KR20040026776A - Plasma processing apparatus applying coil type electrode - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 내부전극과 외부전극의 구조와 형태를 기존의 단순한 봉 형태에서 코일형을 포함하는 다양한 형태로 설계하여 적용한 대기압 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.The present invention relates to an atmospheric pressure plasma processing apparatus using a coil type electrode structure, and more particularly, to an atmospheric pressure plasma processing apparatus using a dielectric film discharge, in which the structure and shape of the internal electrode and the external electrode are changed from the conventional simple rod type to the coil type. It relates to an atmospheric pressure plasma processing apparatus designed and applied in various forms, including.
종래의 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 장치는 미국 특허 제 6,429,400호에 개시된 것과 같이 유전체를 사이에 둔 봉 또는 튜브 중의 어느 하나의 형태를 가진 두 개의 전극사이에 수십Hz ∼ 수십 MHz의 주파수를 가진 전원을 인가하여 방전을 일으키는 방법에 의한 것이었다. 도 1은 상기의 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극구조를 나타낸 단면도로서, 봉형태의 내부전극(1)과 외부전극(2) 사이에 유전체(3)가 있어 유전막 방전에 의한 플라즈마를 생성하는 전극 구조이다.The conventional atmospheric pressure plasma apparatus using a dielectric film discharge is a power source having a frequency of several tens Hz to several tens of MHz between two electrodes having either of a rod or tube sandwiched between dielectrics as disclosed in US Pat. No. 6,429,400. It was by the method of applying and generating a discharge. 1 is a cross-sectional view illustrating an electrode structure of an atmospheric pressure plasma processing apparatus using the dielectric film discharge, wherein a dielectric 3 is disposed between the rod-shaped inner electrode 1 and the outer electrode 2 to generate plasma due to the dielectric film discharge. It is an electrode structure.
그러나, 상기와 같이 봉 또는 튜브 중의 어느 하나의 형태를 가지는 전극이 장입된 종래의 대기압 플라즈마 장치는 플라즈마 방전 공간에 형성되는 전기장의 에너지가 약해서 기체의 유속을 이용하여 플라즈마를 분사시키더라도 전극에서부터 수 mm 이상을 분사시키기가 어렵다는 문제점이 있었다.However, in the conventional atmospheric plasma apparatus in which the electrode having any one of rod or tube type is loaded as described above, even if the energy of the electric field formed in the plasma discharge space is weak, the plasma can be injected using the gas flow rate. There was a problem that it is difficult to spray more than mm.
또한, 상기의 문제점을 해결하기 위해서는 전극에 인가되는 전압을 높이거나 내부전극과 외부전극간의 간격을 좁히는 방법 중의 어느 하나를 사용해야 하는데, 미국 특허 제 5,414,324호에는 대기압에서 플라즈마를 형성시키기 위한 장치로서 1-5kV, 1-100kHz로 전원을 가변할 때의 가스 조성, 전극간 간격에 따른 방전에 대한 연구를 수행한 바 있다. 그러나 전압을 높이게 되면 전력소모량이 커지므로 대용량의 피처리물을 처리할 경우에는 실질적으로 구현자체가 어렵고, 전극간의 간격을 좁히게 되면 높은 전류에 의한 전극손상과 고열을 수반하는 아크로의 전이가 일어나기 쉬운 문제점이 있다.In addition, in order to solve the above problems, one of a method of increasing the voltage applied to the electrode or narrowing the gap between the internal electrode and the external electrode should be used. US Pat. No. 5,414,324 is a device for forming a plasma at atmospheric pressure. We have studied the gas composition and the discharge according to the distance between electrodes when the power is changed to -5kV, 1-100kHz. However, if the voltage is increased, the power consumption increases, so it is practically difficult to implement itself when processing a large-capacity object, and when the gap between the electrodes is narrowed, electrode damage due to high current and transition to arc with high heat occur. There is an easy issue.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유전막 방전에 의한 플라즈마 처리장치의 내부전극과 외부전극의 구조를 코일형으로 설계함으로써 패러데이의 전자기 유도법칙(Faraday's Law of Induction)에 의하여 방전 공간에 형성되는 전기장의 세기가 극대화될 수 있도록 함으로써 추가적인 전력소모 없이 높은 밀도의 플라즈마가 형성될 수 있도록 하는 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve all the disadvantages and problems of the prior art as described above, Faraday's electromagnetic induction law (Faraday's Law) by designing the structure of the internal electrode and the external electrode of the plasma processing apparatus by the dielectric film discharge coil SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an atmospheric pressure plasma processing apparatus using a coil type electrode structure in which a high density plasma can be formed without additional power consumption by allowing the strength of an electric field formed in a discharge space to be maximized. There is this.
