KR20140024709A - 대기압 플라즈마 처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 금속 도체로 형성되어 양(+)전압을 인가받는 제1전극과; 상기 제1전극과 대향한 상태로 이격 배치되고 금속 도체로 형성되어, 상기 제1전극과의 사잇 공간에 방전 공간을 형성하는 제2전극과; 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압을 공급하는 전압 공급부와; 상기 제1전극과 상기 제2전극의 대향면 중 어느 하나에 형성된 유전체와; 상기 방전 공간 내에 처리 가스를 유입하는 처리가스 공급부와; 상기 제1전극의 내부를 관통하는 제1냉각유로에 냉각액이 유동하는 냉각부를; 포함하여 구성되어, 냉각액이 흐르는 제1냉각유로가 제1전극을 관통하는 형상으로 제1전극이 형성되어, 제1전극과 냉각액과의 접촉면적을 극대화하여 제1전극에서 발생되는 높은 열을 효과적으로 냉각시킴으로써, 제1전극에서 발생되는 열을 보다 넓은 접촉 면적으로 제1냉각유로를 흐르는 냉각액이 흡수하여 외부로 배출시켜, 대기압 하에서 전극에 높은 전압을 인가하여 방전을 유도하는 동안에 발생되는 큰 발열량에 의하여 전극 등이 손상되는 등 반응기의 내구성이 저하되는 것을 효과적으로 방지하는 대기압 플라지마 처리 장치를 제공한다.

Description

대기압 플라즈마 처리 장치 {ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA TREATMENT APPARATUS}
본 발명은 대기압 플라즈마 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 밀도를 높이기 위하여 높은 전압을 인가할 경우에 발생되는 발열량에 의하여 반응기나 피처리물의 내구성이 저하되는 것을 효과적으로 방지하는 대기압 플라지마 처리 장치에 관한 것이다.
플라즈마 처리 장치는 두 전극 사이에 처리 가스가 주입된 상태에서 방전을 일으키면, 가스가 이온화되면서 발생되는 플라즈마를 기판에 접촉시켜, 기판의 표면에 잔류하는 유기 오염물을 세정하거나 표면 처리를 행하는 데 사용된다.
최근에는, 종래와 달리 진공 시스템을 필요로 하지 않고 대기압 하에서 반응 챔버 없이 생산 라인에 적용되어 연속적인 공정을 처리할 수 있게 하므로, 기판의 처리 공정을 보다 효과적으로 행할 수 있는 장점이 있다.
도1에 도시된 종래의 일반적인 대기압 플라즈마 처리장치(1)는 전원공급수단(30)의 양극과 전기적으로 연결된 제1전극(10)과, 접지(35)와 전기적으로 연결된 제2전극(20)에 전압을 인가하고, 제1전극(10)과 제2전극(20)의 사이의 방전 공간(50)에 에 처리 가스를 공급하면, 제1전극(10)과 제2전극(20)의 사이에 플라즈마가 생성된다. 이 때, 플라즈마가 생성되는 공간을 기판(S)이 통과하도록 함으로써, 기판(S)의 표면을 개질하거나 세정하는 공정을 행한다. 도면 중 미설명 부호인 '40'은 유전체이다.
그러나, 대기압 플라즈마 처리장치는 진공이 아닌 상압 하에서 방전을 일으켜야 하므로, 상대적으로 매우 높은 전압이 전극(10, 20)에 인가되어야 한다. 그러나, 높은 전압을 전극(10, 20)에 인가하는 것은 전극(10)에 높은 열을 야기하여, 발생된 열에 의하여 전극(10)이 손상되는 문제가 야기된다.
따라서, 대기압 플라즈마 처리 장치(1)의 발열량을 효과적으로 억제할 수 있는 방안에 대하여 그 중요성이 크게 대두되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 플라즈마 밀도를 높이기 위하여 대기압 하에서 전극에 높은 전압을 인가하여 방전을 유도하는 동안에 발생되는 큰 발열량에 의하여 전극 등이 손상되는 등 반응기의 내구성이 저하되거나 반응기 또는 피처리물이 손상되는 것을 효과적으로 방지하는 대기압 플라지마 처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명은 대기압 플라즈마 처리 장치의 작동 중에 전극에서 발생되는 열을 신속하게 외부로 배출시킴으로써, 전극 등의 손상을 억제하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전극 사이에서 발생된 플라즈마를 이용하여 기판의 처리 공정을 보다 손쉽게 할 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은, 금속 도체로 형성되어 양(+)전압을 인가받는 제1전극과; 상기 제1전극과 대향한 상태로 이격 배치되고 금속 도체로 형성되어, 상기 제1전극과의 사잇 공간에 방전 공간을 형성하여 음(-)전압을 인가받는 제2전극과; 상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압을 공급하는 전압 공급부와; 상기 제1전극과 상기 제2전극의 대향면 중 어느 하나에 형성된 유전체와; 상기 방전 공간 내에 처리 가스를 유입하는 처리가스 공급부와; 상기 제1전극의 내부를 관통하는 제1냉각유로에 냉각액이 유동하는 냉각부를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치를 제공한다.
