KR20040031146A - 나노 다공성 유전체를 이용한 플라즈마 발생장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수㎚~수㎛ 직경의 세공(pore)을 가지는 나노 다공성 구조의 유전체를 이용한 플라즈마 전극 장치에 관한 것이다.
본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극은 규칙적 혹은 불규칙적인 나노 다공구조로 이루어진 유전체를 전극 위에 형성하고 이를 같은 형태의 전극과 대칭적으로 위치시키거나 다른 형태의 전극을 이용한 비대칭적인 구조로 방전을 시킨다. 이때 소자의 구조나 형태에 따라 유전체 장벽(DBD) 글로우 방전(부피 방전(Volume Discharge), 표면 방전(Surface Discharge), 공면 방전(Coplanar Discharge)등)이 관찰된다. 또한 나노 다공구조를 가지는 유전물질의 두께, 세공의 직경, 균일성, 다공도(porosity)등의 조건과 나노 다공구조 내부 혹은 이들의 표면에 도체나 반도체, 2차전자 방출물질 등을 삽입 또는 형성시킴으로서 플라즈마의 손쉬운 조건변화 및 안정성과 효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 플라즈마 방전 응용 기술의 하나로 나노 다공성 유전체를 가지는 플라즈마 전극을 이용하여 플라즈마의 안정적인 발생 과 유지 및 효율을 향상시키기 위한 기술로서 이들 플라즈마가 이용되고 있는 램프, 세정, 살균, 표면처리, 에칭 및 박막제조 등의 플라즈마 유발 물리적, 화학적 공정에 적용될 수 있는 기술이다.
방전 플라즈마는 전자, 양이온, 음이온과 같이 전하를 띤 입자들의 집합체인 바, 특히 글로우방전(Glow Discharge) 플라즈마는 아크방전 플라즈마와 달리 열적 비평형 상태에서 높은 에너지와 반응성을 나타내는 특장점이 있어 에칭, 살균, 세정 또는 조명산업분야 등에서 매우 유익하게 사용되고 있으며 이의 응용 기술도 계속 늘어나고 있다.
이러한 글로우방전 기술의 고효율화와 안정화를 실현하기 위한, 종래의 기술로는 핀(pin) 및 브러시(brush) 형태의 전극 구조(Akishev등 J.Phys.D., 1630, 1993); 유전체 장벽의 삽입(Kogoma등 J.Phys.D. 1125, 1990); 모세관(capillary)의 형성(Kunhardt, IEEE Trans. Plasma Sci., 189, 2000); 3극(triod) 구조(Penetrante등 J.Appl.Phys., 1332, 1986); 마이크로 구조를 갖는 전극을 이용한 시도(Gericke등, Vacuum, 291, 2002) 및 전도성 액체를 주입시킨 고저항의 음극 이용(Alexeff등 US Patent 6232723, 2001)등이 있다. 이 기술들은 주로 전극 및 유전체의 변형에 의한 전기 및 열적 불안정성의 완화와 글로우방전에서 아크방전으로의 전이를 제한하는 것에 초점이 맞추어져 있는데, 현재까지는 효율면이나 안정성 측면에서 제한적인 성과만을 나타내고 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 기존의 유전체 장벽 방전의 특성을 유지하면서도 고효율, 저전압과 안정된 방전조건을 이루기 위해 유전체를 포함하는 전극 구조를 변화시킨 플라즈마 전극 장치를 제공하는데 그 개괄적인 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 나노 다공구조를 갖는 유전체층과 또는 나노 다공구조 내부 혹은 이들의 표면에 도체나 반도체, 2차전자 방출물질 등을 삽입 또는 형성시킴으로서 이들을 이용하여 광범위한 기체압력범위에서 안정적인 글로우 방전을 유도하고, 전자의 밀도와 에너지 및 전류의 흐름을 조절함으로써 방전 중 오방전과 아크로의 전이방지, 내구성 증진, 나노 다공 구조로부터의 높은 2차전자(Secondary electron)의 발생과 높은 전기장의 형성 및 전계 방출(Field emission)을 유도하여 플라즈마의 방전개시전압과 유지전압을 기존의 플라즈마 전극보다 낮출 수 있는 플라즈마 전극 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 나노 다공 구조체의 손쉬운 유전특성 및 정전용량의 변화로 저소비전력 플라즈마 발생 장치에서 고에너지와 고밀도의 플라즈마 발생 장치 및 저압에서 상압 구동 플라즈마 발생 장치까지 다양한 기술 분야와 범위에서의 응용이 기능하도록 한 플라즈마 전극 장치를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 규칙적 배열 형태 중에서 기본적인 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 일부 발췌 사시도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 다양한 실시예에 따른 단면도,