도 1은 종래의 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극구조를 나타낸 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the electrode structure of the conventional atmospheric pressure plasma processing apparatus using a dielectric film discharge.
도 2는 본 발명에 따른 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극 구조를 나타낸 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the electrode structure of the atmospheric pressure plasma processing apparatus using the coil-type electrode structure according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 전극 구조의 변형 예를 도시한 것으로서, 내부전극과 외부전극이 모두 코일형일 때의 대기압 플라즈마 처리장치의 전극 구조를 나타낸 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating an electrode structure of the atmospheric pressure plasma processing apparatus when the internal electrode and the external electrode are both coiled, showing a modified example of the electrode structure according to the present invention.
((도면의 주요부분에 대한 부호의 설명))((Explanation of symbols for main parts of drawing))
3. 유전체 4. 내부전극3. Dielectric 4. Internal Electrode
5. 외부전극 6. 세라믹 실딩(shielding)5. External Electrode 6. Ceramic Shielding
7. 코일형 내부전극7. Coil type internal electrode
본 발명의 상기 목적은 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 장치의 전극구조를 변형 설계하여 이루어진 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 의해 달성된다.The above object of the present invention is achieved by an atmospheric pressure plasma processing apparatus using a coil type electrode structure formed by modifying the electrode structure of the atmospheric pressure plasma apparatus using dielectric film discharge.
본 발명의 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 내부전극과 외부전극의 형태와 구조를 코일형을 포함하도록 설계하여 방전 공간에 코일형의 전극으로 인한 유도자기장이 형성되도록 하여 전기장의 세기가 극대화되도록 함으로써 전력의 소모를 현저히 줄이고, 방전이 어려운 기체를 효과적으로 분해하여 우수한 특성의 플라즈마가 분사될 수 있도록 한다.Atmospheric pressure plasma processing apparatus using the coil-type electrode structure of the present invention, in the atmospheric pressure plasma processing apparatus using a dielectric film discharge, the shape and structure of the internal electrode and the external electrode is designed to include a coil type coil electrode in the discharge space Induced magnetic field is formed to maximize the strength of the electric field to significantly reduce the consumption of power, effectively decompose the gas difficult to discharge plasma can be sprayed with excellent characteristics.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.Details of the above object and technical configuration of the present invention and the effects thereof according to the present invention will be more clearly understood by the following detailed description with reference to the drawings showing preferred embodiments of the present invention.
먼저, 도 2는 본 발명에 의해 코일형 전극 구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치의 전극구조를 나타낸 단면도이다.First, Figure 2 is a cross-sectional view showing the electrode structure of the atmospheric pressure plasma processing apparatus using a coil type electrode structure according to the present invention.
내부전극을 둘러싸도록 구비된 외부전극; 상기 내부전극과 외부전극이 전기적으로 절연되도록 내부전극과 외부전극 사이에 배치된 유전체; 상기 내부전극과 외부전극 사이에 형성된 방전공간에 가스를 공급하기 위한 가스 공급수단; 및 상기 전극에 AC전압을 인가하기 위한 AC 전원을 포함하는 유전막 방전을 이용한 대기압 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 외부전극(5)이 코일 형태로 이루어진 것을 특징으로 하며, 내부전극(4)은 일자형의 봉형태, 코일형태, 망형태, 또는 끝부분이 부채꼴이거나 링모양의 형태, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나의 형상을 가지며, 그 말단부에 아크가 발생하는 것을 막기 위하여 세라믹 실딩(shielding)(6)이 된 것을 특징으로 한다. 여기에서 내부전극(4)에 전압을 인가하는 AC전원이 연결되고 외부전극에 접지되거나 내부전극과 외부전극의 극성을 바꿀 수도 있으며 전원공급장치에 따라서는 두 전극 모두에 고전압을 인가할 수도 있다. 즉, 내부전극과 외부전극 중 어느 한 쪽을 고전압(±)으로 인가시키고 다른 한 쪽을 접지시키거나, 내부전극과 외부전극 어느 한 쪽에 +전극을 인가시킨다면 다른 한 쪽에는 -전극을 인가시킨다.An external electrode provided to surround the internal electrode; A dielectric disposed between the inner electrode and the outer electrode to electrically insulate the inner electrode and the outer electrode; Gas supply means for supplying gas to a discharge space formed between the inner electrode and the outer electrode; And an atmospheric pressure plasma processing apparatus using a dielectric film discharge including an AC power source for applying an AC voltage to the electrode, wherein the external electrode 5 has a coil shape, and the internal electrode 4 has a straight shape. Rods, coils, nets, or any one of the ends, fan-shaped, ring-shaped, multi-arranged needle-like, and ceramic shielding (6) to prevent arcing at its ends; It is characterized by that). Here, an AC power source for applying a voltage to the internal electrode 4 may be connected and grounded to the external electrode, or the polarity of the internal electrode and the external electrode may be changed, and a high voltage may be applied to both electrodes depending on the power supply. That is, if one of the internal electrode and the external electrode is applied at high voltage (±) and the other is grounded, or if the + electrode is applied to either the internal electrode and the external electrode, the-electrode is applied to the other side.
