KR102236205B1 - 플라즈마 상태 모니터링 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 본 발명에 따른 플라즈마 상태 모니터링 방법 및 그 장치 중 플라즈마 상태 모니터링 장치는, 방전 기체가 공급된 상태에서 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 플라즈마 제트 모듈; 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하는 광 감지모듈; 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 확인할 수 있도록 계측하는 분광기; 및 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하는 출력모듈;을 한다.
본 발명에 의하면, 플라즈마의 특성 픽 중 산소와 관련된 성분을 IR 센서를 통해 검출 및 추출한 후 모니터링 해서 플라즈마 방전의 상태를 용이하고 정확하게 판단 가능한 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마의 특성 픽 중 산소와 관련된 성분을 IR 센서를 통해 검출 및 추출한 후 모니터링 해서 플라즈마 방전의 상태를 용이하고 정확하게 판단 가능한 효과가 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 상태 모니터링 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산소 픽의 세기를 통해 플라즈마 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 하는 플라즈마 상태 모니터링 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마(plasma)는 물리학이나 화학 분야에서 디바이 차폐(Debye sheath)를 만족하는 이온화된 기체로 제4의 물질 상태로 부르며, 자유 전하로 인해 높은 전기 전도성을 가지면서 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을 갖으므로 코팅 또는 살균, 소독, 공기 정화 등 다양한 분야에 널리 사용되고 있다.
이러한, 플라즈마를 이용하는 장치로, 전극에 고주파 또는 고전압을 공급하면 불활성 기체나 다양한 종류의 기체 및 일반 공기 등과 같은 기체를 이온화하여 플라즈마를 발생토록 하는 대기압 플라즈마 제트 장치가 사용되고 있다.
더욱이, 대기압 플라즈마 제트 장치를 통해 발생된 플라즈마를 이용한 공정에서 수율(yield)을 향상시키기 위해서는 공정 중에 발생하는 사고를 미리 방지하고 장비의 오동작 등을 사전에 방지하기 위해 공정의 상태를 실시간으로 모니터링하여 이상 상태 발생시 공정을 중단시키는 등의 조치를 취하여 불량률을 낮춤으로써 공정을 최적화하는 것이 필요하다.
이를 위해 플라즈마 공정의 상태를 모니터링하는 센서를 플라즈마 공정 챔버의 모니터링 윈도우에 직접 창작하거나, 공정 챔버와는 별도로 마련된 독립적인 셀프 플라즈마 챔버에 윈도우에 장착하여 플라즈마 공정의 상태를 모니터링하였다.
이러한, 플라즈마 공정의 상태를 모니터링하는 기술이 한국등록특허 제1212460호에 제안된 바 있다.
그러나 특허문헌은 가공물로부터 생성되는 플라즈마를 이용하여 가공물의 가공 상태를 모니터링하는 기술로, 가공물의 가공 전에 플라즈마 방전상태를 확인할 방법이 없었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결과제는, 플라즈마의 특성 픽 중 산소와 관련된 성분만 추출한 후 모니터링하여 플라즈마 방전 상태를 용이하게 판단 가능한 플라즈마 상태 모니터링 방법 및 그 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 상태 모니터링 장치는, 방전 기체가 공급된 상태에서 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 플라즈마 제트 모듈; 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하는 광 감지모듈; 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 확인할 수 있도록 계측하는 분광기; 및 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하는 출력모듈;을 포함할 수 있다.
상기 광 감지모듈은 IR 센서, UV 센서 및 광 파이버(Optical Fiber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 플라즈마 제트 모듈은, 접지되는 본체; 상기 본체 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 상기 본체 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 방전부재; 및 상기 본체의 단부에 연결되어 상기 본체로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존(zone)으로 공급하는 방전 기체 냉각부재;를 포함할 수 있다.
상기 출력모듈은, 상기 플라즈마의 특성 픽 중 산소 픽의 세기를 분석하는 분석부; 및 상기 분석부에서 분석된 산소 픽 정보를 화면상에 표시하는 표시부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 상태 모니터링 방법은, a) 플라즈마 제트 모듈 내에 방전 기체가 공급된 상태에서 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 단계; b) 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 광 감지모듈을 통해 감지하는 단계; c) 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 분광기에서 계측하는 단계; 및 d) 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 출력모듈을 통해 실시간으로 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 a) 단계 수행시 상기 플라즈마 제트 모듈 내부로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존(zone)으로 공급할 수 있다.
상기 b) 단계 수행시 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광은 IR 센서에 의한 IR 영역 또는 UV 센서에 의한 UV 영역에 대해 감지할 수 있다.
상기 d) 단계 수행시 상기 출력모듈에서 플라즈마의 특성 중 산소 픽의 세기를 분석하여 산소 픽 세기에 따라 정상과 낮음을 구분하도록 알람 신호가 출력될 수 있다.
