KR20130134454A - 슬릿 유전체 장벽을 이용한 ｍｅｍｓ기반 초소형 입자 하전장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코로나 방전을 이용한 입자 하전장치에 관한 것으로서, 팁-평판형 전극을 통해 입자를 1차 코로나 하전시킨 후 슬릿 유전체 장벽 표면에서 발생되는 방전작용을 통해 다시 2차 방전시킴으로써 입자의 하전량을 증대시켜 하전효율을 향상시킬 수 있는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 산화막이 형성된 실리콘 기판에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 산화막을 에칭(etching)한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와, 에칭액을 사용하여 실리콘 기판을 이방성(anisotropic) 에칭하여 팁 형상의 방전부를 형성하는 단계와, 실리콘 기판 표면에 잔존하는 산화막 및 포토레지스트를 제거하는 단계와, 실리콘 기판에 형성된 팁 형상의 방전부 영역에 다시 산화막을 형성한 후 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 통해 팁 형상의 제1전극을 제조하고; 글래스 기판 위에 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계와, 상기 도전층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, 패터닝된 포토레지스를 마스크로 사용하여 도전층을 에칭한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와, 상기 에칭된 도전층 위에 유전체 물질을 도포하여 유전체층을 형성하는 단계와, 상기 유전체층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, 상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 유전체층을 에칭하여 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽을 형성하는 단계를 통해 슬릿 유전체 장벽이 형성된 판 형상의 제2전극을 제조한 후; 상기 공정을 통해 제조된 팁 형상의 제1전극 및 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 판 형상의 제2전극을 상호 일정거리 이격시켜 서로 마주보도록 배치한 상태에서 패키징(packaging)하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

슬릿 유전체 장벽을 이용한 ＭＥＭＳ기반 초소형 입자 하전장치 및 그 제조방법{Micro aerosol particle charger MEMS based using slit dielectric barrier and method of manufacturing the same}

본 발명은 코로나 방전을 이용한 입자 하전장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 팁(Tip)-평판(plate)형 전극 사이를 통과하는 입자를 1차 코로나 방전에 의해 하전시킨 후, 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽 표면에서 발생되는 2차 방전에 의해 추가적으로 하전시킴으로써 입자의 하전량을 증대시켜 입자의 하전효율을 향상시킬 수 있는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 나노기술에서 나노 입자의 제조 발생, 수송, 침착이나 측정은 중요한 과정으로 인식되고 있다. 특히, 수송이나 침착 프로세스에 있어서는 나노 입자를 컨트롤하는 기술이 필요한데 이를 위해 나노 입자를 하전시키거나, 평형 대전 상태에 있도록 한다.

한편, 나노 입자의 하전은 나노 클러스터 DMA(Differential Mobility Analyzer)나, 입자빔 질량분석기와 같은 정전기를 이용한 나노 입자의 계측에 빠질 수 없다. 나노 입자는 보통 가스 형상 이온과 입자와의 충돌의 결과에 의해 하전 되며, 이 입자의 하전상태는 대전 상태에 따라 단극 하전과 양극 하전으로 나눌 수 있다.

이 중에서 코로나 방전을 이용한 하전장치는 단극의 고농도 이온을 발생할 수 있기 때문에 넓은 범위에서 이용되고 있는데, 이 방법에 의하면 전극에 고압의 직류(DC) 전압을 인가하는 것으로 전극의 근방에 단극의 이온(양이온)을 발생시킬 수 있다.

도 1은 한국 특허등록 제0849674호에 종래기술로서 제시되어 있는 코로나 방전을 이용한 입자 하전장치의 일 예를 보여주는 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 코로나 방전을 이용한 종래의 입자 하전장치는 챔버(1)의 양단에 에어로졸(aerosol)을 유입하기 위한 유입덕트(2) 및 에어로졸을 배출하기 위한 유출 덕트(3)가 설치된다. 그리고 상기 챔버(1)의 내부 일측에는 고압의 직류 전압이 인가되는 침상(針狀)의 전극(7)이 설치되고, 이의 반대편에는 에어로졸이 통과되는 통공이 형성된 판상의 전극이 설치된다. 또한 상기 챔버(1) 내부를 통과하는 에어로졸을 정류하기 위하여 다수의 통공이 형성된 층류메쉬(5)가 설치되어 있다.

이와 같은 구성을 갖는 입자 하전장치는 챔버(1) 내부의 전극(7)에 고압의 직류 전압이 인가됨에 따라 상기 전극(7) 끝단에서 발생하는 코로나 방전에 의해 챔버(1) 내부를 흐르는 에어로졸의 미립자가 양이온 또는 음이온으로 하전되어 유출덕트(3)를 통해 외부로 배출된다.

그러나, 이와 같은 종래의 코로나 방전을 이용한 하전장치는 전기장이 강한 일부 영역(침상의 전극)에서만 방전이 일어나기 때문에 입자의 하전량이 작아 입자의 하전효율이 저하되는 문제가 있었다.

