KR101829318B1 - 효율이 향상된 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각부를 구비하지 않는 대신에 프로세스 기체를 하우징 측면에 순환시켜 외부열을 차단함과 동시에 냉각된 상태로 공급되는 프로세스 기체를 일정 온도로 가열하여 플라즈마 발생구간으로 주입함으로써 플라즈마 발생에 필요한 전기장 에너지의 사용효율을 극대화한 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 효율이 향상된 플라즈마 처리장치는, 중앙에 일정한 내부 공간을 가지는 통 형상의 하우징; 상기 하우징의 내부 하측에 설치되며, 고전압이 인가되는 고전압 전극부; 상기 고전압 전극부의 상측에 설치되며, 상기 하우징의 내부 공간과 상기 고전압 전극부 방향으로 플라즈마화될 프로세스 기체를 공급하는 프로세스 기체 공급부; 상기 하우징의 하면에 접지된 상태로 설치되며, 하측 방향으로 발생된 플라즈마를 분사하는 플라즈마 분사부; 상기 하우징의 외면에 설치되며, 외부 공급원에서 공급되는 프로세스 기체를 순환시켜 상기 하우징을 냉각시킴과 동시에 상기 프로세스 기체를 가열한 상태로 상기 프로세스 기체 공급부로 공급하는 효율 향상부;를 포함한다.

Description

효율이 향상된 플라즈마 처리장치{A APPARATUS FOR PROCESSING A MATTER WITH PLASMA}

본 발명은 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각부를 구비하지 않는 대신에 프로세스 기체를 하우징 측면에 순환시켜 외부열을 차단함과 동시에 냉각된 상태로 공급되는 프로세스 기체를 일정 온도로 가열하여 플라즈마 발생구간으로 주입함으로써 플라즈마 발생에 필요한 전기장 에너지의 사용효율을 극대화한 플라즈마 처리 장치에 관한 것이다.

플라즈마(Plasma)는 이온화된 기체로서, 플라즈마를 구성하는 입자들은 기체, 액체, 고체 등의 에너지 장벽을 쉽게 뛰어 넘어, 원자 및 분자 사슬을 끊고, 새로운 분자 및 원자로 재결합할 수 있다. 따라서 플라즈마는 다른 방법으로는 도달하기 어려운 화학반응성과 물리반응성을 쉽게 제공한다는 이점이 있으며, 이러한 이점으로 인해 여러 산업 분야에서 널리 사용되고 있다.

실제로 현대 산업에서 플라즈마의 응용 기술은 고기능, 고강도, 고가공성을 요구하는 물질에서부터, 각종 소재의 표면처리, 이온주입, 유기-무기막 증착 및 제거, 세정작업, 독성물질의 제거, 살균 등 첨단재료나 전자, 환경산업에 이르기까지 많은 분야에서 시도되고 있다.

또한, 플라즈마 가공기술은 기존의 기계 가공기술의 한계를 쉽게 뛰어 넘을 수 있기 때문에 미세 패턴이 필요한 반도체, LCD, MEMS 등에서는 제품 및 부품을 제조하는 핵심장비로서 현대 산업공정에서 널리 사용되고 있다.

일반적으로 플라즈마 기술은 고온 및 진공분위기하에서 생성되는 진공 플라즈마 기술과 저온의 대기압 조건에서 생성되는 대기압 플라즈마 기술로 나뉜다. 이 중에서 대기압 플라즈마는 정보기술, MEMS, 반도체, 나노, 바이오 기술 등을 구현하는데 있어서 필수적인 세정 공정을 수행하는데 널리 사용되고 있다. 특히, 종래의 세정 공정에 사용되는 화학약품, 초음파, 물분사 등의 기술을 대체하여 환경오염을 방지하고, 물 사용량을 대폭 감소시킬 수 있는 친환경적인 기술로 각광받고 있다.

이러한 기능을 수행하는 플라즈마 처리장치(1)는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가진다. 플라즈마 발생을 위한 공간을 제공하는 본체(10)와 상기 본체(10) 내부에 설치되어 고전압 전극을 인가하는 고전압 전극(20) 및 본체(10) 내부로 프로세스 기체를 공급하는 기체 공급부(30)를 구비한다. 따라서 기체 공급부(30)에 의하여 공급되는 프로세스 기체는 고전압 전극(20)과 본체(10) 사이의 좁은 공간을 지나면서 전기장 에너지에 의하여 플라즈마화된다. 그리고 이렇게 플라즈마화되는 과정에서 열에너지와 빛 에너지가 발생하고, 발생된 열에너지와 빛 에너지는 새로운 원자의 이온화 에너지로 작용한다.

