KR20120004972A - 집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 방법 및 빔 발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 작용 가스의 흐름 속에서 서로 이격되어 배치되는 2개의 전극 사이에서, 아크 방전을 통해, 흐르는 작용 가스 내에서 플라스마 빔을 생성하기 위한 방법 및 장치에 있어서, 펄스 주파수와 아크 방전을 위한 점화 전압을 갖는 전압 펄스가 생성되고, 이 전압 펄스는 연속되는 2개의 전압 임펄스 사이의 아크가 각각 소멸되도록 하는, 플라스마 빔 생성 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 방법 및 빔 발생기{METHOD AND BEAM GENERATOR FOR CREATING A BUNDLED PLASMA BEAM}

본 발명은, 작용 가스(working gas)의 흐름 속에서 서로 이격되어 배치되는 2개의 전극뿐 아니라, 전극 사이에서 전압을 생성하기 위한 전압원(voltage sourc e)를 포함하여, 흐르는 작용 가스를 공급하는 조건에서, 아크 방전을 통해서, 집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 빔 발생기에 관한 것이다. 그 외에도 본 발명은 집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 방법에 관한 것이다.

피가공재(work piece)의 표면을 코팅, 도장 또는 접착해야 한다면, 종종 표면으로부터 오염물이 제거되게끔 하고, 그리고/또는 표면이 접착제, 도료 등과 같은 액체로 보다 잘 습윤화될 수 있도록 분자 구조가 변경되게끔 하는 전처리가 요구된다.

표면 처리 및 세정을 위해서는, 집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 빔 발생기가 이용되며, 이런 빔 발생기에서는 두 전극 사이의 노즐 튜브 내에 전압을 인가하는 조건에서 작용 가스로부터 유출되는 비열 방전(non-thermal discharge)에 의해 플라스마 빔이 생성된다. 이때, 작용 가스는 바람직하게는 대기압 상태로 유지된다. 바람직하게는 공기가 작용 가스로서 이용된다.

플라스마를 이용하는 전처리 및 세정은 수많은 장점이 있으며, 그 중에서도 특히 높은 탈지율(degreasing ratio), 환경 친화성, 거의 모든 재료에 대한 적합성, 낮은 운영 비용 및 다양한 생산 공정 내 탁월한 통합성이 강조된다.

EP 0 761 415 B9 및 DE 195 32 412 C2로부터는 집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 일반적인 빔 발생기가 공지되었으며, 이 빔 발생기는 작용 가스를 위한 측면 공급부를 구비한 플라스틱 소재의 컵 모양 하우징을 포함한다. 하우징 내에는 동축으로 세라믹 소재의 노즐 튜브가 고정된다. 컵 모양 하우징의 내부에서 중심에는 노즐 튜브 안쪽으로 돌출되는 구리 소재의 핀 전극이 배치된다. 노즐 튜브의 외연부는 컵 모양 하우징의 외부에서 전기 전도성 재료로 이루어진 외피부(sheath)에 의해 둘러싸이며, 외피부는 노즐 튜브의 자유 단부에서 환형 전극(annular electrode)을 형성한다. 환형 전극은 동시에 노즐 개구부를 범위 한정하고, 노즐 개구부의 지름은 노즐 튜브의 내경보다 더욱 작으며, 그럼으로써 노즐 튜브의 유출구에서는 소정의 수축이 달성된다.

공지된 빔 발생기의 단점은 처리할 표면의 높은 열적 부하에 있다. 전압원은 10 내지 30 kV 크기의 매우 높은 점화 전압을 필요로 한다. 또한, 단점으로 낮은 효율을 들 수 있다. 이에 대한 이유는 특히 플라스마 내 낮은 이온화도(degree of ionization)에 있다. 그외에도 빔 발생기로부터 유출되는 작용 가스는 높은 온도를 나타내는 반면에, 전극은 매우 낮은 온도를 나타낸다. 그러나, 표면 처리를 위한 빔 발생기의 작동을 위해서는 전자가 중입자(heavy particle)(분자, 원자, 이온)보다 훨씬 더 높은 온도를 나타내는 비열 플라스마가 생성되어야 한다. 그러나, 기술적으로 생성되는 비열 플라스마는 통상적으로 낮은 이온화도를 갖는다.