한편, 상기한 코로나 방전을 이용한 입자 하전장치 이외에 입자의 양극 하전(양이온 또는 음이온)에 사용되는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge; DBD)을 이용한 입자 하전장치가 있다.

도 2는 한국 특허등록 제0861559호에 종래기술로서 제시되어 있는 유전체 장벽 방전(DBD)을 이용한 입자 하전장치의 전극 구조를 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 유전체 장벽 방전을 이용한 입자 하전장치는 전압 인가 전극(1)과 하부 전극(2)이 교류 전압(4)과 연결되어 있으며, 유전체(3)가 전압 인가 전극(1)의 하면에 설치되어 있다. 이때, 유전체(3)는 전압 인가 전극(1)뿐만 아니라 하부 전극(2)의 상면에도 추가로 설치 가능하다.

이와 같은 구성을 갖는 유전체 장벽 방전을 이용한 입자 하전장치는 교류 전압(4)에 의해 두 전극(1)(2) 사이에 방전 전압이 인가되면 유전체(3) 표면에 방전이 발생되어 양전하(또는 음전하)를 발생시키게 되고, 발생된 전하는 전극 전체로 퍼지게 되면서 입자를 하전시키게 된다.

이와 같은 유전체 장벽을 사용하는 입자 하전장치는 유전체(3)의 표면에서 입자의 추가 하전으로 인해 전술된 코로나 하전장치보다 높은 효율을 갖지만, 교류(AC) 전압을 이용하기 때문에 방전 시 양이온과 음이온이 동시에 발생하게 된다. 이로 인하여 전류계(electrometer)를 이용한 하전 입자 측정 시 양의 전하를 지니는 입자와 음의 전하를 지니는 입자가 공존하여 입자의 측정효율을 떨어뜨리거나 측정오류를 발생할 수 있는 문제점이 있었다. 아울러, 상기와 같은 종래의 코로나 방전 또는 유전체 장벽 방전을 이용한 입자 하전장치들은 크기가 크고 비교적 고가인 대형의 장비들로 구성되기 때문에 그 사용처가 한정될 수밖에 없고, 일반적인 분야에서는 널리 사용되기 어렵다는 문제점이 있었다. 따라서, 우수한 하전효율을 가지면서 소형화와 대량 생산이 가능한 입자 하전장치의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 팁(Tip)-평판(plate)형 전극에 직류(DC) 전압을 인가하여 발생되는 코로나 방전에 의해 입자를 1차 하전시킨 후, 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽 표면에서 발생되는 방전에 의해 입자를 2차 하전시킴으로써 입자의 하전량을 증대시켜 입자의 하전효율을 향상시킬 수 있는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 입자 하전장치에 있어, 2개의 전극, 즉, 팁 형상을 갖는 방전 전극과 슬릿 유전체 장벽을 갖는 평판형 전극을 MEMS 공정을 통해 제조함으로써 입자 하전장치의 소형화 구현이 가능함과 동시에 대량생산이 가능한 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 제조방법은, (a)산화막이 형성된 실리콘 기판에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, (b)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 산화막을 에칭(etching)한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와, (c)에칭액을 사용하여 실리콘 기판을 이방성(anisotropic) 에칭하여 팁 형상의 방전부를 형성하는 단계와, (d)실리콘 기판 표면에 잔존하는 산화막 및 포토레지스트를 제거하는 단계와, (e)실리콘 기판에 형성된 팁 형상의 방전부 영역에 다시 산화막을 형성한 후 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계를 통해 팁 형상의 제1전극을 제조하고,

(a)글래스 기판 위에 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계와, (b)상기 도전층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, (c)패터닝된 포토레지스를 마스크로 사용하여 도전층을 에칭한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와, (d)상기 에칭된 도전층 위에 유전체 물질을 도포하여 유전체층을 형성하는 단계와, (e)상기 유전체층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, (f)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 유전체층을 에칭하여 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽을 형성하는 단계;를 통해 슬릿 유전체 장벽이 형성된 판 형상의 제2전극을 제조한 후,

상기 공정을 통해 제조된 팁 형상의 제1전극 및 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 판 형상의 제2전극을 상호 일정거리 이격시켜 서로 마주보도록 배치한 상태에서 패키징(packaging)하여 제조하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1전극의 제조공정에서 실리콘 기판 위에 전도성 금속을 증착하는 상기 (e)단계 이전에 상기 실리콘 기판 위에 접착물을 도포하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 실리콘 기판 위에 도포되는 접착물로는 티타늄(Ti)이 적용될 수 있다.

또한, 상기 제1전극과 제2전극의 제조공정에서 상기 실리콘 기판에 증착되는 전도성 금속은 구리(Cu)가 적용될 수 있다.

