KR20140099726A - 표면 처리를 위한 유전체 장벽 방전 반응기 - Google Patents

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Abstract

폴리머, 금속, 또는 유리 기판의 표면 처리를 위한 유전체 장벽 방전 반응기가 제공된다. 유전체 장벽 방전 반응기는 반응기 내부 공간을 형성하며 각자의 유전체로 둘러싸인 복수의 구동 전극과, 복수의 구동 전극과의 사이에 반응기 외부 공간을 형성하며 피처리 기판을 지지하는 접지 전극을 포함한다. 복수의 구동 전극 중 적어도 두 개의 구동 전극은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압을 인가 받으며, 반응기 외부 공간보다 반응기 내부 공간에서 플라즈마 방전이 먼저 개시된다.

Description

표면 처리를 위한 유전체 장벽 방전 반응기 {DIELECTRIC BARRIER DISCHARGE REACTOR FOR SURFACE TREATMENT}
본 발명은 표면 처리를 위한 플라즈마 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기압에서 작동하는 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge) 반응기에 관한 것이다.
폴리머는 투명성, 가요성(flexibility), 낮은 가격, 화학적인 비활성 특성 등으로 인해 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 그런데 폴리머는 표면 에너지가 낮으므로 다양한 적용을 위해 표면 개질이 요구된다. 폴리머 뿐만 아니라 금속과 유리 등의 재료도 적용 대상에 따라 표면 개질이 요구된다.
플라즈마는 물질의 벌크 특성에 영향을 미치지 않으면서 표면 물질을 바꿀 수 있기 때문에 표면 처리에 유용하다. 폴리머가 플라즈마에 노출되면, 노출된 표면은 잔류 이물질이 제거되면서 세정되고, 새로운 관능기가 추가되면서 기능화된다. 특히 산소와 질소 라디칼의 이용은 폴리머의 표면 에너지를 증가시켜 젖음성, 접착성, 인쇄성 등의 표면 특성을 개선하는데 효과적인 것으로 알려져 있다.
대기압에서 작동하는 유전체 장벽 방전은 고가의 진공 시스템 없이 풍부한 활성종을 제공할 수 있으므로 폴리머 기판의 표면 처리에 효과적이다. 일반적으로 유전체 장벽 방전은 두 개의 전극 사이에서 발생하며, 적어도 하나의 전극은 유전체로 덮여 방전 전류를 제한하고 플라즈마 방전이 열적 아크로 전이되지 않도록 한다.
그런데 유전체 장벽 방전은 대기압에서 보통 필라멘트 모드가 된다. 이는 공기 중에 포함된 산소가 플라즈마 방전을 필라멘트 모드로 변화시키는 특성이 매우 강하기 때문이다. 따라서 공기가 혼입되는 대기압 조건에서 대면적의 균질한 플라즈마를 생성하는데 많은 어려움이 있다.
본 발명은 필라멘트 모드로 전이됨 없이 넓은 면적에 걸쳐 균질한 플라즈마 방전을 생성함과 동시에 풍부한 산소 및 질소 라디칼을 제공함으로써 피처리 기판의 표면 처리 효율을 높일 수 있는 유전체 장벽 방전 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유전체 장벽 방전 반응기는, 반응기 내부 공간을 형성하며 각자의 유전체로 둘러싸인 복수의 구동 전극과, 복수의 구동 전극과의 사이에 반응기 외부 공간을 형성하며 피처리 기판을 지지하는 접지 전극을 포함한다. 복수의 구동 전극 중 이웃한 두 개의 구동 전극은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압을 인가 받으며, 반응기 외부 공간보다 반응기 내부 공간에서 플라즈마 방전이 먼저 개시된다.
복수의 구동 전극 중 이웃한 두 구동 전극 사이의 거리는 복수의 구동 전극과 접지 전극 사이의 거리보다 작을 수 있다. 유전체의 상부에 가스 분배기가 위치하여 반응기 내부 공간으로 헬륨 또는 아르곤을 포함하는 방전 가스를 분사하며, 바이폴라 펄스 전압은 1kHz 이상의 구동 주파수를 가질 수 있다. 가스 분배기는 전구체와 반응 가스 및 방전 가스의 혼합물을 분사할 수 있다.
