KR200358298Y1 - 상압방전용 전극 - Google Patents

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KR200358298Y1 KR20-2004-0012595U KR20040012595U KR200358298Y1 KR 200358298 Y1 KR200358298 Y1 KR 200358298Y1 KR 20040012595 U KR20040012595 U KR 20040012595U KR 200358298 Y1 KR200358298 Y1 KR 200358298Y1
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Abstract

본 고안은 상압 (1 기압) 방전용 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 산화물을 사용함으로써, 유전율이 높아진 유전체를 이용하여 제작한 상압 방전용 전극에 관한 것이다. 본 고안의 구성은, 금속 기재; Ti 와 Ba 를 포함하며 상기 금속 기재 상에 형성되는 금속 산화물층; 및 상기 금속 산화물층 상에 형성되는 Si 산화물층을 포함하도록 이루어진다.

Description

상압방전용 전극{ATMOSPHERE PRESSURE DISCHARGE ELECTRODE}
본 고안은 상압 (1 기압) 방전용 전극에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 금속 산화물을 사용함으로써, 유전율이 높아진 유전체를 이용하여 제작한 상압 방전용 전극에 관한 것이다.
플라즈마는 부분적으로 또는 전체적으로 이온화된 가스를 말하는 것으로 물질의 제 4 상태라고 언급되기도 한다.
본 고안에서 고려하는 플라즈마는 글로우 방전 플라즈마로, 부가된 DC 또는 RF 전계에 의해 에너지화된 자유 전자 (즉, 2 차 전자) 와 중성 분자와의 충돌에 의해 부분적으로 이온화되어 생성된다.
즉, 중성 분자와의 2 차 전자와의 충돌에 의해 분자와 이온으로 에너지가 전달되어, 광자, 여기 원자 및 분자, 전자 및 이온을 포함하는 다양한 활성 종이 형성되며, 이들 활성 종은 에너지를 갖거나, 수 또는 수십 전자 볼트의 여기 에너지 상태에 있을 수 있다. 이러한 여기 에너지는 화학적 세정 처리에 관련된 화학적 결합 에너지 (binding energy) 보다 훨씬 높으므로, 플라즈마를 이용하여 물질의 표면을 세정할 수 있게 된다.
한편, 플라즈마를 이용하여 물질을 세정하기 위해서는 고밀도 플라즈마 상태를 만들 필요가 있으며, 이러한 고밀도 플라즈마 상태는 에너지화된 2 차 전자를 다수 생성함으로써 만들 수 있다.
특히, 상압 방전에서 안정한 상태의 방전을 유지하려면 방전을 위한 전극의 표면에 유전체를 형성시켜 유전체 표면에서 많은 2 차 전자를 방출시켜야 하는데, 이 때 유리, 석영, 또는 Al2O3등과 같이 유전체의 유전계수가 높을수록, 더 많은 수의 2 차 전자가 방출된다.
즉, 유전율이 높을수록 2 차 전자 방출 계수가 높아지게 되어 더 많은 수의 2 차 전자의 방출이 이루어진다.
그러나, 공기를 이용하여 상압 방전을 하기 위해서는 종래의 유전체들의 유전율보다 더 높은 유전율을 갖는 유전체를 사용할 필요가 있다.
전극의 표면에 유전체를 형성시키는 종래의 상압 방전용 플라즈마 세정 장치로, 유전막 방전을 이용한 상압 방전에서 두 개의 전극 중 적어도 하나는 유전체를사용하고, 이러한 유전체로는 플레이트 형태의 유전체를 사용한 기술이 있으며, 또한, 전극의 표면에 Ni을 함유한 코팅층, Al2O3와 Ti을 함유한 유전체층, 및 에폭시 수지층을 차례로 적층하여 유전율이 높은 유전체를 형성함으로써 2 차 전자의 방출을 보다 용이하게 할 수 있도록 한 기술이 있다.