본 발명의 목적은, 선행기술로부터 출발하여, 최초에 언급한 유형의 빔 발생기에 있어서, 빔 발생기로부터 유출되는 플라스마 빔의 낮은 온도를 갖는 비열 플라스마(non-thermal plasma)를 생성하는 빔 발생기를 제공하는 것에 있다.

본 발명의 다른 목적은 빔 발생기의 구조를 콤팩트하게 형성하도록 하는 것에 있다.

본 발명의 마지막 목적은 플라스마 빔의 낮은 온도를 갖는 특히 비열 플라스마를 생성하는데 이용될 수 있는 방법을 제시하는 것에 있다.

상기 목적은 최초에 언급한 유형의 빔 발생기의 경우, 전압원이, 아크 방전을 위한 점화 전압(firing voltage) 및 펄스 주파수를 보유하면서 연속되는 2개의 전압 임펄스 사이의 아크가 각각 소멸되도록 하는 전압 펄스를 생성하는 것을 통해 달성된다. 플라스마 빔의 낮은 온도를 갖는 비열 플라스마를 생성하기 위한 방법은 청구항 제15항 및 제16항의 특징들로부터 제시된다.

흐르는 작용 가스 내에서 집속된 플라스마 빔은 아크 방전에 의해 생성된다. 아크는 서로 이격되어 배치되는 두 전극 사이의 가스 방전을 나타내되, 두 전극에는 충돌 이온화를 통해 가스 방전을 위해 필요한 높은 전류 밀도를 생성할 수 있도록 충분히 높은 전압이 인가된다. 가스 방전은 플라스마를 형성하고, 이 플라스마 내에서는 중입자가 부분적으로 이온화된다.

점화 전압은 두 전극 사이에서 가스 방전을 유도하기 위해 요구되는 전기 전압이다. 점화 전압은 전압원에 의해 생성되거나, 또는 전압원에 의해 일차 전원 (primary source)으로부터 유도된다. 본 발명의 경우, 기본적으로 직류 전압원 및 교류 전압원이 고려되지만, 바람직하게는 직류 전압원이 고려된다. 그러나, 주요한 사실은 전압원이 연속되는 2개의 전압 임펄스 사이의 아크가 각각 소멸되도록 하는 전압 펄스를 생성한다는 점에 있다. 이와 관련하여, 전압 임펄스는, 전압으로부터 송출되는 전압이 우선 하한값(lower value), 바람직하게는 영(0)으로부터 출발하여 점화 전압보다 더욱 높거나, 또는 그와 동일한 최대값으로 상승하고, 짧은 시간 후에 다시 하한값, 바람직하게는 영(0)으로 감소하는 것을 의미한다. 전압 임펄스의 주기적인 순서가 전압 펄스로서 지칭된다.

각각의 전압 임펄스 동안 전압은 포괄적인 측면에서 요구되는 점화 전압에 해당하며, 그럼으로써 다음 전압 임펄스에서 점화 전압이 다시 달성되고, 전극 사이에 새로운 아크 방전이 이루어질 때까지 각각의 전압 임펄스에 의해서는 아크가 소멸된다. 각각의 전압 임펄스에 의해 아크가 강제 소멸되는 것을 통해 전극 온도가 높은 조건에서 빔 발생기로부터 유출되는 작업 가스의 낮은 온도가 생성된다.

높은 점화 전압에 도달할 경우, 전자의 갑작스런 유출을 통해 플라스마 내에서는 높은 전자 온도를 나타내는 다량의 고가속된 전자가 생성된다. 점화 전압에 도달하거나 초과한 후에 두 전극 사이에서는 최대 1000 나노초의 매우 짧은 기간 동안 10 내지 1000 암페어 수준의 최대 전류 세기를 갖는 전류가 흐른다. 그 결과 발생하는 높은 전류 밀도는 이른바 핀치 효과(pinch effect)에 긍정적으로 작용한다. 핀치 효과는 플라스마 전류에 의해 생성된 자계와 플라스마 전류의 상호 작용의 결과로 높은 전기 전류가 흐르는 플라스마가 얇고 압축된 플라스마 튜브 또는 그 필라멘트로 수축되는 것을 나타낸다.

