KR20060001859A - 상압 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 유전체의 채널 구조에 의해 높은 전기장을 형성하고 전극 내부에 낮은 압력을 만드는 공간을 만들어 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성되는 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서,
본 발명을 적용하면, 시편의 크기에 관계없이 균일하게 처리할 수 있으며, LCD, PDP 제조 등에서의 활용을 극대화할 수 있으며, 플라즈마 밀도를 용이하게 조절하여 시편 종류에 상관없이 금속, 반도체, 플라스틱, 세라믹 등 어떠한 재료도 손쉽고 안정적으로 세정 및 표면개질이 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.

Description

상압 플라즈마 발생장치{ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA GENERATING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 측면도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 제2 전극 채널 및 유전체의 채널간 크기 관계를 나타내는 도면
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치에서 발생된 플라즈마의 입체도
< 도면의 주요 부분에 대한 부호에 대한 설명 >
1 : 제1 전극 2 : 제2 전극
2a : 제2 전극 채널(Channel) 2b : 제2 전극 공간(Space)
3 : 유전체 3a : 유전체 채널
4 : 아크 방지 유전체 5 : 플라즈마
6 : 시편 7 : 챔버
8 : 타 작업가스 공급 관 9 : 작업가스 공급 팬 (Fan)
10 : 작업가스 통로 11 : 차단막
< 도면의 주요 부분에 대한 기호에 대한 설명 >
w1 : 유전체 채널폭 w2 : 제2 전극 공간폭
w3 : 제2 전극 채널폭 d1 : 유전체 두께
d2 : 제2 전극 공간 두께 d3 : 제2 전극 채널두께
본 발명은 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 유전체의 채널 구조에 의해 높은 전기장을 형성하고 전극 내부에 낮은 압력을 만드는 공간을 만들어 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 구성되는 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마란 제4 의 물질상태로써 외부에서 가해진 전기장 등에 의하여 생성된 이온, 전자, 라디칼 및 중성입자로 구성되어 전기적으로 중성을 이루는 물질상태를 의미한다.
플라즈마는 발생 압력에 따라 저압(수 mmTorr - 수 Torr) 플라즈마와 상압(수 Torr - 760 Torr) 플라즈마로 구분될 수 있는데, 저압 플라즈마는 생성은 용이하나 저압 상태를 유지하기 위하여 진공 챔버, 배기 장치 등이 요구되어 생성비용이 고가이며, 저압 플라즈마 생성을 위한 장치는 배치 타입(batch type)의 제품 투 입 방식으로 인하여 대량처리에 한계를 드러내며, 비교적 적은 면적의 시편에만 적용될 수 있다는 단점이 있어서, 고가의 장비없이 대량 생산을 할 수 있는 상압 플라즈마를 위한 상압 대면적 플라즈마 발생장치들이 많이 개발되고 있는 실정이다.
기존의 상압 대면적 플라즈마 발생장치들로는 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)), 저항체 타입 (Yu. S. Akishev, A. A. Deryugin, I. V.Kochetov, A. P. Napartovich, and N. I. Trushkin, J. Phys. D: Appl. Phys. V26, p1630 (1993)), 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입 (Erich E. Kunhardt, Kurt H. Becker, "Glow plasma discharge device having electrode covered with perforated dielectric", US patent 5,872,426 (Feb. 16, 1999))등이 있다.
그러나, 상기 AC 배리어(barrier) 타입은 균일한 플라즈마를 형성하지만 플라즈마 밀도가 낮으며 유전체에 의한 에너지 손실이 크며, 상기 저항체 타입은 상압에서 대면적의 안정한 DC 플라즈마를 얻을 수 있지만, 저항체에서 에너지의 많은 부분이 손실되어 비효율적이며 플라즈마의 균일성도 떨어지게 되며, 상기 천공된 유전체(Perforated Dielectric) 또는 세관(Capillary) 타입도 플라즈마의 균일성이 떨어지며 홀 내부 벽에서 전자와 이온이 결합하여 열이 발생하므로 에너지 손실이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은유전체의 채널 구조에 의해 높은 전기장을 형성하고 전극 내부에 낮은 압력을 만드는 공간을 만들어 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 플라즈마 밀도를 용이하게 조절하여 전도성 시편 및 비전도성 시편으로 구성된 복합 시편을 안정적으로 처리할 수 있도록 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 고밀도의 플라즈마가 한정된 공간에 국한되지 않고 외부로 발생되는 구조로 실현하여 시편의 크기에 관계없이 균일하게 처리할 수 있도록 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면 평판 모양의 제1 전극과, 상기 제1 전극의 하부에 접촉되는 아크 방지용 유전체와, 상기 아크 방지용 유전체로부터 소정 거리 이격되어 적어도 하나 이상의 긴 유전체 채널을 갖는 유전체와, 상기 유전체 하부에 적어도 하나 이상의 긴 제2 전극 채널 및 제2 전극 공간을 갖는 판 모양의 제2 전극과, 작업가스를 공급하는 작업가스 공급부와, 상기 구성부품을 수용하는 챔버로 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 작업가스 공급부는 작업가스 공급 팬 및 다른 작업가스 공급 관을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 제1 전극은 판 모양의 방열판 구조 또는 냉각수 중 어느 하나를 이용하여 냉각되는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 제2 전극 공간이 유전체 쪽에 근접하여 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 제2 전극은 접지시키는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 플라즈마 처리대상은 제2 전극으로부터 소정 거리 이격되어 상기 챔버의 외부에 배치되는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 유전체 채널의 폭을 w1라 하고, 상기 제2 전극 공간의 폭을 w2라 하고, 상기 제2 전극 채널의 폭을 w3라 두면, w1<w3<w2의 관계를 유지하는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 유전체의 두께를 d1이라 두면, 상기 유전체 채널폭 w1과 상기 유전체 두께 d1은 d1/w1 = 1 ~ 10 의 관계를 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명 확하게 될 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.
