KR20190065854A - 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법 - Google Patents

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이재구
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Abstract

본 발명의 목적은 마이크로파로 생성된 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법은, 마이크로파 플라즈마 발생기로 플라즈마를 생성하는 생성단계, 및 상기 마이크로파 플라즈마 발생기와 설정 간격으로 이격 배치되는 무선주파수 전극에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여 상기 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 확장단계를 포함한다.

Description

이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법{Expansion method for sheath and bulk of microwave plasma induced by Radio Frequency bias}
본 발명은 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로파로 생성된 플라즈마에 무선주파수(RF)를 인가하여 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 관한 것이다.
마이크로파를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 장치가 알려져 있다. 대한민국등록특허 제1,012,345호에 개시된 마이크로파 플라즈마 발생기는 내부도체를 통해 인가되는 900MHz 또는 2.45GHz의 마이크로파 신호의 공진에너지를 이용하여 플라즈마를 생성한다.
연결부재, 연결도체, 외부도체, 및 내부도체는 전기적으로 연결되어 있고, 마이크로파 신호의 공진기(resonator)로 동작한다. 동축 케이블의 외피와 내부도체 사이의 빈 공간에 채워진 공기가 유전체로 사용되며, 빈 공간으로 주입되는 불활성가스가 플라즈마 이온의 소스(source)로 사용된다. 마이크로파가 공급되는 도체들(즉 공진기)의 공진에너지에 의해, 주입된 불활성가스는 플라즈마로 변화되어 방출된다.
안전 및 플라즈마의 특성을 고려하였을 때, 마이크로파로 생성된 플라즈마는 직류, 저주파수 또는 무선주파수(RF)로 생성된 고전압 플라즈마보다 유리한 측면을 가진다.
그러나 마이크로파 플라즈마는 주파수가 낮은 플라즈마에 비해 소모되는 전력 대비 플라즈마 부피의 효율성이 낮아서 넓은 영역을 플라즈마로 처리하는데 단점을 가진다.
또한, 플라즈마에서 생성되는 활성종(라디칼)의 양은 플라즈마의 부피에 비례한다. 따라서 마이크로파 플라즈마의 고온전자를 좀 더 효율적으로 사용하기 위하여, 플라즈마의 확장이 요구된다.
본 발명의 목적은 마이크로파로 생성된 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법은, 마이크로파 플라즈마 발생기로 플라즈마를 생성하는 생성단계, 및 상기 마이크로파 플라즈마 발생기와 설정 간격으로 이격 배치되는 무선주파수 전극에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여 상기 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 확장단계를 포함한다.
상기 생성단계는 상기 마이크로파 플라즈마 발생기의 마이크로파 전극의 외주로 방전가스를 공급하고, 상기 마이크로파 전극에 마이크로파를 인가하여 상기 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 마이크로파는 0.4~11 GHz 영역대를 포함하며, 전자의 소스로 사용할 수 있다.
상기 확장단계는 상기 마이크로파 전극과 상기 설정 간격으로 이격된 상기 무선주파수 전극에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여 상기 플라즈마의 시스와 벌크를 확장할 수 있다.
상기 무선주파수(RF)는 1kHz~99 MHz 영역대를 사용할 수 있다.
상기 생성단계는 대기압에서 플라즈마를 생성하고, 상기 확장단계는 대기압에서 플라즈마의 시스와 벌크를 확장할 수 있다.
상기 확장단계는 시스와 벌크가 확장된 플라즈마에서 상기 마이크로파 플라즈마 발생기에 입력된 전력에 비하여, 활성종(라디칼) 생성을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법은 확장된 플라즈마를 플라즈마 토치, 플라즈마 제트, 표면 처리, 및 멸균 처리 중 어느 하나에 적용하는 적용단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는 마이크로파 플라즈마 발생기에서 플라즈마를 생성하고, 마이크로파 플라즈마 발생기와 설정 간격으로 이격된 무선주파수 전극에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가함으로써, 생성된 플라즈마의 시스와 벌크를 확장할 수 있다.