그리고, 상기 제2전극의 제조공정에서 상기 (d)단계의 도전층 위에 도포되는 유전체 물질은 SU-8 포토레지스트가 적용될 수 있다.

한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치는, 팁(Tip) 형상의 방전부가 형성된 제1전극과; 상기 제1전극으로부터 일정거리 이격된 하부측에 대향하여 배치되는 판(plate) 형상의 제2전극과; 상기 제2전극의 상면부에 부착되며, 내측에는 상기 제2전극의 상면부가 부분적으로 노출될 수 있도록 일정 폭을 갖는 다수의 슬릿(slit)이 일정 간격으로 배열 형성된 슬릿 유전체 장벽; 및 상기 제1전극과 제2전극 사이를 통과하는 입자를 하전시킬 수 있도록 상기 제1전극과 제2전극 사이에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 발명은 상기 입자가 유입되는 유입구와 입자가 배출되는 배출구를 가지며, 내측 상부에는 상기 제1전극이 배치되고, 하부에는 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 제2전극이 배치되는 챔버(chamber)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 슬릿 유전체 장벽에 형성되는 다수의 슬릿은 상기 제1전극에 형성된 팁 형상의 방전부가 위치한 중심축을 기준으로 동심 사각형을 그리며 분포하도록 형성할 수 있다.

그리고, 상기 제1전극과, 슬릿 유전체 장벽이 형성된 상기 제2전극은 MEMS 공정을 통해 제조될 수 있다.

이때, 상기 제1전극을 제조하기 위한 MEMS 공정은, (a)산화막이 형성된 실리콘 기판에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와; (b)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 산화막을 에칭한후, 포토레지스트를 제거하는 단계와; (c)상기 실리콘 기판을 이방성 에칭하여 팁 형상의 방전부를 형성하는 단계와; (d)상기 실리콘 기판 표면에 잔존하는 산화막 및 포토레지스트를 제거하는 단계와; (e)상기 실리콘 기판에 형성된 팁 형상의 방전부 영역에 다시 산화막을 형성한 후 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 제2전극을 제조하기 위한 MEMS 공정은, (a)글래스 기판 위에 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계와; (b)상기 도전층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와; (c)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 도전층을 에칭한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와; (d)상기 에칭된 도전층 위에 유전체 물질을 도포하여 유전체층을 형성하는 단계와; (e)상기 유전체층 위에 다시 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와; (f)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 유전체층을 에칭하여 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 챔버는, 저면부에 상기 제1전극이 부착되며, 입자가 유입 및 배출되는 유입구 및 배출구가 형성된 상판부와; 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 제2전극이 부착되는 하판부와; 상기 상판부와 하판부 사이에 일정한 이격 공간이 제공되도록 상기 상판부와 하판부 사이에 개재되는 스페이서(spacer);를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 상판부 및 하판부는 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA)로 구성될 수 있다.

또한, 상기 스페이서는 폴리 디메틸실록산(Poly dimethylsiloxane; PDMS)로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 입자 하전량 측정장치는, 팁(Tip) 형상의 방전부가 형성된 제1전극과, 상기 제1전극으로부터 일정거리 이격된 하부측에 대향하여 배치되는 판(plate) 형상의 제2전극과, 상기 제2전극의 상면부에 부착되며, 내측에는 상기 제2전극의 상면부가 부분적으로 노출될 수 있도록 일정 폭을 갖는 다수의 슬릿(slit)이 일정 간격으로 배열 형성된 슬릿 유전체 장벽, 및 상기 제1전극과 제2전극 사이를 통과하는 입자를 하전시킬 수 있도록 상기 제1전극과 제2전극 사이에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치를 포함하는 입자 하전부와; 상기 입자 하전부로부터 하전된 입자를 수집하여 입자의 하전량을 측정하는 입자 하전량 측정부;를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 입자 하전량 측정부는, 상기 입자 하전부를 통해 하전된 입자가 수집되는 패러데이 케이지(paraday cage)와; 상기 페러데이 케이지에 수집된 입자의 하전량을 측정하는 전류계;를 포함하여 구성될 수 있다.

상기한 구성을 갖는 본 발명은, 팁-평판 타입의 두 전극 사이에 직류(DC) 전압을 인가하여 발생되는 코로나 방전을 통해 입자를 1차 하전시킨 다음에, 다수의 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽 표면에서 발생되는 방전작용을 통해 입자를 2차 하전시킴으로써 입자의 하전량을 증대시켜 입자의 하전효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 팁 형상을 갖는 방전 전극과 슬릿 유전체 장벽을 갖는 평판형 전극을 MEMS 공정을 통해 제조함으로써 입자 하전장치의 소형화 구현이 가능하고 대량생산이 가능한 장점이 있다.