도 3은 본 발명의 규칙적 또는 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 단면도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 불규칙적 배열 형태를 갖는 나노 다공구조를 갖는 플라즈마 전극 장치의 여러 실시예에 따른 단면도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 2극형 플라즈마 발생 장치의 다양한 실시예를 보인 구동 표시도,
도 6은 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 3극형 플라즈마 발생 장치의 일 실시예를 보인 구동 표시도,
도 7은 유전체부를 알루미나로 한 도 5a 구조의 플라즈마 발생 장치의 전기적 특성을 보인 그래프,
도 8은 도 5a 구조의 플라즈마 발생 장치에서 전극부에 균일하게 발생된 플라즈마를 보인 사진,
도 9a 및 도 9b는 각각 도 6에 도시한 플라즈마 발생 장치에서 외부의 구동 전원을 달리한 경우에 있어서의 플라즈마 발생 사진이다.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
10: 도체전극부,20, 20', 60: 유전체부,
22: 장벽층,24, 24': 세공주변부,
26, 26', 66, 66': 나노 세공,27, 28: 이물질층,
50: 유전체부,54: 세공주변부,
56: 나노 세공,60': 나노다공구조 전극부,
67: 절연층,68: 금속박막층,
70:, 90: 일반 전극,80, 82, 84: 구동 전원,
86: 스위치
본발명에 따른 유전체에는 모두 수㎚-수㎛까지의 직경(D)을 갖는 세공(pore)들이 배열되어 있는데, 그 배열 형태에 따라 유사한 크기의 세공들이 규칙적으로 분포되어 있는 것과 이와 반대로 불규칙적으로 분포되어 있는 것으로 분류할 수가 있다. 이하, 이러한 구조를 총칭하여 '나노 다공구조'라 하고, 이러한 구조를 포함하여 이루어진 유전체를 '나노 다공성 유전체'라 한다.
그리고, 이러한 나노 다공구조 배열 형태는 선택된 유전체 물질의 특성과 제조 공정을 달리하여 얻어질 수 있으며, 각 배열 형태에 있어서의 나노 다공구조의 분포, 각 세공의 길이(L)와 직경(D) 및 세공간의 간격(d) 등도 그 형성 방법 및 조건을 변화시킴으로써 원하는 대로 조절할 수가 있다. 이하, 용어의 혼동을 피하기 위해 두께 또는 높이 개념도 모두 '길이'라는 용어를 사용하여 표현함을 밝혀 둔다.
한편, 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 제조 방법은 대부분 습식 공정으로 이루어지기 때문에 각각의 세부 공정이 연속적으로 이루어 질 수 있다. 이외에도 전기·화학적인 방법을 사용할 수 있기 때문에 각종 변수 조절을 선형적(linear)으로 할 수 있고, 별 다른 제한 없이 나노 다공구조 유전체의 형태와 크기 또는 패턴 등을 쉽게 변경할 수가 있다.
도 1은 본 발명의 규칙적 배열 형태 중에서 기본적인 나노 다공구조를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 일부 발췌 사시도이다. 도 1에 도시한 나노 다공구조를 갖는 전극 장치는 크게 하부에 배치된 도체전극부(이하, 간단히 '전극부'라한다)(10)와 전극부(10) 상에 형성되는 나노 다공성 유전체부(이하, 간단히 '유전체부'라 한다)(20)를 포함하여 이루어질 수 있다. 유전체부(20)는 다시 하부에 위치하며 나노 세공(이하, 간단히 '세공'이라 한다)(26)이 형성되어 있지 않은 소정 두께(t2)의 장벽층(22)과 세공(26)이 형성되어 있는 세공형성부를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하에서는 상기 세공형성부의 세공 주변 부분을 '세공주변부'(24)라 한다.
