KR20240029457A - 소형 경량화된 고주파 플라즈마 응용장치 - Google Patents

Abstract

소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치가 개시되어 있다.
개시된 본 발명은 내부에 챔버(711)를 가지며, 외주면 상에 케이블 설치포트(712)가 마련된 셀 하우징(710); 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 배치되며, 중앙에 관통공(721)이 마련된 금속판(720); 상기 금속판(720)의 외향면에 밀착된 채, 상기 금속판과 함께 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 체결되는 앤드 플레이트(730); 상기 셀 하우징(710) 타측의 챔버 내부에 마련된 제1 암탭(713)에 치합되도록 외주면에 제1 숫탭(741a)이 마련되고, 내부의 길이방향을 따라 구멍(741b)이 마련되며, 상기 구멍 상에는 제2 암탭(741c)이 마련되고, 상기 금속판(720)과의 사이에 플라즈마 존(pz)이 마련되도록 하는 플런저(741)와; 상기 플런저의 외향측 말단에 마련된 채 상기 플런저를 회전 조작하여 상기 금속판(720)과의 사이 간격을 조절함으로써 플라즈마 존(pz)의 크기를 조절하는 제1 조절노브(742);로 이루어진 임피던스 튜너(740); 상기 구멍(741b)을 관통하게 설치되되, 그 외주면에는 상기 제2 암탭(741c)과 치합되는 제2 숫탭(751)이 마련되며, 내향측 말단에는 상기 제2 숫탭에 비해 큰 외경의 비나사부(752)가 마련된 스크류샤프트(750); 상기 스크류 샤프트(750)에 치합되도록 내부에 제3 암탭(761)이 마련되고, 외주면에는 고정홈(762)이 마련된 제2 조절노브(760); 일측은 상기 셀 하우징(710)에 고정되고, 타측에는 상기 고정홈(762)에 체결되어 상기 제2 조절노브(760)의 회전조작을 제한하기 위한 고정노브(772)가 거치되는 노브 거치 슬롯(771)이 마련된 거치판(770); 상기 셀 하우징(710)의 외주면 상측에 고정 설치되는 ㄱ자 형상의 프레임(781)과; 상기 프레임의 상면에 파이프 형태로 마련되어 그 내부를 통해 상기 케이블 설치포트(712)를 관통하는 동축 케이블(c)을 지지하는 케이블 지지체(782)와; 상기 케이블 설치포트(712)의 내주면에 마련되는 제4 암탭(712a)과 치합되도록 외주면에 제3 숫탭(783a)이 마련되고 내부에는 상기 동축 케이블(c)의 외주면에 마련된 제4 숫탭(c-1)이 치합되는 제5 암탭(783b)이 마련된 승강조절스크류(783)와; 상기 승강조절스크류의 상단에 마련되어 상기 승강조절스크류를 회전조작하기 위한 제3 조절노브(784);로 이루어진 케이블 지지부재(780); 상기 관통공과 스크류샤프트와 각각 연통되게 연결되는 유전체관(790); 및 상기 셀 하우징의 표면을 감싸도록 설치된 채, 냉각수에 의해 상기 플라즈마 존을 냉각시켜주는 냉각수관(800);을 포함하며, 상기 금속판(720)과 스크류샤프트(750)는 라디칼 재결합상수가 작은 금속으로 된 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 플라즈마장치의 유전체관의 앞뒤에 금속판을 설치하여 몸체 일부와 함께 보다 완벽한 구조의 공진캐비티를 구성하도록 한다. 바람직하게는, 주파수 변조가 가능한 반도체에 의하여 초고주파를 발진하고, 주파수를 가변하면서 상기 캐비티의 공진주파수를 탐지하여 셋팅튜닝함으로써 마이크로파의 에너지전달을 극대화하고 최고밀도의 플라즈마를 발생한다. 이 때 활성라디칼 농도를 극대화하여 공급함으로써 생산성을 극대화할 수 있으며, 본발명에서는 이러한 장치와 방법에 대하여 개시하고 제안한다.
본 발명에서는 상기 기체분해셀 플라즈마 장치를 복수개를 설치함에 의하여 활성라디칼을 반응기 적재적소의 다중 위치에에 공급하거나 여러 종류의 기체를 분해하여 각 활성라디칼를 다양한 방법으로 반응기로 공급이 가능하다.

본 발명에서는 마그네트론 혹은 반도체 방식의 단일개의 전력공급기를 사용하여 스플리터등을 사용하여 전력을 분기 배분하거나 플라즈마 장치의 부분집합처리, 병렬처리등의 방법을 사용하여 단일 전력공급기로 수많은 복수개의 기체분해 플라즈마 장치의 설치, 대면적 활성라디칼의 공급장치등 다양한 활용방법을 개시한다.
또한, 본 발명에서는 크기가 큰 기체분해 플라즈마 장치가 필요한 경우, 도파관에 직접연결하는 기체분행용 플라즈마장치, 원통형캐비티 및 도파관플랜지, 경사(taperd)도파관 , 도파관 확장등에 의한 방법등을 해결방안으로 제안한다.

Description

소형 경량화된 고주파 플라즈마 응용장치{Compact and lightweight high-frequency　plasma applicator}

본 발명은 초고주파 (마이크로파) 를 이용한 기체분해용 소형 플라즈마 응용장치 (Applicator)와 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존에는 마이크로파를 발생하는 마그네트론과 도파관, 아이솔레이터, 정합기 (튜너), 애플리케이터등을 사용하였으나 이 경우에는 장치가 부피가 크고 무거워서 설치하기가 어렵고 활용에 제한적이어서, 이러한 난점을 제거하기 위하여 마이크로파 플라즈마 응용장치를 소형화하고 경량화하여, 즉 경박단소화 하여 기체분해를 하는 장치를 개발하여 이 분해된 가스를 유용하게 활용하고자 한다. 여기서 통상적으로 '기체분해' 라는 명칭은 기체활성을 의미하는 것으로서 다원자분자의 경우에는 기체분자가 플라즈마에 의하여 분해되어 활성도 혹은 반응도가 높은 (Reactive) 중성자 (원래분자보다 낮은 질량의 분자 및 원자 혹은 여기된 상태 중성자)의 상태가 된다. 단원자분자의 경우 기체가 분해하지 않고 여기상태 (Excited)가 되는데 상기한 '기체분해"의 명칭은 이러한 여기된 기체를 의미하는 '기체여기'도 포함한다. 따라서, '기체분해용' 명칭명칭은 기체분해 및 기체여기를 포함하는'기체활성화용' 를 의미한다. 본 출원과 관련된 분야는 에너지, 환경, 화학합성, 메디칼 분야이다.

초고주파를 발생하는 방법으로는 종래 기술인 마그네트론 방식과 최근의 반도체 방식이 존재한다. 마그네트론 방식에서는 가장 큰 문제였던 도파관의 사용을 최소화하는 방법으로 아이디어를 구성하였다. 반도체 방식에서는 도파관 사용을 하지 않는 점과 주파수 가변이 가능한 점을 활용하였다. 이에 더하여 기존에는 도파관에 연결되어 설치되었던 플런저를 플라즈마 응용장치 (Plasma Applicator PA)과 일체화하여 구성화하여 종래의 방법에 비하여 보다 간소화 하고 용이하게 사용할 수 있는 특징을 갖는 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치에 관한 것이다.

본 발명은 도파관 사용의 최소화에 따른 소형화 경량화를 가능토록 한 점, 플라즈마 응용장치를 멀티형으로 여러 개 설치할 수 있음에 다양한 용도와 목적으로 활용이 가능하도록 한 점 등에 특징을 갖는 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치에 관한 것이다.

상기한 소형, 경량화된 플라즈마 발생장치는 진공상태는 물론 대기압에서도 플라즈마 발생이 가능하므로 그 다양한 분야에 활용될 수 있다. 또한, 특수한 목적으로 복수개의 기체분해용 플라즈마 응용장치가 필요한 경우에, 마이크로파를 전달하기 위한 도파관, 스텁튜너, 혹은 전력공급기을 적게 사용하는 방법을 통하여 다중의 마이크로파 기체분해장치를 용이하고 편리하게 설치하는 장치와 방법에 관련된 것이다. 마그네트론 방식의 경우 동축전환장치(Co-Axial Transition Adaptor)와 스플리터, 플라즈마셀의 부분집합처리방법등을 사용하여 여러 개의 고밀도 플라즈마 셀장치를 다양하게 구성하여 활용하는 방법등에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 반도체 방식의 경우 주파수변조를 통한 공진주파수 탐지 및 셋팅정합회로장치 및 방법, 그리고 이를 이용한 최고밀도 플라즈마 발생과 최고 농도의 '기체활성화용' 플라즈마장치에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로파란 전자기파의 일종으로 주파수 대역폭이 300MHz에서 30GHz(파장기준:1cm ~ 1m)까지의 전자파를 의미한다. 통상적으로 전자기파는 주파수 대역에 따라 분류하는데, 본 발명과 관련된 마이크로파(초고주파) 영역인 300 ~ 3,000MHz 주파수 대역을 UHF(Ultra-High Frequency) 라고 한다. UHF 주파수의 아래방향으로 30 ~ 300MHz를 VHF(Very HF), 3 ~ 30MMHz를 HF라고 명칭한다. 상향 방향으로는 3 ~ 30GHz를 SHF(Super HF), 30 ~ 300GHz를 EHF(Extreme HF)로 명칭한다.

마이크로파를 이용한 장치는 작업시간과 공정비용 그리고 에너지, 인건비 등을 획기적으로 줄일 수 있는 차세대 산업용 기술이다. 마이크로파의 산업적 응용분야는 매우 광범한데. 비금속인 유전체에 마이크로파가 조사되면 유전체 내부로 침투하여 분자 내에 있는 극성분자들을 회전, 진동시키고 그 내부 마찰에 의해 열을 발생시키게 되며 이로 인해 가열이 된다. 식품분야의 응용으로는 가열, 건조, 해동, 가열, 살균, 조리가 있다. 중요한 산업분야의 응용으로는 기존 산업군으로는 고무가공, 제지 직물의 염색 및 건조, 목재 건조등이 있다. 신사업군으로는 에너지/환경, 군사용, 반도체 및 디스플레이 생산, 전자제품생산 공정, 의료용등 실로 광범위하에 사용되고 있다, 본 발명은 초고주파의 신산업군 영역에 관련된 것이다.

마이크로파 에너지의 가열, 건조 이외에 가장 많이 활용되는 분야중의 하나는 플라즈마 분야이다. 플라즈마는 제 4상태의 물질로서(the Fourth State of Matter)로서 이는 전자, 이온, 중성자, 양자 등이 섞여있는 상태를 의미한다. 마이크로파(초고주파) 혹은 고주파 플라즈마 발생정치에서는 유전체를 통과하여 들어온 마이크로파로부터 전자가 선택적으로 에너지를 얻어 고준위의 에너지 상태가 되며, 원료기체(중성자)와 충돌하여 더욱 더 많은 전자와 음이온, 양이온, 각종 원자, 분자와 원자간에 합성화된 중성자, 그리고 각 중성자등이 활성화가 된 상태의 (분해(dissociation) 되거나 여기된(excitation)) 활성라디칼 등이 발생된다. 플라즈마 상태에서의 어떤 종을 이용하는지에 따라서, 화학반응성 플라즈마, 이온빔 플라즈마, 전자빔 플라즈마, 반응성이온 플라즈마으로 불리운다. 이들 활성화라디칼을 이용하면 고온에서 가능한 반응들을 저온에서도 일어나도록 할 수 있기 때문에 반도체 및 디스플레이 제조, 코팅, 연소, 화학산업등 수많은 산업분야에서 응용되고 있다.

마이크로파 응용장치의 전체 구성은 전력공급기 파워(Power), 마그네트론, 도파관(Waveguide), 순환기(서큘레이터, Circulator), 더미로드(Dummy Load), 3-스텁 튜너(3 stub-tuner), 애플리케이터(Applicator,응용기), 슬라이딩 숏써킷 (Sliding Short Circuit:SSC) [이는 플런저 (Plunger )으로 불리기도 함], 로 구성된다. 기존의 마이크로파 응용 장치의 각 구성 요소들을 도 1 과 도 2에 예시하였다. 초고주파 발생 방식은 종래방법인 '마그네트론 초고주파 발진' 방식과 최근에 개발된 반도체에 의한 '반도체 초고주파 발진' 방식이 있다. 마그네트론을 이용한 경우와 반도체소자를 이용하여 초고주파를 발생하는 경우에 각각 Magnetron Induced Microwave (MIMW), Solid State Microwave (SSMW) 이라 명칭한다.

마그네트론 초고주파 발진의 핵심장치는 '마그네트론'으로서 이는 기본적으로 2극 진공관과 유사하며 음극에서 열전자가 방출되는 구조이다. 전력공급기에서 교류 전압인 220V를 4000V 이상의 고전압으로 바꾸어 마그네트론에 전류를 흘리면 마그네트론에서 2.45GHz의 높은 주파수로 진동하는 마이크로파가 만들어진다. 전력공급기에서 마그네트론의 필라멘트와 양극에 고전원을 공급하여 마그네트론에서 생성된 마이크로파는 도파관을 통하여, 서큘레이터(Circulator), 3-스텁튜너(3 stub-tuner)를 거쳐 애플리케이터(Applicator,응용기)에 전달된다. 마그네트론에서 발진되는 마이크로파의 에너지가 피조사체에 흡수되는 전력을 순방향 전력(Forward Power, 順方向電力, 입사파전력 혹은 진행파전력) 이라 하며, 흡수되지 않는 전력을 반사파 전력(Reflected Power 혹은 반사전력 反射電力) 이라 한다. 반사파 전력은 되돌아가서 마그네트론에 피해를 줄 수 있으므로 이를 보호하기 위하여 반사파의 방향을 전환시키는 써큘레이터(순환기)를 사용하며, 반사파의 에너지는 냉각수가 흐르는 더미로드에 흡수되어 외부로 방출된다. 반사파를 최소화하기 위하여 3-스텁튜너 혹은 플런저를 이용하여 정합(matching) 하여 사용한다. 상기한 방법이 플라즈마 응용분야에서의 통상적인 방법이다

초고주파를 응용한 다른 분야도 유사한 구조로 형성된다. 주파수에 맞춰서 파장을 계산하여 이를 기본으로 도파관 길이를 맞추어서 반사파를 최소화하도록 설계가 된 경우에는, 아이솔레이터, 3-스텁튜너 혹은 플런저는 생략이 가능하다. 대표적인 예가 가정에서 사용하는 전자레인지이다.

2.45GHz의 마이크로파 경우에는 통상적으로 마그네트론은 0.5 ~10 Kw 전력범위 내에 있으며, 도파관은 WR340(혹은 WR284) 를 사용한다. 냉각방식은 1Kw 미만의 저전력의 경우에는 공기냉각방식을 사용하며, 고전력의 경우에는 수냉방식으로 냉각한다. 2.45GHz, 10Kw이상의 에너지가 필요한 경우에는 복수개의 저전력 마그네트론과 파워를 다중으로 조합하거나, 1개의 고전력 파워 마그네트론 품목들로 구성하여 배치한다. 915MHz의 마이크로파경우에는 10~200 Kw의 고출력급 마그네트론이 존재하며, 도파관은 주로 WR975을 사용하며 수냉방식으로 냉각한다. 또 따른 허용주파수인 433MHz이 경우는 상대적으로 에너지 손실이 적어 고전력에서도 동축케이블을 이용하여 고주파 전달이 가능할 것으로 생각된다.

본 발명에서는 초고주파 영역인 300 ~ 3000MHz 영역을 대상으로 하며, 특히 ISM에서 허용된 2,450, 915, 433 MHz 주파수 대역 모두를 포함한다.

도 1에서 예시한 바와 같이 마이크로파를 사용하는 플라즈마 응용장치는 특히 도파관을 사용하기 때문에 구조적으로 복잡하고 무겁고 부피가 크다. 각 개별 공정과 장치의 구조 혹은 필요성에 따라, 소형으로 적용되어야 할 응용분야가 있다. 이러한 경박단소를 필요로 하는 응용분야에 기존에 도파관을 사용하는 마이크로파 장치로는 어려움이 많다. 이런 분야로는 예를 들면, (소형) 기체분해장치, 원격플라즈마 (remote plasma 혹은 downstream plasma) 장치, 화학합성분야, 반도체장비, 분석장치, 자동차 배기가스 처리, 반도체 배기가스 (Perfluorocompounds PFCs 및 SiH4등) 처리장치, 상처및 종양치료등의 의료분야등이 있다.

이상 상술한 바와 같이 종래 마이크로파 응용장치 및 시스템은 공정 처리 시 장치의 부피가 크고 무게가 무거우며, 또한 장착이 어렵고 장착 및 해체시 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.

플라즈마 상태에서는 기체들이 분해되거나 혹은 여기되어 반응성이 높은 원자등 활성라디칼종으로 변화되는데, 이러한 활성라디컬종을 이용하는 공정에서는 소형이면서도 설치가 간단하여 필요한 적재적소에 자유롭게 설치가 가능해야 한다. 특정 반응기등에 플라즈마의 기체분해에 의한 라디칼 공급장치를 많이 설치하는 것이 필요한 경우에는 문제가 더 심각해진다.

공개특허공보 제2018-0064490호(2018.06.14 공개) 등록특허공보 제10-0526593호(2005.10.29 등록)

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 기존에는 마이크로파를 발생하는 마그네트론과 도파관, 아이솔레이터, 정합기 (튜너), 도파관 형태의 플라즈마 응용장치(애플리케이터)등을 사용하였으나, 이 경우에 장치의 부피가 크고 무거워서 설치하기가 어렵고 활용에 제한적이라는 문제점이 있었던 바 마이크로파 플라즈마 응용장치를 소형화하고 경량화하여, 즉 경박단소화한, 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 제공함에 있다.

해결해야 할 또 다른 과제는 초고주파를 사용하는 경우, 튜닝정합을 하여야 하는데, 종래의 3스텁튜너나 플런저등 도파관 형태를 사용하면 중후장대하여 설치가 용이하지 않으며, 이 역시 중요한 해결해야 할 과제이다. 본 발명에서는 소형화의 한 방법으로 플런저가 플라즈마 장치에 일체형으로 구성되어 정합기능을 하는 방법을 개시한다.