이 때 상기의 내부전극(4)과 외부전극(5)은 금속을 포함하는 전도성 물질로 하는데, 내부전극(4)은 방전이 쉽게 이루어질 수 있도록 금속표면에서 2차 전자(secondary electron)의 방출이 많은 백금(Pt), 텅스텐(W) 또는 은(Ag) 중의 어느 하나의 재질로 구성되거나 이러한 재질로 도금된 재질이 사용되며, 내부전극(4)의 직경은 유전체의 내부 직경보다 작은 0.1∼100mm로 한다.At this time, the inner electrode 4 and the outer electrode 5 are made of a conductive material containing a metal, the inner electrode 4 is the emission of secondary electrons (secondary electron) from the metal surface to facilitate discharge A material composed of or plated with any one of many platinum (Pt), tungsten (W) or silver (Ag) is used, and the diameter of the internal electrode 4 is 0.1 to 100 mm smaller than the internal diameter of the dielectric. Shall be.
또한 외부전극(5)은 전도성 물질로서 내식성이 강한 알루미늄(Al), 스테인레스 강(STS), 티타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 텅스텐(W), 백금(Pt) 중의 어느 하나의 재질이거나 이들의 합금, 부도체의 피복으로 덮여있는 것 중의 어느 하나를 포함하여 이루어진 와이어를 코일 형태로 감아서 사용한다. 이 때의 와이어의 직경는 0.1∼10mm이며, 이웃하는 코일간의 거리는 3mm 이내로 한다.In addition, the external electrode 5 is a conductive material having high corrosion resistance aluminum (Al), stainless steel (STS), titanium (Ti), nickel (Ni), chromium (Cr), copper (Cu), tungsten (W), platinum A wire made of any one of (Pt), or any one of these alloys and those covered with an insulator coating is wound and used in the form of a coil. The diameter of the wire at this time is 0.1-10 mm, and the distance between adjacent coils shall be 3 mm or less.
유전체(3)는 유전상수가 높은 산화물 계열의 세라믹인 MgO, Al2O3, TiO2, SiO2중의 어느 하나의 재질로 한다.The dielectric material 3 is made of any one of MgO, Al 2 O 3 , TiO 2 , and SiO 2 , which are oxide-based ceramics having a high dielectric constant.
