KR100488359B1 - Atmospheric Pressure Parallel Plate Bulk Plasma Generator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 일측은 RF전원(P)에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 한쌍의 전원극(1) 및 접지극(2)과, 상기 전원극(1)과 접지극(2)사이에 설치되며 하단은 상기 전원극(1)과 접지극(2)의 하단보다 돌출형성된 유전체막(3)과, 상기 접지극(2)의 내부로 형성되는 가스유입경로(6)와, 이 가스유입경로(6)의 하단에서 접지극(2)의 내측 표면으로 일정간격씩 평행하게 관통되고 그 말단은 접지극(2)의 표면에서 내측으로 함몰되게 함몰부(7a)로 연통된 가스방출용 오리피스(7)와, 상기 함몰부(7a)에서 접지극(2)의 하단까지 접지극(2)의 표면보다 낮게 단을 주어 형성한 방전간극(g)을 포함하여 이루어지며, 상기 전원극(1)및 접지극(1,2)의 하부에 위치하는 피처리물(10)을 전기적으로 접지시켜 전원극(1)과 피처리물(10)사이에 벌크 플라즈마가 발생되도록 함으로써 이 플라즈마에 의해 효과적인 피처리물의 표면처리가 가능하도록 한 것이다. The present invention relates to an atmospheric pressure low temperature flat plate bulk plasma generator, one side of which is connected to the RF power source (P), the other side is grounded and a pair of power poles (1) and ground poles (2) which are installed to face each other in a state separated from each other And a dielectric film 3 disposed between the power supply electrode 1 and the ground electrode 2, the lower end of which protrudes from the lower end of the power supply electrode 1 and the ground electrode 2, and into the ground electrode 2. The gas inflow path 6 formed therethrough and parallel to the inner surface of the ground electrode 2 from the lower end of the gas inflow path 6 at regular intervals and its end is recessed inward from the surface of the ground electrode 2. A gas discharge orifice 7 connected to the portion 7a, and a discharge gap g formed by providing a stage lower than the surface of the ground electrode 2 from the recessed portion 7a to the lower end of the ground electrode 2; And the workpiece 10 positioned at the lower portion of the power supply electrode 1 and the ground electrode (1, 2). By grounding, a bulk plasma is generated between the power supply electrode 1 and the workpiece 10 so that the surface treatment of the workpiece can be effected by this plasma.
Description
본 발명은 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 상세히는 한쌍의 평행하게 이격설치된 전원극과 접지극 사이에 반응가스를 공급하여 플라즈마 소스를 발생시키고, 반응가스는 전원극과 피처리물 사이로 흐르도록 하면서 바닥의 피처리물을 전기적으로 접지시킴으로써 전원극과 피처리물사이에 벌크상태의 플라즈마가 발생되어 이 플라즈마에 의해 피처리물의 표면처리를 효과적으로 할 수 있도록 한 것이다.The present invention relates to an atmospheric low temperature flat plate type bulk plasma generating device, and in detail, a plasma source is generated by supplying a reaction gas between a pair of parallelly spaced power poles and a ground electrode, and the reaction gas passes between the power pole and the workpiece. By electrically grounding the to-be-processed object while flowing, a plasma of a bulk state is generated between the power supply electrode and the to-be-processed object, so that the surface treatment of the to-be-processed object can be effectively performed by this plasma.