플라즈마의 시스와 벌크가 확장됨에 따라 플라즈마에서 생성되는 활성종(라디칼)의 종류와 총 양이 증가하게 된다. 따라서 증가된 활성종의 플라즈마는 표면 처리할 때, 처리할 수 있는 총 면적을 증가시킬 수 있다.
플라즈마를 생성하는 방전가스의 종류에 상관없이 플라즈마의 시스와 벌크가 증가되며, 마이크로파 플라즈마 발생기에 입력되는 전력에 비하여, 플라즈마의 시스와 벌크의 증가를 극대화 시킬 수 있다. 따라서 실시예는 다양한 플라즈마 응용 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 비교예에 따른 마이크로파 단독으로 플라즈마를 생성한 상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 제1진폭의 RF 바이어스가 걸린 초기의 상태도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 제2진폭(>제1진폭)의 RF 바이어스가 걸린 상태도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 제3진폭(최대 진폭)의 RF 바이어스가 걸린 상태도이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 RF 바이어스가 인가되기 전과 인가된 후를 비교한 사진이다.
도 6은 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 매우 낮은 RF(25kHz) 바이어스 인가시, 나타나는 아크 형태의 플라즈마 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 비교예에 따른 마이크로파 단독으로 플라즈마를 생성한 상태도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 제1진폭의 RF 바이어스가 걸린 초기의 상태도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예는 이중의 고주파수를 이용하여 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법은 이중의 고주파수를 사용하여 마이크로파로 생성되는 플라즈마의 시스(sheath)와 벌크(bulk)를 확장한다.
즉 일 실시예는 전기적으로 분리되어 있는 이중의 고주파수를 이용하여, 단주파수일 경우의 플라즈마 크기보다 수 배 이상 증가시킨다. 따라서 일 실시예는 기존의 반도체 처리용 플라즈마 장비 등에서 활용되고 있는 종래의 다중 주파수 플라즈마 생성 및 무선주파수(RF) 바이어스 기술과는 다르다.
종래의 다중 주파수 플라즈마 장비는 대기압 이하의 저압에서 운용되며, 무선주파수(RF) 바이어스는 주로 기재(substrate)의 표면으로 유입되는 이온 에너지 분포를 제어하기 위하여 기재 하부면에 인가한다. 이와 달리, 일 실시예는 마이크로파로 생성된 대기압 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하고, 활성종(라디칼)의 발생량을 극대화한다.
이를 위하여, 일 실시예는 마이크로파 플라즈마 발생기(1)로 플라즈마(2)를 생성하는 생성단계(도 1 참조), 및 플라즈마(2)의 시스와 벌크를 확장하는 확장단계(도 2 참조)를 포함한다. 생성단계는 대기압에서 마이크로파와 방전가스를 이용하여 플라즈마(2)를 생성하고, 확장단계는 생성된 플라즈마(2)의 시스와 벌크를 대기압에서 확장한다. 즉 플라즈마의 생성 및 확장은 주위의 압력과 무관하다. 플라즈마(2)는 전자(21), 양이온(22) 및 중성 원자(23)를 포함한다.
확장단계는 마이크로파 플라즈마 발생기(1)와 설정 간격(D)으로 이격 배치되는 무선주파수 전극(3)에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여, 마이크로파 플라즈마 발생기(1)에서 생성된 플라즈마(2)의 쉬스와 벌크를 확장한다.
생성단계는 마이크로파 플라즈마 발생기(1)의 마이크로파 전극(11)의 외주로 방전가스를 공급하고, 마이크로파 전극(11)에 마이크로파(MW)를 인가하여, 플라즈마(2)를 생성한다. 생성단계에 공급되는 방전가스는 종류 및 유량에서 특별히 한정되지 않는다.
