KR20000024528A - Ｒｆ를 이용한 대기압 상온 플라즈마 토치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 대기압에서 RF(Radio Frequency)를 공급전력으로 낮은 가스 온도의 플라즈마를 생성하는 글로우 방전 시스템이다. 대기압에서의 방전은 전자의 충돌빈도가 높아서, 즉 전자의 자유운동 거리의 현저한 감소를 수반하며 이에 따라 전기방전 조건의 극단화를 요구한다. 본 기술의 핵심은 약한 전장에서도 대기압 방전을 일으키면서 동시에 방전기체의 온도를 낮추는 것이다. 대기압에서 라디오파의 공명현상을 이용하는 RF방전을 하면 플라즈마 상태를 유지하면서 동시에 방전기체의 온도를 다른 방법의 대기압 방전에서 보다 현저히 낮출 수 있다. 기존의 대기압 DC방전이나 Microwave방전은 방전기체가 고온의 특성을 나타내는데 비하여 라디오파를 사용하여 방전을 일으키면 대기압에서 글로우방전을 일으키면서 동시에 기존의 방법보다 상대적으로 낮은 가스온도의 플라즈마를 얻을 수 있다. 그러므로 온도에 약한 물질들 표면에 본래 성질의 변화 없이 증착을 할 수 있는 잇점과 진공장비를 사용하지 않으므로 기존의 진공증착방법에 비하여 사용의 범위가 넓어지는 잇점이 있다.

Description

ＲＦ를 이용한 대기압 상온 플라즈마 토치{RF Low Temperature Plasma Touch at Atmospheric Pressure}

본 발명은 대기압에서 방전을 일으키는 것으로 종래에는 직류 아크 방전 및 마이크로웨이브 방전등이 있었지만 그 방법들은 방전시 기체의 온도가 높으므로 금속절단, 용접 및 소각의 목적이 대부분이다. 대기중에서 직류방전을 일으키기 위해서는 30kV/cm의 전압이 인가되어야 방전이 일어나고, 설사 방전이 일어나도 아크방전이 일어나므로 기체의 온도는 상당히 높다. 또한 마이크로웨이브 방전도 대기압에서 가능하지만 이때에도 온도가 상당히 높다. 반면 본 발명으로 발생되는 글로우방전은 40W의 RF전력으로 방전을 일으키고 기체의 온도가 직류 및 마이크로웨이브방전과는 달리 약150∼200℃의 기체온도를 나타낸다. 또 반도체 공정에서 흔히 사용되고 있는 RF방전은 대기압이 아닌 진공상태에서 공정을 하므로, 기압의 변수가 플라즈마생성의 결정적인 역할을 하는 특성을 살펴볼 때, 대기압에서 실행하는 본 발명과는 차이가 있음을 알 수 있다.

글로우 방전으로 만들어 낸 플라즈마는 반도체공정에서 현재 쓰이고 있다. 반도체공정 및 대부분의 공정들은 진공에서 실행된다. 이러한 방법들을 사용하여 만들어내는 플라즈마는 많은 비용이 들게되므로 값이 비싼 물질에만 공정을 사용한다. 그리고 진공챔버 안에서만이 공정이 가능하므로 공정의 범위 또한 제한적이다. 그러나 진공장비를 사용하지 않고 대기압에서 글로우 방전을 일으키게되면 비싼 비용의 부담과 공정범위의 제한을 벗어날 수 가 있다. 또한 값이 싼 물질들에 대해서도 공정을 행할 수가 있으므로 생활에서 사용되는 물질들의 물성을 높이는 일과 플라즈마 상태에서 발생되는 활성입자들을 화학반응 등에도 적용을 할 수 가 있다. 그러므로 본 발명은 앞으로 값싼 가스들에 대해서 낮은 기체온도의 플라즈마를 쉽게 만들 수 있으며, 이 플라즈마를 이용하여 각종 기체반응을 주도할 수 있으며, 따라서 여러 응용분야에 적용하는 것을 목적으로 하고 있다.

도 1은 본 발명에 관여한 시스템을 설명하는 블록 다이아그램이다. RF발생 장치(11)는 13.56MHz 300W출력 장치를 사용하였고, 메칭시스템(12)은 케페시터와 인덕터로 직렬 및 병렬로 구성되어진 회로를 사용하였다. 각각의 연결은 동축케이블을 사용하여 전력의 손실을 막았다. 적절한 전력을 반응기(13)에 인가하면 가스를 공급(14)하면서 반응기 내부에서 방전을 일으키고 반응기 앞단(15)으로 플라즈마를 방출한다.