또한, 본 발명은 방전 기체가 공급된 상태에서 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 플라즈마 제트 모듈; 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하는 광 감지모듈; 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 확인할 수 있도록 계측하는 분광기; 및 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하는 출력모듈;을 포함하며, 상기 플라즈마 제트 모듈은, 접지되는 본체; 상기 본체 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 상기 본체 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 방전부재; 및 상기 본체의 단부에 연결되어 상기 본체로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존으로 공급하는 방전 기체 냉각부재;를 포함하되, 상기 방전 기체 냉각부재는 고온 방전 기체 배출구에 배출되지 않은 나머지 공기가 경사면에 충돌 후 방향을 바꾸어 상기 저온 방전 기체 배출구 방향으로 역류하게 하도록 조절밸브를 포함하고, 몸체가 양측으로 분할되면서 분할된 이웃면에 회전부재에 의해 길이가 조절되며, 상기 본체의 단부와 상기 방전 기체 냉각 부재의 저온 방전 기체 배출구의 사이에 연결된 접속 부재의 외면에 공급 관로의 개폐량을 나선 구조에 의해 조절하는 개폐량 조절부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 a) 플라즈마 제트 모듈 내에 방전 기체가 공급된 상태에서 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 단계; b) 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 광 감지모듈을 통해 감지하는 단계; c) 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 분광기에서 계측하는 단계; 및 d) 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 출력모듈을 통해 실시간으로 출력하는 단계;를 포함하며, 상기 a) 단계 수행시 상기 플라즈마 제트 모듈은, 접지되는 본체; 상기 본체 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 상기 본체 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 방전부재; 및 상기 본체의 단부에 연결되어 상기 본체로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존으로 공급하는 방전 기체 냉각부재;를 포함하되, 상기 방전 기체 냉각부재에 구비된 조절밸브를 통해 고온 방전 기체 배출구에 배출되지 않은 나머지 공기가 경사면에 충돌 후 방향을 바꾸어 상기 저온 방전 기체 배출구 방향으로 역류하게 하도록 안내하고, 몸체가 양측으로 분할되면서 분할된 이웃면에 회전부재에 의해 길이가 조절되며, 상기 본체의 단부와 상기 방전 기체 냉각 부재의 저온 방전 기체 배출구의 사이에 연결된 접속 부재의 외면에 나선 구조로 결합된 개폐량 조절부가 구비되어 공급 관로의 개폐량을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명은 방전 기체가 공급된 상태에서 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 플라즈마 제트 모듈; 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하는 광 감지모듈; 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 확인할 수 있도록 계측하는 분광기; 및 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하는 출력모듈;을 포함하며, 상기 플라즈마 제트 모듈은, 접지되는 본체; 상기 본체 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 상기 본체 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 방전부재; 및 상기 본체의 단부에 연결되어 상기 본체로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존으로 공급하는 방전 기체 냉각부재;를 포함하되, 상기 방전 기체 냉각부재는 고온 방전 기체 배출구에 배출되지 않은 나머지 공기가 경사면에 충돌 후 방향을 바꾸어 상기 저온 방전 기체 배출구 방향으로 역류하게 하도록 조절밸브를 포함하고, 몸체가 양측으로 분할되면서 분할된 이웃면에 회전부재에 의해 길이가 조절되며, 상기 본체의 단부와 상기 방전 기체 냉각 부재의 저온 방전 기체 배출구의 사이에 연결된 접속 부재의 외면에 공급 관로의 개폐량을 나선 구조에 의해 조절하는 개폐량 조절부를 포함할 수 있다.
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본 발명에 의하면, 플라즈마 제트에서 조사된 플라즈마의 특성 픽 중 산소와 관련된 성분을 센서를 통해 검출 및 추출한 후 모니터링하여 플라즈마 방전의 상태를 용이하고 정확하게 판단 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈을 도시한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈의 방전 기체 냉각부재를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 방전 기체 냉각부재에서 몸체 길이 조절이 가능한 구조를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 출력모듈의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 설명하기 위해 발생된 플라즈마의 분광분석을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 설명하기 위해 플라즈마 세기가 정상인 경우의 노멀 존(Normal zone)과, 플라즈마 세기가 비정상인 경우 알람 존(Alarm zone)을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈을 도시한 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈을 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈의 방전 기체 냉각부재를 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 방전 기체 냉각부재에서 몸체 길이 조절이 가능한 구조를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 출력모듈의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 도시한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 설명하기 위해 발생된 플라즈마의 분광분석을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 설명하기 위해 플라즈마 세기가 정상인 경우의 노멀 존(Normal zone)과, 플라즈마 세기가 비정상인 경우 알람 존(Alarm zone)을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 상태 모니터링 방법 및 그 장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈을 도시한 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 플라즈마 제트 모듈의 방전 기체 냉각부재를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 4의 방전 기체 냉각부재에서 몸체 길이 조절이 가능한 구조를 도시한 개략도며, 도 6은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치에서 출력모듈의 구성을 보다 상세하게 나타낸 블록도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 장치(10)는 플라즈마 제트 모듈(100), 광 감지모듈(200), 분광기(300) 및 출력모듈(400)을 포함한다.