확장단계는 마이크로파 전극(11)과 설정 간격(D)으로 이격된 무선주파수 전극(3)에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여, 마이크로파 전극(11)에서 생성되는 플라즈마(2)의 시스와 벌크를 확장한다.
예를 들면, 플라즈마 발생기(1)는 원통으로 형성되고, 마이크로파 전극(11)은 원기둥으로 형성되어 플라즈마(2)를 원통형으로 발생시킨다. 무선주파수 전극(3)은 플라즈마 발생기(1) 및 마이크로파 전극(11) 단부로부터 설정된 간격(D)으로 이격 배치된다. 그리고 무선주파수 전극(3)은 원통형의 플라즈마(2)의 시스와 벌크를 효과적으로 확장할 수 있도록 원형 고리로 형성된다.
도 2에서 무선주파수 전극(3)에 무선주파수(RF)가 바이어스 인가되었을 초기에, 무선주파수장에 의하여 가속된 전자(21)가 플라즈마(2)의 축(24) 방향(도 2의 상하 방향)으로 방출되고, 축(24) 방향으로 전자(21)의 방출에 비례하여 양이온(22)과 중성 원자(23)가 축(24) 방향(도 2의 상하 방향)으로 방출되면서 플라즈마(2)의 시스와 벌크가 넓어진다(도 2의 좌우 방향).
확장단계는 시스와 벌크가 확장된 플라즈마(2)에서 마이크로파 플라즈마 발생기(1)에 입력된 전력에 비하여, 활성종(라디칼) 생성을 증가시킨다. 대기 중에서 이중 고주파수로 생성된 아르곤 저온 플라즈마의 경우, 무선주파수 전극(3)에 RF 바이어스 인가로 인하여, 도 2의 확장된 플라즈마(2) 영역에서는 OH 및 N2 등의 분자 스펙트럼 방출이 증가된다. 따라서 일 실시예는 입력 전력 대비 활성종(라디칼) 생성이 중요한 바이오 메디칼 분야에 널리 응용될 수 있다.
일례를 들면, 마이크로파 전극(11)에 인가되는 마이크로파(MW)는 0.4~11 GHz 영역대를 포함하며, 플라즈마(2)에서 전자(21)의 소스로 사용한다. 무선주파수 전극(3)에 인가되는 무선주파수(RF)는 1 kHz~99 MHz 영역대를 사용한다.
무선주파수 전극(3)에 인가되는 무선주파수(RF)가 저주파수 또는 매우 낮은 무선주파수(수십 kHz 미만)인 경우, 플라즈마의 시스와 벌크의 확장이 나타나지 않거나, 순전히 고전압에 의한 아크 형태의 플라즈마 벌크 확장으로 이어지게 된다(도 6 참조). 또한, 플라즈마의 시스와 벌크의 확장은 유사한 영역대의 마이크로파장을 인가시켜도 나타나지 않았다.
이와 같이, 마이크로파(MW)를 주 전력원으로 사용하여 마이크로파 전극(11)에 인가하고, 제1진폭의 비교적 낮은 주파수의 무선주파수(RF)를 무선주파수 전극(3)에 인가시키는 경우에만 플라즈마(2)의 시스 및 벌크가 확장되었다.
이와 같이, 일 실시예는 마이크로파 전극(11)에 저전력의 무선주파수(RF)를 인가함으로써, 기존 대기압 마이크로파 플라즈마의 저온 특성을 유지시키면서 플라즈마(2)의 시스와 벌크를 극대화시킬 수 있다. 대기압에서 저온 마이크로파 플라즈마(2)의 시스와 벌크 확장시, 생성되는 오존의 양은 확장하지 않을 경우와 비교해 보면, 변함없다. 즉 플라즈마(2) 확장시, 오존은 추가 발생되지 않는다.
도 3은 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 제2진폭(>제1진폭)의 RF 바이어스가 걸린 상태도이다.