도 2는 이 발명을 구체화한 한 예로서 도1의 블록 다이아그램을 그림으로 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 시스템중 도 2의 반응기를 개선한 반응기부분(13)으로 스테인레스로 만든 동축 케페시터의 모양을 한다, RF전력을 전달하는 내부전극(21)과 접지되어있는 외부전극(23) 사이에는 아크발생을 막기 위하여서 각각 유전체(24)를 입혔다. 내부전극의 수평조절과 두전극간의 절연을 하기 위해서 테프론(22)을 사용하였다. 또한 외부전극의 바깥쪽은 방전가스의 온도를 낮추기 위하여 물을 사용하여 냉각(26)을 한다.

도 4는 전달전력을 최대로 만들고 반사되는 전력을 최소로 만들기 위한 메칭시스템을 나타내는 회로도이다. 직렬 및 병렬 케페시터와 직렬 인턱터로 구성하였다. 본 시스템에서는π형식의 메칭시스템(16)을 사용하였다.

도 5는 본 발명의 실험에서 유전층이 없는 상태에서 헬륨방전의 결과를 그래프로 도출한 것으로 방전개시점(32)과 소멸점(33) 그리고 아크발생점(31)을 도출하였다.

도 6은 본 발명의 실험에서 유전층이 없는 상태에서 아르곤방전의 결과를 그래프로 도출한 것으로 소멸점(35)과 아크발생점(34)을 도출하였다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

1 ; 내부전극, 2 ; 절연체, 3 ; 외부전극, 4 ; 가스주입부, 5 ; 냉각장치

6 ; 유전층

본 발명은 도 2에서 보는 것과 같이, 13.56MHz의 라디오파를 최대 300W의 전력을 발생 및 공급할 수 있는 전원부분(7)이 있고. 전원부분과 반응기 사이에는 진행파를 최대로 하고 반사파를 최소로 만들기 위한 메칭시스템(6)을 사용하였다, 헬륨, 아르곤, 질소, 및 산소등을 주입하는 가스공급원(4)은 도 2에서 보는 것과 같이 연결을 하였다. 주된 반응을 일으키는 반응기는 도 2와 도 3에 나타내어진 것과 같다. 내부와 외부의 전극사이에 RF전장이 인가되면서 방전가스의 주입으로 인하여 방전이 개시되고 전력을 증가시킴으로 인해서 플라즈마의 밀도가 더 증가를 한다. 도 5에서 보는 것과 같이 약40W정도에서 반응기 전체적으로 균일한 밀도를 갖는 방전이 개시되었으며 일단 방전이 발생(32)하면 30W정도에서도 플라즈마 상태가 유지(33) 되는 것을 알 수 있다. 아크가 발생(31)하는 것은 방전기체의 유량과 관계가 있는데 유량이 증가하면 아크발생 공급전력이 올라가는 것을 볼 수가 있다. 하지만 150W정도에서 포화되는 것을 볼 수가 있고, 그 이상의 전력에서는 아크발생이 주된 반응임을 알 수가 있다. 공급가스의 유량을 늘리면 아크방전은 조금 더 높은 전력에서 일어난다. 하지만 가스의 유량을 늘인다는 것은 가스소모가 늘어난다는 것이므로 본 실험에서는 이 방법 외에 전극사이에 유전체(24)를 삽입하였다. 유전체를 삽입하게 되면 방전개시 전력은 다소 증가하기는 하나, 생성된 프라즈마에 직접적인 아크의 발생 없이 임계전력 이상의 전력을 공급할 수가 있다. 즉 유전체(24)의 삽입으로 임계전력에 대한 도 5 및 도 6의 아크발생이(31,34)없어지고, 더 높은 전력에서도 글로우상태의 플라즈마를 유지할 수 있다.

대기압에서 글로우방전을 일으키면서 동시에 기존의 방법보다 상대적으로 낮은 기체의 온도를 얻을 수 있으므로 온도에 약한 물질들의 표면에 본래 성질의 변화 없이 증착을 할 수 있다. 본 발명을 통하여 활성이 높은 플라즈마는 물질증착의 도구로 사용될 것이고, 대기압에서의 방전이므로 각종 공장에서 나오는 유독가스들에 대하여 방전을 일으켜서 유독가스의 정화에도 적용을 할 수 있으며, 활성이 높은 플라즈마를 각종 화학반응의 적용에 사용될 것이다.

Claims (5)

1. 대기압에서 전기적인 RF방전 시스템을 이용하여 글로우 방전 시스템을 구축하고 섭씨100∼250도의 상온 플라즈마를 발생하는 장치
2. 대기압에서 플라즈마 유지시 전극사이에 유전체를 삽입하여 아크발생을 제어하는 글로우 방전 발생 장치
3. 대기압에서 RF방전 시스템을 이용하여 산업체의 유독가스를 상온에서 제어하는 장치
4. 대기압에서 RF방전 시스템을 이용하여 물질의 증착에 이용하는 장치
5. 대기압에서 RF방전 시스템을 이용하여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 상태에서 발생되는 활성입자들을 이용하는 화학반응에 사용하는 장치