전압원은 바람직하게는 10 kHz와 100 kHz 사이, 특히 바람직하게는 20 kHz와 70 kHz 사이의 범위에서 전압 펄스의 펄스 주파수를 생성할 수 있도록 형성된다.

상기 펄스 주파수의 경우, 플라스마 생성 및 플라스마 빔이 중단되지 않는 점이 보장된다. 이와 같은 조치를 통해 본 발명에 따른 빔 발생기를 이용하여 기판 표면의 중단없는 활성화 및 특히 분말을 이용한 코팅을 실행할 수 있다. 아크의 소멸에도 플라스마 빔을 유지함과 동시에 기판 표면의 열 부하를 매우 낮게 유지하는 점은 바람직하게는 20 kHz와 70 kHz 사이 범위의 펄스 주파수에 의해 달성된다.

빔 발생기의 전극 간 이격 간격과 작용 가스의 압력은, 2 kV와 10 kV 사이의 점화 전압 조건에서 플라스마 내에 전술한 전류 세기가 달성될 수 있도록 결정된다. 전극 간격을 측정하기 위한 원리는 파쉐 법칙(Pasche law)이며, 이 법칙에 따르면, 점화 전압은 작용 가스의 가스 압력과 아크 거리, 다시 말해, 전극 간 이격 간격의 곱의 함수이다. 서로 마주보고 위치하는 전극들의 형태뿐만 아니라 이용되는 작용 가스, 바람직하게는 공기에 따라, 보정 파라미터가 계산시에 고려되어야 한다.

전압원으로부터 생성되는 전압 임펄스는 정류 또는 역변환(invert)될 수 있다.

전압원의 바람직한 실시예는, 전압원이 출력 전압을 위한 단자를 구비한 전원 공급 유닛과 전원 공급 유닛 내에서 변환된 전압을 위한 2개의 출력단을 포함하며, 이들 출력단에 대해 병렬로 하나 이상의 콘덴서가 연결되며, 콘덴서는 하나 이상의 저항기를 통해 전원 공급 유닛과 연결된다. 이와 관련하여 선택에 따라 복수의 출력단 중 일측 출력단은 접지 전위와 연결될 수 있으며, 공동의 접지는 콘덴서를 위한 단자 및 기준 전위로서 이용될 수 있다. 여기서, 전원 공급 유닛은 전원 공급 계통(grid)으로부터 공급되는 입력 전압을 빔 발생기를 위해 필요한 출력 전압으로 변환하는 어셈블리이다.

콘덴서 및 저항기로 이루어진 회로는, 전원 공급 유닛으로부터 송출되는 출력이 콘덴서에서 임시 저장되면서, 아크를 강제적으로 소멸시킨다. 전원 공급 유닛으로부터 송출되는 출력은 우선 아크 방전을 위한 점화 전압에 도달할 때까지 콘덴서에 의해 저장된다. 점화 전압에 도달할 시에, 가스 방전이 이루어지고, 콘덴서에 저장된 에너지는 1 나노초 내지 1000 나노초 이내에 10 암페어 내지 1000 암페어 수준의 높은 전류 세기로 유출된다. 하나 이상의 콘덴서를 전원 공급 유닛과 연결하는 하나 이상의 충전 저항기(charging resistor)를 통해서는 콘덴서로부터 공급되는 아크를 유지하기에 충분한 전류를 계속해서 흐르게 하지 못한다. 그 결과, 아크는 자동으로 소멸되고, 다음 전압 임펄스를 위한 콘덴서의 충전이 다시 개시된다.

본 발명에 따른 빔 발생기의 콤팩트한 구조 및 효율의 추가 증대와 관련하여 전압원의 전원 공급 유닛은 바람직하게는 개폐형 전원 공급 유닛(switching power supply unit)으로서 형성된다. 개폐형 전원 공급 유닛은, 50 Hz 또는 60 Hz 변압기를 포함하는 통상적인 전원 공급 유닛과는 다르게 공급 전압이 훨씬 더 높은 주파수를 갖는 교류 전압으로 변환되고, 변압 후에는 최종적으로 다시 정류된다. 더욱 높은 주파수를 갖는 변압기를 작동시키면, 동일한 출력 조건에서 변압기의 질량은 분명히 감소될 수 있다. 그 결과, 개폐형 전원 공급 유닛은 동일한 출력 조건에서 더욱 콤팩트하면서도 더욱 가볍다. 또한, 개폐형 전원 공급 유닛의 효율은 통상적인 전원 공급 유닛보다 더욱 높다.