대기압 하에서 저온 플라즈마를 안정적으로 발생시키는 기술은 그 산업적 응용성이 무궁무진함으로 인해서 산업적으로 대단히 매력적인 기술이다. 이러한 이유는 진공 플라즈마에 비해 대기압 하에서 플라즈마의 발생은 대단히 어렵지만 실제산업분야에서의 응용공정으로 사용될 시에는 저렴한 가격 및 간편한 시스템, 환경문제를 해결하면서도 각종 재료 및 물질의 처리를 진공 플라즈마와 같은 효과를 내며 처리할 수 있는 이상적인 기술이기 때문이다. 미래의 산업에서도 중추적인 역할을 하는 기술로 주목받고 있는 이러한 대기압 방전에 의한 저온 플라즈마의 발생은 향후 각종 재료 및 소자의 최첨단화를 위한 하이테크 신기술이라는 입장에서도 큰 의미를 갖는 기술이라 아니할 수 없다. The technology of stably generating low temperature plasma under atmospheric pressure is an extremely attractive technology due to its industrial applicability. The reason is that plasma generation under atmospheric pressure is much more difficult than vacuum plasma. However, when used as an application process in real industrial fields, it is possible to use various materials and materials as vacuum plasma, while solving low cost and simple system and environmental problem. This is because it's an ideal technology to handle. The generation of low-temperature plasma by atmospheric pressure discharge, which is attracting attention as a technology that plays a pivotal role in the industry of the future, is a technology having a great meaning even from the standpoint of a high-tech new technology for cutting-edge materials and devices in the future.
일반적으로 플라즈마의 발생원리는 전자가 원자 및 분자와 충돌하여 이를 이온화시키는데 있고, 이를 유지할 수 있도록 하기 위해서는 전기장으로부터 충분한 에너지를 공급받아야 한다. 이를 위해 많은 산업용 플라즈마는 진공에 가까운 저압을 유지하여 전자가 원자나 분자를 이온화시켜 안정한 플라즈마를 유지할 수 있도록 평균자유행로를 늘려준다. 이때 평균자유행로는 압력에 반비례하게 된다. 그러나 대기압 하에서의 플라즈마 발생의 어려움은 압력이 진공에 비해 수백 배에서 수십만 배가 크다는데 있다. 일반적으로 진공하에서 플라즈마를 발생시키기 위한 전압은 수백 볼트의 전압을 걸어주지만 진공에서와 같은 형식으로 대기압 플라즈마를 발생시키려면 엄청난 전압을 필요로 하게 되는 비현실적인 문제를 야기하게 된다. 설령, 고전압 하에서의 대기압 방전을 발생시켰다 하더라도 대부분이 아크(arc) 플라즈마이므로 진공에서의 글로우(glow) 플라즈마와 같은 효과를 낼 수 없다. 이러한 이유로 최근에까지도 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 기술은 국내·외적으로 전진속도가 매우 느린 기술이었다.In general, the principle of plasma generation is that electrons collide with atoms and molecules to ionize them, and in order to maintain them, sufficient energy must be supplied from an electric field. To this end, many industrial plasmas maintain a low pressure close to vacuum, increasing the average free path for electrons to ionize atoms or molecules to maintain a stable plasma. The mean free path is inversely proportional to the pressure. However, the difficulty of generating plasma under atmospheric pressure is that the pressure is hundreds to hundreds of thousands of times higher than that of vacuum. In general, the voltage for generating a plasma under vacuum applies a voltage of several hundred volts, but it causes an unrealistic problem that requires a huge voltage to generate an atmospheric plasma in the same manner as in a vacuum. Even if atmospheric pressure discharge is generated under a high voltage, since most of them are arc plasmas, they cannot produce the same effect as a glow plasma in a vacuum. For this reason, until recently, the technology for generating plasma under atmospheric pressure has been very slow at home and abroad.