이는, 대기압 플라즈마 처리 장치의 제1전극에서 발생되는 높은 열을 외부로 방출시키기 위하여, 냉각액이 흐르는 제1냉각유로가 제1전극을 관통하는 형상으로 제1전극을 형성함으로써, 제1전극과 냉각액과의 접촉면적을 극대화하여 제1전극에서 발생되는 높은 열을 효과적으로 냉각시키기 위함이다. 이를 통해, 대기압 하에서 방전시키기 위하여 제1전극에 높은 전압이 인가되더라도, 제1전극에서 발생되는 열을 보다 넓은 접촉 면적으로 제1냉각유로를 흐르는 냉각액이 흡수하여 외부로 배출함으로써, 제1전극이 정해진 온도 이상으로 높아지는 것을 방지하여, 전극 등의 반응기의 내구 수명을 보다 향상시키고, 피처리물 및 반응기의 손상을 방지할 수 있다.
이 때, 상기 제1냉각유로의 두께(또는 높이, t2)는 상기 제1전극의 두께(t1)의 2배 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 제1전극의 두께가 상대적으로 얇고, 그 내부를 제1냉각유로가 관통함으로써, 제1전극에서 발생되는 열을 효과적으로 배출시킬 수 있다.
한편, 상기 냉각 유로는 상기 제1전극 내부에 2열 이상으로 배열될 수도 있다. 이를 통해, 제1전극의 내벽과 냉각액의 접촉면적을 증대시켜, 제1전극에서 발생되는 열을 배출시키는 데 보다 유리하다.
여기서, 상기 제1전극은 내부에 중공부가 관통하는 단면 형상으로 형성되어, 상기 중공부가 상기 제1냉각 유로를 형성하도록 구성될 수 있다.
무엇보다도, 상기 제1냉각유로를 가로지르는 제2냉각유로가 상기 제1전극의 내부에 형성되어, 상기 제1냉각유로를 통과하는 냉각액과 상기 제2냉각유로를 통과하는 냉각액이 상기 전극 내에서 서로 혼합되면서 와류가 유도되는 것이 효과적이다. 이를 통해, 제1냉각유로를 통과하는 냉각액과 제2냉각유로를 통과하는 냉각액이 서로 혼합되면서 발생되는 와류에 의해 냉각액 전체가 골고루 제1전극의 내벽과 접촉하여, 제1전극에서 발생된 열을 냉각액 전체가 골고루 빼앗아 외부로 배출시킴으로써, 제1전극에서 발생된 열을 보다 효과적으로 배출할 수 있다.
그리고, 상기 제1냉각유로에 기체를 분사하는 기체 분사구가 형성되어, 상기 제1냉각유로를 통과하는 냉각액에 와류가 유도될 수도 있다. 이에 의해서도 제1냉각유로를 통과하는 냉각액 전체가 골고루 제1전극의 내벽과 접촉하면서 열을 빼앗아 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 상기 제2전극에는 슬릿 형태의 관통공이 형성되어, 제1전극과 제2전극의 방전 공간에서 발생된 플라즈마를 상기 관통공을 통해 피처리물의 표면에 배출시키도록 구성되어, 피처리물의 원하는 위치에 플라즈마를 노출시키는 것이 보다 용이해진다. 따라서, 다양하면서도 정교한 플라즈마 처리 공정이 가능해진다.