전술한 구성에서, 세공(26)의 단면 형상은 원형 또는 기타 다른 형태로 구현될 수 있는데, 나노 세공의 직경(D) 대 길이(L)의 비 및 세공의 길이(L) 대 유전체부(20)의 전체 길이(t1)의 비는 나노 다공구조에 의한 효과 및 플라즈마의 에너지를 결정짓는 중요한 변수로서 응용 분야의 플라즈마 특성에 맞게 조절할 수가 있다. 또한, 장벽층(22)의 길이(t2)를 적절하게 조절하는 것에 의해 전극부(10)로부터의 전자의 이동 및 유전체부(20)의 정전용량을 변화시킴으로써 플라즈마의 밀도를 적절하게 조절할 수가 있다. 더욱이, 세공(26)의 개방단부를 완전 폐쇄시켜 나노챔버(Nano chamber) 형태의 공간을 만들거나 일부분만 폐쇄시키는 것에 의해 유전체부(20)에 인가되는 전계에 변화를 줄 수도 있다.
구체적으로, 세공(26)이 원형으로 구현되는 경우에 그 직경(D)은 수㎚에서 수㎛의 범위, 그 길이(L)는 수㎛에서 수백㎛의 범위에서 정해질 수 있고, 세공(26) 간의 간격(d)은 세공의 직경(D)과 같은 크기 범위 또는 그 이상, 즉 수㎚에서 수십㎛의 범위에서 형성될 수 있다.
한편, 도 1에 도시한 전극 장치에서 유전체부(20)는 세라믹 유전체, 예를 들어 다공성 양극 알루미나(porous anodic alumina)로 구현될 수 있는데, 이에 대해서는 전기·화학적 산화법을 통한 습식 제조기술이 이미 널리 알려져 있고, 그 공정기술 및 형성 메커니즘도 체계화되어 있어서 공정 변수의 조절이 자유롭다(Yakoleva등, Inorg. Mat., 34, 711, 1998, Jessensky등, Appl. Phys. Lett., 72, 1173, 1998).
그 개략적인 제조 공정을 살펴 보면, 먼저 산용액 분위기에서 전극부로 사용될 알루미늄 기판을 전해연마(Electropolishing)한 후에 일차 전기산화(anodizing)시키거나 전사법을 이용한 패터닝을 이용하여 나노 자리를 형성(Seeding)한다. 이후, 이차 전기산화에 의해 나노 자리를 따라 유전체부(20)로 기능할 알루미나층을 원하는 길이(L)까지 형성시키는데, 이 과정 에서 인가 전압 및 전해액의 종류에 따라 소정 길이(t2)의 장벽층(22)이 전극부(10) 상에 자연스럽게 형성되게 된다. 그리고, 이러한 구조의 전극 장치에 의하면 유전체부(20)가 전극부(10)를 모태로 하여 형성되기 때문에 전극부(10)와 유전체부(20) 사이에 강한 결합력을 나타내며, 이에 따라 내구성 및 효율이 향상된 전극 장치를 제조할 수 있게 된다. 한편, 이 구조의 전극 장치에서 세공의 직경 조절은 전기산화시 사용되는 산 용액을 변경하거나 다공을 넓히는 공정(Pore widening)에 의해 달성될 수 있다.
한편, 유전체로 유리 재질, 예를 들어 실리카 박막을 사용하는 경우에는 반도체 공정의 패터닝 식각을 통해 수십㎚에서 수㎛ 범위 직경의 세공을 갖는 나노 다공구조를 얻을 수 있다(Tonucci 등 Science, 258, 783, 1992). 한편, 경우에 따라서는 실리카 박막층에 나노 다공구조를 형성한 후에 전극부로 기능할 금속을 증착 하여 제조할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 규칙적 배열 형태의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치의 다양한 실시예에 따른 단면도이다. 먼저, 도 2a에서는 도 1에 도시한 전극 장치에서 장벽층이 제거된 구조를 갖는 전극 장치를 도시하고 있다.