이때 본체의 외부열 차단을 위하여 본체(10) 외곽을 냉각하는 냉각부(50)가 구비되는데, 이러한 냉각부(50)의 작용에 의하여 플라즈마 발생 공간에서 발생한 많은 에너지가 소멸된다.

따라서 냉각에 의하여 에너지를 손실하지 않는 고효율의 플라즈마 처리장치의 개발이 요구되고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 냉각부를 구비하지 않는 대신에 프로세스 기체를 하우징 측면에 순환시켜 외부열을 차단함과 동시에 냉각된 상태로 공급되는 프로세스 기체를 일정 온도로 가열하여 플라즈마 발생구간으로 주입함으로써 플라즈마 발생에 필요한 전기장 에너지의 사용효율을 극대화한 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 효율이 향상된 플라즈마 처리장치는, 중앙에 일정한 내부 공간을 가지는 통 형상의 하우징; 상기 하우징의 내부 하측에 설치되며, 고전압이 인가되는 고전압 전극부; 상기 고전압 전극부의 상측에 설치되며, 상기 하우징의 내부 공간과 상기 고전압 전극부 방향으로 플라즈마화될 프로세스 기체를 공급하는 프로세스 기체 공급부; 상기 하우징의 하면에 접지된 상태로 설치되며, 하측 방향으로 발생된 플라즈마를 분사하는 플라즈마 분사부; 상기 하우징의 외면에 설치되며, 외부 공급원에서 공급되는 프로세스 기체를 순환시켜 상기 하우징을 냉각시킴과 동시에 상기 프로세스 기체를 가열한 상태로 상기 프로세스 기체 공급부로 공급하는 효율 향상부;를 포함한다.

그리고 본 발명에서 상기 고전압 전극부는, 하나의 봉형 고전압 전극봉 또는 일정간격 이격되어 나란하게 설치되는 다수개의 봉형 고전압 전극봉으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 봉형 고전압 전극봉은, 내측에 봉형 고전압 전극이 구비되고, 상기 고전압 외면이 일정한 두께의 세라믹으로 이루어진 외부 유전체로 이루어지는 것이 바람직하다ㅏ.

또한 본 발명에서 상기 효율 향상부는, 상기 하우징의 양측 벽체에 각각 형성되며, 외부에서 공급되는 프로세스 기체의 유동 공간을 제공하는 이동 유로; 상기 이동 유로의 전단에 설치되며, 외부에서 프로세스 기체를 공급하는 기체 공급관; 상기 이동 유로의 말단에 설치되며, 상기 이동 유로를 통과한 프로세스 기체를 상기 프로세스 기체 공급부로 전달하는 기체 전달부;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 효율 향상부는, 상기 플라즈마 분사부에 각각 형성되며, 외부에서 공급되는 프로세스 기체의 유동 공간을 제공하는 하측 이동 유로; 상기 하측 이동 유로의 전단에 설치되며, 외부에서 프로세스 기체를 공급하는 기체 공급관; 상기 하측 이동 유로의 말단에 설치되며, 상기 하측 이동 유로를 통과한 프로세스 기체를 상기 프로세스 기체 공급부로 전달하는 기체 전달부;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 플라즈마 처리장치에 따르면 냉각부를 구비하지 않는 대신에 프로세스 기체를 하우징 측면에 순환시켜 외부열을 차단함과 동시에 냉각된 상태로 공급되는 프로세스 기체를 일정 온도로 가열하여 플라즈마 발생구간으로 주입함으로써 플라즈마 발생에 필요한 전기장 에너지의 사용효율을 극대화한 장점이 있다.

도 1은 종래의 플라즈마 처리장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 분사부와 효율 향상부의 구조를 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 효율이 향상된 플라즈마 처리장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징(110), 고전압 전극부(120), 프로세스 기체 공급부(130), 플라즈마 분사부(140) 및 효율 향상부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저 상기 하우징(110)은 본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치(100)의 전체적인 형상을 이루는 구성요소로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙에 일정한 내부 공간을 가지는 통 형상으로 이루어진다. 그리고 상기 통 형상의 공간의 상측에는 프로세스 기체 공급부(130)가 설치된다. 상기 프로세스 기체 공급부(130)는 플라즈마 발생을 위한 프로세스 기체가 외부에서 공급되고, 상기 고전압 전극부(120) 방향으로 분사되기에 앞서서 균일하게 확산되도록 하는 구성요소이다. 따라서 상기 프로세스 기체 공급부(130)에는 반응가스 확산 플레이트(132)와 확산공간(134) 등이 형성될 수 있다.

