KR20010084567A

KR20010084567A - 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치

Info

Publication number: KR20010084567A
Application number: KR1020000009719A
Authority: KR
Inventors: 나종주; 이상로; 이구현; 남기석; 이완근; 조상준; 남승백
Original assignee: ０; (주)에스이 플라즈마
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-06

Abstract

본 발명은 대기압하에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 길이 방향으로 상면이 폐쇄된 일정한 크기의 중공부를 가진 절연체로 형성된 원통형의 몸체와; 상기 몸체의 중공부 상측에 고정됨과 아울러 전원공급장치에 연결되고, 상기 몸체의 상면을 관통하여 상기 중공부와 연통되는 가스공급관에 의해 주입되는 반응가스가 통과될 수 있는 구멍을 구비한 도체전극과; 상기 도체전극과 동일형상을 갖고 하방향으로 이격되어 설치됨과 아울러 접지되고 밀폐된 하면에는 그 직경방향을 따라 피처리물의 형상에 대응하는 여러 형태의 구멍을 갖는 도체전극과; 상기 도체전극의 하단면에 부착되고 관통된 다수의 구멍을 갖는 캐필러리디스크와; 상기 캐필라리디스크와 서로 마주보게 상기 도체전극의 상단면에 부착되고 반응가스가 통과하도록 관통된 구멍을 갖는 쉴드디스크를 포함하여 구성된다.

이에 따라, 본 발명은 대기압에서 발생된 플라즈마가 아크로 전이하는 현상을 억제하며, 플라즈마를 추출하여 샤워형태로 발생시킬 수 있고 이를 이용하여 금속, 폴리머, 섬유, 복합재료, 플라스틱, 유리, 고무, 세라믹, 다이아몬드, 실리콘웨이퍼 등의 재료 및 의료도구 등의 표면에 조사하여 접합, 연마, 세정, 박막증착, 살균, 염색, 엣칭 등에 활용할 수 있다.

Description

대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치{APPARATUS FOR PRODUCING GLOW DISCHARGE PLASAMA IN ATMOSPHERE}

본 발명은 대기압에서 온도가 낮으며, 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.

통상, 코로나 방전은 금속과 같은 전도성 재료를 전극으로 사용하여 두 전극사이에 높은 전압을 가함으로써 전극에서 스트리머 플라즈마를 발생시켜 이루어진다.

만약, 전극사이의 간격을 매우 좁힌 상태에서 전극사이에 전압을 가하게 되면 아크가 발생되며, 양자 모두 선형의 플라즈마 영역을 가지며 플라즈마 직경이 매우 작다.

코로나 방전은 쉽게 아크 방전으로 전이되는데 이를 막기 위해 전원공급장치에서 단속적인 전압을 인가하는 방법이나, 전극에 저항을 연결하는 방법, 혹은 세라믹전극을 사용하는 방법 등이 쓰이고 있다.

이들 방법은 모두 대기압에서 대면적의 균일한 플라즈마를 얻기 어려운 문제점을 가지고 있으며, 또한 아크 방전으로 전환되는 것을 방지하기 위한 별도의 수단을 구비한 경우에는 플라즈마 밀도가 낮아 효율이 떨어지는 문제점을 가진다.

한편, 이들 대기압 글로우 방전 플라즈마는 금속을 비롯한 재료의 표면을 개질하거나, 또는 박막을 증착하는데 활용되고 있다.

종래에 표면에너지를 변화시켜 친수성과 소수성의 특성을 가질 수 있도록 하는 기술로 진공중에서 높은 에너지의 이온빔을 이용한 기술과 코로나 방전을 이용한 기술 등이 사용되어 왔다.

진공중에서 높은 에너지 이온빔을 이용한 기술은 그 특성이 뛰어나나 진공장치를 수반하여야 하므로 장비가 고가이고, 단속적인 작업이 이루어지므로 처리실의 크기에 따라 시편의 크기 및 생산성에 제한을 받는다.

