KR102139415B1 - 유전체장벽방전 플라즈마 샤워기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 대면적화가 용이한 유전장벽방식의 플라즈마 소스에 대해 방전 기체를 전극에 직접 공급할 수 있는 새로운 구조의 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 두께가 있는 유전체 기판에 관통구로 된 기체주입구를 하나 이상 형성하고, 상기 기체주입구 내벽에 제1 전극을 형성하고, 상기 기판 면에서 제1 전극이 형성된 기체주입구 둘레에 제2 전극을 형성하여 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하고 상기 기체주입구를 통해 기체를 공급함으로써, 기체주입구 내부에서 유전장벽방전을 일으켜 플라즈마를 형성하고 기체주입구로부터 제2 전극 쪽으로 플라즈마가 방출되게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기를 제공한다.

Description

유전체장벽방전 플라즈마 샤워기{Dielectric Barrier Discharge Plasma Shower Device}

본 발명은 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 소스에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 방전 기체를 유전체를 관통하여 주입할 수 있는 DBD 플라즈마 소스에 관한 것이다.

플라즈마 기술의 적용 범위는 반도체 제조 분야를 넘어서서 바이오 분야와 접목하여 점점 더 다양하게 사용되고 있다. 특히, 대기압 플라즈마는 피부 미용, 치료, 각종 살균 장치, 세정 장치, 그외 다양한 표면처리 장치에 응용된다. 이러한 대기압 플라즈마의 경우, 플라즈마 제트 소스와 유전장벽방전 플라즈마 소스를 이용하여 발생되는 것이 일반적이다. 플라즈마 제트 소스의 경우, 전압 인가전극과 접지전극 사이에 전압을 인가하면서 방전 기체를 전극 사이에 흘려주어 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 제트의 경우 방전 불꽃이 제트 기류와 같이 얇은 꼬리로 분출된다. 제트 방식의 플라즈마는 원하는 활성종을 발생시키기 위해 공급하는 방전 기체의 종류 선정과 유량 등의 조절이 용이하고, 전극과 전극이 이격된 공간에 흘려주기 때문에 목적하는 활성종의 농도를 충분히 얻을 수 있지만 플라즈마 처리를 하여야 하는 피처리 면적이 넓은 경우 적용이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 제트 소스의 제조는 기구적 조립으로 이루어져 양산이 어렵다는 문제도 있다. 반면에, 유전장벽방식 플라즈마 소스의 경우, 기판에 전극을 형성하고 전극을 유전체로 덮어 제작되며, 전극에 전압을 인가하여 유전체를 통해 풍부한 플라즈마를 얻을 수 있다. 기판에 전극을 형성하는 방식으로서 리소그라피술을 이용하면 대면적화가 용이하여 양산성이 좋으며, 전기적 안전성도 좋다. 그러나 DBD 방식 플라즈마 소스의 경우, 특별히 원하는 활성종을 발생시키기 위해 기체를 공급하려면, 전극이 유전체에 포위된 관계로 유전체 밑부분에 기체를 공급하여야 한다. 대면적에 유리하다는 점으로 인해 대면적으로 제작된 DBD 소스의 경우, 기판/전극/유전체는 일체로 제작되어 있기 때문에 별도의 하우징 안에 전극 모듈을 넣고 하우징의 외측, 즉 전극 모듈의 가장자리를 통해 기체를 공급하여 플라즈마를 방전시키고 활성종을 얻는다. 이러한 방식은 제트 방식에 비해 원하는 활성종의 종류와 충분한 농도를 얻는데 한계가 있으며, 방전 기체를 전극에 직접적으로 공급하는 제트 방식에 비해 전극에 의한 가열 효과를 얻기 어렵고, 대면적 전극 모듈 전체에 대해 균일한 기체 공급의 어려움이 있어 문제된다.

따라서 본 발명의 목적은 대면적화가 용이한 유전장벽방식의 플라즈마 소스에 대해 방전 기체를 전극에 직접 공급할 수 있는 새로운 구조의 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 두께가 있는 유전체 기판에 관통구로 된 기체주입구를 하나 이상 형성하고, 상기 기체주입구 내벽에 제1 전극을 형성하고, 상기 기판 면에서 제1 전극이 형성된 기체주입구 둘레에 제2 전극을 형성하여 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하고 상기 기체주입구를 통해 기체를 공급함으로써, 기체주입구 내부에서 유전장벽방전을 일으켜 플라즈마를 형성하고 기체주입구로부터 제2 전극 쪽으로 플라즈마가 방출되게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 유전장벽방전 플라즈마 소스이면서 전극이 존재하는 곳에 직접적으로 방전 기체를 공급할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 샤워기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 변형 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1과 도 2의 평면도와 저면도이다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 플라즈마 샤워기의 단면도이다.

