KR20070024204A - 마이크로웨이브 플라즈마 방전 시스템 - Google Patents

마이크로웨이브 플라즈마 방전 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기압 상에서 LSE(Longitudinal Section electric) 모드를 이용하여 대면적에 균일한 마이크로 웨이브를 발생시키는 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템에 관한 것으로서, 도파관을 개선하여 횡단방향으로 균일한 전기장이 형성되게 하고, 이를 통해 횡단면의 균일한 대면적 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시킬 뿐만 아니라, 저출력의 마이크로 웨이브의 입력시에도 균일하고 높은 전기장이 분포되게 하여 플라즈마 발생에 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템은 마이크로 웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템에 있어서, 마이크로 웨이브를 발생하기 위한 마이크로 웨이브 발생부와, 상기 마이크로 웨이브의 진행경로상에 배치되고 출구부가 경사지게 형성된 도파관과, 상기 도파관과 대응되는 형성으로 형성되어 상기 도파관 내부에 삽입된 유전체와, 상기 도파관으로부터 마이크로 웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 포함한다.
플라즈마, 마이크로 웨이브, 부하, 전기장, 도파관, 유전체, 불활성가스

Description

마이크로웨이브 플라즈마 방전 시스템 {MICROWAVE PLASMA ELECTRIC DISCHARGING SYSTEM}
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템의 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템의 도파관이 개략적으로 도시된 평면도.
도 4는 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템의 도파관이 개략적으로 도시된 정면도.
도 5는 도 4의 A-A선의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
51 : 마이크로 웨이브 발생기 52 : 순환기
53 : 모의 부하 54 : 3단 튜너
55 : 트랜스포머 56 : 가스 차단벽
57 : 가스 유입구 58 : 도파관
59 : 플라즈마 발생부 60 : 보조 도파관
65 : 유전체
본 발명은 대기압에서 마이크로 웨이브를 발생시키는 플라즈마 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기압 상에서 LSE(Longitudinal Section electric) 모드를 이용하여 대면적에 균일한 마이크로 웨이브를 발생시키는 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 플라즈마(Plasma)는 Ar, H2, O2 등의 불활성 가스에 매우 높은 온도나, 강한 전계 혹은 고주파 전자계(RF electromagnetic fields)를 가하면, 가속된 전자의 충돌에 의해 투입된 가스가 이온이나, 전자, 라디칼 등으로 이온화된 상태로서, 이러한 플라즈마 상태에서 발생하는 가스의 이온 또는 라디칼 등이 피처리 재료 표면에 충돌하여 미세 유막 제거, 미세 조도 형성 등, 표면의 물리 화학적인 변화를 유도함으로써 각종 접착 밀착력 향상, 플라스틱 사출 도장의 불량 방지, 각종 코팅 밀착력을 증대 시키는 등의 다양한 역할을 한다.
전술된 플라즈마를 일으키는 방법으로는 상온/대기압(760Torr)에서 유전막을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 유전 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge)과 마이크로 웨이브를 이용한 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템 등이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템의 개략도이다.
종래의 마이크로 웨이브 플라즈마 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 마이 크로 웨이브를 발생하기 위한 마이크로 웨이브 발생부(Microwave source)(11)와, 상기 마이크로 웨이브 발생부(11)에서 발생된 마이크로 웨이브를 공진시켜 플라즈마 방전을 수행하는 공진부(cavity)(12)를 포함한다.
여기서, 상기 마이크로 웨이브 발생부(11)는 아크 탐지기(arc detector)(13), 도파관이 구비된 도파관 안착기(waveguide launcher)(14), 마그네트론(magnetron)(15), 전원 공급원(power supply)(16), 제어기(controller)(17), 순환기(circulator)(18), 모의 부하(dummy load)(19), 방향성 결합기(directional coupler)(20), 출력 측정기(power meter)(23), 그리고 3단 튜너(3-stub tuner)(24)를 구비한다.
또한, 상기 공진부(12)는 공진기(25)와 석영 튜브(quartz tube)(26)를 구비한다. 여기서, 상기 공진부(12)를 이루는 상기 공진기(25) 내의 석영 튜브(26)는 마이크로 웨이브는 통과시키고, 기체 입자(gas particle)는 통과시키지 않는 유전체로 이루어져, 기체를 가두어두는 역할을 한다.
