KR20020085321A - 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 표면처리를 위한 플라즈마 방전장치에 관한 것으로, 특히 낮은 전압에 의해서도 쉽게 플라즈마를 발생시킬 수 있는 전압 집중형 전극을 갖는 유전막 방전장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 장치는, 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 플라즈마에 의해 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 방전장치에 있어서, 두 전극의 중 어느 한 전극이 전압 집중형 전극으로 이루어지고, 두 전극 중 적어도 어느 한 전극에는 유전체가 도포된 것을 특징으로 한다. 또한, 전압 집중형 전극은 침형이나 칼날형, 요철형 등으로 구현되어 낮은 전압에서도 강한 전기장을 생성할 수 있도록 되어 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 유전막 방전장치의 두 전극 중 적어도 어느 한 전극을 침형이나 칼날형과 같이 전압 집중형으로 구현됨으로써 전기장이 집중되어 낮은 전력으로도 넓은 전극 간격에서 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 따라서 복잡한 대형의 피처리물을 상온상압에서 안정되게 처리할 수 있다.
Description
본 발명은 표면처리를 위한 플라즈마 방전장치에 관한 것으로, 특히 낮은 전압에 의해서도 쉽게 플라즈마를 발생시킬 수 있는 전압 집중형 전극을 갖는 유전막 방전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마(Plasma)란 이온이나 전자, 라디칼 등으로 이루어진 이온화된 가스 상태를 의미하는데, 이러한 플라즈마는 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계( RF electromagnetic fields)에 의해 생성된다. 특히, 글로우 방전에 의한 플라즈마 생성은 직류(DC)나 고주파 전계(RF)에 의해 여기된 자유전자에 의해 이루어지는데, 여기된 자유전자는 가스분자와 충돌하여 이온, 라디칼, 전자 등과 같은 활성족(active species)을 생성한다. 그리고 이와 같은 활성족은 물리 혹은 화학적으로 물질의 표면에 작용하여 표면의 특성을 변화시킨다. 이와 같이 활성족(플라즈마)에 의해 의도적으로 물질의 표면 특성을 변화시키는 것을 '표면처리'라고 한다.
대기압 하에서 플라즈마에 의한 표면처리를 수행하는 종래의 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 한쌍의 전극(1,2)들이 반응 용기내의 방전공간에 설치되고, 방전 공간에는 헬륨과 아르곤 등 불활성 가스를 주성분으로 하는 플라즈마 생성 가스들로 채워진다. 이 때, 각 전극에는 유전체(3)가 접속되어 있고, 피처리물(4)은 두 전극 사이에 위치한다.
이와 같이 피처리물을 반응용기 내에 삽입하고, 전극 사이에 AC 전압을 인가하면 글로우 방전이 일어나서 플라즈마 생성가스가 여기하여 반응용기내에서 플라즈마가 생성되고, 이 플라즈마에 의해 상기 피처리물이 플라즈마 표면처리된다.
한편, 대형 피처리물을 표면처리하기 위하여 대기압에서 플라즈마를 생성시키는 방법으로는 펄스 코로나 방전(pulsed corona discharge)과 유전막 방전(Dielectric barrier discharge)이 일반적으로 사용되는데, 코로나 방전은 전극에 고전압 펄스 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 방법이고, 유전막 방전은 전극에 유전체를 장착한 후 수십 Hz~수 MHz의 주파수를 가진 전원을 인가함으로써 유전체의 전하 저장 특성을 이용하여 낮은 전력으로 안정되게 대기압에서 플라즈마를 생성시키는 방법이다.
그런데 펄스 코로나 방전 방식은 고전압 펄스 전원을 사용함에 따라 플라즈마 생성장치가 일반적으로 대형이며, 전력 소모량이 아주 큰 단점이 있어 표면처리에 적용할 경우 처리 대상에 제한이 있고, 종래의 유전막 방전방식은 기본적으로 평판 대 평판 타입, 평판 대 봉 타입, 봉 대 봉 타입, 이중 실린더 타입 등과 같은 전극들이 서로 마주 보는 형상으로 배열을 이루고 있는데, 이러한 전극 구조는안정된 플라즈마 방전을 형성시킬 수 있는 전극 간격이 수 mm 정도이며, 수 cm정도의 전극 간격을 확보하여 보다 큰 피처리물의 표면처리를 위해서는 수백 kV 이상의 높은 전압이 필요한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 두 전극간의 간격이 넓어도 낮은 전압에서 플라즈마를 생성할 수 있는 전압 집중형 전극을 갖는 유전막 방전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 종래 상압 플라즈마 방전장치를 도시한 개략도,
도 2는 일반적인 평판형 전극의 전기장 특성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 전압 집중형 전극의 전기장 특성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 4a,4b는 본 발명에 따른 플라즈마 방전장치에서 전압 집중형 전극구조의 제1실시예를 도시한 도면,
도 5a,5b는 본 발명에 따른 플라즈마 방전장치에서 전압 집중형 전극구조의 제2 실시예를 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 전압 집중형 전극에 의해 형성된 플라즈마의 특성을 설명하기 위해 도시한 도면,
도 7a~c는 본 발명에 따른 집중형 전극을 이용한 다양한 전극 구성예를 도시한 도면,
도 8은 본 발명에 따른 집중형 전극의 다른 구조를 도시한 도면이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21,22,31,32: 전극41: 평판전극
42: 집중형 전극43a,43b: 유전체
71,73,74: 봉형 전극75,76: 실린더형 전극
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 장치는, 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마에 의해 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 방전장치에 있어서, 상기 두 전극의 중 어느 한 전극이 전압 집중형 전극으로 이루어지고, 상기 두 전극 중 적어도 어느 한 전극에는 유전체가 도포된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 전압 집중형 전극은 침형이나 칼날형, 요철형 등으로 구현되어 낮은 전압에서도 강한 전기장을 생성할 수 있도록 되어 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.
