KR20040020589A - 플라즈마 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로서, 밑면이 반경 R의 배면 구조를 가지고 윗면에는 플라즈마 생성 시 발생되는 열을 방출시키기 위한 방열판 구조를 가지는 배면 전극과 상기 배면전극의 배면구조에 부착될 수 있는 유전체와, 유전체와 대향되는 부분에 상대 전극을 배치하여 상기 유전체와 상기 상대 전극 사이에서 플라즈마를 발생토록 하는 장치로서, 일체형으로 대면적 플라즈마 발생 장치가 가능하고, 플라즈마 발생 면적을 자유로이 조절할 수 있으며, 플라즈마의 균일도가 향상되며, 비교적 구조가 간단하고 저비용으로 상용성을 가지는 플라즈마 발생장치를 제작할 수 있으며, 또한 이의 보수 유지도 용이하게 할 수 있다. 또한, 전압 및 기체 유입량을 조절함으로서 플라즈마 발생 면적을 자유로이 변화시킬 수 있어 다양한 기판 처리 조건을 만족시킬 수 있다.

Description

플라즈마 발생장치{PLASMA DISCHARGE DEVICE}

본 발명은 배면 구조의 유전체 장벽에 교류 전원을 가하여 저온 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.

플라즈마란 제4의 물질상태로 외부에서 가해진 전기장 등에 의해 생성된 이온, 전자, 라디칼 등과 중성입자로 구성되어 거시적으로 전기적 중성을 이루고 있는 물질상태이며, 이러한 플라즈마 내의 이온, 전자, 라디칼 등을 이용하여 재료의 표면 개질, 에칭, 코팅 또는 살균, 소독, 오존 생성, 염색, 폐수 및 수돗물 정화, 공기 정화, 고 휘도 램프 등의 분야에 널리 쓰이고 있다.

이러한 플라즈마는 발생 압력에 따라 저압(수 mmTorr ∼ 수십 Torr) 플라즈마와 상압(수 십 Torr ∼ 760 Torr) 플라즈마로 구분할 수 있다.

이중 저압 플라즈마는 플라즈마의 생성이 용이하나 저압의 상태를 유지하기 위한 진공 챔버, 배기 장치 등의 비용이 고가이며, 배치 타입(batch type)의 제품 투입 방식으로 인해 대량 처리에 한계가 있다. 반면에 대기압 플라즈마는 대기압 (760 Torr) 상태에서 플라즈마를 생성시키므로 고비용의 진공 시스템이 필요하지 않고, 연속 공정이 가능하여 대량 생산에 많은 이점이 있다.

대기압에서 아크 방전을 억제시키면서 플라즈마를 발생시키는 방법으로 AC 배리어(barrier) 타입 (T, Yokoyama, M. Kogoma, T. Moriwaki, and S. Okazaki, J. Phys. D : Appl. Phys. V23, p1125 (1990)), (John R. Roth, Peter P. Tsai, Chaoyu Lin, Mouuir Laroussi, Paul D. Spence, "Steady-state, Glow discharge plasma", US patent 5,387,842 (Feb. 7, 1995), "One Atmosphere, Uniform Glow discharge plasma", US patent 5,414,324 (May 9, 1995)),이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

평판 유전체를 사용하는 AC 배리어 타입은 적절한 전극 간격을 가지는 상, 하 전극 양면 또는 일면에 아크 방전을 억제하는 알루미나 등의 세라믹 유전체를 삽입하고 고압 AC 또는 DC pulse 전압을 가하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 방법이다. 하지만, 유전체로 세라믹 등을 이용하므로 열에 약한 단점을 가진다. 즉, 세라믹 유전체의 면적이 커지면 플라즈마 발생에 따른 국부적인 열차이로 인해 세라믹에 균열이 생기며 파괴된다. 따라서 작은 크기의 전극에 작은 세라믹 유전체로 감싸서 사용되고 있으며 대면적을 위하여 이와 같은 각각의 작은 유전체 전극들을 수십개 직병렬로 겹쳐서 사용되고 있다. 좁은 전극 간격을 유지하면서 상, 하 전극에 장착하기 위해서는 특수한 구조 고안이 필요하여 이에 따른 세라믹 가공이 어렵고 또한 가공비용도 고가이며 수십 개의 전극을 부착하여야 하는 번거로움 등이 있다. 또한 전극의 끝부분 (edge)에서 강한 플라즈마가 발생하여 플라즈마의 균일성을 나쁘게 하는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 배면으로 가공된 전도체와 탄성을 가지는 유전체를 이용하여 비교적 구조가 간단하고 저비용의 상용성을 가지는 대면적 플라즈마 발생장치를 제공함에 있다.