복수의 구동 전극은 제1 방향을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극과 제2 구동 전극을 포함하며, 접지 전극은 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 복수의 구동 전극과 마주할 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 구동 전극은 제1 방향을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극과, 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에 위치하는 제3 구동 전극을 포함하고, 접지 전극은 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 복수의 구동 전극과 마주할 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 구동 전극은 제1 방향을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극과, 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에 위치하는 제3 구동 전극 및 제4 구동 전극을 포함하며, 접지 전극은 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 복수의 구동 전극과 마주할 수 있다. 가스 분배기는 복수의 구동 전극 사이마다 하나씩 제공되며, 가스 분배기들 중 제3 구동 전극과 제4 구동 전극 사이에 대응하여 위치하는 가스 분배기가 전구체와 반응 가스 및 방전 가스의 혼합물을 분사할 수 있다.
제1 구동 전극과 제2 구동 전극 각각은 서로 마주하는 수직부와, 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함하며, 수평부는 수직부의 단부에서 서로에 대해 멀어지는 방향으로 배치될 수 있다. 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 각각을 둘러싸는 유전체에서 수직부와 마주하는 부분의 두께는 접지 전극을 향한 일면에서 수평부와 마주하는 두께보다 작을 수 있다.
제3 구동 전극은 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극과 각각 마주하는 두 개의 수직부와, 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함할 수 있다. 제3 구동 전극을 둘러싸는 유전체에서 수직부와 마주하는 부분의 두께는 접지 전극을 향한 일면에서 수평부와 마주하는 부분의 두께보다 작을 수 있다.
제3 구동 전극은 제1 구동 전극 및 제4 구동 전극과 각각 마주하는 두 개의 수직부와, 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함하고, 제4 구동 전극은 제3 구동 전극 및 제2 구동 전극과 각각 마주하는 두 개의 수직부와, 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함할 수 있다. 제3 구동 전극과 제4 구동 전극 각각을 둘러싸는 유전체에서 수직부와 마주하는 부분의 두께는 접지 전극을 향한 일면에서 수평부와 마주하는 두께보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 외기에서 헬륨 또는 아르곤을 포함하는 방전 가스로부터 균질한 방전을 얻을 수 있으며, 균질한 방전 특성을 유지하면서 방전의 규모를 확대시킬 수 있다. 따라서 폭이 넓은 대면적 피처리 기판을 용이하게 표면 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 장벽 방전(DBD) 반응기의 사시도이다.
도 2와 도 3은 도 1에 도시한 DBD 반응기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 DBD 반응기의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 DBD 반응기의 측면도이다.
도 6은 표면 처리 작동 중에 있는 DBD 반응기를 촬영한 사진이다.
도 7은 반응기 외부의 방전으로부터 발광 분광계(OES)를 이용하여 측정한 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 8a와 도 8b는 0.75kV의 인가 전압에서 얻은 제1 구동 전극의 전압-전류 파형도이다.
도 9는 헬륨 가스를 사용한 제1 실시예의 DBD 반응기에서 고감도 전하결합 소자(ICCD)로 얻은 방전의 측면도이다.
도 10은 헬륨 가스를 사용한 제1 실시예의 DBD 반응기에서 ICCD로 얻은 헬륨 방전과 산소 방전의 측면도이다.
도 11은 아르곤 가스를 사용한 제1 실시예의 DBD 반응기에서 ICCD로 얻은 방전의 측면도이다.
도 12는 아르곤 가스를 사용한 경우 촬영한 방전 이미지 사진이다.
도 13은 헬륨 가스를 사용한 경우 촬영한 방전 이미지 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 “상에” 또는 “위에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분의 “바로 위에” 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 또한, “~ 상에” 또는 “~ 위에”라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것을 의미하며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유전체 장벽 방전 반응기의 사시도이고, 도 2와 도 3은 도 1에 도시한 유전체 장벽 방전 반응기의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 제1 실시예의 유전체 장벽 방전(dielectric barrier discharge, 이하 'DBD'라 한다) 반응기(100)는 제1 방향(y축 방향)을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극(11) 및 제2 구동 전극(12)과, 제1 방향(y축 방향)과 교차하는 제2 방향(z축 방향)을 따라 제1 구동 전극(11) 및 제2 구동 전극(12)과 마주하는 접지 전극(20)을 포함한다.