플라즈마 제트 모듈(100)은 방전 기체가 공급된 상태에서 내부에 설치된 방전 전극(132)에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물(A) 상에 조사하는 기능을 하며, 본체(110), 유전체(120), 플라즈마 방전부재(130), 접속부재(140), 니플(150), 방전 기체 냉각부재(160) 및 커버(170a, 170b)를 포함한다.
이때, 플라즈마 제트 모듈(100)은 방전 기체 냉각부재(160)를 선택적으로 구비 가능하다.
본체(110)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 내부가 중공 형성된 원통 형상으로 형성되며, 외주면에 삽입된 환형의 그라운드 링(122)을 통해 접지된다.
한편, 본체(110) 중 피처리물(A)과 인접한 단부에 플라즈마(P)가 방사되는 노즐(138)이 구비된다. 이때, 노즐(138)은 압축 방전 기체의 토출 온도를 저하시키기 위해 방전 존(zone)인 토출구의 직경이 다른 노즐이 교체 가능하도록 나선 체결 방식에 의해 탈부착된다. 더욱이, 노즐(138)의 토출구 직경 즉, 방전 존의 사이즈(예컨대 5mm 이하)를 줄이게 되면 토출구 주위에서 방전율이 상승되면서 주변의 온도가 상승되는 현상을 방지할 수 있다.
유전체(120)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본체(110)의 내부에 삽입되며, 플라즈마 방전부재(130)가 관통할 수 있도록 내부가 중공 형성된다.
이때, 유전체(120)는 세라믹 등의 재질로 형성되어 방전 불꽃이 플라즈마 방전부재(130) 외부를 향해 길게 형성되게 한다.
플라즈마 방전 부재(130)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본체(110) 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 본체(110) 내부에 설치된 방전 전극(132)에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키며, 방전 전극(132), 팁(134) 및 스크루(screw: 136)를 포함한다.
방전 전극(132)은 고전압(±)으로 인가시키도록 구비되며, 일단 부가 본체(110) 및 유전체(120)를 거쳐 접속 부재(140)의 제1 결속 홀(142)을 관통하도록 하고, 타단부가 유전체(120)의 내부에 위치되도록 한다.
팁(134)은 원활한 초기 방전이 이루어질 수 있도록 방전 전극(132)의 단부에 결합되며, 다른 단부는 라운딩 형성된다.
그리고 팁(134)은 고온의 열 플라즈마 영역과 접하고 있기 때문에 녹는점이 높은 텅스텐 등의 재료로 제작되는 것이 바람직하다.
더욱이, 스크루(136)는 방전 전극(132)과 연결된 팁(134)의 단부에 삽입되어 외주면이 유전체(120)의 내주면에 밀착되도록 구비된다.
접속 부재(140)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본체(110)의 끝 부분과 방전 기체 냉각 부재(160)의 저온 방전 기체 배출구(166)의 사이에 연결되어 본체(110) 및 유전체(120)를 방전 기체 냉각 부재(160)와 연결 및 고정하는 홀더 기능을 한다.
이때, 접속 부재(140)는 방전 전극(132)의 끝 부분이 관통되면서 본체(110)의 끝 부분이 연결되도록 일단(도 3 기준 우측면)에 형성된 제1 접속 홀(142)과, 방전 기체 냉각 부재(160)의 저온 방전 기체 배출구(166)가 연결되도록 타 단(도 3 기준 좌측면)에 형성된 제2 접속 홀(144)과, 제1 접속 홀(142)과 제2 접속 홀(144)이 연통 되도록 형성된 공급 관로(146), 및 공급 관로(146)의 개폐량을 조절하는 개폐량 조절부(148)를 포함한다.
더욱이, 방전 전극(132)의 끝 부분이 관통된 접속 부재(140)의 제1 접속 홀(142) 대항면에 방전 기체 냉각 부재(160)와의 격벽을 형성하기 위한 절연체(149)가 구비되어 금속재인 방전 기체 냉각 부재(160)로부터 방전 전극(132)에 전원을 인가하는 인가선의 합선을 방지하게 된다.