도 3을 참조하면, 도 2와 동일한 조건에서, 무선주파수 전극(3)에 제1진폭보다 큰 제2진폭의 RF 바이어스를 인가하므로 마이크로파로 생성된 플라즈마(2)에 제1진폭보다 큰 제2진폭의 RF 바이어스가 걸린다. 이 경우, 그 진폭의 차이에 비례하여 플라즈마(2)의 시스와 벌크가 더 크게 증가되었다.
도 4는 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 제3진폭(최대 진폭)의 RF 바이어스가 걸린 상태도이다.
도 4를 참조하면, 도 2 및 도 3과 동일한 조건에서, 무선주파수 전극(3)에 제2진폭보다 큰 제3진폭(최대 진폭)의 RF 바이어스를 인가하므로 마이크로파로 생성된 플라즈마(2)에 제2진폭보다 큰 제3진폭(최대 진폭)의 RF 바이어스가 걸린다. 이 경우, 마이크로파 전극(11)과 무선주파수 전극(3) 사이에서 플라즈마(2)의 시스와 벌크가 최대로 증가되었다.
이와 같이, 일 실시예는 마이크로파 전극(11)을 구비하는 마이크로파 플라즈마 발생기(1)로부터 생성된 정상 상태의 고밀도 플라즈마(2)와 설정 간격(D)으로 이격된 위치에 전기적으로 분리되는 무선주파수 전극(3)에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가함으로써, 정상 상태 플라즈마(2) 끝단과 RF 전극(3) 사이에서 확장된 시스와 벌크에 의하여 플라즈마 채널(C)을 형성시킬 수 있다.
확장단계에서는 1차적으로 정상상태 플라즈마(2)의 전자(21)가 RF 전기장에 의해 가속되면서, 플라즈마(2)의 시스 영역이 길어지게 된다. 즉 무선주파수장에 의하여 가속된 전자(21)가 플라즈마(2)의 축(24) 방향(도 4의 상하 방향)으로 방출된다. 그 후, 전자(21)보다 느린 양 이온들(22)과 중성 원자(23)들이 연장된 시스 영역 쪽(축(24) 방향)으로 방출 및 확산되면서 플라즈마(2)의 벌크가 증가하게 된다.
플라즈마의 부피는 기체 방전 시, 사용되는 방전 가스의 종류와 유량, 주위 압력, 입력 전력, 입력 주파수, 마이크로파 전극의 기하학적 구조 등에 의해 결정된다. 그러나 본질적으로 플라즈마 부피의 증가량은 한정되어 있다. 종래기술에 따르면, 포화상태에 이른 플라즈마의 부피를 배로 증가시키기 위해서는 수배 이상의 큰 전력 또는 새로운 디자인의 전극이 요구된다.
이에 비하여, 일 실시예는 마이크로파 전극(11)과 공간적으로 분리된 위치에서 무선주파수 전극(3)에 RF 바이어스를 인가하는 방식으로 낮은 전력으로 플라즈마의 부피를 배 이상으로 증가시킬 수 있는 효율적인 방법이다.
기존의 플라즈마 장비에서 발생되는 막대한 오존 발생을 극소화함이 생의학에 응용되기 위해서 필수 요건이다. 일 실시예는 이 요건을 충족하면서, 방전 가스의 종류와 유량, 압력, 입력 전력 등과는 독립적으로 플라즈마의 부피를 극대화시킬 수 있는 유연한 방법이다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 RF 바이어스가 인가되기 전과 인가된 후를 비교한 사진이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 마이크로파 전극(11)에 인가되는 마이크로파(900 MHz)에 의하여, 마이크로파 전극(11)의 단부에서 정상상태의 고밀도 플라즈마(2)가 생성된다(도 5a).
정상상태의 고밀도 플라즈마(2)와 설정된 거리(D)로 이격된 위치에 전기적으로 분리되어 있는 무선주파수 전극(3)에 무선주파수(RF)(3 MHz)를 바이어스 인가함으로써, 정상상태의 고밀도 플라즈마(2) 단부와 RF 전극(3) 사이에서 플라즈마(2)의 시스와 벌크가 확장되어 플라즈마 채널(C)이 형성된다(도 5b).