그리고, 대기압에서 발생되는 플라즈마는 쉽게 아크로 전환되며, 그 경우 고온의 플라즈마가 발생하므로 아크가 닿는 재료를 냉각시켜주어야 하므로 이로 인해 전극의 수명이 단축되며 균일한 대면적의 플라즈마를 발생시키기 어렵게 된다.

특히, 코로나 방전을 이용한 기술은 전극간 간격이 좁으므로 3차원적인 형상을 가지는 제품을 처리하기 어렵다는 단점을 가진다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 제반 문제점, 특히 3차원 형상을 가지는 제품을 처리할 수 있는 방안을 창출한 것으로, 새로운 구조의 전극을 사용하여 발생된 플라즈마가 아크 방전으로 전환되는 것을 억제하고 밀도가 높으며, 대면적의 균일한 플라즈마를 장치의 몸체 밖으로 추출하여 샤워 형태로 발생시킬 수 있도록 한 대기압에서 글로우 방전 플라즈마 를 발생시키는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 글로우 방전 플라즈마 발생장치의 개략적인 구성을 보인 사시도,

도 2는 도 1에 도시된 캐필러리디스에 대한 상세도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 가스공급관, 20 : 몸체,

30,60 : 도체전극, 40 : 캐필러리디스크(capillary disk),

32,42, 52 : 구멍, 50 : 쉴드디스크(shield disk),

70 : 마그네트, 80 : 전원공급장치,

90 : 중공부.

본 발명의 목적은 길이 방향으로 상면이 폐쇄된 일정한 크기의 중공부를 가진 절연체로 형성된 원통형의 몸체와; 상기 몸체의 중공부 상측에 고정됨과 아울러 전원공급장치에 연결되고, 상기 몸체의 상면을 관통하여 상기 중공부와 연통되는 가스공급관에 의해 주입되는 반응가스가 통과될 수 있는 구멍을 구비한 도체전극과; 상기 도체전극과 동일형상을 갖고 하방향으로 이격되어 설치됨과 아울러 접지되고 밀폐된 하면에는 그 직경방향을 따라 피처리물의 형상에 대응하는 여러 형태의 구멍을 갖는 도체전극과; 상기 도체전극의 하단면에 부착되고 관통된 다수의 구멍을 갖는 캐필러리디스크와; 상기 캐필라리디스크와 서로 마주보게 상기 도체전극의 상단면에 부착되고 반응가스가 통과하도록 관통된 구멍을 갖는 쉴드디스크를 포함하여 구성함에 의해 달성된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치의 바람직한 일 예를 도시한 개략적인 사시도이다.

도 2에 따르면, 본 발명의 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 샤워(shower) 형태로 발생시키는 장치의 전극구조를 갖는다.

몸체(20)는 길이 방향을 따라 일정한 직경의 관통된 중공부를 가진 절연물로 이루어진다.

도체전극(30,60)은 금속으로 이루어지고 상기 몸체(20)의 중공부(90)에 일정한 간격을 두고 내장된다.

상기 도체전극(30)은 전원공급장치(80)와 전기적으로 연결되고, 다른 도체전극(60)은 접지된다.

상기 전원공급장치(80)와 연결되는 도체전극(30)은 반응가스가 통과할 수 있도록 관통된 구멍(32)을 가진다.

가스공급관(10)은 반응가스를 도체전극(30) 측으로 공급하는 기능을 가지며, 공급된 가스는 관통된 구멍(32)을 가진 도체전극(30)을 통과하여 중공부(90)로 유입된다.

또한, 도체전극(30)의 하단 외면에는 도 3b의 도시와 같은 원형을 비롯한 여러 형태의 관통된 여러개의 구멍(42)을 갖는 캐필러리디스크(40)가 부착된다.

상기 캐필러리디스크(40)는 절연성이 우수한 알루미나(A₂O₃), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃N₄) 중에서 선택된 어느 하나의 재질로 형성된다.

또한, 상기 캐필러리디스크(40)는 구리, 알루미늄 및 스테인레스와 같은 도체금속으로 제조된 1~400 메쉬(mesh)크기의 금속망 중 하나를 선택하여 형성할 수 있다.