첨부도면 도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 제2 전극 채널 및 유전체의 채널간 크기 관계를 나타내는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치에서 발생된 플라즈마의 입체도이다.
상기 첨부도면 도 1 및 도 2를 참조하면, 도면부호 1은 제1 전극을 나타내고, 도면부호 2는 제2 전극, 2a는 제2 전극 채널(Channel), 2b는 제2 전극 공간(Space)을 나타내며, 도면부호 3은 유전체, 3a는 유전체 채널을 나타내며, 도면부호 4는 아크 방지 유전체, 5는 플라즈마, 6은 시편, 7은 챔버, 8은 타 작업가스 공급 관 9는 작업가스 공급 팬(Fan), 10은 작업가스 통로 및 11은 차단막을 나타낸다.
상기 제1 전극(1)은 금속으로 이루어져 있으며 평판 모양의 방열판 구조로 형성되어 쉽게 열을 방출하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 전극(1)은 소정의 냉각수에 의하여 냉각되는 것이 바람직하다.
상기 아크 방지 유전체(4)는 상기 제1 전극에 하부에 접촉하여 위치한다. 상기 유전체(3)는 상기 아크 방지 유전체(4)로부터 소정 거리 이격되어 위치한다. 상기 유전체(3)는 적어도 하나 이상의 슬릿 타입의 상기 유전체 채널(3a)를 포함한다.
상기 제2 전극(2)은 상기 유전체(3)의 하부에 위치하며 판 모양으로 형성된다. 상기 제2 전극(2)은 상기 유전체(3)의 유전체 채널(3a)에 대응하여 적어도 하나 이상의 슬릿 타입의 상기 제2 전극 채널(2a) 및 제2 전극 공간(2b)을 포함한다.
여기서, 상기 제1 전극(1) 및 상기 제2 전극(2) 사이에는 고압의 AC 전압이 가해진다.
상기 제2 전극(2)는 접지되는 것이 바람직하다.
상기 챔버(7)는 상기 구성부품을 수용하며 상기 작업가스 공급 팬(9) 및 타 작업가스 공급 관(8)은 상기 챔버(7)의 상부 또는 측면에 위치한다.
상기 시편(6)은 제2 전극(2)으로부터 일정 거리 이격된 상기 챔버(7)의 외부에 배치된다.
상기 도 3을 참조하여 상기 제2 전극(2)과 절연체(3)의 구조를 상세히 설명하면, 상기 제2 전극(2)의 제2 전극 채널(2a) 및 상기 유전체(3)의 유전체 채널(3a)는 서로 대응하도록 정렬된다.
여기서, 상기 유전체 채널(3a)의 폭을 w1라 두고, 상기 제2 전극 공간(2b)의 폭을 w2라 두고, 상기 제2 전극 채널(2a)의 폭을 w3이라 하면 w1<w3<w2의 관계가 유지됨이 바람직하다.
또한, 상기 유전체(3)의 두께를 d1이라 하면 상기 유전체 채널(3a)의 폭 w1과 상기 유전체(3) 두께 d1과의 관계는 d1/w1 = 1 ~ 10 정도를 유지함이 바람직하다.
또한, 상기 제2 전극(2)의 공간 두께를 d2라 두고 상기 제2 전극(2)의 채널두께를 d3라 하면, 상기 제2 전극 공간 두께와 상기 제2 전극 채널 두께와의 관계는 d2≥d3의 조건을 만족시키는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 전극 공간 폭 w2는 상기 제2 전극의 공간 두께 d2의 3배 이상이어야 하며, 제2 전극의 공간 두께 d2와 제2 전극의 채널폭 w3과의 관계는 w3≥d2의 조건을 만족함이 바람직하다.
여기서, 상기 제2 전극의 채널 두께는 작을수록 좋으나 전극의 수명과도 관련됨으로 적절히 고려하여야 한다.