일반적인 DBD 플라즈마 소스는 방전 기체를 전극 모듈 주변부로 공급할 뿐, 전극에 인접한 공간에 공급하지 못한다. 이에 비해 본 발명의 플라즈마 샤워기는 전극/유전체/전극의 구성에서 전극과 전극 사이에 배열된 유전체 부분에 가스를 공급할 수 있는 기체 공급구를 만들어 방전 기체가 전극에 직접 접할 수 있게 하였다.

즉, 플라즈마 샤워기는 기판(10)에 다수의 관통구를 기체주입구로 타공하여 어레이를 만들고, 기판(10)의 일면에서 상기 기체주입구(300) 내벽에 인접하는 X전극(100)을 형성하고, 기판(10)의 이면의 기체주입구(300) 주변에 Y전극(200)을 형성한다. 본 실시예에서는 기판 상면의 기체주입구(300) 주변부에 플랫한 부분과 기체주입구 내벽에 접하는 원통형 부분을 갖는 전극을 X전극(100)으로 형성하고, 기체주입구 내벽의 하면에 이르지 않도록 원통형 부분의 길이를 조절한다. 즉, X 전극 형성 길이 L는 기판(10) 두께 T보다 짧게 한다. 기판(10) 이면에 형성되는 Y 전극(200)은 X 전극과 유전체 기판(10)을 사이에 두고 마주할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 그에 따라 X 전극의 플랫한 부분과 마주보는 부분에 형성된다. 그러나 X 전극은 원통형 부분만으로도 형성될 수 있고, 전체 원통이 아닌 원통의 일부, 즉, 기체주입구 내벽의 일부벽면을 채우는 단편으로 형성될 수도 있고, 그에 대응하여 Y 전극도 고리형의 전부 또는 일부를 이루도록 구성될 수 있다.

X전극을 원통형으로 구성하고 Y 전극을 고리형으로 구성한 경우 플라즈마 샤워기의 평면도와 저면도를 도 3에 보였다. X 전극의 단면 역시 고리형으로 보이며, X 전극의 단면 고리가 Y 전극의 고리에 의해 포위되는 것과 같이 보인다. 두 전극 사이에 형성되는 전기장으로 인해 플라즈마가 방전되며, 두 전극 사이에는 기판으로 인한 유전체 장벽이 존재하게 된다.

이와 같이 형성된 DBD 플라즈마 샤워기는 기존의 DBD 방식과 달리 전극에 직접 접하여 기체를 공급할 수 있다. 즉, 상기 기체주입구(300)를 통해 X 전극 쪽에서 Y 전극 쪽으로 방전 가스를 주입한 상태에서 X 전극과 Y 전극 양단에 전압을 인가하면 기판(10)의 기체주입구 내 X 전극과 Y 전극 사이에서 플라즈마가 방전되어 기체주입구 하단을 통해 방출된다. 이러한 구성은 제트 구조의 장점인 전극에 의한 방전 기체의 가열효과를 비롯하여 대면적 DBD 모듈에 대한 균일한 방전 효과를 나타낸다. 기존의 DBD 모듈의 경우, 대면적화할 경우, 방전 기체를 DBD 모듈의 둘레를 따라 공급하기 때문에 방전 기체를 대면적 모듈 전체에 균일하게 공급할 수 없는 문제가 있었고, 이는 곧 균일한 면방전을 이루지 못하는 현상을 일으켰으며, 기체를 어느 정도 가두어 둘 수 있는 구조적인 기구가 필요하여 번거로운 구조를 이루었다. 게다가 전극과 방전 기체가 직접 접하지 않기 때문에 특별한 활성종의 종류와 농도를 높이고 싶은 경우에도 방전 기체의 공급에 의한 효과를 강화하기 어려웠다.