본 명세서 및 특허청구범위의 '양(+)전압' 및 '음(-)전압'이라는 용어는, "전압 공급부로부터 전극에 전압을 공급하되, 전극에 공급되는 전압의 전위차를 형성하는 높은 전압을 양(+)전압으로 지칭하고, 전위차를 형성하는 낮은 전압을 음(-)전압으로 지칭한 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은, 냉각액이 흐르는 제1냉각유로가 제1전극을 관통하는 형상으로 제1전극이 형성되어, 제1전극과 냉각액과의 접촉면적을 극대화하여 제1전극에서 발생되는 높은 열을 효과적으로 냉각시킴으로써, 제1전극에서 발생되는 열을 보다 넓은 접촉 면적으로 제1냉각유로를 흐르는 냉각액이 흡수하여 외부로 배출시켜, 대기압 하에서 전극에 높은 전압을 인가하여 방전을 유도하는 동안에 발생되는 큰 발열량에 의하여 전극 등이 손상되는 등 반응기의 내구성이 저하되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 유리한 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 제1전극의 두께(t1)에 비하여 제1냉각유로의 두께(t2)를 2배 이상으로 형성하여, 제1전극의 내벽이 사방에서 냉각 유로에 의해 둘러싸인 상태로 제1냉각유로를 통과하는 냉각액에 접촉하도록 구성됨에 따라, 제1전극에서 발생된 열이 제1냉각유로를 따라 흐르는 냉각액에 의해 외부로 보다 용이하게 배출될 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명은 제1냉각유로를 90도 또는 경사진 방향으로 가로지르는 제2냉각유로가 제1전극의 내부에 형성되어, 서로 다른 2개 이상의 방향으로 흐르는 저온의 냉각액이 제1전극의 내부로 흘러들어와 이들의 교차점에서 혼합되면서 와류(또는 난류)가 형성되도록 유도됨으로써, 제1냉각유로 및 제2냉각유로를 따라 흐르는 냉각액이 제1전극의 내벽과 접하는 영역에서만 열을 흡수하여 외부로 배출되지 않고, 제1냉각유로 및 제2냉각유로를 따라 흐르는 냉각액 전체가 제1전극의 내벽과 접촉하면서 골고루 열을 흡수하여 외부로 배출됨으로써, 제1전극의 열을 보다 신속하게 배출시켜 제1전극의 손상을 야기하는 온도까지 제1전극이 과열되는 것을 방지할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명은 제1냉각유로에 압축 기체를 분사하여 저온의 냉각액이 제1냉각유로를 따라 흐르면서 골고루 혼합시키는 와류가 유도되어, 제1냉각유로를 따라 흐르는 냉각액 전체가 골고루 제1전극의 내벽과 접촉하면서 열을 전달받아, 짧은 시간 내에 냉각액을 통해 제1전극의 열을 외부로 배출시키는 잇점이 있다.
그리고, 본 발명은 상기 제2전극에는 슬릿 형태의 관통공이 형성되어, 제1전극과 제2전극의 방전 공간에서 발생된 플라즈마를 상기 관통공을 통해 피처리물의 표면에 배출시킴으로써, 피처리물의 원하는 위치에 플라즈마를 노출시켜 표면 개질이나 세정 위치를 보다 쉽게 제어하면서 처리 공정을 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도1은 종래의 일반적인 대기압 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 개략도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 처리 장치의 구성을 도시한 사시도,
도3a은 도2의 제1전극의 절단선 A-A에 따른 단면도,
도3b는 도2에 적용할 수 있는 다른 실시 형태의 제1전극의 절단선 A-A에 따른 단면도,
도3c는 도2에 적용할 수 있는 또 다른 실시 형태의 제1전극의 절단선 A-A에 따른 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 처리 장치(100)에 대하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하며, 동일하거나 유사한 기능 혹은 구성에 대해서는 동일하거나 유사한 도면 부호를 부여하기로 한다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 대기압 플라즈마 처리 장치(100)는, 금속 도체로 형성되고 양(+) 전압을 인가받는 제1전극(110)과, 제1전극(110)과 대향한 상태로 이격 배치되고 금속 도체로 형성되는 제2전극(120)과, 제1전극(110)에는 양(+)전압을 인가하고 제2전극(120)에는 음(-)전압을 인가하는 전압 공급부(130, 135)와, 제1전극(110)와 제2전극(120)의 사이에 형성되는 방전 공간(77)을 대향하도록 제1전극(110)에 밀착 형성된 유전체(140)와, 제1전극(110)의 중공부(110c)로 형성되는 제1냉각유로(150L)를 따라 흐르면서 제1전극(110)에서 발생된 열을 외부로 배출시키는 냉각액(150)과, 제1전극(110)과 제2전극(120)의 사이에 형성된 방전 공간(77) 내에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 처리 가스(88)를 유입시키는 처리가스 공급부(미도시)로 구성된다.