개폐량 조절 부(148)는 외주면세 나선이 형성되어 굴절 형성된 공급 관로(146) 중 제2 접속 홀(144)에서 직선 방향으로 형성된 관로의 개폐량을 조절하도록 관로의 내주면에 형성된 나선에 나선 체결된다.
니플(nipple: 150)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 접속부재(140)의 저온 방전 기체 배출구(166)와 제2 접속홀(144)에 각각 나선 체결될 수 있도록 외주면 양단에 나선이 형성되고, 내부에 홀이 관통 형성된다.
방전 기체 냉각부재(160)는 도 4에 도시된 바와 같이 접속부재(140)의 저온 방전 기체 배출구(166)에 체결된 니플(150)의 단부에 연결되어 본체(110)로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 본체(110)의 방전 존(zone)으로 공급하는 기능을 한다.
이때, 방전 기체 냉각부재(160)는 몸체(161), 유입구(162), 와류 형성부(163), 고온 방전 기체 배출구(164), 조절밸브(165) 및 저온 방전 기체 배출구(166)가 세부적으로 포함된다.
몸체(161)는 길이 방향으로 연장된 파이프 형상으로 내부에 홀이 관통 형성된다.
이때, 몸체(161)는 도 5를 참조하면 양측으로 분할된 제1, 2 몸체(161a, 161b)로 구성되면서 제1, 2 몸체(161a, 161b)의 대향된 외주면에 나선 방향이 다른 나선돌기가 각각 형성된다. 그리고 제1, 2 몸체(161a, 161b)의 대향된에 형성된 나선돌기에 나선결합될 수 있도록 원통 형상의 회전부재(167)의 내주면 양쪽에 중심을 기점으로 나선 방향이 반대인 나선홈이 각각 형성되어 회전부재(167)를 어느 한 방향으로 회전시키면 제1, 2 몸체(161a, 161b)의 간격 조절이 가능하게 된다. 이때, 제1 몸체(161a)의 내주면에서 환형으로 돌출되는 돌기(B)가 형성되고 제2 몸체(161b)의 내주면에 돌기(B)가 위치될 수 있도록 홈(G)이 형성되어 제1, 2 몸체(161a, 161b)의 간격이 변경되어도 돌기(B)에 의해 제1, 2 몸체(161a, 161b)의 사이에 형성된 틈을 막을 수 있다.
유입구(162)는 몸체(161)의 일측에 직교 방향으로 연결되어 압축기(도면에 미도시)에서 발생된 압축 방전 기체가 공급관(162a)을 통해 유입되도록 형성된다.
와류 형성부(163)는 유입구(162)와 인접한 몸체(161)의 내주면에 단차지게 함몰 형태로 형성되어 유입구(161)를 통해 유입된 압축 방전 기체에 와류를 형성시켜 주변에서 열 이동이 일어나게 한다.
고온 방전 기체 배출구(164)는 몸체(161)의 내부 일단에 형성되어 고온의 방전 기체가 배출된다.
조절밸브(165)는 고온 방전 기체 배출구(164)의 단부에 구비되어 압축 방전 기체의 일부가 배출되도록 배출량을 조절한다.
즉, 조절밸브(165)는 저온 방전 기체 배출구(166)로 배출되는 냉기의 온도 및 풍량을 원하는 정도로 조정한다. 조절밸브(165)를 많이 열수록 열기의 배출이 늘어나고 냉기의 배출량이 감소한다(낮은 냉비 운전). 그리고 조절밸브(165)를 적게 열면 열기의 배출량은 감소하고 냉기의 토출량은 많아진다(높은 냉비 운전).
저온 방전 기체 배출구(166)는 몸체(161)의 내부 타단에 형성되어 고온 방전 기체 배출구(164)로 배출되지 않은 일부 압축 방전 기체가 회송되면서 2차 와류를 형성하여 운동량 손실에 따라 온도가 저하된 압축 방전 기체가 배출되게 한다.
한편, 방전 기체 냉각부재(160)를 통해 압축공기를 구동 에너지원으로 사용하며 기계적 구동부 없이 냉풍과 온풍을 동시에 만들어 내는 과정을 설명하면 다음과 같다.
즉, 압축 방전 기체가 공급관(162a) 및 유입구(162)를 통해 몸체(161) 내부로 유입되면 와류 형성부(163)의 안쪽측면에 접선방향으로 분사된다.
이렇게 분사된 압축 방전 기체는 회오리바람과 같은 1차 와류(vortex)를 형성하며 몸체(161)의 내주면을 타고 돌면서 고온 방전 기체 배출구(164) 쪽으로 이동한다.
