KR20080056474A - 상압 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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KR20080056474A
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Abstract

본 발명은 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 특히 상부에 하나 이상의 금속 상부 전극을 사용하고 상부 전극 맞은편에 유도 전극과 유도전극 안테나를 두어 낮은 인가전압에서 고밀도 플라즈마를 발생시키며, 또한 기저 전극을 사용하여 상부 전극들 사이의 간섭을 배제하여 적은 공간에서 많은 상부 전극들을 구성할 수 있으며, 발생되는 플라즈마의 세기 균일성을 확보하고, 상부 전극들에 의해 플라즈마 발생 원천을 제공하며 발생 플라즈마의 세기를 증가시키고 하부에 하부 전극을 두어 발생된 플라즈마의 길이가 길게 유도하여 3차원 구조의 시편을 편리하게 처리하여 대면적 및 3 차원 구조의 시편을 효과적으로 세정 및 표면개질이 가능하게 할 수 있도록 한 것이다.

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 입체도
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생 사진
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생장치의 단면도
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생장치의상부 선 전극 모양도
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생 사진
< 도면의 주요 부분에 대한 부호에 대한 설명 >
1 : 상부 전극 2a: 유도 전극
2b: 유도전극 안테나 3, 8, 13 : 유전체
4 : 기저 전극 5, 15 : 챔버
6 : 작업가스 인입 7 : 하부 전극
9 : 시편 10 : 플라즈마
11 : 상부 선 전극 14 : 기저 차단(Shield) 전극
16 : 가스 분배기
R : 선전극 모서리(Edges)반경
h : 선전극 경사 높이
본 발명은 상압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 상부에 하나 이상의 금속 상부 전극을 사용하고, 상부 전극 맞은편에 유도 전극을 두어 플라즈마 발생을 유도하여 유도 전극 안테나에 전하를 과 축적하고 다음 방전에 활용함으로서 낮은 전압에서도 플라즈마 방전을 쉽게 유도할 수 있고 고밀도 플라즈마 발생이 가능한 구조로서, 상부 전극들에 의해 플라즈마 발생 원천을 제공하고 하부에 하부 전극에 의해 플라즈마의 발생 길이를 길게 유도함으로 금속 유도 전극과 유전체를 적절히 사용하고 하부 전극을 적용함으로 플라즈마 발생 길이를 증가시켜 대면적 시편을 효율적으로 처리할 수 있도록 한 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 이 용하여 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.
또한, AC 배리어 타입은 적절한 전극 간격을 가지는 상, 하 전극 양면 또는 일면에 아크 방전을 억제하는 알루미나 등의 세라믹 유전체를 삽입하고 고압 AC pulse 전압을 가하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 방법이다.
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 작아서 대면적 처리가 어려우며 열 플라즈마로 인하여 적용되는 분야가 한정적이다. 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, 플라즈마의 발생 길이가 수 mm로 작아서 3 차원 구조의 시편을 처리하기에는 제한적인 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 그 목적은 상부 전극 및 유도 전극 및 유도 전극 안테나 및 기저 전극에 의한 대면적에서 균일한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며 하부 전극을 적용함으로 플라즈마 발생 길이를 증가시켜 대면적 3차원 시편을 효율적으로 처리할 수 있도록 하는 상압 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 하나 이상의 상부 전극과, 상기 상부 전극의 맞은편에 유도 전극과, 상기 유도 전극과 연결된 유도 전극 안테나와, 상기 유도전극 안테나로부터 소정의 거리를 이격시켜 기저 전극을 위치하며, 상기 유도전극 안테나 및 기저 전극은 유전체에 의해 감싸져 있으며 기저 전극은 접지되어 있으며, 상기 상부 전극 및 유도 전극 및 유도전극 안테나 및 유전체 및 기저 전극을 회전하는 회전부를 감싸는 챔버로 구성되며 챔버는 작업 가스 인입 구멍을 포함하는 구조로 구성되는 상압 플라즈마 발생장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 시편은 상부 플라즈마 발생 챔버 하부에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 하부 전극은 상기 시편 하부에 위치하고, 유전체에 의해 감싸지도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 상부 전극과 기저 