KR20080104225A - 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치 - Google Patents

플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치 Download PDF

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KR20080104225A
KR20080104225A KR1020077028418A KR20077028418A KR20080104225A KR 20080104225 A KR20080104225 A KR 20080104225A KR 1020077028418 A KR1020077028418 A KR 1020077028418A KR 20077028418 A KR20077028418 A KR 20077028418A KR 20080104225 A KR20080104225 A KR 20080104225A
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discharge
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안드레 이그나트코프
젠스 락케
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마쉬넨파브릭 레인하우센 게엠베하
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Abstract

본 발명은 공정 가스가 내부에서 유동하는 적어도 하나의 방전 튜브를 구비한 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따으면, 적어도 하나의 방전 튜브에는 도전성 방전 보호부가 제공된다. 본 발명의 장점은 특히, 기생 방전이 억제된다는 것과, 상기 장치 및 기판의 개별 부품들에 가해지는 열 부하가 줄어든다는 것이다.

Description

플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치{APPARATUS FOR PRODUCING A PLASMA JET}
본 발명은 공정 가스가 내부에서 유동하는 적어도 하나의 방전 튜브를 구비한 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.
방전 튜브를 구비한 상기와 같은 장치는 준고 토시후지(Jungo Toshifuji) 등의 "Cold arc-plasma jet under atmospheric pressure for surface modification(표면 개질을 위한 대기압하에서의 냉각 아크-플라즈마 젯)", Surface and Coatings Technology 2003, 320 페이지 이하 및 추가의 간행물 "Workshop Plasmabehandlung und Plasma-CVD-Beschichtung bei Atmosphaerendruck(대기압에서의 플라즈마 처리 및 플라즈마-CDV-코팅 워크샵)", 드레스덴, 2004년 11월 16일에 공지되어 있다. 상기 공지된 장치는 유전성 재료로 이루어진 방전 튜브를 구비하며, 이 경우 제 1 전극은 부피가 크게(massive) 형성되어 있고, 방전 튜브 내부의 중앙에서 세로 방향으로 연장하도록 배치되어 있으며, 이 경우 제 2 전극은 상기 방전 튜브를 둘러싼다. 이때 상기 제 2 전극이 동심으로 형성됨으로써, 내부에 있는 제 1 전극, 방전 튜브 및 제 2 전극은 정면이 개방된, 횡단면 상으로 볼 때 동심이면서 동축인 구조를 형성하고, 상기 정면에서 플라즈마-젯이 제조될 수 있다. 이를 위해, 상기 바아 형태의 내부 전극에는 고전압이 인가되는 한편, 상기 외부 전극은 접지된다. 따라서, 전기장 비율로 인하여 바람직하게는 상기 바아 형태 내부 전극의 피크에서 플라즈마가 점화된다. 상기 플라즈마는 후속하여 공정 가스 흐름의 방향으로 확장된다. 공정 가스로서 헬륨, 질소 또는 공기를 사용하여 작동이 이루어지는 경우에는, 상기 내부 전극의 피크와 플라즈마-젯으로 가공될 수 있는 기판 사이에 확산 플라즈마-젯이 형성된다. 이 경우에는 가스 온도가 상대적으로 낮은 "저온(cold)" 플라즈마가 사용된다; 상기 가스 온도는 실내 온도의 범위에서 최대 수백 ℃까지 변동된다.
하지만 더 많은 파워를 제공하기 위하여, 예컨대 더 오랜 시간 동안 또는 더 집중적으로 플라즈마-젯을 유지하기 위해, 공지된 장치의 경우, 상기 플라즈마-젯의 점화 후에 인가되는 전압을 높이면, 상기 내부 전극의 후면에서 혹은 동일한 전위에 있는 상기 내부 전극의 고정부에서도 플라즈마가 - 특히 공정 가스 흐름과 반대 방향으로 - 형성된다는 것을 관찰할 수 있다. 이와 같은 추가의 소위 기생 방전은 바람직하지 않은데, 그 이유는 상기와 같은 방전이 젯에 도움을 주지 않기 때문이다.
또한, 상기 공지된 장치의 경우, 작동 전압이 높고 그와 더불어 발생하는 파워가 크면, 상기 내부 전극과 외부 전극 사이에서는 직접적인 플라즈마-연결, 즉 플래시오버(flash over; 섬락(閃絡))가 발생할 수 있다. 이때 플라즈마는 더 이상 확산적이지도 않고 차지도 않으며, 오히려 훨씬 더 높은 가스 온도를 갖는 가느다란 채널 내부에서 수축 상태로(contracted) 발생한다. 이와 같은 사실은 장치 및/또는 기판의 손상을 야기할 수 있다.
