KR20050066233A - Apparatus for generating plasma at atmospheric pressure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기압 플라즈마 발생 장치에 관한 것으로, 길이 방향으로 일부가 개방되어 플라즈마 가스를 분사하는 개구부를 갖도록 개방된 영역을 갖는 관형의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측에 매입되는 유전체관, 외부 전극관과 내부 전극관의 양단에 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되어 지지하는 스페이서를 포함하는 중공형의 플라즈마 챔버, 플라즈마 챔버의 중공 영역에 길이 방향으로 장착되는 공심유도코일, 중공형 플라즈마 챔버로 방전 가스를 공급하는 가스 공급관을 구비한다. 외부 전극관과 유전체관 사이에 이들의 접선에 수직한 방향으로 제1 전기장이 발생하고, 공심유도코일에 의해 중공 영역을 통과하는 자기장이 유도되고 이에 의해 외부 전극관과 유전체관 사이를 회전하는 경로를 갖는 제2 전기장이 유도된다. 플라즈마 방전에 의해 발생된 이온 입자들은 제1 및 제2 전기장의 영향을 받아 외부 전극관과 유전체관 사이를 회전하는 가속 경로를 갖게 되어 고전압을 인가하는 경우에도 이온 입자의 강한 충돌에 의한 손상을 방지할 수 있어 고전압을 이용한 고밀도의 강력한 플라즈마를 얻을 수 있다.The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generating apparatus, wherein a tubular external electrode tube having an open area to have an opening partly opened in the longitudinal direction and having an opening for injecting plasma gas, the external electrode tube having a length equal to the length of the external electrode tube A hollow plasma chamber including a dielectric tube embedded in the inner side, a spacer mounted and supported at both ends to have a mutual discharge distance at both ends of the outer electrode tube and the inner electrode tube; An air cored coil and a gas supply pipe for supplying a discharge gas to the hollow plasma chamber are provided. A path in which a first electric field is generated between the outer electrode tube and the dielectric tube in a direction perpendicular to their tangent, and a magnetic field passing through the hollow region is induced by the co-induction coil, thereby rotating between the outer electrode tube and the dielectric tube. A second electric field with is induced. The ion particles generated by the plasma discharge have an acceleration path that rotates between the external electrode tube and the dielectric tube under the influence of the first and second electric fields to prevent damage due to the strong collision of the ion particles even when high voltage is applied. It is possible to obtain a high-density, powerful plasma using a high voltage.
Description
본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치(atmospheric pressure plasma generator)에 관한 것으로, 구체적으로는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge; DBD)을 이용한 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to an atmospheric pressure plasma generator, and more particularly, to an atmospheric pressure plasma generator using a dielectric barrier discharge (DBD).
현재, 대기압 플라즈마(atmospheric pressure plasma)는 기존의 진공시스템(vacuum system)이 필요치 않으며 1atm(760 torr)에서 반응 챔버 없이 기존 생산라인에 직접 적용이 가능하여 연속적인 공정으로 처리가 가능하다. 대기압 플라즈마를 발생하기 위한 기술로는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge; DBD), 코로나 방전(corona discharge), 마이크로웨이브 방전(microwave discharge), 아크방전(arc discharge) 등이 있다. 이 기술들은 산업 여러 분야에서 다양하게 사용될 수 있으며, 스프레이 멜트 코팅(spray melt coating) 등에 사용되는 아크 방전을 제외한 나머지 기술은 대부분이 반도체 제조 공정에 사용이 가능하다.At present, atmospheric pressure plasma (atmospheric pressure plasma) does not require a conventional vacuum system (vacuum system) and can be applied directly to an existing production line without a reaction chamber at 1 atm (760 torr) can be processed in a continuous process. Techniques for generating atmospheric plasma include dielectric barrier discharge (DBD), corona discharge, microwave discharge, arc discharge and the like. These technologies can be used in various fields of the industry, and most of the remaining technologies can be used in semiconductor manufacturing processes except for arc discharge, which is used for spray melt coating.
유전체 장벽 방전은 유전체의 전하축적(charge build-up) 현상을 이용하여 교류전원에 의해 인가되는 전압 효율을 극대화시켜 균일한 글로우 방전(glow discharge)을 얻는 것이다. 유전체 장벽 방전 발생 시스템은 고전압이 인가되는 두 전극사이에 각기 유전체 장벽을 삽입하고, 전극에 AC 전압을 인가하여 이온 입자들이 두 전극사이의 전기장 영역에서 가속되어 주입된 가스를 이온화 시켜 플라즈마를 발생시킨다.The dielectric barrier discharge maximizes the voltage efficiency applied by the AC power by using the charge build-up phenomenon of the dielectric to obtain a uniform glow discharge. In the dielectric barrier discharge generation system, a dielectric barrier is inserted between two electrodes to which a high voltage is applied, and an AC voltage is applied to the electrodes to generate plasma by ionizing the injected gas in an electric field region between the two electrodes. .