도 1a 내지 도 1b는 배면구조를 가지는 플라즈마 발생장치 기본도로써,

도 1a는 배면구조를 가지는 플라즈마 발생장치의 측단면도,

도 1b는 가스 분배기의 단면도 및 측면도,

도 2a 내지 도 2b는 배면구조를 가지는 다양한 구조의 플라즈마 발생장치 도면,

도 2a는 유전체 직물로 보호되는 배면구조의 플라즈마 발생 장치도,

도 2b는 배면 전극이 노출된 플라즈마 발생 장치도,

도 3a 내지 도 3b는 가해준 전압 크기에 따른 플라즈마 발생 모습을 나타낸 도면,

도 3a는 저전압이 인가될 때의 플라즈마 발생 모습을 나타낸 도면,

도 3b는 고전압이 인가될 때의 플라즈마 발생 모습을 나타낸 도면,

도 4는 기판을 연속적으로 처리하는 플라즈마 처리 시스템의 기판 진행방향에서 본 실제 플라즈마 발생 모습

[도면의 주요 부호에 대한 설명]

1 ; 반경 R의 배면 구조를 가지는 방열판 구조의 배면 전극

2 ; 유전체2a ; 유전체 직물

3 ; 지지대 및 가스 분배기3a ; 1차 가스 챔버

3b ; 2차 가스 챔버3c ; 3차 가스 챔버

3d ; 노즐3e ; 유전체 지지홈

4 ; 고정나사5 ; 상대전극

6 ; 시편7 ; 스프링

8a, 8b ; 플라즈마9 ; 자석

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 발생장치는, 밑면이 직경 R의 배면구조로 되어 있으며 위쪽은 열을 방출하기 위한 방열판 구조로 되어 있는 배면 전극과 아크 방전 억제를 위한 유전체로 배면 전극의 배면구조에 부착될 수 있도록 운모와 같이 탄성을 가지는 유전체로 구성되며, 유전체와 대향되는 부분에 상대 전극을 위치하며, 유전체와 상대 전극 사이에 작업 가스를 유입시키면서 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1a는 실시예로 본 발명의 전극 구조를 사용한 대기압 플라즈마 발생장치의 단면을 나타낸 도면이다. 도 1a를 참조하여 설명하면 밑면이 반경 R의 배면 구조를 가지고 윗면에는 플라즈마 생성 시 발생되는 열을 방출시키기 위한 방열판 구조를 가지며 AC 또는 DC pulse 전압이 가해지는 배면 전극(1)과, 상기 배면 전극의 배면구조에 밀착될 수 있도록 탄성을 가지는 유전체(2)와, 상기 유전체(2)를 고정시키기 위한 홈(3e)이 형성되어 있고 방전 전극 사이로 플라즈마 발생 기체를 유입시키기 위한 노즐(3d)이 양측 또는 일측에 형성되어 있으며 균일한 기체 유입을 위하여 제 1 가스 챔버(3a), 제 2 가스 챔버(3b), 제 3 가스 챔버(3c)로 구성되는 가스 분배기가 지지대(3) 안에 구성되어 있다. 고정나사(4)를 통해 배면 전극(1)에 결합되는 지지대(3)와, 유전체(2)와 상대 전극(5) 사이에 시편(6)을 포함하여 구성되어져 있다. 이때, 상기 고정나사(4)는 거리 및 상하 조절이 가능하여 상기 유전체의 휨 정도를 조정할 수 있어 다양한 반경을 가지는 배면 전극에도 밀착이 가능하다. 상기 유전체의 재질로는 인공운모, 천연운모, 유전체 직물, 폴리머 등의 탄성을 가지는 유전체 등을 사용할 수 있다. 자석(9)의 역할은 작업 가스를 흘려줄 때 Diffuse 플라즈마의 생성을 다소 향상시킨다.