또한, 플라즈마를 용이하게 발생시킬 수 있도록 하기 위해서는 상기 캐필러리디스크(2) 구멍(4)의 직경(D)은 0.005~1mm, 그리고 두께는 0.01~10mm 범위가 가장 바람직하다.

그리하여, 상기 캐필러리디스크(2)의 두께(t)는 구멍(4)의 직경(D)과 캐필러리디스크(2) 두께의 비(t/D)가 0.01~100이 되도록 하여 준다.

마찬가지로, 상기 쉴드디스크(3)도 0.01∼10mm 의 두께를 가져야만 상기 전극에 합당한 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

한편, 도체전극(60)은 접지하되, 상기 도체전극(60)의 상단면에는 구멍(52)이 뚤린 쉴드디시크(50)가 부착된다.

도시하지 않았으나 상기 도체전극(60)에도 구멍이 가공되며, 상기 구멍 및 쉴드디스크(50)에 형성된 구멍(52)은 피처리물의 형상에 따라 여러 형태를 가질 수 있다.

도체전극(60)의 하단 외면에는 영구자석이나 전자석과 같은 마그네트(70)를설치하여 플라즈마를 수렴시키거나 발산시켜 그 형상을 조절할 수 있다.

이와같은 구조로 이루어진 대기압 플라즈마 발생장치에 가스공급관(10)을 통해 반응가스를 주입하면 상기 전극(30,60)들 사이에서 래디칼, 이온 등으로 구성된 플라즈마가 발생되며, 반응가스의 공급량을 조절하여 플라즈마 빔을 샤워(shower)형태로 몸체(20) 외부로 추출해 낼 수 있다. 그 플라즈마 빔의 길이와 밀도는 상기 반응가스의 압력, 즉 반응가스 공급량에 의해 용이하게 조절할 수 있다.

대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키기 위해 전원공급장치(5)에서는 유니폴러펄스(unipolar pulse), 바이폴러펄스(bipolar pulse), 또는 정상파형(sine wave)의 전압, 주파수 대역은 1∼400kHz, 전압의 범위는 1∼100kV을 사용함이 바람직하다.

플라즈마가 발생되면 전류가 흐르며, 처리공정에 따라 허용 전류를 변화시킴으로써 플라즈마 밀도를 제어하는 바, 허용 전류의 범위는 1mA ∼10A로 하여준다.

이때 발생되는 플라즈마는 낮은 온도의 플라즈마로써 별도로 냉각장치가 필요 없으며, 전극 사이에서 대면적의 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다.

특히, 이러한 구조의 대기압 플라즈마 발생장치는 전극이 몸체(20) 내부에 내설되어 있기 때문에 임의의 장소로 이동이 용이하여 대형구조물의 결함부분 수리, 분해하기 어려운 부품의 외벽 수리, 복잡한 형상을 갖는 부품의 표면개질이나 혹은 박막 증착 등에 용이하게 활용될 수 있다.

이러한 대기압 플라즈마 발생장치에 가스공급관(10)을 통해 공기,수증기(H₂O), 산소(O₂), 질소(N₂), 수소(H₂), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃), CF₄, 아세틸렌(C₂H₂), 프로판(C₃H₈)등의 가스를 단독, 또는 혼합한 반응가스를 공급하고 전원을 가하여 두 전극(40,50) 사이에서 온도가 낮으며 밀도가 높은 플라즈마를 발생시킨다. 이때 전극(40,50)에 형성된 플라즈마를 반응가스 공급량을 조절하여 샤워형태로 밖으로 추출한다.

추출된 플라즈마를 금속, 세라믹, 다이아몬드, 실리콘웨이퍼, 폴리머, 섬유, 복합재료, 유리, 고무, 플라스틱 등의 재료 및 의료용 도구 등의 표면에 조사하여 접합, 연마, 엣칭, 세정, 박막증착, 살균, 염색 등의 많은 분야에서 매우 유용하게 활용가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 캐필러리디스크 전극과 쉴드디스크 전극이 서로 마주보는 구조로 이루어진 대기압 플라즈마 발생장치는 두 전극 사이에서 온도가 낮고, 밀도가 높으며, 균일한 플라즈마를 얻을 수 있다. 또한 플라즈마가 아크로 전이되는 현상이 억제되고 별도의 냉각장치가 필요없다.