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 원천 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 기저 전극은 접지시켜 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 하부 전극과 상기 기저 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 상부 전극과 하부전극의 각각에 인가되는 고압의 AC 전압의 위상차는 180도 차이를 두어 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 특징에 따르면, 하나 이상의 상부 선 전극과, 상기 상부 선 전극 양측 면에 기저 차단 전극 및 기저 차단 전극을 감싼 유전체를 위치하며, 상기 기저 차단 전극은 접지되고, 상기 상부 선 전극 및 기저 차단 전극 및 유전체 상부에 작업가스 분배기를 위치하고, 상기의 각 구성부품을 수용하고 작업가스를 공급하는 작업가스 관이 포함된 챔버로 구성되는 상압 플라즈마 발생장치를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 시편은 상부 플라즈마 발생 챔버 하부에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 하부 전극은 상기 시편 하부에 위치하고, 유전체에 의해 감싸지도록 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 상부 선 전극과 기저 차단 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 원천 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 기저 차단 전극은 접지시켜 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 하부 전극과 상기 기저 차단 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 상부 선 전극과 하부전극의 각각에 인가되는 고압의 AC 전압의 위상차는 180도 차이를 두어 인가하여 플라즈마 를 발생시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해, 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 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 입체도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생 사진을 나타낸다. 또한, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생장치의 단면도이고, 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생장치의 상부 선 전극 모양도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생 사진을 나타낸다.
상기 각 첨부도면을 참조하여 본 발명의 상압 플라즈마 발생장치를 설명하면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상부 전극(1)과 상부 전극(1) 맞은편에 유도 전극(2a)을 위치하며 유도 전극(2a)은 유도전극 안테나(2b)에 연결되어 있다.
상기 유도전극 안테나(2b)로부터 소정의 거리를 이격시켜 기저 전극(4)을 위치하며 상기 유도전극 안테나(2b) 및 기저 전극(4)은 유전체(3)에 의해 감싸져 있 으며 기저 전극(4)은 접지되어 있다.
상기 상부 전극(1) 및 유도 전극(2a) 및 유도전극 안테나(2b) 및 유전체(3) 및 기저 전극(4)을 회전하는 회전부를 감싸는 챔버(5)로 구성되며 챔버(5)는 작업 가스 인입(6) 구멍을 포함하고 있다.
상기 상부 플라즈마 발생 부품들을 포함하는 챔버(5) 하부에 시편(9)을 위치한다.
상기 시편(9) 하부에 하부 전극(7)을 위치하며, 하부 전극(7)은 유전체(8)에 의해 감싸져 있다.
상기 도 1 및 도 2를 참조하여 플라즈마가 발생되는 형상을 설명하면, 상부 전극(1)과 기저 전극(4)에 AC 고압이 인가되면 상부 전극(1)과 유도 전극(2a) 사이에 포텐샬 차이가 발생되어 플라즈마가 발생하게 되는데, 실 예로서 상부 전극(1)에 플러스 전위가 가해지면 발생된 플라즈마를 통하여 전하가 유도 전극(2a)을 거쳐 유도전극 안테나(2b)로 흐르며 유전체(3)에 의해 차단된 기저 전극(4)의 영의 포텐샬에 의해 유도전극 안테나(2b)가 플러스 전하로 축적되게 되어 상부 전극(1)과 포텐샬 차가 줄어들면 플라즈마는 아크로 전이되지 않고 방전은 중단되고 플러스로 대전된 유도전극 안테나(2b)에 의해 유도 전극(2a)은 플러스 상태를 갖는다.
실제로 플라즈마의 세기가 강하면 즉, 전류가 커지면 유도전극 안테나(2b)가 과 충전되어 인가된 전위보다 높은 포텐샬(VU < VI, 여기서 상부전극 전위차는 VU, 유도전극 전위차는 VI) 상태가 된다.
이어서, AC 전위가 바뀌어 상부 전극(1)에 마이너스 전위가 인가되면 이전에 유도된 플러스 포텐샬을 갖는 유도 전극(2a)과 합의 전위차(= VU + VI)로 인하여 방전이 발생되며 유도전극 안테나(2b)는 마이너스 전하가 축적되어 다시 상부 전극(1)과 포텐샬 차가 줄어들면 방전은 중단되고 마이너스로 대전된 유도전극 안테나(2b)에 의해 유도 전극(2a)은 마이너스 상태를 갖는 상황이 인가 주파수에 비례하여 반복하여 나타난다.
