KR20200017903A - Dielectric Barrier Discharge Plasma Shower Device - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 소스에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 방전 기체를 유전체를 관통하여 주입할 수 있는 DBD 플라즈마 소스에 관한 것이다. The present invention relates to a DBD (Dielectric Barrier Discharge) plasma source, and more particularly, to a DBD plasma source capable of injecting discharge gas through a dielectric.
플라즈마 기술의 적용 범위는 반도체 제조 분야를 넘어서서 바이오 분야와 접목하여 점점 더 다양하게 사용되고 있다. 특히, 대기압 플라즈마는 피부 미용, 치료, 각종 살균 장치, 세정 장치, 그외 다양한 표면처리 장치에 응용된다. 이러한 대기압 플라즈마의 경우, 플라즈마 제트 소스와 유전장벽방전 플라즈마 소스를 이용하여 발생되는 것이 일반적이다. 플라즈마 제트 소스의 경우, 전압 인가전극과 접지전극 사이에 전압을 인가하면서 방전 기체를 전극 사이에 흘려주어 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 제트의 경우 방전 불꽃이 제트 기류와 같이 얇은 꼬리로 분출된다. 제트 방식의 플라즈마는 원하는 활성종을 발생시키기 위해 공급하는 방전 기체의 종류 선정과 유량 등의 조절이 용이하고, 전극과 전극이 이격된 공간에 흘려주기 때문에 목적하는 활성종의 농도를 충분히 얻을 수 있지만 플라즈마 처리를 하여야 하는 피처리 면적이 넓은 경우 적용이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 제트 소스의 제조는 기구적 조립으로 이루어져 양산이 어렵다는 문제도 있다. 반면에, 유전장벽방식 플라즈마 소스의 경우, 기판에 전극을 형성하고 전극을 유전체로 덮어 제작되며, 전극에 전압을 인가하여 유전체를 통해 풍부한 플라즈마를 얻을 수 있다. 기판에 전극을 형성하는 방식으로서 리소그라피술을 이용하면 대면적화가 용이하여 양산성이 좋으며, 전기적 안전성도 좋다. 그러나 DBD 방식 플라즈마 소스의 경우, 특별히 원하는 활성종을 발생시키기 위해 기체를 공급하려면, 전극이 유전체에 포위된 관계로 유전체 밑부분에 기체를 공급하여야 한다. 대면적에 유리하다는 점으로 인해 대면적으로 제작된 DBD 소스의 경우, 기판/전극/유전체는 일체로 제작되어 있기 때문에 별도의 하우징 안에 전극 모듈을 넣고 하우징의 외측, 즉 전극 모듈의 가장자리를 통해 기체를 공급하여 플라즈마를 방전시키고 활성종을 얻는다. 이러한 방식은 제트 방식에 비해 원하는 활성종의 종류와 충분한 농도를 얻는데 한계가 있으며, 방전 기체를 전극에 직접적으로 공급하는 제트 방식에 비해 전극에 의한 가열 효과를 얻기 어렵고, 대면적 전극 모듈 전체에 대해 균일한 기체 공급의 어려움이 있어 문제된다. The application of plasma technology extends beyond the semiconductor manufacturing field and is increasingly used in conjunction with the biotechnology field. In particular, atmospheric plasma is applied to skin beauty, treatment, various sterilization apparatus, cleaning apparatus, and other various surface treatment apparatus. In the case of such an atmospheric plasma, it is generally generated by using a plasma jet source and a dielectric barrier discharge plasma source. In the case of the plasma jet source, a plasma is generated by flowing a discharge gas between the electrodes while applying a voltage between the voltage applying electrode and the ground electrode. In the case of a plasma jet, the discharge flame is ejected with a thin tail, such as a jet stream. Jet-type plasma makes it easy to select the type of discharge gas and to control the flow rate to generate the desired active species, and the desired concentration of the active species can be obtained because it flows in the space where the electrode and the electrode are separated. It is difficult to apply when the area to be treated that is to be treated by plasma is large. In addition, the manufacture of the jet source also has a problem that the mass production is difficult because of the mechanical assembly. On the other hand, in the case of a dielectric barrier plasma source, an electrode is formed on a substrate and the electrode is covered with a dielectric, and a rich plasma can be obtained through the dielectric by applying a voltage to the electrode. When lithography is used as a method of forming an electrode on a substrate, large area can be easily enlarged, mass production is good, and electrical safety is also good. However, in the case of a DBD plasma source, in order to supply gas to generate particularly desired active species, it is necessary to supply gas to the bottom of the dielectric with the electrode surrounded by the dielectric. In the case of the large-area DBD source, which is advantageous in large area, since the substrate / electrode / dielectric is made in one piece, the electrode module is placed in a separate housing, and the gas Is supplied to discharge the plasma to obtain active species. This method has a limitation in obtaining the desired type and sufficient concentration of the active species compared to the jet method, and it is difficult to obtain the heating effect by the electrode, compared to the jet method of directly supplying the discharge gas to the electrode, and for the entire large area electrode module The problem is that there is a difficulty in uniform gas supply.