또한, 많은 복수 위치에 혹은 많은 수의 사람들을 치료하기 위한 목적으로 활성라디칼을 공급해야 하는 경우에, 기존에는 도파관부류의 부품들을 사용해서는 거의 불가능하거나 매우 복잡해지며 이 역시 해결해야 할 과제이다. 이러한 경우에 본 발명의 플라즈마 응용장치는 소형이고 경량이므로 복수개를 여러 위치에 다중으로 용이하게 설치하는 것이 가능하며, 해결방안을 개시한다. 상기 경우에 각 기체분해 플라즈마장치에 각각의 전력공급기를 연결하는 경우에 전력공급기도 복수개가 공급되어야 하므로 복잡해질 수도 있는데, 이는 1개의 고전력 파워를 도파관-동축전환어댑터, 스플리터 (splitter) 혹은 분배기 (divider) 부품등을 이용하여 복수개로 분기한 후, 복수개의 플라즈마 응용장치를 연결함으로써 단일 전력공급기로 복수개의 플라즈마 응용장치의 동작이 동시에 가능하다. 또는 더욱 경박단소화되고 상대적으로 작은 전력의 반도체형 초고주파 발생 장치를 이용하여, 각 플라즈마 발생장치별로 개별 파워로 연결하여 각각의 필요전력을 공급하는 등의 방법을 통하여 보다 용이하게 각 플라즈마 장치를 개별적으로 동작 및 운용하는 방안이 제시된다.

또한, 크기기 큰 기체분해 장치가 필요한 경우도 있는데, 이러한 장치 및 방법을 해결하는 것도 중요한 과제중의 하나이다. 이 경우에는 단일 고전력 파워를 사용하고 복수개의 다중 안테나를 사용하거나 또는 방사성과 에너지 전달의 효율성이 우수한 형태의 안테나를 설계-제작함에 의하여 대형화된 기체분해용 플라즈마 장치의 제작이 가능하다. 상기 대형 플라즈마장치의 경우에는 기체관 전체를 둘러싸는 안테나를 사용하는 방법을 사용하거나 혹은 복수개의 안테나를 다각도로 나누어 여러 위치에 설치하고, 각 안테나 별로 별도의 파워장치로 연결하여 전력을 공급하거나 (반도체 방식의 경우에 매우 용이함), 1개의 고전력 파워장치를 분기하여 복수개의 각 안테나에 연결하여 플라즈마를 발생시킴으로써 대형화된 기체분해장치도 균일도등 공정 효율을 높일 수 있다.

또한, 크기기 큰 기체분해 장치가 필요한 경우도 있는데, 이러한 장치 및 방법을 해결하는 것도 중요한 과제중의 하나이다. 이 경우에는 단일 고전력 파워를 사용하고 복수개의 다중 안테나를 사용하거나 또는 방사성과 에너지 전달의 효율성이 우수한 형태의 안테나를 설계-제작함에 의하여 대형화된 기체분해용 플라즈마 장치의 제작이 가능하며, 본 발명에서는 상기 과제에 대한 해결방안을 개시한다. 상기 대형 플라즈마장치의 경우에는 기체관 전체를 둘러싸는 안테나를 사용하는 방법을 사용하거나 혹은 복수개의 안테나를 다각도로 나누어 여러 위치에 설치하고, 각 안테나 별로 별도의 파워장치로 연결하여 전력을 공급하거나 (반도체 방식의 경우에 보다 용이함), 1개의 고전력 파워장치를 분기하여 복수개의 각 안테나에 연결하는 방법이다. 상기 방법에 의하여 대형화된 기체분해장치의 경우에도 균일한 고밀도 플라즈마 발생시킴으로써 공정 효율을 제고할 수 있다.

생산성을 최대로 높이기 위하여 플라즈마의 밀도와 에너지를 최대로 올리는 것이 해결햐야 할 중요한 과제 중의 하나이다. 본 발명에서는 상기 경박단소화된 활성라디칼용 플라즈마 응용장치를 양단을 최적설계하여 캐비티 형태로 구성하고 반도체방식의 초고주파 발생장치에서 주파수를 변화시킬 수 있는 특징을 이용하여, 이 캐비티 내에서 공진주파수를 추적하고 셋팅 튜닝함으로써 초고주파의 에너지를 기체로 전달하는 것을 극대화하고 (즉, Q팩터의 극대화) 초고밀도의 플라즈마를 형성하며, 이에 따른 최고 농도의 라디칼을 발생시키는 방법을 개시한다. 본 발명에서는 상기 고밀도 플라즈마 발생하는 과제를 해결하기 위한 방법으로서 주파수 변화범위를 여러 그룹으로 나누어 단계별로 변화시키면서 Q팩터를 최대화하는 공진주파수를 빠르게 찾아 들어가는 "주파수가변튜닝정합" 알고리즘 방법을 제안한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 기체분해용 초고주파 플라즈마 응용장치(700)로서, 내부에 챔버(711)를 가지며, 외주면 상에 케이블 설치포트(712)가 마련된 셀 하우징(710); 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 배치되며, 중앙에 관통공(721)이 마련된 금속판(720); 상기 금속판(720)의 외향면에 밀착된 채, 상기 금속판과 함께 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 체결되는 앤드 플레이트(730); 상기 셀 하우징(710) 타측의 챔버 내부에 마련된 제1 암탭(713)에 치합되도록 외주면에 제1 숫탭(741a)이 마련되고, 내부의 길이방향을 따라 구멍(741b)이 마련되며, 상기 구멍 상에는 제2 암탭(741c)이 마련되고, 상기 금속판(720)과의 사이에 플라즈마 존(pz)이 마련되도록 하는 플런저(741)와; 상기 플런저의 외향측 말단에 마련된 채 상기 플런저를 회전 조작하여 상기 금속판(720)과의 사이 간격을 조절함으로써 플라즈마 존(pz)의 크기를 조절하는 제1 조절노브(742);로 이루어진 임피던스 튜너(740); 상기 구멍(741b)을 관통하게 설치되되, 그 외주면에는 상기 제2 암탭(741c)과 치합되는 제2 숫탭(751)이 마련되며, 내향측 말단에는 상기 제2 숫탭에 비해 큰 외경의 비나사부(752)가 마련된 스크류샤프트(750); 상기 스크류 샤프트(750)에 치합되도록 내부에 제3 암탭(761)이 마련되고, 외주면에는 고정홈(762)이 마련된 제2 조절노브(760); 일측은 상기 셀 하우징(710)에 고정되고, 타측에는 상기 고정홈(762)에 체결되어 상기 제2 조절노브(760)의 회전조작을 제한하기 위한 고정노브(772)가 거치되는 노브 거치 슬롯(771)이 마련된 거치판(770); 상기 셀 하우징(710)의 외주면 상측에 고정 설치되는 ㄱ자 형상의 프레임(781)과; 상기 프레임의 상면에 파이프 형태로 마련되어 그 내부를 통해 상기 케이블 설치포트(712)를 관통하는 동축 케이블(c)을 지지하는 케이블 지지체(782)와; 상기 케이블 설치포트(712)의 내주면에 마련되는 제4 암탭(712a)과 치합되도록 외주면에 제3 숫탭(783a)이 마련되고 내부에는 상기 동축 케이블(c)의 외주면에 마련된 제4 숫탭(c-1)이 치합되는 제5 암탭(783b)이 마련된 승강조절스크류(783)와; 상기 승강조절스크류의 상단에 마련되어 상기 승강조절스크류를 회전조작하기 위한 제3 조절노브(784);로 이루어진 케이블 지지부재(780); 및 상기 관통공과 스크류샤프트와 각각 연통되게 연결되는 유전체관(790); 상기 셀 하우징의 표면을 감싸도록 설치된 채, 냉각수에 의해 상기 플라즈마 존을 냉각시켜주는 냉각수관(800);을 포함하며, 상기 금속판(720)과 스크류샤프트(750)는 라디칼 재결합상수가 작은 금속으로 된 것을 더 포함하는 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치가 제공된다.

바람직하게는, 본 발명에서는 상기 기체분해셀 플라즈마 장치를 복수개를 설치함에 의하여 활성라디칼을 반응기 적재적소의 다중 위치에에 공급하거나 여러 종류의 기체를 분해하여 각 활성라디칼를 다양한 방법으로 반응기로 공급이 가능하다.

바람직하게는, 본 발명에서는 상기 경박단소화된 플라즈마 응용장치와 일체화된 플런저를 설치하고, 위치분할추적 정합법을 통하여 정합함으로써 고밀도 플라즈마를 발생한다.

바람직하게는, 본 발명에서는 상기 플라즈마장치의 몸체 일부와 유전체관의 앞뒤에 금속판을 설치하여 공진캐비티를 구성하고 공진주파수에서 공진이 일어나도록 한다.

바람직하게는, 반도체에 의하여 마이크로파를 발진하는 경우 주파수를 가변하여 상기 캐비티의 공진주파수를 탐지하여 셋팅튜닝함으로서 마이크로파의 에너지전달을 극대화하고 최고밀도의 플라즈마를 발생한다. 이 때 활성라디칼 농도를 극대화하여 공급함으로써 생산성을 극대화할 수 있다.

상기한 과제의 해결수단에 따르면, 본 발명은 도파관을 발진 초기부위에 일부만 사용하거나 초고주파 반도체 발진 방식을 사용함으로써 경량화되고 소형화된 기체분해용 초고주파 플라즈마셀 장치를 간단하고 용이하게 설치함으로써 다양한 목적으로 다방면으로 활용될 수 있다.

반도체 방식의 마이크로파 경우, 공진주파수 탐지 및 튜닝에 의하여 에너지 전달(Q팩터)를 극대화함으로써 최고밀도의 플라즈마와 최고 농도의 반응성 라디칼의 형성이 가능하다.

복수개의 플라즈마 응용장치의 설치가 가능하기 때문에, 이 역시 공정의 균일화나 반응율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 커다란 반응기에 설치가능한 면적만 있으면, 복수개(수개 ~ 수만개 이상)의 플라즈마 응용장치를 설치하는 것이 가능하다. 설치 면적이 부족한 경우에도 수많은 기체분해용 초고주파 플라즈마셀 장치에서 기체를 분해한 후 각 분해된 활성라디칼을 모은 후 이 집합된 활성종을 필요한 공정 반응장치에 연결하여 공급한다.

또한, 복수개의 다양한 기체 종류를 한 반응기의 복수의 다른 위치에 혹은 복수개의 반응기의 적절한 위치에 기체분해용 프라즈마 응용장치가 용이하게 설치가 가능하기 때문에, 매우 다양한 분야에 광범위하게 활용할 수 있는 효과가 있다.

기체를 분해해서 분해된 활성라디칼을 사용하는 것이 본 출원의 중요한 목적이기는 하나, 메디칼등 의료 분야에서는 활성라디칼 이외에도 여기종들을(Excited Species) 사용한다. 즉, 불황성 기체인 Ar, He, Xe등을 여기시켜 Ar*, He*, Xe 등 여기된 종들을 사용하기도 하며, N₂를 활성화시켜 N₂*, N* 혹은 N 을 사용하기도 한다.

의료분야에서도, O₂ 산소 분자를 분해하여, O, O*, O₂* 등을 플라즈마로 용도에 맞춰서 발생하여 사용한다. 의료 분야는 통상적으로 100W 미만의 저전력에서도 사용하나, 멸균장치등에서는 보다 큰 전력을 사용하기도 한다. 본 발명은 특정 전력의 범위에 국한되어 사용하는 것은 아니며, 저전력과 고전력을 포함하여 다양한 분야에 용도에 맞게 사용 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 종래 마이크로파 응용장치인 플라즈마 발생장치를 설명하는 구성 예시도,
도 2는 종래 마이크로파 응용장치인 플라즈마 발생장치의 구성을 나타낸 예시도,
도 3a는 도파관에 직접 유전체관이 내재 되어 있는 플라즈마장치를 연결하여 기체를 분해하는 다운스트림 플라즈마 발생사진( 230~ 2,000 Watt 전력변화),
도 3b는 본 출원발명의 기체분해 플라즈마 셀치에서 발생하는 Ar 플라즈마 발생사진.
도 4는 종래 마이크로파 응용장치인 플라즈마 발생장치의 마그네트론, 써큘레이터, 더미로드는 물론 스텁정합기도 전력공급기 안에 내재시키고, 도파관 대신에 동축봉(동축케이블)로 초고주파를 전달하는 구성을 나타낸 예시도.
도 5는 마이크로파 전달을 위한 전송선로(동축케이블)의 구조에 관한 예시도,
도 6은 본 발명에 따른 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치의 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치의 분해 사시도 및 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 안테나 봉 끝부분에 달려 있는 각종 안테나판의 형태를 예시한 도면,
도 9는 본 발명에 따른 초소형 마이크로파 안테나 형태의 예시도,
도 10은, 도파관을 동축케이블로 전환하는 전환 어댑터의 예시도.
도 11은 본 발명에 따른 소형 경량화된 플라즈마 응용장치가 적용된 마그네트론 방식의 초고주파 발생장치의 구성예,
도 12는 본 발명에 따른 소형 경량화된 플라즈마 응용장치가 적용된 반도체 방식의 초고주파 발생장치의 다른 구성예,
도 13은 본 발명에 따른 마그네트론과 경사도파관를 이용한 기체분해용 다운스트림 플라즈마 발생장치 예시도
도 14는 본 발명에 따른 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치가 적용된 마그네트론 발생장치의 또 다른 구성예,
도 14는 본 발명에 따른 기체유입관 실링장치의 예시도,
도 15는 마그네트론, 도파관, 동축안테나를 이용한 대형 기체분해 플라즈마 발생장치 예시도,
도 16은 1개의 마그네트론 발진 도파관에 1개의 크로스-스플리터를 이용하여 복수개의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 구성한 예시도,
도 17은 1개의 마그네트론 발진 도파관에 2단계의 스플리터를 이용하여 복수개의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 구성한 예시도,
도 18은 1개의 마그네트론 발진 도파관에 1단계 스플리터를 이용하여 복수개의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 구성한 예시도,
도 19는 1개의 반도체 발진 전력공급기에 1개의 동축크로스-스플리터를 이용하여 복수개의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 구성한 예시도,
도 20은 1개의 반도체 발진 전력공급기에 2단계의 동축크로스-스플리터를 이용하여 복수개의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 구성한 예시도,
도 21은 1개의 반도체 발진 전력공급기에 1단계의 동축크로스-스플리터를 이용하여 각 3개의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 1개의 그룹으로 부분 집합화한 후 상기 부분집합된 3개의 그룹을 1개의 전력공급기에 병렬로 구성하는 방법에 대한 예시도,
도22a. 공진캐비티 구성을 위한 기체유출부 구멍이 뚤린 금속판을 경접처리하여 유전체관1과 유전체관2를 연결한 장치와 방법에 대한 예시도.
도22b. 공진캐비티 구성을 위한 기체유출부 구멍이 뚤린 금속판에 대한 예시도.
도23a. 공진캐비티 구성을 위한 기체유입부 구멍이 뚤린 (이동식) 금속판과 이송장치 예시도.
도23b. 기체유입을 위하여 기체관과 금속판 연결 직전에서 기체가 나와서 복수개의 구멍이 뚤린 금속판으로 기체가 공급이 되는 것에 대한 예시도.
도23c. 기체유입을 위하여 기체관과 금속판 연결 직전에서 기체가 나와서 복수개의 구멍이 뚤린 금속판으로 기체가 공급이 되는 것에 대한 예시도.
도 24는 다양한 형태의 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치의 응용예에 대한 예시도.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1을 잠시 인용하면, 도 1의 상부는 마이크로파 응용장치에 대한 정면도이며 하부는 측면도이다.

마이크로파 응용장치의 전체 구성은 마그네트론(Magnetron:111), 도파관 (Waveguide:112), 서큘레이터(Circulator:113), 3-스텁튜너 (3stub-tuner:115), 애플리케이터 (Applicator:117), sliding short circuit(119), 마르네트론에 전원을 조절하여 공급하는 전력공급기 혹은 파워(Power:121)로 구성된다.

파워에서 마그네트론(Magnetron:111)의 필라멘트와 양극에 전원을 공급하면 마그네트론에서 생성된 마이크로파는 도파관을 통하여, 서큘레이터(Circulator:113), 3-스텁튜너 (3 stub-tuner:115)를 거쳐 애플리케이터 (Applicator, 응용기:117)에 전달된다.

상기 애플리케이터는 용도에 따라서 다양한 형태의 플라즈마 장치, 건조장치, 해동장치, 연소장치 등이 될 수 있으며, 본 발명에서는 기체활성용 플라즈마 발생장치가 된다.

3-스텁튜너(115)란 도파관 또는 공동(空胴) 공진기 내의 3개의 금속봉이 있는 장치로서 마이크로파가 반사되지 않고 최대한 전달되도록 하는 정합(matching, 整合)장치이다. 때로는 3-스텁 대신에 4-스텁을 사용하기도 한다. 플런저 (Plunger) 혹은 슬라이딩 숏써킷(Sliding Short Circuit:이하 'SSC'라 함)(119) 역시 반사파를 최소화하는 정합기능을 하기 위하여 부가적으로 장착하는 장치이다. 스텁튜너를 SSC와 함께 사용하거나 혹은 스텁튜너없이 SSC를 단독으로 사용하기도 한다. 스텁튜너는 수동으로 각 스텁의 높이를 수동으로 조절하여 정합하기도 (Manual Tuning) 하나 정합 알고리즘에 의한 자동정합(Automatic Tuning)을 하기도 한다. 자동정합기는 스텁과, 다이오드, 통합 자동제어보드, 모토 드라이브 유니트로 구성되어 있으며 이로서 부하 임피던스를 ??추어 정합한다.

정합에 대하여 자세하게 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 두 회로를 결합할 경우 제1 회로의 출력 단자에서 같은 회로의 입력 단자를 본 임피던스를 Z1=R1+jX1, 제2 회로의 입력 임피던스를 Z2=R2+jX2로 했을 경우 두 임피던스 사이에 공역(共役)의 관계, 즉 R1=R2, X1=-X2가 있으면 손실 최소, 출력 최대인 조건이 얻어진. 여기서 임피던스 Z는 전류의 흐름을 방해하은 정도를 나타내는 척도이고, R은 저항(Resistance)으로 에너지를 소모하는 능력을 나타내는 요소이고, X는 리액턴스(Reactance)로 에너지를 저장하는 능력을 나타내는 요소이다.

본 발명에 연관된 플라즈마의 발생장치의 경우에는 제1회로는 전력공급기이고제 2회로는 로드 (플라즈마 애플리케이터장치) 이며, 상기 회로들의 임피던스를 맞춰 주는 역할을 하는 것이 정합기이다. 즉, 정합이란 신호 전송로에서 최대 출력을 전송하기 위한 방법이다. 정합의 원리는 신호원이 내부 저항을 가지고 있고 최대 출력 전송을 위해서 부하는 신호원의 임피던스와 동일해야 한다. 능동 소자가 포함되어 있는 곳에서는 입력 임피던스와 출력 임피던스가 상당히 다르다. 그러나 입력 임피던스는 신호원에 정합될 필요가 있고, 출력 부하는 출력 임피던스에 정합되어야 한다. 전력증폭기와 많은 능동 소자는 내부 전력 손실과 직선성의 요구 조건에 의해 부과된 제한 때문에 기본적 원리에서 벗어난다. 출력 부하 임피던스는 이러한 제한 조건에서 최대 출력 전송이 이루어지도록 최적으로 임피던스가 정합되어 선택되어야 한다.