도 1은 종래의 코로나 방전을 이용한 입자 하전장치의 일 예를 도시한 단면도.
도 2는 종래의 유전체 장벽 방전(DBD) 방식을 이용한 입자 하전장치의 일 예를 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 입자 하전장치를 도시한 요부 구성도.
도 4는 도 3의 A-A섹션 단면도.
도 5는 입자 하전장치에 전압 인가시 1차 코로나 방전을 통해 생성된 양이온이 유전체 장벽의 표면에 축적되어 2차 방전을 유발시키는 모습을 설명하는 개념도.
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 입자 하전장치의 두 전극을 MEMS 공정을 이용하여 제작한 후 패키징(packaging)하는 과정을 순차적으로 보여주는 공정도.
도 9는 도 6 내지 도 8의 공정을 통해 제작된 슬릿 유전체 장벽이 있는 본 발명의 입자 하전장치와 슬릿 유전체 장벽이 없는 기존의 입자 하전장치의 코로나 방전시 발생되는 코로나 전류를 각각 측정한 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 입자 하전장치와 입자의 하전량을 측정하는 센싱부가 결합된 입자 하전량 측정장치의 구성을 보여주는 구성도.

이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 입자 하전장치를 도시한 요부 구성도이고, 도 4는 도 3의 A-A섹션 단면도이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 입자 하전장치에 있어서 전압 인가시 1차 코로나 방전을 통해 생성된 양이온이 유전체 장벽의 표면에 축적되어 2차 방전을 유발시키는 모습을 설명하는 개념도이다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 입자 하전장치(100)는 팁(Tip) 형상을 갖는 제1전극(110)과, 다수의 슬릿(slit)(136)이 형성된 유전체 장벽(134)이 상부면에 부착되고 상기 제1전극(110)과 일정거리 이격된 하부측에 대향하여 배치되는 판(Plate) 형상의 제2전극(130)과, 상기 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치(150)를 포함하여 구성된다.

상기 제1전극(110)은 끝단부에 전도성 금속으로 이루어진 팁(Tip) 형상의 방전부(112)가 형성된 방전 전극으로서, 고전압 인가장치(150)를 통해 직류(DC) 전압이 인가될 경우 상기 팁 형상의 방전부(112)에서 코로나 방전(corona discharge)이 발생되어 입자를 양전하로 하전시킨다.

상기 제2전극(130)은 전도성 금속으로 이루어진 정사각형 판(Plate) 형상의 기준 전극으로, 상기 제1전극(110)으로부터 일정거리 떨어진 하부측에 배치되고, 그 상부면에는 정사각형의 평면 형상을 갖는 일정 두께의 유전체 장벽(dielectric barrier)(134)이 부착된다.

이때, 상기 제1전극(110)과 제2전극(130)을 구성하는 전도성 금속물질로는 구리(Cu)가 채용될 수 있다.

상기 유전체 장벽(134)의 내측에는 일정 폭(W)을 갖는 정사각형 모양의 다수의 슬릿(slit)(136)이 상기 유전체 장벽(134)의 중심으로부터 동심 사각형을 그리며 일정 간격으로 분포된 형태를 갖는다.

이때, 상기 유전체 장벽(134)을 구성하는 유전체 물질로는 네거티브 포토레지스트(negative photoresist)인 Su-8 포토레지스트가 사용될 수 있다.

이와 같은 유전체 장벽(134)은 그 중심이 상기 팁 형상의 방전부(112)가 형성된 상기 제1전극(110)의 중심과 동일선상에 위치되도록 배치된다.

여기서, 본 실시 예에서는 유전체 장벽(134)에 형성되는 슬릿(136)의 폭(W)을 300㎛, 슬릿(136)과 슬릿(136) 사이의 거리(D)를 3.5mm, 제1전극(110)의 팁과 유전체 장벽(134) 사이의 간격(S)을 10mm로 형성하였다.

이와 같이 동심 사각형을 그리며 분포된 다수의 슬릿(136) 구조에 의해 상기 유전체 장벽(134)으로 덮힌 제2전극(130)은 상기한 슬릿(136) 형성 모양으로 상부방향으로 부분적으로 노출된 구조를 갖게 된다.

이때, 상기 슬릿(136)의 형상은 상기 실시 예의 정사각형 형상 이외에 제2전극(130)의 형상에 맞도록 원형, 타원형, 다각형 등 다양한 형태로 변경하여 형성할 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 입자 하전장치(100)는 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이에 직류 고전압(DC High Voltage)이 인가되면, 상기 제1전극(110)에 형성된 팁 형상의 방전부(112)에서 코로나 방전에 의해 양이온이 생성되고, 이렇게 생성된 양이온은 상기 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이를 통과하는 입자와 충돌하여 입자를 양전하로 하전시키게 된다.(1차 하전)

그리고, 상기 제1전극(110)에서 코로나 방전을 통해 생성된 양이온(P)은 팁 형상의 방전부(112)를 중심으로 반구 형태의 궤적을 그리며 하부측에 위치한 제2전극(130)의 유전체 장벽(134)의 표면에 축적되고, 이렇게 축적된 양이온(P)에 의해 유전체 장벽(134)의 표면 부근에서 2차 방전을 발생시켜 입자를 추가적으로 하전시키게 된다.(2차 하전)