이렇게 형성된 대기압 플라즈마는 유기 오염물의 세정 및 표면개질 등의 공정에 유용하게 사용된다. 예를 들어, 반도체 제조공정에서 대형 평판 세정이나 에싱(ashing), PFC 가스 정화 등에 이용되고 있다.The atmospheric pressure plasma thus formed is usefully used for processes such as cleaning and surface modification of organic contaminants. For example, it is used for cleaning a large plate, ashing, PFC gas purification, etc. in a semiconductor manufacturing process.
한편, 지금까지의 대기압 유전체 장벽 방전은 안정적이고 연속적인 균일한 플라즈마를 발생하기 어려우며, 대면적의 처리를 위해 고밀도의 플라즈마를 균일하게 발생하기가 어려운 것으로 알려있다.On the other hand, it has been known that the atmospheric dielectric barrier discharge until now is difficult to generate a stable and continuous uniform plasma, it is difficult to uniformly generate a high-density plasma for processing a large area.
현재 300mm 이상의 대형 웨이퍼 가공에서 수율을 향상 시킬 수 있는 대기압 플라즈마 발생장치가 요구되고 있으며, TFT LCD, PDP(Plasma Display Panel) 등의 반도체 소자를 사용하는 공정은 다양한 종류의 대형 글라스(glass) 및 폴리머 평판을 사용하는데 이들 사이즈가 더욱 대형화 되어가고 있어 이에 효과적으로 대응할 수 있는 보다 처리속도가 빠르고 처리 크기에 제한이 없는 대기압 플라즈마 발생장치가 요구되고 있다.At present, there is a need for an atmospheric pressure plasma generator capable of improving yield in large wafer processing of 300 mm or more, and processes using semiconductor devices such as TFT LCD and plasma display panel (PDP) have various kinds of large glass and polymers. Since the size of these flat plates is becoming larger, there is a demand for an atmospheric pressure plasma generator that is capable of effectively coping with this and has a faster processing speed and no limitation on the processing size.
고전압이 인가되는 두 평판 전극사이에 설치된 유전체 쌍은 가속되는 이온 입자들의 강한 충돌에 의해 파괴되어 수명이 짧고 이에 따른 파티클 발생의 문제점이 있어 왔다. 게다가 고밀도의 플라즈마를 얻기 위해서는 고전압을 공급하는 경우 가속되는 이온 입자들은 더욱 강하게 충돌하게 되어 유전체 수명이 단축되는 문제점과 함께 파티클 발생의 문제점이 더욱 심화되게 된다.Dielectric pairs installed between two plate electrodes to which high voltage is applied are destroyed by strong collisions of accelerated ion particles, resulting in short lifetimes and particle generation problems. In addition, in order to obtain a high-density plasma, ion particles accelerated when a high voltage is supplied collide more strongly, and the problem of particle generation is further exacerbated with the problem of shortening the dielectric life.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 고전압이 인가되더라도 가속되는 이온 입자가 유전체에 강하게 충돌되는 것을 방지하여 유전체 수명을 길게 할 수 있는 대기압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object thereof is to provide an atmospheric pressure plasma generator capable of prolonging the lifetime of a dielectric material by preventing the accelerated ion particles from colliding strongly with the dielectric material even when a high voltage is applied.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 대기압 플라즈마 발생장치는: 길이 방향으로 일부가 개방되어 플라즈마 가스를 분사하는 개구부를 갖도록 개방된 영역을 갖는 관형의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측에 매입되는 유전체관, 외부 전극관과 내부 전극관의 양단에 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되어 지지하는 스페이서를 포함하는 중공형의 플라즈마 챔버; 중공형 플라즈마 챔버로 방전 가스를 공급하는 가스 공급관; 플라즈마 챔버의 중공 영역에 길이 방향으로 장착되는 공심유도코일; 외부 전극관과 공심유도코일의 일단에 전기적으로 연결되는 제1 전원 및; 공심유도코일의 양단에 전기적으로 연결되는 제2 전원을 포함하고, 공심 유도 코일의 일단은 제1 및 제2 전원에 공통으로 연결된다.In order to achieve the above object, the atmospheric pressure plasma generator includes: a tubular external electrode tube having an open area so that a part thereof is opened in the longitudinal direction and has an opening for injecting plasma gas, and has a length equal to the length of the external electrode tube. A hollow plasma chamber including a dielectric tube embedded inside the outer electrode tube, and spacers mounted at both ends to support mutual discharge distances at both ends of the outer electrode tube and the inner electrode tube; A gas supply pipe supplying a discharge gas to the hollow plasma chamber; An air core guide coil mounted in a hollow direction of the plasma chamber in a longitudinal direction; A first power source electrically connected to one end of the external electrode tube and the air core induction coil; And a second power source electrically connected to both ends of the air core induction coil, and one end of the air core induction coil is commonly connected to the first and second power sources.
이 실시예에 있어서, 제1 전원과 공심유도코일의 일단 사이에 연결되는 제1 필터, 제2 전원과 공심유도코일의 일단 사이에 연결되는 제2 필터를 포함한다.In this embodiment, a first filter connected between the first power source and one end of the air core induction coil, and a second filter connected between the second power source and one end of the air core induction coil.