따라서 본 발명의 목적은 대면적화가 용이한 유전장벽방식의 플라즈마 소스에 대해 방전 기체를 전극에 직접 공급할 수 있는 새로운 구조의 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a plasma source having a new structure capable of supplying a discharge gas directly to an electrode for a plasma barrier type dielectric source having a large area.
상기 목적에 따라 본 발명은 두께가 있는 유전체 기판에 관통구로 된 기체주입구를 하나 이상 형성하고, 상기 기체주입구 내벽에 제1 전극을 형성하고, 상기 기판 면에서 제1 전극이 형성된 기체주입구 둘레에 제2 전극을 형성하여 제1 전극과 제2 전극에 전압을 인가하고 상기 기체주입구를 통해 기체를 공급함으로써, 기체주입구 내부에서 유전장벽방전을 일으켜 플라즈마를 형성하고 기체주입구로부터 제2 전극 쪽으로 플라즈마가 방출되게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기를 제공한다. According to the above object, the present invention provides at least one gas inlet formed of a through hole in a dielectric substrate having a thickness, a first electrode is formed on the inner wall of the gas inlet, and a first electrode is formed around the gas inlet formed on the substrate surface. By forming a second electrode to apply a voltage to the first electrode and the second electrode and supply gas through the gas inlet, a dielectric barrier discharge is generated inside the gas inlet to form a plasma, and plasma is emitted from the gas inlet toward the second electrode. It provides a plasma shower, characterized in that.
본 발명에 따르면, 유전장벽방전 플라즈마 소스이면서 전극이 존재하는 곳에 직접적으로 방전 기체를 공급할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, there is an advantage that the discharge gas can be directly supplied to the dielectric barrier discharge plasma source where the electrode is present.
도 1은 본 발명의 플라즈마 샤워기의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1의 변형 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 3은 도 1과 도 2의 평면도와 저면도이다. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a plasma shower of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a modified embodiment of FIG.
3 is a plan view and a bottom view of FIGS. 1 and 2.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 플라즈마 샤워기의 단면도이다. 1 is a cross-sectional view of the plasma shower of the present invention.
일반적인 DBD 플라즈마 소스는 방전 기체를 전극 모듈 주변부로 공급할 뿐, 전극에 인접한 공간에 공급하지 못한다. 이에 비해 본 발명의 플라즈마 샤워기는 전극/유전체/전극의 구성에서 전극과 전극 사이에 배열된 유전체 부분에 가스를 공급할 수 있는 기체 공급구를 만들어 방전 기체가 전극에 직접 접할 수 있게 하였다. A typical DBD plasma source only supplies discharge gas to the periphery of the electrode module, but not to the space adjacent to the electrode. In contrast, the plasma shower of the present invention makes a gas supply port capable of supplying gas to a dielectric part arranged between the electrode and the electrode in the configuration of the electrode / dielectric / electrode so that the discharge gas can directly contact the electrode.