도 2b에서는 도 1에 도시한 전극 장치의 각 세공 내부에 소정 길이의 이물질, 예를 들어 Ni, Ag, Au, Graphite, MnO2, TiO2, Conducting Polymer 등의 도체나 반도체 물질 또는 MgO, BaO, KCl, NaCl, Diamond, SnO2등과 같은 2차전자 방출물질이 삽입된 구조를 갖는 전극 장치를 도시하고 있다. 이 구조의 전극 장치에서, 이물질층(27)의 길이(h1)는 방전시 세공(26)을 통해 흐를 수 있는 전류 밀도와 직접 연관되는데, 예를 들어 수십㎚에서 수십㎛의 범위에서 정해질 수 있다.
도 2c에서는 이물질층(28), 예를 들어 Ni, W, Mo, Ag, Au, Pt, Al:Li, Graphite, TiO2, MnO2등과 같은 금속, 금속합금, 반도체 또는 MgO, BaO, LiF, KCl, NaCl, Diamond, SnO2등과 같은 2차전자 방출물질이 도 1에 도시한 전극 장치의 각 세공주변부(26) 상에 코팅되어 이루어진 구조의 전극 장치를 도시하고 있는데, 이 경우에 이물질층(28)의 길이(h2)는 수㎚에서 수십㎚의 범위에서 정해질 수 있다.
도 2a 내지 도 2c에 도시한 실시예 이외에도, 도 2a에 도시한 전극 장치의 세공 내부에 도 2b에서 설명한 바와 같은 이물질층을 삽입한 것, 도 2a에 도시한 전극 장치의 세공주변부 상에 도 2c에서 설명한 바와 같은 이물질부층을 코팅한 것 또는 도 2c에 도시한 전극 장치의 세공 내부에 도 2b에서 설명한 바와 같은 이물질층을 삽입한 것 등의 실시예도 가능할 것이다.
도 3은 본 발명의 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치의 일 실시예에 따른 단면도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 전극 장치에서는 전극부(10) 상에 나노미터에서 마이크로미터 범위의 입자 크기를 갖는 콜로이드 형상의 유전 물질, 예를 들어 알루미나, 실리카, Polystyrene 등이 소정 길이만큼 적층되어 유전체부(50)를 이루고 있는 바, 도면 부호 54는 세공주변부를, 56은 세공을 나타낸다. 그리고, 이 구조의 전극 장치에서는 유전 물질의 종류나 증착 조건을 달리함으로써 유전체부(50)의 나노 다공구조를 제작할 수 있으며, 도 3에서는 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치를 도시하고 있다.
한편, 도 3에 도시한 전극 장치는 자발적인 침전이나 전기화학적 방법, 플라즈마 젯(Jet), 전기영동(Electrophoretic)법, 졸-겔(Sol-Gel)법 등 다양한 방법을 통해 형성할 수가 있다. 그리고, 유전체 재료를 선택함에 있어서는 적절한 내구성과 유전율 정도를 고려하면 되지만, 전극부(10)와 유전체부(50) 간의 접합 특성이 우수한 물질을 선택함이 바람직하다. 특히, 무기염 중에서 CsI, KCl 등과 같은 물질들은 높은 2차전자 방출효과와 증착시 박막이 컬럼(Column) 형태로 성장하는 것으로 알려져 있고 이 역시 채널 플레이트(Channel Plate)로 응용이 시도(Shikhaliev 등 Nucl.Inst.Met. Phys.Res. 487, 676, 2002)된 바 있어서, 도 2a 내지 도 3의 전극 장치에 대한 유전체 재료로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 나노 구조의 다이아몬드 및 DLC(Diamond Like Carbon) 등도 내구성이 클 뿐만 아니라낮은 전자 친화도를 나타내기 때문에 도 3에 도시한 전극 장치에서 유전체 재료로 채택될 수 있을 것이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 불규칙적 배열 형태를 갖는 나노 다공구조 유전체를 갖는 플라즈마 전극 장치의 여러 실시예에 따른 단면도이다. 도 4에 도시한 전극 장치는 불규칙적인 나노 다공구조를 갖고 있는 바, 이러한 전극 장치 역시 유전체 장벽 방전에 이용될 때 높은 전자 방출 효과에 의한 구동전압의 감소 및 안정화 효과를 얻을 수가 있다. 도 4의 전극 장치에서, 세공(66),(66')의 직경(D)은 수㎚에서 수백㎚에 걸쳐서 분포되는데, 그 길이(L) 대 직경(D)의 비율, 즉 종횡비는 도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 도시한 전극 장치의 그것과 유사한 값을 또는 그 이상으로 정해질 수 있다.