특히 공간을 절감하는 방식으로 전압원의 콘덴서는 차폐된 케이블의 형태로 형성되고, 이 케이블 내에서는 전압원과 제1 전극을 연결하는 전기 라인이 절연체에 의해 둘러싸이며, 이 절연체는 적어도 일부 길이에서 전압원과 추가 전극 사이의 전기 전도성 연결부의 구성 부분인 전기 전도성 차폐부에 의해 둘러싸이되, 차폐부는 바깥쪽 절연체에 의해 둘러싸인다.

콘덴서의 용량은 바람직하게는 1 ㎋ 내지 200 ㎌의 범위이다.

작용 가스의 균일한 흐름 조건과 동시에 빔 발생기의 콤팩트한 구조는, 전극 하나는 핀 전극으로서, 그리고 전극 하나는 환형 전극으로서 형성되고, 핀 전극에 대해 동심으로, 핀 전극에 대해 절연되고 전기 전도성 재료로 이루어진 중공 원통형 외피부가 배치되며, 상기 중공 원통형 외피부의 일측 선단면에는 중공 원통형 외피부의 지름보다 더욱 작은 지름을 갖는 노즐 개구부를 범위 한정하는 환형 전극이 배치되고, 상기 중공 원통형 외피부의 맞은편 선단면에는 작용 가스를 위한 공급부가 배치되는 것을 통해 달성된다.

작용 가스의 온도의 추가 감소는 흐름 최적화를 통해 달성될 수 있다. 이런 이유에서 본 발명에 따른 빔 발생기는 작용 가스의 와류를 생성하기 위한 수단으로서, 선단면에서 중공 원통형 외피부 내로 삽입되고, 전기 절연성 재료로 이루어져 핀 전극을 둘러싸는 슬리브를 포함하고, 이 슬리브의 표면에는 나선형으로서 구성된 하나 이상의 웨브가 배치되며, 상기 웨브는 중공 원통형 외피부의 내벽부와 슬리브의 표면 사이에서 작용 가스를 위한 채널을 형성한다. 나선형 웨브의 피치를 통해서는 플라스마 빔의 온도가 효과적으로 영향을 받게 된다. 더욱 큰 피치는 플라스마 빔을 더욱 강하게 냉각시키는 반면에, 더욱 작은 피치는 더욱 높은 온도의 플라스마 빔을 안내한다. 피치가 상대적으로 더욱 클 시에 흐름 속도가 동일한 조건에서 작용 가스의 머무름 시간은 빔 발생기를 통과하는 더욱 짧은 흐름 경로를 바탕으로 더욱 단축되며, 그럼으로써 작용 가스의 냉각 작용은 강화된다. 나선형으로서 구성되는 웨브의 피치가 상대적으로 더욱 작을 시에는 흐름 속도가 동일한 조건에서 작용 가스의 머무름 시간이 빔 발생기를 통과하는 더욱 긴 흐름 경로를 바탕으로 더욱 길어지며, 그럼으로써 작용 가스의 냉각 작용은 감소된다.

작용 가스를 위한 채널을 형성하는 슬리브는 동시에 전극 전도성 외피부 내에 핀 전극을 고정하면서, 핀 전극과 외피부 사이에서 요구되는 전기 분리를 보장한다. 슬리브는 조립 친화적일 뿐 아니라, 그외에도 핀 형태 빔 발생기가 달성하고자 하는 바대로 콤팩트하게 치수화될 수 있게 한다.