도 6은 일 실시예에 따른 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법에 의한 마이크로파로 생성된 플라즈마에 매우 낮은 무선주파수(RF)(25kHz)의 바이어스 인가시, 나타나는 아크 형태의 플라즈마 사진이다.
도 6을 참조하면, 무선주파수 전극(3)에 무선주파수(RF) 25kHz를 바이어스 인가시, 플라즈마 채널(C)이 형성되지 않고, 아크 형태의 플라즈마(AP)가 생성되었다. 플라즈마 시스 및 벌크의 확장은 특정한 영역의 무선주파수(RF)에서만 일어날 수 있다. 수십 kHz 이하 주파수 영역대는 전기적으로 위험한 고전압이 요구되며, 호흡기관에 유해한 오존을 대량 생산한다.
한편, 일 실시예는 적용단계를 더 포함할 수 있다. 적용단계는 확장단계에서 확장된 플라즈마(2)를 플라즈마 토치, 플라즈마 제트, 표면 처리, 멸균 처리, 암세포 처리, 미용 처리, 상처 처리, 및 혈액 응고 처리 중 적어도 어느 하나에 적용한다.
종래기술에 따르면, 마이크로파 전극에서 생성되어 분출되는 가는 플라즈마는 국소적으로 암세포를 죽음으로 유도시키는 정밀요법, 바이오 메디칼 분야의 미용, 상처 치유, 혈액 응고 등 여러 응용에 적용될 수 있다.
일 실시예에서 시스와 벌크가 확장된 플라즈마(2)는 넓은 면적의 표면을 처리할 수 있다. 따라서 일 실시예의 확장된 플라즈마는 플라즈마의 조성에 국한되지 않기 때문에 플라즈마 토치, 플라즈마 제트, 표면처리, 금속의 표면처리 또는 멸균처리 등에 응용될 수 있다.
이상을 통해 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.
1: 마이크로파 플라즈마 발생기
2: 플라즈마
3: 무선주파수 전극
11: 마이크로파 전극
C: 플라즈마 채널
D: 설정 간격
MW: 마이크로파

Claims (8)

  1. 마이크로파 플라즈마 발생기로 플라즈마를 생성하는 생성단계; 및
    상기 마이크로파 플라즈마 발생기와 설정 간격으로 이격 배치되는 무선주파수 전극에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여 상기 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는 확장단계
    를 포함하는 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생성단계는
    상기 마이크로파 플라즈마 발생기의 마이크로파 전극의 외주로 방전가스를 공급하고,
    상기 마이크로파 전극에 마이크로파를 인가하여
    상기 플라즈마를 생성하는
    이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마이크로파는
    0.4~11 GHz 영역대를 포함하며 전자의 소스로 사용하는
    이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 확장단계는
    상기 마이크로파 전극과 상기 설정 간격으로 이격된 상기 무선주파수 전극에 무선주파수(RF)를 바이어스 인가하여 상기 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는
    이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 무선주파수(RF)는
    1 kHz~99 MHz 영역대를 사용하는
    이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 생성단계는 대기압에서 플라즈마를 생성하고,
    상기 확장단계는 대기압에서 플라즈마의 시스와 벌크를 확장하는
    이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 확장단계는
    시스와 벌크가 확장된 플라즈마에서 상기 마이크로파 플라즈마 발생기에 입력된 전력에 비하여, 활성종 생성을 증가시키는
    이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    확장된 플라즈마를
    플라즈마 토치, 플라즈마 제트, 표면 처리, 및 멸균 처리 중 어느 하나에 적용하는 적용단계
    를 더 포함하는 이중의 고주파수를 이용한 플라즈마의 시스와 벌크의 확장방법.
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