한편, 도 4에 도시한 전극 장치는 도 4a에 도시한 바와 같이 유전체부(60)가 불규칙적인 나노 다공구조를 갖고 있는 것과 도 4b에 도시한 바와 같이 전극부(60') 자체가 불규칙적인 나노 다공구조를 갖고 있는 것으로 분류할 수 있는데, 도 4a에 도시한 전극 장치의 경우에는 도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 도시한 전극 장치를 제조하는 과정에서 각종 공정 변수를 조절하는 것에 의해 얻어질 수가 있다. 도 4a에서 부호 60은 유전체부를, 64는 세공 주변부를, 66은 세공을 나타낸다.
반면에, 자체에 불규칙한 나노 다공구조가 형성된 전극부(60')는, 예를 들어 실리콘의 전기, 광화학적 식각을 통해 얻어질 수가 있는데, 이렇게 얻어진 전극부(60') 위에 증착, 열산화 또는 전기적 산화법 등을 이용하여 절연막(67)인수㎚의 산화실리콘막을 형성하고 다시 그 위에 게이트 층(전극) 등으로 기능하게 될 수㎚에서 수십㎚ 범위의 금속 박막층(68)을 코팅하여 전극 장치를 제조할 수가 있다. 이러한 구조의 전극 장치는 전계방출표시(Field Emission Display) 소자에서 이용되고 있는 BSD(Ballistic electron Surface-emitting Device) 구조와 같은 전극 형태를 갖게 되어 고밀도의 전자빔 방출 효과를 얻을 수가 있다(Ichihara 등 J. Cryst. Growth, 1915, 2002).
한편, 전술한 실시예 이외에도 카본나노튜브, W, Mo, Ag, Au, CdS, TiO2 등의 전자방출 물질들이 나노 섬유 형태로 이루어진 나노구조체를 사용하여 본 발명 전극 장치로 구현할 수도 있을 것인 바, 이러한 재료들을 사용하면 적층시 형성된 입자들의 나노 다공구조 또는 나노다발(bundle)로 부터 발생하는 전계 및 2차전자 방출 효과에 의해 플라즈마 효율을 향상시킬 수 있다. 다만, 이들 나노구조 유전체 자체의 내구성 및 이들과 이들 하부의 전극부간의 접합성이 플라즈마를 안정되게 유지하는 중요 인자로 작용할 것이며, 내구성을 높이기 위해 플라즈마에 잘 견디는 Boride, Carbide, Nitride, Oxide계 세라믹을 나노구조체 주변에 코팅할 수 있다.
고분자 역시 저온 플라즈마를 생성하는 경우에 유전체부로 이용될 수 있는 바, 특히 나노 다공성을 가지는 내열성 고분자 중 Polycarbonate, Polystyrene, Polyester 및 전도성 혹은 반도체 특성을 갖는 고분자들이 우수한 내구성과 공정성을 갖고 있기에 본 발명 전극 장치에서의 유전체부로 사용될 수 있을 것이다.
이하에는 본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치가 채택된 플라즈마 방전 장치의 다양한 실시예에 대해서 설명한다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 2극형 플라즈마 발생 장치의 다양한 실시예를 보인 표시도이다. 먼저, 도 5a에서는 일측에는 일반적인 도체전극(70)이 배치되고 타측에는 본 발명의 전극 장치가 마주 하는 구조의 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있다. 물론, 도 5a에는 도 1에 도시한 전극 장치가 예시하였지만, 이에 국한되는 것은 아니고 도 2a 내지 도 2c, 도 3 및 도 4에 도시한 전극 장치가 모두 사용될 수 있을 것이다.
도 5b에는 마주하는 양측 전극 모두를 본 발명의 전극 장치를 사용하여 구현한 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있다. 도 5b에 도시한 전극 장치 또한 예시된 구조에 국한되지 않고, 도 2a 내지 도 2c, 도 3 및 도 4에 도시한 전극 장치가 동종 또는 이종끼리 다양하게 조합되어 제조될 수 있을 것이다.