다음으로 상기 고전압 전극부(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110)의 내부 하측에 설치되며, 외부에 설치되는 고전압 발생부(도면에 미도시)에 연결되어 고전압이 인가되는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 고전압 전극부(120)은 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 봉형 고전압 전극봉(122)으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이때 상기 봉형 고전압 전극봉(122)은 다수개의 봉형 고전압 전극봉(122 ~128)이 일정 간격 이격되어 나란하게 설치되는 구조를 가질 수도 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 다수개의 봉형 고전압 전극봉이 상하 방향으로 나란하게 일정 간격 이격되어 설치되는 구조를 가질 수도 있다. 이렇게 다수개의 전극봉이 이격된 공간으로 반응 가스가 통과하면서 플라즈마가 발생하는 것이다. 이렇게 고전압 전극부(120)를 다수개의 봉형 고전압 전극봉으로 구성하면 균일한 밀도의 플라즈마를 형성할 수 있으며, 전극 손상시 교체가 용이한 장점이 있다.

다음으로 유전체(124)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고전압 전극봉(122)의 외면에 밀착되어 설치되며, 외주면에 플라즈마 발생 방향으로 평탄면(도면에 미도시)이 형성되는 관 형상을 가지는 것이 바람직하다. 따라서 상기 유전체(124)는 봉형상의 고전압 전극봉(122)의 외면에 빈틈없이 밀착되어 설치되며, 전체적으로 균일한 두께를 가지지만 플라즈마 발생 방향으로 하나 이상의 평탄면이 형성되는 것이다.

다음으로 상기 플라즈마 분사부(140)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110)의 하면에 접지된 상태로 설치되며, 하측 방향으로 발생된 플라즈마를 분사하는 구성요소이다. 따라서 상기 플라즈마 분사부(140)는 상기 유전체(124)에 인접하게 배치되며 접지되어 접지 전극 역할을 수행함과 동시에 상기 유전체(124) 하측으로 플라즈마가 분사되는 슬릿(142)을 구비하는 플라즈마 분사부 역할도 겸해서 수행하는 것이다.

다음으로 상기 효율 향상부(150)는 상기 하우징(110)의 외면에 설치되며, 외부 공급원(도면에 미도시)에서 공급되는 프로세스 기체를 순환시켜 상기 하우징(110)을 냉각시킴과 동시에 상기 프로세스 기체를 가열한 상태로 상기 프로세스 기체 공급부(130)로 공급하여 효율을 향상시키는 구성요소이다. 즉, 본 실시예에서 상기 효율 향상부(150)는 차가운 상태로 공급되는 프로세스 기체를 상기 하우징(110) 외면을 먼저 순환시킴으로써 하우징(110)을 냉각함과 동시에 프로세스 기체의 온도를 상승시켜 플라즈마 발생에 필요한 전기장 에너지의 사용효율을 높이는 것이다.

본 실시예에서 상기 효율 향상부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 구체적으로 이동 유로(152), 기체 공급관(154) 및 기체 전달부(156)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기에서 상기 이동 유로(152)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(110)의 양측 벽체에 각각 형성되며, 외부에서 공급되는 프로세스 기체의 유동 공간을 제공한다.

그리고 상기 기체 공급관(154)은 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동 유로(152)의 전단에 설치되며, 외부에서 프로세스 기체를 공급하는 구성요소이다. 즉 상기 기체 공급관(154)은 외부에 별도로 구비되는 기체 공급 탱크(도면에 미도시)로부터 프로세스 기체를 공급받아서 상기 이동 유로(152)에 최초로 공급하는 것이다. 따라서 상기 기체 공급관(154)은 상기 이동 유로(152) 중 상기 하우징(110)의 중심부에 가까운 쪽에 연결되는 것이, 하우징의 냉각에 유리하여 바람직하다.