상기의 가스공급부로 공급되는 가스는 플라즈마를 원하는 곳까지 분사하기 위해서 공급하게 되는데, 분사관의 내부 직경은 가스의 종류 및 유량에 따라 달라지며 0.5∼100mm, 두께는 20mm 이내로 한다. 반응가스는 표면개질, Si 에칭, 포토 레지스트 에칭, 살균, 필름 증착 중의 어느 한 가지 용도를 가진 플라즈마 처리 장치가 어떤 용도에 사용되느냐에 따라서 N2, O2, H2O, He, Ar, CO2, CO, H2, NH3, CF4, C2F6, Air, CH4, C2H6중의 어느 한 가지의 기체를 사용하게 되는데, 예를 들어 친수처리(hydrophilic)시에는 N2, O2, He, Ar 등이 사용되며, 소수처리(hydrophobic) 시에는 CH4, C2F6와 같은 기체가 사용된다.The gas supplied to the gas supply part is supplied to inject the plasma to a desired place. The inner diameter of the injection tube varies depending on the type and flow rate of the gas and is within a range of 0.5 to 100 mm and a thickness of 20 mm. The reaction gas may be N 2 , O 2 , H 2 O, He, Ar, or CO depending on which type of plasma processing apparatus is used for any one of surface modification, Si etching, photoresist etching, sterilization, and film deposition. 2 , CO, H 2 , NH 3 , CF 4 , C 2 F 6 , Air, CH 4 , C 2 H 6 gas is used, for example, in hydrophilic N 2 , O 2 , He, Ar, etc. are used, and in hydrophobic treatment, a gas such as CH 4 , C 2 F 6 is used.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의한 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 코일 형태의 전극에 고주파수, 고전압이 인가되어 두 전극 사이에 발생하는 전기장(Electric field)에 추가적으로 패러데이의 전자기 유도법칙(Faraday's Law of Induction)에 의한 유도자기장이 발생하게 된다.Atmospheric pressure plasma processing apparatus using the coil-type electrode structure according to the present invention having the above configuration is Faraday's electromagnetic induction law in addition to the electric field generated between the two electrodes by applying a high frequency, high voltage to the coil-shaped electrode Induced magnetic field is generated by Faraday's Law of Induction.
이 때 전원은 주파수가 10∼수GHz의 범위를 가지는 AC로 공급하고, 좀 더 양호하게는 1kHz∼수십 MHz가 사용된다. 그리고, 가스 공급부에서 유입된 가스는 분사관 내에서 방전이 되고, 이 때 생성된 플라즈마는 분사관을 통하여 대기 중으로 분사된다.At this time, the power supply is supplied to AC having a frequency in the range of 10 to several GHz, and more preferably, 1 kHz to several tens of MHz is used. In addition, the gas introduced from the gas supply part is discharged in the injection tube, and the generated plasma is injected into the atmosphere through the injection tube.
도 3은 상기의 내부전극을 코일형태로 변형하여 내부전극(7) 및 외부전극(5)이 모두 코일형의 전극일 경우의 실시예를 나타내고 있다. 또한 이와 같이 내부전극(7)이 코일형태인 실시예에 국한되지 아니하고, 상기에서 기술된 것과 같이 내부전극이 봉형태, 망형태, 또는 끝부분이 부채꼴이거나 링모양, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나의 형상을 가지는 경우를 모두 적용할 수 있다.FIG. 3 shows an embodiment in which the inner electrode 7 is transformed into a coil shape and both the inner electrode 7 and the outer electrode 5 are coil-shaped electrodes. In addition, the internal electrode 7 is not limited to the embodiment in which the coil is formed as described above, and as described above, the internal electrode may be in the form of a rod, a network, or a fan, a ring, or a multi-array acicular shape. All cases having one shape can be applied.
따라서, 본 발명의 코일형 전극구조를 이용한 대기압 플라즈마 처리장치는 전극의 구조를 코일형을 포함하도록 설계하여 플라즈마 방전에서 발생되는 전기장(Electric field)에 추가적으로 유도자기장이 발생하게 되므로 방전공간에 형성되는 전기장의 세기가 극대화되도록 함으로써 전력의 소모를 현저하게 줄이고, 높은 밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 내부전극의 끝부분의 형태를 방사상의 형태로 적용시킬 때 피처리물의 처리면적을 넓힐 수 있고, 봉형태, 코일형태, 망형태, 링형태, 다중배열된 침상형태 중의 어느 하나의 형상을 가지는 내부전극을 적용시킬 때 유전막 방전에 의한 플라즈마 발생 효과 뿐만 아니라 유도형 방전효과까지 얻을 수 있으며, 끝부분을 세라믹 실딩하거나 형태를 달리함으로써 아크를 제어할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the atmospheric pressure plasma processing apparatus using the coil-type electrode structure of the present invention is designed to include the coil-type structure of the electrode to generate an induction magnetic field in addition to the electric field generated in the plasma discharge is formed in the discharge space By maximizing the strength of the electric field has the advantage that can significantly reduce the power consumption, to generate a high density plasma. In addition, when the end portion of the inner electrode is applied in a radial form, the treatment area of the workpiece can be widened, and any one of rod, coil, mesh, ring, and multi-array acicular shapes can be used. The branch can obtain not only the effect of generating plasma due to the dielectric film discharge but also the induced discharge effect when the internal electrode is applied, and has the effect of controlling the arc by ceramic shielding the end portion or changing the shape.
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