KR101889826B1 - 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치 - Google Patents

입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대기압에서 저온의 플라즈마를 발생시킴에 있어 유전체 장벽에 침상구조의 니들 전극을 구비하여 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치{A device for generating filament discharges uniformly on three-dimensional object}
본 발명은 플라즈마 생성 방법에 관한 것으로, 구체적으로 대기압에서 저온의 플라즈마를 생성시킴에 있어 유전체 장벽에 일정한 규격의 니들을 일정한 간격으로 배열한 침상구조의 방출부를 구비 함으로서 보다 넓은 입체 평면에 플라즈마가 한 곳으로 집중하는 현상이 없는 균일한 미세 필라멘트 방전을 유도하기 위한 장치에 관한 것 이다.
반도체 공정에서 식각이나, 표면처리, 신소재 합성과 같은 공업 분야에 주로 사용되던 플라즈마 기술이 인간의 삶에 직접적으로 들어오게 되면서 경제적, 기술적 측면에서 낮은 전압으로 쉽게 균일한 글로우 방전을 발생 시키는 저기압(진공) 방전은 장점이기도 하지만, 별도의 진공 장비들이 필요 하고, 운전비용 과다, 처리시간의 증대, 처리 면적 제한, 처리대상이 진공에서 아무런 영향을 받지 않아야 한다는 전제조건이 필요하다.
유전체 장벽 방전은, 고전압 교류 전원에 연결된 평행한 두 평면 또는 원통형의 전극 사이에 적어도 하나의 유전체의 존재에 의해 특징 지어진다. 이러한 유형의 전기 방전의 주요 이점은 대기압 기체로서 비 평형 플라즈마 조건이 경제적이고 신뢰성 있는 방식으로 설정 될 수 있다. 최근에 산업용 오존 발생, 중합체의 표면 개질, 플라즈마 화학 기상 증착, CO2 레이저, 엑시머 램프, 대 면적 평면 플라즈마 디스플레이 패널과 같은 중요한 다수의 응용이 있다. 응용에 따라 방전 갭의 폭은 0.1 mm 내지 약 100 mm이고, 수 기가 헤르츠(~수 GHz) 이하의 주파수가 인가된다. 유전체에 사용되는 전형적인 재료는 유리, 석영, 세라믹뿐만 아니라 얇은 법랑층 또는 중합체가 사용된다.
이러한 기존의 평행한 전극 구성은 대기압에서 절연파괴 등의 미세 방전이라는 다수의 단명 전류 필라멘트 방전이 발생하는 것으로, 유전체 장벽 방전의 산업용 응용의 대부분은 이 필라멘트 타입 모드에서 동작한다. 전극 표면에서 미세 방전 위치의 개수 및 밀도는 인가되는 전압의 형태가 아니라 적용되는 주파수 및 피크 전압에 따라 출력 밀도와 함께 증가한다. 유전체에 축적된 전하의 존재는 미세 방전이 이미 발생한 위치에서 전계를 감소시키기 때문에 외부 전압의 상승 부분 동안 추가적인 미세 방전은 새로운 위치에서 개시된다. 이어서 전압이 반전되면, 다음의 미세 방전이 미세 방전 된 위치에서 형성된다. 이것은 전압이 이 위치에서 반전과 동시에 이미 축적된 벽 전하와 더해져 더 적은 외부 전압으로 다음 반 주기에 절연파괴 전압에 도달하기 때문이다. 결과적으로, 저전압 / 고주파수 동작이 반주기마다 이전의 미세 방전 채널을 재 점화하는 경향이 있는 반면에, 고전압 / 저주파수 동작은 가능한 유전체 표면 상에 미세 방전을 분산시키는 경향이 있다. 이 메모리 효과는 전하 축적에 의한 것으로 모든 유전체 장벽 방전의 지배적인 특징이다.