본 발명에 따른 빔 발생기는, 노즐 개구부의 영역에 10 ㎚ 내지 100 ㎛의 입자 크기를 갖는 분말을 유입하기 위한 하나 이상의 유입구가 배치된 경우, 플라스마 빔을 이용하는 조건에서 기판 표면의 활성화 및 코팅을 위해 이용된다. 플라스마 빔의 전자는 유입된 분말 입자를 스퍼터링하고, 여기서, 플라스마의 상대적으로 높은 온도, 특히 높은 전자 온도를 바탕으로 상기 분말 입자를 용융한다. 용융을 위한 에너지 소모 및 노즐 개구부로 향하는 플라스마의 추가 경로에서의 에너지 소모를 통해 냉각이 이루어지며, 그럼으로써 기판 표면의 코팅층을 형성하는 미세 입자형 분말은 상대적으로 저온 상태로 기판 표면에 도달하게 된다. 그러므로, 본 발명에 따른 빔 발생기는 특히 온도에 민감한 기판 표면의 분말 코팅법에 대해서도 적합하다.

바람직하게는 분말을 위한 유출구들은 빔 발생기의 중공 원통형 외피부의 구간으로서 환형 전극의 방향으로 원추형으로 가늘어지는 구간에 위치한다. 기판 온도 상승은 미세 입자형 분말을 이용한 코팅 공정 중에, 그리고, 그 이후에 분명히 100 ℃ 미만이다. 그럼에도, 본 발명에 따른 빔 발생기를 이용할 경우, 도포된 분말의 양호한 접착이 달성된다. 기판 표면은 특정한 전처리를 필요로 하지 않는다. 표면 세정은 빔 발생기 자체의 플라스마 빔에 의해 이루어진다. 분말은, 예컨대, 보호층, 마모층 또는 절연층과 같은 기능층으로서 도포되는, 예컨대, 금속, 세라믹, 열가소성 수지 또는 그 혼합물이다.

다음에서 본 발명은 다음의 도면들에 따라 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 빔 발생기의 제1 실시예를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 빔 발생기의 제2 실시예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 빔 발생기의 제3 실시예를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 빔 발생기의 전압원의 전압 및 전류의 파형을 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 기판 표면을 분말 코팅하기 위한 본 발명에 따른 빔 발생기의 제4 실시예를 도시한 개략도이다.

집속된 플라스마 빔(2)을 생성하기 위한 본 발명에 따른 빔 발생기(1)는 작용 가스(3)의 흐름 속에 배치되는 2개의 전극(4, 5)뿐 아니라 이들 전극(4, 5) 사이에서 전압을 생성하기 위한 전압원(6)을 포함한다. 작용 가스(3)는 중공 원통형 외피부(7) 내부에서 채널을 통해 흐른다. 상기 중공 원통형 외피부(7)에 의해 둘러싸인 중공부 내에서 2개의 전극(4, 5)은 이격 간격(8)만큼 서로 떨어져서 배치된다.

전압원(6)은 입력 전압, 특히 공급 전압을 위한 단자(10)를 구비한 개폐형 전원 공급 유닛(9)과, 이 개폐형 전원 공급 유닛(9) 내에서 변환된 전압을 위한 2개의 출력단(11, 12)을 포함한다. 그리고, 두 출력단(11, 12)에 대해서는, 충전 저항기로서도 지칭되는 저항기(14)를 통해 상기 개폐형 전원 공급 유닛(9)과 연결되는 콘덴서(13)가 병렬로 연결된다.

상기 개폐형 전원 공급 유닛(9)에서는 단자(10)에 인가되는 공급 전압이 우선 정류기(15)에 의해 정류된다. 그런 다음, 직류 전압은 인버터로서도 지칭되는 전력 변환기(16)에 의해 훨씬 더 높은 주파수를 갖는 교류 전압으로 변환되며, 그런 후에, 비로소 상기 교류 전압은 변압기(17)의 일차 권선으로 공급된다. 변압기(17)의 이차 측면에 접속되고, 공급 전압에 비해 더욱 높은 전압은 변압된 교류 전압을 정류하는 추가의 정류기(18)로 공급된다.

본 발명에 따른 빔 발생기(1)의 작동 원리는 다음에서 도 4를 참조하여 더욱 상세하게 설명된다.