본 발명의 다른 특징에 의하면, 대기압 플라즈마 발생장치는: 길이 방향으로 일부가 개방되어 플라즈마 가스를 분사하는 개구부를 갖도록 개방된 영역을 갖는 관형의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측에 매입되는 유전체관, 유전체관과 공심유도코일 사이에 설치되는 관형의 내부 전극관, 외부 전극관과 내부 전극관의 양단에 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되어 지지하는 스페이서를 포함하는 중공형의 플라즈마 챔버; 중공형 플라즈마 챔버로 방전 가스를 공급하는 가스 공급관; 플라즈마 챔버의 중공 영역에 길이 방향으로 장착되는 공심유도코일; 외부 전극관과 내부 전극관에 전기적으로 연결되는 제1 전원 및; 공심유도코일의 양단에 전기적으로 연결되는 제2 전원을 포함한다.According to another feature of the present invention, an atmospheric pressure plasma generator includes: a tubular external electrode tube having an open area so that a portion thereof is opened in the longitudinal direction and has an opening for injecting plasma gas, and has a length equal to the length of the external electrode tube. A dielectric tube embedded inside the outer electrode tube, a tubular inner electrode tube installed between the dielectric tube and the hollow core guide coil, and spacers mounted and supported at both ends so as to have mutual discharge distances at both ends of the outer electrode tube and the inner electrode tube. A hollow plasma chamber comprising; A gas supply pipe supplying a discharge gas to the hollow plasma chamber; An air core guide coil mounted in a hollow direction of the plasma chamber in a longitudinal direction; A first power source electrically connected to the outer electrode tube and the inner electrode tube; And a second power source electrically connected to both ends of the air core induction coil.
이 실시예에 있어서, 상기 내부 전극관은 길이 방향으로 다수개의 슬릿을 갖는다.In this embodiment, the inner electrode tube has a plurality of slits in the longitudinal direction.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 대기압 플라즈마 발생장치는: 길이 방향으로 일부가 개방되어 플라즈마 가스를 분사하는 개구부를 갖도록 개방된 영역을 갖는 관형의 외부 전극관, 외부 전극관의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관의 내측에 매입되는 유전체관, 유전체관과 공심유도코일 사이에 설치되는 관형의 내부 전극관, 외부 전극관과 내부 전극관의 양단에 상호 방전 거리를 갖도록 양단에 장착되어 지지하는 스페이서를 포함하는 중공형의 플라즈마 챔버; 중공형 플라즈마 챔버로 방전 가스를 공급하는 가스 공급관 및; 외부 전극관과 내부 전극관에 전기적으로 연결되는 제1 전원을 포함한다.According to still another aspect of the present invention, an atmospheric pressure plasma generator includes: a tubular external electrode tube having an open area such that a portion thereof is opened in the longitudinal direction and has an opening for injecting plasma gas, the length being equal to the length of the external electrode tube. And a spacer mounted at both ends to have a mutual discharge distance at both ends of the dielectric tube embedded inside the outer electrode tube, the tubular inner electrode tube installed between the dielectric tube and the hollow core guide coil, and the outer electrode tube and the inner electrode tube. Hollow plasma chamber comprising a; A gas supply pipe supplying a discharge gas to the hollow plasma chamber; And a first power source electrically connected to the outer electrode tube and the inner electrode tube.
이 실시예에 있어서, 플라즈마 챔버의 중공 영역에 장착되는 다수개의 영구 자석들을 포함한다.In this embodiment, a plurality of permanent magnets are mounted in the hollow region of the plasma chamber.
이 실시예에 있어서, 플라즈마 챔버의 중공 영역에 길이 방향으로 장착되는 공심형의 페라이트 코어; 페라이트 코어의 공심 영역을 통해 권선되는 유도 코일; 유도 코일의 양단에 전기적으로 연결되는 제2 전원을 포함한다.In this embodiment, an air core type ferrite core mounted in a longitudinal direction in a hollow region of a plasma chamber; An induction coil wound through the concentric region of the ferrite core; And a second power source electrically connected to both ends of the induction coil.
(실시예)(Example)
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. The embodiments introduced herein are provided to make the disclosed contents thorough and complete, and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 사시도이고 도 2 및 도 3은 도 1의 A-A 단면도와 B-B 단면도이다. 도면을 참조하여, 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치(10)는 전체적으로 원통형으로 오므라져 측면이 'C'형상을 갖는 중공형의 플라즈마 챔버(20)를 갖는다. 여기서 플라즈마 챔버(20)의 형상이 원통형으로 한정되는 것은 아니며 사각, 다각의 통형으로 변형 실시할 수 있다. 플라즈마 챔버(20)의 중공영역(26)에는 중심이 비워지게 나선형으로 감겨진 공심유도코일(33)이 길이 방향으로 설치된다.1 is a perspective view of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 2 and 3 are cross-sectional views A-A and B-B of FIG. 1. Referring to the drawings, the atmospheric pressure plasma generating apparatus 10 of the present invention has a hollow plasma chamber 20 that is generally cylindrical and has a 'C' shape on its side. Here, the shape of the plasma chamber 20 is not limited to a cylindrical shape, but may be modified into a rectangular or polygonal cylindrical shape. In the hollow region 26 of the plasma chamber 20, a hollow core guide coil 33 wound in a spiral shape so that its center is emptied is provided in the longitudinal direction.