즉, 플라즈마 샤워기는 기판(10)에 다수의 관통구를 기체주입구로 타공하여 어레이를 만들고, 기판(10)의 일면에서 상기 기체주입구(300) 내벽에 인접하는 X전극(100)을 형성하고, 기판(10)의 이면의 기체주입구(300) 주변에 Y전극(200)을 형성한다. 본 실시예에서는 기판 상면의 기체주입구(300) 주변부에 플랫한 부분과 기체주입구 내벽에 접하는 원통형 부분을 갖는 전극을 X전극(100)으로 형성하고, 기체주입구 내벽의 하면에 이르지 않도록 원통형 부분의 길이를 조절한다. 즉, X 전극 형성 길이 L는 기판(10) 두께T보다 짧게 한다. 기판(10) 이면에 형성되는 Y 전극(200)은 X 전극과 유전체 기판(10)을 사이에 두고 마주할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 그에 따라 X 전극의 플랫한 부분과 마주보는 부분에 형성된다. 그러나 X 전극은 원통형 부분만으로도 형성될 수 있고, 전체 원통이 아닌 원통의 일부, 즉, 기체주입구 내벽의 일부벽면을 채우는 단편으로 형성될 수도 있고, 그에 대응하여 Y 전극도 고리형의 전부 또는 일부를 이루도록 구성될 수 있다. That is, the plasma shower makes an array by drilling a plurality of through holes into the substrate 10 through a gas inlet, and forms an X electrode 100 adjacent to an inner wall of the gas inlet 300 on one surface of the substrate 10. The Y electrode 200 is formed around the gas injection hole 300 on the rear surface of the substrate 10. In the present embodiment, the electrode having a flat portion and a cylindrical portion in contact with the inner wall of the gas inlet 300 on the periphery of the gas inlet 300 on the upper surface of the substrate is formed by the X electrode 100, and the length of the cylindrical portion so as not to reach the lower surface of the inner wall of the gas inlet. Adjust That is, the X electrode formation length L is made shorter than the thickness T of the substrate 10. The Y electrode 200 formed on the back surface of the substrate 10 is preferably formed to face the X electrode and the dielectric substrate 10 therebetween, and is thus formed on the flat portion of the X electrode. do. However, the X electrode may be formed of only a cylindrical portion, and may be formed of a part of the cylinder, that is, a part of the inner wall of the gas inlet, instead of the entire cylinder, and correspondingly, the Y electrode may be formed of all or part of the annular shape. It can be configured to achieve.
X전극을 원통형으로 구성하고 Y 전극을 고리형으로 구성한 경우 플라즈마 샤워기의 평면도와 저면도를 도 3에 보였다. X 전극의 단면 역시 고리형으로 보이며, X 전극의 단면 고리가 Y 전극의 고리에 의해 포위되는 것과 같이 보인다. 두 전극 사이에 형성되는 전기장으로 인해 플라즈마가 방전되며, 두 전극 사이에는 기판으로 인한 유전체 장벽이 존재하게 된다. 3 is a plan view and a bottom view of the plasma shower when the X electrode is formed in a cylindrical shape and the Y electrode is formed in a ring shape. The cross section of the X electrode also looks annular, as if the cross section ring of the X electrode is surrounded by the ring of the Y electrode. The plasma is discharged by the electric field formed between the two electrodes, and a dielectric barrier due to the substrate exists between the two electrodes.