유전체 장벽 방전에서 균일한 필라멘트 방전을 유도하기 위해서는 이전 반 주기에서 축적된 벽 전하를 사용할 수 있다. 반복 주파수가 적절히 선택되고 있는 경우, 유전체 표면에 이미 언급 된 벽 전하 즉, 메모리 전하에 더하여, 방전 갭의 방전 공간 가스 또한 메모리 효과를 갖는다. 이것은 방전 공간의 절연 파괴 직전 및 절연 파괴 시에 최소 예비 전리율에 관계된 것으로, 준 안정 원자 및 잔류 전자 또는 이온의 존재에 의해 강하게 영향을 받는다.
이러한 종래의 기술은 평행한 두 전극 즉, 고전압이 인가되는 고전압 전극과 접착되는 유전체는 균일하고 평탄하게 형성할 수 있지만, 접지 전극으로 작용되는 입체 처리물은 굴곡이 많거나 평탄하지 않을 경우, 특정부위 즉 돌출된 부위 또는 요철 형상의 처리물은 유전체와 최단거리에 위치한 처리물 쪽으로 전류 집중 현상이 일어나 균일한 플라즈마의 발생을 어렵게 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 대기압 비 평형 플라즈마를 발생시키는 유전체 장벽 방전 방식의 바탕 위에서, 보다 넓은 면적의 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 일으켜 효과를 극대화 시킬 수 있도록 유전체 장벽에 일정한 규격의 니들 전극을 일정 간격으로 배치함으로써 균일한 미세 필라멘트 방전을 유도하여 종래의 유전체 장벽 방전 방식의 플라즈마 집중 현상의 한계를 극복하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 갖는 본 발명은,
플라즈마 발생장치의 균일한 미세 필라멘트 방전에 의해 생성된 플라즈마에 의해 입체 처리물을 처리하는 방법에 있어서,
상기 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치는 평판의 유전체 장벽;
상기 유전체 장벽의 하단부에 부착되며, 일정한 규격과 간격으로 다수의 관통 구멍이 형성된 니들 고정용의 기판;
상기 기판에서 다수의 관통 구멍을 관통하여 유전체 장벽에 밀착되고 고정되는 니들 전극;
상기 유전체 장벽 상단부에 부착되어 구동 전력을 전달하기 위한 고전압 전극; 으로 구성되어,
상기 고전압 전극으로 구동 전력이 인가되면 유전체 장벽을 매개로 각각의 니들 전극에 출력 전력이 유도되며, 이때 니들 전극의 끝 부분과 입체 처리물 사이의 방전 공간에서 각각의 독립적인 필라멘트 방전에 의한 플라즈마가 발생되도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 유전체 장벽에 다수의 니들 전극을 배치함으로써 각각의 니들 전극과 입체 처리물 사이의 방전 공간 상에 독립적인 미세 필라멘트 방전이 유도되어, 입체 처리물의 굴곡 및 요철에 따른 플라즈마 집중 현상을 해결하여 처리물의 손상 즉, 과다 전류 흐름에 의한 아-킹으로 처리물의 표면 손상을 방지하게 되며 별도의 제어장치 없이 입체 표면의 보다 넓은 면적에 균일한 미세 플라즈마 활성영역을 형성하는 장점이 있다.
도 1은 기존의 일반적인 유전체 장벽 방전의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치의 단면 구조를 보인 도이다.
도 3은 본 발명의 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치의 저면 부위를 보인 도이다.
도 4는 본 발명에 따라 오렌지 과일에 균일한 미세 필라멘트 방전에 의한 플라즈마 발생 상태를 보인 사진이다.
본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치는 도2에서 도시한 바와 같이, 고전압 교류 발생기(10)로부터 고전압을 인가 받아 구동 전력을 전달하기 위한 고전압 전극(11); 고전압 전극(11)의 하면부에 위치하는 평판의 유전체 장벽(13); 유전체 장벽(13)의 하면부에 부착되는 일정한 규격과 간격으로 다수의 관통 구멍이 형성된 니들 고정용의 기판(14); 기판(14)에서 다수의 관통 구멍을 관통하여 유전체 장벽(13)에 밀착되고 고정되는 니들 전극(15)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 입체 처리물(12)에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다.