정합을 하는 방식에는 도체봉에 의한 정합, 도파관내 도체판 창에 의한 정합 , 무반사 종단회로에 의한 정합, 테이퍼 도파관에 의한 정합, 변성기 (λ/4 임피던스 변환기:λ는 파장)에 의한 정합 등 여러 종류의 정합방법이 있다.

도 2에 예시한 바와 같이 3-스텁튜너의 경우는 도파관의 넓은 면에서 도파관내로 도체봉을 삽입하여 정합을 시키는 데, 도파관에 반사파가 존재하는 경우 도체봉에 의한 전자계에 의해 반사파를 상쇄시킨다.

플런저 정합방식은 (도 도파관내 도체판 창에 의한 정합방식으로서 도파관내에서 관측에 직각으로 도체판과 같은 장애물을 간격을 떼어서 삽입하고 부하까지의 거리를 적당히 선정하여 정합을 시키는 방식이다. 도 1과 도 2의 경우는 3-스텁튜너(115) 정합방식과 플런저(119) 정합방식을 혼용한 경우이다. 상기한 경우와 같이 스텁튜너와 플런저를 혼용해서 사용하기도 하고, 스텁튜너 혹은 플런저를 개별적으로 각 한가지만 사용하는 것도 가능하다.

마이크로파가 애플리케이터에서 흡수되지 않고 반사되어 돌아오는 경우, 이 반사 마이크로파는 마그네트론에 치명적인 피해를 줄 수 있는데, 이 경우에 서큘레이터(113)에 내제된 자석에 의하여 반사파의 방향을 전환시켜 마그네트론을 보호하며, 방향전환이 된 반사파는 더미로드(Dummy Load:123)에서 그 에너지가 흡수된다. 더미로드에는 냉각수가 유입되고 유출되어 흡수된 열을 외부로 방출한다. 마그네트론에서 발진되는 마이크로파의 진행방향으로 전파되는 전력을 순방향 전력 (Forward Power:順方向電力 혹은 입사파전력)이라 하며, 애플리케이터에서 흡수되지 않고 돌아가는 전력을 반사파 전력(Reflected Power,反射電力 혹은 역류파 전력)이라 한다.

순방향전력과 반사파전력을 측정하기 위하여 써큘레이터와 3스텁튜너 사이에 방향성결합기(Directional Coupler)를 설치하고 이를 파워미터 (power meter)로 측정한다. 즉, 도파관에 2개의 마이크로파를 측정할 수 있는 포트를 만들어서 하나는 포트의 방향이 응용기로 향하게 하여 순방향 전력을 측정하고, 다른 한 개는 반대방향 즉, 마그네트론 쪽으로 위치하여 반사파전력을 측정하는데 사용한다.

상기한 마이크로파(초고주파) 발생장치의 각 부품들의 조립도 2에 예시하였다. 도3a는 종래 플라즈마 기체 분해장치로서, 도파관에 직접 유전체관이 내재 되어 있는 장치를 연결하고 초고주파의 에너지를 전달하여 기체를 분해하는 다운스트림 플라즈마장치 예이다. 도 3a는 공급전력을 변화하며(230 ~ 2,300 Watt 범위) 플라즈마 장치(plasma applicator)에서 발생하는 플라즈마의 상태변화를 보여주고 있다. 도3b는 본 출원발명의 기체분해 플라즈마 셀장치에서 발생하는 Ar 플라즈마의 모습을 보여 주고 있다. 종래의 도3a의 장치에 비하여 도3b의 장치가 훨씬 경박단소하고 설치가 간단하고용이함을 알 수 있다.

마이크로파가 전달되는 관로인 도파관(waveguide)은 파(波)를 가두어 유도시켜 전파하는 임의의 구조체로서, 주로, 전자파가 진행하도록 만든 속이 비어있는(hollow) 도체금속관을 지칭한다. 도파관은 고출력(high-power), 낮은 손실(low-loss),밀리미터파 시스템등에 응용되며, 사용예로는 전술한 바와 같이 레이더, 위성중계기, 방송용 전파 송출 혹은 가열용, 플라즈마 발생 등 전자기파의 전달을 위하여 사용된다. 도파관의 구조 형태는 전자기파 도파 공간을 둘러싸는 금속도체(구리, 황동, 알루미늄등)로서 기계적 강도를 위해 도체두께를 1 ~ 3 mm 정도로 충분히 확보되어야 하며, 또한, 응용 주파수범위에서 표피 침투 깊이의 수 배가 되도록 한다.

통상적으로 도파관의 크기는 마이크로파의 주파수에 따라 결정된다. 국제전파협회에서 통신용으로 주로 사용하는 통신주파수 이외의 산업분야, 과학분야, 의료분야를(Idustrial, Scitific, Medial:ISM) 위하여 허용한 마이크로파의 주파수는 2.45GHz와 915MHZ (0.915GHz)이다. 2.45GHz 마이크로파의 경우에는 WR-284, WR-340, WR-430 규격의 도파관을 주로 사용하며, 915MHz의 경우에는 WR-975 도파관을 사용한다. 마이크로파 도파관은 단면형상에 따라 사각형 또는 원형 도파관, 복잡한 형상의 릿지형 도파관이 있는 데, 일반적으로 이용 되는 것은 사각형 도파관이다.

도파관은 통상적으로 퍼지는 특성을 지닌 마이크로파를 사각관에 가두어 전달하며, 보통 전도도가 좋은 황동이나 구리로 제작된다. 따라서 이러한 사각 도파관은 마이크로파를 이용한 공정이나 장치의 설치시 장비가 무거워지고 커지며, 조립이 어려워진다. 특히 저전력의 경우에도 상기한 도파관를 사용하는 장치 등이 중후장대하여 설치의 어려움과 응용이 제한되어 진다. 이러한 마이크로파 도파관 전달장치를(도 1, 도 2 참조) 이용한 플라즈마 발생장치의 예를 도 4에 예시하였다.

마이크로파 전송용에는 도파관 이외에 동축케이블(동축관)이 있다. 주파수가 높아 질수록 파가 외부로 쉽게 빠져 나간다는 것이 문제점이 되는데, 60Hz 이상의 주파수의 경우에 파가 외부로 빠져 나가는 것을 줄이기 위하여 폐쇄도파관을 사용한다. 폐쇄도파관 방식으로 동축케이블(Co-Axial Cable), 금속도파관(Metallic WaveGuide), 스트립라인 (Strip Line) 방식 등이 있다.

도 5에 예시된 바와 같이 동축케이블 구조를 보면 2개의 원통형 도체 및 유전체가 중심축을 공유하고 내부 도체는, 실제적인 신호전송을 위하여 사용된다. 외부 도체는, 알루미늄/구리로 만들어진 그물 모양의 차폐용 실드(Shield)(편조 또는 박지)이며, 그 사이를, 유전체/절연체(폴리에틸렌등)로 채워서 분리하여 만들어진다. 맨 바깥쪽에는 외피 피복에 케이블 자킷(비닐,폴리에틸렌등) 으로 둘러 쌓인다.

저전력의 마이크로파를 사용하는 경우에는 도파관 대신에 동축케이블을 사용하여 부피, 무게등을 감소하여 설치하는 것이 가능하다. 고전력의 경우에는 손실율을 감소하기 위하여 도파관을 사용한다.

그러므로, 본 출원발명의 경우 저전력범위에서는 사용가능한 동축케이블을 통하여 초고주파 에너지를 전달하여 플라즈마를 발생시킨다. 동축케이블까지는 마그네트론 발진의 경우 발생된 초고주파를 아이솔레이터나 스텁튜너를 사용하는 경우 튜너까지 도파관으로 전달하다가, 도파관-동축전환어댑터를 사용하며, 반도체 발진의 경우는 파워 출력단에 동축커네터를 통하여 연결된다. 이러한 저전력 플라즈마의 경우 주로 대전력이 사용되기 어려운 인체나 동물체의 일부를 처리하는 의료용 분야 혹은 식물체를 처리하는 바이오 분야이다. 초고주파가 유전체 관을 통하여 그 에너지가 전달되어 플라즈마가 발생되므로 DBD (Dielectric Barrier Discharge:유전격벽 디스차지)의 일종이다. 그러나 통상적으로 DBD의 경우에는 두개의 전극사이에 유전체가 있고 전극에 보통 저주파를 인가하나, 본 출원의 경우에는 2450 혹은 915MHz 대역의 초고주파를 사용하며 전극을 사용하지 않는 무전극 형태이다.

고전력범위에서는 도파관을 통해 전달되다가 도파관에 직접 연결된 플라즈마 장치내에 관통하는 유전체관 안의 기체에 전달하여 플라즈마를 발생한다(도 13) 또는, 도파관을 통하여 전달되는 초고주파를 캐비티를 형성한 후 동축안테나를 사용하여 모드를 전환후 캐비티 내의 유전체관내에 흐르는 기체에 초고주파 에너지를 전달하여 플라즈마를 발생하는 것도 가능하다(도 15).

반도체 방식의 초고주파 발진의 경우, 통상적으로 500W(Watt) 정도의 단일 전력반도체 칩이 존재하며, 복수개를 합쳐서 2,000 ~ 4,000W 정도의 전력공급기를 구성한다. 500W 이내의 전력에서는 동축봉과 동축커네터 등을 사용하고, 500\ 이상에서는 결합기(combiner) 등을 사용하여 결합한 후, 동축-도파관 전환어댑터를 (CoAxial-Waveguide Converter) 사용하여 도파관 형태로 출력한다. 상기 2000W 급을 이용하여 보다 큰 10KW 이상의 대형 전력공급기를 구성할 때는 상기 2Kw급의 전력모듈을 결합기를 통하여 합친 후 상기 전환어댑터를 사용하여 도파관 형태로 초고주파를 방출한다.통상적으로 10KW 이내에서는 2450MHz를 사용하고 10kW 이상에서는 915MHz의 주파수를 사용한다.

본 발명에서 상기한 도파관은 저전력으로 동작하는 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치(애플리케이터)를 제시한다 (도 6 내지 도 7). 도 6에 예시된 바와 같이, 플라즈마 발생에 필요한 전력은 전력공급기(121)로부터 동축케이블(c)과 동축커넥터(153)를 통하여 애플리케이터로 전달된다. 동축커넥터(153)는 내부에 안테나(157)가 연결되어 있으며, 이 안테나의 위치를 조절하기 위하여 안테나 이송장치(후술함)가 설치될 수 있다. 애플리케이터의 중심부에는 관통하는 유전체관(790)을 사용하며, 이 유전체관 끝부분에 커낵터가 연결되어 유전체관(790) 내부로 기체가 흐르도록 한다.

튜닝 정합을 위하여 도파관 형태의 3스텁튜너(도 1 및 2 참조) 혹은 동축튜너 동축튜너 등이 사용된다. 그러나 이러한 부분들이 장치가 커지고 복잡해지므로 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 플런저를 기체분해 플라즈마 발생장치의 몸체와 일원화하여 설치함으로써 튜닝정합 장치와 방법을 간단화 및 간소화 하였다.

유전체관은 플라즈마, 고온, 혹은 라디칼 기체의 부식성에 견딜 수 있도록 석영(quzrtz) 사파이어(Saphire), 혹은 알루니마를 사용할 수 있다. 물론 상기 재료 등에 국한되는 것은 아니다. 예를 들면, 강화유리나 유리 등을 사용할 수 있으며, 이러한 유리재료들은 상기열거한 유전체 재료등에 비하여 열이나 플라즈마에 약한 성질 등이 내재할 수 있다.

활성라디칼용 (기체분해용) 초고주파 플라즈마 응용장치 구조

본 발명은 활성라디칼 발생을위한 초고주파 플라즈마 응용장치에 관한 것으로 상기 장치의 구조에 대하여 설명한다.

도 6 내지 7을 통하여 본 발명에 따른 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치(700)의 구성을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

위 도면에 따르면, 본 발명에 따른 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치(700)는 내부에 챔버(711)를 가지며, 외주면 상에 케이블 설치포트(712)가 마련된 셀 하우징(710); 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 배치되며, 중앙에 관통공(721)이 마련된 금속판(720); 상기 금속판(720)의 외향면에 밀착된 채, 상기 금속판과 함께 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 체결되는 앤드 플레이트(730); 상기 셀 하우징(710) 타측의 챔버 내부에 마련된 제1 암탭(713)에 치합되도록 외주면에 제1 숫탭(741a)이 마련되고, 내부의 길이방향을 따라 구멍(741b)이 마련되며, 상기 구멍 상에는 제2 암탭(741c)이 마련되고, 상기 금속판(720)과의 사이에 플라즈마 존(pz)이 마련되도록 하는 플런저(741)와; 상기 플런저의 외향측 말단에 마련된 채 상기 플런저를 회전 조작하여 상기 금속판(720)과의 사이 간격을 조절함으로써 플라즈마 존(pz)의 크기를 조절하는 제1 조절노브(742);로 이루어진 임피던스 튜너(740); 상기 구멍(741b)을 관통하게 설치되되, 그 외주면에는 상기 제2 암탭(741c)과 치합되는 제2 숫탭(751)이 마련되며, 내향측 말단에는 상기 제2 숫탭에 비해 큰 외경의 비나사부(752)가 마련된 스크류샤프트(750); 상기 스크류 샤프트(750)에 치합되도록 내부에 제3 암탭(761)이 마련되고, 외주면에는 고정홈(762)이 마련된 제2 조절노브(760); 일측은 상기 셀 하우징(710)에 고정되고, 타측에는 상기 고정홈(762)에 체결되어 상기 제2 조절노브(760)의 회전조작을 제한하기 위한 고정노브(772)가 거치되는 노브 거치 슬롯(771)이 마련된 거치판(770); 상기 셀 하우징(710)의 외주면 상측에 고정 설치되는 ㄱ자 형상의 프레임(781)과; 상기 프레임의 상면에 파이프 형태로 마련되어 그 내부를 통해 상기 케이블 설치포트(712)를 관통하는 동축 케이블(c)을 지지하는 케이블 지지체(782)와; 상기 케이블 설치포트(712)의 내주면에 마련되는 제4 암탭(712a)과 치합되도록 외주면에 제3 숫탭(783a)이 마련되고 내부에는 상기 동축 케이블(c)의 외주면에 마련된 제4 숫탭(c-1)이 치합되는 제5 암탭(783b)이 마련된 승강조절스크류(783)와; 상기 승강조절스크류의 상단에 마련되어 상기 승강조절스크류를 회전조작하기 위한 제3 조절노브(784);로 이루어진 케이블 지지부재(780); 상기 관통공과 스크류샤프트와 각각 연통되게 연결되는 유전체관(790); 및 상기 셀 하우징의 표면을 감싸도록 설치된 채, 냉각수에 의해 상기 플라즈마 존을 냉각시켜주는 냉각수관(800);을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 금속판(720)과 스크류샤프트(750)는 라디칼 재결합상수가 작은 금속으로 되는 것이 바람직하다.

상기에 개시된 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치(700)에 따르면, 동 초고주파가 반도체에서 발진하는 경우 동축 케이블(c) 통하여 전달되며, 마그네트론에 의하여 발생되는 경우, 도파관 내부를 통해서 전달된 후 도파관-동축커넥터 전환어댑터를 통하여 전환된 후, 동축케이블(151)과 동축커넥터(153)를 통하여 전달된다. 상기한 바와 같이 발생된 초고주파는 플라즈마 응용장치 내부에서 동축커넥터(153)에 연결된 동축봉(155, 도7의 'C')과 이에 연결된 안테나(157)를 통하여 유전체관(790)을 흐르는 기체에 전달되어 플라즈마가 발생되며 높은 에너지의 전자에 의하여(고온에서만 분해가 되는) 기체분자(X₂) 혹은 중성자들이 원자(X)로 분해되거나 활성화(X^*) 되어 활성종(Excited State Species) 등으로 상태가 변환된다.

동축봉(155)에 결합되어 초고주파 에너지를 전달하는 안테나(157)의 형태는 도 8과 도 9 등에 예시된 바와 같이 다양하게 존재한다. 안테나의 형태는 상기 예시한 것에 국한되지 않는다.

상기한 바와 같이 에너지를 얻은 원자나 활성종들은 에너지 준위가 매우 높은 상태에서 반응성이 올라간다. 이러한 기체들을 반응 라디칼(Reactive Radical) 혹은 반응종(Reactive Species)이라 한다. 이러한 활성 라디칼 등은 저온에서도 상대적으로 높은 반응속도를 가지기 때문에, 저온공정화와 생산성 향상을 함으로써, 공정의 수율향상에 기여한다.

본 발명에서는 도파관을 발진 초기부위에 일부만 사용하거나 초고주파 반도체발진방식을 사용함으로써 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치를 간단하고 용이하게 설치함으로써 다양한 목적으로 다방면으로 활용될 수 있다.

또한, 본 발명은 복수개의 플라즈마 응용장치 설치가 가능하기 때문에, 이 역시 공정의 균일화나 반응율 제고를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 커다란 반응기에 설치가능한 면적만 있으면, 복수개 (수개 ~ 수만개등) 기체분해용 플라즈마 응용장치를 설치하는 것이 가능하다. 설치면적이 부족한 경우에는 공급전력를 올려서 플라즈마 응용장치에서 좀 더 많은 기체를 분해한 후 각 분해된 활성 라디칼을 필요한 공정 반응장치에 연결하여 공급한다. 예를 들면, 산술적으로 정확히 비례하지는 않겠지만, 200W의 전력이 공급되는 기체분해 플라즈마 응용장치 300여개가 전부 설치될 공간이 부족한 경우, 400W 최대 전력을 공급할 수 있는 플라즈마 응용장치 150개를 설치하여 반응기 내부로 활성 라디칼을 공급한다.

또한, 복수개의 (다양한) 기체 종류를 한 반응기1의 복수개의 다른 위치에 혹은 용도별로 복수개의 반응기 Rn (n=1,2,···, N)의 적절한 위치에 각각 설치가 가능하기 때문에 이 또한 다양한 장치의 적재적소에 설치가 가능하다. 예를 들면 필요한 경우라면 반응기 측면에는 산소원자를 반응기 하단부에는 수소원자를 넣을 수가 있다. 혹은 반응기1에는 수소원자를 주입하고, 반응기2에는 산소원자를, 반응기 3에는 질소원자를 주입할 수 있다. 또 다른 예로 수많은 복수개의 반응기를 설치한 후 각 반응기에서 CH₄를 분해하여 탄소를 포집하고 수소를 발생하는 데 응용이 가능하며 이러한 방법을 사용하여 단위 시간당 생산량을 증가시킬 수 있다.

여러 유형의 초고주파 안테나 형태

한편, 상기한 안테나(157)는 여러 가지 형태로 제시될 수 있다.