또한, 공정 가스를 공급하는 가스 파이프의 열적 손상이 발생할 수도 있다.
본 발명의 목적은, 기생 방전이 적합한 방식으로 억제될 수 있고, 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 플래시 오버가 전혀 발생하지 않는, 서문에 언급된 유형의 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 단지 "저온" 플라즈마가 발생 됨으로써, 상기 제조 장치 및 기판의 개별 부품들의 열 부하를 전체적으로 감소시키는 것이다.
상기 목적은 특허 청구범위의 청구항 1의 특징들을 갖는, 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치에 의해서 달성된다. 종속 청구항들은 본 발명의 특히 바람직한 실시예들과 관련이 있다.
본 발명은 전기 전압 하에 있는 금속 중공 몸체의 내부가 무전기장 상태라는 일반적으로 인식으로부터 출발한다. 하지만, 당업자에게 자명한 중공 실린더를 선택하게 되면, 상기 중공 실린더의 에지에서 발생하는 전기장이 상기 중공 실린더 내부까지 도달하게 됨으로써, 결국 상황에 따라서는 플라즈마를 점화시키기에 충분한 전기장이 가스 파이프 안에 있는 - 바람직하지 않은 - 장소에 존재하게 되는 단점이 나타난다. 그렇기 때문에, 본 발명에 따른 가스 파이프를 위한 금속 지지부는, 이 금속 지지부가 소정의 각을 형성하면서 원뿔 형태로 확장되거나 또는 다른 방식으로, 말하자면 층계 형태로 확장되어, 결국에는 상기 지지부의 에지에서의 축 방향 전기장의 크기가 일정한 직경을 갖는 통상적인 중공 실린더에서의 축 방향 전기장 크기보다 훨씬 더 작도록 구현되었다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 높은 전기장을 피하기 위해 상기 지지부의 모든 에지들이 라운딩 처리되었다.
본 발명의 보다 바람직한 일 실시예에 따르면, 접지된 제 2의 외부 전극은 선행 기술에 공지된 바와 같이 더 이상 방전 튜브 상에 직접 배치되지 않고, 오히려 소정의 방사 방향의 간격을 갖도록 배치된다.
본 발명의 보다 바람직한 또 다른 일 실시예에 따르면, 방전 튜브의 단부에는 유전체로 이루어진 폐쇄 캡이 설치되어 있다. 그럼으로써, 특히 불활성 가스를 사용하는 경우에는 더욱 집중적인 플라즈마-젯이 제조될 수 있다.
더욱 변형된 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 가스 파이프와 방전 튜브 사이에 필터가 제공되어 있다. 그럼으로써, 앞에서 이미 기술된 본 발명의 장점들에 추가하여 소용돌이에 의한 소음 형성도 억제된다. 선행 기술에 공지된 장치들의 경우에 공정 가스가 직접 가스 공급 장치로부터 파이프 또는 그와 유사한 부재를 거쳐 방전 챔버 내부로 흘러들어가고, 내부 전극의 지지부의 순환에 의해 소용돌이가 발생하여 소음이 야기됨으로써 상기와 같은 소음 형성이 이루어진다.
본 발명은 도면을 참조하여 하기에서 실시예를 통해 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 방전 튜브를 구비한 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 상기와 같은 장치의 제 2 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 추가의 폐쇄 캡을 구비한 상기와 같은 장치의 제 3 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 변형된 폐쇄 캡을 구비한 상기와 같은 장치의 제 4 실시예를 도시한 도면이다.
도 5는 다수의 방전 튜브를 구비한 본 발명에 따른 장치의 제 1 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 상기와 같은 장치의 제 2 실시를 도시한 도면이다.
도 7은 하나의 방전 튜브를 구비한 본 발명에 따른 장치의 추가의 통상적인 실시예를 도시한 도면이다.
