KR101804045B1 - 바-타입 이오나이저 - Google Patents

Abstract

본 발명의 바-타입 이오나이저는 대전체의 표면에 이온을 공급하여 정전기의 발생을 억제하는 이오나이저로서, 코로나 방전을 위한 전압이 인가되는 전극과, 상기 전극 표면에 형성되어 코로나 방전 침과, 상기 탄소나노튜브가 형성된 전극을 고정하며, 상기 전극을 외부로부터 보호하는 커버와, 상기 커버에 형성되고, 상기 커버 내부로 기체를 공급하기 위한 기체 유입홀과, 상기 탄소나노튜브에서 생성된 이온이 포함된 기체가 방출되는 이온 방출 슬릿을 포함한다.

Description

바-타입 이오나이저{Bar-type ionizer}

본 발명은 이오나이저에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전하가 발생될 수 있는 대상물 표면에 이온을 공급하여 정전기의 발생을 억제하는 바-타입 이오나이저에 관한 것이다.

반도체나 디스플레이 소자의 제조공정에서 정전기는 소자의 절연막 파괴 또는 미세입자의 흡착 등을 통하여 생산수율에 부정적인 영향을 미친다. 따라서, 반도체나 디스플레이 소자 제조라인에서는 정전기의 발생을 억제하기 위한 정전기 제거장치가 널리 이용되고 있다.

정전기 제거장치로는 코로나 방전을 이용한 이온바, 이온블로워 등이 있다. 이들 정전기 제거장치는 코로나 방전을 이용하여 기체 분자를 이온화시키고 이를 공기 흐름에 의하여 대상표면으로 이동시키는 원리를 이용하여 정전기를 제거한다. 코로나 방전은 작은 공간에서 이온화 효과를 극대화시킬 수 있고, 에너지 효율이 높다는 장점을 가진다. 그러나, 코로나 방전이 일어나는 동안 스패터링(spattering) 현상이 발생하면서 코로나 방전 침의 끝 부분에 미세입자가 발생할 수 있고, 이들 미세입자들이 2차적인 오염을 발생시키기도 한다. 코로나 방전에서 발생하는 미세입자의 발생은 공기와 같은 기체가 코로나 방전 동안 산화반응을 일으키기 때문인 것으로 알려져 있다.

코로나 방전을 이용한 정전기 제거장치에서의 또 다른 문제는 방전 침에 부착된 미세입자에 의하여 방전이 약화되고, 양이온과 음이온의 이온 균형이 깨어지는 것이다. 이에 대한 해결방법으로 코로나 방전장치의 이온 균형을 주기적으로 조정해주는 방법이 있으나, 미세입자의 부착에 의한 문제는 근본적으로 해결되기 어렵다.

코로나 방전을 이용한 이온바에 관한 선행문헌으로는 한국공개특허 제2013-0001219호가 있다. 상기 선행문헌은 가스채널과 셀 조립체의 구조 개선에 의하여 코로나 방전 부산물을 대상물로부터 분리할 수 있는 이온바 장치에 관하여 개시하고 있다. 다만, 상기 선행문헌에 개시된 장치는 방전부산물에 의한 오염물의 감소 관점에서만 접근하고 있으므로, 방전에 의한 이온생성 효율과 오염물 생성방지의 두 가지 효과를 동시에 가질 수 있는 새로운 방식의 이온바 개발 필요성이 크다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 코로나 방전 침의 개수를 현저히 증가시켜 방전 효율을 증가시키고, 방전 침의 부식 또는 산화가 억제되며, 방전 침에 부착되는 방전 부산물 등을 효과적으로 제거하여 방전 안정성을 향상시킬 수 있는 바-타입 이오나이저를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 대전체의 표면에 이온을 공급하여 정전기의 발생을 억제하는 이오나이저로서, 코로나 방전을 위한 전압이 인가되는 전극과, 상기 전극 표면에 형성되어 코로나 방전 침과, 상기 탄소나노튜브가 형성된 전극을 고정하며, 상기 전극을 외부로부터 보호하는 커버와, 상기 커버에 형성되고, 상기 커버 내부로 기체를 공급하기 위한 기체 유입홀과, 상기 탄소나노튜브에서 생성된 이온이 포함된 기체가 방출되는 이온 방출 슬릿을 포함하는 바타입 이오나이저를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 코로나 방전 침은 탄소나노튜브로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 전극은 구형의 단면을 가지는 금속 와이어로 이루어지고, 상기 탄소나노튜브는 상기 전극의 노출면 전체에 균일하게 형성될 수 있다.