그리고 상기 기체 전달부(156)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동 유로(152)의 말단에 설치되며, 상기 이동 유로(152)를 통과한 프로세스 기체를 상기 프로세스 기체 공급부(156)로 전달하는 구성요소이다. 이 기체 전달부(156)는 이동 유로(152)를 통과하면서 온도가 상승된 프로세스 기체를 냉각시키지 않고 그대로 기체 공급부(130)로 전달한다. 따라서 상기 기체 전달부(156)는 도 2에 도시된 바와 같이, 외부로 노출되는 관으로 구성될 수도 있지만, 상기 하우징(110) 내부를 관통하여 형성되는 유로로 형성될 수도 있다.

한편 본 실시예에서 상기 효율 향상부(150)는 이렇게 하우징(110)의 측벽에 설치될 수도 있지만, 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 플라즈마 분사부(240)에 설치될 수도 있다. 상기 플라즈마 분사부(240)는 플라즈마의 분사를 위하여 미세한 플라즈마 분사공(242)이 다수개 형성되므로, 가공이 편의성을 위하여 상기 하우징(210)와 분리되어 별도로 제작된 상태에서 상기 하우징(210)에 조립되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 플라즈마 분사부(240)는 도 4에 도시된 바와 같이, 전체적으로 판넬 형상을 가지며, 플라즈마가 직접 통과하는 구성요소이므로 플라즈마에 의하여 상당한 온도로 가열된다.

그러므로 상기 이동 유로(252)를 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 상기 플라즈마 분사부(240)를 관통하도록 형성하는 것이다. 이때 상기 이동 유로(252)는 2개가 한세트로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 하나의 이동 유로(252)는 상기 플라즈마 분사부(240)의 일단에서 타단측으로 프로세스 기체를 이동시키고, 다른 이동 유로는 플라즈마 분사부(240)의 타단에서 일단측으로 프로세스 기체를 이동시키는 것이다. 이렇게 한 세트의 이동 유로에 대하여 프로세스 기체를 서로 다른 방향으로 이동시키는 것은 플라즈마 분사부(240)의 전체적인 온도를 균일하게 유지하기 위함이다.

또한 다수개의 세트로 이루어진 이동 유로가 하나의 플라즈마 분사부(240)에 설치될 수도 있다.

그리고 기체 공급관(254)과 기체 전달부(256)는 전술한 것들과 실질적으로 동일한 구조 및 기능을 가지므로 이에 대한 반복 설명은 생략한다.

100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 효율이 향상된 플라즈마 처리장치
110 : 하우징 120 : 고전압 전극부
130 : 프로세스 기체 공급부 140 : 플라즈마 분사부
150 : 효율 향상부

Claims (5)

1. 중앙에 일정한 내부 공간을 가지는 통 형상의 하우징;
   상기 하우징의 내부 하측에 설치되며, 고전압이 인가되는 고전압 전극부;
   상기 고전압 전극부의 상측에 설치되며, 상기 하우징의 내부 공간과 상기 고전압 전극부 방향으로 플라즈마화될 프로세스 기체를 공급하는 프로세스 기체 공급부;
   상기 하우징의 하면에 접지된 상태로 설치되며, 하측 방향으로 발생된 플라즈마를 분사하는 플라즈마 분사부;
   상기 하우징의 외면에 설치되며, 외부 공급원에서 공급되는 프로세스 기체를 순환시켜 상기 하우징을 냉각시킴과 동시에 상기 프로세스 기체를 가열한 상태로 상기 프로세스 기체 공급부로 공급하는 효율 향상부;를 포함하며,
   상기 효율 향상부는,
   상기 플라즈마 분사부에 각각 형성되며, 외부에서 공급되는 프로세스 기체의 유동 공간을 제공하는 하측 이동 유로;
   상기 하측 이동 유로의 전단에 설치되며, 외부에서 프로세스 기체를 공급하는 기체 공급관;
   상기 하측 이동 유로의 말단에 설치되며, 상기 하측 이동 유로를 통과한 프로세스 기체를 상기 프로세스 기체 공급부로 전달하는 기체 전달부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 플라즈마 처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 고전압 전극부는,
   하나의 봉형 고전압 전극봉 또는 일정간격 이격되어 나란하게 설치되는 다수개의 봉형 고전압 전극봉으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 플라즈마 처리장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 봉형 고전압 전극봉은,
   내측에 봉형 고전압 전극이 구비되고, 상기 봉형 고전압 전극의 외면에 일정한 두께의 세라믹으로 이루어진 외부 유전체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 플라즈마 처리장치.
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5. 삭제

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