이와 같이, 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이에서 발생되는 코로나 방전에 의해 입자를 1차 하전시킨 후, 슬릿(136)이 형성된 유전체 장벽(134) 표면에서 발생되는 2차 방전에 의해 입자를 2차 하전시킴으로써, 상기 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이를 통과하는 입자의 하전량을 증대시켜 입자의 하전효율을 향상시킬 수 있다

한편, 상술한 구성을 갖는 본 발명의 입자 하전장치(100)는 상기 제1전극(110)과 유전체 장벽(134)이 형성된 상기 제2전극(130)을 MEMS(micro electro mechanical systems) 제조공정을 이용하여 제작한 후 소형의 챔버 내부에 패키징(pckaging)함으로써 소형화 및 대량생산이 가능한 입자 하전장치를 구현할 수 있다.

도 6은 본 발명의 입자 하전장치(100)에서 제1전극(110)을 제조하는 공정을 순차적으로 보여주는 공정도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제1전극(110)을 제조하기 위한 MEMS 제조공정은, 먼저, 실리콘 기판(114)의 표면에 산화막(SiO₂)(115)을 형성한다.(a)

이때, 상기 산화막(115)은 실리콘 기판(114)의 상부면 및 하부면에 각각 형성한다.

그리고, 상기 산화막(115)이 형성된 실리콘 기판(114)의 상부 및 하부에 포토레지스트(116)를 도포한 후 상부측 포토레지스트(116)를 소정의 형태로 패터닝(patterning)한다.(b)

그런 다음, 상기 패터닝된 포토레지스트(116) 부분을 마스크(mask)로 사용하여 산화막(115)을 에칭(etching)하고, 포토레지스트(116)를 완전히 제거한다.(c)

다음으로, 상기 에칭된 후 잔존하는 산화막(115)을 마스크로 이용하여 실리콘 기판(114)을 이방성 에칭(anisotropic etching)하여 팁 형상의 방전부(112)를 형성한다.(d)

그런 다음, 상기 실리콘 기판(114) 표면에 잔존하는 산화막(115) 및 포토레지스트(116)를 완전히 제거한다.(e)

그리고, 상기 실리콘 기판(114)에 형성된 팁 형상의 방전부(112) 영역에 다시 산화막(115)을 형성한 후, 티타늄(Ti)으로 이루어진 접착물을 도포하여 접착층(미도시)을 형성한다.(f)

그런 다음, 상기 도포된 접착층 위에 전도성 금속(Cu)을 증착하여 도전층(117)을 형성함으로써, 팁 형상의 방전부(112)가 형성된 제1전극(110)의 제작이 완료된다.(g)

한편, 도 7은 본 발명의 입자 하전장치(100)에서 슬릿 유전체 장벽(134)이 형성된 제2전극(130)을 제조하는 공정을 순차적으로 보여주는 공정도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 상기 제2전극(130)을 제조하기 위한 MEMS 제조공정은, 먼저, 글래스(glass) 기판(132) 위에 티타늄(Ti)으로 이루어진 접착층(133)을 형성하고, 상기 접착층(133) 위에 전도성 금속(Cu)을 증착하여 도전층(135)을 형성한다.(a)

그런 다음, 상기 도전층(135) 위에 포토레지스트(137)를 도포하고(b), 상기 도포된 포토레지스트(137)를 소정 형태로 패터닝한다.(c)

그리고, 상기 패터닝된 포토레지스트(137)를 마스크(mask)로 사용하여 도전층(135) 및 접착층(133)을 에칭한 후, 포토레지스트(137)를 제거한다.(d)

다음으로, 상기 도전층(135) 위에 유전체 물질(Su-8)을 일정 두께로 도포하여 유전체층(134)을 형성한다.(e)

이어서, 상기 형성된 유전체층(134) 위에 다시 포토레지스트(137)를 도포한 후, 슬릿(slit) 형상으로 패터닝한다.(f)

그런 다음, 상기 패터닝된 포토레지스트(137)를 마스크로 사용하여 상기 유전체층(134)을 에칭함으로써 최종적으로 슬릿(slit)(136)이 형성된 유전체층(134)이 부착된 제2전극(130)의 제작이 완료된다.(g)

이와 같이, 간단한 MEMS 제조공정을 이용하여 제1전극(110) 및 제2전극(130)의 제작이 완료되면, 팁 형상의 제1전극(110)과 슬릿 유전체 장벽(134)이 형성된 판 형상의 제2전극(130)을 상호 일정거리 이격시켜 서로 마주보게 배치되도록 아크릴로 이루어진 투명 챔버에 패키징(packaging)하는 공정이 수반된다.