본 발명의 바-타입 이오나이저는 아래의 효과를 가진다.

1. 탄소나노튜브가 기존의 방전 침을 대체하므로 방전 침의 개수가 현저히 증가하고, 방전 침의 끝 부분 표면적이 적어서 전계의 집중이 효율적으로 일어나므로 보다 낮은 전압에서 코로나 방전을 일으킬 수 있고, 방전 효율이 향상된다.

2. 방전 침이 전극의 일 방향에만 형성된 것이 아니고 원형 단면을 가지는 와이어 전극의 표면 전체에 형성되므로, 방전 침의 열화가 방지된다.

3. 전극 회전부에 의하여 주기적으로 전극을 구성하는 와이어가 회전하므로, 기체 분자의 이온화에 의하여 발생하는 미세입자의 생성을 억제할 수 있고, 결과적으로 코로나 방전 조건을 일정하게 유지할 수 있다.

도 1은 종래의 바-타입 이오나이저 구조를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 바-타입 이오나이저에서 이온이 발생되어 정전기의 발생을 억제하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바-타입 이오나이저 구조를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 바-타입 이오나이저의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바-타입 이오나이저에 적용되는 전극 회전부를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 바-타입 이오나이저는 대전체의 표면에 이온을 공급하여 정전기의 발생을 억제하는 이오나이저로서, 코로나 방전을 위한 전압이 인가되는 전극과, 상기 전극 표면에 형성되어 코로나 방전 침과, 상기 탄소나노튜브가 형성된 전극을 고정하며, 상기 전극을 외부로부터 보호하는 커버와, 상기 커버에 형성되고, 상기 커버 내부로 기체를 공급하기 위한 기체 유입홀과, 상기 탄소나노튜브에서 생성된 이온이 포함된 기체가 방출되는 이온 방출 슬릿을 포함한다.

도 1의 (가)는 종래의 바-타입 이오나이저의 길이방향 단면을 도시한 것이고, (나)는 폭 방향 단면을 도시한 것이다. 도 1의 (가)를 참조하면, 종래의 바-타입 이오나이저(100)는 전극(101)이 커버(103a, 103b)의 내부에 설치되어 있고, 전극(101)의 아래쪽으로 방전 침(102)이 연결되어 있다. 전극(101)에는 외부의 고전압 파워 소스가 연결되어 직류 또는 교류가 전극으로 인가되며, 방전 침(102)은 전극(101)과 전기적으로 연결된다. 커버는 상부 커버(103a)와 하부 커버(103b)로 이루어지는데, 이는 설명의 편의를 위한 구분일 뿐이고 상부 커버(103a)와 하부 커버(103b)는 일체로 구성될 수 있다. 커버에는 외부의 기체가 유입될 수 있는 기체 유입홀(104)이 형성되어 있는데, 기체 유입홀(104)에는 코로나 방전을 일으키는 공기, 비활성 기체 등이 유입될 수 있다. 도면에는 기체 유입홀(104)이 상부 커버(103a)의 위쪽에 형성된 것으로 도시하였지만, 상부 커버의 측면에 형성되어도 무방하고, 기체의 흐름을 균일하게 하기 위한 별도의 기체 흐름 통로가 형성될 수 있다. 하부 커버(103b)에는 방전 침(102)의 아래쪽으로 이온 방출홀(105)이 형성되어 있다. 이온 방출홀(105)은 방전 침의 위치에 따라 복수개가 형성되어 있다. 도 1의 (나)를 참조하면, 커버(103)의 내부에 기체 방출홀(106)이 형성되어 있다. 기체 방출홀(106)은 방전 침(102)의 끝 부분에 미세입자가 부착하는 것을 방지하기 위한 기체 흐름을 유도한다.

도 2는 종래의 바-타입 이오나이저에서 이온이 발생되어 정전기의 발생을 억제하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 커버(103)의 상부에 형성된 기체 유입홀(104)을 통하여 커버 내부로 기체가 유입되고, 유입된 기체는 커버 내부의 공간을 통하여 기체 방출홀(106)을 통과한다. 이때, 전극(101)이 고전압이 인가되면 방전 침(102)의 뾰족한 끝부분에 전계가 집중되면서 코로나 방전이 유도된다. 코로나 방전에 의하여 생성된 이온들은 기체의 흐름을 따라 전하 중성화 대상물(200)의 표면으로 이동하면서 표면의 전하를 중성화시킨다.