도 4는 전압/시간 그래프의 왼쪽 반쪽 부분에 전압 임펄스(21)의 값을 도시하고 있을 뿐 아니라, 그 아래 도시된 전류/시간 그래프에서는 본 발명에 따른 빔 발생기(1)의 전류로서 플라스마 내에서 설정되는 전류의 파형을 도시하고 있다.

상기 개폐형 전원 공급 유닛(9)으로부터 송출되는 출력은 우선, 두 전극(4, 5) 사이에서, 전극(4, 5) 간 아크를 형성하기 위한 점화 전압(19)이 인가될 때까지, 콘덴서(13)에 의해 저장된다. 점화 전압(19)에 도달할 시에, 전극(4, 5) 사이의 에어 갭(8)은 전도 가능해지고, 콘덴서(13) 내에 저장된 모든 에너지는, 도 4의 전류/시간 그래프로부터 알 수 있듯이, 약 10 ㎱ 이내에 유출된다. 이와 관련하여, 전극(4, 5) 사이의 전압은 항복 현상을 나타내면서 0 볼트에 가까운 하한값으로 감소한다.

점화 전압(19)에 도달함과 더불어, 전극(4, 5) 사이의 아크 내에는 최대 전류(20)가 흐른다. 저항기(14)를 통해서는 개폐형 전원 공급 유닛(9)으로부터 아크를 유지할 만큼 충분한 전하가 계속해서 흐르지 않는다. 이를 위해 저항기(14)는, 동시에 전극(4, 5) 사이의 아크를 통해 유출되는 것보다 더욱 적은 출력이 개폐형 전원 공급 유닛으로부터 콘덴서(13)로 흐를 수 있도록 치수화된다. 그 결과로, 연속되는 2개의 전압 임펄스 사이의 아크는, 점화 전압(19)에 도달함과 더불어 다음의 전압 임펄스(21)에서 다시 점화되기 전에 각각 소멸된다. 펄스 주파수는 바람직하게는 1 kHz와 100 kHz 사이의 범위이며, 도시한 실시예에서는 60 kHz이다.

도 2는 본 발명에 따른 빔 발생기(1)의 추가 실시예를 도시하고 있다. 이 빔 발생기가 도 1에 따른 빔 발생기(1)와 일치하는 점에 한해, 도 1에 따른 실시예가 참조된다. 차이점은 외피부(7) 내부에 전극들이 배치되는 점과 관련하여 제시된다.

제1 전극은 핀 전극(22)으로서 형성되고, 그에 반해, 제1 전극에 대해 이격 간격(8)만큼 떨어져서 배치되는 제2 전극은 환형 전극(23)으로서 형성된다. 전기 전도성 재료로 이루어진 외피부(7)는 핀 전극(22)에 대해 동심으로 배치되고, 핀 전극(22)에 대해 절연된다. 환형 전극(23)의 맞은편에 위치하는 선단면에는 작용 가스(3)를 위한 공급부(24)가 배치된다. 작용 가스(3)를 위한 공급부는, 선단면에서 중공 원통형 외피부(7) 내로 삽입되어 핀 전극(22)을 고정하는 전기 절연성 재료로 이루어진 슬리브(25)를 포함하고, 상기 슬리브의 표면에는 나선형으로서 구성되는 웨브(26)가 배치되며, 이 웨브는 중공 원통형 외피부(7)의 내벽부(27)와 슬리브(25)의 표면(28) 사이에서 작용 가스(3)를 위한 채널을 형성한다. 그에 따라, 나선형을 통과하는 작용 가스는 와류의 형태로 핀 전극(22)과 외피부(7)의 내벽부 (27) 사이의 환형 챔버 내로 유입된다. 이러한 와류는 핀 전극(22)을 따라 환형 전극(23)의 방향으로 이 환형 전극을 통과하여 뻗어가는 플라스마 빔(2)의, 특히, 바람직한 집속 및 채널 흐름을 제공한다.