상기 유도전극 안테나(2b)에 전하가 충전되는 메카니즘에 의해 플라즈마 방전 시간이 길어져 플라즈마 밀도가 증가하게 되며 또한 낮은 인가전압으로도 방전을 확보할 수 있는 장점이 있다.
발생된 플라즈마(10)는 작업 가스 인입(6)에 의해 하부로 분출되게 되며 플라즈마의 세기는 유도전극 안테나(2b)와 기저 전극(4)과 간격에 반비례하고 그 크기와 비례한다. 이때 하부전극(7)과 접지된 기저 전극(4) 사이에 AC 고압이 상부 전극(1)에 인가된 위상과 180도의 위상차를 갖고 인가되면 상부 전극(1)과 유도 전극(2a)사이에서 발생된 플라즈마의 전자 및 이온들이 보다 높은 포텐샬(상부전극 영역: VU + VD, 유도 전극 영역: VU + VI + VD, 여기서 VD는 하부전극 포텐샬) 상태에 놓이게 되어 플라즈마는 하부 전극(7) 쪽으로 길게 유도되어 발생된다. 이때 발생된 플라즈마의 길이는 10 cm 이상도 가능하다. 여기서 기저 전극(4)을 접지시키면 일정의 절연 기술로 두 배의 고압 포텐샬을 이용할 수 있는 장점이 있으며, 안전성 및 안정성을 위해 기저 전극(4)은 접지시킨다.
상기와 같은 본 발명은 본 발명자가 이전에 출원한 발명특허출원(출원번호 10-2006-0055171)의 도면 1에서 안테나 및 안테나 전극 대신에 유도 전극(2a) 및 유도 전극 안테나(2b) 및 유전체(3) 및 기저 전극(4)을 사용하는 구조로 그 차이점은 동일한 플라즈마 세기를 얻기 위하여서는 이전 출원에서는 안테나의 크기가 매우 커져야함에 비하여 본 발명은 작은 부피로도 가능하며, 이전 출원의 경우 이웃 안테나의 간섭으로 안테나 간격을 충분히 유지하여야 함으로서 전체적으로 큰 부피가 필요 하는데 반하여 본 발명은 이웃 셀 간의 간섭이 적으므로 작은 공간에서 많은 플라즈마 발생 셀을 형성할 수 있다.
즉 부피가 작으면서 보다 강한 플라즈마를 만들 수 있음으로서 플라즈마 발생 길이를 더 증가시켜 보다 큰 3차원 재료를 효과적으로 처리할 수 있는 장점이 있다.
또한, 이전 출원에서 안테나 주변에서 발생하는 코로나로 인한 에너지 손실이 본 발명에서는 나타나지 않음으로 보다 에너지 효율적이다.
상기 상부 전극(1) 및 유도 전극(2a) 및 유도전극 안테나(2b) 및 유전체(3) 및 기저 전극(4)을 사용함으로서 나타나는 장점은 다음과 같다. 첫 번째는 상기에서 언급한 바와 같이 작은 공간에서 보다 강한 플라즈마를 얻을 수 있다.
두 번째는 하나의 전원 장치로 여러 개의 플라즈마 발생 셀에 플라즈마를 동시에 발생시킬 수 있다.
세 번째는 상기 상부 전극(1)과 유도 전극(2a)의 재질이 금속으로 강한 플라즈마 발생에서도 파괴되지 않음으로서 강한 플라즈마 발생의 원천을 제공할 수 있음으로서 플라즈마 발생 길이를 증대시킬 수 있다.