상기 도 4를 참조하여 플라즈마가 발생되는 형상을 설명하면, 작업 가스가 상기 도 1 및 도 2의 상기 작업가스 공급 팬(9) 및 타 작업가스 공급 관(8)로부터 상기 챔버(7)의 내부로 제공되고, 상기 제공된 공급가스를 소스로 하여 플라즈마가 형성된 뒤, 상기 제2 전극(2)의 제2 전극 채널(2a)을 통하여 상기 챔버(7)의 외부에 위치한 상기 시료(6)를 향하여 상기 제2 전극 채널(2a)의 형상에 따라서 특정 모양의 고밀도 플라즈마 분출 영역이 형성된다.
계속해서, 상기 첨부도면 도 1 및 도 2를 참조하여 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생장치의 작동 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 제1 전극(1)과 상기 제2 전극(2) 사이에 고압의 AC 전원이 가해지면, 방전이 일어나기 바로 전에 상기 유전체(3)와 상기 아크 방지 유전체(4) 사이에 높은 전기장이 형성되어 플라즈마(5)가 이그니션(Ignition) 된다.
상기 플라즈마가 형성된 후, 플라즈마의 전도성 때문에 상기 유전체(3)와 아크 방지 유전체(4) 사이의 전기장은 매우 낮아지게 되고, 대신 상기 유전체(3)와 아크 방지 유전체(4)에 대부분의 전기장이 형성되게 된다.
이로 인하여, 상기 유전체(3)의 유전체 채널(3a) 내부에 높은 전기장이 형성되어 기존의 DBD 방식의 플라즈마 밀도에 비해 10 ~ 50 배 이상의 고밀도 플라즈마가 생성된다.
계속해서, 상기 유전체 채널(3a) 내부에서 생성된 고밀도 플라즈마는 상기 작업가스 공급 팬(9) 또는 상기 타 작업가스 공급 관(8)에서 공급되는 작업가스의 압력에 의해 상기 제2 전극 공간(2b)을 지나 상기 제2 전극 Channel(2a) 통하여 상기 챔버(7)의 외부에 위치한 상기 시편(6)으로 분출하게 된다.
이때, 넓은 공간인 상기 챔버(7)의 소정의 공간에서 좁은 공간인 상기 제2 전극 공간(2b)으로의 공기의 흐름은 베루누이 원리(Bernulli's Law)에 의해 유속(flow rate)이 증가하게 되고, 이로 인하여 상기 제2 전극 공간(2b)내의 압력이 낮아진다.
계속해서, 파센 법칙(Paschen's Law)에 의해 낮은 압력에서는 방전 전압이 낮아지고 플라즈마 발생 효율이 증가하게 됨으로 낮은 압력의 상기 제2 전극 공간(2b)내에서 고밀도의 플라즈마가 발생하게 되어 상기 제2 전극 채널(2a)을 통하여 상기 시편(7)으로 분출하게 된다.
즉, 고밀도의 플라즈마가 상기 시편(6)으로 공급된다. 이때, 상기 작업가스는 모든 종류의 가스를 사용할 수 있다.
이상의 본 발명은 상기에 기술된 실시예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 상압 플라즈마 발생 장치는 유전체의 채널 구조에 의해 높은 전기장을 형성하고 전극 내부에 낮은 압력을 만드는 공간을 만들어 고밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있게 되는 효과가 있다.
또한, 그에 따라, 시편의 크기에 관계없이 균일하게 처리할 수 있게 되는 효과가 있다
또한, 그에 따라, LCD, PDP 제조 등에서의 활용을 극대화할 수 있게 되는 효과가 있다.
플라즈마 밀도를 용이하게 조절하여 시편 종류에 상관없이 금속, 반도체, 플라스틱, 세라믹 등 어떠한 재료도 손쉽고 안정적으로 세정 및 표면개질이 가능하게 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 평판 모양의 제1 전극과, 상기 제1 전극의 하부에 접촉되는 아크 방지용 유전체와, 상기 아크 방지용 유전체로부터 소정 거리 이격되어 적어도 하나 이상의 긴 유전체 채널을 갖는 유전체와, 상기 유전체 하부에 적어도 하나 이상의 긴 제2 전극 채널 및 제2 전극 공간을 갖는 판 모양의 제2 전극과, 작업가스를 공급하는 작업가스 공급부와, 상기 구성부품을 수용하는 챔버로 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 작업가스 공급부는 작업가스 공급 팬 및 다른 작업가스 공급 관을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극은 판 모양의 방열판 구조 또는 냉각수 중 어느 하나를 이용하여 냉각됨을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극 공간이 유전체 쪽에 근접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 전극은 접지시키는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    시편은 제2 전극으로부터 소정 거리 이격되어 상기 챔버의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체 채널의 폭을 w1라 하고, 상기 제2 전극 공간의 폭을 w2라 하고, 상기 제2 전극 채널의 폭을 w3라 두면, w1<w3<w2의 관계를 유지함을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유전체의 두께를 d1이라 두면, 상기 유전체 채널폭 w1과 상기 유전체 두께 d1은 d1/w1 = 1 ~ 10 의 관계를 유지함을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
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