그러나, 이러한 종래의 상압 방전용 플라즈마 세정 장치들에서는 전극의 표면에 사용된 유전체의 유전율이 낮아서 방출되는 2 차 전자의 수가 적으므로, 고밀도의 플라즈마를 형성하기 위해서 방전 전압, RF 주파수를 더 높여야 하고, 다량의 반응 가스 (예를 들어, He 가스) 를 사용하여야 하는 문제점이 있으며, 이러한 조건하에서 발생된 플라즈마는 고온 상태가 되어 별도의 냉각기를 필요로 하는 문제점이 있다.
또한, 플레이트 형태의 2 개의 방전 전극 사이에서 플라즈마가 생성되어 세정 처리에 불리한 정전기를 발생하는 문제점이 있으며, 플라즈마 생성시 오존 (O3) 이 불가피하게 발생되어 환경을 저해하는 문제점이 있다.
본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은, 금속 산화물을 사용함으로써 유전율이 높아진 유전체를 이용하여 제작되며, 낮은 방전 전압, LF 저주파수에서도 다량의 2 차 전자를 방출할 수 있는 상압 방전용 전극을 제공하는 것이다.
본 고안의 다른 목적은, 방전용 전극 중 적어도 하나의 전극이 2 개로 분리된 양극형 구조이고 분리된 양전극 사이에 배기 장치를 설치하여 플라즈마 발생에 이용되는 반응 공기를 배기시킬 수 있는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치를 제공하는 것이다.
본 고안의 또 다른 목적은, 방전용 전극에 정전기 방지용 콘덴서를 설치함으로써 정전기를 방지할 수 있는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치를 제공하는 것이다.
본 고안의 또 다른 목적은, 플라즈마 발생시 생기는 오존을 제거하기 위한 오존 제거 장치를 더 포함하는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치를 제공하는 것이다.
도 1a는 본 고안의 상압 방전용 전극의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1b는 본 고안의 상압 방전용 전극을 적층하는 과정에 대한 흐름도이다.
도 2는 본 고안에 따른 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치의 구성도이다.
도 3a는 종래의 플라즈마 세정 장치에 사용되는 단전원의 구성도이다.
도 3b는 본 고안에 따른 상압 플라즈마 세정 장치에 사용되는 양전원의 구성도이다.
도 4a는 본 고안의 제 1 실시예에 따른 상압 플라즈마 세정 장치의 반응기의 구성도이다.
도 4b는 본 고안의 제 2 실시예에 따른 상압 플라즈마 세정 장치의 반응기의 구성도이다.
도 5a는 도 4a의 반응기의 상부전극에 대한 구성도이다.
도 5b는 도 4a의 반응기의 하부전극에 대한 구성도이다.
도 5c는 도 5a에서의 배기용 노즐에 대한 단면도이다.
도 6a는 도 4b의 반응기의 상부전극에 대한 구성도이다.
도 6b는 도 4b의 반응기의 하부전극에 대한 구성도이다.
도 7a는 본 고안에 따른 상압 플라즈마 세정 장치의 다른 실시예의 구성도이다.
도 7b는 본 고안에 따른 상압 플라즈마 세정 장치의 또 다른 실시예의 구성도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
102 : 일반 금속 104 : Ti+Ba 층
106 : Si 층 202 : 전원
204, 730 : 전압 제어 및 주파수 변환부
206, 720 : 저주파 고압 발생부
212 : 반응기 214 : GAS 노즐
216, 328 : 처리물 C1, C2 : 전류 충/방전용 콘덴서
C3 : 정전기 방지용 콘덴서 302 : 교류 전원
312 : 상부 전극 314, 326 : 하부 전극
322 : 제 1 상부 전극 324 : 제 2 상부 전극
412, 432, 512, 612, 712 : 상부 전극
414, 514, 714 : 배기용 노즐
416, 436, 516, 616 : 상부 전극 보호 및 지지물
418, 522, 716 : 하부 전극
420, 442, 524, 626 : 하부 전극 보호 및 지지물
422, 444 : 상부 전원 단자 424, 446 : 하부 전원 단자
426, 448 : 처리물 434, 614 : 상부 배기용 노즐
438, 622 : 하부 전극 440, 624 : 하부 배기용 노즐
532 : 배기용 노즐 내부의 용수철 형태
612 : 상부 전극 716a, 716b : 하부 전극
718 : 하부 배기용 노즐 740 : 전원 차단기
750 : 전원 연결 단자 760 : 불소 수지관
770 : 오존 제거 장치 772 : 히터
774 : STS316 관 776 : 온도 센서
778 : FAN 782 : 탄소 필터
784 : 금속망 790 : 외부 배기 펌프
상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은 금속 기재; Ti 와 Ba 를 포함하며 상기 금속 기재 상에 형성되는 금속 산화물층; 및 상기 금속 산화물층 상에 형성되는 Si 산화물층을 포함하는 상압 방전용 전극을 포함한다.