도 3(a)는 도 2에 상응하는 빔 발생기(1)를 도시하며, 여기서는 개폐형 전원 공급 유닛(9)이 개관의 용이함을 위해 기호로만 도시되어 있다. 콘덴서는, 도 3(b)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예의 경우, 개폐형 전원 공급 유닛(9)과 전극(22)을 연결하는 전기 라인(29)이 절연체(30)에 의해 둘러싸이고, 이 절연체는 적어도 일부 길이(31)에서, 개폐형 전원 공급 유닛(9)과 추가 전극(23) 사이의 전기 전도성 연결부의 구성 부분인 전기 전도성 차폐부(32)에 의해 둘러싸이는 방식으로 형성된다. 상기 전기 전도성 차폐부(32)는 재차 바깥쪽 절연체(33)에 의해 둘러싸인다.

도 3(c)에는 상기 전기 전도성 차폐부(32) 및 전기 라인(29)에 의해 형성된 커패시터(34)가 등가 회로도로서 도시되어 있다. 또한, 부분적으로 차폐된 케이블에 의해 개폐형 전원 공급 유닛의 출력단들에 대해 병렬로 콘덴서가 위치하고, 이 콘덴서는 저항기(14)를 통해 개폐형 전원 공급 유닛(9)과 연결되어 있음을 알 수 있다.

마지막으로, 도 5는 도 2 및 도 3에 상응하는 빔 발생기(1)를 도시하고 있되, 이 빔 발생기는 미세 입자형 분말로 기판 표면(35)을 코팅하기 위한 용도이다. 중공 원통형 외피부(7)는 선단면에 환형 전극(23)의 방향으로 원추형으로 가늘어지는 구간(36)을 포함하며, 이 구간 내부에는 2개의 유입구(37)가 배치된다. 두 유입구(37) 각각에는 미세 입자형 분말을 위한 라인(38)이 연결되며, 이 라인에는 분말/가스 흐름(39)이 공급된다. 두 유입구(37)를 통해서는 분말 입자(40)가 플라스마 빔(2)에 도달하며, 그에 따라, 분말 입자는 플라스마 빔과 함께 링 전극(23)을 통해 빔 발생기(1)로부터 유출된다. 빔 발생기(1)는 기판 표면(35)을 향해 배향된 노즐 개구부(41)와 함께 도 5의 화살표 방향(42)으로 이동되면서, 분말 입자(40)가 기판 표면(35)에 증착된다. 기판 표면에 증착된 층(43)은 도 5에 도시되어 있다.

1: 빔 발생기 2: 플라스마 빔
3: 작용 가스 4, 5: 전극
6: 전압원 7: 외피부
8: 이격 간격 9: 개폐형 전원 공급 유닛
10: 단자 11, 12: 출력단
13: 콘덴서 14: 저항기
15: 정류기 16: 전력 변환기
17: 변압기 18: 정류기
19: 점화 전압 20: 최대 전류
21: 전압 임펄스 22: 핀 전극
23: 환형 전극 24: 작용 가스용 공급부
25: 슬리브 26: 웨브
27: 내벽부 28: 표면
29: 전기 라인 30: 절연체
31: 부분 길이 32: 차폐부
33: 바깥쪽 절연체 34: 커패시터
35: 기판 표면 36: 원추형 구간
37: 유입구 38: 라인
39: 분말/가스 흐름 40: 분말 입자
41: 노즐 개구부 42: 방향
43: 증착된 층

Claims (16)