구체적으로, 플라즈마 챔버(20)는 관형의 외부 전극관(21), 외부 전극관(21)의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관(21)의 내측에 매입되는 관형의 유전체관(22) 그리고 외부 전극관(21)과 유전체관(22)의 양단에 장착되어 지지하는 스페이서(23a, 23b)를 갖는다. 이와 같이 일정 거리를 두고 마주 대하는 외부 전극관(21)과 유전체관(22)이 전체적으로 원통의 형상을 갖고, 그 양단이 스페이서(23a, 23b)에 의해 막히게 되어, 플라즈마 챔버(20)는 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 그리고 스페이서(23a, 23b)로 이루어지는 챔버를 형성한다.Specifically, the plasma chamber 20 has a tubular outer electrode tube 21, a tubular dielectric tube 22 having the same length as that of the outer electrode tube 21 and embedded in the outer electrode tube 21, and It has spacers 23a and 23b mounted and supported at both ends of the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22. As described above, the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22 facing each other at a predetermined distance have a cylindrical shape, and both ends thereof are blocked by the spacers 23a and 23b, so that the plasma chamber 20 has an external electrode. A chamber consisting of the tube 21, the dielectric tube 22, and the spacers 23a and 23b is formed.
외부 전극관(21)은 길이 방향으로 하부가 개방되어 플라즈마 가스를 배출하는 개구부(24)가 형성되고, 개구부(24)에는 마주대하는 길이 방향의 가스 배출구(25a, 25b)가 형성된다.The outer electrode tube 21 has an opening 24 for discharging the plasma gas by opening the lower portion thereof in the longitudinal direction, and the gas outlets 25a and 25b in the longitudinal direction facing each other are formed in the opening 24.
유전체관(22)은 유리, 알루미나, 질화붕소, 탄화규소, 질화규소, 석영, 산화마그네슘 등과 같은 유전체로 재작할 수 있다. 외부 전극관(21)은 스테인리스, 알루미늄, 구리 등의 도체 금속을 사용하여 재작할 수 있다. 스페이서(29a, 29b)는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다.The dielectric tube 22 can be made of a dielectric such as glass, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, quartz, magnesium oxide, or the like. The external electrode tube 21 can be reconstructed using a conductive metal such as stainless steel, aluminum or copper. It is preferable to use an insulator for the spacers 29a and 29b.
플라즈마 챔버(20)는 방전 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(30)이 설치된다. 이 실시예에서, 가스 공급관(30)은 플라즈마 챔버(20)의 외측 상단 즉, 외부 전극관(21)의 외측 상단에 길이 방향으로 설치된다. 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나 가스 공급관(30)은 가스 공급원(미도시)에 연결된다. 가스 공급관(30)과 외부 전극관(21)은 각기 마주접하는 면으로 다수의 관통된 홀(31, 27)이 형성되며 이 다수의 관통된 홀들(31, 27)을 통하여 플라즈마 챔버(20)로 방전 가스가 고르게 공급된다.The plasma chamber 20 is provided with a gas supply pipe 30 for supplying a discharge gas. In this embodiment, the gas supply pipe 30 is installed in the longitudinal direction at the outer upper end of the plasma chamber 20, that is, the outer upper end of the outer electrode tube 21. Although not illustrated in detail, the gas supply pipe 30 is connected to a gas supply source (not shown). The gas supply pipe 30 and the external electrode pipe 21 are formed to face each other with a plurality of through holes 31 and 27 formed therein, and through the plurality of through holes 31 and 27 to the plasma chamber 20. The discharge gas is supplied evenly.
플라즈마 챔버(20)에는 적어도 하나의 냉각관(32)이 설치될 수 있다. 냉각관(32)은 냉각수 공급원(미도시)에 연결된다. 이 실시예에서 냉각관(32)은 플라즈마 챔버(20)의 상단 즉, 외부 전극관(21)의 상단에 장착된다.At least one cooling tube 32 may be installed in the plasma chamber 20. The cooling tube 32 is connected to a cooling water source (not shown). In this embodiment, the cooling tube 32 is mounted at the top of the plasma chamber 20, that is, at the top of the outer electrode tube 21.