도 8은 전술된 도 6 및 도 7의 MEMS 공정을 통해 제작된 제1전극(110)과 제2전극(130)이 폴리머(polymer) 물질로 이루어진 챔버(200) 내에 패키징(packaging)된 모습을 보여주고 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 챔버(200)의 상판부(210)에는 입자가 유입되는 유입구(201)와 입자가 배출되는 배출구(202)가 각각 형성된다. 그리고, 상기 제1전극(110)은 상기 유입구(201)와 배출구(202)의 사이에 위치한 상기 챔버(200)의 상판부(210) 하부면에 부착된다.

상기 챔버(200)의 상판부(210)로부터 일정거리 떨어진 하부측에 위치한 상기 챔버(200)의 하판부(220) 상부면에는 상기 제1전극(110)과 대향하도록 슬릿 유전체 장벽(134)이 형성된 제2전극(130)이 부착된다.

그리고, 상기 챔버(200)의 상판부(210)와 하판부(220) 사이에는 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이에 입자가 통과할 수 있는 일정한 공간이 형성될 수 있도록 일정 두께를 갖는 스페이서(spacer)(230)가 개재된다.

이때, 상기 챔버(200)의 상판부(210) 및 하판부(220)는 투명 아크릴 수지인 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA)로 구성하고, 상기 상판부(210)와 하판부(220) 사이에 개재된 스페이서(230)는 플렉시블(flexible)한 투명 소재인 폴리 디메틸실록산(Poly dimethylsiloxane; PDMS)로 구성될 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 입자 하전장치(100)는 MEMS 공정을 통해 제작된 수~수십 mm 사이즈의 제1전극(110)과 제2전극(130)을 투명한 아크릴 수지 챔버(200) 내에 설치하여 하나의 패키지(package) 형태로 구성함으로써, 초소형 입자 하전장치를 구현할 수 있다.

도 9는 상술한 공정을 통해 제조된 슬릿 유전체 장벽이 있는 본 발명의 입자 하전장치와 슬릿 유전체 장벽이 없는 기존의 일반적인 입자 하전장치에 있어, 코로나 방전시 발생되는 코로나 전류를 각각 측정한 그래프이다.

여기서, 본 측정 실험에 사용된 입자 하전장치의 설계 사양은 전술된 본 발명의 실시 예에 나타낸 바와 같이 제2전극(130)의 유전체 장벽(134) 슬릿 폭(W)이 300㎛, 슬릿(136)과 슬릿(136) 사이의 거리(D)가 3.5mm, 제1전극(110)의 팁 끝단부에서 제2전극(130)의 유전체 장벽(134) 표면부 사이의 간격(S)이 10mm로 설계된 입자 하전장치를 대상으로 하였다

도 9의 그래프에서 볼 수 있듯이, 입자 하전장치에 4kV 이상의 고전압이 인가될 경우, 슬릿 유전체 장벽이 있는 본 발명의 입자 하전장치(100)에 흐르는 코로나 전류가 슬릿 유전체 장벽이 없는 기존의 입자 하전장치에 흐르는 코로나 전류보다 급격하게 증가되는 모습을 확인할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 슬릿 유전체 장벽이 형성된 입자 하전장치를 사용하게 되면 기존의 입자 하전장치보다 입자의 하전량을 크게 증대시킬 수 있다.

한편, 도 10은 상술한 본 발명의 입자 하전장치와, 이 입자 하전장치를 통해 하전된 입자량을 측정할 수 있는 별도의 센싱 수단을 결합한 입자 하전량 측정장치를 도시한 것이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 입자 하전량 측정장치는 크게 입자를 하전시키기 위한 입자 하전부(100)와, 상기 입자 하전부(100)를 거쳐 하전된 입자의 하전량을 측정하기 위한 입자 하전량 측정부(300)로 구성된다. 그리고, 상기 입자 하전부(100)와 입자 하전량 측정부(300)는 입자의 유입구와 배출구가 형성된 하나의 챔버 내부에 앞뒤로 배치되어 격벽(304)을 통해 구분되어 있고, 상기 입자 하전부(100)를 거쳐 하전된 입자는 상기 격벽(304)에 형성된 통공(302)을 통과하여 상기 입자 하전량 측정부(300)로 유입되도록 되어 있다.

여기서, 상기 입자 하전부(100)의 구성은 전술된 실시 예에서 보인 입자 하전장치(100)의 구성과 동일하다. 즉, 입자 하전부(100)는 팁(Tip) 형상의 방전부가 형성된 제1전극(110)과, 상기 제1전극(110)으로부터 일정거리 이격된 하부측에 대향하여 배치되는 판(plate) 형상의 제2전극(130)과, 상기 제2전극(130)의 상면부에 부착되며, 내측에 상기 제2전극(130)의 상면부가 부분적으로 노출될 수 있도록 일정 폭을 갖는 다수의 슬릿(slit)(136)이 일정 간격으로 배열 형성된 슬릿 유전체 장벽(134), 및 상기 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이를 통과하는 입자를 하전시킬 수 있도록 상기 제1전극(110)과 제2전극(130) 사이에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치(150)를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 입자 하전량 측정부(300)는 입자 하전부(100)를 거쳐 하전된 입자(M)가 수집되는 패러데이 케이지(paraday cage)(310)와, 상기 페러데이 케이지(310)에 수집된 입자(M)의 하전량을 측정하는 전류계(electrometer)(320)를 포함하여 구성된다.