도 2는 일반적인 평판형 전극의 전기장 특성을 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 두 평판형 전극(21,22)의 간격을 'd'라 할 경우에 일정 전압을 인가한 후 거리 간격 d에 따라 변화되는 전기장의 세기(V)를 도시한 그래프이다.
도 2를 참조하면, 그래프의 횡축은 두 전극간의 거리(d)를 나타내고, 종축은 두 전극 사이에 일정 전압을 인가한 경우 전기장의 세기(V)를 나타낸다. 그래프 G1에 따르면, 두 평판형 전극(21,22)간의 거리 d가 멀어질수록 전기장의 세기(V)가 선형적으로 감소되는 것을 알 수 있고, 따라서 크기가 큰 피처리물을 표면처리하기 위해서 두 전극의 거리를 멀게 할 경우에 두 전극 사이에 인가되는 전압이 높아야만 플라즈마 방전이 일어날 수 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이 두 평판형 전극 사이에 외부에서 인가되는 전압이 'U'라 할 경우에, 두 평판 전극(21,22) 사이 발생되는 전기장 V는 다음 수학식 1과 같이 구해진다.
상기 수학식 1에서 'd'는 두 전극 사이의 거리로서, 앞서 그래프에서 살펴본 바와 같이 두 전극 사이에 인가되는 전압이 일정할 경우에 두 전극 사이의 거리가 멀어질록 발생되는 전기장(V)이 약해지는 것을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 전압 집중형 전극의 특성을 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 두 전극중 하나는 침형 전극(31)이고 대향 전극은 평면전극(32)인 경우이다. 도 3에서 'r'은 침형 전극(31)의 선단 반경을 나타내고, 'd'는 침형전극(31)과 평판형 전극(32) 사이의 거리(간격)이다.
도 3을 참조하면, 그래프의 횡축은 침형전극(31)의 선단반경(r)을 나타내고, 종축은 두 전극 사이에 일정 전압을 인가한 경우 반경에 따른 전기장의 세기(V)를 나타낸다. 그래프 G2에 따르면, 플라즈마를 생성하기 위해 두 전극 사이에 일정전압을 인가한 경우에 전기장의 세기(V)는 침형전극(31)의 반경(r)이 작아질 경우에 비선형적으로 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 집중형 전극을 사용할 경우에 반경(r)을 작게 하면, 낮은 전압으로도 매우 큰 전기장을 생성할 수 있으므로 두 전극간의 거리를 크게 하여 대형 피처리물을 표면처리할 수 있다.
이와 같이 두 전극 사이에 외부에서 인가되는 전압이 'U'라 할 경우에 침형전극(31)과 평판형 전극(32) 사이에서 발생되는 전기장 'V'는 다음 수학식 2와 같이 구해진다.
상기 수학식2에서 'd'는 두 전극 사이의 거리이고, 'r'은 침전극의 곡률반경이며, p는 두 전극 사이의 거리와 침형전극의 반경을 합한 값을 반경으로 나누어 구해지는 매개변수이다.
상기 수학식2에 따르면, 미세 침전극의 곡률 반경(r)이 극히 작을 경우 침전극 대 평판전극 사이의 전기장은 이론적으로 무한대에 가까워지므로, 낮은 인가전압으로도 일반적인 형태의 유전막 방전의 전극 구조에 비해 훨씬 높은 전기장을 형성할 수 있다.