한편, 본 고안은 금속 기재 상에 Ti 와 Ba 를 함침하는 단계; 상기 함침된 Ti 와 Ba 를 소성하여 Ti 와 Ba 의 산화물층을 형성하는 단계; 상기 Ti 와 Ba 의 산화물층 상에 Si 를 함침하는 단계 ; 및 상기 함침된 Si 를 소성하여 Si 산화물층을 형성하는 단계를 포함하는 상압 방전용 전극 형성 방법을 포함한다.
한편, 본 고안은 반응기 내의 제 1 전극 및 제 2 전극에 LF 전원이 인가되어, 상압에서 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 플라즈마가 생성되고, 상기 생성된 플라즈마 사이로 처리물을 통과시킴으로써 처리물을 세정하는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치에 있어서, 상기 제 1 전극은 상기 LF 전원의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되며, 2 개 분리된 양전원 형태이고, 상기 제 2 전극은 상기 LF 전원의 두 단자 중 다른 하나의 단자에 연결되는 것을 특징으로 하는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치을 포함한다.
한편, 본 고안은 반응기 내의 제 1 전극 및 제 2 전극에 LF 전원이 인가되어, 상압에서 상기 제 1 및 제 2 전극 사이에 플라즈마가 생성되고, 상기 생성된 플라즈마 사이로 처리물을 통과시킴으로써 처리물을 세정하는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치에 있어서, 상기 제 1 전극은 상기 LF 전원의 두 단자 중 하나의 단자에 연결되며, 2 개로 분리된 양전원 형태이며, 상기 제 2 전극은 상기 LF 전원의 두 단자 중 다른 하나의 단자에 연결되며, 2 개로 분리된 양전원 형태인 것을 특징으로 하는 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치을 포함한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 보다 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 고안의 상압 방전용 전극에 대한 구조를 나타내는 도면이고, 도 1b는 본 고안의 상압 방전용 전극을 적층하는 과정에 대한 흐름도로서, 도시된 바와 같이, 상압 방전용 전극은 금속전극 (102)에 Ti와 Ba로 이루어진 금속층(104)과 Si층(106)을 차례로 적층하여 이루어진다.
우선, 일반 금속 전극(102) 상에 Ti와 Ba로 이루어진 금속층(104)을 함침한 후 (S102) 고온 소성을 거친 다음 (S104), 다시 Si층을 함침한(S106)후, 고온 소성을 함으로써 (S108) 본 고안에 따른 상압 방전용 전극이 제조된다.
아래의 [표 1]은 종래의 상압 방전용 전극에 사용되는 유전체의 유전율과 본고안의 상압 방전용 전극에 사용되는 유전체의 유전율을 비교한 표이다.
