는 여러 전극에서 개방부의 구조와 상대위치는 소위 피어스 등전위(Pierce equipotentials)의 윤곽에 기초한다("The Physics and Technology of Ion Sources" par Ian G. Brown, John Wiley & Sons ISBN 0471857084(1989), p.28 참조).
도 7은 도 5 또는 도 6에서 분해하여 보인 구성요소를 조립하여 보인 것이다.
도 5 및 도 7에서 보인 추출그릴(24)과 출구그릴(27)의 메쉬와 거리 "d"는 도면을 간명하게 나타내기 위하여 실제의 축척으로 보인 것이 아니다.
플라즈마 및 이온 소오스의 경우에 있어서, 소오스로부터 이온의 방출흐름과 연관된 가스의 손실을 보상할 필요가 있으므로 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 부근에서 가스의 주입(도시하지 않았음)은 언제나 필요한 것이다.
상기 언급된 플라즈마 또는 이온 소오스는 구조가 매우 간단하고 처리되는 제품으로부터 나오는 오염물에 대하여 내성을 갖는 이점이 있다.
아울러, 플라즈마는 유도방식으로 경제적으로 만들어지고 이온의 가속은 맥동형의 DC 전원에 의하여 경제적으로 달성된다. 이와 같이, 고에너지효율의 플라즈마 또는 이온 소오스를 얻을 수 있다.
다양한 구조, 특히, 예를 들어 진공코팅전에 건축용 유리의 전처리를 위하여, 예를 들어 3 m 길이 이상의 대규모 크기를 갖는 평면체 구조를 위한 소오스를 얻을 수 있다.
플라즈마 소오스는 건축용 유리를 세정하는데 이용될 수 있다. 이와 같은 경우, 사용된 장치는 도 5에서 보인 형태의 플라즈마 소오스이며 스퍼터링에 의한 코팅전에 폭 3 m 의 유리판을 세정하는데 사용될 수 있다. 이 장치에는 아르곤이 공급되고 이 장치는 맥동형 DC 전원에 의하여 이온이 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 대하여 추출그릴(24)의 상대분극에 의하여 약 300 eV 의 에너지로 추출되는 아르곤 플라즈마를 발생한다. 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극의 전위는 접지전위에 대하여 +300 V 이고 추출그릴(24)은 접지된 시일딩(18)의 전위이다. 소비전력은 13.56 MHz의 무선주파수에서 5kW에 대하여 맥동형 DC 전류에서 15 kW 이다.
2: 처리영역, 3: 기재, 4: 인덕터, 7: 패러데이 스크린, 11: 유전체, 15: 슬로트, 16: 종방향부재, 17: 유전체, 18: 시일딩, 23: 상대-전극, 27: 출구그릴.
Claims (29)
- 적어도 하나의 기재가 처리영역(2)을 갖는 진공실에서 이러한 처리영역(2)을 통하여 연속하여 통과할 수 있게 되어 있는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법에 있어서, 플라즈마가 무선주파수 제너레이터(radio-frequency generator)에 연결된 인덕터(4)에 의하여 처리영역에서의 무선주파수 유도결합으로 유지되며, 인덕터(4)가, 플라즈마에 인접하고 플라즈마와 인덕터(4) 사이에 배치된 패러데이 스크린(7)에 의하여 기재(3)의 표면에 의해 방출되는 물질로 오염되는 것으로부터 보호되고, 패러데이 스크린(7)이 전도성 전극을 구성하고 패러데이 스크린(7)이 기재(3)에 대하여 또는 플라즈마내에 존재하는 상대-전극(23)에 대하여 평균하여 양으로 전기적으로 분극되어 플라즈마내에 존재하는 이온을 기재(3) 또는 상대-전극(23)을 향하여 가속시키고 패러데이 스크린(7)를 형성하는 전극에서 플라즈마로부터 전자를 회수하며, 플라즈마가 패러데이 스크린과 처리영역 내의 기재 사이 또는 패러데이 스크린과 상기 상대-전극 사이에서 발생됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항에 있어서, 패러데이 스크린(7)에 네거티브 펄스를 포함하는 연속분극싸이클이 가하여짐을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 패러데이 스크린(7)의 여기주파수가 인덕터(4)에 결합된 무선주파수 제너레이터의 주파수에 대하여 적어도 10배만큼(by a factor of 10) 낮음을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 패러데이 스크린(7)이 기재(3)에 대하여 평균적으로 양으로 분극되고 패러데이 스크린(7)으로 공급되는 전원이 이 패러데이 스크린(7)과 기재(3) 사이에 연결되며 처리영역(2)에서 패러데이 스크린(7)의 전방에서 이동하는 기재(3)의 영역에 비례하는 전력을 위하여 조절됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 패러데이 스크린(7)과 기재(3)의 표면 또는 상대-전극의 표면 사이에 최소 2 cm의 거리가 유지됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 플라즈마가 무선주파수 제너레이터에 의하여 작동되는 인덕터(4) 앞의 처리영역(2)에서 발생됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 기재(3)가 처리영역(2)으로의 진입 및 처리영역으로부터의 송출 중 하나 이상을 하는 부위에서 자기장의 발생에 의하여 플라즈마가 처리영역(2)내에 수용(confined)됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 패러데이 스크린(7)과 기재(3) 사이에 인가되는 전력이 플라즈마를 생성하는데 유용한 무선주파수 전력과 동일하거나 이러한 무선주파수 전력보다 큼을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 인덕터(4)의 전자기 전력을 패러데이 스크린(7)을 통하여 플라즈마로 전달하는 것이 서로 평행하게 배치되고 인덕터(4) 내에서 유도전류의 흐름방향에 대하여 수직으로 배열된 일련의 슬로트(15)의 존재에 의하여 허용됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 금속 또는 절연기재가 연속적으로 통과할 수 있는 처리영역(2)을 갖는 진공실을 포함하고, 