현재 국제적으로 13.56MHz의 고주파전원으로 평판 전극을 사용하여 대기압 저온 플라즈마를 발생시키는 기술은 크게 헬륨(He) 및 아르곤(Ar) 플라즈마로 나눌 수 있다. 대부분의 플라즈마는 헬륨을 사용하고 있다. 아르곤에 비하여 값이 비싼 헬륨을 사용하는 이유는 헬륨 플라즈마를 발생시키기가 훨씬 쉽기 때문이다. 아르곤가스 존재 하에서의 플라즈마의 발생은 헬륨가스보다 두배 이상의 방전전압을 필요로 하며, 설사 아르곤가스 존재하에서 플라즈마를 발생시키더라도 아크 및 강한 스트리머(streamer)의 발생이 없는 글로우 플라즈마를 발생시키는 기술은 특별한 조건을 필요로 한다. 그러나, 실제 산업적 응용을 위한 플라즈마는 값이 싼 가스와 다량의 활성라디칼을 필요로 하기 때문에 헬륨보다는 아르곤에서 미량의 산소를 주입한 아르곤/산소 플라즈마가 필연적으로 도입되어야 한다. Currently, technologies for generating atmospheric low-temperature plasma using a plate electrode with a high frequency power source of 13.56 MHz can be roughly divided into helium (He) and argon (Ar) plasmas. Most plasmas use helium. The reason why helium is more expensive than argon is because it is much easier to generate helium plasma. The generation of plasma in the presence of argon gas requires more than twice the discharge voltage of helium gas, and even if the plasma is generated in the presence of argon gas, a technique for generating a glow plasma without generating arc and strong streamer is special. Need condition. However, since plasmas for practical industrial applications require inexpensive gases and large amounts of active radicals, argon / oxygen plasmas in which a small amount of oxygen is injected from argon rather than helium must be introduced.
저주파를 이용하게 되면 플라즈마를 쉽게 발생시킬 수 있다. 이러한 이유는 동일한 파워조건에서 저주파에서의 전압이 고주파에서의 전압보다 높기 때문이며, 따라서 전자를 가속하여 이온화시킬 수 있는 전기장이 크기 때문이다. 그러나 저주파 플라즈마의 경우는 전압이 높은 가운데 플라즈마가 유지되므로 전류가 작으며 이것은 플라즈마 밀도가 높지 않다는 것을 의미한다. 반면에 고주파 플라즈마는 낮은 전압에서 플라즈마를 유지하므로 전류가 저주파에 비해 10~100배 이상까지 흐르게 되며 이것은 상대적으로 플라즈마 밀도가 높다는 것을 의미한다. 따라서 저주파 플라즈마는 밀도가 낮으므로 표면처리 및 세정효과는 고주파 플라즈마에 비해 상당히 낮은 이유가 된다. 본 발명은 고주파에서 저온 플라즈마를 안정적이고, 대면적으로 플라즈마 밀도가 높은 이른바 벌크상태의 플라즈마를 발생시킴으로써 물질의 표면처리, 세정, 유해가스처리 등의 분야에서 실용적으로 적용할 수 있는 기술이다. Using a low frequency can easily generate a plasma. This is because the voltage at low frequency is higher than the voltage at high frequency under the same power condition, and thus the electric field capable of accelerating and ionizing electrons is large. However, in the case of low frequency plasma, the plasma is maintained while the voltage is high, so the current is small, which means that the plasma density is not high. On the other hand, high-frequency plasma maintains the plasma at low voltage, so that the current flows up to 10 to 100 times higher than the low frequency, which means that the plasma density is relatively high. Therefore, low-frequency plasma has a low density, which is why surface treatment and cleaning effects are considerably lower than high-frequency plasma. The present invention is a technique that can be practically applied in the fields of surface treatment, cleaning, harmful gas treatment and the like by generating a so-called bulk plasma having stable and large-area plasma density at low temperature at high frequency.