우선, 도 1에 개략적으로 도시된 본 발명에 따른 제 1 장치가 상세하게 설명될 것이다. 상기 장치는 유전성 재료로 이루어진 방전 튜브(1)를 가지며, 상기 방전 튜브의 내부에는 바아 형태의 부피가 큰 내부 전극(2)이 배치되어 있다. 제 2 전극(3)은 상기 방전 튜브(1)를 에워싸고 있다. 이와 같은 에워싸는 과정은 직접 접촉하는 방식으로 이루어지거나 또는 방사 방향의 간격을 두고 이루어질 수 있다. 이때 상기 전극(3)이 특히 바람직하게는 동심으로 형성됨으로써, 내부에 있는 전극(2), 유전성 방전 튜브(1) 및 외부 전극(3)은 정면이 개방된, 횡단면 상으로 볼 때 동심이면서 동축인 구조를 형성하고, 상기 정면에서 플라즈마-젯이 제조될 수 있다. 이를 위해, 상기 내부 전극(1)에는 고전압이 인가되는 한편, 상기 외부 전극(3)은 접지된다. 본 발명에 따라, 상기 방전 튜브(1)의 단부에는 금속 방전 보호부(4)가 제공된다. 이 경우, 상기 방전 보호부(4)는 동시에 가스 파이프(5) - 이 가스 파이프를 통해 공정 가스가 공급됨 - 를 위한 지지부가 된다. 상기 공정 가스의 유동 방향은 화살표로 상징적으로 표시되어 있다. 상기 방전 보호부(4)도 역시 지지부가 되고, 고전압 케이블(6)을 위한 콘택팅을 목적으로 이용된다. 본 발명의 한 바람직한 실시예에 따라, 이 경우에는 소결 재료로 이루어진 또 하나의 필터(7)가 제공되었다. 상기 필터(7)는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다. 예컨대 텅스텐으로 이루어진 내부 전극(2)은 상기 필터(7)에 의해서 지지되고, 상기 방전 튜브(1) 내부에서 그 중앙 위치에 고정된다. 이와 같은 본 발명의 실시예에서 금속 방전 보호부(4)는, 가스 파이프(5)를 위한 금속 지지부가 소정의 각(α)을 형성하면서 원뿔 형태로 확장되어, 결국에는 상기 지지부의 에지에서의 축 방향 전기장의 크기가 선행 기술에 따라 일정한 직경을 갖는 중공 실린더에서의 축 방향 전기장 크기보다 훨씬 더 작아지도록 실시되었다. 상기 각(α)은 최대 작동 전압에 따라 그리고 한편으로는 가스 파이프(5)의 직경과 다른 한편으로는 방전 튜브(1)의 직경 간 비율에 따라 변동된다. 높은 전기장을 피하기 위해서는, 상기 방전 보호부(4)의 모든 에지들, 특히 지지부의 영역에 있는 에지들이 라운딩 처리(rounded)되는 것이 특히 바람직하다.
도 1에 도시된 바와 같이, 필터(7)를 사용하는 경우에는, 가스 파이프(5)와 방전 튜브(1) 사이에서 소용돌이에 의해 발생할 수 있는 소음 형성 가능성이 억제된다. 상기 필터(7)를 통과한 후에는 가스 흐름이 거의 층 흐름 형태를 갖게 되고, 안정적이 된다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 필터(7)가 예를 들어 소결 청동으로 이루어진 한 특정 실시예에서는, 상기 필터는 동시에 상기 내부 전극(2) 을 위한 지지부로서 사용될 수 있다. 또한, 공정 가스의 흐름 방향과 반대인 상기 필터(7)의 후방 영역에서는, 마찬가지로 기생 방전을 원하는 바대로 억제하는 충격 압력(impact pressure)이 형성되는데, 그 이유는 공정 가스의 점화 전기장 강도가 우세한 압력의 함수이기 때문이다. 소위 압착 곡선의 우측 편에 사람이 서게 되면, 한 가지 가스의 점화 전압은 압력이 증가함에 따라 상승한다. 이와 같은 관계는 당업자에게는 잘 알려져 있다.
도 2에는 본 발명에 따른 장치의 제 2 실시예가 도시되어 있으며, 이 경우 방전 보호부(4)는 다르게 형성되어 있다. 본 실시예에서는 상기 방전 보호부(4) 안에 직경(d) 및 깊이(t)를 갖는 보어(bore)가 제공되어 있다. 본 실시예에서도 또한 상기 보어에 의해 지지부 에지에서는 훨씬 더 작은 축 방향 전기장이 구현된다. 본 발명의 틀 안에서는 상기 방전 보호부(4)의 추가의 실시예들도 또한 생각할 수 있는데, 예를 들자면 각(α)을 형성하면서 확장되는 대신에 층계 형태로 확장되는 실시예도 생각할 수 있다.