네 번째는 상기 플라즈마가 발생되는 원리 설명에서 유도 전극 안테나(2b)에 축적된 전하가 인가전압 극성 반전시 다시 플라즈마 발생에 기여함으로서 기존의 유전체 베리어 방식에서 발생되는 유전체에 의한 에너지 손실이 없으며 열 발생 또한 없으므로 별도의 냉각 장치가 필요 없다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 상압 플라즈마 발생 사진을 나타내며 상기 상부 전극(1) 및 유도 전극(2a) 및 유도전극 안테나(2b) 및 유전체(3) 및 기저 전극(4)이 회전하여 발생된 플라즈마가 링 형태이다. 인가전압이 낮으며 코로나 플라즈마가 관찰되며, 인가전압을 증가시키면 도 3의 사진에서와 같이 수많은 실 같은 스트리머(Streamer)를 갖는 글로우 플라즈마가 관찰된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생장치의 단면도로서, 도 4에 도시된 바와 같이 상부 선 전극(11)과 상부 선 전극(11) 양측 면에 기저 차단 전극(14) 및 기저 차단 전극(14)을 감싼 유전체(13)로 구비된다. 상기 상부 선 전극(11)과 기저 차단 전극(14) 및 유전체(13)는 상부 플라즈마 발생 구성 부품으로 향후 “상부 플라즈마 발생 부품부”으로 명칭 한다.
상기 상부 플라즈마 발생 부품부에 작업 가스(6)를 균일하게 공급하는 작업가스분배기(16)를 상기 상부 플라즈마 발생 부품부 상부에 위치하고, 상기의 각 구성부품을 수용하고 작업가스(6)를 공급하는 작업가스 공급부가 포함된 챔버(15)로 구성된다.
상기 상부 플라즈마 발생 부품부 하부에 시편(9)을 위치한다. 상기 시편(9) 하부에 하부 전극(7)을 위치하며, 하부 전극(7)은 유전체(8)에 의해 감싸져 있다.
상기 도 4를 참조하여 플라즈마가 발생되는 형상을 설명하면, 상부 선 전 극(11)과 기저 차단 전극(14)에 AC 고압이 인가되면 상부 선 전극(11)과 기저 차단 전극(14) 사이에 플라즈마가 발생하는데 발생되는 플라즈마는 유전체(13)에 의해 아크로 전이되지 않고 상부 선 전극(11)을 따라 넓은 면적에서 플라즈마가 형성되며 플라즈마의 세기는 유전체(13)의 두께가 작을수록 강해진다. 이때 하부전극(7)과 기저 차단 전극(14) 사이에 AC 고압이 상부 선 전극(11)에 인가된 위상과 180도의 위상차를 갖고 인가되면 상부 선 전극(11)과 유전체(13)사이에서 발생된 플라즈마의 전자 및 이온들이 보다 높은 포텐샬(상부 선 전극 포텐샬 + 하부전극 포텐샬) 상태에 놓이게 되어 플라즈마는 하부 전극(7) 쪽으로 길게 발생된다. 이때 발생된 플라즈마의 길이는 6 cm 이상도 가능하다. 여기서 기저 차단 전극(14)을 접지시키면 일정의 절연 기술로 두 배의 고압 포텐샬을 이용할 수 있는 장점이 있으며, 안전성 및 안정성을 위해 기저 차단 전극(14)은 접지시킨다.
기저 차단 전극(14)의 역할은 크게 네 가지로 다음과 같다. 첫 번째는 원천 플라즈마를 발생시키는 역할로 긴 플라즈마 발생을 위한 원천 플라즈마 생성이다.
만일 기저 차단 전극(14)이 없으면 상부 선 전극(11)과 하부전극(7) 사이의 포텐샬 차이로만 플라즈마를 이그니션 시키고 방전을 유지하여야하는데 플라즈마 이그니션을 위하여 보다 높은 고압이 요구되며, 따라서 절연문제 등이 발생되고, 방전시 보다 높은 고압으로 인하여 아크 채널이 형성되어 부분 파괴가 일어나며, 균일한 플라즈마 발생이 불가능해진다.
두 번째는 균일한 플라즈마 발생을 유도한다. 기저 차단 전극(14)의 포텐샬은 항상 영으로 유지됨으로 인하여 상부 선 전극(11) 주변의 유전체(13)의 표면의 포텐샬을 낮추게 되어 일정하게 플라즈마가 발생토록 한다.
만일 기저 차단 전극(14)이 존재하지 않으면 상부 선 전극(11) 주변의 유전체에 전하가 흡착되어 상부 선 전극(11)과 유전체(13) 표면의 포텐샬 차이가 줄어들어 플라즈마 발생이 약해지며 특히 내부 셀의 경우는 플라즈마 발생이 거의 이루어지지 않는다.