외부 전극관(21)과 공심유도코일(33)의 일단은 제1 전원(36)에 전기적으로 연결된다. 그리고 제1 전원(36)과 공심유도코일(33)의 일단 사이에는 제1 필터(37)가 연결된다. 제1 전원(36)은 플라즈마 발생을 위한 RF 전원을 공급하며 점화(ignite)용 전원이다. 제1 필터(37)는 제1 전원(36)의 주파수 대역만을 통과시키기 위한 대역 필터이다. 이 실시예에서 공심유도코일(33)은 외부 전극관(21)과 함께 플라즈마 방전을 위한 전극으로 기능한다.One end of the external electrode tube 21 and the air core guide coil 33 is electrically connected to the first power source 36. A first filter 37 is connected between the first power source 36 and one end of the air core induction coil 33. The first power source 36 supplies RF power for plasma generation and is a power source for ignite. The first filter 37 is a band pass filter for passing only the frequency band of the first power source 36. In this embodiment, the air core guide coil 33 functions as an electrode for plasma discharge together with the external electrode tube 21.
공심유도코일(33)의 양단에는 제2 전원(34)이 전기적으로 연결되며, 공심유도코일(33)의 일단과 제2 전원(34) 사이에는 제2 필터(35)가 연결된다. 제2 전원(34)은 발생된 플라즈마 가스의 이온 입자를 가속시키는 가속 전원이다. 이와 같이, 공심유도코일(33)의 일단은 제1 및 제2 필터(37, 35)에 의해 제1 및 제2 전원(36, 34)에 공통으로 연결된다.The second power source 34 is electrically connected to both ends of the air core induction coil 33, and the second filter 35 is connected between one end of the air core induction coil 33 and the second power source 34. The second power source 34 is an acceleration power supply for accelerating the ion particles of the generated plasma gas. As such, one end of the air core induction coil 33 is commonly connected to the first and second power sources 36 and 34 by the first and second filters 37 and 35.
도 4 및 도 5는 도 1의 공심유도코일(33)에 의해 유도되는 자기장 및 전기장을 설명하기 위한 도면이다. 도면을 참조하여, 제1 전원(36)이 외부 전극관(21)과 공심유도코일(33)에 RF 전원을 공급하면 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 사이에 제1 전기장(E1)이 발생한다. 제1 전기장(E1)은 외부 전극관(21)과 유전체관(22)의 접선에 수직한 방향을 갖는다. 한편, 제2 전원(34)으로부터 공심유도코일(34)로 RF 전원이 공급되면 중공 영역(26)을 통과하는 자기장(B)이 유도되고 이에 의해 다시 제2 전기장(E2)이 유도된다. 제2 전기장(E2)은 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 사이를 회전하는 경로를 갖게 된다.4 and 5 are diagrams for explaining the magnetic field and the electric field induced by the air core guide coil 33 of FIG. Referring to the drawings, when the first power supply 36 supplies RF power to the external electrode tube 21 and the air core guide coil 33, the first electric field E1 is formed between the external electrode tube 21 and the dielectric tube 22. ) Occurs. The first electric field E1 has a direction perpendicular to the tangent of the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22. On the other hand, when RF power is supplied from the second power supply 34 to the air core guide coil 34, the magnetic field B passing through the hollow region 26 is induced, thereby inducing the second electric field E2. The second electric field E2 has a path that rotates between the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 사시도이고 도 7 및 도 8은 도 6의 C-C 단면도와 D-D 단면도이다. 도면을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예 따른 대기압 플라즈마 발생장치는 공심유도코일(33)을 외부 전극관(21)과는 다른 별도의 전원 공급 계통을 갖도록 한다.6 is a perspective view of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to a second embodiment of the present invention, and FIGS. 7 and 8 are cross-sectional views taken along line C-C and D-D of FIG. 6. Referring to the drawings, the atmospheric pressure plasma generating apparatus according to the second embodiment of the present invention has the air core guide coil 33 having a separate power supply system different from the external electrode tube 21.
이를 위해, 플라즈마 챔버(20)는 유전체관(22)과 공심유도코일(33) 사이에 내부 전극관(40)을 더 구비한다. 내부 전극관(40)은 관형을 갖되 길이 방향으로 개방된 다수의 슬릿(slit)(42)을 갖는다. 외부 전극관(21)과 내부 전극관(40)은 제1 전원(36)에 전기적으로 연결되고, 공심유도코일(33)은 제2 전원(34)에 연결된다.To this end, the plasma chamber 20 further includes an inner electrode tube 40 between the dielectric tube 22 and the co-induction coil 33. The inner electrode tube 40 has a tubular shape but has a plurality of slits 42 open in the longitudinal direction. The outer electrode tube 21 and the inner electrode tube 40 are electrically connected to the first power source 36, and the air core guide coil 33 is connected to the second power source 34.
제1 전원(36)이 외부 전극관(21)과 내부 전극관(40)에 RF 전원을 공급하면 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 사이에 제1 전기장(E1)이 발생한다. 제1 전기장(E1)은 외부 전극관(21)과 유전체관(22)의 접선에 수직한 방향을 갖는다. 한편, 제2 전원(34)으로부터 공심유도코일(34)로 RF 전원이 공급되면 중공 영역(26)을 통과하는 자기장(B)이 유도되고 이에 의해 다시 제2 전기장(E2)이 유도된다. 제2 전기장(E2)은 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 사이를 회전하는 경로를 갖게 된다.When the first power source 36 supplies RF power to the outer electrode tube 21 and the inner electrode tube 40, a first electric field E1 is generated between the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22. The first electric field E1 has a direction perpendicular to the tangent of the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22. On the other hand, when RF power is supplied from the second power supply 34 to the air core guide coil 34, the magnetic field B passing through the hollow region 26 is induced, thereby inducing the second electric field E2. The second electric field E2 has a path that rotates between the outer electrode tube 21 and the dielectric tube 22.