즉, 초고주파를 전달하기 위한 안테나가 설치된 단면도를 도 8a에 예시하였다. 안테나의 각종 형태로서 원형(도면 b), 타원형(도면8c, 8d), 사각형 (정사각형 (도면8e), 혹은 직사작형 (도면8f), 십자가형 (도면8g), 스파이럴형1(도8h) , 스파이럴형2 (도8i) 등 다양한 형태의 안테나를 사용할 수 있다. 십자가형의 경우에 4개의 가지 대신에 더 많은 가지가 있을 수도 있으며, 기체 흐름 방향의 가지의 길이가 길수도 있다. 사각형의 경우에는 기체 흐름방향으로 한 면의 길이가 더 길수도 있으며, 기체 흐름의 수직방향으로 한 면의 길이가 더 길수도 있다.

안테나는 상기 도면에서는 위에서 1개가 내려와 설치되는 것을 예시하고 있으나, 2개, 3개 , 혹은 4개등 복수개의 안테나가 유전체관을 감싸고 초고주파 에너지를 전달할 수 있다. 각 안테나에 개별적인 전력공급기로부터 파워를 전달할 수도 혹은 1개의 전력공급기에서 분기하여 복수개의 안테나에 전력을 공급할 수 있다. 이는 나중에 보다 자세하게 후술한다.

안테나 역할을 하는 금속판은 그 지지봉(191)과 직각의 형태로 배열이 될 수도 있으며, 도 9에 예시된 바와 같이 기체관을 일부를(도 9a) 혹은 거의 전체를 (도 9b) 감싸는 형태가 될 수도 있다.

도 8, 도 9a와 도 9b에서는 안테나가 상부에서 내려오는 형태로 설치되어 있는 실시예를 보여 주고 있는데, 기체관을 중심으로 선대칭구조로 하부에서도 동일한 형태의 안테나가 설치되어 초고주파 전력을 전달할 수 있다. 이와 마찬가지로 기체흐름방향의 단면도(도 8의 좌측도면)에서 기체흐름방향 기준하여 기체관의 좌측과 우측에서도 초고주파 전력이 전달되도록 구성이 가능하다. 즉, 상기 경우에는 상단, 좌측부, 우측부, 하단부 4군데에서 전력 공급을 하는 경우를 의미한다(도9c). 이 경우에는 1개의 기체관에 흐르는 기체를 4개의 동축안테나를 통하여 분해를 하는 경우이다. 각 동축안테나에 공급되는 전력은 각각 공급될 수도 있고 1개의 전력공급기를 4개로 분기하여 공급할 수도 있다(도 24b 참조). 상기 경우에는 동일하게 1개의 전력공급기를 사용하는 경우에도 4개의 복수방향에서 초고주파를 전달하여 플라즈마를 발생하므로 균일도를 향상할 수 있으며 , 특히 기체관이 큰 경우에는 그 역할이 더 중요해진다. 복수개의 안테나를 설치하는 경우 균일도등 공정을 향상할 수 있는 반면에 냉각이 되는 4개의 동축안테나를 (혹은 복수개의 전력공급기도) 설치하여야 하므로 설치의 복잡함이 존재한다. 반도체 방식을 사용하는 경우 파워도 경박단소화 되었고, 도파관 사용을 최소화함으로써 상기한 복수개의 파워와 초고주파 전달 장치등의 복잡한 문제점을 일부 개선할 수 있다.

전술한 바와 같이 상기한 복수개의 커넥터(153)을 설치하여 복수개의 전력공급기를 사용하여 복수개의 플라즈마 셀에 초고주파 전력공급이 가능하다. 여기서 ''플라즈마셀' 명칭은 상기한 '플라즈마 응용장치'와 동일하다.

각 플라즈마셀에서 조성된 반응성 라디칼을 라디칼결합기를 통하여 합쳐서 더 큰 농도의 라디컬을 필요한 공정과 반응기에 전달할 수 있다. 라디칼 결합기는 발생된 라디칼이 재결합등에 의하여 쉽게 소멸되지 않는 형태의 재질을 사용하고 (예를 들면, 석영관이나 사파이어관)등 복수개의 포트를 설치하고 이를, 기체 실링어댑터등과 밸브를 사용하여 각 개별 플라즈마셀을 연결함으로써 구성할 수 있다. 개별 플라즈마셀의 유전체관보다 크기가 큰 유전체관을 사용하여 각 플라즈마셀로터 나오는 개별 라디칼을 결합기를 통하여 합친 후 , 사용하고자 하는 반응기 내로 한개의 포트로 연결하여 공급할 수도 있다.

또는 1개의 플라즈마셀의 유전체관에 복수개의 안테나를 설치하여 유전체관을 둘러싸고 각 안테나에 복수개의 전력공급기를 통하여 초고주파 에너지 전달이 가능하다. 즉, 1개의 전력공급기에서 다양한 형태의 스플리터를 사용하여 복수개로 전력전달 경로로 분기하여 전력을 공급하여 보다 균일하고도 초고밀도 플라즈마를 발생하는 것이 가능하다(이 경우에 대해서는 후술한다).

특히, 기체튜브관이 크거나, 기체의 흐름 속도가 큰 경우, 흐르는 기체를 충분히 분해 (해리:Dissociation) 경우에는 상기한 바와 같이 복수개의 안테나를 설치하여 전력을 공급하는 것이 유용한 방법이 된다. 기체의 유량이 빠른 경우에는, 유전체관의 형태를 변경하여 체류시간을 증가시키는 방법으로 고농도 라디칼 생성하는 방법도 가능하다.본 출원에서는 상기한 방법들을 모두 다 포함한다.

도 8과 도 9에서 예시된 상기 안테나의 형태는 극히 일부분이며, 더 많은 다양한 형태의 안테나가 사용이 가능하며 본 특허는 이러한 다양한 형태의 안테나를 포함한다.

본 발명에서는 플라즈마 발생이 잘되도록 하기 위하여 안테나의 위치를 상하로 움직일 수 있는 것을 포함할 수 있다.

도 6에 예시된 바와 같이 초고주파는 동축케이블(151)과 동축커넥터(153)를 통하여 전달되며, 내부에서 이에 연결된 동축봉(155)이 셀 하우징(710)를 관통한 후 유전체관(790)안의 기체에 전달된다. 케이블 지지체(782)는 원통형으로서 내부에 암나사가 나있고 이것이 동축커넥터(153)의 수나사와 체결되어 결합된다. 프레임(781)은 직사각형으로 나사 2개로 셀 하우징(710)에 고정된다. 프레임(781)은 'ㄱ'자형으로서 그 밑부분에는 제3 조절노브(784)가 위치하고 있어서, 이 제3 조절노브를 돌리면 내부의 안테나의 높이가 위아래로 조절됨으로써, 안테나의 위치를 상하로 조정하는 것이 가능하다. 이를 통하여 초고주파 에너지가 효율적으로 유전체관 내부로 전달되도록 한다. 이 위치에 따라 플라즈마 임피던스가 달라지게 된다. 상기 임피던스가 달라지면, 플런저를 사용하여 새로운 정합이 이루어저야 한다.

[유전체관의 진공실링 혹은 외부로부터 실링이 필요한 경우]

플라즈마 발생을 위하여 진공 혹은 실링이 필요한 경우, 유전체관 좌측끝단과 우측끝단에 진공실링을 위한 어댑터를 설치한다. 대기압에서 상기 플라즈마 기체분해장치를 조작하는 경우에도 유전체관(790) 안에 흐르는 기체가 위험하거나 환경오염가스 등 유해가스일 수 있으므로 실링이 필요하다. 이는 한쪽 면이 경사진 링타입의 금속체를 오링 후에 설치하고 이를 포함할 수 있는 금속체 내부에 설치하고 수나사와 수나사를 몸체와 조이는 금속체를 돌려서 체결하면 압력이 가해져서 오링이 유전체관에 밀착하게 함으로써 실링한다. 상기 실링 부분은 진공상태가 가압상태에서도 실링이 되도록 한다

상기 오링의 경우에 중간에 오링을 1번 쓰는 경우와 중간에 오링 2번과 금속링 1번 사용하여 실링하는 경우 등이 있다. 오링 2번을 사용하는 경우 이중실링이 되어 실링을 더 보장한다. 금속관은 규격사이즈의 스웨이락 (Swagelock) 혹은 케이준(Cajoun) fitting을 사용하여 실링하면 된다.

혹은, 상기 연결부품은, 한쪽은 유전체관으로(예를들면 1/4", 혹은 1/2") 구성되고 다른 반대쪽은 금속튜브관 (예를들면 1/4", 혹은 1/2") 형태로 마무리 되어 여기게 금속핏팅이 연결된 후 기체유입부에 연결되면 된다).

상기 핏팅은 한쪽 부위는 유전체관이 오링으로 실링되며 체결이 되고 핏팅의 반대쪽 편은 금속튜브관이 연결되도록 금속관 실링핏팅으로 형성할 수 있다. 즉, 한쪽은 상기한 경사진 금속부분을 이용하는 오링 실링이고 이는 유전체관을 실링한다. 반대쪽은 금속관이 연결되도록 서로 다른 형태의 핏팅이 구성된다.

상기 금속관실링 핏팅에 금속튜브관이 연결되고 이 금속튜브관이 기체공급부 (즉, 기체 저장탱크 실린더에 연결)와 금속 고압-고진공 실링부품을 사용하여 연결된다. 이러한 양쪽이 상반된 방식으로 연결된 핏팅을 '유전체오링-금속핏팅' 이라 명명한다.

상기한 오링실링을 사용하는 방법이외에도 금속에 브레이징화된(Brazed) 유전체관을 사용하여 실링하는 방법도 가능하다(도14C참조). 이 경우에는 유전체 관이 금속관이 일체형으로 브레이징화 되어 있기 때문에 초고주파에 노출되어 에너지를 받는 부위는 유전체관을 사용하고 브레이징 한 부위 이후에는 금속관이므로 이 금속관은 기체 공급부와 상기한 금속관핏팅으로 연결한 후 이 일원화된 유전체관-금속관 내부에 공정가스가 흐른다. 즉, 이 경우에는 경접된 유전체관-금속관과 금속관-금속관 핏팅을 사용하는 것이다. 상기한 경접된 유전체관을 사용하는 경우, 상기 오링의 경우보다 상대적으로 고온에서 외부환경으로부터 실링이 가능하다. 플라즈마 발생된 이후에는 재결합상수가 적은 유전체 관을 사용하는 것이 좋다. 상기한 유전체관을 사용하는 경우에는 유전체오링-금속핏팅 사용하여 반응기에 연결한다. 또는 경접된 유전체관-금속관을 사용할 수도 있으면 이 경우 반응기에는 금속핏팅을 사용하여 연결된다.

오링의 경우에 고온에서 사용하려면 고온에 내열성이 강한 오링을 사용하거나 혹은 유전체가 오링으로 실링되는 핏팅의 외부면에 냉각용 속튜뷰를 용접하거나, 2중관형태의 내면에 냉각수를 흘리는 방식으로 해서 냉각하여 사용이 가능하다. 상기 피팅에 체결된 유전체관 내부에 공정가스가 흐르며 초고주파에 의하여 기체가 활성화되거나 분해된다.

[복수개의 기체분해용 플라즈마 셀이 필요한 경우]

복수개의 기체를 분해하여 공정을 수행하는 경우, 각 경우의 사용하는 기체 수의 2배에 상당하는 만큼의 복수개의 유전체 오링-금속핏팅이 연결되면 된다. 상기한 핏팅은 각 플라즈마셀에 기체 유입부와 기체유출부에 상기한 핏팅이 필요하다. 예를 들면, N2와 H2를 사용하여 암모니아 NH3를 합성하는 경우, 상기한 방식의 핏팅은 총 4개가 필요하게 된다. 상기한 냉각되는 유전체오링-금속핏팅과 경접된 유전체-금속관/금속관핏팅 방식은 본 출원발명의 초고주파 플라즈마에는 중요한 연결요소이며 본 발명에서는 상기한 모든 경우들을 포함한다.

상기한 방법은 크게 실링하는 2가지 방법을 예시한 것이며, 본 발명에서는 상기한 방법 이외에도 유전체관의 실링하는 다른 여타 방법의 실링구조를 사용하여 플라즈마를 발생하는 장치와 방법을 포함한다.

[냉각 라인의 설치]

안테나(173)를 통하여 마이크로파 에너지가 전달되어 플라즈마가 발생되며, 이 상태에서 유입되는 기체분자를 분해하여 전자, 이온, 광자(photon), 활성라디칼 중성자가 발생된다. 이러한 경우에, 초고주파의 에너지로 인하여 가열이 되므로 냉각이 필요하며, 이러한 냉각을 위하여 냉각수 유입라인(131)과 냉각수관(800)을 연결한다. 저전력을 사용하는 등 가열이 작은 경우에 냉각수관 대신에 공기라인을 사용한다. 도 6에 예시된 바와 같이 냉각수관은 셀 하우징(710)에 홈을 내어서 이 홈에 냉각수관(800) 끼워 넣어 접촉면이 증가하도록 하는 방식을 보여 주고 있다. 이 경우에는 냉각수관을 1턴을 감아서 설치하였으나, 냉각이 더 필요한 경우 여러 번을 감아서 냉각이 가능하다.

더 큰 냉각이 필요한 경우, 상기한 바와 같은 냉각수관을 셀 하우징(710)에 감아서 설치하는 대신에 셀 하우징을 이중관 형태의 몸체의 구조로 형성하고 수냉라인을 설치하여 냉각용매가 상기한 몸체안에 유입하고 유출되게 함으로써 전체 몸체가 냉각하는 방법이 있으며, 본 발명은 이를 포함할 수 있다.

[저전력의 경우에 동축케이블에 의한 초고주파 전달]

저전력의 마이크로파를 사용하는 경우에는 도파관 대신에 동축케이블을 사용하여 부피, 무게등을 감소시켜 간편하게 마이크로파 장치를 설치하는 방법이 있다. 도 4에 예시된 마이크로파를 이용한 플라즈마발생장치를 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 마그네트론(‘M’라 칭함 ; 111), 써큘레이터(‘C’라 칭함 ; 113), 더미로드(‘D’’라 칭함 ; 123)등이 외부에 있으면 별도의 공간을 차지하므로 이 M-C-D를 전원공급장치에 내부에 설치하여 일체화 및 일원화를 한다. 이렇게 함으로써 상당한 공간적인 축소가 가능하며 마그네트론에 공급하는 전원을 내부에서 직접 연결하여 공급하고 냉각라인등을 공유하는 등 동선이 ?F아지고 설치가 용이한 장점이 있다. 3스텁-튜너 (매처 혹은 정합기 )는 수동인 경우에는 스텁을 동작하여야 매칭을 하여야 하므로 외부에 위치시킨다. 자동튜너의 경우에는 도 11에 예시한 바와 같이 임피던스를 매칭하기 위하여 다수개의 스텁들이 자동으로 조절되므로 이 경우에는 튜너가 전력공급기(121) 안으로 위치하는 것이 가능하다.

도 4의 경우에는 아이솔레이터 (써큘레이터(113)와 더미로드(123)의 합을 아이솔레이터라고 함)부터 애플리케이터까지 도파관을 사용하여 연결하여야 함으로써 불편함이 있다. 이러한 부분을 해소하기 위하여 도파관-동축케이블 전환어댑터 (Waveguide to Co-Axial Conversion Adaptor, WCCA)와 동축케이블을 사용할 수 있다. 도파관-동축케이블전환어댑터의 형태를 도10에 예시하였다. 상기 어댑터를 사용하면 설치공간이 감소하며 설치를 용이하게 할 수 있다는 장점이 있다. 도11은 마그네트론(111), 써큘레이터(123), 더미로드(123), 튜너(115) 모두를 전력공급기기(121) 내부에 위치시키고, 도파관-동축케이블전환어댑터(155)와 동축케이블(151)를 설치하여 애플리케이터(173)로의 연결을 간소화하여 사용하는 경우를 보여주는 예시도이다.

이와 같이 본 발명에서는 도파관-동축케이블전환어댑터 (WCCA)와 동축케이블을 사용하여 마이크로파 발생 장치를 간소화하여 전달하는 것을 특징으로하는 기체분해용 플라즈마 발생 방법 및 장치를 포함한다.

상기한 경우는 애플리케이터(173)을 제외한 상기 구성품목들이 모두 전력공급기(121) 안에 들어가므로 사용이 편리해지는 점이 있으나 크기가 큰 도파관을 사용하고 있기 때문에 전력공급기가 커지고 무거워지는 단점이 있다. 초소형 기체분해용 애플리케이터의 경우에는 사용하는 전력이 크지 않기 때문에 마그네트론(111)과 도파관(112)을 사용하지 않는 반도체 발진 방식을 사용하면 보다 초소형, 경량의 마이크로파의 발생 및 전달 장치가 가능하다 (도 12 참조).

다만, 유전체관이 크기가 큰 경우나 고전력이 필요한 경우에는, 상기 방법이외에도 도파관-동축케이블 전환어댑터를 사용하는 대신에 도파관을 그대로 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 이 경우에는 도파관을 플라즈마장치 (applicator)가 수직으로 가로 지르며, 기체관에 대하여 실링이 구비된 구조로(도 14) 유전체관을 설치하여 플라즈마 발생하는 것이 가능하다(도 13). 실링은 진공이 필요한 경우에는 진공실링 구조로, 대기압인 경우에도 기체가 누설되면 않되므로 기체 실링을 한다. 초고주파 혹은 플라즈마로 인하여 온도가 올라갈 수 있으므로 주로 고온에도 견디는 재질의 고온용 고분자 오링 혹은 신축적 금속오링으로 실링하도록 한다. 신축적 금속오링은 금속재질이면서도 유연하여 오링과 같이 실링 역할을 한다. 추가적으로 고진공이 필요한 경우 금속에 브레이징된 유전체관을 금속가스킷으로 고분자 오링으로 실링하는 경우 보다 높은 고온과 고진공하에서 사용이 가능하다. 통상적으로 2.45GHz의 주파수에서는 WR340 / WR284 도파관 내의 설치가 가능하도록 유전체관이 내경 43mm 이하를 사용한다. 통상 이보다 더 큰 관의 경우에는 915MHz 를 사용하여 150mm 이상의 유전체관에 플라즈마를 발생한다.

크기가 큰 유전체관 기체분해용 플라즈마장치가 필요한 경우에 도파관을 확장한 후 더 큰 유전체관을 내포하는 방법도 있다. 혹은 도파관에 직경이 큰 원통형구조의 공진캐비티 플라즈마장치를 연결하고 여기에 냉각과 실링이 되는 유전체관을 관통하여 더 큰 크기의 기체분해 플라즈마를 발생할 수 있다(도 1참조). 도 1에 예시된 바와 같이, 도파관을 확장하여 보다 큰 플라즈마 장치를 내재하여 설치하거나, 혹은 도파관보다 큰 사이즈의 원통형의 플라즈마장치에 도파관 플랜지를 설치하고 이를 마그네트론 방향쪽의 도파관 플랜지에 연결 구성하여 사용하기도 한다.