상기 페러데이 케이지(310)는 외부로부터 전기적인 간섭을 받지않도록 절연된 구조물로서, 상기 페러데이 케이지(310)의 외벽은 정전기 등의 전기적인 간섭을 줄여주기 위하여 접지된 금속 판으로 둘러싸인 구조를 갖는다.

이와 같은 구성을 갖는 입자 하전량 측정장치는, 챔버 내부의 전방측에 위치한 입자 하전부(100)를 거쳐 양전하로 하전된 입자가 격벽(304)에 형성된 통공(302)을 통과하여 후방측에 있는 패러데이 케이지(310) 내부로 유입되어 수집된다. 그리고, 상기 패러데이 케이지(310) 내벽에 입자가 접촉될 경우 상기 패러데이 케이지(310) 내벽에 흐르는 전류를 전류계(320)로 측정하여 페러데이 케이지(310) 내부에 수집된 입자의 하전량을 측정하게 된다. 또한, 이와 같은 입자의 하전량을 측정함으로써 입자의 농도를 측정할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

100 : 입자 하전장치 110 ; 제1전극
130 : 제2전극 134 : 유전체 장벽
136 : 슬릿(slit) 150 : 고전압 인가장치
200 : 챔버 201 ; 유입구
202 : 배출구 210 : (챔버의)상판부
220 : (챔버의)하판부 230 : 스페이서(spacer)
300 : 입자 하전량 측정부 310 : 패러데이 케이지(paraday cage)
320 : 전류계

Claims (23)

1. (a)산화막이 형성된 실리콘 기판에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, (b)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 산화막을 에칭(etching)한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와, (c)에칭액을 사용하여 실리콘 기판을 이방성(anisotropic) 에칭하여 팁 형상의 방전부를 형성하는 단계와, (d)실리콘 기판 표면에 잔존하는 산화막 및 포토레지스트를 제거하는 단계와, (e)실리콘 기판에 형성된 팁 형상의 방전부 영역에 다시 산화막을 형성한 후 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계;를 통해 팁 형상의 제1전극을 제조하고,
   
   (a)글래스 기판 위에 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계와, (b)상기 도전층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, (c)패터닝된 포토레지스를 마스크로 사용하여 도전층을 에칭한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와, (d)상기 에칭된 도전층 위에 유전체 물질을 도포하여 유전체층을 형성하는 단계와, (e)상기 유전체층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와, (f)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 유전체층을 에칭하여 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽을 형성하는 단계;를 통해 슬릿 유전체 장벽이 형성된 판 형상의 제2전극을 제조한 후,
   
   상기 공정을 통해 제조된 팁 형상의 제1전극 및 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 판 형상의 제2전극을 상호 일정거리 이격시켜 서로 마주보도록 배치한 상태에서 패키징(packaging)하여 제조하는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 제조방법
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제1전극의 제조공정에서 실리콘 기판 위에 전도성 금속을 증착하는 상기 (e)단계 이전에 상기 실리콘 기판 위에 접착물을 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 제조방법
   
3. 제2항에 있어서, 상기 실리콘 기판 위에 도포되는 접착물은 티타늄(Ti)인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 제조방법
   
4. 제1항에 있어서, 상기 제1전극과 제2전극의 제조공정에서 상기 실리콘 기판에 증착되는 전도성 금속은 구리(Cu)인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 제조방법
   
5. 제1항에 있어서, 상기 제2전극의 제조공정에서 상기 (d)단계의 도전층 위에 도포되는 유전체 물질은 SU-8 포토레지스트인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치 제조방법
   
6. 팁(Tip) 형상의 방전부가 형성된 제1전극과;
   상기 제1전극으로부터 일정거리 이격된 하부측에 대향하여 배치되는 판(plate) 형상의 제2전극과;
   상기 제2전극의 상면부에 부착되며, 내측에는 상기 제2전극의 상면부가 부분적으로 노출될 수 있도록 일정 폭을 갖는 다수의 슬릿(slit)이 일정 간격으로 배열 형성된 슬릿 유전체 장벽; 및
   상기 제1전극과 제2전극 사이를 통과하는 입자를 하전시킬 수 있도록 상기 제1전극과 제2전극 사이에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치;
   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
   
7. 제6항에 있어서, 상기 입자가 유입되는 유입구와 입자가 배출되는 배출구를 가지며, 내측 상부에는 상기 제1전극이 배치되고, 하부에는 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 제2전극이 배치되는 챔버(chamber)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
   