그리고 고온 방전 기체 배출구(164)에 설치된 조절밸브(165)를 소량 개방하면 뜨거워진 공기가 일부 외부로 배출되고 배출되지 않은 나머지 공기는 다시 방향을 바꾸어 몸체(161)의 중심부를 따라 작은 2차 와류를 형성한 채 저온 방전 기체 배출구(166) 방향으로 역류한다. 역학의 법칙 중 각운동량 보존의 법칙에 의하면 회전반경이 큰 외곽을 회전하던 기체가 회전반경이 좁은 내부로 유입되어 순환하게 되면 회전 속도가 빨라져야 한다.
그러나 방전 기체 냉각부재(160)에서는 내부를 순환하는 공기의 회전각속도가 빨라지지 않고 외곽을 돌 때와 동일한데 이것은 내부의 2차 와류와 외곽의 1차 와류가 서로 마찰에 의하여 운동량을 주고받으며 동일한 각속도로 회전하려 하는 성질 때문이다. 그 결과 2차 와류는 운동량을 잃어버려(에너지를 잃어버림) 온도가 떨어진다. 반대로 2차 와류로부터 운동량을 얻은 외곽의 1차 와류는 뜨거워진다.
커버(170a, 170b)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본체(110)의 단부 및 방전 기체 냉각부재(160)의 양쪽에서 체결되어 본체(110)의 단부 및 방전 기체 냉각부재(160)를 마감한다. 이때, 커버(170a, 170b) 중 일측 커버(170a)에는 장치에 고정될 수 있도록 브래킷(172)이 설치될 수 있다.
광 감지모듈(200)은 도 1에 도시된 바와 같이 플라즈마 제트 모듈(100)의 노즐(138)에 설치된 브래킷(B)에 장착되어 플라즈마 제트 모듈(100)에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하되, IR 센서, UV 센서 및 광 파이버(Optical Fiber) 등에서 선택되며, 광을 감지하는 센서면 이에 한정하지 않고 변경 실시기 가능하다.
광 감지모듈(200)로 적외선 센서인 IR 센서(infrared light sensor)가 적용되는 경우 플라즈마 영역 중 IR 존[도 8(a)에서 700~1000nm]에 대한 영역을 감지하게 된다.
한편, 광 감지모듈(200)로 자외선 센서인 UV 센서(ultraviolet rays sensor)도 적용 가능하며, 이 경우 플라즈마 영역 중 UV 존[도 8(b)에서 300~400nm]에 대한 영역을 감지하게 된다.
여기서, 광 감지모듈(200)로 UV 센서보다 IR 센서를 통해 플라즈마 세기를 측정하는 것이 산소 플라즈마 세기를 검출할 때 파장 크기가 커서 유리하다.
이때, 광 감지모듈(200)이 광 파이버인 경우 광신호를 증폭하여 분광기(300)로 제공하는 광 증폭기(도면에 미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
분광기(300)는 광 감지모듈(200)을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽(peak)을 확인할 수 있도록 계측한다. 즉, 모든 빛은 고유의 파장을 가지고 있어 분광기(300)를 이용해서 빛을 분석할 수 있으며, 플라즈마 상태에서는 물질의 고유파장이 존재하므로 분광기(300)를 이용해서 플라즈마 상태를 확인 가능하다.
일반적으로, 대기압 플라즈마는 질소와 산소 가스로 구성되고, 플라즈마 효과는 산소 플라즈마의 세기와 비례함에 따라 분광기(300)로 산소 플라즈마의 세기를 측정함으로써, 표면처리 공정상태를 체크 가능하게 된다.
따라서, 산소 플라즈마의 세기는 가스 공급량, 전극 상태, 파워 상태에 따라서 실시간 변화하게 되며, 공정 진행 상태를 실시간으로 측정되는 산소 플라즈마 세기로 관리할 수 있다.
출력모듈(400)은 도 6에 도시된 바와 같이 분광기(300)에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하며, 분석부(410), 저장부(420), 표시부(430) 및 입력부(440)를 포함한다.
분석부(410)는 분광기(300)에서 분석된 플라즈마의 특성 픽 중 산소 픽의 세기를 분석한다. 즉, 분석부(410)는 광 감지모듈(200)에서 측정한 플라즈마의 특성 정보를 저장부(420)에 저장된 원소 특성 및 상태에 대한 테이블 데이터와 비교하여 플라즈마의 특성 정보를 분석한다.
저장부(420)는 각각의 물질별 에너지 준위에 따른 원소 특성 및 상태에 대한 테이블 데이터를 저장하고 있다.
표시부(430)는 분석부(410)에서 분석된 산소 플라즈마 세기 정보(산소 픽 정보)를 화면상에 표시하는 기능을 한다.
입력부(440)는 출력모듈(400)의 각종 기능의 설정을 위해 구비된다.