둘째, 전극 구조의 개량을 통해 플라즈마를 샤워형태로 발생시키는 장치는 플라즈마를 전극 외부로 추출이 가능하여 이동의 용이성을 확보하고, 처리물의 형상이나 크기에 관계없이 처리할 수 있다.

셋째, 대기압에서 플라즈마 밀도가 높음은 물론 에너지 상태가 높은 래디칼을 형성하며, 금속, 폴리머, 섬유, 복합재료, 세라믹, 실리콘웨이퍼, 다이아몬드, 플라스틱, 유리, 고무 등의 재료 및 의료도구 등의 표면에 조사하여 접합, 세정, 연마, 엣칭, 박막증착, 살균, 염색 등에 활용할 수 있다.

Claims

길이 방향으로 상면이 폐쇄된 일정한 크기의 중공부(90)를 가진 절연체로 형성된 원통형의 몸체(20)와;

상기 몸체(20)의 중공부(90) 상측에 고정됨과 아울러 전원공급장치(80)에 연결되고, 상기 몸체(20)의 상면을 관통하여 상기 중공부(90)와 연통되는 가스공급관(10)에 의해 주입되는 반응가스가 통과될 수 있는 구멍(32)을 구비한 도체전극(30)과;

상기 도체전극(30)과 동일형상을 갖고 하방향으로 이격되어 설치됨과 아울러 접지되고 밀폐된 하면에는 그 직경방향을 따라 피처리물의 형상에 대응하는 여러 형태의 구멍을 갖는 도체전극(60)과;

상기 도체전극(30)의 하단면에 부착되고 관통된 다수의 구멍(42)을 갖는 캐필러리디스크(40)와;

상기 캐필라리디스크(40)와 서로 마주보게 상기 도체전극(60)의 상단면에 부착되고 반응가스가 통과하도록 관통된 구멍(52)을 갖는 쉴드디스크(50)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 도체전극(30,60)은 금속으로 형성되고;

상기 캐필라리디스크(40) 및 쉴드디스크(50)는 절연특성이 우수한알루미나(A₂O₃), 질화붕소(BN), 탄화규소(SiC), 질화규소(Si₃N₄) 중에서 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 캐필러리디스크(40)에 형성된 구멍(42)의 직경(D)은 0.005~1mm로 하며, 캐필러리 디스크의 두께(t)는 0.01~10mm로 하여 구멍(4)의 직경(D)과 캐필러리디스크(2) 두께의 비(t/D)가 0.01~100인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 캐필라리디스크(40)는 1∼400 메쉬(mesh)의 구리, 알루미늄, 스테인레스와 같은 도체금속 중에서 선택된 어느 하나로 형성된 금속망을 사용하는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 쉴드디스크(3)의 두께는 0.01∼10㎜ 인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 전원공급장치(5)는 바이폴러펄스, 유니폴러펄스, 정상파형의 전압중 하나로 주파수 대역은 1∼400kHz를 사용하며, 인가 전압은 1∼100kV이고, 사용 전류는 1mA ∼10A 인 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 반응가스는 공기, 수증기(H₂O), 산소(O₂), 질소(N₂), 수소(H₂), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃), CF₄, 아세틸렌(C₂H₂), 프로판(C₃H₈)등을 단독 또는 이들 가스가 혼합되어 공급되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제7항에 있어서, 상기 반응가스의 공급에 의해 생성된 플라즈마를 금속재료, 폴리머, 섬유, 세라믹, 다이아몬드, 실리콘웨이퍼, 복합재료, 유리, 고무, 플라스틱 등의 재료 및 의료용 도구 등의 표면에 조사하여 접합, 연마, 엣칭, 세정, 박막증착, 살균, 염색 등에 사용하도록 하는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.
제1항에 있어서, 상기 도체전극(60)의 하단면에는 추출되는 플라즈마를 수렴 혹은 발산시키도록 영구자석 혹은 전자석과 같은 마그네크(70)가 부설되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 장치.