유전체 유전율 기준 주파수
1 유리 4 내지 5 1 KHz
2 석영 7 내지 8 1 KHz
3 Al2O3 6 내지 8 1 KHz
4 Ti+Ba+Si 20 내지 200 1 KHz
상술한 바와 같이 본 고안의 상압 방전용 전극은 그 재질이 Ti, Ba(104), 및 Si(106)로 이루어지는 금속 산화물로서, 1KHz 의 주파수 대역에서 다른 유전체들에 비해 상당히 큰 20 내지 200의 유전율을 가지며, 이에 따라 방전 전압이 저하되어 낮은 전압에서도 방전이 개시되므로 2 차 전자의 발생이 용이하고, 또한 전극 표면의 손상이 저하된다.
즉, 종래의 상압 방전용 전극을 사용하는 경우 유전체 또는 절연체 (유리, 석영 또는 Al2O3) 의 유전율이 낮아서 2 차 전자를 발생하기 위한 여기 전압이 높아지나 (즉, 플라즈마를 발생시키기 위해서는 1 내지 100 KHz 의 주파수에서 1.5 내지 10 KVrms의 전압이 필요), 본 고안의 상압 방전용 전극을 사용하는 경우 (플라즈마를 발생하기 위해 동일한 주파수에서 600V 내지 1.2KV의 전압이 필요)에는 유전율이 증가하여 여기 전압이 낮아지므로, 소비전력이 훨씬 절감된다 (종래의 상압 방전용 전극을 사용하는 경우에 비해 1/10 정도의 수준).
또한, 종래의 상압 방전용 전극은 전극과 유전체 혹은 전극과 절연체 사이의 공기 또는 공정처리 가스에 의하여 유전체 또는 절연체의 절연파괴가 발생하나, 본 고안의 상압 방전용 전극은 고온 소성을 하여 전극을 제조할 때 일반 금속(102) 표면에 Ti, Ba(104) 및, Si(106)을 함침하고 진공용기 내에서 소성함으로써 전극과 유전체 또는 절연체 사이에 공기 또는 기타 공정처리 가스가 취성되어 절연파괴 내력이 증가하게 된다.
또한, 종래의 상압 방전용 전극을 사용하여 생성된 플라즈마의 온도가 50 내지 100℃ 또는 그 이상이 되어 열경화성수지는 처리하기 곤란하고 반응기에 별도의 냉각 장치를 사용해야 하지만, 본 고안의 상압 방전용 전극을 사용하여 생성된 플라즈마의 온도는 30 내지 50℃ 또는 그 이하가 되어 반응기에 별도의 냉각 장치를 설치할 필요가 없다.
또한, 본 고안의 상압 방전용 전극을 사용하는 경우 다량의 2 차 전자가 발생하므로, 공정 (또는 처리) 가스를 소량 사용해도 고밀도의 플라즈마가 발생된다. 즉, 공기만을 사용하여 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
다만, 플라즈마를 발생시키는 과정에서 공기중의 산소가 반응하여 오존(O3) 이 발생할 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2 는 본 고안의 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치에 대한 구성도이다. 본 고안에 따른 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치는 전원(202), 전원(202)으로부터의 전압을 제어하고 주파수를 변환하는 전압 제어 및 주파수 변환부(204), 전압 제어 및 주파수 변환부(204)에 의해 전압 제어되고 주파수 변환된 전원을 이용하여 플라즈마를 발생시키는데 적당한 저주파의 고압 전원을 발생하기 위한 저주파 고압 발생부(206), 플라즈마를 발생하기 위한 반응을 일으키는 상·하부 전극을 포함하는 반응기(212), 반응에 필요한 가스를 공급하는 가스 노즐(214)을 포함하며, 반응기(212)의 상·하부 전극 사이로 처리물(216)이 이동되면서 처리물에 대한 세정이 이루어진다.
또한, 본 고안에 따른 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치는 저주파 고압 발생부(206)에서 제공되는 전압을 보다 효율적으로 사용하기 위한 전류 충/방전용 콘덴서(C1, C2)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 고안에 따른 고밀도 상압 플라즈마 세정 장치는 저주파 고압 발생부(206)의 중심 단자에 연결되어 반응기에서 발생되는 정전기를 제어할 수 있는 정전기 제어용 콘덴서(C3)를 더 포함할 수 있다.