한편, 도 5a 및 도 5b에 도시한 플라즈마 발생 장치의 전원(80)으로는 직류, 펄스화된 직류, RF 또는 마이크로웨이브뿐 아니라 수 kHz~수십 kHz의 낮은 주파수대의 교류가 사용될 수 있다.
도 5c에는 공면방전(Coplanar discharge)형 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있는 바, 예시된 구조에 국한되지 않고, 도 2a 내지 도 2c, 도 3 및 도 4에 도시한 전극 장치가 동종 또는 이종끼리 다양하게 조합되어 제조될 수 있을 것이다.
마지막으로, 도 5d에는 표면방전(Surface discharge)형 플라즈마 발생 장치가 도시되어 있는 바, 예시된 구조에 국한되지 않고, 도 4에 도시한 전극 장치도 사용될 수도 있을 것이다.
한편, 도 5a 내지 도 5d에 도시한 플라즈마 발생 장치의 구동전원(80)은 방전기체의 종류에 따라 수십V에서 수백V 범위의 전압과 수백㎂/㎠에서 수십㎃/㎠의 범위의 전류밀도를 갖는 것을 사용할 수가 있다. 높은 에너지의 플라즈마가 필요한 경우에는 수㎸에서 수십㎸의 전압을 인가할 수도 있다.
방전기체 압력은 수 Torr에서 상압까지 가능하며, 더욱이 방전기체의 흐름 속에서도 방전이 가능하다. 전극간의 거리는 방전기체의 압력과 응용 분야에 따라 다양하게 변화시킬 수 있는 바, 대략 수백㎛에서 수십㎝의 범위에서 정해질 수 있다. 그리고, 전극의 전체 두께 및 면적에는 제한이 없고, 유전체부의 특성상, 전류의 흐름이 제한되어 있으므로 외부 밸러스트(Ballast)를 사용하지 않아도 된다. 또한, 경우에 따라 전극 내부에 기체 유동장치(Gas Flow System)를 설치하여 나노 다공구조 사이로 기체를 유입시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 전극 장치를 적어도 하나 이상 사용하는 3극형 플라즈마 발생 장치의 일 실시예를 보인 표시도 이다. 도 6의 실시예 에서는 도 2c에 도시한 전극 장치가 사용되고 있는 바, 구동 조건은 도 5에 도시한 플라즈마 발생 장치와 거의 일치하며, 다만 게이트층으로 기능하는 이물질층(28)에 인가되는 전압(84)이 양극과 음극 사이에 인가된 전압(82)보다 작다. 한편, 구동원으로 교류전원을 사용하는 경우에는 스위치(86)를 단락시킨 후 게이트층에 직류 전압을 인가하거나 접지 시키면 된다.
한편, 도 4b에 도시한 전극 장치를 사용하여 도 6에 도시한 플라즈마 발생 장치를 제조할 수도 있는데, 이 경우에 금속 박막층(68)이 게이트층으로 기능하게될 것이다.
도 7은 유전체부를 다공성 양극 알루미나로 한 도 1 구조의 전극 장치를 사용하여 제조한 도 5a의 플라즈마 발생 장치('샘플a'라 한다)의 전기적 특성을 보인 그래프인 바, 유전체부(20)의 두께는 대략 17㎛, 면적은 2.5㎝ X 3㎝, 세공(26)의 직경(D)은 약 50㎚였다. 그리고, 그 상대 전극으로는 투명 전극인 ITO를 사용하였고, 두 전극간의 간격은 1㎜였으며, 방전기체로 네온을 사용하였고, 압력은 50 Torr였다.
한편, 이와의 비교를 위해 알루미나 분말 재질로 이루어진 불균일 유전체부를 채택한 도 3의 전극 장치를 사용하여 샘플a와 동일한 구조의(단 두께는 20㎛) 플라즈마 발생 장치('샘플b'라 한다)를 제조한 후에 그 전기적 특성을 함께 측정하였다.