전술된 종래의 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템은 상기 마그네트론(15)으로부터 발진된 마이크로 웨이브가 순환기(18), 방향성 결합기(20), 3단 튜브(24)를 거쳐 플라즈마가 발생되는 공진기(25)로 전달된다.
전술된 종래의 플라즈마 방전 시스템은 대부분 단일 주파수, 저 차수(low order mode)의 기본모드인 단일모드, 그리고 선형 편광 상태의 파동(linearly polarized wave)을 이용한 공진 구조이기 때문에, 전자기장이 강한 부분에서만 플라즈마가 집중적으로 발생되며 이로 인해 특정 지점의 온도가 크게 상승하는 등 플 라즈마가 불균일해지는 문제가 있다. 또한 단일모드이면서 저차수의 기본 모드를 이용한 시스템이므로 공진 조건을 만족시키기 위해서는 플라즈마가 발생되는 공진기의 크기(cavity size)가 소형으로 제한될 수밖에 없는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 전술된 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도파관을 개선하여 횡단방향으로 균일한 전기장이 형성되게 하고, 이를 통해 횡단면의 균일한 대면적 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시킬 뿐만 아니라, 저출력의 마이크로 웨이브의 입력시에도 균일하고 높은 전기장이 분포되게 하여 플라즈마 발생에 소요되는 에너지를 절감시킬 수 있는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템은 마이크로 웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템에 있어서, 마이크로 웨이브를 발생하기 위한 마이크로 웨이브 발생부와, 상기 마이크로 웨이브의 진행경로상에 배치되고 출구부가 경사지게 형성된 도파관과, 상기 도파관과 대응되는 형성으로 형성되어 상기 도파관 내부에 삽입된 유전체와, 상기 도파관으로부터 마이크로 웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 포함한다.
여기서, 상기 유전체는 석영, 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 세라믹 또는 폴리머 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 도파관은 평탄한 전기장 구간을 형성하기 위해 LSE(Longitudinal Section electric) 모드로 설계될 수 있다. 더불어, 상기 도파관은 보조 도파관을 더 포함하고, 상기 보조 도파관은 트랜스포머에 의해 상기 도파관과 매개도리 수 있다. 또한, 상기 트랜스포머는 불활성 가스의 유입을 위한 가스 유입구와, 상기 가스 유입구로부터 유입된 가스의 유동방향을 제한하는 가스 차단벽이 더 설치될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템의 블록도이다.
본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 마이크로 웨이브 발생기(51)와, 순환기(52)와, 모의 부하(53)와, 3단 튜너(54)와, 트랜스포머(transformer)(55)와, 가스 차단벽(gas barrier)(56), 가스 유입구(gas inlet)(57), 도파관(58), 그리고 플라즈마 발생부(59)로 구성된다.
상기 마이크로 웨이브 발생기(51)는 마이크로 웨이브를 발생시키는 장치이며, 2.45GHz 대역의 상용화된 마이크로 웨이브 영역의 주파수를 발진하는 마그네트론과, 상기 마그네트론의 출력을 제어하는 제어기와, 상기 마그네트론에 전력을 공급하기 위한 전원부를 포함한다. 이때, 상기 마이크로 웨이브 발생기(51)로서 마그네트론 외에 파장 가변이 가능한 클라이스트론(Klystron)을 사용할 수 있고, 응용 용도에 따라 다른 마이크로 웨이브 주파수 영역의 에너지원을 모두 사용할 수 있다. 더불어, 마이크로 웨이브 신호의 형태를 펄스로 할 것인지 또는 연속출력으 로 할 것인지의 여부도 목적에 따라 구분하여 선택할 수 있다.
또한, 상기 순환기(52)는 마이크로 웨이브의 진행 방향을 제어하기 위해 페라이트(ferrite) 물질로 구성되며, 임피던스의 부정합 등에 의해 발생하는 마이크로 웨이브의 반사파를 상기 모의 부하(53)로 보내며, 이에 따라 상기 마이크로 웨이브 발생기(51)가 마이크로 웨이브의 반사파에 의해 입을 수 있는 손상으로부터 보호된다.
또한, 상기 모의 부하(53)는 방사된 마이크로 웨이브를 흡수하고, 마이크로 웨이브를 흡수하는 과정에서 발생된 열을 배출 또는 냉각하기 위한 수냉부(water cooling unit)가 구비된다.
또한, 상기 3단 튜너(54)는 상기 전원부와, 상기 트랜스포머(55), 도파관(58) 및 플라즈마 발생부(59) 사이에 발생되는 임피던스를 정합시켜줌으로써 반사를 최소화하여 출력효율을 높이기 위해 사용된다.
상기 가스 흡입구(57)는 공정가스인, 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스들이 유입되며, 상기 가스 차단벽(56)은 상기 가스 흡입구(57)로부터 유입된 공정가스의 유동방향을 제한하여 공정가스가 상기 플라즈마 발생부(59)로 공급되게 한다. 또한, 상기 가스 차단벽(56)은 전술된 공정가스 들이 상기 마이크로 웨이브 발생부(51)로 유입되어 의도하지 않은 부분에서 플라즈마 방전 또는 아크 현상이 발생되는 것을 방지한다.