[ 도파관에 기체분해용 플라즈마 발생장치를 연결하는 실시예 ]

도 13에 예시된 바와 같이 사용자가 보다 큰 기체관에서 기체분해를 원하는 경우, 도파관에 기체분해용 플라즈마 발생장치를 연결하여 활성라디칼을 발생할 수 있다. 또한, 상기 유전체관이 연결되는 도파관 플랜지로부터로부터 유전체관쪽 방향으로 도파관을 경사지게하여(Tapered) 보다 큰 전계를 발생시킴으로써 보다 고밀도 고에너지의 플라즈마 발생이 가능하며 본 출원에서는 이를 포함한다. 도파관 경사는 도파관 파가 흐르는 방향으로의 중심축 대비 양축이 대칭으로 경사지게 하는 방법이 있고, 한쪽 선을 평평한 직선으로 고정시키고 다른 한쪽선을 경사지게 하는 방법이 있다. 도 13에 예시된 바와 같이 유전체관(278)을 지지 고정하는 부위 (191)은 실링과 수냉을 구비한다. 실링은 상기한 방법등을 포함하며, 수냉은 물관을 감기고 하고 이중금속체를 구성하여 냉각한다. 유전체 상단부(191)는 실링과 기체유입을 포함하며, 유전체 하단 연결부는 실링과 기체유출이 가능하도록 구성하며 진공이 필요로 하는 경우 진공펌프를 사용하여 배기한다.

도파관을 사용하는 또 다른 방법으로 도파관-동축봉 전환 안테나(173)를 사용하여(도 4의 돔형태 대신에) 유전체관형을 위치시킴으로서 유전체관 내에 플라즈마를 발생할 수 있다(도 15a참조). 이 경우에는 기존에 전술한 바와 같이 초고주파를 동축케이블(151)-동축커넥터(153)-동축봉(155)-동축안테나(157) 을 통하여 이후에 안테나판에 의하여 유전체관에 흐르는 기체에 초고주파 에너지를 전달하는 도 6의 경우와 구분된다. 동축안테나의 끝단 부분에 연결된 안테나용 금속판 도 8과 도 9의 경우처럼 여러 형태로 변형하여 인가하는 것을 포함한다. 실시예로 도 15a의 옆에 또 다른 반구형태의 안테나 형태를 예시하였다.

도 15a의 경우에는 도파관 방향으로 원통형의 반응기 캐비티를 구성하고 이 캐비티를 유전체관이 수직방향으로 관통한다. 반응기를 관통하는 경우에 실링이 확보되도록 냉각이 되는 실링장치를 구성하여 설치한다. 즉, 이 경우는 도 6과 도 7에 예시된 동축케이블과 동축전환어댑터를 사용하는 경우를 변형하여, 도파관으로부터 도파관-동축봉 전환 안테나를 사용하여 반응기 내로 관통하는 관형의 유전체관에 초고주파 에너지를 전달하는 방식이며 본 출원에서는 이를 포함한다. 이 경우에는 3스텁튜너를 사용하거나 사용하지 않는 경우 모두 다 포함한다. 진공실링이 필요한 경우에 기존의 도파관 창에 사각형태의 유전체판과 고온용오링 혹은 금속링을 사용하여 체결되는 도파관플랜지를 결합하는 진공윈도우(Microwave Vacuum Window)가 설치된다 (미도시).

도 6과 도 7에 예시된 바와 같이 플라즈마셀과 일체화가 되어 기체관 유입부에 좌우로 이동하는 구조의 플런저 (이를 '기체관유입단 플런저' 라 명칭함)를 설치함으로써 플라즈마 발생을 위한 튜닝하는 방법이 가능하다. 또는 도 15a에 보듯이 도파관-동축봉 전환 안테나의 오른쪽에 도파관 형태의 플런저(119)를 설치하여 튜닝정합하는 것도 가능하다.

따라서, 3-스텁튜너, 플런저, 기체관유입단 플런저를 각각 혹은 선택적으로 결합하여 튜닝정합하는 것이 가능하다. 본 발명에서는 상기한 모든 경우를 포함할 수 있다.

상기한 형태와 달리 도 15b의 경우에는 원통형의 금속캐비티를 도파관의 방향과 수직으로 구성하고 이 캐비티와 평행한 방향으로 유전체관이 관통하는 경우이다. 이 경우에 캐비티 양단에 플랜지가 구성되며 이 플랜지에 유전체관이 실링 및 고정되는 실링장치 어댑터를 구성하여 사용한다. 본 발명에서는 이 두가지 경우를 포함하며, 도파관을 통하여 전달되는 초고주파의 에너지를 원통형 캐비티 내의 유전체관 안에 흐르는 기체에 에너지를 전달한다.

반도체 발진 초고주파 경우에도, 특히 높은 전력이 인가되는 경우에는 동축-도파관 전환어댑터와 결합기를 시용하여 도파관 형태로 전환한 후 상기한 플라즈마 장치를 연결하여 사용이 가능하다. 상기 경우들은 예시에 지나지 않으며 여러 형태의 유사한 구성 및 배열이 있을 수 있으며, 본 발명은 이 경우들도 포함한다.

또한, 마이크로파가 전달되는 경로에 3스텁튜너가 필요로 하지 않고 정합할 수 있도록 장치를 구성하는 경우에 마이크로파 응용장치가 훨씬 간소화될 수 있다. 또한 스텁튜너 혹은 동축튜너를 사용하지 않고 튜너 대용으로 상기한 바와 같은 경박단소화된 플라즈셀과 일체화된 플런저(plunger)를 사용하거나 주파수를 변조하는 방법으로 이를 애플리케터와 융합하여 임피던스 정합하여 사용하는 경우에 마이크로파 장비를 훨씬 더 소형화하여 사용할 수 있다. 본 출원발명에서는 이러한 주파수 변조에 의한 정합방식과 플런저와 일체회되어 구성된 기체분해용 플라즈마셀 애플리케이터 방식과 장치를 모두 포함한다.

[반도체 방식의 마이크로파에 의한 기체분해용 플라즈마셀 장치]

종래의 마이크로파를 발진하는 마그네크론을 사용하는 방법 대신에 근래에는 반도체를 이용하여 마이크로파를 발진하는 것이 가능하다. 이를 반도체 마이크로파 (Solid-State Micro-Wave : SSMW) 라고 한다. 이 때 사용하는 반도체는 실리콘 기반의 횡확산금속산화물반도체 [Laterally Diffused Metal Oxide Semiconducotor LDMOS] 전계효과(電界效果) 트랜지스터 (Field-Effective Transistor ; FET ) 이다. 혹은 SiC 혹은 GaN 기판에 만들어진 전력반도체를 이용하여 초고주파를 발진시키기도 한다.

현재는 500와트(Watt) 정도의 출력을 구현할 수 있는 단일 전력반도체 칩을 사용하여 저전력 초고주파 전력공급기(파워)가 생산되고 있다. 출력단 커넥터에 동축케이블을 연결하여 사용하는 방식이어서 현재는 주로 500Watt 이하의 저전력 영역에서 적용된다. 통상적으로 반도체 방식의 초고주파 발생의 경우 300~500W 이하의 저전력에서는 동축케이블(도 5 참조)를 사용하지만, 300~500W 이상의 고출력의 경우에는 동축케이블 적용이 어렵고 도파관 형태로 전환하여 마이크로파를 출력해야 한다.

반도체 방식의 초고주파용 고전력 파워를 만드는 방법으로 상기한 단일 저전력 초고주파 파워를 복수개를 사용하여 모듈화하고 이렇게 구성된 모듈을 복수개 합쳐서 냉각기능과 함께 1~2Kw 고전력 파워를 구성한다. 이 모듈을 합쳐서(예를 들면, 2셋트정도) 냉각이 되는 박스에 배치하여 더 큰 파워를 구성한 후, 이를 정규 규격크기의 랙(Rack) 에 넣어서 사용자가 원하는 반도체 방식의 고초주파 고전력장치을 공급한다.

현재 반도체 방식의 초고주파 파워(전력공급기)는 2450MHz 영역에서는 10Kw 까지 생산이 가능하고, 915MHz의 경우에는 10KW ~ 100Kw 까지 생산이 가능하다. 추후에는 상기한 방법들을 더 결합하여 더 큰 용량의 전력공급기의 생산도 가능하다.

고전력의 경우에 사용할 수 없는 동축케이블의 문제는 각 반도체에서 나오는 초고주파를 동축봉과 1차 결합기(Mixer 혹은 Combiner )등을 사용하여 합쳐서 모듈화하고, 최종단에서는 상기 모듈에서 나오는 초고주파를 2차결합기에서 합쳐서 종단에서는 최종 고출력 초고주파를 도파관 타입으로 발진하도록 한다. 반도체 방식의 경우, 마그네트론보다 상대적으로 수명이 길어 매우 오랜시간 사용할 수 있고 주파수를 가변할 수 있는 큰 장점이 있다.

상기한 방식으로 구성된 고전력은 다시 분배기(Splitter)등으로 분배하여 복수개의 기체분해 플라즈마셀 (플라즈마 응용장치)을 구동할 수 있다. 예를 들면 , 200Watt 구동전력이 필요한 기체분해셀 (기체분해 플라즈마셀)의 경우, 60Kw 반도체 (혹은 마그네트론) 방식의 전력공급기를 사용하면, 300개의 기체분해셀를 구동할 수 있다. 이경우에는 물론 스플리터와 복수개(즉 300여개)의 도파관-동축전환어댑터가 사용되던지 특수디자인된 스플리터에 복수개(즉 300여개)의 동축케이블이 물릴 수 있는 커넥터 단자가 구성되어 사용이 가능하다. 혹은 2Kw 반도체 전력공급기를 만들고 여기에 직접 10개의 동축커넥터 단자를 구성하여 동축케이블을 연결할 수 있다. 이러한 2Kw 반도체 전력공급기를 복수개(즉 30셋트)를 사용하면 복수개(즉 300개)의 기체분해용 플라즈마셀을 동시에 구동할 수 있다.

따라서 본 발명은 이러한 복수개의 반도체 마이크로파 전력공급기, (동축봉등)전송라인, 결합기, 분배기, 도파관-동축케이블전환어댑터, 초소형 기체분해 애플리케이터 등을 특징으로 하는 장치와 방법을 포함할 수 있다.

첨부된 도 12에 반도체 마이크로파 전력 공급기를 사용한 플라즈마 발생장치를 예시하였다. 반도체 마이크로파 발생장치는 기존에 사용한 마그네트론 대신에 반도체를 사용하여 마이크로파를 발진시키는 방식이다. 도12의 반도체 방식은 마그네트론과 도파관을 사용하는 방식인 도11이 간소화되었음을 보여 준다. 반도체 마이크로파 발생모듈은 직류전원의 공급이 필요하므로 전력공급기(121)에 공급된 교류입력 전원(231)을 직류로 변환하기 위하여 교류-직류전환 인버터(225). 인버터는 전력제어보드 (Control Board ; 221)와 반도체 마이크로파 발생모듈(223)에 전력을 공급한다. 또한 공급해야할 마이크로파 전력을 설정 및 제어하기 위하여 전력제어보드는 통신용 게이트웨이(Gateway ; 233)를 통하여 외부와 신호를 주고 받는다. 동작 시 반도체 마이크로파 모듈에서 정합이 제대로 이루어지지 않는 경우 반사파등이 발생하여 열이 생성되므로 이를 냉각하기 위하여 냉각수유입선(131)과 냉각수유출선(132)을 설치한다.

이러한 반도체소자를 이용한 마이크로파 발생장치는 다음과 같은 장점이 있다 (1) 1 ~ 최대허용출력 (예를 들면 최대 허용전력 = 500W 정도 크기임) 1W 단위로 정확한 전력조정이 가능하다. (2) 주파수는 고정주파수는 물론 사용이 가능하며, 2450MHz의 상하로 50MHz, 즉 2450MHZ 50MHz (2400 ~ 2500 MHz 범위)의 주파수 가변(변조 : variable frequency)이 가능하다. 물론 더 넓은 범위의 주파수 가변도 가능하다 (3) 마그네트론 방식보다 수명이 길다. (4) 전력공급기 내부에 소형의 아이솔레이터의 내재가 가능하며 반사파 발생하는 경우, 공급되는 파워의 즉각적인 자동감소와 중단을 통하여 발생장치 회로를 보호한다. (5) 부피가 작고 경량이다. (6) 입사파 전력과 반사파 전력 정확하게 측정이 가능하다. (7) (Ripple)이 적고 파워 전달효율성이 높다. (8) (대면적 혹은 고농도가 필요항 경우등) 복수 개의 애플리케이터가 필요한 산업적 응용의 경우 이를 간단히 달성할 수 있다. 예를 들어 대면적의 플라즈마가 필요한 경우, 복수개의 전력공급기와 복수개의 점형(Point) 혹은 선형 (Linear) 형태의 플라즈마 애플리케이터를 설치하여 원하는 목적을 달성할 수 있다.

마그네트론을 사용하는 경우, 대면적 플라즈마 소스에 마그네트론을 직접 설치하거나 , 혹은 마그네트론을 원거리에 설치하는 경우, 도파관 스플리터와 복수개의 도파관를 사용해야 하므로 장치가 무거워지고 설치가 복잡하다. 도파관-동축전환어댑터를 사용하더라도, 이러한 어댑터가 복수개가 필요하는등 단점들이 존재한다. 반도체 방식의 경우에 상기한 단점들은 불식될 수 있다.

또한, 도 12에 예시된 바와 같이 반도체 초고주파 발진장치와 연결하여 동축임피던스 튜너(228)을 사용하여 튜닝정합하여 기체분해용 플라즈마셀을 사용할 수 있다.

[동축임피던스 튜너를 이용한 튜닝방식을 이용하는 경우]

본 발명에서는 동축임피던스 튜너의 한가지 방법으로 전송선로 (트랜스미션-라인 transmission line)을 구성하는 2개의 동축봉 사이를 스텁이 움직이며 임피던스가 최소화 되는 위치를 찾는 방법을 개시한다. 전송선로의 형상은 2개 이상의 도체로 구성되는데, 2개의 도체가 유전체에 의해 격리 되어 있는 구조이다. 에너지 전달 방식은 2개 도체에 흐르는 왕복 전류/전압 파동 형태로 에너지가 전달된다. 물론 동축튜너 방법과 장치는 상기한 전송선로 방식에 국한하지 않는다. 상기 전송선로 상에 움직이는 스텁은 수동 혹은 자동으로 조정이 가능하다. 자동으로 조작하는 경우, 스텁의 위치를 조정하며 양방향 결합기를 통하여 반사파 혹은 임피던스를 측정하고 이를 피드백하여 그 측정치가 셋팅된 값을 초과하는 경우 스텁위치를 재조정하여, 임피던스를 최소화할 수 있는 최적화점을 추적해 들어간다.

처음부터 미세구간을 나누는 경우, 튜닝시간이 오래 걸릴 수 있으므로, 전체구간을 복수개의 1차 구간으로 나누고 (예를 들어 I개) 위치 조정하여 이동후 1차 최저구간을 찾고 이 구간을 다시 2차구간으로(예를 들어 J개) 나누어 찾아 들어간다. 더 미세하게는 동일한 방법으로 3차 구간범위 내로 구분하여 임피던스 최저점을 찾을 수 있다. 이를 '위치분할추적 정합법' (Multi-Position-Division-Search Tuning Method : MPDS TM 이라 한다).

도 6과 도 7에 예시된 플런저 플레이트를 이동하여 튜닝정합 경우에도, 플레이트의 위치를 수동 혹은 자동으로 조정할 수 있다. 모터등을 장착하여 자동으로 플런저 플레이트의 위치를 조정하는 경우, 상기한 동축튜너의 정합방법과 유사한 '위치분할추적 정합법' 을 사용하여 반사파나 임피던스를 측정한 후 메인컨트롤장치에 피드백하여 플레이트의 위치를 재조정하여 반사파를 최소화하는 경로를 추적하여 최적위치를 결정한다.

전자기파의 영역은 진동수에 의해 임의로 구분되어지는데 진동수는 1초 동안 파동이 진동하는 횟수이다. 진동수의 단위는 Hz로 나타내며 1Hz는 1초에 파동이 1번 진동한 것을 나타낸다. 마이크로파는 주파수(진동수) 300MHz~300 GHz, 파장으로 보면 1mm ~ 1m인 전자기파의 한 영역을 말한다. 진동수(f), 파장(λ), 빛의 속도(c)의 관계는 다음과 같다.

λ = c / f

즉, 파장이 짧을수록 진동수가 크고 파장이 긴 전자기파는 진동수가 작다.

임피던스 매칭을 위한 전송(tansmission) 길이 Li 는 다음과 같다.

Li = λ / 4

상기한 전송길이에 의해서 마이크로파 전달 어댑터를 제작한다. 마이크로파를 발진하여 에너지를 전달할 때, 임피던스의 부정합으로 반사파가 증가할 수 있다. 이렇게 반사파가 발생하는 경우에, 위하여 반도체 마이크로파 (SSMW) 방식의 경우에는 반도체소자의 발진 주파수를 일부 범위에서 변화시킬 수 있기 때문에 이러한 주파수 변조방법을 이용하여 임피던스 정합을 하고 한 단계 더 나아가 공진주파수를 탐지 및 셋팅 튜닝하여 캐비티 내에 공진모드로 에너지 전달을 극대화 할 수 있다.

[주파수 가변에 의한 정합방법과 정합알고리즘]

ISM 허용된 초고주파 주파수는 2450MHz (혹은 915, 433 MHz) 이므로, 마그네트론 발진 방식은 상기 주파수를 고정하여 사용한다. 반도체 발진 초고주파를 사용한다면 주파수를 가변할 (예를 들면 2400 ~ 2500 MHz 범위) 수 있다. 여기서는 2450 MHz 주파수 대역을 예를 들어 설명한다.

플런저 플레이트의 위치를 반사파를 최소화하는 적절한 높이에 위치시킨다. 그 후에 주파수를 0.1 ~ 1 MHz 범위 내에서 미세 조정하면서 반사파를 측정하고 이를 기반으로 비교 분석하여 미세튜닝 조정한다.

본 발명에서는 초기부터 미세 주파수 범위내에서 튜닝하면 시간이 많이 걸리므로 주파수를 큰 구간, (큰구간을 분할하여) 작은구간으로 나누는 그룹핑 탐색 (Grouping Serach) 알고리즘을 개시한다. 반사파는 방향성 결합기 (Bi-Directional Coupler)와 파워미터를 사용하여 측정한다.

상기 주파수 그룹핑탐색 방법은 초기에는 주파수전체영역 (bandwidth)을 주파수영역폭1로 나누어 스캔하며 반사파를 측정한다. (예를들면 2400 ~ 2500MHz, bandwidth 100MH를 주파수영역1인 10MHz로 스캔) 그룹1의 각 주파수영역별로 반사파를 측정하여 반사파가 최소화 될 수 있는 영역1을 탐색한다. 이 그룹1의 반사파가 최소화 되는 영역1이 검지되면, 이후에 주파수폭2를 이전 주파수폭1의 1/n 로 (예를 들면 1/10인 1MHz)로 축소하여 탐색한다. 이때 검지된 영역이 그룹2가 된다. 2차 탐색후 주파수영역2 범위가 검지되면, 이 주파수영역2를 1/m 축소 하여 주파수폭3로 (예를 들면 주파수영역2의 1/10인 0.1MHz) 탐색하여 최적 주파수를 찾아 낸다 (이 검지된 영역이 그룹3가 된다).