먼저 접지 전극(12) 또는 처리물 (12)에 방전 갭(D.G)을 이루도록 니들 전극(15)의 끝부분을 위치시키고, 유전체 장벽(13) 상부면에 구비된 고전압 전극(11)에 고전압 교류 발생기(10)를 통해 고전압 고주파의 구동 전원을 인가한다. 이때 유전체 장벽(13) 하부면에 기판(14)에 의해 부착된 각각의 니들 전극(15)의 단면적에 유전체 장벽(13)를 매개로 상응한 고전압 고주파의 출력 전력이 유도된다.
이렇게 유도된 고전압 고주파의 출력 전력은 각각의 니들 전극(15) 끝부분으로 전기장을 집중시키고, 니들 전극(15) 끝부분과 접지 전극(12) 또는 처리물(12) 사이의 방전 갭(D.G)을 포함하여 R-L-C 회로를 구성하면서 접지 전극(12) 또는 처리물(12)과 각각의 니들 전극(15) 끝 부분의 방전 갭(D.G)에서 독립적인 미세 필라멘트 방전이 발생하게 된다.
이때 각각의 니들 전극(15)의 정전용량은 유전체 장벽(13)과 접촉하는 각각의 니들전극(15)의 단면적과 유전체 장벽(13) 물질의 물리적 특성에 의해 결정되며, 이것은 유전체 장벽 방전을 이용한 플라즈마 발생 장치의 운전특성이다.
일반적으로 평판 축전기의 유전용량 C는 수학식1로 나타낼 수 있다.
Figure 112016108817118-pat00001
여기서,
Figure 112016108817118-pat00002
이고, C : 정전용량 [F],
Figure 112016108817118-pat00003
: 진공 유전율 [F/m],
K : 상대 유전상수, A; 전극면적 [m2], d; 전극간 거리 [m] 이다.
또한 일반적으로 축전기에 저장되는 에너지 U는 수학식 2로 나타낸다.
Figure 112016108817118-pat00004
여기서, U: 저장되는 에너지 [J], V: 전압 [V]
이때의 출력 전력 W은 U = W/f 로부터 구할 수 있으며, 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016108817118-pat00005
여기서, W; 소비전력 [W], f; 구동 주파수 [Hz]
상기 조건 식으로부터 알 수 있듯이, 출력 전력은 니들 전극(15) 단면적과 유전체 장벽(13)의 상대 유전율에 비례하지만, 물질의 물리적 특성과 기하학적 배치에 어려움이 있어 출력 전력을 높이는데 한계가 있다. 그러나 출력 전력은 구동 전력의 주파수에 비례하고, 전압 제곱에 비례하므로 용도에 맞추어 손쉽게 구동 주파수와 구동 전압을 적절하게 변경하여 원하는 출력 전력을 얻을 수 있다.
상기와 같이 구성된 입체 처리물(12)에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서는 오렌지 과일에 적용하는 경우를 예로 들어 설명한다.
표면이 고르지 못하고 구형상의 오렌지 과일에 미세 필라멘트 방전에 의한 안정적이며 균일한 플라즈마를 유도하기 위해 고전압 전극(11)의 면적은 통상 0.4~10(바람직하게는 4) cm2이고, 니들 전극(15)의 끝 부분과 처리물(12) 사이의 방전 갭(D.G)은 일반적으로 0.5~5mm이다. 단위 면적당 출력 전력은 1.0~10W(바람직하게는 2.4W)/cm2, 출력 전압은 3~16(바람직하게는8~10)kVp-p, 주파수 30~300(바람직하게는 60)kHz 정도이다.