도 3의 (가)와 (나)는 각각 본 발명의 바-타입 이오나이저 길이방향 단면과 하부에서 바라본 형상을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 바-타입 이오나이저(300)는 커버(303a, 303b)의 내부에 전극(301)이 설치되고, 전극(301)의 표면에는 탄소나노튜브가 부착되어 있다. 상부 커버(303a)에는 기체 유입홀(304)이 형성되어 있고, 하부 커버(303b)에는 이온 방출 슬릿(305)이 형성되어 있다. 도면에는 도시하지 않았지만, 전극(301)은 단자를 통하여 별도의 고전압 파워 소스에 연결되고, 전극(301)에는 직류 또는 교류 전압이 인가된다. 종래의 바-타입 이오나이저와의 차이점은 탄소나노튜브(302)가 방전 침을 대체하는 것이다. 탄소나노튜브(302)는 전극(301)의 표면에 형성되어 있는데, 이때 탄소나노튜브는 전극(301)의 표면을 기재로 직접 성장된 것이 바람직하다. 만약 분말 상태의 탄소나노튜브를 전극의 표면에 코팅하는 방식으로 부착하는 경우에는 몇 가지 문제점이 발생한다. 첫 번째는 탄소나노튜브의 방향성인데, 코로나 방전이 효과적으로 생성되기 위해서는 방전 침 기능을 하는 탄소나노튜브의 끝부분이 전극의 외부 방향을 향하는 것이 유리한데, 전극 표면에서 직접 성장시킨 탄소나노튜브는 성장된 끝 부분이 전극의 외부 방향으로 형성되어 있을 확률이 높기 때문이다. 또한, 분말 상태의 탄소나노튜브를 전극의 표면에 코팅하면 분말의 응집에 의한 방전 침 균일도가 낮아지고, 코팅 과정에서 포함되는 바인더 등이 방전을 저해하는 오염원으로 작용할 수 있다. 두 번째 문제점은 전극 표면과 탄소나노튜브간의 부착력이다. 전극 표면에 직접 성장시킨 탄소나노튜브는 기재와의 접착력이 상대적으로 우수하여 분말이 분리되어 대상물을 오염시키는 문제점이 발생하지 않는다. 전극에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법으로는 화학적증기증착(chemical vapor deposition)장치가 이용된다. 구체적으로 전극을 화학적증기증착 장치에 로딩하고 반응가스와 열에너지를 공급하여 전극 표면에 직접 탄소나노튜브를 합성 성장시킬 수 있다. 화학적증기증착은 열, 전계, 빛 등의 외부 에너지를 사용하여 원료가스를 분해시켜 화학적 기상반응으로 기판 상에 박막을 형성시키는 기술이다. 화학적증기증착법은 보통의 고체상, 액체상의 반응에서는 얻기 어려운 화학조성의 박막도 쉽게 제작할 수 있으며, 원료가스에 따라 임의의 박막을 얻을 수 있고, 전기적 특성, 기계적 특성 등의 기능을 기판에 부여할 수 있다. 화학적증기증착 장치는 사용하는 외부 에너지에 따라 열 CVD, 플라즈마 CVD, 광 CVD 등으로 분류되며, 본 발명을 구현하기 위해서는 어느 것도 사용가능하다. 또한, 상기 반응가스는 일반적으로 탄소나노튜브의 합성, 성장에 사용되는 가스가 사용될 수 있다.

본 발명의 바-타입 이오나이저는 와이어 형태의 전극 표면에 형성된 탄소나노튜브를 방전 침으로 이용하므로 종래의 돌기형 방전 침에 비하여 균일한 영역에서 코로나 방전이 일어날 수 있다. 따라서, 종래의 바-타입 이오나이저에서 이온 방출홀이 개개의 방전 침 하부에 형성된 것에 비하여, 도 3의 (나)에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 바-타입 이오나이저에서는 상대적으로 긴 슬릿 형상의 이온 방출 슬릿이 적용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 바-타입 이오나이저의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 커버(303)에 형성된 기체 유입홀(304)로 들어온 기체는 전극(301)에 형성된 탄소나노튜브(302)의 끝 부분에서 이온화되어 이온 방출 슬릿(305)을 통하여 전하 중성화 대상물(200)의 표면으로 이동할 수 있다. 이때, 본 발명의 바-타입 이오나이저는 기존의 방전 침을 대체하는 탄소나노튜브의 개수가 현저히 많고, 방전 침의 끝 부분 표면적이 적어서 전계의 집중이 효율적으로 일어나므로 보다 낮은 전압에서 코로나 방전을 일으킬 수 있고, 방전 효율이 향상된다. 또한, 방전 침 기능을 하는 탄소나노튜브가 전극의 일 방향에만 형성된 것이 아니고 원형 단면을 가지는 와이어 전극의 표면 전체에 형성되므로, 방전 침의 열화가 방지되는 효과를 가질 수 있다.