한편, 출력모듈(400)은 플라즈마의 특성의 방전 특성을 확인하고, 광 특성을 분석하기 위해서는 각각의 원소의 특성 분석을 실시하여야 하므로, 에너지 준위에 따른 원소 특성 및 상태를 데이터베이스화하여야 하는데, 저장부(420)에 이와 같은 데이터를 사전에 저장하고 있다. 그리고 출력모듈(400)은 많은 실험을 통한 데이터 축적 및 이를 프로그램화하는 것을 주기적으로 업데이트할 수 있다.
도 7은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 도시한 블록도이고, 도 8은 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 설명하기 위해 발생된 플라즈마의 분광분석을 나타낸 그래프이며, 도 9는 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법을 설명하기 위해 플라즈마 세기가 정상인 경우의 노멀 존(Normal zone)과, 플라즈마 세기가 비정상인 경우 알람 존(Alarm zone)을 나타낸 그래프이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 플라즈마 상태 모니터링 방법은 플라즈마 조사 단계(S10), 플라즈마 광 감지 단계(S20), 플라즈마 특성 픽 계측 단계(S30) 및 결과 출력 단계(S40)를 포함한다.
플라즈마 조사 단계(S10)는 플라즈마 제트 모듈(100) 내에 방전 기체가 공급된 상태에서 방전 전극(132)에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물(A) 상에 조사하는 단계이다.
즉, 플라즈마 조사 단계(S10)는 피처리물(A) 표면에 플라즈마(P)를 조사하기 위해 플라즈마 방전부재(130)의 방전 전극(132)에 고전압(±)을 인가시키면 유전체(120) 장벽 방전에 의해, 유전체(120) 내에서 반응 기체가 안정적으로 플라즈마 점화되고, 발생된 플라즈마는 노즐(138)의 토출구를 통하여 외부로 분사된다.
즉, 플라즈마(P) 조사를 위해 압축기에서 생성된 압축 방전 기체를 공급관(162a)을 통해 방전 기체 냉각부재(160)의 유입구(162)로 유입시키면 와류 형성부(163)의 안쪽측면에 접선방향으로 분사되면서 회오리바람과 같은 1차 와류를 형성하며, 몸체(161)의 내주면을 타고 돌면서 고온 방전 기체 배출구(164) 쪽으로 이동한다. 그리고 고온 방전 기체 배출구(164)에 설치된 조절밸브(165)를 통해 뜨거워진 공기가 일부 외부로 배출되고 배출되지 않은 나머지 공기는 다시 방향을 바꾸어 몸체(161)의 중심부를 따라 작은 2차 와류를 형성한 채 저온 방전 기체 배출구(166) 방향으로 역류한다. 다음으로, 2차 와류는 운동량을 잃어버려 온도가 저하되면서 저온의 방전 기체가 저온 방전 기체 배출구(166)로 배출되고, 반대로 2차 와류로부터 운동량을 얻은 외곽의 1차 와류는 온도가 상승되면서 고온의 방전 기체가 고온 방전 기체 배출구(164)로 배출된다.
다음으로, 저온 방전 기체 배출구(166)를 통해 배출된 저온의 방전 기체는 니플(150)을 통해 접속부재(140)의 제2 접속홀(144) 내부를 거쳐 유전체(120) 내부로 유동 되면서 유전체(120) 내에서 반응 기체가 안정적으로 플라즈마 점화되고, 발생된 플라즈마는 노즐(138)의 토출구를 통하여 외부로 분사된다.
플라즈마 광 감지 단계(S20)는 플라즈마 제트 모듈(100)의 노즐(138)에 설치된 브래킷(B)에 장착되어 플라즈마 제트 모듈(100)에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하는 단계이다.
한편, 플라즈마 광 감지 단계(S20) 수행시 플라즈마 제트 모듈(100)에 설치되는 광 감지모듈(200)은 IR 센서, UV 센서 및 광 파이버(Optical Fiber) 등에서 선택된다.
여기서, 플라즈마 광 감지 단계(S20) 수행시 광 감지모듈(200)로 적외선 센서인 IR 센서(infrared light sensor)가 적용되는 경우 플라즈마 영역 중 IR 존[도 8(a)에서 700~1000nm]에 대한 영역을 감지하게 된다.
한편, 광 감지모듈(200)로 자외선 센서인 UV 센서(ultraviolet rays sensor)도 적용 가능하며, 이 경우 플라즈마 영역 중 UV 존[도 8(a)에서 300~400nm]에 대한 영역을 감지하게 된다.
여기서, 광 감지모듈(200)로 UV 센서보다 IR 센서를 통해 플라즈마 세기를 측정하는 것이 산소 플라즈마 세기를 검출할 때 파장 크기가 커서 유리하다.
이때, 광 감지모듈(200)이 광 파이버인 경우 광 신호를 증폭하여 분광기(300)로 제공하는 광 증폭기(도면에 미도시)가 구비되는 것이 바람직하다.