도 3에는 본 발명에 따른 장치의 추가의 일 실시예가 도시되어 있다. 선행 기술과 달리 본 실시예에서는, 접지된 외부 전극(3)이 더 이상 방전 튜브(1) 상에 직접 배치되지 않고, 오히려 상기 방전 튜브(1)에 대하여 소정의 방사 방향 간격을 두고 배치되어 있다. 본 실시예에서는 또한 방전 튜브(1)의 개방 단부에 유전성 폐쇄 캡(8)이 설치되어 있다. 상기 폐쇄 캡(8)은 예를 들어 테플론으로 이루어지거나 상응하는 열적 및 기계적 안정성을 갖는 다른 플라스틱으로 이루어지지만, 대안적으로는 세라믹으로도 이루어 질 수 있다. 특히 간단하게는, 상기 폐쇄 캡(8) 이 외부 전극(3)과의 나사 결합에 의해서 고정될 수 있다.
유전성 재료로 이루어진 상기 폐쇄 캡(8)은, 통상적인 방식대로 수 와트의 상대적으로 적은 파워가 제공되는 경우에, 특히 공정 가스로서 이용되는 불활성 가스를 위한 플라즈마-젯을 제조하는데 이용된다. 그와 동시에, 본 발명에 따른 폐쇄 캡(8)은 내부 전극(2)과 접지된 외부 전극(3) 간에 발생하는 플래시오버 혹은 아크 방전을 방지해주는데, 그 이유는 상기 두 개 전극들 사이의 간격이 전기적으로 훨씬 더 크기 때문이다.
도 4에는 두 개의 부분으로 형성된 변형된 폐쇄 캡(8)을 구비한 본 발명에 따른 장치의 추가의 일 실시예가 도시되어 있다. 외부 부분은 마찬가지로 유전체로 이루어지는 한편, 내부 금속 삽입물(9)이 추가로 제공되었는데, 상기 삽입물은 외부 전극(3)과 도전 접속되어 있다. 이와 같은 실시예는 특히 분자 상태의 가스를 공정 가스로서 사용하는 작업에 적합하다; 상기 내부 금속 삽입물(9)은 방전 튜브(1) 내부에서 전기장을 증가시키고, 이와 더불어 플라즈마-젯을 강화시킨다.
본 발명의 틀 안에서는, 외부 전극(3)이 다른 방식으로 유전체에 의하여 부분적으로 둘러싸이거나 혹은 유전체 내부에 완전히 포함될 수도 있다.
도 5에는 다수의 방전 튜브(1)를 갖춘 본 발명의 일 실시예, 소위 멀티 젯-배열 상태가 개략도로 도시되어 있다. 본 실시예에서는, 공정 가스를 위한 공급 채널(10) 및 가스 분배 시스템(11)에 의해 각각 상기 공정 가스를 제공받는 다수의 평행한 방전 튜브(1)가 도시되어 있다. 이와 같은 배열 상태도 마찬가지로 원칙적으로는 선행 기술에 이미 공지되어 있다. 상기 공지된 배열 상태에서는, 다수의 방전 튜브들 중에서, 바람직하게는 가장 적은 유동 저항을 갖거나 혹은 공급 채널(10)에 가장 밀착된 상태로 존재하는 방전 튜브가 공정 가스에 의해서 관류 될 것이다. 선행 기술에서 나타나는 이와 같은 공정 가스 배출의 불균일성은 기판의 표면 처리 균일성에 부정적으로 작용한다. 도 5에 도시된 실시예에서는, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라, 앞에서 이미 언급된 바와 같이, 각각의 방전 튜브(1) 안에 하나의 필터(7)가 배치되어 있으며, 상기 필터의 유동 저항이 방전 튜브(1)의 유동 저항보다 훨씬 더 큼으로써, 결국에 각각의 방전 튜브(1)에는 공정 가스가 균일하게 공급된다; 이와 같은 사실은 병렬로 배치된 개별 플라즈마-젯의 균일성을 야기한다.
도 6에는 상기와 같은 장치의 더욱 변형된 실시예가 도시되어 있으며, 본 실시예에서는 개별 필터 대신에 크기가 더 큰 하나의 공동 필터 플레이트(12)가 개별 방전 튜브(1) 앞에 배치되어 있다.