실시예로, 주파수영역1, 주파수영역2, 주파수영역3을 각각 10MHz, 1MHz, 0.1MHz 단위로 셋팅하여 짧은 시간에 반사파를 최소화하는 최적경로를 찾아 들어간다. 이를 '주파수분할 그룹핑 추적 정합법' (Frequency-Division-Gruoping Search Tuning Method : FDGS TM 이라 한다).

이미 플런저 플레이트 이동방식으로 어느 정도 반사파를 감소시키는 정합위치를 결정하였으므로 이 '주파수분할 그룹핑'탐색방법으로 더욱 더 미세 정합위치의 탐색이 가능하다. 따라서 반도체 초고주파 발진의 경우에는, 스텁 튜너나 동축튜너를 사용하지 않고도 미세 튜닝정합이 가능하다.

기체분해 플라즈마셀장치가 튜닝이 되지 않는 경우 즉, 동축튜너 혹은 플런저 플레이트의 튜닝방식에 의하여 정합이 되지 않는 경우에 상기한 주파수 그룹핑 탐색 방법으로 반사파 최저점 색출이 빠른 시간 내에 가능함으로써 주파수 가변에 의하여 미세 튜닝정합이 가능하다.

본 출원발명은 상기한 모든 튜닝정합의 선택적 혹은 병합적 방법과 장치를 포함한다.

따라서 본 발명에서는 기체분해용 플라즈마 셀장치가 임피던스가 매칭이 안되거나 Li가 맞지 않아서 부정합이 되는 경우에 주파수를 조절 및 튜닝하는 알고리즘에 의하여 반사파를 최소화 하는 것을 추가적인 특징으로 한다.

상기한 내용을 종합하면 기체분해셀장치의 플런저 플레이트 이동에 의한 정합방식 (도 6, 도 7), 주파수 변조하여 정합하는 방식, 동축임피던스 튜너(228)를 사용한 튜닝방식을 선택적으로 결합 혹은 개별적으로 사용하여 튜닝정합하여 사용하는 것이 가능하며, 본 출원발명에서는 이러한 모든 경우를 포함한다(도 12 참조). 혹시 중간에 도파관을 사용해야만 하는 경우에는 3-스텁튜너를 사용하는 방법을 포함한다.

플런저와 스텁튜너를 개별적으로 혹은 병합하여 사용하였는데도 튜닝정합이 되지 않는 경우에, 반도체 초고주파 발진 방식에는 주파수 변조를 통하여 각 정합방식과 병합하여 정합할 수 있다. 예를 들면, 1차 플런저 튜닝 , 2차 동축튜너(혹은 3스텁튜너) 튜닝 , 3차 주파수 변조튜닝 하는 방식이다. 플런저 플레이트 이동에 의한 튜닝과 동축튜너는 유사한 정합방식으므로 2개의 방식 중에 하나를 사용하는 것으로 충분하다. 본 발명에서는 플런저가 플라즈마발생장치와 일체화 되어 있으므로 상기 플런저튜너를 사용하는 것이 우선이며, 플런저로 정합이 충분한 경우 동축튜너는 사용할 필요성이 없다. 반도체 발진 초고주파의 경우에는 주파수 가변을 이용한 미세 튜닝정합이 유용하게 활용된다.

플라즈마 발생 분야 이외에도 추가로 (연소등) 아울러 특별한 공정과 재료처리의 경우에 특정 초고주파 모드 (TM모드등) 정합이 필요한 경우에는 이의 구현을 위한 주파수 가변이 필수적이며, 본 발명은 이 방법도 포함한다.

[기체분해용 플라즈마셀 장치에 대한 보충설명]

(마그네트론 혹은 반도체를 사용하여 초고주파 발진하기 위한) 전력공급기와 기체분해 플라즈마셀 장치 (애플리케이터)와 연결하는 방법에 대한 구체적인 설명

1개의 전력공급기에 1개의 기체발생 플라즈마셀장치 (애플리케이터)를 연결한 예시도는 도 11과 도 12에 예시되어 있다. 마그네트론 발진 초고주파 발생장치를 이용한 기체발생(플라즈마)셀 장치는 도 11a에 예시하고, 도 11b는 상기 플라즈마셀장치의 구조를 예시하였다.

도 12는 반도체 방식의 전력공급기에서 발진된 초고주파에 의한 소형 기체분해 플라즈마셀장치(애플리케이터)의 응용예를 예시하고, 도12b는 상기 플라즈마셀장치의 구조를 자세히 예시하였다.

상기 기체분해 플라즈마셀의 플런저는 플라즈마셀 장치와 한몸체 로 구성되며 (도 6과 도 7에 참조), 기존의 플런저(도 1과 도 2)와는 다른 형태이다.

마그네트론 발진방식에 대하여 플라즈마 애플리케이터인 기체분해 플라즈마셀장치를 보다 자세히 도식화하여 구체적으로 예시하면 도 11와 같다.

마그네트론에 의하여 전달된 초고주파는 도파관-동축전환어댑터를 통하여 동축봉 형태로 전환된 후 애플리케이터의 동축봉과 안테나에 전달되고 이 에너지가 유전체관의 기체에 전달되어 플라즈마를 발생하고 기체분해를 하여 반응성 라디칼을 발생한다. 기체관은 실링어댑터가 있어 분해된 라디칼기체가 외부로 방출되지 않도록 하며, 혹 진공이 필요한 경우, 구성품 요소들 모두 진공실링을 하며 진공펌프를 사용하여 장치내를 진공상태로 유지한다. 또한 유전체관을 통하여 초고주파가 누설되면 않되므로 실링 어댑터는 금속물질/성분이 표면에 함께 구성되어 (금속성분이 함유되거나, 코팅되거나, 부착되는등) 초고주파 누설을 방지한다. 반도체 발진 초고주파의 경우는 도 11에서 도파관, 동축전환어댑터, 마그네트론, 도파관타입 아이솔레이터/3스텁튜너등이 불필요하게 되며 이를 도 12에 예시한 바 있다. 반도체 전력공급기에서 동축케이블을 사용하여 플라즈마셀장치의 동축커넥터로 직접 연결되며, 이는 바로 플라즈마 애플리케이터 내부의 동축봉을 통하여 안테나에 연결되어 초고주파를 전달한다.

[초고주파 플라즈마셀장치의 모드(mode) 전환을 위한 플라즈마셀 장치 변환]

전파는 도파관 (導波管, Waveguide ) 이라고 하는 금속으로 된 관을 통하여 전송될 수 있다. 3GHz 이하에서는 동축선로를 사용해도 큰 문제는 없지만, 3GHz 이상이 되면 전송손실이 증가하고 전송전력이 적어지는 결점으로 인하여 마이크로파 전송선로로는 부적절하다.

도파관은 동축선로의 중심도체를 제거한 것과 같고 내부에는 공기 (혹은 진공)만 존재하고 손실의 원인인 중심도체와 유전체가 없으므로 마이크로파에 대하여 동축선로보다 감쇠가 적다.

직사각형의 도파관은 구형(矩形) 도파관 (導波管) 이라하며, 도파관에서는 중심도체가 없기 ??문에 전파방법이 동축선로와 다르다. 동축선로에서는 중심도체를 따라서 전파되고, 도파관에서는 관벽을 반사하면서 전파된다. 따라서, 전파의 진행거리가 길게 되어 같은 거리라 할지라도 전파시간은 도파관 외벽에서보다 내부에서가 더 걸린다. 관벽반사로 인하여 전계 또는 자계 중 어느 하나는 진행방향에 존재하게 된다.

모드(mode)란 것은,　어떤 구조물에서 특정 주파수의 에너지가 집중되는 형태를 의미한다. 도파관이나 전송선로의 경우 (특정 주파수대역의) 전자파가 진행하는 형태를 의미하며 이를 전파모드 (Propagation Mode)라고 한다. 공진기에서의 모드라면 공진주파수와 그 공진형태를 의미하는 것으로 공진 모드(Resonant Mode)라 한다. 특히 공진 모드는 공간적으로 한정된 영역에서 에너지가 집중된다. 이 공진모드가 고밀도 플라즈마 발생 및 유지를 위하여 매우 중요한 역할을 한다.

이것은 구조특성에 따라 에너지가 특정 주파수에 집중되는 현상과 관련있다. 여기서 중요한 것은 mode는 결국 구조물의 형태에 의해 결정되는 것이라는 점이며, 따라서 사용자가 특정 mode를 사용하기 위해서는, 그 mode에 원하는 주파수에너지가 수렴되도록 구조를 설계해야 한다.

고주파의 전파모드 (propagation mode)에는 크게 TEM, TE, TM 의 3가지 정도가 사용되며, 이것은 전자기파가 진행하는 방향과 E(전기장), H(자기장) field의 수직여부에 따라 결정된다.

TEM　(Transverse ElectroMagnetic) 은 진행방향과 E field, H field가 수직인 경우이며, Transmission Line의 모드로서, Microstrip, Stripline, Coaxial line, Coplanar Waveguide, Parrarel Plate 등이 이에 해당한다. 두 개의 금속이 일정한 방향으로 평행하게 진행하기 때문에 진행방향에 E field와 H field가 동시에 수직으로 존재할 수 있다.

진행방향에 자계가 존재하면 TE파라고 하고, 전계가 존재하면 TM파라고 한다. 즉, TE　(Transverse Electric)은 진행방향에 E field만 수직인 경우이고, TM　(Transverse Magnetic) 은 진행방향에 H field만 수직인 경우이다. 일반적인 금속 도파관의 경우 형성되는 모드이며, transmission line과 달리 하나의 금속관 내에서 평면파의 특정 field 성분의 bounce효과가 일어나기 때문에, E field나 H field중 어느 한쪽은 진행방향에 수직일 수가 없다. 이러한 도파관의 TE, TM 모드는 구조특성에 따라 자동적으로 결정되는 것으로서, 전자기파는 E field 혹은 H field 중 한가지만 진행방향에 수직될 수밖에 없다.

특정한 모드를 사용하기 위해서는 도파관의 크기를 그에 맞게 결정하게 된다. 또한, 도파관을 관통하는 전자파는 TE, TM파 두가지만 있는 것이 아니고 , 여러 종류의 모드가 있으므로 첨자를 붙여서 TEmn, TMmn 모드로 나타낸다. 하첨자 mn등은 order(차수)를 의미하는 계수로서 Wavenumber(파수)와 관련이 있다. 전자파는 전압이 +와 -로 교차되는 반파장 단위로 공진특성이 가장 강한데, 하나의 단위진행 경로당 몇 개의 반파장이 있는가에 대한 수치를 의미한다.

본 발명에서는 도파관에서 전달된 TE모드의 초고주파를 기체 분해용 플라즈마셀장치 내에 공진캐비티(resonant cavity)를 구성하기 위하여 도6와 도7에 예시된 형태를 좀 더 개선 및 변형하여 개시한다. 특정 캐비티 내에서는 특정 초고주파 모드가 형성되어 캐비티 내에 공진이 되어 급격한 에너지 전달이 가능하여 고밀도의 플라즈마가 형성되거나 급격한 온도 상승이 일어난다. 도6에 예시된 구조에서는 유전체관에 기체가 유입되고, 플라즈마에 의하여 분해된 후 원기체분자와 라디칼종등 여러종류의 기체가 유출되어야 하므로 유전체관 양단이 뚤려 있고 따라서 캐비티 형성이 완전하게 되지 않는다. 따라서 본 발명에서는 기체의 유입과 유출흐름을 유지하면서 캐비티 형성하는 방법을 개시한다.

공진캐비티를 구성하기 위하여 초고주파는 금속을 통과하지 못하는 특성을 이용하여 애플리케이터 몸체 캐비티의 좌측부와 우측부에 금속판을 설치한다. 그러나 이러한 금속판은 기체가 유입되거나 유출되어야 하므로 특정구조를 설계하여야 하며, 그 내용을 설명하면 다음과 같다.

도 6의 애플리케이터 몸체 좌측부 기체가 유출되는 부분에서는 도 22와 같은 금속판 부분을 만들어 설치한다. 중간에 구멍이 뚤린 금속판을 ('구멍금속판' 이라 명칭함) 삽입하여 공진캐비티를 형성하고, 플라즈마 존에서 생성된 라디칼이 금속판의 구멍을 통하여 유출되어 다운스트림 영역의 반응기 등에 전달되어 필요한 공정이 수행이 된다. 이때 금속판은 라디칼의 재결합상수가 (recombination coefficient) 가 적은 금속재질을 사용한다. T_L은 금속판의 두께이며 재결합율이 낮아 지도록 금속판 두께를 얇게 한다. 금속판에는 복수개의 구멍을 뚤어 라디칼이 금속판과 충돌없이 통과가 잘되도록 한다 (도22b). 구멍의 직경 D_lh 는 Lamda/4 보다 작게 한다. 상기 금속판은 제 L-2튜브관은 유전체 관이므로 상기 구멍금속판과 경접(brazing)하여 사용한다. 제 L-2튜브관의 좌측끝은 캐비티몸체(140)의 좌측단과 일치하여 유전체관이 캐비티 몸체의 외부로 노출되어 초고주파가 방출되지 않도록 한다. 제 L-1튜브관은 유전체관 혹은 금속관을 사용하나, 이 부분은 라디칼이 재결합되지 않도록 재결합상수가 작은 재료를 사용한다. 제 L-1튜브관에 유전체관을 사용하는 경우 이 부분도 상기한 바와 같이 경접처리를 한다. 제 L-1튜브관에 금속관을 사용하는 경우 구멍금속판의 좌측부분을 규격사이즈의 튜브관 형태로 제작하여 핏팅으로 (Swagelock 혹은 Cajoun fitting)으로 체결하여 사용한다.

상기한 경접처리한 구멍금속판을 설치하여 캐비티를 형성하는 방법 이외의 방법으로 양단에 유전체 관들이 (즉, 제L-1튜브관 및 제L-2튜브관) 연결되도록 오링어탭터를 설치한다. 즉, 도14에서는 한쪽만 유전체관이 연결될 수 있도록 실링핏팅을 사용하는 방식을 보여 주고 있는데, 이 경우에는 양측에 유전체관이 연결될 수 있도록 하는 양단 실링오링어댑터를 사용한다. 그리고 상기 오링어댑터 중심부에 홈을 만들어 구멍금속판이 설치될 수 있도록 하여 활성화된 기체과 흐를 수 있도록 한다.

또 다른 방법으로 구멍이 뚤린 금속판과 경접금속부분을 조립식으로 설치하고 경접부 상단부에 중심축을 넣고, 상기 중심축은 오링으로 실링되며 이 중십축에 구멍금속판을 연결하고, 이 금속판이 회전이 될 수 있도록 구성하여 설치한다. 상기 중심축이 회전되면 구이에 열견된 구멍금속판이 회전되어 일종의 버터플라이 밸브의 판이 회전되는 방식과 유사하게 구성을 할 수가 있다 (미도시). 이의 설치가 원활하게 되게 하기 위하여 제L-1튜브관 및 제L-2튜브관에 플랜지를 구성하고 그 사이에 상기한 바와 같이 구멍금속판을 설치하면 조립과 해체가 보다 원할하게 구성할 수 있다. 상기 방법들은 구멍금속판을 설치하는 다양한 방법중의 하나를 예시한 것으로 본 출원은 상기 예시들에 국한되지 않는다.

캐비티몸체(140)의 우측단에도 공진캐비티를 구성하기 위하여 상기한 바와 같이 구멍금속판을 설치하는 것이 좋다. 도22a와 같이 구멍금속판을 구성하고 동시에 도6의 플런저 플레이트가 움직이는 구조로 형성하는 것은 불가능한 것은 아니나 어려운 부분이 내재한다. 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 상기 구멍금속판이 플런저 플레이트가 되어서 움직이는 방법을 개시한다. 바깥쪽의 유전체관은 오링실링 어댑터로 실링을 하고 (도 14참조), 유전체관 내부의 구멍금속판의 외경보다 작은 이송용 금속봉 혹은 금속관을 구멍금속판에 연결하여 이를 유전체관 안에서 이동하도록 한다(도 23a). 금속판과 유전체관 사이는 간극이 작도록 하고, 금속판이 유전체관내에 이동이 가능하도록 한다. 캐비티 몸체(140)와 유전체관과 상기 유전체관 실링어댑터를 플랜지와 벨로우즈관으로 구성된 이송장치에 설치한 후 벨로우즈가 용접되어 있는 플랜지에 체결된 플랜지에 상기 구멍금속판의 지지관을 설치한 후 이를 벨로우즈 옆에 구성된 스크류탭을 회전하여서 직선운동을 하도록 한다. 이러한 방법으로 유전체관 내부에서 구멍금속판을 이송할 수 있다. 기체는 상기 플랜지로 유입되어 금속판과 연결된 금속관의 옆면으로 나와서 구멍금속판의 구멍들을 통하여 유전체관으로 유입된다(도 23a, 도 23b). 혹은 금속판을 구멍이 없는 금속판을 사용하고 이 금속판을 관통하는 금속관을 통하여 기체를 공급할 수 있다 (도23c). 상기 기체공급관의 내경은 Lamda/4 보다 작도록 한다. 이때 상기 금속관은 이송장치의 플랜지에 고정이 되어 벨로우즈 플랜지에 체결된 플랜지에 고정이 되어 벨로우즈 주름관 안에서 직선운동을 한다.

상기한 방법으로 플라즈마셀장치의 우측에 금속판을 설치하여 공진캐비티를 형성하고 이 금속판을 움직여 플런저 역할을 하도록 하고, 동시에 기체 유입이 가능하도록 한다.

상기한 금속판 이송방법으로 공진캐비티 내에 전술한 '위치분할추적 정합법'을 사용하여 튜닝정합이 될 것으로 보인다. 미세 튜닝이 않되는 경우, 플런저에 의한 정합방식과 더불어 전술한 주파수변조 튜닝방법 (예를 들면 상기한 '주파수분할 그룹핑 추적 정합법 ') 혹은 동축튜너에 의한 튜닝방법(예를들면 상기한 '위치분할추적 정합법') 을 선택적으로 결합하는 방법으로 튜닝정합하여 고밀도 플라즈마를 발생하여 사용이 가능하다.

캐비티가 형성되지 않은 플라즈마 장치나 반응기 장치의 구조에서는 공진현상이 미진할 수 있으므로 이 경우에는 (플런저 판의 위치 조정과) 주파수 가변을 통하여 반사잔력을 최소화하는 방법을 실행한다. 반면에 플라즈마 장치가 캐비티 구조를 형성하는 경우에서는 공진주파수를 탐지 및 튜닝정합하여 최고밀도의 플라즈마 발생을 하도록 한다.

