KR20050119563A - 상압 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기존의 유전체 베리어 방식의 문제점을 해결할 수 있도록 하며, 3차원 구조의 시편도 처리할 수 있으며, 대면적이 가능하고, 고 밀도 플라즈마 발생이 가능하며, 플라즈마 밀도 조절이 용이하게 이루어지고, 코로나(corona), 노말 글로우(normal glow), 어브노말 글로우(abnormal glow) 방전 등 플라즈마의 종류를 간단하게 조절할 수 있도록 하는 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서,
하나 이상의 곡선을 갖는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 마주하여 하나 이상의 곡선을 갖는 제2 전극에 소정의 전원 공급장치를 이용하여 전원을 인가하고, 상기 각 제1 전극 및 제2 전극 사이에 작업 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 망사, 판 또는 선 구조를 가지는 것이 바람직하고, 상기 작업 가스의 방향이 제1 전극 및 제2 전극의 면에 일정 각도를 가지는 것이 바람직하다, 또한, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 하부에 바이어스 전극이 위치하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 바이어스 전극의 사이에 시편이 위치하며, 상기 시편과 바이어스 전극의 사이에 유전체가 위치하도록 구성되는 것이 바람직하다.

Description

상압 플라즈마 발생장치{HIGH PRESSURE PLASMA DISCHARGE DEVICE}
본 발명은 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 마주하는 곡률 구조 형태의 전극 구조 쌍에 적절한 전류 제한 전원을 연결하고 작업가스의 방향 및 유량을 조절하여 다양한 크기 및 종류의 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 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 ∼ 수 Torr) 플라즈마와 상압(수 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 유전체 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, 유전체 파괴가 일어나지 않는 적절한 두께 이상을 유지해야하고 그 두께의 유전체로 인한 전류 억제로 인하여 낮은 플라즈마 밀도를 얻을 수밖에 없는 구조이다. 유전체 방식의 경우 발생되는 플라즈마 시간이 매우 짧아 높은 피크의 전류를 사용하게 되어 실제 사용 전력 보다 매우 높은 전원 장치가 사용되는 단점이 있다.
또한, 유전체로 세라믹 등을 이용하므로 열에 약한 단점을 가진다. 또한 유전체에서 벽전하로 인하여 많은 에너지가 열로 손실되어 에너지 효율이 낮으며, 스트리머 (streamer) 플라즈마가 발생되어 플라즈마의 균일도가 나빠지는 단점 등이 있다.
이와 같은 상, 하 전극의 유전체 배리어 타입은 발생되는 플라즈마의 길이가 전극간 내부로 한정되어 그 길이가 크지 않아 3 차원 구조의 시편 등의 처리에는 적합하지 않다. 플라즈마 토치, 플라즈마 샤워 등은 3 차원 구조의 시편 등을 처리하는데 적합하지만 현재까지 개발된 것들이 아크 플라즈마용이 대부분으로 플라즈마 발생 면적이 작으며 열 플라즈마로 인하여 적용되는 분야가 한정적이다. 최근 특허 등록된 유전체 베리어에 의한 플라즈마 샤워 타입 (Y. Sawada, K. Nakamura, H. Kitamura, Y. Inoue, "Plasma treatment apparatus and plasma treatment method performed by use of the same apparatus", US patent 6,424,091 (Jul. 23, 2002))은 아크의 고온 플라즈마가 아닌 코로나 또는 글로우 방전으로 대면적이 가능한 저온 플라즈마 샤워 타입이다. 그러나 유전체를 사용함으로 앞에서 언급한 단점과, 제작의 어려움과 냉각수를 사용하며, 전극간의 거리가 매우 짧아서 플라즈마의 발생 길이가 작다. 따라서 3 차원 구조의 시편을 처리하기에는 제한적인 문제가 있다.
본 발명은 종래 기술에 있어서의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 기존의 유전체 베리어 방식의 문제점을 해결할 수 있는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 3차원 구조의 시편도 처리할 수 있으며, 대면적이 가능하고, 고 밀도 플라즈마 발생이 가능하며, 플라즈마 밀도 조절이 용이하게 이루어질 수 있는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 에너지 효율이 높고, 구조가 간단하며, 저비용의 상용성을 가지는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 코로나(corona), 노말 글로우(normal glow), 어브노말 글로우(abnormal glow) 방전 등 플라즈마의 종류를 간단하게 조절할 수 있도록 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 하나 이상의 곡선을 갖는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 마주하여 하나 이상의 곡선을 갖는 제2 전극에 소정의 전원 공급장치를 이용하여 전원을 인가하고, 상기 각 제1 전극 및 제2 전극 사이에 작업 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 상압 플라즈마 발생장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 제1 전극 및 제2 전극은 망사, 판 또는 선 구조를 가지는 것이 바람직하고, 상기 작업 가스의 방향이 제1 전극 및 제2 전극의 면에 일정 각도를 가지는 것이 바람직하다,
또한, 본 발명의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 하부에 바이어스 전극이 위치하도록 구성되는 것이 바람직하고, 상기 전원 공급장치의 센터 텝이 상기 바이어스 전극에 연결되어 구성되는 것이 바람직하며, 상기 바이어스 전극과 상기 전원 공급장치의 센터 텝에 연결되는 바이어스 전원장치를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 바이어스 전원장치의 앞에 연결되는 전자기 필터를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 바이어스 전극의 사이에 시편이 위치하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 시편과 바이어스 전극의 사이에 유전체가 위치하도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 바이어스 전극이 롤(roll) 구조를 갖도록 구성되는 것이 바람직하고, 이때, 상기 제1 전극 및 제2 전극의 모양이 상기 바이어스 전극의 롤 구조에 따라 일정 곡률을 가지도록 구성되며, 유전체가 상기 바이어스 전극의 롤 구조를 감싸도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 부가적인 특징에 따르면, 상기 작업 가스의 유량을 조절하는 소정의 조절기를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
첨부도면 도 1a는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 구성을 나타내는 입체도이고, 도 1b는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 제1 전극 및 제2 전극의 구조를 나타내는 도면이고, 도 1c는 정면에서 작업가스 흐름을 나타내기 위한 도 1a에서 AA-AAA의 단면도이며, 도 1d는 측면에서 작업가스 흐름을 나타내기 위한 도 1a에서 BB-BBB의 단면도이다.