도 3a는 종래의 플라즈마 세정 장치에 사용되는 단전원에 대한 구성도이고, 도 3b는 본 고안에 따른 상압 플라즈마 세정 장치에 사용되는 양전원에 대한 구성도이다.
도 3a에 도시된 종래의 단전원은 교류 전원(302)에서 발생되는 전원에 대해 상부 전극(312)에 양의 파형이 인가되는 경우에만 플라즈마가 발생되므로 교류 전원을 효율적으로 사용할 수 없었다. 이에 비해, 도 3b에 도시된 본 고안에 따른 양전원은 회로상에 전류 충/방전용 콘덴서(C1, C2)를 설치하여 전원측과 동일 파형을 형성시킴으로써, 제 1 상부 전극(322)과 제 2 상부 전극(324)에 전원 전류와 콘덴서의 방전전류가 합해지도록 함으로써, 제 1 상부 전극(322)과 하부 전극(326), 제 2 상부 전극(324)과 하부 전극(326) 사이에 고밀도의 플라즈마가 발생되도록 할 수 있다.
도 4a는 본 고안의 제 1 실시예에 따른 상압 플라즈마 세정 장치의 반응기의 구성도로서 도시된 바와 같이, 제 1 실시예의 반응기는 양전원 형태의 상부전극(412), 반응기 내의 공기를 배기하는 배기용 노즐(414), 상부전극(412)을 보호하고 지지하는 상부전극 보호 및 지지물(416), 단전원 형태의 하부전극(418), 하부전극(418)을 보호하고 지지하는 하부전극 보호 및 지지물(420), 상부전극 (412) 및 하부전극(418)에 전원을 공급하는 상부 및 하부 전원단자(422 및 424) 를 포함한다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 전원단자(422 및 424)에 의해 상부전극 및 하부전극(412 및 418)으로 전원이 공급되면 상부전극(412)과 하부전극(418) 사이에 플라즈마가 발생되고, 발생된 플라즈마 사이로 처리물(426)을 통과시킴으로써 플라즈마에 의한 세정이 수행된다.
플라즈마는 별도의 반응 가스의 공급 없이 외부에서 유입되는 공기를 이용하여 발생되며 유입된 공기는 배기용 노즐을 통해 외부로 배기된다.
양전원 형태로 분리된 상부전극(412) 사이에 배기용 노즐을 배치하여 반응기 내부의 공기를 외부로 배출함으로써 반응시 발생하는 정전기가 감소하며, 이를 통해 고밀도 상압 플라즈마를 이용한 세정을 보다 효율적으로 할 수 있다.
도 4b는 본 고안의 상압 플라즈마 세정 장치의 반응기의 제 2 실시예에 대한 구성도이다.
도 4b에 도시된 반응기는 상부전극(432) 뿐만 아니라 하부전극(438)도 양전원 형태이고 양전원 형태의 하부전극(438) 사이에도 배기용 노즐(440)이 배치되며,전극의 형태가 평평한 플레이트 형태가 아닌 원형이라는 점을 제외하고는 도 4a에 도시된 반응기와 동일하다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 하부전극(438)도 양전원 형태이고, 또한 양전도 6a 및 도 6b는 본 고안의 상압 플라즈마 세정 장치의 반응기의 제 2 실시예에서의 상부전극 및 하부전극에 대한 구성도로서 도시된 바와 같이, 제 2 실시예에서의 상부전극 및 하부전극은 전극의 형태가 원형이라는 점 이외에 제 1 실시예에서의 상부전극 및 하부전극과 그 구성이 동일하며, 배기용 노즐(614, 624)도, 제 1 실시예에서의 배기용 노즐과 같이 동일한 용수철 구조로 이루어진다.
도 7a는 본 고안의 상압 플라즈마 세정 장치의 제 3 실시예에 대한 구성도로서 도시된 바와 같이, 본 고안의 제 3 실시예에서는 고밀도 상압 플라즈마를 발생할 때 불가피하게 생성되는 오존(O3)을 제거하기 위한 오존 제거장치를 더 포함하고 있다.