도 7에 보인 바와 같이, 2, 4, 6 kHz의 교류에서 측정된 I-V곡선 상에서 이들 사이에 나타난 가장 큰 차이는 구동전류로서, 동일한 구동전압이 인가된 경우에 샘플b가 샘플a보다 2~3배 이상 더 많은 전류를 소모하고 있음을 알 수 있었다. 이는 규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치가 불규칙적 배열 형태의 나노 다공구조를 갖는 전극 장치보다 적은 누설 전류를 가지며 효과적으로 전류를 제한하고 있음을 나타낸다. 그리고, 동일한 구동 전압 하에서는 샘플a 및 샘플b모두에서 유사한 세기의 플라즈마 발광세기를 나타내는 바, 결과적으로 샘플a의 플라즈마 발생 효율이 샘플b보다 2~3배 더 높음을 알 수가 있다.
한편, 내구성을 비교해볼 때, 샘플b에서는 500-600V에서절연파괴(breakdown) 현상이 일어난 반면에 샘플a에서는 1000V 이상의 전압에서도 절연파괴 현상이 일어나지 않았음은 물론이고 방전 중에서도 전극의 손상이 관찰되지 않았다. 샘플a와 샘플b 모두에서 거의 균일한 플라즈마가 형성되었으며, 상압에서도 구동이 가능하였다.
도 8은 도 5a의 플라즈마 발생 장치에 의해 발생된 매우 균일한 플라즈마를 보인 사진인 바, 이 실험예에서는 유전체부의 면적을 4㎝ X 4㎝로 제조하였다. 또한, 이 실험예에서 방전개시전압은 100 Torr 네온가스 분위기에서 약 130V(2kHz 교류)였으며, 유전체부의 전체 면적에서의 균일한 플라즈마 형성은 약 160V 이상에서 이루어졌다. 상압의 네온가스 분위기에서는 방전개시전압이 위의 예에서보다 약 30~60V 증가되었으며, 이때의 방전개시 전기장은 약 800~900V/㎝로 종래 장벽방전의 방전개시 전기장인 약 2~3kV/㎝보다 매우 낮음을 알 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 각각 도 6에 도시한 플라즈마 발생 장치에서 외부의 구동 방법을 달리한 경우에 있어서의 플라즈마 발생 사진인 바, 유전체부로는 20㎛ 길이의 다공성 양극 알루미나를 사용하였으며, 그 상부의 게이트층은 50㎚ 길이의 알루미늄을 증착하여 형성하였다.
구체적으로 도 9a는 이물질층인 게이트층을 단락시킨 후 교류전원 하에서 발생된 플라즈마를 나타내고 있으며, 도 9b는 게이트층을 접지시킨 후 교류전원 또는 직류전원 하에서 발생된 플라즈마를 나타내고 있는 바, 게이트층이 증착된 부분에서 강한 플라즈마가 발생함을 보여주고 있다. 이것은 도 6의 플라즈마 발생 장치에서는 게이트층을 중심으로 강한 전기장이 형성됨을 의미한다. 특히, 구동전류는 도9b의 경우가 도 9a의 경우에 비해 약 50~200% 정도 증가 하는데 반하여 이로부터 약 10~20배 정도 증가한 플라즈마 광세기가 관찰되어 플라즈마 효율이 크게 향상됨을 알 수 있다.
본 발명의 나노 다공구조 유전체를 갖는 플라즈마 전극 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 나노 다공구조를 갖는 플라즈마 전극 장치에 따르면 다음과 같은 구체적인 효과가 발휘된다.
1) 저압 및 상압의 다양한 기체에서 안정적인 글로우 방전이 발생될 수 있다.
2) 유전체부의 형성시, 세공의 직경과 길이 및 분포, 세공의 봉합 여부, 장벽층의 길이를 조절하는 등으로 전자의 밀도와 에너지 및 전류의 흐름을 손쉽게 조절할 수 있고, 아크 방전으로의 전이를 방지할 수 있으며, 나아가 플라즈마 밀도도 조절할 수 있다.
3) 글로우 방전시 음극강하(Cathode Fall)를 최소화하고 또한 일정하게 유지시킬 수가 있기 때문에 안정된 전자 밀도에 의해 아크 방전으로의 전이를 방지할 수 있다.
4) 유전체부가 갖는 채널 형태의 나노 다공구조는 전자의 증폭(Avalanche like propagation)을 유발시킴으로써 전자의 밀도를 크게 증가시킬 수 있다.
5) 좁은 면적에 전하를 집중시켜 전기장을 크게 증가시킬 수 있으며, 구조를 변경하는 것에 의해 전기장을 쉽게 조절할 수가 있다.