플라즈마를 발생하기 위하여 무선주파수 제너레이터에 연결된 인덕터(4)와, 플라즈마에 인접하고 이러한 플라즈마와 인덕터(4)사이에 배치되어 기재(3)의 표면에 의해 방출되는 물질에 의한 오염으로부터 인덕터(4)를 보호하기 위한 패러데이 스크린(7)을 포함하며, 플라즈마가 처리영역(2)내에서 또는 패러데이 스크린과 상대-전극(23) 사이의 공간에서 발생되는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치에 있어서, 패러데이 스크린(7)이 전도성 전극을 구성하고 기재(3) 또는 상대-전극(23)에 대하여 평균하여 양으로 전기적으로 분극되며, 플라즈마가 패러데이 스크린(7)과 처리영역(2)내의 기재(3) 사이 또는 패러데이 스크린(7)과 상기 상대-전극(23)사이에서 발생되도록 패러데이 스크린(7)이 배열됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항에 있어서, 인덕터(4)와 패러데이 스크린(7) 사이에 중간의 공간이 형성되고, 이 중간의 공간이 유전체(11)로 채워짐을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제11항에 있어서, 인덕터(4)와 패러데이 스크린(7) 사이의 거리가 0.1 ~ 10 cm 임을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제11항 또는 제12항에 있어서, 중간의 유전체(11)가 폴리머, 테프론, 세라믹 폼, 유리 또는 알루미나 울을 포함함을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 패러데이 스크린(7)과 이러한 패러데이 스크린(7)으로 공급되는 전원 사이에 저역필터가 제공되어 1 MHz 미만의 주파수만을 통과시킬 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 패러데이 스크린(7)이, 서로 평행하고 인덕터(4) 내에서 유도전류의 흐름방향에 대하여 수직인 일련의 슬로트(15)를 가짐을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제15항에 있어서, 플라즈마측에서 슬로트(15)에 대향하여 이러한 슬로트로부터 거리를 두고 종방향부재(16)가 배치됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 접지연결되고 부동전위(a floating potential)로 유지되는 시일딩(18)이 추가로 제공되어 인덕터(4)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제15항에 있어서, 인덕터(4)와 시일딩(18) 사이에 유전체(17)로 채워지는 중간의 공간이 형성되어 있음을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 인덕터(4)가 적어도 하나의 유도 권선(induction turn)을 포함함을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 인덕터(4)가 1 ~ 170 MHz 의 주파수에서 여기됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 패러데이 스크린(7)으로 공급되는 전원이 인덕터(4)에 결합되는 주파수의 단지 10분의 1인 여기주파수를 가짐을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 점화플라즈마가 생성될 수 있도록 하는 수단이 추가로 제공됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 인덕터(4)와 패러데이 스크린(7)이 처리영역(2)을 둘러싸는 슬리이브의 형태이고 그 종축선이 기재(3)의 이동방향과 일치하며, 상기 슬리이브는 입구개방부와 출구개방부를 가지고 있어서 이들 입구개방부와 출구개방부를 통해 기재(3)가 처리영역(2)으로 진입하고 이 처리영역을 떠날수 있는 것을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제23항에 있어서, 상기 슬리이브가 모두 그 종방향을 따라 연장된 개방부를 가짐을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제10항 또는 제11항에 있어서, 플라즈마와의 경계면에 의하여 형성되는 쉬스(sheath)의 두께 정도인 폭(d)을 가지는 개방부 또는 슬로트를 갖는 상대-전극(23)이 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극에 대향하여 제공되고, 플라즈마 소오스 또는 이온 소오스를 구성하도록 패러데이 스크린을 형성하는 전극이 상대-전극(23)에 대하여 평균하여 전기적으로 양으로 분극됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제25항에 있어서, 패러데이 스크린(7)을 형성하는 전극과 상기 상대-전극 사이에 출구그릴(27)이 제공되고, 이 출구그릴(27)은 패러데이 스크린(7)과 동일한 전위를 가지며 출구그릴로부터 거리를 두고 상대-전극(23)에 대향되게 배치되어 출구그릴(27)과 상기 상대-전극(23) 사이에 플라즈마가 발생되지 않음을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
- 제3항에 있어서, 패러데이 스크린(7)의 여기주파수가 1 MHz 미만임을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제5항에 있어서, 패러데이 스크린(7)과 기재(3)의 표면 또는 상대-전극의 표면 사이에 최소 5 cm의 거리가 유지됨을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리방법.
- 제14항에 있어서, 패러데이 스크린(7)과 이러한 패러데이 스크린(7)으로 공급되는 전원 사이에 저역필터가 제공되어 100 kHz 미만의 주파수만을 통과시킬 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 금속 또는 절연기재의 플라즈마처리장치.
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