8. 제6항에 있어서, 상기 슬릿 유전체 장벽에 형성되는 다수의 슬릿은 상기 제1전극에 형성된 팁 형상의 방전부가 위치한 중심축을 기준으로 동심 사각형을 그리며 분포하는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
   
9. 제6항에 있어서, 상기 제1전극과, 슬릿 유전체 장벽이 형성된 상기 제2전극은 MEMS 공정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
   
10. 제9항에 있어서, 상기 제1전극을 제조하기 위한 MEMS 공정은,
    (a)산화막이 형성된 실리콘 기판에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와;
    (b)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 산화막을 에칭한후, 포토레지스트를 제거하는 단계와;
    (c)상기 실리콘 기판을 이방성 에칭하여 팁 형상의 방전부를 형성하는 단계와;
    (d)상기 실리콘 기판 표면에 잔존하는 산화막 및 포토레지스트를 제거하는 단계와;
    (e)상기 실리콘 기판에 형성된 팁 형상의 방전부 영역에 다시 산화막을 형성한 후 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 (e)단계에서 상기 전도성 금속은 구리(Cu)인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
12. 제10항에 있어서, 상기 (e)단계에서 상기 전도성 금속을 증착하기 전에 상기 실리콘 기판 위에는 접착물이 도포되는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
13. 제12항에 있어서, 상기 실리콘 기판 위에 도포되는 접착물은 티타늄(Ti)인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
14. 제9항에 있어서, 상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 제2전극을 제조하기 위한 MEMS 공정은,
    (a)글래스 기판 위에 전도성 금속을 증착하여 도전층을 형성하는 단계와;
    (b)상기 도전층 위에 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와;
    (c)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 도전층을 에칭한 후 포토레지스트를 제거하는 단계와;
    (d)상기 에칭된 도전층 위에 유전체 물질을 도포하여 유전체층을 형성하는 단계와;
    (e)상기 유전체층 위에 다시 포토레지스트를 도포한 후 패터닝하는 단계와;
    (f)상기 패터닝된 포토레지스트를 마스크로 사용하여 유전체층을 에칭하여 슬릿(slit)이 형성된 유전체 장벽을 형성하는 단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
15. 제14항에 있어서, 상기 (a)단계에서 전도성 금속은 구리(Cu)인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
16. 제14항에 있어서, 상기 (a)단계에서 전도성 금속을 도포하기 전에 상기 글래스 기판 위에는 접착물이 도포되는 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
17. 제16항에 있어서, 상기 글래스 기판 위에 도포되는 접착물은 티타늄(Ti)인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
18. 제14항에 있어서, 상기 (d)단계의 도전층 위에 도포되는 유전체 물질은 SU-8 포토레지스트인 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
19. 제7항에 있어서, 상기 챔버는,
    저면부에 상기 제1전극이 부착되며, 입자가 유입 및 배출되는 유입구 및 배출구가 형성된 상판부와;
    상기 슬릿 유전체 장벽이 형성된 제2전극이 부착되는 하판부와;
    상기 상판부와 하판부 사이에 일정한 이격 공간이 제공되도록 상기 상판부와 하판부 사이에 개재되는 스페이서(spacer);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
20. 제19항에 있어서, 상기 상판부 및 하판부는 폴리메틸 메타크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA)로 구성된 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
21. 제19항에 있어서, 상기 스페이서는 폴리 디메틸실록산(Poly dimethylsiloxane; PDMS)로 구성된 것을 특징으로 하는 슬릿 유전체 장벽을 이용한 MEMS 기반 초소형 입자 하전장치
    
22. 팁(Tip) 형상의 방전부가 형성된 제1전극과,
    상기 제1전극으로부터 일정거리 이격된 하부측에 대향하여 배치되는 판(plate) 형상의 제2전극과,
    상기 제2전극의 상면부에 부착되며, 내측에는 상기 제2전극의 상면부가 부분적으로 노출될 수 있도록 일정 폭을 갖는 다수의 슬릿(slit)이 일정 간격으로 배열 형성된 슬릿 유전체 장벽, 및
    상기 제1전극과 제2전극 사이를 통과하는 입자를 하전시킬 수 있도록 상기 제1전극과 제2전극 사이에 고전압을 인가하는 고전압 인가장치를 포함하는 입자 하전부;
    상기 입자 하전부로부터 하전된 입자를 수집하여 입자의 하전량을 측정하는 입자 하전량 측정부;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 입자 하전량 측정장치.
    
23. 제22항에 있어서, 상기 입자 하전량 측정부는,
    상기 입자 하전부를 통해 하전된 입자가 수집되는 패러데이 케이지(paraday cage)와;
    상기 페러데이 케이지에 수집된 입자의 하전량을 측정하는 전류계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입자 하전량 측정장치.

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