제1 구동 전극(11)은 제1 전원부(15)에 연결되어 제1 교류 전압을 인가받으며, 제2 구동 전극(12)은 제2 전원부(16)에 연결되어 제2 교류 전압을 인가받는다. 제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 각자의 유전체(30)로 둘러싸인다. 유전체(30)는 알루미나(Al2O3) 등의 유전 물질로 형성되며, 일정한 폭과 높이를 갖는 직육면체 모양일 수 있다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 대기 중으로 노출되는 부분이 없도록 유전체(30)로 완전히 둘러싸일 수 있다. 반면 접지 전극(20)은 대기 중에 노출되고, 구동 전극들(11, 12)을 향한 일면에 피처리 기판(40)을 안착하여 이를 지지한다. 피처리 기판(40)은 폴리머 기판, 금속 기판, 및 유리 기판 중 어느 하나일 수 있다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)이 마주하는 제1 방향(y축 방향)은 지면과 나란한 방향이며, 구동 전극들(11, 12)에 대해 접지 전극(20)이 마주하는 제2 방향(z축 방향)은 지면과 수직한 방향일 수 있다. 이 경우 제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 지면에 대해 같은 높이를 유지하며 나란히 위치하고, 접지 전극(20)은 구동 전극들(11, 12)의 하부에 위치한다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12) 각각은 수직부(111, 121)와 수평부(112, 122)로 구성된다. 두 개의 수직부(111, 121)는 제1 방향(y축 방향)을 따라 서로 마주하며, 두 개의 수평부(112, 122)는 제2 방향(z축 방향)을 따라 접지 전극(20)과 마주한다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 모두 L-형 전극이고, 두 개의 수평부(112, 122)는 각 수직부(111, 121)의 단부에서 서로에 대해 멀어지는 방향으로 배치된다. 즉 제1 구동 전극(11)이 ┛자 모양으로 배치될 때 제2 구동 전극(12)은 ┗자 모양으로 배치되어 제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 상호 대칭으로 마주한다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 그 사이에 반응기 내부 공간을 형성하고, 접지 전극(20)은 제1 및 제2 구동 전극(11, 12)과의 사이에 반응기 외부 공간을 형성한다. 반응기 내부 공간은 방전 가스로 인해 공기가 희박한 영역이며, 반응기 외부 공간은 외부 공기의 혼입으로 인해 반응기 내부 공간보다 공기가 풍부한 영역이다.
가스 분배기(50)는 두 유전체(30)의 상부에 위치하고, 두 유전체(30)의 사이 공간, 즉 방전기 내부 공간을 향해 방전 가스를 분사한다. 방전 가스는 헬륨 가스 또는 아르곤 가스일 수 있다. 방전 가스는 두 유전체(30) 사이로부터 공급되어 반응기 내부 공간을 거친 후 반응기 외부 공간으로 빠져 나오면서 외기와 혼합된다.
두 개의 수직부(111, 121) 사이의 거리(d1)는 수평부(112, 122)와 접지 전극(20) 사이의 거리(d2)보다 작다. 그리고 제1 방향(y축 방향)에 따른 두 유전체(30) 사이의 거리(d3)는 제2 방향(z축 방향)에 따른 두 유전체(30)와 접지 전극(20) 사이의 거리(d4)보다 작다. 또한, 유전체(30)의 내부에서 수직부(111, 121)와 마주하는 부분의 두께(t1)는 접지 전극(20)을 향한 일면에서 수평부(112, 122)와 마주하는 부분의 두께(t2)보다 작다. 이러한 형상 조건에 의해 플라즈마 방전은 반응기 외부 공간보다 반응기 내부 공간에서 먼저 개시된다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12) 각각에 인가되는 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압이다. 제1 교류 전압과 제2 교류 전압 각각은 상승부와 유지부 및 하강부를 포함하며, 서로 180도의 위상 차를 가진다.
서로 반대 극성의 펄스 전압이 구동 전극들(11, 12)에 인가됨에 따라, 구동 전극들(11, 12) 사이의 실제 전압은 제1 교류 전압 및 제2 교류 전압의 2배가 된다. 이로써 교류 전압 자체를 높이지 않고도 구동 전극들(11, 12) 사이에 높은 전기장을 형성할 수 있다. 이러한 구동 방법은 DBD 반응기(100) 내부에서 보다 빠른 방전 개시를 가능하게 한다.
접지 전극(20) 위에 배치된 피처리 기판(40)은 그 표면이 플라즈마 방전에 노출되어 표면 처리가 이루어진다. 피처리 기판(40)은 제1 방향(y축 방향)을 따라 이동하면서 표면 처리가 행해질 수 있다. 이 경우 균일한 표면 처리를 위해서는 피처리 기판(40)의 폭 방향(x축 방향)에 따른 방전 균일도가 높아야 한다. 구동 전극들(11, 12)과 접지 전극(20)은 피처리 기판(40)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 길게 형성되어 폭 방향에 따른 방전 균일도를 높인다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)에 각각 제1 교류 전압과 제2 교류 전압을 인가하고, 가스 분배기(50)에서 방전 가스를 분사하면, 반응기 내부 공간에서 전기장에 의해 플라즈마 방전이 개시되며, 이후 반응기 외부 공간에서 플라즈마 방전이 일어난다. 즉 구동 전극들(11, 12) 사이의 거리(d1)가 구동 전극들(11, 12)과 접지 전극(20) 사이의 거리(d2)보다 작음에 따라, 플라즈마 방전은 반응기 외부보다 반응기 내부에서 먼저 개시된다.