만일 유전체(13) 및 기저 차단 전극(14)이 없이 상부 선 전극(11) 들만 존재하는 경우도 마찬가지로 이웃 선 전극에서 발생한 플라즈마의 영향으로 인하여 하전입자가 이웃 상부 선 전극 주변으로 확산되어 포텐샬 차이를 감소시켜 플라즈마 발생을 어렵게 한다.
실제 실험에서 맨 양쪽 셀의 상부 선 전극에서 가장 강한 플라즈마가 발생되며 내부 셀의 상부 선 전극에서는 플라즈마가 매우 약하게 형성되어진다. 실험결과 이웃한 상부 선 전극 셀 간격이 150 mm 이상은 떨어져야 완전하지는 않으나 그 간섭을 일정 정도 배제할 수 있다.
반면에 본 발명에서는 상부 선 전극(11) 주변에 기저 차단 전극(14)과 유전체(13)를 형성함으로서 상부 선 전극 셀 간격을 50 mm 이내에서도 각각의 상부 선 전극 셀 마다 일정한 플라즈마 세기를 얻을 수 있다. 즉 작은 공간에서 플라즈마 분포 밀도를 균일하게 높일 수 있는 장점을 가진다.
세 번째는 플라즈마 밀도를 증가 시킬 수 있다. 상부 선 전극(11)과 기저 차단 전극(14)에 인가되는 포텐샬에 의해 원천 플라즈마 밀도를 증가시킴으로서 시편(9)에 조사되는 플라즈마 밀도를 증가시킬 수 있다. 네 번째는 플라즈마 세기 조 절을 용이하게 할 수 있다.
상부 선 전극(11)과 기저 차단 전극(14)에 인가되는 전압을 조절하여 원천 플라즈마 세기를 조절함으로서 시편(9)에 조사되는 플라즈마 밀도가 제어되어 코로나 및 글로우 플라즈마 상태를 쉽게 조절할 수 있다.
상기와 같이 본 발명에서 상부 선 전극(11) 및 기저 차단 전극(14) 및 하부 전극(7)을 사용함으로서 나타나는 장점은 기계적으로 움직이는 장치 없이 작은 공간에서 6 cm 이상의 3차원 플라즈마를 대면적 처리가 가능하도록 균일하게 발생 시킬 수 있다.
대면적 3차원 처리를 위하여 최근에 개발된 발명은 포인트 또는 소면적의 플라즈마 토치를 여러 개 가로 세로 배열하는 복잡한 방식을 사용하고 있다.
상기 기존에 발명된 장치는 구조적으로 복잡하며 플라즈마의 균일성이 떨어지며 플라즈마 세기가 약하여 처리 시간이 길어지는 등의 문제점을 갖고 있다. 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결할 수 있는 발명으로서 여러 개의 긴 금속 선 전극들에서 균일하게 대면적 3차원 처리가 가능한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며 발생되는 플라즈마는 비열의 코로나 또는 글로우 방전 플라즈마를 쉽게 조절이 가능한 장점을 갖고 있다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 또 다른 일실시예에 의한 상부 선 전극 모양도로 모서리가 반경 R을 갖도록 제작된다. 반경 R이 작거나 직각이면 플라즈마 발생에서 플라즈마 간섭이 작은 양쪽 모서리에서 매우 강한 플라즈마가 형성되어 플라즈마 균일성을 확보할 수 없다.
반대로 반경 R이 너무 크면 공간 활용 효율이 떨어지게 된다. 실험에 의하면 반경 R = 10 ~ 30 mm 정도가 적당하며 간격 및 플라즈마 상태에 따라 반경 R = 5 ~ 50 mm 사이에 있으면 플라즈마 균일성을 확보할 수 있다.
반경 R을 갖고 평평한 상부 선 전극 모양의 도 5a의 경우는 스트리머(Streamer) 글로우 방전시 플라즈마 발생 길이 15 mm 까지는 그 균일성을 확보할 수 있으며 그 이상의 플라즈마 발생 길이에서는 다시 양쪽 모서리에서 매우 강한 플라즈마가 발생된다. 그러나 반경 R을 갖고 양쪽 부분이 중심부와 높이 h를 갖는 상부 선 전극 모양의 도 5b의 경우는 글로우 방전시 플라즈마 발생 길이가 50 mm 이상에서도 그 균일성을 확보할 수 있으며 일정 간격에서 스트리머(Streamer) 글로우 플라즈마가 분포한다.