상기 제1전극(110)은 전압 공급부(130, 135)의 양(+)전압이 인가되고, 상기 제2전극(120)은 전압 공급부의 접지(135)와 연결되어 음(-)전압이 인가되어, 제1전극(110)과 제2전극(120) 사이의 방전 공간(77)에서 방전을 일으킨다. 이를 위하여, 유전체(140)는 제1전극(110)과 제2전극(120) 중 어느 한쪽에 형성될 수 있다. 그리고, 제1전극(110) 및 제2전극(120)은 알루미늄이나 스텐레스 등 금속 도체로 형성된다.
도3a에 도시된 제1전극(110)은 종단면도에 나타난 바와 같이, 제1전극(110)에는 중공부(110c)가 형성되어, 냉각액(150)이 통과하는 제1냉각유로(150L)를 형성한다. 이 때, 제1전극(110)의 두께(t1)는 제1냉각유로(150L)의 두께(t2)에 비하여 대략 1/3 ~ 1/5로 형성되어, 제1전극(110)에서 발생된 열이 제1냉각유로를 따라 흐르는 냉각액(150)에 쉽게 전달될 수 있다.
여기서, 냉각액(150)은 펌프(153)에 의하여 냉각액(150)이 제1전극(110) 내부의 제1냉각유로(150L)로 공급(150d)되며, 제1냉각유로(150L)를 흐르면서 제1전극(110)을 열을 흡수한 냉각액(150)은 배출유로(150')를 통해 외부로 버려지거나 다시 냉각되어 제1냉각유로(150L)에 재공급된다.
이와 같이, 제1전극(110)의 두께(t1)를 얇게 형성하고, 제1전극(110)의 중공부에 충분히 큰 단면의 제1냉각유로(150L)를 형성하여, 간단한 구조이어서 쉽게 제작할 수 있으면서도 제1전극(110)의 보다 넓은 표면에 냉각액(150)이 접촉하도록 유도하여, 제1전극(110)에서 발생되는 높은 열을 효과적으로 외부로 배출시킬 수 있다.
상기 처리 가스(88)는 플라즈마 생성에 사용되는 공지된 불소 계열의 SF6 등으로서, 방전 공간(77) 내에 공급되어 플라즈마를 생성한다.
한편, 제2전극(120)에는 슬릿 형태의 관통공(121)이 형성된다. 이를 통해, 제1전극(110)과 제2전극(120)의 사이에 생성되는 플라즈마를 슬릿 형태의 관통공(121)을 통해 피처리물(S)의 표면에 도달하도록 배출(66)함으로써, 플라즈마 처리 장치(100)에 의해 처리하고자 하는 기판(S)의 원하는 위치에 도달시키는 것이 매우 간단하고 용이해진다. 피처리물(S)의 전체 표면에 플라즈마 처리 공정을 행하고자 할 경우에는, 플라즈마 처리 장치(100)의 위치를 고정시키고 피처리물(S)을 x, y방향으로 이동시키는 것에 의해 행할 수도 있고, 피처리물(S)의 위치를 고정시키고 플라즈마 처리장치(100)의 위치를 x, y방향으로 이동시키는 것에 의해 행할 수도 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도3b에 도시된 바와 같이, 제1전극(210)의 중공부(210c)에는 종방향으로 관통하는 제1냉각유로(250L)와, 제1냉각유로(250L)를 수직인 횡방향으로 가로지르는 제2냉각유로(251L, 252L)가 형성된다. 이 때, 제1냉각유로(250L)로 유입(250d)되는 냉각액은 제2냉각유로(251L, 252L)로 유입되는 냉각액과 유동 방향이 서로 다르므로, 제1전극(210)의 내부에서 혼합되면서 와류(255d)가 유도된다. 이에 따라, 제2냉각유로(251L, 252L)가 없었더라면 제1전극(210)의 내벽과 접촉하지 않는 영역의 냉각액(예를 들어, 제1냉각유로의 종방향 중심부를 통과하는 냉각액)도 제1전극(210)의 내벽과 접촉하면서, 제1전극(210)에서 발생된 열을 흡수하게 된다. 따라서, 도3a에 도시된 구성에 비하여 보다 짧은 시간 내에 제1전극(210)의 열을 외부로 배출할 수 있는 잇점이 얻어진다.