본 발명과 관련하여 본 출원인은 특허출원 제2002-19526호(출원년월일 : 2002.04.10)로 기존의 헬륨/산소가스 대신 아르곤/산소가스를 반응가스로 사용하면서도 대기압 하에서 낮은 온도를 안정적으로 유지할 수 있고, 장시간 방전이 안정적으로 이루어지며, 특별한 이그니션 조건없이 RF전원만으로도 글로우 플라즈마를 발생시킬 수 있는 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치를 제안한 바 있는데, 이는 일측은 RF전원에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 한 쌍의 전원극 및 접지극과, 양측 전원극 및 접지극의 내측면에 각각 설치되는 유전체막과, 이 유전체막의 사이에 설치되어 양측 전원극과 접지극사이의 내측 하부에 방전간극을 형성시키기 위한 중간 유전체와, 상기 방전간극으로 반응가스를 공급하기 위하여 상기 접지극의 내부에 형성되는 가스유입경로 및 이 가스유입경로의 하단에서 상기 방전간극으로 폭방향을 따라 일정간격씩 평행하게 관통된 다수의 가스방출용 오리피스와, 상기 접지극측에 설치되어 접지극의 내부를 통해 방전간극으로 공급되는 반응가스를 예열시키기 위한 가열수단을 포함하여 이루어져 상기 전원극에 RF전원으로부터 13.56MHz의 고주파전력을 인가하고 상기 가스유입경로로 비활성가스인 반응가스 특히, 아르곤가스 또는 아르곤가스에 미량의 산소를 동시에 공급하여 활성라디칼의 양이 극대화 된 플라즈마를 발생시키도록 한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치를 발명한 바 있다.In connection with the present invention, the applicant of the patent application No. 2002-19526 (Date of Application: 2002.04.10) can use the argon / oxygen gas as a reaction gas instead of the conventional helium / oxygen gas, while maintaining a stable low temperature under atmospheric pressure In addition, a stable discharge for a long time, and has proposed a low-temperature low-temperature flat-panel plasma generator that can generate a glow plasma with only RF power without special ignition conditions, one side is connected to the RF power source, the other side is grounded and separated from each other A pair of power supply and ground electrodes provided to face each other, a dielectric film provided on each of inner surfaces of both power supply electrodes and a ground electrode, and a discharge gap provided between the power supply and ground electrodes between the dielectric films, respectively. An intermediate dielectric for forming an oxide and the ground for supplying a reaction gas into the discharge gap And a plurality of gas discharge orifices which are formed in the inside of the gas inlet path and the gas discharge paths which pass through the discharge gap in parallel to the discharge gap at predetermined intervals along the width direction and are installed on the ground electrode side through the inside of the ground electrode. It includes heating means for preheating the reaction gas supplied to the discharge gap is applied to the high-frequency power of 13.56MHz from the RF power source to the power source electrode and the inert gas, in particular argon gas or argon gas to the gas inlet path Invented the atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generating device to supply a small amount of oxygen at the same time to generate a plasma with the maximum amount of active radicals.
상기한 본 출원인의 선출원발명은 방전간극으로 공급되는 반응가스의 주입을 접지극의 내부를 통하여 주입함으로써 플라즈마 발생시스템의 크기를 축소할 수 있고, 전극의 길이 즉, 처리되는 소재나 물질의 폭에 제한 받지 않고 전극의 길이를 늘리더라도 방전간극의 전 범위에 걸쳐 반응가스의 공급을 균일하게 해줄 수 있으므로 실제 각종 분야에서 사용되는 피처리물의 처리에 효율성을 높일 수 있으며, 가열수단에 의해 방전간극으로 공급되는 반응가스의 온도를 높여주므로써 초기방전전압 및 유지전압을 낮출 수 있고, 이와 동시에 플라즈마의 파워밀도를 높일 수 있도록 하였다.The applicant's invention described above can reduce the size of the plasma generation system by injecting the reaction gas supplied into the discharge gap through the inside of the ground electrode, and limit the length of the electrode, that is, the width of the material or material to be processed. Even if the length of the electrode is increased without receiving it, the supply of the reaction gas can be made uniform over the entire range of the discharge gap, so that the efficiency of treatment of the processed object used in various fields can be improved, and it is supplied to the discharge gap by the heating means. By increasing the temperature of the reaction gas, the initial discharge voltage and the sustain voltage can be lowered, and at the same time, the power density of the plasma can be increased.