본 발명의 바-타입 이오나이저는 전극이 주기적으로 회전을 하여 미세입자의 부착에 의한 방전 침의 열화, 코로나 방전의 불안정성이 개선된다. 전극의 회전에 의한 효과는 다음과 같은 원리로 이루어진다. 본 발명의 바-타입 이오나이저는 전극의 표면 전체에 탄소나노튜브가 성장하여 있으므로 전극의 상부, 측부 및 하부에 위치한 탄소나노튜브는 서로 다른 기체 흐름에 노출되게 된다. 이때, 전극의 상부, 측부 및 하부에 위치한 탄소나노튜브들은 각각 기체 유입홀 및 이온 방출 슬릿과의 거리가 차이가 있으며, 이로 인하여 미세입자의 부착 정도가 달라지게 된다. 코로나 방전의 방전 침에 미세입자가 부착되는 원인은 크게 방전 침에 인가된 고전압과 미세입자 사이의 쿨롱 힘과 기체 흐름에 의한 분압 차이로 인한 미세입자의 이동으로 나누어진다. 본 발명의 바-타입 이오나이저에서는 와이어 전극의 표면에 성장된 탄소나노튜브가 방전 침의 기능을 하고, 탄소나노튜브는 전극의 표면 전체에 성장되어 있다. 전극의 상부, 측부 및 하부에 위치한 탄소나노튜브들은, 동일한 쿨롱 힘을 가지게 되지만 기체의 흐름에 의한 미세입자의 접근 가능성이 서로 상이하므로 미세입자의 부착 정도가 달라진다. 따라서, 특정 위치의 탄소나노튜브의 열화 및 미세입자 부착이 다른 위치보다 커질 수 있는데, 전극을 회전시켜 서로의 위치를 변화시키면 탄소나노튜브의 위치에 따른 편차를 감소시킬 수 있고, 결과적으로 이오나이저의 사용 수명 또는 세정 주기를 증가시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 바-타입 이오나이저에 적용되는 전극 회전부를 설명하기 위한 도면이다. 도 5의 (가)를 참조하면, 커버(303a, 303b) 내부에 탄소나노튜브(302)가 성장된 전극(301)이 설치되어 있고, 전극의 끝 부분에 전극 회전부(310)가 설치되어 있다. 전극 회전부(310)는 전극의 길이 방향을 축으로 회전시키는 기능을 한다. 전극의 회전은 코로나 방전이 일어나는 동안에 이루어질 수도 있고, 방전이 중단된 시간 동안에 이루어질 수도 있다. 전극의 회전은 서로 다른 방향으로 교번하여 이루어질 수 있고, 회전각은 180도 또는 360도일 수 있다. 전극 회전부의 구성은 다양하게 이루어질 수 있는데, 도 5의 (나)는 그 일예를 나타내고 있다. 도 5의 (나)를 참조하면, 전극(301)의 끝 부분에 전극 고정부(311)가 연결되어서 와이어 또는 바 형태의 전극 위치가 고정되고, 전극 고정부(311)에는 종동기어(312)가 연결되며, 종동기어(312)에는 구동기어(313)가 맞물린다. 구동기어(313)은 모터(314)의 회전축과 연결되어 종동기어(312)를 회전시킨다. 종동기어와 구동기어는 보다 복잡한 형태의 감속기로 이루어질 수도 있다. 모터(314)는 모터 제어부(315)에 의하여 회전 속도, 회전 방향, 회전 각도 등의 조절되도록 제어된다.