1. 작용 가스의 흐름 속에서 서로 이격되어 배치되는 2개의 전극뿐 아니라 전극 사이에서 전압을 생성하기 위한 전압원을 포함하며, 흐르는 작용 가스를 공급하는 조건에서, 아크 방전을 통해서, 집속된 플라스마 빔을 생성하기 위한 빔 발생기에 있어서,
   상기 전압원(6)은, 아크 방전을 위한 점화 전압(19) 및 펄스 주파수를 갖는 전압 펄스를 생성하며, 이 전압 펄스는 연속되는 2개의 전압 임펄스(21) 사이의 아크가 각각 소멸되도록 하는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
2. 제1항에 있어서,
   펄스 주파수는 10 kHz와 100 kHz 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 펄스 주파수는 20 kHz와 70 kHz 사이의 범위인 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 점화 전압(19)에 도달한 후에, 두 전극(4, 5) 사이에는, 1 ㎱ 내지 1000 ㎱의 시간 이내에 10 A 내지 1000 A 수준의 최대 전류 세기(20)를 갖는 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 점화 전압(19)은 1 kV와 10 kV 사이인 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전압원(6)은, 입력 전압을 위한 단자(10)를 구비한 전원 공급 유닛과, 상기 전원 공급 유닛 내에서 변환되는 입력 전압을 위한 2개의 출력단(11, 12)을 포함하며, 두 출력단에 병렬로 하나 이상의 콘덴서(13)가 연결되며, 상기 콘덴서는 하나 이상의 저항기(14)를 통해 상기 전원 공급 유닛과 연결되는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 전원 공급 유닛은 개폐형 전원 공급 유닛(9)인 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   상기 전원 공급 유닛(9)과 복수의 전극(22, 23)을 연결하는 전기 라인(29) 중 일측 전기 라인은 절연체(30)에 의해 둘러싸이고, 상기 절연체는 적어도 부분 길이(31)에서 상기 전원 공급 유닛(9)과 추가 전극 사이의 타측 전기 전도성 연결부의 구성 부분인 전기 전도성 차폐부(32)에 의해 둘러싸이며, 상기 전기 전도성 차폐부(32)는 바깥쪽 절연체에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 콘덴서(13, 29, 30, 32)의 용량은 10 ㎋ 내지 200 ㎌의 범위인 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
   
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 전극 하나는 핀 전극(22)으로서, 그리고 전극 하나는 환형 전극(23)으로서 형성되고,
    - 상기 핀 전극(22)에 대해 동심으로, 상기 핀 전극에 대해 절연되고, 전기 절연성 재료로 이루어진 중공 원통형 외피부(7)가 배치되고,
    - 상기 중공 원통형 외피부의 일측 선단면에는 노즐 개구부(41)를 범위 한정하는 환형 전극(23)이 배치되며, 상기 노즐 개구부의 지름은 상기 중공 원통형 외피부의 지름보다 더욱 작으며,
    - 상기 중공 원통형 외피부의 맞은편 선단면에는 작용 가스(3)를 위한 공급부(24)가 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 작용 가스(3)를 위한 상기 공급부(24)는 상기 작용 가스의 와류를 생성하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 작용 가스(3)의 와류를 생성하기 위한 수단은 선단면에서 상기 중공 원통형 외피부(7) 내로 삽입되고, 전기 절연성 재료로 이루어져 상기 핀 전극(22)을 고정하는 슬리브(25)를 포함하며, 상기 슬리브의 표면(28)에는 나선형으로서 구성되는 하나 이상의 웨브(26)가 배치되고, 상기 웨브는 상기 중공 원통형 외피부(7)의 내벽부(27)와 상기 슬리브(25)의 표면(28) 사이에서 상기 작용 가스(3)를 위한 채널을 형성하는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
    
13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 노즐 개구부(41)의 영역에는 분말을 유입하기 위한 하나 이상의 유입구(37)가 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 중공 원통형 외피부(7)는 선단면에 상기 환형 전극(23)의 방향으로 원추형으로 가늘어지는 구간(36)을 포함하고, 각각의 유입구(37)는 상기 구간(36)에 배치되는 것을 특징으로 하는 빔 발생기.
    
15. 작용 가스의 흐름 속에서 서로 이격되어 배치되는 2개의 전극 사이에서, 아크 방전을 통해, 흐르는 작용 가스 내에서 플라스마 빔을 생성하기 위한 방법에 있어서,
    아크 방전을 위한 점화 전압과 펄스 주파수를 갖는 전압 펄스가 생성되고, 상기 전압 펄스는 연속되는 2개의 전압 임펄스 사이의 아크가 각각 소멸되도록 하는, 플라스마 빔 생성 방법.
    
16. 작용 가스의 흐름 방향으로 연속해서 배치되는 2개의 전극 사이에서, 아크 방전을 통해, 흐르는 작용 가스 내에서 플라스마 빔을 생성하기 위한 방법에 있어서,
    아크 방전을 위한 점화 전압과 펄스 주파수를 갖는 전압 펄스가 생성되고, 상기 전압 펄스는 연속되는 2개의 전압 임펄스 사이의 아크가 각각 소멸되도록 하는, 플라스마 빔 생성 방법.

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