플라즈마 특성 픽 계측 단계(S30)는 광 감지모듈(200)을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 분광기(300)에서 계측하는 단계이다.
플라즈마 특성 픽 계측 단계(S30)의 수행시 플라즈마의 특성 픽을 계측하는 분광기(300)는 광 감지모듈(200)을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 확인할 수 있도록 계측한다. 따라서, 모든 빛은 고유의 파장을 가지고 있어 분광기(300)를 이용해서 빛을 분석할 수 있으며, 플라즈마 상태에서는 물질의 고유파장이 존재하므로 분광기(300)를 이용해서 플라즈마 상태를 확인 가능하다.
일반적으로, 대기압 플라즈마는 질소와 산소 가스로 구성되고, 플라즈마 효과는 산소 플라즈마의 세기와 비례함에 따라 분광기(300)로 산소 플라즈마의 세기를 측정함으로써, 표면처리 공정상태를 체크 가능하게 된다.
따라서, 산소 플라즈마의 세기는 가스 공급량, 전극 상태, 파워 상태에 따라서 실시간 변화하게 되며, 공정 진행 상태를 실시간으로 측정되는 산소 플라즈마 세기로 관리할 수 있다.
결과 출력 단계(S40)는 분광기(300)에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 출력모듈(400)을 통해 실시간으로 출력하는 단계이다.
한편, 결과 출력 단계(S40) 수행시 사용되는 출력모듈(400)은 분광기(300)에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하며, 분석부(410), 저장부(420), 표시부(430) 및 입력부(440)를 포함한다.
분석부(410)는 분광기(300)에서 분석된 플라즈마의 특성 픽 중 산소 픽의 세기를 OES(Optical Emission Spectroscopy) 분석 기법을 통해 분석한다. 즉, 분석부(410)는 광 감지모듈(200)에서 측정한 플라즈마의 특성 정보를 저장부(420)에 저장된 원소 특성 및 상태에 대한 테이블 데이터와 비교하여 플라즈마의 특성 정보를 분석한다.
즉, 도 8(a)를 참조하면, 산소(O) 플라즈마가 확인되면 파장이 급격히 상승하면서 777nm에 해당하는 산소 line은 기중에 존재하는 O2 분자가 플라즈마에 의해 분해되면서 나타나게 됨을 알 수 있다. 이렇게, 산소(O) 플라즈마는 다른 라디칼(radical)과 달리 세기가 가장 큰 777nm이므로 이를 측정하여 분석부(410)로 전송하고 분석부(410)에서 플라즈마의 특성 정보를 산소를 통해 분석하고 표시부(430)로 전송하면서 표면처리 공정 상태를 체크 가능하게 한다. 그리고 도 8(b)를 참조하면 파워가 높아지면 질수록 플라즈마 속도도 빨라짐을 알 수 있다.
저장부(420)는 각각의 물질별 에너지 준위에 따른 원소 특성 및 상태에 대한 테이블 데이터를 저장하고 있다. 표시부(430)는 분석부(410)에서 분석된 산소 플라즈마 세기 정보(산소 픽 정보)를 화면상에 표시하는 기능을 한다. 입력부(440)는 출력모듈(400)의 각종 기능의 설정을 위해 구비된다.
더욱이, 도 9를 참조하면, 결과 출력 단계(S40) 수행시 출력모듈(400)의 분석부(410)에서 플라즈마의 특성 중 산소 픽의 세기를 분석하여 산소 픽 세기에 따라 정상과 낮음을 구분하도록 알람 신호가 출력되게 할 수 있다.
즉, 시간 경과에 따라 가스 공급량, 전극 상태 및 파워 상태 등과 같은 조건에 따라 산소 플라즈마 세기가 변화하게 되는데 플라즈마 정상 신호(플라즈마가 ON 되거나 플라즈마 세기가 정점에 도달)를 출력하는 경우 노멀 존에 해당하여 노멀 신호를 출력하게 되고, 플라즈마 비정상 신호(플라즈마가 OFF)를 출력하는 경우 알람 존에 해당하여 알람 신호를 출력하게 된다.