본 발명은 이와 같은 특성을 이용하여 두 전극 중 어느 한 전극의 구조를 침형 혹은 칼날형과 같은 전압 집중형 전극으로 하여 낮은 전력으로도 극히 높은 전압이 집중되도록 함으로써 두 전극 사이의 거리를 크게 하여 대형 피처리물을 가공할 때 저전력으로 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 된 것이다. 그리고 전압집중형 전극의 구조는 침형이나 칼날형 외에도 요철형 등 다양한 형태의 전극 형태가 가능하다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 따른 유전막 방전장치에서 전압 집중형 전극구조의 제 1 실시예를 도시한 도면으로서, 도 4a는 사시도이고, 도 4b는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 두 전극(41,42)이 판형으로 대향하여 위치하고 있고, 두 전극(41,42)중 일 전극(42)은 다른 전극에 대향하는 면이 침(42b)으로 되어 있고, 이 침(42b)들은 유전체(43b)에 의해 도포되어 외형적으로는 평평한 판을 이루고 있다. 이와 같이 두 전극(41,42)중 어느 한 전극의 대향 면 혹은 두 전극의 대향 면 모두가 침형으로 이루어질 경우에는 후술하는 바와 같이, 전압이 집중되어 동일한 간격을 갖는 통상의 판 전극에 인가되는 전압보다 낮은 전압으로 플라즈마를 생성할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 전압 집중형 전극을 이용하여 낮은 전력으로도 넓은 전극 간격에서 플라즈마를 안정되게 형성시켜 기존의 수백KV 이상의 높은 전압이 필요했던 복잡한 대형 처리물의 표면처리를 낮은 전압과 전력으로 효과적으로 처리할 수 있도록 한 것이다.
도 4b에서 집중형 전극(42)은 평판(42a) 위에 무수히 많은 침(42b)들이 돌출되어 있고, 이 돌출 침(42b)들 위에 유전체(43b)가 도포되어 있다. 그리고 전압 집중형 전극(42)에 대향하는 평판형 전극(41)의 표면에도 유전체(43a)가 도포되어 있다.
도 5a 및 5b는 도 4에 도시된 전압 집중형 전극의 제1 실시예와 동일하나 유전체를 평면으로 하지 않고 침형 전극을 따라 유전체도 침형으로 증착한 경우로서, 도 5a는 사시도이고 도 5b는 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 두 전극 중 어느 한 전극이 침형으로 이루어지고, 다른 전극은 평면으로 되어 있으나 두 전극의 대향하는 면이 모두 침형으로 이루어질 수도 있다. 그리고 본 발명의 실시예에서는 두 전극의 대향 면에 모두 유전체가 도포되어 있으나 어느 한 면에만 유전체가 도포되어도 충분하고, 바람직하게는 침형 전극면에 유전체를 도포한다.
이와 같은 전압 집중형 전극을 갖는 유전막 방전장치는 도면에는 도시되지 않았으나 플라즈마가 발생되는 반응공간, 전원공급장치, 가스 공급시스템 등을 포함하여 구성된다. 그 중에서 반응영역의 전극 부분은 도 7a~c에 도시된 바와 같이, 평판 대 봉타입, 봉 대 봉 타입, 실린더 타입 등으로 전극들이 서로 마주보는 다양한 배열이 가능하다. 또한, 마주 보는 전극끼리는 전기적으로 절연되어 있으며, 전극간의 간격은 수 mm ~ 수 cm까지 수평을 유지한 채로 조정이 가능한 구조로 되어 있다. 각 전극은 열전도율이 우수하고, 높은 부식저항을 갖는 구리, 알루미늄, 스테인레스 스틸 등을 사용한다.
또한 각각의 전극들은 유전체 물질로 둘러 쌓여 있는 구조로 되어 있으며, 유전체 물질로는 글래스, 알루미나, 테프론, TiO2, BaTiO3등을 사용할 수 있다.
그리고 미세 침 전극을 제작하는 방법으로는 연마나 프레스 등과 같은 기계적인 방법이나 리소그래피 방법을 사용할 수 있는데, 리소그래피 방법의 경우 더 미세한 구조의 침전극을 제작할 수 있다. 미세 침 전극에 비해서 효율성은 떨어지나 경우에 따라 이의 변형으로 도 8과 같이 칼날 모양의 전극 구조를 가질 수 있다.
이와 같이 전압 집중형 전극으로 구성된 플라즈마 반응영역 안으로 가스관을 통하여 반응가스를 유입시키고, 반응 영역안이 특정 반응가스로 유지될 때, 두 전극 사이에 수백 볼트에서 수십 킬로볼트의 교류전원을 인가하여 유전막 방전을 발생시킨다. 이 때, 전원 주파수는 10~109Hz를 사용한다.
가스관을 통하여 유입된 가스는, 침전극에 의해 낮은 전력에서도 두 전극 사이에 높은 전기장을 형성되므로 쉽게 활성화(즉, 해리, 이온화)되어 이온과 전자, 라디칼, 중성입자들로 구성된 플라즈마를 형성한다. 여기에 사용되는 가스는 N2, O2, H2O, Ar, He, CO2, Ar, He, CO2, CO, H2, NH3, CF4, Air, CH4, C2H6등을 피처리물의 처리 목적에 따라 개별적으로 또는 혼합하여 사용한다.