한편, 상기 마이크로 웨이브는 상기 도파관(58)을 통과하는 과정에서 전기장의 세기가 증가되며, 이에 따라 플라즈마 발생부(59)에서 안정적이고 균일한 대면 적의 플라즈마 발생이 가능해진다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템의 도파관이 개략적으로 도시된 평면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템의 도파관이 개략적으로 도시된 정면도이다. 또한, 도 5는 도 4의 A-A선의 단면도이다.
상기 도파관(58)은, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 마이크로 웨이브가 나오는 출구부가 경사지게 형성되며, 그 내부에 유전체(65)가 삽입된다. 여기서, 상기 유전체(65)는 얇은 판의 형태이고, 상기 도파관(58)의 내부 형상과 대응되는 형상으로 형성된다. 이러한 유전체(65)는 상기 도파관의 내부에 삽입된 상태로 고정될 수 있다. 바람직하게는 상기 도파관의 내측에 소정의 돌기 또는 홈을 형성하고, 상기 유전체(65)의 외측에 상기 돌기 또는 홈과 결합되는 홈 또는 돌기를 형성할 수 있으며, 본 발명의 명세서에 한정되지 않는 다양한 실시예가 가능하다. 더불어, 상기 유전체(65)는 석영, 산화알루미늄(Al2O3) 등을 포함한 세라믹 또는 다양한 폴리머 소재로 이루어질 수 있다.
상기 도파관(58)은 보조 도파관(60)을 더 포함하고, 상기 보조 도파관(60)과의 임피던스를 매칭하기 위해 그 사이에 트랜스포머(55)가 매개된다.
상기 보조 도파관(60)의 경우 호환성 등을 고려하여 설정된 규격인 WR284 규격을 따를 수 있다. 이와 같이, WR284 규격에 따르면 상기 보조 도파관(60) 폭방향으로 2.84인치(약 72mm)이고, 높이는 약 34mm 정도이다. 이때, WR284 규격의 경우 마이크로 웨이브에 영향을 끼치는 주요인자는 폭방향 길이이고, 마이크로 웨이 브의 출력을 조절하기 위해 높이의 증감시키는 것도 가능하다. 한편, 상기 보조 도파관(60)은 WR340 규격의 도파관을 사용할 수도 있다. 이와 같이 상기 보조 도파관(60)은 제품의 크기, 형태 등에 따라 다른 규격의 도파관을 사용할 수 있으며, 그 형태 또한 사각 파이프 또는 실린더 등의 다양한 형태로 변형될 수 있다.
본 발명의 실시 예에서, 상기 도파관(58)은 횡단 방향으로 소정 길이, 일례로 100mm 정도의 평탄한 전기장을 형성하기 위해 LSE 모드로 설계되는 것이 바람직하다.
이와 같이 상기 유전체(65)가 삽입된 도파관(58)은 상기 트랜스포머(55)를 거친 마이크로 웨이브 출력을 원만하게 전송시키면서 횡단 방향으로 균일한 전기장을 갖게 한다. 따라서 상기 플라즈마 발생부(59)에서는 높은 전기장을 갖게 되므로 낮은 전력으로도 안정적이고 균일한 대면적의 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템을 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
전술된 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템은 유전체가 삽입된 도파관에 의해 보다 안정적인 글로우 방전(glow discharge) 특성을 구현할 수 있어 더욱 안정적이고 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템은 LSE 모드로 설계된 도파관에 의해 저차수의 기본 모드 및 선형 편광 상태의 파동이 갖는 단점을 극복할 수 있으며, 이에 따라 플라즈마 재료 공정 등 여러 응용 분야에 기술적 및 경제적 이점을 제공할 수 있다. 따라서, LSE 모드를 사용할 경우에는 도파관 내에 횡단방향으로 전기장의 세기가 평탄하므로 플라즈마 균일도 확보면에 있어 획기적인 향상을 기대할 수 있다. 일례로, LSE 모드로 설계된 마이그로 웨이브 플라즈마 발생장치는 대기압 상에서 사용이 가능하고, 기존에 20~30mm의 좁은 영역내로 제한되던 방전특성을 극복할 수 있어, 100mm 이상의 균일한 플라즈마를 슬릿형태로 발생시킬 수 있으며, 따라서, 대면적의 시료를 원활하게 플라즈마 처리할 수 있다.

Claims (5)

  1. 마이크로 웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템에 있어서,
    마이크로 웨이브를 발생하기 위한 마이크로 웨이브 발생부와,
    상기 마이크로 웨이브의 진행경로상에 배치되고 출구부가 경사지게 형성된 도파관과,
    상기 도파관과 대응되는 형성으로 형성되어 상기 도파관 내부에 삽입된 유전체와,
    상기 도파관으로부터 마이크로 웨이브를 전달받아 반응가스로부터 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유전체는 석영, 산화알루미늄(Al2O3)을 포함하는 세라믹 또는 폴리머 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 도파관은 평탄한 전기장 구간을 형성하기 위해 LSE(Longitudinal Section electric) 모드로 설계된 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 도파관은 보조 도파관을 더 포함하고, 상기 보조 도파관은 트랜스포머에 의해 상기 도파관과 매개되는 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 트랜스포머는 불활성 가스의 유입을 위한 가스 유입구와, 상기 가스 유입구로부터 유입된 가스의 유동방향을 제한하는 가스 차단벽이 더 설치된 것을 특징으로 하는 마이크로 웨이브 플라즈마 방전 시스템.
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