따라서, 가스 공급량, 전극 상태 및 파워 상태가 정상인 경우 노멀 신호를 출력하게 되고, 가스 공급량, 전극 상태 및 파워 상태가 비정상인 경우 알람 신호를 출력하게 된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 플라즈마 상태 모니터링 장치
100: 플라즈마 제트 모듈 110: 본체
112: 그라운드 링 120: 유전체
130: 플라즈마 방전부재 132: 방전 전극
134: 팁 136: 스크류
140: 접속부재 150: 니플
160: 방전 기체 냉각부재 161: 몸체
162: 유입구 163: 와류 형성부
164: 고온 방전 기체 배출구 165: 조절밸브
166: 저온 방전 기체 배출구 170a, 170b: 커버
200: 광 감지모듈 300: 분광기
400: 출력모듈 A: 피처리물
P: 플라즈마
100: 플라즈마 제트 모듈 110: 본체
112: 그라운드 링 120: 유전체
130: 플라즈마 방전부재 132: 방전 전극
134: 팁 136: 스크류
140: 접속부재 150: 니플
160: 방전 기체 냉각부재 161: 몸체
162: 유입구 163: 와류 형성부
164: 고온 방전 기체 배출구 165: 조절밸브
166: 저온 방전 기체 배출구 170a, 170b: 커버
200: 광 감지모듈 300: 분광기
400: 출력모듈 A: 피처리물
P: 플라즈마
Claims (8)
- 방전 기체가 공급된 상태에서 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 플라즈마 제트 모듈;
상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 감지하는 광 감지모듈;
상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 확인할 수 있도록 계측하는 분광기; 및
상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 실시간으로 출력하는 출력모듈;을 포함하며,
상기 플라즈마 제트 모듈은, 접지되는 본체; 상기 본체 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 상기 본체 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 방전부재; 및 상기 본체의 단부에 연결되어 상기 본체로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존으로 공급하는 방전 기체 냉각부재;를 포함하되, 상기 방전 기체 냉각부재는 고온 방전 기체 배출구에 배출되지 않은 나머지 공기가 경사면에 충돌 후 방향을 바꾸어 저온 방전 기체 배출구 방향으로 역류하게 하도록 조절밸브를 포함하고, 몸체가 양측으로 분할되면서 분할된 이웃면에 회전부재에 의해 길이가 조절되며,
상기 본체의 단부와 상기 방전 기체 냉각 부재의 저온 방전 기체 배출구의 사이에 연결된 접속 부재의 외면에 공급 관로의 개폐량을 나선 구조에 의해 조절하는 개폐량 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 광 감지모듈은 IR 센서, UV 센서 및 광 파이버(Optical Fiber) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 출력모듈은,
상기 플라즈마의 특성 픽 중 산소 픽의 세기를 분석하는 분석부; 및
상기 분석부에서 분석된 산소 픽 정보를 화면상에 표시하는 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 장치.
- a) 플라즈마 제트 모듈 내에 방전 기체가 공급된 상태에서 방전 전극에 전원을 공급하여 형성된 플라즈마를 피처리물 상에 조사하는 단계;
b) 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광을 광 감지모듈을 통해 감지하는 단계;
c) 상기 광 감지모듈을 통해 감지된 광 신호에 대한 플라즈마의 특성 픽을 분광기에서 계측하는 단계; 및
d) 상기 분광기에서 계측된 플라즈마에서 산소와 관련된 성분에 해당하는 픽을 분석한 후 출력모듈을 통해 실시간으로 출력하는 단계;를 포함하며,
상기 a) 단계 수행시 상기 플라즈마 제트 모듈은, 접지되는 본체; 상기 본체 내부로 방전 기체가 공급된 상태에서 상기 본체 내부에 설치된 방전 전극에 전원을 공급하여 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 방전부재; 및 상기 본체의 단부에 연결되어 상기 본체로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존으로 공급하는 방전 기체 냉각부재;를 포함하되, 상기 방전 기체 냉각부재에 구비된 조절밸브를 통해 고온 방전 기체 배출구에 배출되지 않은 나머지 공기가 경사면에 충돌 후 방향을 바꾸어 저온 방전 기체 배출구 방향으로 역류하게 하도록 안내하고, 몸체가 양측으로 분할되면서 분할된 이웃면에 회전부재에 의해 길이가 조절되며,
상기 본체의 단부와 상기 방전 기체 냉각 부재의 저온 방전 기체 배출구의 사이에 연결된 접속 부재의 외면에 나선 구조로 결합된 개폐량 조절부가 구비되어 공급 관로의 개폐량을 조절하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 a) 단계 수행시 상기 플라즈마 제트 모듈 내부로 공급된 압축 방전 기체를 고온 기류와 저온 기류를 분리하는 과정을 통해 냉각시킨 후 방전 존(zone)으로 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 b) 단계 수행시 상기 플라즈마 제트 모듈에서 조사된 플라즈마에서 나오는 광은 IR 센서에 의한 IR 영역 또는 UV 센서에 의한 UV 영역에 대해 감지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 방법.
- 제5항에 있어서,
상기 d) 단계 수행시 상기 출력모듈에서 플라즈마의 특성 중 산소 픽의 세기를 분석하여 산소 픽 세기에 따라 정상과 낮음을 구분하도록 알람 신호가 출력되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 상태 모니터링 방법.
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-
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