먼저 접지 전극(12)으로서의 처리물 (12)인 오렌지 표면에 방전 갭(D.G)을 이루도록 니들 전극(15)의 끝부분을 위치시키고, 유전체 장벽(13) 상부면에 구비된 고전압 전극(11)에 고전압 고주파의 구동 전원을 인가하면, 유전체 장벽(13) 하부면의 기판(14)에 부착된 각각의 니들 전극(15)은 접지 전극(12)으로서의 처리물(12)인 오렌지 표면과 독립적인 R-L-C 회로를 구성하여, 니들 전극(15) 끝에 집중된 전기장에 의해 접지 전극(12)으로서의 처리물(12)인 오렌지 표면을 향해 방전 갭(D.G)의 방전공간으로 튀어나온 시드 전자는 높은 충돌 속도로 성장하여 전자 사태를 만들며, 그 선단에서 상당한 전하 밀도를 생성하여 스트리머 상태에 도달하고, 접지 전극(12)으로서의 처리물(12)인 오렌지 표면에 유도되면서 스트리머가 시작되어, 최종적으로 도전성 미세 방전의 필라멘트 방전을 발생시킨다.
방전을 유도하는 니들 전극(15)의 규격은 직경 0.2mm ~ 2mm가 바람직하고, 길이는 필요에 따라 결정될 수 있으며 특성에 영향을 주지는 않는다. 또한, 니들 전극(15)의 간격은 0.5mm ~2.5mm가 바람직하고, 단위 면적당 니들 전극(15)의 수는 필요 플라즈마 밀도에 따라 결정될 수 있으나 1cm2 의 면적에 100개 이하가 바람직하며, 이것은 방전 갭(D.G)의 폭과 니들 전극(15) 간의 간격이 방전에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 즉 방전 갭(D.G)의 거리가 길고 니들 전극(15)의 간격이 너무 좁으면 방전간에 크로스 토크가 발생하여 플라즈마가 한쪽으로 집중될 염려가 있다.
상기 유전체 장벽(13)은 석영, 사파이어, 유리, 세라믹, 고분자필름, PEI(Polyetherimide)등의 재질로 형성될 수 있으며, 그 두께는 0.1mm~3mm 정도이고, 상대 유전율은 2~18 정도가 바람직하다.
10; 고전압 교류 발생기 11; 고전압 전극 12; 접지 전극 (또는 처리물)
13; 유전체 장벽 14; 기판 15; 니들 전극
D.G; 방전 갭 P; 플라즈마

Claims (5)

  1. 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치에 있어서,
    상기 장치는 평판의 유전체 장벽;
    상기 유전체 장벽의 상측부에 도전물질에 의해 접촉되고, 부착된 고전압 전극;
    상기 유전체 장벽의 하측부에 접촉되고 부착되며, 다수의 관통 구멍이 독립적으로 배열되고 형성되며, 상기 관통 구멍의 상하측부 및 상기 관통 구멍 벽에 금속재질로서 패터닝한 기판;
    상기 기판을 관통하여 유전체 장벽에 밀착되고 기판에 부착된, 한쪽 단면은 평면이고 반대쪽 단면은 뾰족한 니들 전극; 으로 구성되어,
    상기 고전압 전극에 구동 전력이 인가되어 유전체 장벽을 매개로 니들 전극에 출력 전력이 유도되어 니들 전극의 뾰족한 끝과 입체 처리물 사이의 공간에서 플라즈마가 발생되도록 구성되고,
    상기 기판은 무기재질, 유기 고분자 재질의 절연물로서 관통 구멍을 패터닝하여 사용하는 것을 특징으로 하는 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유전체는 석영, 사파이어, 유리, 세라믹, 고분자 물질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 니들의 재질은 전도성을 가진 금속 재질로서 한쪽 단면이 다각형 또는 원형이고, 반대쪽은 뾰족한 형상을 가진 것을 특징으로 하는 입체 처리물에 균일한 미세 필라멘트 방전을 발생시키는 장치.
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