6) 나노 다공구조 내에 도체 및 반도체, 2차전자 방출물질등과 같은 이물질을 삽입함으로써, 전자방출 효율을 향상시킴과 아울러 전류의 흐름 조절로 아크 방전으로의 전이를 감소시킬 수 있고, 플라즈마 밀도도 조절할 수 있다.
7) 나노 다공구조 내에 높은 2차전자 방출효과를 나타내는 이물질을 삽입함으로써 2차전자의 생성을 촉진시킬 수 있다.
8) 나노 다공구조는 나노 크기로 균일하여 유전체 장벽 방전시 발생하는 필라멘트나 국부적인 마이크로 플라즈마의 생성를 억제할 수가 있는데, 이에 따라 아크방전으로의 전이가 제한됨으로써 균일한 플라즈마를 생성시킬 수가 있다.
9) 저압에서 상압에 이르는 넓은 범위의 기체압력 하에서의 동작 및 직류, 펄스화 직류, 교류, RF 또는 마이크로웨이브와 같이 다양한 종류의 구동 전원 하에서의 동작 및 다양한 부피의 플라즈마 형성 등 구동 조건이 광범위하기 때문에 다양한 분야에서 응용될 수가 있다.
10) 벌크형의 유전체부에 비해 유전 특성 및 정전 용량이 넓은 범위에서 변화되기 때문에 구조의 변화를 통해 유전 특성 및 정전 용량을 원하는 대로 조절할 수가 있다.
11) 나노 다공구조의 유전체부 위에 도체 및 반도체, 2차전자 방출물질등과 같은 이물질층을 형성하는 경우에는 플라즈마 발생시 높은 전자 방출을 기대할 수 있으며, 이물질층으로 낮은 일함수(Work function)를 갖는 물질을 사용하게 되면전자방출 효율을 더욱 높일 수 있다.
12) 유전체부로 내열성, 내화학성 또는 내조사성(Radiation)을 갖는 물질을 사용함으로써 플라즈마 발생 장치의 수명을 연장할 수 있다.
13) pD규칙(Paschen의 법칙)의 제한에 의해 나노 채널안에서는 플라즈마가 형성되기 거의 불가능하여 플라즈마에 의한 나노 다공구조의 손상이 줄어들고, 이에 따라 장치의 수명이 연장될 수 있다.
14) 나노 다공구조내의 표면적 증가로 열 방출성이 커지고, 이에 따라 내부 발생열의 축적에 의한 효율 저하를 줄일 수가 있다.
15) 도체전극부와 유전체부를 일체로 형성할 수 있기 때문에 이들 사이의 접합력이 향상되어 저항열의 발생량이 줄어들고, 내구성이 우수하여 높은 효율을 유지할 수 있다. 또한 공정의 단순화로 대면적의 플라즈마 발생 장치의 제조가 가능하여 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.
Claims (11)
- 소정 크기를 갖는 도체전극부 및상기 도체전극부 상에 형성되며, 수㎚에서 수㎛ 크기의 직경을 갖는 다수의 세공이 분포된 나노 다공성 유전체부를 포함하여 이루어진 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유전체부의 길이는 수십㎚ 내지 수백㎛의 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유전체부는 유전특성을 갖는 고체로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 나노 다공구조 유전체부의 하부에 소정 길이의 장벽층이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 세공의 상부 끝이 봉합되어 폐쇄된 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 나노 세공 내부에는 도체 물질, 반도체 물질, 2차전자 방출물질 또는 상기 물질들이 조합되어 이루어지는 소정 길이의 이물질층이 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 나노 세공의 주변부 상에 도체 물질, 반도체 물질, 2차전자 방출물질 또는 상기 물질들이 조합되어 이루어지는 소정 길이의 이물질층이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 이물질층의 길이는 수㎚ 내지 수십㎛의 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 7 항에 있어서, 상기 이물질층의 길이는 수㎚ 내지 수십㎛의 범위 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 도체전극부에는 수㎚에서 수㎛ 크기의 직경을 갖는 다수의 세공이 분포되어 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전극부에 인가되는 전원은 직류, 펄스화된 직류, 저주파 교류, RF 또는 마이크로웨이브인 것을 특징으로 하는 플라즈마 발생장치.
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