반응기 내부 공간은 반응 가스로 차 있어 공기가 희박하므로 균질한 플라즈마 발생에 유리한 조건이 된다. 따라서 반응기 내부 공간에서 균질한 플라즈마 방전을 쉽게 구현할 수 있다. 반면 반응기 외부 공간은 외기 혼입으로 인해 균질한 플라즈마를 얻기 힘든 조건이 된다.
그러나 반응기 내부 공간에서 먼저 개시된 플라즈마 방전에 의해 반응기 외부 공간으로 전자들이 뿜어져 나오며, 이러한 전자들은 방전이 턴-오프된 이후 남은 씨앗 전자들(seed electrons)과 결합하여 반응기 외부 공간의 방전이 필라멘트 모드로 발전하는 것을 억제한다. 즉 방전기 내부 공간에서 분출되는 전자들이 반응기 외부 공간의 중심 영역(피처리 기판(40)의 중심 영역)에 균일하게 공급되므로, 반응기 외부 공간에서도 균질한 플라즈마를 구현할 수 있다.
플라즈마 방전은 벽전하가 많이 쌓여 있는 곳에서 개시되며, 벽전하의 불균일한 쌓임이 필라멘트 방전을 야기한다. 씨앗 전자들은 벽전하가 불균일하게 쌓이는 경우에도 필라멘트 모드를 억제하는 기능을 한다. 반응기 내부 공간에서 플라즈마 방전이 먼저 개시됨에 따라, 반응기 내부 공간에서 피처리 기판(40)이 위치하는 반응기 외부 공간으로 전자들이 분출되고, 이 전자들이 씨앗 전자들의 역할을 하여 균질한 플라즈마를 발생시킨다.
또한, 반응기 내부 공간에서 반응기 외부 공간으로 분출되는 전자들은 전술한 구동 전극들(11, 12)의 형상 특성으로 인해 피처리 기판(40)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 균일하게 분포하며, 피처리 기판(40)을 향해 풍부한 산소 및 질소 라디칼을 제공한다. 따라서 반응기 외부 공간의 플라즈마 방전은 피처리 기판(40)의 폭 방향(x축 방향)을 따라 우수한 균일도를 나타내며, 피처리 기판(40)의 균일한 표면 처리를 가능하게 한다.
제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 1kHz 이상의 높은 주파수 특성을 나타낸다. 구동 주파수는 방전이 꺼진 후 남은 씨앗 전자들의 수와 관련이 있다. 씨앗 전자들이 다음 절연파괴 전에 완전히 없어지면 항복 전압이 높아지며, 이 경우 지엽적인 위치에서 방전이 개시되기 쉬워지므로 필라멘트 방전이 쉽게 일어난다. 씨앗 전자들의 수는 구동 주파수에 비례하므로, 제1 실시예의 DBD 반응기(100)는 1kHz 이상의 높은 주파수 구동으로 인해 균질한 방전을 일으킬 수 있다.
결과적으로, 제1 실시예의 DBD 반응기(100)는 대기압 조건에서 헬륨 또는 아르곤을 포함하는 방전 가스로부터 균질한 방전을 얻을 수 있다. 또한, 필라멘트 모드로 전이되는 것을 방지하면서(균질한 방전 특성을 유지하면서) 방전의 규모를 확대시킬 수 있다. 따라서 폭이 넓은 대면적 피처리 기판(40)을 용이하게 표면 처리할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 DBD 반응기의 단면도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 DBD 반응기(200)는 제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12) 사이에 제3 구동 전극(13)이 위치하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 DBD 반응기와 유사한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 설명한다.
제3 구동 전극(13)은 두 개의 수직부(131)와 하나의 수평부(132)로 구성되며, 유전체(30)로 둘러싸인다. 두 개의 수직부(131) 중 하나는 제1 방향(y축 방향)을 따라 제1 구동 전극(11)과 마주하고, 다른 하나는 제2 구동 전극(12)과 마주한다. 그리고 수평부(132)는 제2 방향(z축 방향)을 따라 접지 전극(20)과 마주한다.
제3 구동 전극(13)의 수직부(131)와 제1 구동 전극(11) 및 제2 구동 전극(12)의 수직부(111, 121) 사이의 거리는 수평부들(112, 122, 132)과 접지 전극(20) 사이의 거리보다 작다. 또한, 제3 구동 전극(13)을 둘러싸는 유전체(30)의 내부에서 수직부(131)와 마주하는 부분의 두께는 접지 전극(20)을 향한 일면에서 수평부(132)와 마주하는 부분의 두께보다 작다.