상기한 캐비티 형성 후에 임피던스를 최소화와 동시에 공진하는 경우 고밀도의 플라즈마 형성의 가능하다. 플라즈마내의 전자의 밀도와 온도가 증가하면 증가할수록 라디칼의 농도는 비선형적으로 증가한다. 라디칼생성을 위한 해리속도상수 Kd = Kdo * exp(-Ed/kTe) * Ne * N 이다. 여기서 Te과 Ne는 각각 전자의 온도와 농도이며 N 라디칼을 생성하는 모분자의 농도이다. 예를 들면, 산소원자가 라디칼인 경우 N은 산소분자의 농도이다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 추가로 캐비티 몸체의 양단에 금속판을 설치하여 공진 캐비티를 형성하고, 초고주파의 모드를 특정모드로 전환한 후, (기체분해장치의 한쪽 판이 움직이는) 플런저, 스텁튜너, 혹은 주파수가변 정합방법들을 개별 혹은 선택적 결합에 의하여 튜닝정합을 함으로써 고밀도 플라즈마가 발생하는 것을 포함한다. 나아가서 주파수 가변이 가능한 반도체방식의 초고주파의 경우 주파수가변에 의하여 최고의 Q팩터를 도출하는 공진주파수를 정확하게 찾아 맞춤음으로써 고밀도 플라즈마의 농도와 온도를 극대화하는 방법을 포함한다. 본 발명은 ISM에서 허용된 2450 MHz, 915MHz, 433MHz 주파수를 모두 적용해서 사용하므로 상기 주파수를 모두 포함하나 이 주파수에만 국한되는 것은 아니다.

[Q-factor 를 최대화하는 공진주파수의 추적 및 공진주파수설정으로 인한 최적 고밀도 플라즈마 형성]

상기한 바와 같이 유전체 관의 양단에, 판을 설치함으로써 소형 플라즈마셀 의 원통형 내벽과 양단의 금속판에 의하여 공진할 수 있는 캐비티 구조를 형성하였다 (도 22, 도 23). 플라즈마셀 내벽의 형태는 원통형이 기본이나 이에 국한하지 않으며, 다양한 형태로 구성될 수 있다. 예를 들면 사각형, 타원형 혹은 타원 원통형의 형태등이다.

통상적으로, 초고주파는 도파관 구조에서는 TE 모드로 초고주파가 이동하다가 동축안테나를 통하여 모드가 전환된다. 캐비티 내부에서의 모드는 캐비티의 형상에 따라 결정이 된다.

이렇게 전달된 초고주파가 캐비티 구조에서 갖혀 있을 때, 공진하게 되는 경우가 있다. 이렇게 공진하는 경우에 이로한 캐비티 형성을 공진하는 캐비티(Resonating Cavity)라 하고, 이때의 주파수를 공진주파수라 한다.

공진은 구조물의 주기성과 신호의 주기성이 일치할 때, 그 주기에 해당되는 주파수의 에너지가 손실되지 않고 보존되는 (혹은 전달되는) 것을 말하는 물리적 현상이다. 그래서 이러한 공진현상을 이용하여 특정 주파수만을 선택하고 싶을 때, 그 대역폭만 손실없이 추출할 수 있도록 할 수 있다.

따라서, 도 22와 도 23의 구조물의 형상이나 부피등에 따라서 공진하는 주파수가 달라지는 데, 기존의 마그네트론 방식에서는 2450MHz주파수가 고정되어 있어서 주파수를 가변하는 것은 불가능하다. 물론 2450MHz 주파수에서 전달되는 전력이 어느 정도로 첨예하게 (Sharp Peak) 혹은 브로드하게 나오는지는 각 제조업체별 마그네트론의 캐비티 구조나 재료등에 따라서 달라진다. 따라서 마그네트론의 2450MHz 주파수에서 단일 첨예피크가 아니고 좌우로 일부 스프레드 되어서 전파되어 들어오고, 혹 공진주파수가 이 브로드한 영역내에 존재한다면 일시적으로 캐비티내에서 공진현상이 일어날 수 있다.

반면에, 반도체에 의한 초고주파 발진의 경우, 주파수의 가변이 가능하다. 예를 들면, 2400 ~ 2500 MHz 범위 즉 100MHz의 밴드위드스(and Width) 범위에서 주파수 변화가 가능하다. 이를 이용하여 공진주파수를 찾아내어서 맞추면 현재 설정된 캐비티 구조에서 캐비티를 공진하도록 할 수가 있으며 그 알고리즘을 다음과 같이 설명한다.

공진캐비티의 주파수를 추적(追跡) (trace)하기 위하여 Q팩터 (Q-factor : 양호도) 개념를 사용한다. 본 출원발명에서는 Q팩터의 최고점을 추적하는 방법으로 공진주파수를 찾아 찾아 내는 방법을 개시한다.

Q팩터(Qualiaty Factor)는 공진회로의 품질 를 나타내는 양으로 '품질계수'라고도 한다. 이값이 클수록 공진회로의 주파수에 대한 응답곡선이 뾰족해지고 주파수 선택성이 좋아진다. Q팩터는 부하가 있는 경우와 없는 경우가 있는데 , 부하가 있는 경우에는 외부회로의 (예를 들어 발생장치의 신호원의) 손실을 포함해야 한다. 반면 부하가 없는 경우에는 그렇지 않다. Q팩터는 다음식과 같다.

부하가 없는 경우 : Q = ω (총저장에너지) / (평균전력손실) =

= ω (W_E + W_M ) / P_L = 주기당 (저장된 에너지 / 소실된 에너지)

여기서 는 ω 각주파수 (=2πf) , W_E 는 전기장(에 저장된) 에너지, W_M 자기장(에 저장된) 에너지 , P_L 은 부하에 전달된 평균전력이다.

부하가 있는 경우 Q팩터를 부하 Q팩터 (Loaded Q Factor) 라고 하며 이는 다음과 같다.

부하가 있는 경우 : Q = ω (W_E + W_M ) / P_T

소모되는 전력은 P 는 P_T 즉, 부하뿐만 아니라 외부회로에서 소모되는 전력까지 포함된다. 공진상태에서는 W_E = W_M , 즉 전기장 에너지와 자기장의 에너지가 같아지며 임피던스는 허수부가 없는 실수부만 존재한다. 공진상태의 무부하Q팩터 Q₀ = 2 ω₀ (W_E ) / P_L =2 ω₀ (W_M) / P_L . 여기서 ω₀ 는 각주파수 2πf₀, 여기서 f₀는 공진주파수이다. 상기 방식이외에, 다른 여러가지 형태의 개념이나 정의등이 존재하는데 그중 널리 쓰이는 정의는 다음과 같다.

Q = f₀ / ( f₂ - f₁ ) = 1 / B_F

여기서 f₁가 f₂는 각각 상승시와 하락시 전력이 공진주파수 f₀에서 나타나는 최대값의 절반이 되는 주파수이다. B_F는 비대역폭 (非帶域幅 Fractional Bandwidth)으로서 수신기의 동조 회로에서, 통과 대역폭과 동조 회로의 공진 주파수의 비이다.

특정 회로에서 소모되는 전력은 전류I의 크기의 제곱에 비례하며, 전력은 상기 [I²]에 비례한다. 따라서 [I²] 를 전력 P 보고 이를 주파수를 변화하며 측정한다.

위에서 반사파 (Reflected Power) 전력의 최소화를 (즉 순방향 전력 Forward Power (FP)의 최대화) 찾아 내는 '주파수분할 그룹핑 추적 정합법' (Frequency-Division-Gruoping Search Tuning Method - FDGS TM 이라 명칭한다) 을 제시하였는데, 공진주파수를 찾는 방법은 이와 동일한 개념이다 반사파를 최소화하는 것이 임피던스에 흐르는 전류에 의한 전력 전달이 극대화 되는 점을 찾는 것이 동일한 개념이다.

ISM에서 허용된 초고주파 주파수는 2450MHz 이므로, 마그네트론 발진 방식은 상기 주파수를 고정하여 사용한다. 반도체 발진 초고주파를 사용한다면 주파수를 가변할 (예를 들면 2400 ~ 2500 MHz , 910 ~ 930 MHz범위) 수 있다.

전술한 바와 같이, 위치분할추적 튜닝 정합법을 사용하여 플런저 플레이트의 위치를 반사파를 어느 정도 감소시키는 적절한 높이에 위치시킨다.

그 후에 주파수를 Δf=10 ~ 0.01 MHz 범위 내에서 미세 조정하면서 전류 [I]를 측정한 후 전력 [I²] 를 산출한다. I 는 본 발명의 경우에 발생된 플라즈마 내의 전류이며, Langmuir Probe 등을 사용하여 측정이 가능하다.

혹은 순방향전력과 반사전력은 방향성 결합기 (Bi-Directional Coupler)와 파워미터를 사용하여 측정이 가능하다.

본 발명에서는 초기부터 미세 주파수 범위내에서 튜닝하면 시간이 많이 걸리므로 주파수를 큰 구간, (큰구간을 분할하여) 작은 구간으로 나누는 그룹핑 탐색 (Grouping Serach) 알고리즘을 개시한다. 예를 들어, 2400 ~ 2500 MHz,범위에서 주파수 변조가 가능하다면, 주파수가변 범위는 밴드위드스 = 100MHz이다. 주파수변화폭은 Δf=1 ~ 0.01 MHz으로 변화시키면서 순방향전력을 측정하며, 측정된 순방향 전력을 피드백하여 공진주파수 탐색 PC에 피드백한다.

초기부터 Δf = 0.01MHz 로 하면, 1만번의 주파수가변과 순방향전력 측정이 필요하다. 이러한 방법으로 시간 소모가 많이 되고 그에 따른 에너지 소모를 의미하므로, 다음과 같은 방법으로 문제를 해결한다.

상기 주파수 그룹핑탐색 방법은 초기에는 주파수전체영역 (bandwidth)을 주파수폭1 (=Δf₁)로 나누어 스캔하며 순방향전력을 측정한다 (예를들면 2400 ~ 2500MHz, bandwidth 100MH를 주파수폭1인 10MHz로 스캔) 그룹1의 각 주파수영역별로 순방향전력을 측정하여 이것이 최대화가 되는 최대 순방향전력 FP10의 영역1을 탐색한다. 이 그룹1의 순방향전력이 최대화 되는 주파수영역1-0 (즉 공진주파수 f_0i , i=1단계)_이 검지되면, 이 순방향전력이 1/2인 주파수영역1-1과 주파수영역1-2을 찾는다. 주파수1-1영역과 주파수1-2영역은 주파수영역1-0 중심으로 대칭구조에 있을 가능성이 높다. . 상기 주파수영역1-1과 주파수영역1-2 중에서 FP10/2에 보다 근접한 주파수 f11과 f21를 찾은 후 Q팩터 Q1를 산출한다 (즉, f_1i , f_2i , Qi = 여기서 i는 단계별로 찾아 들어가는 순서의 차수이다).

주파수폭2를 이전 주파수폭1(Δf₁)의 1/n (=주파수폭2 (Δf₂) )로 (예를들면 1/10인 1MHz)로 축소하여 상기 1차추적과정에서 찾아진 주파수영역1-0 범위 내에서 탐색한다. 이때 검지된 영역이 주파수영역2-0 (즉, 공진주파수 f_0i , i=2단계) 가 된다. 주파수영역2-0 범위가 찾아지고 여기서 최대 순방향전력 FP₂₀가 산출되면 이 전력의 1/2이 되는 값을 산출한다. 주파수영역1-1에서 1차 주파수폭의 1/n인 주파수폭2 (Δf₂) 로 탐색하여 상기 최대순방향전력 FP₂₀ 의 1/2 이 되는 주파수영역2-1을 찾는다. 상기와 유사한 방법으로 주파수영역2-2를 찾는다. 상기 주파수영역2-1과 주파수영역2-2 중에서 FP₂₀/2에 보다 근접한 값을 주는 주파수 f₁₂과 f₂₂를 찾은 후 Q팩터 Q2를 산출한다.

상기 주파수영역2-0을 1/m 축소하여 주파수폭3 (Δf₃)로 (예를 들면 주파수폭3 (Δf₃) 0.1MHz = 주파수폭2 (Δf₂)의 1/10 = 주파수폭1 (Δf₁)의 1/100) 탐색하여 최대의 순방향전력 FP₃₀를 주는 최적 주파수영역3-0 (즉, 공진주파수 f_0i , i=3단계)를 찾아 낸다 (이 검지된 영역이 그룹3가 된다). 이후, FP₃₀의 1/2이 되는 주파수 f13과 f23를 찾은 후 Q팩터 Q3를 산출한다.

실시예로, 주파수폭1, 주파수폭2, 주파수폭3을 각각 10MHz, 1MHz, 0.1MHz 단위로 셋팅하여 짧은 시간에 순방향전력을 최대화하는 최적경로를 찾아 들어간다. 유사한 방법으로 4단계인 주파수폭4 Δf₄ (예를 들면 0.01MHz) 으로 순방향전력 FP40를 주는 f04를 탐색한 후, FP41과 FP42를 결정할 수 있고 따라서 f14과 f24를 0.01MHz의 정확도로 탐색할 수 있다. 이에 의하여 Q팩터 Q4를 산출한다.

상기 방법을 사용하면 2400 ~ 2500 MHz, 100MHz 밴드위드스 영역을 주파수폭(Δf) 0.01 MHz 단위의 정확도로 추적하려면, 10,000번의 경로를 거쳐서 공진주파수 f0i (및 f1i와 f2i)를 찾아야 하지만 상기한 방법으로는 100번 이내의 방법으로 공진주파수f0i의 탐지가 가능하다. 상기 실시예에서, 최초 검색 주파수폭1 (Δf₁)을 10MHz 단위로 탐색을 하였다, 이를 1MHz단위로 탐색할 수 있다. 이는 초기 1차 검색탐지 시간이 조금 더 걸릴 것으로 생각된다.

상기한 공진주파수 탐색의 정확도는 초고주파를 발생하는 반도체칩에게 주파수 신호를 주는 드라이버 (driver 혹은 oscillator) 칩이 가변시킬 수 있는 주파수가변폭에 의하여 결정된다.

상기한 바와 같이 공진주파수를 찾는 방법을 '주파수분할 그룹핑 추적 정합법' (Frequency-Division-Gruoping Search Tuning Method : FDGS TM 이라 명칭한다)이라 한다. 정합하는 것에 국한 하는 것이 아니고 공진주파수를 추적하는 것이니 Tuning 을 ?慧? 것이 좋을 것으로 보여진다.

상기한 주파수 가변하면서 [I²]이나 Q팩터를 산출하여 공진주파수를 추적하는 방법에 추가하여, 주파수에 대한 [I²]와 Q팩터의 1차 미분치(derivative) (=d[I²]/df 및 dQ/df) 를 계산하여, 혹은 필요시에는 2차 미분치 (=d²[I²]/df² 및 d²Q/df²) 까지 계산하여, 공진주파수를 탐색하는 것이 가능하다. 즉 Q팩터의 최고점에서는 1차 미분값 (=d[I²]/df)이 0값으로서 양에서 음으로 변화하는 점이기 때문이며, 상기한 '주파수분할 그룹핑 추적 정합법'에 의하여 정확도가 높은 공진주파수 f_0i 의 탐지가 가능하다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 주파수를 가변하면서 방법에 의하여 공진주파수를 추적 및 탐지 결정하여 에너지 전달을 극대화 함으로서 최고밀도의 플라즈마를 형성하는 방법을 개시하였다.

상기한 주파수 변화에 따른 [I²]와 Q팩터(= (f₂-f₁)/f₀ ) 의 최고점을 주는 공진주파수를 결정하는 방법을 예시한 것이고 본 출원발명은 이 방법에 국한되지 않는다.

또한, 상기 공진주파수 추적법의 추적시작주파수는 가변주파수범위 내의 최저점 주파수에서 시작할 수도 있고 혹은 ISM에서 허용된 주파수 (2450MHz , 915MHz , 433MHz)를 시작점으로 하여 좌우 밴드위드스 폭 범위내에서 좌방향 혹은 우방향 를 탐지(트레이스) 한 후 Q팩터가 증가하지 않으면 반대방향으로 방향을 자꾸어 탐지하는 방법도 바람직하다. 공진주파수가 반도체 주파수 가변 범위 내 밖에 있을 수 있으므로 가능한 한 이 밴드위드스는 충분히 넓은 것이 좋다.

상기한 방법으로 공진주파수를 찾은 후 이에 주파수를 맞춰서 전력을 공급하면 모든 전력이 플라즈마의 발생으로 투입되어 Q팩터가 극대화된다. 이에 의하여 전달된 각 전력당 최고밀도의 플라즈마의 생성이 가능하다.

[복수개의 기체발생셀장치 애플리케이터의 응용]

초고주파를 발진한 후 분기하여 복수개의 기체발생셀장치 애플리케이터를 연결함으로써 복수개의 플라즈마를 동시에 발생하여 반응성 기체들을 발생할 수 있다. 이 반응성 기체들은 동종일 수도 이종일 수도 있다. 2기체를 분해하여 라디칼을 만들어 반응성을 높인 후 화학결합을 하는 경우, 이종 기체발생셀장치이며, 기체관 후미를 합지하여 합성을 유도한다. 대표적인 예로서, N2와 H2를 분해하여 NH3를 생성하는 반응이나 CH4와 H2O를 분해하여, CO와 H2등 합성가스를 생성하는 경우이다. 이에 대하여는 후술하도록 한다.

마그네트론에서 초고주파를 발진하는 방식에서는 마그네트론에서 발생된 초고주파를 전력공급기 -> 도파관 -> 도파관 스플리터 -> 도파관-동축케이블 전환어댑터 -> 동축케이블 -> 기체분해 애플리케이터 순서로 연결하여 복수개의 기체분해용 플라즈마셀장치 생성 및 연결이 가능하다. 도파관 서브스플리터를 복수개로 사용하는 경우, 사용할 수 있는 플라즈마셀의 수자를 급격하게 증가시킬 수 있다. 예를들면, 크로스 스플리터 ('CS' : Cross Splitter) 사용하는 경우, 'CS' (크로스 스플리터 ) 1개를 사용하여 분기하면 기체분해 플라즈마셀을 3개까지 연결이 가능하다. 이를 도 16에 예시한다.

'CS'(크로스 스플리터 ) 1개를 사용하고 여기에 , 그 아래단계에 3개의 서브1-'CS' 를 연결하면 총 9개를 연결할 수 있다. 이를 도 17에 예시한다. 여기서는 자동스텁튜너(115)는 복수개의 기체분해 플라즈마셀 장치들의 전체 집합된 것에 대하여 튜닝정합을 한다. 각각의 스플리터의 커넥터와 기체분해셀 장치 사이에 개별 스텁튜너를 위치시킬 수 있으며 이 경우에는 복수개의 스텁튜너가 필요하다 (도 17실시예에서는 9개). 그러나 각각의 기체분해셀 장치에 플런저가 있어 개별 튜닝정합을 하는 바, 각각 스텁튜너를 설치하는 것은 불필요하다. 각각의 플런저 정합장치에 더하여 전체 집합된 플라즈마셀장치들의 임피던스에 대하여 1개의 스텁튜너에 의한 정합기능을 하는 것을 예비적이고 추가적으로 구성되는 것이다.