플라즈마 발생 길이가 길수록 높이 h가 증가하여야 하며 0mm ~ 20mm 이내에서 결정된다. 코로나 방전에서의 경우는 높이 h는 글로우 방전시 보다 낮은 0mm ~ 10mm 이내에서 쉽게 균일한 플라즈마를 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 또 다른 적용 상압 플라즈마 발생 사진을 나타낸다. 상기 선 전극(11)의 모양으로 리본 형태의 균일한 플라즈마가 발생되고 있음을 확인할 수 있다.
상기 발명에서 작업 가스는 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 상부 전극 및 유도 전극 및 유도 전극 안테나 및 유전체 및 기저 전극을 사용함으로서 간단한 구조로 대면적 3차원 처리가 가능한 고 밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 발생되는 플라즈마는 비열의 코로나 또는 글로우 방전 플라즈마를 쉽게 조절이 가능하고, 대면적 3 차원 구조의 시편을 효율적으로 처리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 고밀도의 플라즈마가 한정된 공간에 국한되지 않고 외부로 발생되는 구조로 실현하여 시편의 크기에 관계없이 균일하게 처리할 수 있다.
또한, 발생되는 플라즈마는 열이 발생하지 않는 코로나 또는 글로우 방전 플라즈마를 인가전압을 조절함으로서 쉽게 조절이 가능할 수 있다.
또한, 발생된 플라즈마가 시편 표면에 효율적으로 도달할 수 있도록 시편 하부에 하부 전극을 위치하여 시편의 크기에 관계없이 3차원적으로 균일하게 처리할 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속의 상부 전극 및 유도 전극 및 유도 전극 안테나 및 유전체 및 기저 전극을 사용하여 에너지가 고효율이며, 구조가 간단하고, 대면적을 저비용으로 상용성을 가지는 플라즈마 발생장치를 제작할 수 있다.
또한, 복잡한 3차원 시편을 손쉽고 안정적으로 세정 및 표면개질이 가능하게 할 수 있다.

Claims (11)

  1. 하나 이상의 상부 전극과, 상기 상부 전극 맞은편에 유도 전극을 위치하며, 상기 유도 전극은 유도전극 안테나에 연결되어 있고, 상기 유도전극 안테나로부터 소정의 거리를 이격시켜 기저 전극을 위치하며, 상기 유도전극 안테나 및 상기 기저 전극은 유전체에 의해 감싸져 있으며, 상기 기저 전극은 접지되어 있고, 상기 상부 전극 및 유도 전극 및 유도전극 안테나 및 유전체 및 기저 전극을 회전하는 회전부로 구성되며, 상기 회전부를 감싸는 챔버로 구성되고, 상기 챔버는 작업 가스 인입 구멍을 포함하고 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버 하부에 시편을 위치됨을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극과 기저 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 시편 하부에 하부 전극을 위치됨을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 전극은 유전체에 의해 감싸져 있음을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  6. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 하부 전극과 기저 전극 사이에 고압의 AC 전압을 상기 상부 전극과 위상차 180도 차이를 두어 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  7. 하나 이상의 상부 선 전극과, 상기 상부 선 전극의 양측 면에 기저 차단 전극 및 기저 차단 전극을 감싼 유전체가 위치하며, 상기 기저 차단 전극은 접지되고, 상기 상부 선 전극 및 기저 차단 전극 및 유전체 상부에 작업가스 분배기를 위 치하고, 상기의 각 구성부품을 수용하고 작업가스를 공급하는 작업가스 관이 포함된 챔버로 구성되며, 상기 챔버 하부에 시편이 배치되고, 상기 시편 하부에 하부 전극을 위치하며, 상기 하부 전극은 유전체에 의해 감싸지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 선 전극과 기저 차단 전극 사이에 고압의 AC 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 하부 전극과 기저 차단 전극 사이에 고압의 AC 전압을 상기 상부 선 전극과 위상차 180도 차이를 두어 인가하여 플라즈마를 발생시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 선 전극의 양쪽 모서리의 곡선 반경을 5 ~ 50 mm로 형성시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 선 전극의 양쪽 모서리 아래 부분이 선 전극의 중심부 보다 0mm ~ 20mm 범위에서 높게 형성시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 발생장치.
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