아래에서 실시예를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1(탄소나노튜브 성장 전극의 제조)

지름이 0.2mm인 텅스텐 와이어를 먼저 환원 처리하였다. 환원처리는 금속 와이어 표면으로부터 촉매입자가 생성되게 하기 위한 것으로서, 반응온도 600℃에서 10분 동안 불활성 가스인 아르곤 가스 1,000sccm과 환원 가스인 수소 가스 100sccm을 공급하면서 금속 와이어 표면을 환원 처리하였다. 이어서, 환원처리된 금속 와이어 표면에 탄소나노튜브를 성장시켰다. 구체적인 공정은 600℃에서 10분 동안 아세틸렌 가스 10sccm, 아르곤 가스 1,000sccm 및 수소 가스 400sccm를 공급하면서 텅스텐 와이어에 탄소나노튜브를 직접 합성 성장시켰다.

도 6은 실시예 1에 따라 합성된 탄소나노튜브의 전자현미경 사진이다.

실시예 2(바-타입 이오나이저의 제조)

실시예 1에 의하여 제조된 탄소나노튜브 성장 전극을 바-타입 이오나이저의 커버 내부에 설치하여 바-타입 이오나이저를 제조하였다.

평가예 1(전극을 회전시키지 않은 바-타입 이오나이저의 방전 평가)

실시예 2에 의하여 제조된 바-타입 이오나이저를 온도 25℃, 습도 50%의 항온항습 장치에 설치하고 미세먼지 100μg/㎥ 악조건에서 측정거리 1000mm, 공기압력 0.3MPa, 인가전압 AC12kV_P-P 를 이용하여 60시간 동안 방전을 유지하면서 감쇠시간(Decay time)을 측정하였다.

평가예 2(전극을 회전시킨 바-타입 이오나이저의 방전 평가)

10시간 단위로 전극을 180도 회전 시킨 것을 제외하고는 평가예 1과 동일한 방법으로 감쇠시간을 측정하였다.

아래의 표 1은 평가예 1과 평가예 2에 따라 장시간 동안 방전이 수행된 바-타입 이오나이저의 방전 특성을 시간대 별로 측정한 결과이다. 표 1을 참조하면, 평가예 2의 경우가 평가예 1보다 방전 안정성이 우수한 것으로 평가되었다.

	10시간	20시간	30시간	40시간	50시간	60시간
평가예 1	+2.53s -2.65s	+2.87s -2.99s	+3.23s -3.48s	+3.99s -4.17s	+4.97s -5.18s	+6.25s -6.59s
평가예 2	+2.57s -2.68s	+2.66s -2.79s	+2.87s -3.01s	+3.17s -3.32s	+3.59s -3.87s	+4.18s -4.48s

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 바-타입 이오나이저 101 : 전극
102 : 방전침 103a : 상부 커버
103b : 하부 커버 104 : 기체 유입홀
105 : 이온 방출홀 106 : 기체 방출홀
200 : 전하 중성화 대상물 300 : 바-타입 이오나이저
301 : 전극 302 : 탄소나노튜브
303a : 상부 커버 303b : 하부 커버
304 : 기체 유입홀 305 : 이온 방출 슬릿
310 : 전극 회전부 311 : 전극 고정부
312 : 종동기어 313 : 구동기어
314 : 모터 315 : 모터 제어부

Claims (3)

1. 대전체의 표면에 이온을 공급하여 정전기의 발생을 억제하는 이오나이저에 있어서,
   코로나 방전을 위한 전압이 인가되는 전극;
   상기 전극 표면에 형성되며 탄소나노튜브로 이루어지는 코로나 방전 침;
   상기 탄소나노튜브가 형성된 전극을 고정하며, 상기 전극을 외부로부터 보호하는 커버;
   상기 커버에 형성되고, 상기 커버 내부로 기체를 공급하기 위한 기체유입홀;
   상기 탄소나노튜브에서 생성된 이온이 포함된 기체가 방출되는 이온 방출 슬릿; 및
   상기 전극의 길이 방향을 축으로 회전시키는 전극 회전부를 포함하는 바-타입 이오나이저.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극 회전부는 상기 전극의 끝 부분에 전극 고정부가 연결되어 전극 위치가 고정되고,
   상기 전극 고정부에는 종동기어가 연결되며,
   상기 종동기어에는 구동기어가 맞물리고,
   상기 구동기어는 모터의 회전축과 연결되어 상기 종동기어를 회전시키는 것을 특징으로 하는 바-타입 이오나이저.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극은 구형의 단면을 가지는 금속 와이어로 이루어지고, 상기 탄소나노튜브는 상기 전극의 노출면 전체에 균일하게 형성된 것을 특징으로 하는 바-타입 이오나이저.

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