이상과 같은 본 발명의 플라즈마 발생장치는 플라즈마 방전에 의해 발생된 이온 입자들이 제1 및 제2 전기장(E1, E2)의 영향을 받아 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 사이를 회전하는 가속 경로를 갖게 된다. 그럼으로 외부 전극관(21)이나 유전체관(22)에 수직으로 충돌하는 이온 입자의 비율이 낮아짐과 함께 충돌각 또한 작아져 전극관과 유전체가 쉽게 손상되는 것을 방지하여 수명을 길게 할 수 있다. 그럼으로 본 발명의 대기압 플라즈마 장치는 고전압을 인가하는 경우에도 이온 입자의 강한 충돌에 의한 손상을 방지할 수 있어 고전압을 이용한 고밀도의 강력한 플라즈마를 얻을 수 있다.In the plasma generating apparatus of the present invention as described above, the ion particles generated by the plasma discharge rotate between the external electrode tube 21 and the dielectric tube 22 under the influence of the first and second electric fields E1 and E2. You have an acceleration path. Therefore, the ratio of the ion particles colliding perpendicularly to the external electrode tube 21 or the dielectric tube 22 is lowered, and the collision angle is also reduced, thereby preventing the electrode tube and the dielectric from being easily damaged and thus extending the life. Therefore, the atmospheric pressure plasma apparatus of the present invention can prevent the damage caused by the strong collision of the ion particles even when a high voltage is applied, thereby obtaining a high-density and powerful plasma using the high voltage.
이와 같이, 플라즈마 챔버(20)의 내부에 유도 기전력이 전달되어 플라즈마 이온 입자의 가속이 이루어짐으로 고밀도의 플라즈마가 균일하게 발생되어 개구부(24)를 통해 하부로 플라즈마 가스가 분사된다.As such, the induced electromotive force is transferred to the inside of the plasma chamber 20 to accelerate the plasma ion particles, thereby uniformly generating high-density plasma so that the plasma gas is injected downward through the opening 24.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치로서 플라즈마 챔버의 중공 영역에 다수개의 영구 자석을 배치한 예를 보여주는 도면이고, 도 10 및 도 11은 도 9의 A-A 단면도와 B-B 단면도이다.FIG. 9 is a view showing an example of arranging a plurality of permanent magnets in a hollow region of a plasma chamber as an atmospheric pressure plasma generator according to a third embodiment of the present invention. FIGS. 10 and 11 are cross-sectional views taken along line AA and BB of FIG. to be.
도면을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치(50)는 상술한 제1 및 제2 실시예에서와 같이 전체적으로 원통형으로 오므라져 측면이 'C'형상을 갖는 중공형의 플라즈마 챔버(60)를 갖는다. 여기서 플라즈마 챔버(20)의 형상이 원통형으로 한정되는 것은 아니며 사각, 다각의 통형으로 변형 실시할 수 있다. 플라즈마 챔버(60)의 중공영역(67)에는 다수의 영구자석들(80)이 직렬로 배열된다. 영구자석들(80)은 전극이 각기 동일하게(또는 서로 다르게) 마주보도록 배열된다.Referring to the drawings, the atmospheric pressure plasma generating apparatus 50 according to the third embodiment of the present invention is hollow as shown in the first and second embodiments described above, and is generally hollow, having a 'C' shape on its side. It has a plasma chamber 60. Here, the shape of the plasma chamber 20 is not limited to a cylindrical shape, but may be modified into a rectangular or polygonal cylindrical shape. A plurality of permanent magnets 80 are arranged in series in the hollow region 67 of the plasma chamber 60. The permanent magnets 80 are arranged such that the electrodes face each other identically (or differently).
구체적으로, 플라즈마 챔버(60)는 관형의 외부 전극관(61), 외부 전극관(61)의 길이와 동일한 길이를 갖고 외부 전극관(61)의 내측에 매입되는 관형의 유전체관(62), 유전제관(62)의 내측에 매입되는 관형의 내부 전극관(63) 그리고 외부 전극관(61)과 유전체관(22)의 양단에 장착되어 지지하는 스페이서(69a, 69b)를 갖는다.Specifically, the plasma chamber 60 has a tubular outer electrode tube 61, a tubular dielectric tube 62 having the same length as that of the outer electrode tube 61 and embedded in the outer electrode tube 61, And a tubular inner electrode tube 63 embedded in the dielectric tube 62 and spacers 69a and 69b mounted and supported at both ends of the outer electrode tube 61 and the dielectric tube 22.