또한, 첨부도면 도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 롤 타입 시편 처리를 위한 상압 플라즈마 발생장치의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 상압 플라즈마 발생장치에 적용되는 단일 전원 공급 장치의 구성을 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치에 적용되는 독립 바이어스 전원을 포함한 전원 공급장치의 구성을 나타내는 도면이다.
상기 각 첨부도면을 참조하여 본 발명의 상압 플라즈마 발생장치를 설명하면, 도 1a에 도시된 바와 같이 망사 또는 판 모양의 제1 전극(11)과 제2 전극(12)이 구비된다. 이때, 상기 제1 전극(11)에는 도 3 또는 도 4에서 X로 표시된 전류 제한 AC 또는 DC 전압이 가해지고, 상기 제2 전극(12)에는 도 3 또는 도 4에서 Y로 표시된 전류 제한 AC 또는 DC 전압이 가해진다.
도 1b를 참조하여 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12)을 상세히 설명하면, 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12)에서 마주하는 선이 굴곡을 갖고 있다. 여기서 d1은 각 전극(11,12) 사이에서 가장 가까운 거리를 나타내며, 도면에서 표시된 각각의 거리는 d1 < d2 ≤ d3 ≤ · · · ≤ dn의 관계를 유지해야 한다.
상기와 같은 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 사이에 도 1c 및 도 1d에서와 같이 전극 면에 대해 일정 각도로 작업가스를 유속시켜 플라즈마(16) 발생을 하부로 유도한다. 이때, 상기 작업가스는 모든 종류의 가스를 사용할 수 있다.
또한, 상기 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)의 하부에 시편(15)을 위치하고, 상기 시편(15) 하부에 유전체(14)를 위치하며, 유전체(14) 하부에 바이어스 전극(13)을 위치한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 작동 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
작업 가스가 유속되는 상태에서 고전압의 AC 또는 DC가 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12)에 인가되면 거리가 가장 짧은 d1에서 우선 스트리머(Streamer) 플라즈마가 발생한다. 스트리머 플라즈마는 작업 가스의 유속에의해 상기 제1 전극(11)과 제2 전극(12)의 곡선을 타고 플라즈마 발생을 유도시킨다. 즉, 일반적으로 플라즈마 발생이 이루어지지 않는 d2 이상의 거리에서도 플라즈마가 형성되게 된다.
이때, 작업 가스의 흐름이 도 1c와 도 1d와 같이 일정 각도로 흐르고, 바이어스 전극(13)에 도 3 또는 도 4의 Z가 연결되어 바이어스 전원이 인가되면 발생된 플라즈마가 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)과 바이어스 전극(13) 사이에 형성된 전기장에 의해 쉽게 유도 발생되어 도 1c 및 도 1d와 같이 플라즈마(16)가 형성된다. 상기에서 발생되는 플라즈마(16)의 밀도 및 균일성 등의 특성은 작업 가스 흐름의 방향 및 세기, 제1 전극(11) 및 제2 전극(12)에 인가된 전원의 파워, 바이어스 전원의 전압 및 거리 등에 영향 받는다.
일반적으로 플라즈마가 발생되지 않는 거리 즉, 1차 전극 (11) 및 2차 전극 (12)의 상부전극과 바이어스 전극(13) 사이의 거리에서 상기와 같은 구조에서는 플라즈마가 형성되어 보다 큰 볼륨의 플라즈마도 형성시킬 수 있어 적절한 3 차원 구조의 시편을 처리 가능케 한다. 본 발명과 관련성 있는 플라즈마 발생 원리에 대한 참고적인 설명은 본 출원인에 의하여 출원한 특허 출원번호 제 10-2003-0007091 호에 자세히 서술되어 있다.