여기서, 제1냉각유로(250L)로 유입되는 냉각액은 제2냉각유로(251L, 252L)로 유입되는 냉각액과 혼합되므로, 제1냉각유로(250L)로 유입된 냉각액이 제1냉각유로(250L)의 출구로부터 연장된 배출유로(250')로 모두 배출되는 것은 아니고 일부는 제2냉각유로(251L, 252L)의 출구로부터 연장된 배출유로(251', 252')로 배출된다. 마찬가지로, 제2냉각유로(251L, 252L)로 유입되는 냉각액은 제1냉각유로(250L)로 유입되는 냉각액과 혼합되므로, 제2냉각유로(251L,252L)로 유입된 냉각액이 제2냉각유로(251L,252L)의 출구로부터 연장된 배출유로(251', 252')로 모두 배출되는 것은 아니고 일부는 제1냉각유로(250L)의 출구로부터 연장된 배출유로(250')로 배출된다.
그리고, 제1냉각유로(250L)와 제2냉각유로(251L, 252L)에 공급되는 냉각액은 그 종류가 서로 동일하므로, 하나의 펌프(153)로부터 각각 제1냉각유로(250L) 및 제2냉각유로(251L, 252L)로 연결될 수도 있다. 이를 통해, 하나의 펌프를 이용하여 다수의 냉각 유로(250L, 251L, 252L)에 냉각액을 공급할 수 있다. 도면에 도시되지 않았지만, 배출 유로(250', 251', 252')에도 배출 펌프가 하나 또는 각각에 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 도3c에 도시된 바와 같이, 제1전극(310)의 중공부(310c)에는 종방향으로 관통하는 제1냉각유로(350L)의 내부에 기체를 분사하는 기체 분사부(360)가 구비된다. 기체 분사부(360)로부터 분사되는 기체에 의하여 제1냉각유로(350L)를 흐르는 냉각액에 와류(355d)가 유도된다. 이에 따라, 기체 분사부(360)가 없었더라면 제1전극(210)의 내벽과 접촉하지 않는 영역의 냉각액(예를 들어, 제1냉각유로의 종방향 중심부를 통과하는 냉각액)도 제1전극(310)의 내벽과 접촉하면서, 제1전극(310)에서 발생된 열을 흡수하게 된다. 따라서, 도3a에 도시된 구성에 비하여 보다 신속하고 효율적으로 제1전극(310)의 열을 외부로 배출할 수 있는 잇점이 얻어진다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 상기와 같은 특정 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 본 발명의 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.
100: 대기압 플라즈마 처리 장치 110, 210, 310: 제1전극
120: 제2전극 130: 전압 공급부
140: 유전체 150: 냉각액
150L, 250L, 350L: 제1냉각유로 251L, 252L: 제2냉각유로
360: 기체 분사부 S: 피처리물

Claims (8)

  1. 금속 도체로 형성되어 양(+) 전압을 인가받는 제1전극과;
    상기 제1전극과 대향한 상태로 이격 배치되고 금속 도체로 형성되어, 상기 제1전극과의 사잇 공간에 방전 공간을 형성하여 음(-)전압을 인가받는 제2전극과;
    상기 제1전극과 상기 제2전극에 전압을 공급하는 전압 공급부와;
    상기 제1전극과 상기 제2전극의 대향면 중 어느 하나에 형성된 유전체와;
    상기 방전 공간 내에 처리 가스를 유입하는 처리가스 공급부와;
    상기 제1전극의 내부를 관통하는 제1냉각유로에 냉각액이 유동하는 냉각부를;
    포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1전극은 내부에 중공부가 관통하는 단면 형상으로 형성되어, 상기 중공부가 상기 제1냉각 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 상기 제1전극 내부에 2열 이상으로 배열된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1냉각유로를 가로지르는 제2냉각유로가 상기 제1전극의 내부에 형성되어, 상기 제1냉각유로를 통과하는 냉각액과 상기 제2냉각유로를 통과하는 냉각액이 상기 전극 내에서 서로 혼합되면서 와류가 유도되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1냉각유로에 냉각액을 공급하는 펌프와 상기 제2냉각유로에 냉각액을 공급하는 펌프는 하나인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제1냉각유로에 기체를 분사하는 기체 분사구가 형성되어, 상기 제1냉각유로를 통과하는 냉각액에 와류가 유도되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1냉각유로의 두께(t2)는 상기 제1전극의 두께(t1)의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2전극에는 슬릿 형태의 관통공이 형성되어, 상기 관통공을 통해 상기 방전 공간 내부에서 생성된 플라즈마를 피처리물의 표면에 배출시키는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 처리 장치.
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