이와 같이 일정 거리를 두고 마주 대하는 외부 전극관(61), 유전체관(62)이 전체적으로 원통의 형상을 갖고, 그 양단이 스페이서(69a, 69b)에 의해 막히게 되어, 플라즈마 챔버(20)는 외부 전극관(21)과 유전체관(22) 그리고 스페이서(23a, 23b)로 이루어지는 챔버를 형성한다.As described above, the outer electrode tube 61 and the dielectric tube 62 facing each other at a predetermined distance have a cylindrical shape, and both ends thereof are blocked by the spacers 69a and 69b, so that the plasma chamber 20 has an external electrode. A chamber consisting of the tube 21, the dielectric tube 22, and the spacers 23a and 23b is formed.
외부 전극관(61)은 길이 방향으로 하부가 개방되어 플라즈마 가스를 배출하는 개구부(64)가 형성되고, 개구부(64)에는 마주대하는 길이 방향의 가스 배출구(65a, 65b)가 형성된다.The outer electrode tube 61 has an opening 64 through which the lower part is opened in the longitudinal direction to discharge the plasma gas, and the openings 64 are formed with gas outlets 65a and 65b facing each other in the longitudinal direction.
유전체관(62)은 유리, 알루미나, 질화붕소, 탄화규소, 질화규소, 석영, 산화마그네슘 등과 같은 유전체로 재작할 수 있다. 외부 전극관(61)과 내부 전극관(63)은 스테인리스, 알루미늄, 구리 등의 도체 금속을 사용하여 재작할 수 있다. 스페이서(69a, 69b)는 절연체를 사용하는 것이 바람직하다.The dielectric tube 62 can be made of a dielectric such as glass, alumina, boron nitride, silicon carbide, silicon nitride, quartz, magnesium oxide, or the like. The outer electrode tube 61 and the inner electrode tube 63 can be reworked using a conductive metal such as stainless steel, aluminum, or copper. It is preferable to use an insulator for the spacers 69a and 69b.
플라즈마 챔버(60)는 방전 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(70)이 설치된다. 이 실시예에서, 가스 공급관(70)은 플라즈마 챔버(60)의 외측 상단 즉, 외부 전극관(61)의 외측 상단에 길이 방향으로 설치된다. 도면에는 구체적으로 도시하지 않았으나 가스 공급관(70)은 가스 공급원(미도시)에 연결된다. 가스 공급관(60)과 외부 전극관(61)은 각기 마주접하는 면으로 다수의 관통된 홀(68, 71)이 형성되며 이 다수의 관통된 홀들(68, 71)을 통하여 플라즈마 챔버(60)로 방전 가스가 고르게 공급된다.The plasma chamber 60 is provided with a gas supply pipe 70 for supplying a discharge gas. In this embodiment, the gas supply pipe 70 is provided in the longitudinal direction at the outer top of the plasma chamber 60, that is, the outer top of the outer electrode tube 61. Although not illustrated in detail, the gas supply pipe 70 is connected to a gas supply source (not shown). The gas supply pipe 60 and the outer electrode tube 61 are formed to face each other with a plurality of through holes 68 and 71 formed therein, and through the plurality of through holes 68 and 71 to the plasma chamber 60. The discharge gas is supplied evenly.
플라즈마 챔버(60)에는 적어도 하나의 냉각관(72)이 설치될 수 있다. 냉각관(72)은 냉각수 공급원(미도시)에 연결된다. 이 실시예에서 냉각관(32)은 플라즈마 챔버(60)의 상단 즉, 외부 전극관(61)의 상단에 장착된다.At least one cooling tube 72 may be installed in the plasma chamber 60. The cooling tube 72 is connected to a cooling water source (not shown). In this embodiment, the cooling tube 32 is mounted on the top of the plasma chamber 60, that is, on the top of the outer electrode tube 61.
외부 전극관(61)과 내부 전극관(63)은 제1 전원(66)에 전기적으로 연결된다. 외부 전극관(61)과 내부 전극관(63)으로 제1 전원(66)으로부터 RF 전원이 입력되면 플라즈마 챔버(60)로 입력된 반응 가스는 플라즈마 방전이 이루어진다. 플라즈마 가스의 이온 입자들은 중공영역(67)에 장착된 다수의 영구자석들(80)에 의해 가속 경로가 영향을 받게 된다. 즉, 외부 전극관(61)과 유전체관(62)에 수직으로 충돌하는 경우가 매우 낮아지게 된다.The outer electrode tube 61 and the inner electrode tube 63 are electrically connected to the first power source 66. When RF power is input from the first power source 66 to the outer electrode tube 61 and the inner electrode tube 63, the reaction gas input to the plasma chamber 60 is plasma discharged. The ion particles of the plasma gas are affected by the acceleration path by the plurality of permanent magnets 80 mounted in the hollow region 67. In other words, the vertical collision with the external electrode tube 61 and the dielectric tube 62 becomes very low.