제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12)은 제1 전원부와 연결되어 제1 교류 전압을 인가받고, 제3 구동 전극(13)은 제2 전원부와 연결되어 제2 교류 전압을 인가받는다. 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압으로 이루어진다. 따라서 제1 구동 전극(11)과 제3 구동 전극(13) 사이 및 제3 구동 전극(13)과 제2 구동 전극(12) 사이의 실제 전압은 제1 교류 전압 및 제2 교류 전압의 2배가 된다.
가스 분배기(50)는 세 개의 유전체(30) 상부에 위치하며, 이웃한 두 유전체(30)의 사이 공간(반응기 내부 공간)을 향해 방전 가스를 분사한다. 방전 가스는 헬륨 가스 또는 아르곤 가스일 수 있다. 방전 가스는 이웃한 두 유전체(30) 사이로부터 공급되어 반응기 내부 공간을 거친 후 반응기 외부 공간으로 빠져 나오면서 외기와 혼합된다.
제2 실시예에서는 제3 구동 전극(13)이 추가됨에 따라 두 개의 반응기 내부공간(제1 구동 전극(11)과 제3 구동 전극(13) 사이 및 제3 구동 전극(13)과 제2 구동 전극(12) 사이)에서 방전이 개시되고, 구동 전극들(11, 12, 13)과 마주하는 접지 전극(20)의 면적이 확대된다. 따라서 제2 실시예의 DBD 반응기(200)는 반응기 외부 공간을 확대시켜 보다 넓은 영역에 걸쳐 피처리 기판(40)을 표면 처리할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 DBD 반응기의 단면도이다.
도 5를 참고하면, 제3 실시예의 DBD 반응기(300)는 제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12) 사이에 제3 구동 전극(13)과 제4 구동 전극(14)이 위치하는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 DBD 반응기와 유사한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해 설명한다.
제3 구동 전극(13)과 제4 구동 전극(14) 각각은 두 개의 수직부(131, 141)와 하나의 수평부(132, 142)로 구성되며, 유전체(30)로 둘러싸인다. 제3 구동 전극(13)의 두 수직부(131)는 제1 방향(y축 방향)을 따라 제1 구동 전극(11) 및 제4 구동 전극(14)과 각각 마주하고, 제4 구동 전극(14)의 두 수직부(141)는 제1 방향(y축 방향)을 따라 제3 구동 전극(13) 및 제2 구동 전극(12)과 각각 마주한다. 그리고 수평부들(112, 122, 132, 142)은 제2 방향(z축 방향)을 따라 접지 전극(20)과 마주한다.
네 개의 구동 전극들(11, 12, 13, 14) 중 이웃한 두 구동 전극의 수직부(111, 121, 131, 141) 사이의 거리는 수평부들(112, 122, 132, 142)과 접지 전극(20) 사이의 거리보다 작다. 또한, 제3 구동 전극(13) 및 제4 구동 전극(14)을 각각 둘러싸는 두 개의 유전체(30) 내부에서 수직부(131, 141)와 마주하는 부분의 두께는 접지 전극(20)을 향한 일면에서 수평부(132, 142)와 마주하는 부분의 두께보다 작다.
제1 구동 전극(11)과 제4 구동 전극(14)은 제1 전원부와 연결되어 제1 교류 전압을 인가받고, 제2 구동 전극(12)과 제3 구동 전극(13)은 제2 전원부와 연결되어 제2 교류 전압을 인가받는다. 제1 교류 전압과 제2 교류 전압은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압으로 이루어진다.
따라서 제1 구동 전극(11)과 제3 구동 전극(13) 사이, 제3 구동 전극(13)과 제4 구동 전극(14) 사이, 제4 구동 전극(14)과 제2 구동 전극(12) 사이의 실제 전압은 제1 교류 전압 및 제2 교류 전압의 2배가 된다.
가스 분배기(50)는 네 개의 유전체(30) 상부에 위치하며, 이웃한 두 유전체(30)의 사이 공간(반응기 내부 공간)을 향해 방전 가스를 분사한다. 방전 가스는 헬륨 가스 또는 아르곤 가스일 수 있다. 방전 가스는 이웃한 두 유전체(30) 사이로부터 공급되어 반응기 내부 공간을 거친 후 반응기 외부 공간으로 빠져 나오면서 외기와 혼합된다.