이와 같이 형성된 DBD 플라즈마 샤워기는 기존의 DBD 방식과 달리 전극에 직접 접하여 기체를 공급할 수 있다. 즉, 상기 기체주입구(300)를 통해 X 전극 쪽에서 Y 전극 쪽으로 방전 가스를 주입한 상태에서 X 전극과 Y 전극 양단에 전압을 인가하면 기판(10)의 기체주입구 내 X 전극과 Y 전극 사이에서 플라즈마가 방전되어 기체주입구 하단을 통해 방출된다. 이러한 구성은 제트 구조의 장점인 전극에 의한 방전 기체의 가열효과를 비롯하여 대면적 DBD 모듈에 대한 균일한 방전 효과를 나타낸다. 기존의 DBD 모듈의 경우, 대면적화할 경우, 방전 기체를 DBD 모듈의 둘레를 따라 공급하기 때문에 방전 기체를 대면적 모듈 전체에 균일하게 공급할 수 없는 문제가 있었고, 이는 곧 균일한 면방전을 이루지 못하는 현상을 일으켰으며, 기체를 어느 정도 가두어 둘 수 있는 구조적인 기구가 필요하여 번거로운 구조를 이루었다. 게다가 전극과 방전 기체가 직접 접하지 않기 때문에 특별한 활성종의 종류와 농도를 높이고 싶은 경우에도 방전 기체의 공급에 의한 효과를 강화하기 어려웠다. Unlike the conventional DBD method, the DBD plasma shower formed as described above may directly contact the electrode to supply gas. That is, when a discharge gas is injected from the X electrode side to the Y electrode through the gas injection hole 300 and a voltage is applied to both the X electrode and the Y electrode, a plasma is formed between the X electrode and the Y electrode in the gas injection hole of the substrate 10. Is discharged and discharged through the bottom of the gas inlet. This configuration exhibits a uniform discharge effect for the large area DBD module, including the heating effect of the discharge gas by the electrode, which is an advantage of the jet structure. In the case of the existing DBD module, when the large area is increased, the discharge gas is supplied along the circumference of the DBD module so that the discharge gas cannot be uniformly supplied to the entire large area module. It was a phenomenon, and it was a cumbersome structure because it needed a structural mechanism to trap the gas to some extent. In addition, since the electrode and the discharge gas are not in direct contact with each other, it is difficult to reinforce the effect of supplying the discharge gas even when it is desired to increase the type and concentration of a particular active species.
본 발명의 플라즈마 샤워기의 DBD 모듈은 제트 구조의 장점과 더불어 DBD 모듈이 갖는 대면적화의 용이성과 균일하고 안정적인 면방전 및 전기적 안전성까지 갖출 수 있다. 또한, 필요로 하는 특별한 활성종이 있을 경우, 예를 들면, 오존이나 질소종이 필요할 경우, 기체주입구에 산소나 질소를 각각 공급하여 플라즈마를 방전시킴으로써 해당 질소종을 풍부한 농도로 얻을 수 있다.DBD module of the plasma shower of the present invention can be equipped with the advantages of the jet structure as well as the large area ease and uniform and stable surface discharge and electrical safety of the DBD module. In addition, when there is a special active species required, for example, when ozone or nitrogen species are required, the nitrogen species can be obtained in a rich concentration by supplying oxygen or nitrogen to the gas inlet, respectively, to discharge the plasma.
도 2는 도 1의 플라즈마 샤워기에 대한 변형실시예로서, 기판을 여러 개 접합하여 기판 두께, 전극 길이와 같은 변수를 키우고, 플라즈마가 방전 되는 쪽의 전극인 Y 전극을 유전체로 덮은 것을 보여준다. 유전체로 커버된 전극은 수명이 길어지고 더욱 풍부한 방전을 일으킬 수 있다. FIG. 2 is a modified embodiment of the plasma shower of FIG. 1, in which a plurality of substrates are bonded to increase variables such as substrate thickness and electrode length, and the Y electrode, the electrode on which the plasma is discharged, is covered with a dielectric material. Electrodes covered with a dielectric have a long life and can cause more abundant discharge.
또한, 상기 플라즈마 샤워기는 모듈의 구조 변경을 통해 플라즈마 방전을 조절할 수 있다. In addition, the plasma shower may control the plasma discharge by changing the structure of the module.
즉, 기판의 두께(T), X전극의 길이(L), 기체주입구를 이루는 타공 크기(직경 D), 타공부 간의 간격, 타공수 등의 조절을 통해 플라즈마 처리 면적 및 플럼 길이를 조절할 수 있다. 도 2의 경우, 두 장의 기판에 동일한 타공을 형성한 후, 하나의 기판에는 X 전극을 형성하고 다른 기판에는 Y 전극을 형성하여 기판을 서로 접합하여 제작할 수 있다. 전극의 형성은 리소그래피와 같은 방법을 사용할 수 있다. That is, the plasma treatment area and the plume length can be controlled by adjusting the thickness (T) of the substrate, the length (L) of the X electrode, the hole size (diameter D) forming the gas inlet, the spacing between the holes, the number of holes, and the like. . In the case of Figure 2, after forming the same perforations on the two substrates, by forming the X electrode on one substrate and the Y electrode on the other substrate it can be produced by bonding the substrates to each other. Formation of the electrode can use a method such as lithography.