본 발명의 플라즈마 샤워기의 DBD 모듈은 제트 구조의 장점과 더불어 DBD 모듈이 갖는 대면적화의 용이성과 균일하고 안정적인 면방전 및 전기적 안전성까지 갖출 수 있다. 또한, 필요로 하는 특별한 활성종이 있을 경우, 예를 들면, 오존이나 질소종이 필요할 경우, 기체주입구에 산소나 질소를 각각 공급하여 플라즈마를 방전시킴으로써 해당 질소종을 풍부한 농도로 얻을 수 있다.

도 2는 도 1의 플라즈마 샤워기에 대한 변형실시예로서, 기판을 여러 개 접합하여 기판 두께, 전극 길이와 같은 변수를 키우고, 플라즈마가 방전 되는 쪽의 전극인 Y 전극을 유전체로 덮은 것을 보여준다. 유전체로 커버된 전극은 수명이 길어지고 더욱 풍부한 방전을 일으킬 수 있다.

또한, 상기 플라즈마 샤워기는 모듈의 구조 변경을 통해 플라즈마 방전을 조절할 수 있다.

즉, 기판의 두께(T), X전극의 길이(L), 기체주입구를 이루는 타공 크기(직경 D), 타공부 간의 간격, 타공수 등의 조절을 통해 플라즈마 처리 면적 및 플럼 길이를 조절할 수 있다. 도 2의 경우, 두 장의 기판에 동일한 타공을 형성한 후, 하나의 기판에는 X 전극을 형성하고 다른 기판에는 Y 전극을 형성하여 기판을 서로 접합하여 제작할 수 있다. 전극의 형성은 리소그래피와 같은 방법을 사용할 수 있다.

또한, 플라즈마 방전 온도를 조절할 수 있는 변수도 다양하게 존재한다.

전극의 길이 L을 길게하고, 기판의 두께 T를 길게하는 것도 방전 온도를 높일 수 있는 변수가 된다. 그외에 구동 회로의 펄스 조절, 주입 기체 자체의 온도 조절, 또는 유량 조절을 통해 플라즈마 방전 온도를 조절 할 수 있다.

이와 같은 플라즈마 샤워기는 대면적화 가능하여 아토피, 여드름, 손발톱 치료, 지혈과 같은 각종 피부질환 및 피부 미용에 적용될 수 있으며, 반도체 제조공정과 같은 재료 표면 특성 변화에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 표면의 친수성, 소수성 변환을 위해 플라즈마 처리를 실시할 경우에도 적합하다.

한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

기판(10)
X전극(100)
Y전극(200)
기체주입구(300)

Claims (5)

1. 유전체 기판;
   상기 기판에 기판을 관통하도록 타공된 하나 이상의 기체주입구;
   상기 기체주입구의 주변부에 플랫한 부분과 기체주입구 내벽에 접하는 원통형 부분을 갖도록 형성된 X 전극; 및
   상기 기판의 기체주입구 단부 주변에 형성되되, X 전극의 플랫한 부분과 마주보는 부분에 형성된 Y 전극;을 포함하고,
   상기 X전극은 Y 전극과 이격되도록 X전극의 길이가 상기 기판의 두께보다 짧게 형성되고, 상기 기체주입구 내부로 방전 기체를 주입하고, X 전극과 Y 전극 사이에 전압을 인가하여 유전체 기판을 사이에 두고 배열된 X 전극 단부와 Y 전극 사이에 플라즈마를 방전시켜 플라즈마 불꽃을 상기 기체주입구를 통해 방출되게 하며,
   X 전극의 원통형 부분은 원통형의 일부 또는 전부로 형성되고, Y 전극은 기체주입구 단부 외주면을 따라 고리형의 일부 또는 전부로 형성되어, X 전극과 Y 전극이 기판 유전체를 장벽으로 하여 배치되어 유전체장벽방전을 일으키게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기.
2. 제1항에 있어서, 상기 Y 전극은 유전체로 덮이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 기판의 두께, X 전극의 길이, 기체주입구의 구경, 기체주입부 간의 간격 또는 기체주입구의 갯수 중 하나 이상의 변수를 조절하여 플라즈마 처리 면적과 방전 불꽃의 형상을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기.
5. 제1항에 있어서, X 전극의 길이 L과 기판의 두께 T를 증가시켜 플라즈마 전자 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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