제3 실시예에서는 제3 구동 전극(13)과 제4 구동 전극(14)이 추가됨에 따라 세 개의 반응기 내부 공간(제1 구동 전극(11)과 제3 구동 전극(13) 사이, 제3 구동 전극(13)과 제4 구동 전극(14) 사이, 제4 구동 전극(14)과 제2 구동 전극(12) 사이)에서 방전이 개시된다. 그리고 구동 전극들(11, 12, 13, 14)과 마주하는 접지 전극(20)의 면적이 확대된다.
따라서 제3 실시예의 DBD 반응기(300)는 전술한 제2 실시예의 DBD 반응기 대비 반응기 외부 공간을 더욱 확대시켜 보다 넓은 영역에 걸쳐 피처리 기판(40)을 표면 처리할 수 있다.
한편, 도 2에 도시한 제1 실시예의 DBD 반응기(100)에 있어서, 가스 분배기(50)에서 전구체(precursor)와 반응 가스 및 방전 가스의 혼합물이 분사될 수 있다. 예를 들어, 피처리 기판(40) 상에 실리콘 산화막(SiO2)을 형성하고자 하는 경우, 가스 분배기(50)에서 방전 가스(헬륨 또는 아르곤)와 반응 가스(O2) 및 TEOS(tetra ethylorthosilicate)의 혼합물이 분사될 수 있다. TEOS를 구성하는 원소들은 플라즈마에 의해 분해되고, 이 중 실리콘과 산소가 화학반응을 일으켜 실리콘 산화막을 형성한다.
전술한 과정에서 전구체가 플라즈마에 의해 분해되기 위해서는 플라즈마 내에 머무는 잔류 시간(residence time)을 충분히 확보하여야 한다. 전술한 제1 실시예의 DBD 반응기(100) 구조를 적용하면 전구체가 반응기 내부 공간에서 충분한 시간 동안 잔류할 수 있으므로 반응기 외부 공간에는 SiO2 기체만 존재하게 되며, 이에 따라 피처리 기판(40) 상에 공간적으로 균질한 실리콘 산화막을 형성할 수 있다.
도 5에 도시한 제3 실시예의 DBD 반응기(300)에 있어서, 세 개의 가스 분배기(50) 중 일부의 가스 분배기에서 전구체와 반응 가스 및 방전 가스의 혼합물이 분사될 수 있다. 예를 들어, 피처리 기판(40) 상에 실리콘 산화막을 형성하고자 하는 경우, 중앙의 가스 분배기(50)에서 방전 가스(헬륨 또는 아르곤)와 반응 가스(O2) 및 TEOS의 혼합물이 분사되고, 나머지 두 개의 가스 분배기(50)에서 방전 가스가 분사될 수 있다.
전구체와 반응 가스는 필라멘트 모드 특성이 강하며, 외기와 혼합될 경우 필라멘트 모드로 변이하기 쉬워진다. 세 개의 방전기 내부 공간 중 중앙의 방전 내부 공간에만 전구체와 방전 가스 및 반응 가스의 혼합물을 분사하고, 양 옆의 방전기 내부 공간으로는 방전 가스만 분사한다. 이 경우 양 옆의 방전기 내부 공간에서 생성된 균질한 플라즈마가 외부 공기의 혼입을 차단하여 플라즈마 방전이 필라멘트 모드로 변하는 것을 억제한다.
도 6은 표면 처리 작동 중에 있는 DBD 반응기를 촬영한 사진이다. 방전 가스로는 아르곤 가스를 사용하였다. 도 6을 참고하면, 외기 방전에서 주로 발견되는 필라멘트 방전은 관찰되지 않았으며, 피처리 기판 위에 생성된 방전은 피처리 기판의 폭 방향(도 6의 가로 방향)을 따라 우수한 균일도를 나타낸다.
도 7은 반응기 외부의 방전으로부터 발광 분광계(optical emission spectrometer, OES)를 이용하여 측정한 발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 방전 가스로는 헬륨 가스를 사용하였으며, 그래프 세로축의 강도의 단위는 임의 단위이다. 도 7을 참고하면, 방전 가스로 헬륨만 사용하였으나 외기가 방전 영역으로 진입함에 따라 질소와 산소도 발견된다.
산소 라디칼과 질소 라디칼은 폴리머 표면에 -COOH, -OH, 아민기를 형성하여 폴리머의 표면 에너지를 증가시킨다. 특히 산소 라디칼이 질소 라디칼보다 표면 에너지 증가에 보다 효과적인 것으로 알려져 있다. 도 7에서 보이는 질소와 산소의 높은 에미션 강도는 본 발명의 DBD 반응기가 피처리 기판의 표면 처리에 효과적임을 나타낸다.