한편, 상기 첨부도면 도 2는 롤(Roll) 타입의 시편(25)을 처리할 때의 상세도를 나타내고 있다. 곡률반경을 갖는 1차 전극(21) 및 2차 전극(22)의 모양이 롤의 구조(참조번호 23, 24 참조)와 같은 간격을 만들기 위해 일정 곡률의 구조로 형성되어 있으며, 원통 모양의 바이어스 전극(23)과 상기 바이어스 전극(23)을 감싼 유전체(24)를 포함하는 구조로 되어 있다.
이 경우의 작동 원리는 상기에서 서술한 바와 같으므로 생략한다.
한편, 도 3은 본 발명에 의한 상압 플라즈마 발생장치에 적용되는 단일 전원 공급 장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 전원 공급장치(31)와 센터 텝을 갖는 고 전압 트랜스포머(32)로 센터 텝은 바이어스 전극(13, 23)에 연결시켜 바이어스 포텐셜을 만들어 준다.
또한, 도 4는 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치에 적용되는 독립 바이어스 전원을 포함한 전원 공급장치의 구성을 나타내는 도면으로서, 센터 텝을 갖는 고 전압 트랜스포머(42)의 센터 텝을 EMI 필터(44)를 통하여 AC 또는 DC 바이어스 전원 공급장치(43)에 연결되어 있어 독립적으로 바이어스 전압을 인가할 수 있게 구성되어 있다. 상기 EMI 필터(44)는 전원 공급장치(41)과 바이어스 전원 공급장치(43) 사이에 간섭으로 인한 과부하 방지 및 누설 전류 방지를 위한 것으로 고역통과필터(High Pass Filter) 또는 저역통과필터(Low Pass Filter)로 구성된다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 발생 장치는, 단순히 곡선을 갖는 망사 또는 판 전극 쌍과 바이어스 전극을 사용함으로서 구조가 간단하여 유지 관리에 소요되는 시간과 노동력을 저감시킬 수 있고, 내구성 또한 높게 된다는 효과가 있다.
또한, 작업 가스 흐름 조절 시스템을 사용하여 고효율이며, 구조가 간단하고, 저비용으로 상용성을 가지는 대면적의 플라즈마 발생장치를 제작할 수 있는 효과가 있다.
또한, 복잡한 3차원 시편은 물론 시편 종류에 상관없이 금속, 반도체, 플라스틱, 세라믹 등 어떠한 재료도 손쉽게 세정 및 표면개질이 가능하며, 간단히 작업가스 방향 및 유속량 및 전력 전압을 바꿈으로서 다양한 플라즈마 타입 즉, 노말 글로우, 어브노말 글로우 플라즈마를 얻을 수 있어 다양한 기판 처리 조건을 만족시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 구성을 나타내는 입체도
도 1b는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 제1 전극 및 제2 전극의 구조를 나타내는 도면
도 1c는 정면에서 작업가스 흐름을 나타내기 위한 도 1a에서 AA-AAA의 단면도
도 1d는 측면에서 작업가스 흐름을 나타내기 위한 도 1a에서 BB-BBB의 단면도
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 롤 타입 시편 처리를 위한 상압 플라즈마 발생장치의 구성을 나타내는 단면도
도 3은 본 발명에 의한 상압 플라즈마 발생장치에 적용되는 단일 전원 공급 장치의 구성을 나타내는 도면
도 4는 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치에 적용되는 독립 바이어스 전원을 포함한 전원 공급장치의 구성을 나타내는 도면
< 도면의 주요 부분에 대한 부호에 대한 설명 >
11 : 제1 전극 12 : 제2 전극
13 : 바이어스 전극 14 : 유전체
15 : 시편 16 : 플라즈마
21 : 곡률 반경을 갖는 1차 전극 22 : 곡률 반경을 갖는 2차 전극
23 : 원통 구조의 바이어스 전극 24 : 유전체
25 : 시편 26 : 플라즈마
31,41 : 전원 공급장치 32,42 : 트랜스포머
43: 바이어스 전원 공급 장치 44: EMI 필터

Claims (13)

  1. 하나 이상의 곡선을 갖는 제1 전극과, 상기 제1 전극과 마주하여 하나 이상의 곡선을 갖는 제2 전극에 소정의 전원 공급장치를 이용하여 전원을 인가하고, 상기 각 제1 전극 및 제2 전극 사이에 작업 가스를 공급하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극은 망사, 판 또는 선 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 가스의 방향이 제1 전극 및 제2 전극의 면에 일정 각도를 가지는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극의 하부에 바이어스 전극이 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 전원 공급장치의 센터 텝이 상기 바이어스 전극에 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 바이어스 전극과 상기 전원 공급장치의 센터 텝에 연결되는 바이어스 전원장치를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이어스 전원장치의 앞에 연결되는 전자기 필터를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극과 상기 바이어스 전극의 사이에 시편이 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시편과 바이어스 전극의 사이에 유전체가 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  10. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 바이어스 전극이 롤(roll) 구조를 갖도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  11. 제 1 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극의 모양이 상기 바이어스 전극의 롤 구조에 따라 일정 곡률을 가지도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    유전체가 상기 바이어스 전극의 롤 구조를 감싸도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업 가스의 유량을 조절하는 소정의 조절기를 더 포함하여 구성됨 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
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