본 고안에서는 오존을 20 내지 25℃의 온도로 처리하여 오존을 분해하는 열처리 분해 방법을 이용하여 오존을 분해한다.
오존 제거장치(770)는 용수철 형태로 이루어지며 오존이 포함된 반응 공기가 흘러가도록 함으로써 열처리가 이루어지도록 하는 열처리용 관(774), 20 내지 25 ℃의 온도로 열처리하기 위해 가열하는 히터(772), 열처리 온도를 감지하는 온도 센서(776), 적절한 열처리 온도를 유지하기 위한 FAN(778)을 포함하며, 일 실시예로 열처리용 관(774)은 STS316관이 사용될 수 있다.
플라즈마를 발생시키기 위해 사용된 공기는 배기용 노즐(714)에 연결된 불소수지관(760)을 통해 오존 제거장치(770)의 열처리용 관(774)으로 들어오게 된다. 열처리용 관(774)으로 들어온 공기는 히터(772)에 의해 가열되고 FAN(778)에 의해 적적한 열처리 온도(20 내지 25℃)로 조정된 열풍에 의해 열처리 되어 공기중에 포함된 오존이 완전 분해된다.
온도 센서(776)는 열처리되는 온도를 감지하여 적적한 열처리 온도(20 내지 25℃)를 유지하도록 하기 위해 사용된다.
오존 제거장치(770)에 의해 오존이 제거된 공기는 탄소 필터(782) 및 금속망 (784)을 거치면서 Nox 가 제거된 후 외부 배기 펌프(790)에 의해 배출된다.
도 7b는 본 고안의 상압 플라즈마 세정 장치의 제 4 실시예에 대한 구성도로, 상부 및 하부 배기용 노즐(714 및 718)로부터 배출되는 공기가 오존 제거 장치(770)로 들어오는 점 이외에 제 3 실시예의 오존 제거 장치(770)와 동일하게 동작한다.
실시예
본 고안을 이용하여 실험한 결과가 아래의 [표 2]에 나타나 있다.
본 실시예에서는 종래의 He 과 산소가 포함된 반응 가스를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 경우와 본 고안에 따라 플라즈마를 발생시키는 경우를 비교하였다. 처리물로는 PTFE, 유리, PET, 그리고 Cu를 사용하였다.
[표 2]에 나타난 바와 같이, 종래의 방법에는 10KHz, 5KV의 전원이 사용된 것에 비해 본 고안에서는 800Hz, 1.2KV의 낮은 주파수, 낮은 전압의 전원을 사용하여도 고밀도의 플라즈마가 발생함을 알 수 있다.
또한, 소비전력도 1/5 정도 감소함을 알 수 있다.
본 고안은 높은 유전율의 유전체를 갖는 방전 전극을 사용하여 낮은 전압, 낮은 주파수에서도 다량의 2차 전자를 방출함으로써 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과가 있으며, 별도의 반응 가스 없이 공기만을 이용해서도 고밀도의 플라즈마를 발생시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 고안은 방전용 전극 중 적어도 하나의 전극이 2개로 분리된 양극형 구조이고 분리된 양전극 사이에 배기 장치를 설치하여 플라즈마 발생에 이용되는 반응 공기를 배기할 수 있으며, 더불어 다른 하나의 전극에 정전기 방지용 콘덴서를 설치함으로써 정전기를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 고안의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 고안은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 본 고안의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형이 가능함은 물론이고, 그와 같은 변형은 본 고안의 실용신안등록청구범위 내에 있을 것이다.

Claims (1)

  1. 금속 기재;
    Ti 와 Ba 를 포함하며 상기 금속 기재 상에 형성되는 금속 산화물층; 및
    상기 금속 산화물층 상에 형성되는 Si 산화물층을 포함하는 상압 방전용 전극.
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