도 8a와 도 8b는 0.75kV의 인가 전압에서 얻은 제1 구동 전극의 전압-전류 파형도이다. 도 8a는 방전 가스로 헬륨 가스를 사용한 경우이고, 도 8b는 방전 가스로 아르곤 가스를 사용한 경우이다. I_HVI는 제1 구동 전극의 전류를 나타내고, I_G는 접지 전극의 전류를 나타내며, V_HVI는 제1 구동 전극의 전압을 나타낸다.
도 8a와 도 8b를 참고하면, 제1 구동 전극의 전류(I_HVI)는 두 개의 펄스로 특징된다. 양과 음의 전류 펄스는 서로 다른 모양이지만 주기적으로 재생된다. 제2 구동 전극의 전류는 제1 구동 전극의 전류(I_HVI)와 극성만 반대이고 크기는 동일하다. 도 8a와 도 8b에 나타낸 전류 형태로부터 헬륨 가스와 아르곤 가스 사용시 반응기 내부에서 균질한 방전이 일어남을 알 수 있다.
두 경우 모두 접지 전극의 전류(I_G)는 제1 구동 전극의 전류(I_HVI)와 비교할 때 매우 약하다. 접지 전극의 표면은 이온 충격에 취약하므로, 접지 전극의 전류(I_G)가 매우 약한 것이 피처리 기판 처리에 바람직하다.
도 9는 헬륨 가스를 사용한 제1 실시예의 DBD 반응기에서 고감도 전하결합 소자(intensified charge coupled device, ICCD)로 얻은 방전의 측면도이다. 0.75kV의 인가 전압 조건에서 촬영한 방전 이미지 사진도 도 9에 포함시켰다.
도 9를 참고하면, 반응기 외부의 방전은 0.4kV 이상에서 턴-온된다. 인가 전압이 높아짐에 따라 에미션 강도가 높아지며, 강한 에미션 영역이 수평 방향으로 확장된다. 세가지 인가 전압 모두에서 필라멘트 모드는 관찰되지 않았다. 제1 구동 전극(11)과 제2 구동 전극(12) 각각의 중앙부 근처에서 강한 에미션이 발생한 것을 알 수 있으며, 접지 전극(20)의 중앙과 가장자리 근처의 에미션 강도는 상대적으로 약하다.
도 10은 헬륨 가스를 사용한 제1 실시예의 DBD 반응기에서 ICCD로 얻은 헬륨 방전과 산소 방전의 측면도이다. 구동 전극들의 인가 전압은 0.75kV이다.
도 10을 참고하면, 헬륨 에미션과 비교하여 산소 에미션 중 최대 강도를 나타내는 부위가 접지 전극(20) 및 피처리 기판(40)에 더 가깝게 위치한다. 피처리 기판(40)에 더 가깝게 강한 산소 에미션이 발생하는 것은 반응기가 풍부한 산소 라디칼을 피처리 기판(40)에 제공할 수 있음을 의미하며, 이에 따라 피처리 기판(40)의 표면 처리 효율을 높일 수 있다.
도 11은 아르곤 가스를 사용한 제1 실시예의 DBD 반응기에서 ICCD로 얻은 방전의 측면도이다. 1.25kV의 인가 전압 조건에서 촬영한 방전 이미지 사진도 도 11에 포함시켰다.
도 11을 참고하면, 반응기 내부의 방전은 0.7kV의 인가 전압에서 턴-온된다. 이때 반응기 외부의 방전은 매우 약하며 중앙부에서만 관찰된다. 인가 전압이 높아짐에 따라 에미션 강도가 높아지나 일시적으로 중앙 영역에 한정된다. 1.15kV의 인가 전압에서 방전은 수평 방향으로 갑자기 팽창하고, 구동 전극들(11, 12)과 접지 전극(20) 사이의 공간 전체를 차지한다.
도 9과 도 11을 비교하면, 헬륨 가스는 충분한 준안정 상태와 높은 확산 계수를 가지므로 헬륨 가스를 사용한 경우 방전이 공간적으로 더 쉽게 전파되고, 더 긴 시간 동안 에미션이 관찰된다. 그러나 헬륨 가스와 아르곤 가스를 사용한 경우 모두 반응기 외부보다 반응기 내부에서 먼저 방전이 개시된다.
도 12는 아르곤 가스를 사용한 경우 촬영한 방전 이미지 사진이고, 도 13은 헬륨 가스를 사용한 경우 촬영한 방전 이미지 사진이다. 도 12와 도 13은 각각 0.75kV 및 1.25kV의 인가 전압 조건에서 촬영한 것이다.
도 12와 도 13 각각에서 상부 이미지는 10cm 길이의 구동 전극들을 구비한 DBD 반응기의 경우이고, 하부 이미지는 50cm 길이의 구동 전극들을 구비한 DBD 반응기의 경우를 나타낸다. 이때 구동 전극들의 '길이'는 피처리 기판의 폭 방향(도 1에서 x축 방향)을 따라 측정한 길이를 의미한다.