반경 R의 배면을 주어야하는 이유로는, 만일 반경 R의 배면이 없는 일반적인 평평한 전극에서 보통 세라믹 유전체를 사용하는데 면적이 크면 열에 의해 쉽게 깨져 사용할 수가 없게 된다. 평평한 탄성의 유전체를 사용하면 플라즈마가 발생되는 면은 온도가 상승하여 유전체가 휘어져 시편과 맞다아 가운데 부분은 플라즈마가발생하지 못하게 된다. 따라서 반경 R의 배면을 형성함으로서 탄성의 유전체가 열에 의해 만곡 되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 대기압 플라즈마 발생장치에서 배면 전극(1)에 반경 R의 배면을 줌으로서 발생되는 장점은 다음과 같다. 첫 번째로는, 탄성을 갖는 유전체를 사용할 수 있어 일체형으로 대면적 플라즈마 발생 장치가 가능하다는 것이다. 탄성을 갖는 유전체를 사용함으로서 대면적에서 열에 의한 유전체 파괴가 없다. 두 번째로는, 인가 전압을 조절하여 플라즈마 발생 면적을 자유로이 조절할 수 있다. 세 번째로는, 배면구조에 따른 가스의 유입이 용이하며 부드러운 가스 흐름으로 Diffuse 플라즈마를 유도하여 플라즈마 균일도를 향상시킬 수 있다. 네 번째로는, 보통의 평판 전극에서는 끝 부분 (edge)에서 비균일 전기장에 의해 강한 플라즈마가 발생되는데, 배면을 줌으로서 이 문제를 해결할 수 있다. 다섯 번째로는, 인공운모와 같은 저비용의 탄성 유전체를 사용하므로 낮은 비용으로 대면적 대기압 플라즈마 발생장치 제작이 가능하다. 여섯 번째로는 유전체의 장착 구조가 비교적 간단하여 유전체 가공에 소요되는 비용이 없으며 유전체 판에 손상이 발생한 경우, 용이하고도 신속하게 설비의 수리가 가능하다. 따라서 장비 유지 관리에 소요되는 시간과 노동력을 저감시킬 수 있다.

도 1b는 지지대 및 가스 분배기(3)의 단면 및 측면도를 나타낸 것이다. 3 중의 가스 챔버에 의해 고른 가스 공급을 제공한다. 구성은 1차 가스 챔버(3a)에 2차 가스 챔버(3b)가 연결되고 여기에 3차 가스 챔버(3c)가 연결되며, 3차가스챔버(3c)내부에 다수의 노즐(3d)로 구성된다.

도 2a는 도 1과 같은 구조에서 탄성의 유전체(2) 위에 유전체 직물(2a)을 감싸 않은 구조이다. 유전체 직물(2a)의 역할은 인조운모와 같은 탄성 유전체를 사용할 때 발생되는 입자를 방지할 수 있으며 탄성 유전체의 수명을 반영구적으로 사용할 수 있게 해준다. 도 2b는 비 전도성 시편에 적용되는 구조로 배면 전극(1)과 시편(6) 사이에 플라즈마가 발생하여 시편을 처리하는 구조이다.

도 3a와 도 3b는 각각 다른 전압을 인가하였을 때의 플라즈마 발생모습을 보여주고 있다. HV1 보다 더 높은 전압의 HV2를 가해주면 상대 전극(5)과의 거리가 먼 곳에서도 플라즈마가 발생되어 더 넓은 면적의 플라즈마(8b)를 생성시킬 수 있다. 즉 인가 전압을 조절하여 플라즈마 발생 면적을 임의로 조절 가능하여 다양한 시편을 처리할 수 있는 장점이 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생 사진이다. 시편을 연속적으로 처리하는 대기압 플라즈마 처리 시스템의 사진으로 시편의 종류에 상관없이 전도성 비전도성 등의 모든 물질을 처리할 수 있다.

본 발명에서 전원장치의 주파수는 50 Hz ∼ 900 MHz의 정현파, 구형파, 톱니파 등의 AC 또는 DC pulse 전압을 사용하며, 가능한 모든 가스를 사용할 수 있다.