그리고 반응 전극은 전도성 물질로 내식성이 강한 알루미늄(Al), 타니타늄(Ti), 니켈, 크롬, 구리, 텅스텐, 백금과 SUS 등의 합금을 사용하고,유전체는 글래스, 알루미나, 테프론, TiO2, BaTiO3등을 사용할 수 있다.
이와 같이 유전막 아래에 형성된 침 형태의 전극 끝에 낮은 전력으로도 극히 높은 전압이 집중되므로, 각각의 침측에 높은 에너지의 집중 현상이 발생하며, 각각의 미세한 침에서 발생하는 방전현상이 집중되므로써 도 6에 도시된 바와 같이, 안정된 고밀도 플라즈마 영역이 생기게 된다. 이와 같은 원리로 인해 종래기술과는 달리 극히 적은 전력으로도, 수 mm ~ 수 cm까지의 충분한 전극 간격을 확보할 수 있으므로, 넓은 전극 간격으로 다양한 형태의 대형 처리물이 연속적으로 장입되면서 표면처리가 효율적으로 이루어지게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 전압 집중형 전극에 의해 형성된 플라즈마의 특성을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 일전극(62)이 침(62b)형으로 되어 있고, 대향 전극이 평면(61)으로 된 경우에 생성되는 플라즈마의 형태는 도 6에 도시된 바와 같이, 침형 전극(62)쪽에 꼭지점이 형성되는 포물선 형태로 이루어지고, 다수의 침들에 의해 다수의 포물선이 서로 중첩되어 안정된 플라즈마 방전영역(65)을 형성한다. 그리고 이와 같이 플라즈마가 중첩되어 안정된 방전영역에서 피처리물에 대한 표면처리가 더욱 효과적으로 수행된다.
도 7a~c는 본 발명에 따른 집중형 전극을 이용한 다양한 전극 구성예를 도시한 도면으로서, 도 7a는 평판에 침형으로 집중형 전극(72)을 구현한 후 봉형 전극(71)과 대응시켜 전극을 구성한 경우이고, 도 7b는 두 봉형 전극(73,74) 중에서 하나의 봉형 전극(74)을 집중형 전극으로 구현한 경우이며, 도 7c는 실린더형 전극(75,76)에서 내부전극(76)을 집중형 전극으로 구현한 경우이다. 이와 같이 다양한 형태의 전극들을 조합하여 다양한 구조의 방전전극을 구현할 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 집중형 전극의 다른 구조를 도시한 도면으로서, 집중형전극을 칼날 형으로 한 경우이다. 이와 같이 침형 대신에 칼날형으로 할 경우에는 침형전극에 비해 집중 효과는 감소되나 제작이 용이한 잇점이 있다.
도 8을 참조하면, 평판전극(81)과 대향하여 집중형 전극(82)이 있고, 이 집중형전극(82)은 평면(82a) 위에 다수의 칼날부(82b)가 돌출되어 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 유전막 방전장치의 두 전극 중 적어도 어느 한 전극을 침형이나 칼날형과 같이 전압 집중형으로 구현함으로써 전기장이 집중되어 낮은 전력으로도 넓은 전극 간격에서 플라즈마를 생성시킬 수 있고, 따라서 복잡한 대형의 피처리물을 상온상압에서 안정되게 표면처리할 수 있다.
Claims (9)
- 두 전극 사이에 가스를 유입하여 방전에 의해 플라즈마를 생성한 후 상기 플라즈마에 의해 피처리물의 표면을 처리하도록 된 상압 플라즈마 방전장치에 있어서,상기 두 전극 중 어느 한 전극이 전압 집중형 전극으로 이루어지고,상기 두 전극 중 적어도 어느 한 전극에는 유전체가 도포된 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전압 집중형 전극은 대향 전극면이 다수의 침으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제2항에 있어서, 상기 침전극의 곡률반경이 10 cm 이내인 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 전압 집중형 전극은 대향 전극면이 칼날형으로 된 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 집중형 전극은 리소그래피 방법으로 제조된 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 집중형 전극은 연마나 프레스와 같은 기계적인 방식으로 제조된 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 집중형 전극에 입혀지는 유전체는 금속전극의 요철을 따라 증착된 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 두 전극은평판 대 평판, 평판 대 봉, 봉 대 봉, 실린더 형으로 구현되어 적어도 어느 하나의 전극이 전압 집중형 전극으로 된 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
- 제1항에 있어서, 상기 두 전극은 적어도 어느 전극이 회전하거나 왕복 운동하여 안정적인 방전영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 전압 집중형 전극 구조를 이용한 대기압 유전막 방전장치.
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