도 12와 도 13을 참고하면, 반응기 내부로부터 공급되는 풍부한 전자들로 인해 균질한 방전 특성을 유지하면서 방전 규모를 확대시킬 수 있다. 구동 전극들의 길이 변화는 공급되는 전자들의 밀도에 영향을 미치지 않으며, 본 발명의 DBD 반응기는 필라멘트 모드로 전이됨 없이 쉽게 방전 규모를 확대시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300: 유전체 장벽 방전 반응기
11: 제1 구동 전극 12: 제2 구동 전극
13: 제3 구동 전극 14: 제4 구동 전극
20: 접지 전극 30: 유전체
40: 피처리 기판 50: 가스 분배기

Claims (14)

  1. 반응기 내부 공간을 형성하며 각자의 유전체로 둘러싸인 복수의 구동 전극; 및
    상기 복수의 구동 전극의 사이에 반응기 외부 공간을 형성하며 피처리 기판을 지지하는 접지 전극
    을 포함하고,
    상기 복수의 구동 전극 중 이웃한 두 개의 구동 전극은 서로 반대 극성의 바이폴라 펄스 전압을 인가 받으며,
    상기 반응기 외부 공간보다 상기 반응기 내부 공간에서 플라즈마 방전이 먼저 개시되는 유전체 장벽 방전 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극 중 이웃한 두 구동 전극 사이의 거리는 상기 복수의 구동 전극과 상기 접지 전극 사이의 거리보다 작은 유전체 장벽 방전 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체의 상부에 가스 분배기가 위치하여 상기 반응기 내부 공간으로 헬륨 또는 아르곤을 포함하는 방전 가스를 분사하며,
    상기 바이폴라 펄스 전압은 1kHz 이상의 구동 주파수를 가지는 유전체 장벽 방전 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가스 분배기는 전구체와 반응 가스 및 방전 가스의 혼합물을 분사하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극은 제1 방향을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극과 제2 구동 전극을 포함하며,
    상기 접지 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 상기 복수의 구동 전극과 마주하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극은 제1 방향을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극과, 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에 위치하는 제3 구동 전극을 포함하며,
    상기 접지 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 상기 복수의 구동 전극과 마주하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 구동 전극은 제1 방향을 따라 상호 대칭으로 마주하는 제1 구동 전극 및 제2 구동 전극과, 제1 구동 전극과 제2 구동 전극 사이에 위치하는 제3 구동 전극 및 제4 구동 전극을 포함하며,
    상기 접지 전극은 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 상기 복수의 구동 전극과 마주하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가스 분배기는 상기 복수의 구동 전극 사이마다 하나씩 제공되며,
    상기 가스 분배기들 중 상기 제3 구동 전극과 상기 제4 구동 전극 사이에 대응하여 위치하는 가스 분배기가 전구체와 반응 가스 및 방전 가스의 혼합물을 분사하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  9. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극 각각은 서로 마주하는 수직부와, 상기 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함하며,
    상기 수평부는 상기 수직부의 단부에서 서로에 대해 멀어지는 방향으로 배치되는 유전체 장벽 방전 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 구동 전극과 상기 제2 구동 전극 각각을 둘러싸는 상기 유전체에서 상기 수직부와 마주하는 부분의 두께는 상기 접지 전극을 향한 일면에서 상기 수평부와 마주하는 부분의 두께보다 작은 유전체 장벽 방전 반응기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3 구동 전극은 상기 제1 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극과 각각 마주하는 두 개의 수직부와, 상기 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제3 구동 전극을 둘러싸는 상기 유전체에서 상기 수직부와 마주하는 부분의 두께는 상기 접지 전극을 향한 일면에서 상기 수평부와 마주하는 두께보다 작은 유전체 장벽 방전 반응기.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제3 구동 전극은 상기 제1 구동 전극 및 상기 제4 구동 전극과 각각 마주하는 두 개의 수직부와, 상기 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함하고,
    상기 제4 구동 전극은 상기 제3 구동 전극 및 상기 제2 구동 전극과 각각 마주하는 두 개의 수직부와, 상기 접지 전극과 마주하는 수평부를 포함하는 유전체 장벽 방전 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 구동 전극과 상기 제4 구동 전극 각각을 둘러싸는 상기 유전체에서 상기 수직부와 마주하는 부분의 두께는 상기 접지 전극을 향한 일면에서 상기 수평부와 마주하는 두께보다 작은 유전체 장벽 방전 반응기.
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