기판 처리시간은 배면 전극에서 배면의 반경, 전압의 크기, 기체 유입량을 조절하여 플라즈마 발생 면적을 변화시키거나, 시편 속도 등을 변화시켜 자유로이 변화시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 핵심은 열에 강한 탄성 유전체의 사용과 배면 전극이다. 따라서 열에 강한 탄성 유전체는 상기한 바와 같이 인조운모, 천연 운모, 테프론등과 같은 폴리머등이 있다. 인조운모는 상술한 바와 같이 입자가 발생되는 문제가 있으며, 천연운모는 대면적을 구하기 쉽지 않은 단점을 가지고 있고, 폴리머 유전체는 내구성이 약한 단점등이 있다. 따라서 본 발명에 적합한 탄성 유전체의 제조 방법을 제안하고자 한다. 유리 섬유로 만들어진 직물과 세라믹 접착제를 사용하여 유리 섬유 직물에 세라믹 접착제를 발라 유리 섬유 직물 내부의 공극(void)을 메꾸고 그 위에 유리섬유 직물을 쌓는 방식으로 열에 강한 탄성 유전체를 제작한다. 즉, 세라믹 접착제는 유리섬유 직물의 내부 공극을 메꾸며 유리섬유 직물간에 접착제 역할을 원하는 두께로 열에 강한 탄성 유전체를 만들 수 있다.

본 발명의 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 특허 청구 범위와 같은 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 대기압 플라즈마 처리장치는, 배면으로 가공된 전도체와 탄성을 가지는 유전체를 이용하여 비교적 구조가 간단하고 저비용으로 상용성을 가지는 대면적의 대기압 플라즈마 발생장치를 제작할 수 있으며, 또한 이의 보수 유지도 용이하게 할 수 있다. 또한, 배면 전극의 배면의 반경, 전압의 크기, 기체 유입량을 조절하여 플라즈마 발생 면적을 자유로이 변화시킬 수 있어 다양한 기판 처리 조건을 만족시킬 수 있다.

Claims (16)

1. 밑면이 일정 곡률로 라운드지도록 형성되는 상부 전극인 배면 전극과, 상기 배면 전극과 대향되는 위치에 상대 전극을 배치하여, 상기 상기 배면 전극과 상대 전극 사이에 소정의 시편을 개제시켜 상기 배면 전극과 시편 사이에서 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 플라즈마 발생장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 배면 전극과 상대 전극 사이에 유전체를 위치시키고, 상기 유전체와 상기 상대 전극 또는 배면 전극과 유전체 사이에서 플라즈마를 발생시킴을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 시편은 상기 유전체와 상대 전극 또는 배면 전극과 유전체 사이에 위치시킴을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 유전체와 상대 전극 사이에 유전체 직물을 위치시킴을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 유전체는 합성운모, 천연운모, 폴리머, 세라믹 유전체 중 어느 하나 또는 적어도 둘 이상의 복합 소재로 이루어짐을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
6. 제 2항에 있어서,

   상기 유전체의 두께는 0.01 ~ 20 nm의 범위에 있도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
7. 제 2항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 유전체는 적어도 상기 배면 전극의 밑면으로 형성되는 곡률만큼 휘어질 수 있도록 탄성을 갖게 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 배면 전극의 상부는 플라즈마 생성시 발생되는 열을 방출시키기 위한 방열 구조를 갖도록 형성함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 작업 압력은 1 ~ 1520 Torr의 범위에 있도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
10. 제 2항에 있어서,

    유전체와 상대 전극 또는 배면 전극과 유전체 사이에 작업 가스를 공급함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 작업 가스로는 공기, 수증기(H₂O), 산소(O₂), 질소(N₂), 수소(H₂), 아르곤(Ar), 헬륨(He), 크세논(Xe), 메탄(CH₄), 암모니아(NH₃). CF₄, 아세틸렌(C₂H₂), 프로판(C₃H₈), 금속 유기체, 불소 계열의 가스 중 하나 또는 그 이상의 혼합 가스를 사용함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 작업 가스의 유량은 1 sccm ~ 500 slm의 범위내에 있도록 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
13. 제 1 항에 있어서,

    상기 배면 전극과 상대 전극에 모든 AC 또는 DC 전원을 인가함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
14. 제 1 항에 있어서,

    상기 배면 전극 또는 상대 전극의 상부 또는 하부에 영구 자석 또는 전자석을 위치하도록 하여 플라즈마내에 자기장이 존재하게 함을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
15. 제 2 항에 있어서,

    상기 유전체는 유리섬유로 만들어진 직물과 세라믹 접착제를 사용하여 유리섬유 직물에 세라믹 접착제를 발라 유리섬유 직물을 적층하는 방식으로 만들어진탄성 유전체임을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
16. 제 1 항에 있어서,

    상기 배면전극은 배면이 하부로 돌출되는 곡형으로 형성됨을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.