마지막으로, 앞에서 언급된 도 1 내지 도 6에는 본 발명과 관련된 가장 중요한 부분들이 개략도로 도시되어 있으며, 도 7에는 본 발명에 따른 통상적인 장치의 완전히 결합된 상태가 도시되어 있다. 이미 앞에서 언급된 부품들 이외에, 본 실시예에서는 플라스틱으로 이루어진 또 하나의 링 형상의 절연체(13)가 도시되어 있으며, 상기 절연체는 방전 튜브(1)를 감싸고 있다. 상기 절연체(13)의 둘레에는 세라믹으로 이루어진 보호용 튜브(14)가 배치되어 있다. 상기 외부 전극(3)의 둘레에는 플라스틱으로 이루어진 보호 절연부(15)가 배치된다. 원형의 금속 하우징(16)은 외부 폐쇄부를 형성한다. 도면에 도시된 본 실시예에서는, 금속으로 이 루어진 특수한 전극 홀더(17)가 필터(7) 상에 독립적인 부품으로서 존재한다. 후방 단부에서는 상기 장치가 플라스틱으로 이루어진 또 하나의 폐쇄 캡(18)을 구비하며, 상기 폐쇄 캡에는 금속으로 이루어진 단부 섹션(19)이 연결된다. 상기 단부 섹션(19) 내부에는 나사 연결부가 체결되어 있으며, 가스 파이프(5)뿐만 아니라 고전압 케이블(6)도 상기 나사 연결부를 통해 가이드 될 수 있다. 상기 장치의 개방된 전방 단부에는 플라스틱 나사(21)가 더 도시되어 있으며, 이 경우 상기 플라스틱 나사에 의해 폐쇄 캡(8)은 링 형상의 외부 전극(3)에 고정된다.

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 방전 튜브(1)를 구비하고, 가스 파이프(5)를 통해 공급되는 공정 가스가 상기 방전 튜브를 통하여 흘러가며,
    상기 방전 튜브(1)의 벽이 유전성 재료로 이루어지며,
    제 1 전극(2)이 부피가 크게(massive) 형성되고, 방전 튜브(1) 내부의 중앙에서 상기 방전 튜브의 세로 방향으로 연장하도록 배치되며,
    제 2 전극(3)이 축 방향으로 상기 방전 튜브(1)의 벽을 동심으로 둘러싸도록 배치됨으로써, 제 1 전극(2), 방전 튜브(1) 및 제 2 전극(3)은 정면이 개방된, 횡단면 상으로 볼 때 동심이면서 동축인 구조를 형성하고, 상기 정면에서 플라즈마-젯이 제조될 수 있는, 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    상기 방전 튜브(1) 상에 도전성 재료로 이루어진 방전 보호부(4)가 배치되어 있고, 상기 방전 보호부는 상기 제 1 전극(2)에 연결되어 있으며,
    상기 방전 보호부(4)는 상기 가스 파이프(5)의 자유 단부를 수용하며,
    상기 가스 파이프(5)의 자유 단부 쪽을 향하고 있는 상기 방전 보호부(4)의 측면이 확장되어, 상기 방전 보호부의 중간 공간이 상기 가스 파이프(5)를 둘러싸는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 파이프(5)의 자유 단부 쪽을 향하고 있는 상기 방전 보호부(4)의 측면은 소정의 각(α)으로 원뿔 형태로 확장되는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 파이프(5)의 자유 단부 쪽을 향하고 있는 상기 방전 보호부(4)의 측면은 중앙 보어에 의해서 확장되는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전극(3)은 방전 튜브(1)에 대하여 방사 방향 간격을 두고 상기 방전 튜브 둘레에 배치되는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    플라즈마-젯이 제조될 수 있는 상기 장치의 정면에는 동심의 유전성 폐쇄 캡(8)이 배치되어 있고, 상기 폐쇄 캡이 상기 제 2 전극(3)을 둘러싸는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 폐쇄 캡(8)은 테플론, 상응하는 열적 및 기계적 안정성을 갖는 다른 플라스틱 또는 세라믹으로 이루어지는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 폐쇄 캡(8)이 두 개의 부분으로 형성됨으로써, 상기 제 2 전극(3)에 도전 접속된 추가의 금속 내부 삽입물(9)이 제공되는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 전극(3)은 유전체에 의해서 완전히 또는 부분적으로 둘러싸인, 플라즈마-젯 제조 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    공정 가스가 공급될 수 있는 상기 방전 튜브(1)의 정면에는 공정 가스가 관류할 수 있는 필터(7)가 제공된, 플라즈마-젯 제조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 필터(7)가 소결 재료, 특히 소결 청동으로 이루어지는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    방전 튜브(1)가 다수 개 제공된 경우에는, 상기 방전 튜브들 각각에 필터(7)가 하나씩 제공되는, 플라즈마-젯 제조 장치.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    방전 튜브(1)가 다수 개 제공된 경우에는, 상기 방전 튜브들 모두가 공동으로 단 하나의 필터 플레이트(12)를 구비하는, 플라즈마-젯 제조 장치.
KR1020077028418A 2006-03-16 2007-02-17 플라즈마-젯을 제조하기 위한 장치 KR20080104225A (ko)

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