또한, 1개의 'CS' 에 3개의 서브1-'CS'를 연결하고 각각의 서브1-'CS'최종단에 서브2-'CS'를 연결하면 총27개의 기체분해셀장치를 구성하여 설치할 수 있다. 이는 상기 9개의 경우의 도 17의 도면과 유사하고 위의 예로서 충분히 예측 가능하므로 도면은 생략한다.

각 'CS' 의 길이가 동일하다고 가정할 때, 각 분기된 동축커넥터에서 나오는 출력파워는 동일하다. 유사하게, 티 스플리터 ('TS' , Tee Splitter) 를 1단, 2단, 3단으로 연결하여 사용하는 경우, 각각 2개, 6개, 12개의 기체분해셀장치들로 확장이 가능하다.

또한, 상기한 종류의 스플리터를 사용하지 않고 도파관에 다중으로 수많은 복수개의 동축커넥터를 연결할 수 있는 다중 분배기 (divider)를 설치하고 상기 디바이더의 개별 커넥터들에 각 기체분해셀장치를 연결하면, 1개의 전력공급기로 수많은 복수개의 (n=1,2..., N) 플라즈마 기체분해셀장치를 가동하는 것이 가능하다. 상기 경우에 대하여 도 18에 실시도를 예시한다.

상기한 마그네트론을 사용하는 경우와 마찬가지로 반도체형 초고주파 발진의 경우에도 확장이 가능하다 (도 11과 도 12 참조). 다만, (반도체형) 초고주파 전력공급기에서 저전력 영역(300 ~ 500 watt 이하)에서 도파관 대신에 동축커넥터로 발진되므로, 전력공급기 -> 동축커넥터 -> 동축스플리터 -> 동축케이블 -> 기체분해 플라즈마셀 의 순으로 연결된다. 즉, 도파관 일부와 도파관-동축케이블 전환어댑터가 생략되므로 복수개의 기체분해셀장치를 훨씬 간편하게 설치하는 것이 가능하다 (도 12 참조). 즉, 도 12는 플라즈마셀이 1개인 경우에 대하여 예시를 한 것이다.

복수개인 경우에는, 예를 들어 1개의 동축'CS' (크로스 스플리터 : co-axial cross-splitter)을 사용하고 여기에 각각의 기체분해 플라즈마셀장치를 연결하면 3개를 연결할 수 있다 (도 19).

또한, 1개의 동축'CS'사용하고 상기한 각 동축'CS'의 끝단에 3개의 동축서브1-'CS' 를 연결하면 총 9개의 플라즈마셀장치를 연결할 수 있다. 이를 도 20에 예시한다.

또한, 1개의 동축'CS'를 사용하고 3개의 동축 서브1-'CS'를 연결하고 각각의 동축 서브1-'CS'최종단에 동축서브2-'CS'를 연결하면 총27개의 기체분해셀장치를 연결하여 설치할 수 있으며, 이에 대한 도면은 생략한다.

도파관 스플리터 대신에 동축봉 스플리터를 사용하므로 훨씬 간편해짐을 알 수 있다. 또한, 동축튜너와 동축플런저등도 간편하고 소형의 형태로 설치가 가능하다.

여러 개의 전력공급기와 이에 따른 도파관등의 부품등을 사용하는 경우, 장치가 중대해지고, 비용증가, 설치의 복잡함등이 발생하여, 플라즈마셀 (플라즈마 애플리케이터 혹은 플라즈마 소스)를 부분 집합하여 병렬 처리할 수 있다. 이를 도 21에 예시한다.

상기 예시도에서는 9개의 기체분해셀장치를 각 3개씩을 그룹화되어 크로스 스플리터에서 분기된 전력공급을 받아서 플라즈마를 발생시킬 수 있음을 알 수가 있다. 플라즈마셀을 몇 개씩 부분집합하여 묶어서 그룹화를 할 수 있다. 예를 들면, 각 개별 플라즈마셀을 3-3-3 개의 조합으로 묶을 수도 있고, 2-4-3 개 혹은, 2-5-2 개등의 조합으로 부분집합화 하여 묶은 후 각 그룹에 초고주파를 전력을 공급할 수 있다.

동축튜너(228)는 동축스플리터 전단부에 종합적으로 1개를 설치할 수 있고 동축스플리터에서 분기된 후 개별적으로 설치될 수도 있으며, 이 경우에는 부분집합된 플라즈마셀의 그룹수만큼 튜너가 설치된다. 이 경우에는 그만큼 설치가 더 복잡해지고 비용도 많이 들어간다. 상기 실시예의 경우에는 스플리터 후단에 설치한다면 , 9개의 플라즈마셀을 3개의 부분집합된 그룹으로 구성하였기 때문에 튜너는 3개가 설치된다. 플런저는 부분집합된 플라즈마셀의 수만큼 설치될 수 있으나, 본 발명의 경우에는 플런저는 플라즈마셀과 한 몸체로 구성되었으므로 플런저는 이미 포함되어 연결되어 있다. 플런저가 셀장치에 한몸체가 되어서 튜너 역할을 함으로 동축튜너는 생락할 수 있다. 상기 경우는 실시예를 생략하도록 한다.

필요한 경우에는 개별적인 플라즈마셀 전체를 1개이상의 서브그룹화된 (부집단화된) 복수개의 플라즈마셀 집단(그룹)으로 묶어서 초고주파 전달이 가능하다. 이는 각 플라즈마셀 별로 전력공급기와 그에 따른 필요한 부품들을 공급하는 경우 상대적으로 비용이 많이 들고 복잡해 지기 때문에, 한 개의 전력공급기와 스플리터등을 이용하여 수많은 복수개의 기체분해셀을 연결하여 사용함으로써 상기 문제를 해결할 수 있다,

중요한 산업분야에서 다양한 용도로 활성라디칼을 대면적으로 공급할 필요가 있는 데 상기한 복수개의 플라즈마셀을 사용하면 넓은 대면적에 활성라디칼을 균일하게 공급하는 것이 가능하다 예를 들면, . 300mm or 450mm의 웨이퍼나 매우 큰 크기의 LCD등 디스플레이 플라즈마 애셔의(plasma asher) 경우 이러한 대면적 라디칼의 공급이 필요하다. 여러 개의 플라즈마셀을 구성하여 설치하여 대면적화를 꾀할 수 있다 . 복수개의 플라즈마셀을 큰면적의 표면에 (예를 들면, 반도체나 LCD 장비의 장치뚜겅) 각각 설치하여 공급한다. 혹은 각 플라즈마셀에서 생성된 반응성 라디칼을 라디칼결합기를 통하여 합쳐서 더 큰 농도의 라디컬을 필요한 공정과 반응기에 전달할 수 있다. 라디칼 결합기는 개별 플라즈마셀의 유전체관보다 크기가 큰 유전체관을 사용하여 각 플라즈마셀로터 나오는 개별 라디칼을 결합기를 통하여 합친 후 , 사용하고자 하는 반응기 내로 한개의 포트로 연결하여 공급하고 반응기는 이를 받아서 라디칼 기체분배기 (Gas Distributor) 를 퉁하여 균일하게 분배하여 공급 할 수 있다. 라디칼 결합기와 (반응장치 내의) 라디칼 기체분배기는 발생된 라디칼이 재결합등에 의하여 쉽게 소멸되지 않는 형태의 재질을(예를 들면, 석영관이나 사파이어관) 사용한다.

전력공급기가 1개를 가지고 사용이면, 각 플라즈마셀에 동일한 전력이 공급되므로 각 플라즈마치에 전력을 개별로 제어하기가 어렵다. 이는 간접적으로 플라즈마셀의 그룹화를 통하여 조절할 수 있다. 예를 들면 기체분해셀1은 1개이고 기체분해셀2는 2개의 셀로 구성되었다면 스플리터를 통하여 동일한 전력이 공급이 된다면, 기체분해셀2의 각 셀은 기체분해셀1의 셀에 공급되는 전력의 1/2이 공급된다고 할 수 있다. 이러한 방법으로 원래는 개별 전력공급기를 사용하여 개별 전력을 인가하여 가능한 것을 1개의 전력공급기를 사용하여 다른 전력 공급이 가능하다.

다만, 스플리터에서 분기된 후에 전력제어기를 부수로 설치되어 이를 통하여 공급되는 전력의 일부만 전달될 수 있는 방법으로 전력제어를 하는 방법이 가능하다.

위에서 마그네트론 혹은 반도체에서 발진되는 초고주파를 스플리터를 통하여 분기하여 복수개의 기체분해용 플라즈마셀장치 (애플리케이터)를 구성하는 방법과 장치에 대하여 개시하였다. 상기한 방법대로, 사용자가 원하는 곳에 다양한 분야에 활용할 수 있는데, 이러한 용도로 예를 들면, 대면적 라디칼 공급, 복수개의 다양한 종류의 기체를 분해하여 공급, 반응기 여러 위치에 복수개의 셀장치를 설치하고 농도를 조절하여 공급하는 등 수많은 다양한 용도가 있다. 물론 본 출원발명은 상기 응용 실시예에 국한되지 않는다.

반도체형 초고주파 전력공급기는 전력공급기 자체도 소형화가 가능하고 (또한 도파관을 사용하지 않는 다는 장점이 있다) 상대적으로 전력공급기의 무게 문제를 해결할 수 있다. 전력공급기 비용이 크게 문제가 되지 않는다면, 각각의 개별적인 전력공급기를 각 애플리케이터나 서브애플리케이터 집단에 별도로 설치하여 각 애플리케이터에 공급되는 전력의 조절이 가능하다. 이는 전력 파워를 개별 애플리케이터에 자유롭고 적절하게 변경하여 인가함으로써 별도의 조절 변수 역할을 할 수 있으므로 최적 조건 도출에 보다 세밀하게 접근이 가능하다. 무엇보다도 반도체에 의한 초고주파는 주파수를 가변하여 해당 캐비티의 공진주파수를 탐색하여 이에 고정함으로써 초고주파의 에너지 전달을 극대화하고 따라서 최고밀도의 플라즈마 발생이 가능하다.

[다양한 기체분해플라즈마 장치의 실시예]

상기한 기체분해 플라즈마셀장치는 다양한 실시예가 존재할 수 있다.

도 16 ~도 21에서 예시한 초고주파 스플리터를 사용하지 않고도 복수개의 기체분해셀장치를 결합하여 한개의 캐비티 내에 넣고 플라즈마를 발생할 수 있다 (도 24a). 이 경우에 캐비티는 타원형 혹은 원통형2개를 대칭구조로 형성한 캐비티 형태를 사용한다. 이는 멀티모드의 가능성이 높은 사각형태의 캐비티보타 바람직하다. 각 기체분해셀장치의 안테나와 동축봉에 연결된 동축커넥터를 서로 병렬로 연결한 후 마그네트론 혹은 반도체로부터 발진된 초고주파를 이 병렬집합된 연결부위에 전달한다. 이는 도파관으로 전달된 초고주파를 동축봉을 통하여 전환한 후 커넥터를 통하여 상기 동축봉에 연결하는 방식 혹은 동축봉 (동축케이블) - 동축봉끼리 커낵터를 통하여 연결한다. 이렇게 하여 병렬집합된 플라즈마셀장치에서 나오는 라디칼종 혹은 여기종들은 각 기체유출관들을 각각의 원하는 위치에 배치하여 사용이 가능하다. 혹은 1개의 유전체관을 통하는 기체를 고전력의 초고주파로 분해하거나 여기화 한 후 이 유전체관을 소형으로 분기하여, 복수개의 기체관을 통하여 라디칼종이나 여기종의 전달이 가능하다.

복수개의 기체분해셀장치를 사용하는 경우, 상기한 스플리터와 더불어, 주파수 변조나 (동축) 플런저 튜닝 방식중의 어느 것을 선택하여 매칭하는 지 혹은 함께 결합하여 사용할 것인지는 마그네트론 발진 방식과 반도체형 발진방식인지에 따라서 결정이 된다.

본 발명에서는 이러한 서술한 다양한 변형예를 포함한다. 상기한 경우들은 동종 혹은 이종의 기체들을 분해하는 플라즈마 셀 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 상기한 바와 같이 다양하게 변형되거나 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 밝힌다. 또한, 상기한 각종 실시예들은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.

그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

111 : 마그네트론(Magnetron)
112 : 도파관 (Waveguie)
113 : 서큘레이터(Circulator)
115 : 3-스텁튜너 (3stub-tuner)
117 : 플라즈마 애플리케이터 (Plasma Applicator)
119 : 플런저 (Plunger) 혹은 슬라이딩숏써킷 (Sliding Short Circuit)
121 : 반도체 방식 마이크로파 전력공급기 (Microwave Power)
123 : 더미로드 (Dummy Load)
125 : 밴드도파관 (Bend Waveguide)
131 : 냉각라인 (Cooling Line)
132 : 냉각수유출선 , 134 : 공기 냉각선
151 : 동축케이블 (Co-Axial Cable) , 153 : 커넥터 (Connector)
155 : 동축케이블과 웨이브가이드 변환어댑터 (Co-Axial Transition Adaptor)
161 : [ 웨이퍼 (Wafer) 등] 기판 [서브스트레이트 (Substrate)]
165 : 냉각라인이 구비된 홀더 (Wafer Holder with Cooling Line)
171 : 플라즈마 (Plasma) , 173 : 안테나 (Antenna)
219 :오실레이터 신호발생장치
221 : 자동제어보드 (Control Board)
228 : 동축튜너
223 : 반도체 마이크로파 발생모듈
225 : 교류 -직류 전환 인버터
231 : 전원공급부
233 : 외부통신 게이트웨이(Gateway for External Communication)
140 : 몸체1 , 142 : 몸체2 , 144 : 몸체3 ,
178 : 유전체관
181 : 이송탭1장치 , 182 : 임피던스튜너 이송탭1놉
183 : 이송탭2장치 , 184 : 이송탭2놉 , 185 : 고정놉
186 : 고정용지지대 , 187 : 이송탭3놉
278 : 유전체관 , 290 : 경사진 도파관 (Tapered Waveguide)
292 기체유전체관 실링장치
294 : 유전체관 지지부 상부 , 296 : 유전체관 지지부 하부
300 : 기체유출부구멍이 뚤린 금속판 ,
310 : 유전체관1 , 312 : 유전체관2
320: 금속판 테두리부 , 322 : 금속-유전체 경접부
500 : 이동용구멍 금속판 , 510 : 금속튜브관
522, 524, 526 : 각 부위 연결용 플랜지
551 : 모토 혹은 손잡이 놉 , 552 ; 지지봉
554 : 스크류 , 556 : 주름과 (Bellows)
562 : 이송장치 지지대상판 , 562 : 이송장치 지지대 하판
570 : 튜브실링어댑터
700 : 플라즈마 응용장치
710 : 셀 하우징
711 : 챔버
712 : 케이블 설치포트
720 :: 금속판
721 관통공
730 : 앤드 플레이트
740 : 임피던스 튜너
741 : 플런저
742 : 제1 조절노브
750 : 스크류샤프트
751 : 제2 숫탭
752 : 비나사부
760 : 제2 조절노브
761 : 제3 암탭
762 : 고정홈
770 : 거치판
771 : 노브 거치 슬롯
772 : 고정노브
780 : 케이블 지지부재
790 : 유전체관
800 : 냉각수관

Claims (1)

1. 기체분해용 초고주파 플라즈마 응용장치(700)로서,
   내부에 챔버(711)를 가지며, 외주면 상에 케이블 설치포트(712)가 마련된 셀 하우징(710);
   상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 배치되며, 중앙에 관통공(721)이 마련된 금속판(720);
   상기 금속판(720)의 외향면에 밀착된 채, 상기 금속판과 함께 상기 셀 하우징(710)의 일측 말단에 체결되는 앤드 플레이트(730);
   상기 셀 하우징(710) 타측의 챔버 내부에 마련된 제1 암탭(713)에 치합되도록 외주면에 제1 숫탭(741a)이 마련되고, 내부의 길이방향을 따라 구멍(741b)이 마련되며, 상기 구멍 상에는 제2 암탭(741c)이 마련되고, 상기 금속판(720)과의 사이에 플라즈마 존(pz)이 마련되도록 하는 플런저(741)와; 상기 플런저의 외향측 말단에 마련된 채 상기 플런저를 회전 조작하여 상기 금속판(720)과의 사이 간격을 조절함으로써 플라즈마 존(pz)의 크기를 조절하는 제1 조절노브(742);로 이루어진 임피던스 튜너(740);
   상기 구멍(741b)을 관통하게 설치되되, 그 외주면에는 상기 제2 암탭(741c)과 치합되는 제2 숫탭(751)이 마련되며, 내향측 말단에는 상기 제2 숫탭에 비해 큰 외경의 비나사부(752)가 마련된 스크류샤프트(750);
   상기 스크류 샤프트(750)에 치합되도록 내부에 제3 암탭(761)이 마련되고, 외주면에는 고정홈(762)이 마련된 제2 조절노브(760);
   일측은 상기 셀 하우징(710)에 고정되고, 타측에는 상기 고정홈(762)에 체결되어 상기 제2 조절노브(760)의 회전조작을 제한하기 위한 고정노브(772)가 거치되는 노브 거치 슬롯(771)이 마련된 거치판(770);
   상기 셀 하우징(710)의 외주면 상측에 고정 설치되는 ㄱ자 형상의 프레임(781)과; 상기 프레임의 상면에 파이프 형태로 마련되어 그 내부를 통해 상기 케이블 설치포트(712)를 관통하는 동축 케이블(c)을 지지하는 케이블 지지체(782)와; 상기 케이블 설치포트(712)의 내주면에 마련되는 제4 암탭(712a)과 치합되도록 외주면에 제3 숫탭(783a)이 마련되고 내부에는 상기 동축 케이블(c)의 외주면에 마련된 제4 숫탭(c-1)이 치합되는 제5 암탭(783b)이 마련된 승강조절스크류(783)와; 상기 승강조절스크류의 상단에 마련되어 상기 승강조절스크류를 회전조작하기 위한 제3 조절노브(784);로 이루어진 케이블 지지부재(780);
   상기 관통공과 스크류샤프트와 각각 연통되게 연결되는 유전체관(790); 및
   상기 셀 하우징의 표면을 감싸도록 설치된 채, 냉각수에 의해 상기 플라즈마 존을 냉각시켜주는 냉각수관(800);을 포함하며,
   상기 금속판(720)과 스크류샤프트(750)는 라디칼 재결합상수가 작은 금속으로 된 것을 더 포함하는 소형 경량화된 초고주파 플라즈마 응용장치.