도 12는 플라즈마 챔버의 중공 영역에 유도 코일이 권선된 장축의 공심 페라이트 코어를 설치한 예를 보여주는 도면이다. 플라즈마 챔버(60)의 중공영역(67)에는 장축의 페라이트 코어(90)가 장착될 수 있다. 페라이트 코어(90)는 공심 형상을 갖고, 공심 영역(92)을 통하여 유도 코일(96)이 권선된다. 유도 코일은 제2 전원(94)에 전기적으로 연결된다. 제2 전원(94)으로부터 RF 전원이 유도 코일(96)로 공급되면 페라이트 코어(90)를 따라 자기장이 유도되고 이에 의해 다시 길이 방향으로 전기장이 유도된다. 플라즈마 챔버(60)에 발생된 플라즈마 가스의 이온 입자들은 길이 방향으로 가속되는 경로를 갖게된다.FIG. 12 is a diagram showing an example in which a long axis concentric ferrite core in which an induction coil is wound is installed in a hollow region of a plasma chamber. The long region ferrite core 90 may be mounted in the hollow region 67 of the plasma chamber 60. The ferrite core 90 has a concentric shape, and the induction coil 96 is wound through the concentric region 92. The induction coil is electrically connected to the second power source 94. When RF power is supplied from the second power supply 94 to the induction coil 96, a magnetic field is induced along the ferrite core 90, thereby again inducing the electric field in the longitudinal direction. Ion particles of the plasma gas generated in the plasma chamber 60 have a path accelerated in the longitudinal direction.
이상과 같은 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 대기압 플라즈마 장치는 공정 특성이나 작업 대상물의 크기에 적합하게 두 개 이상의 플라즈마 발생장치를 연합하여 대면적으로 플라즈마를 발생할 수 있다.The atmospheric pressure plasma apparatus according to the first to third embodiments of the present invention as described above may generate plasma in a large area by associating two or more plasma generators to suit process characteristics or the size of a work object.
이상에서, 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 구성 및 작용을 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였으나, 이는 일 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.In the above, the configuration and operation of the atmospheric pressure plasma generating apparatus according to the present invention has been shown in accordance with the above description and drawings, but this is merely described as an example and various changes and modifications within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. Of course this is possible.
이상에서 상세하게 설명한 바에 의하면, 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치는 공심유도코일을 사용하여 플라즈마 방전을 위한 전기장과 가속을 위한 전기장을 동시에 발생하고, 가속을 위한 전기장이 유전체에 수평으로 회전하는 방향으로 발생함으로서 이온 입자들이 유전체에 강하게 충돌하는 것을 막아 유전체의 수명을 길게 하고 고전압의 사용을 가능하게 하여 고밀도의 플라즈마를 얻을 수 있다.As described in detail above, the atmospheric pressure plasma generating apparatus of the present invention simultaneously generates an electric field for plasma discharge and an electric field for acceleration by using a hollow core induction coil, and the electric field for acceleration rotates horizontally in the dielectric. It is possible to prevent ion particles from colliding strongly with the dielectric material, thereby prolonging the lifetime of the dielectric material and enabling the use of a high voltage, thereby obtaining a high density plasma.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 사시도;1 is a perspective view of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to a first embodiment of the present invention;
도 2 및 도 3은 도 1의 A-A 단면도와 B-B 단면도;2 and 3 are sectional views A-A and B-B of FIG. 1;
도 4 및 도 5는 도 1의 공심유도코일에 의해 유도되는 자기장 및 전기장을 설명하기 위한 도면;4 and 5 are views for explaining the magnetic field and the electric field induced by the air core guide coil of FIG.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치의 사시도;6 is a perspective view of an atmospheric pressure plasma generating apparatus according to a second embodiment of the present invention;
도 7 및 도 8은 도 6의 C-C 단면도와 D-D 단면도; 그리고7 and 8 are cross-sectional views taken along line C-C and D-D of FIG. 6; And
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 대기압 플라즈마 발생장치로서 플라즈마 챔버의 중공 영역에 다수개의 영구 자석을 배치한 예를 보여주는 도면;9 is a view showing an example of arranging a plurality of permanent magnets in a hollow region of a plasma chamber as an atmospheric pressure plasma generator according to a third embodiment of the present invention;
도 10 및 도 11은 도 9의 A-A 단면도와 B-B 단면도; 그리고10 and 11 are cross-sectional views A-A and B-B of FIG. 9; And
도 12는 플라즈마 챔버의 중공 영역에 유도 코일이 권선된 장축의 공심 페라이트 코어를 설치한 예를 보여주는 도면이다.FIG. 12 is a diagram showing an example in which a long axis concentric ferrite core in which an induction coil is wound is installed in a hollow region of a plasma chamber.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 플라즈마 발생장치 20: 플라즈마 챔버10: plasma generator 20: plasma chamber
21: 외부 전극관 22: 유전체관21: external electrode tube 22: dielectric tube
33: 공심유도코일 34, 36: 전원33: air core guide coil 34, 36: power supply
40: 내부전극관40: internal electrode tube
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Legal Events
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