또한, 플라즈마 방전 온도를 조절할 수 있는 변수도 다양하게 존재한다.In addition, there are various variables that can control the plasma discharge temperature.
전극의 길이 L을 길게하고, 기판의 두께 T를 길게하는 것도 방전 온도를 높일 수 있는 변수가 된다. 그외에 구동 회로의 펄스 조절, 주입 기체 자체의 온도 조절, 또는 유량 조절을 통해 플라즈마 온도를 조절 할 수 있다.The length L of the electrode and the length T of the substrate also increase the discharge temperature. In addition, the plasma temperature may be controlled by controlling the pulse of the driving circuit, adjusting the temperature of the injection gas itself, or controlling the flow rate.
이와 같은 플라즈마 샤워기는 대면적화 가능하여 아토피, 여드름, 손발톱 치료, 지혈과 같은 각종 피부질환 및 피부 미용에 적용될 수 있으며, 반도체 제조공정과 같은 재료 표면 특성 변화에도 적용할 수 있다. 예를 들면, 표면의 친수성, 소수성 변환을 위해 플라즈마 처리를 실시할 경우에도 적합하다. Such a plasma shower can be applied to a large area and can be applied to various skin diseases such as atopy, acne, nail treatment, hemostasis and skin beauty, and can also be applied to changes in material surface properties such as semiconductor manufacturing processes. For example, it is suitable also when performing a plasma process for hydrophilic and hydrophobic conversion of a surface.
한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.On the other hand, the specific numerical values presented in the above embodiments and experimental examples are illustrative and can be modified as necessary, and those skilled in the art to which the present invention pertains can change the present invention without changing the technical spirit or essential features thereof. It will be appreciated that it may be implemented in a form. Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and not restrictive in all aspects. The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
기판(10)
X전극(100)
Y전극(200)
기체주입구(300) Board (10)
X electrode 100
Y electrode 200
Gas injection hole (300)
Claims (5)
상기 기판에 기판을 관통하도록 타공된 하나 이상의 기체주입구;
상기 기체주입구의 내벽면에 형성되는 X전극; 및
상기 기판의 기체주입구 단부 주변에 형성되는 Y 전극;을 포함하고,
상기 X전극은 Y 전극과 이격되도록 X전극의 길이가 상기 기판의 두께보다 짧게 형성되고, 상기 기체주입구 내부로 방전 기체를 주입하고, X 전극과 Y 전극 사이에 전압을 인가하여 유전체 기판을 사이에 두고 배열된 X 전극 단부와 Y 전극 사이에 플라즈마를 방전시켜 플라즈마 불꽃을 상기 기체주입구를 통해 방출되게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 샤워기.Dielectric substrates;
At least one gas inlet perforated to pass through the substrate;
An X electrode formed on an inner wall surface of the gas inlet; And
It includes; Y electrode formed around the gas inlet end of the substrate;
The X electrode is formed so that the length of the X electrode is shorter than the thickness of the substrate so as to be spaced apart from the Y electrode, the discharge gas is injected into the gas inlet, and a voltage is applied between the X electrode and the Y electrode to sandwich the dielectric substrate. Plasma discharge between the X electrode end and the Y electrode arranged to discharge the plasma flame through the gas inlet.
The plasma shower apparatus of claim 1, wherein the plasma temperature is controlled by controlling one or more variables among the length of the X electrode, the size of the Y electrode, the shape of the applied voltage pulse, the temperature of the injection gas, and the flow rate of the injection gas. .
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2018
- 2018-08-10 KR KR1020180093454A patent/KR102139415B1/en active IP Right Grant
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