한편, 상기한 본 출원인의 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치를 비롯한 기존의 대기압 플라즈마 발생장치들은 플라즈마의 발생영역이 전원극과 접지극의 사이에 좁게 형성됨으로써 폭이 넓고 길이가 긴 피처리물 전체의 표면처리를 위하여 소요되는 시간이 길고, 단위 시간당 피처리물에 조사되는 플라즈마의 양이 적어 피처리물의 충분한 표면처리를 위하여 장시간이 소요됨으로써 처리장치의 실용화에 어려운 단점이 있었으며, 피처리물이 대면적이 경우 또는 반응가스 등의 흐름, 외부가스(공기)등의 흐름에 의해서 플라즈마 발생이 대단히 불안정한 면이 있으며, 플라즈마가 꺼졌을 때 다시 플라즈마를 켜야하는 어려움이 존재하였고, 이로 인해 피처리물을 온-라인(on-line)방식으로 이동시키면서 처리할 때 안정적인 플라즈마를 유지하기가 곤란하게 되는 단점이 있었다.Meanwhile, the existing atmospheric pressure plasma generators, including the applicant's atmospheric low temperature flat plate plasma generator, have a narrow surface between the power supply electrode and the ground electrode. The long time required for the treatment, and the amount of plasma irradiated to the object to be processed per unit time is small, so that it takes a long time for sufficient surface treatment of the object, which makes it difficult to put the treatment device into practical use. In some cases, plasma generation is very unstable due to the flow of reactant gas, external gas (air), etc., and there is a difficulty to turn on the plasma again when the plasma is turned off. Difficult to maintain stable plasma when processing while moving on-line There was a disadvantage in that shop.
본 발명은 상기한 종래 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 한계를 극복하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대기압 하에서 까다로운 조건을 요구로 하지 않고도 플라즈마의 발생이 가능하고, 넓은 폭을 갖는 금속 또는 비금속재 피처리물의 친수성화 접착력강화 등의 표면개질, 세정 또는 유해물질의 처리를 위한 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있으며, 이러한 플라즈마는 기존의 대기압 평판 플라즈마 발생장치에서 전원극과 접지극 사이에서 좁게 발생되는 것을 탈피하여 전원극과 피처리물 사이에서 다량의 유효한 플라즈마가 발생되도록 함으로써 피처리물의 표면을 신속하게 그리고 효과적으로 플라즈마 처리할 수 있는 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.The present invention has been made to overcome the limitations of the above-described conventional atmospheric low-temperature flat plate plasma generating apparatus, and an object of the present invention is to generate plasma without requiring demanding conditions under atmospheric pressure, and has a wide metal or nonmetal. It is possible to stably generate a plasma for surface modification such as hydrophilicity of the material to be treated, strengthening adhesion, cleaning, or treatment of harmful substances, and this plasma is narrowly generated between a power electrode and a ground electrode in a conventional atmospheric plate plasma generator. The present invention provides an atmospheric pressure low-temperature flat-panel plasma generator capable of rapidly and effectively plasma-processing the surface of a workpiece by generating a large amount of effective plasma between the power supply electrode and the workpiece.
본 발명자들은 상기한 본 발명자들의 선출원발명에 의한 대기압 평판 플라즈마 발생장치를 사용하여 다양한 실험을 거치던 중, 전원극에 전원을 인가하고 방전간극에 반응가스를 주입하여 플라즈마 방전이 이루어지도록 한 상태에서 피처리물을 전기적으로 접지시킨 결과, 피처리물의 표면과 전원극의 하단사이에 다량의 플라즈마가 발생되는 현상을 발견하여 본 발명을 착상하게 되었으며, 반응가스를 전원극과 전기적으로 접지된 피처리물 사이로 흐르도록 전원극 전방에 설치된 접지극 하부의 전면과 측부에 차폐막을 설치하여 동일하게 실험한 결과, 피처리물의 표면처리가 가능한 플라즈마가 전원극의 하부 후방쪽에 다량으로 발생되는 것을 확인함으로써 상기한 목적을 달성할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하게 되었다.The inventors of the present invention have undergone various experiments using the atmospheric pressure flat-panel plasma generator according to the above-described invention of the present inventors, in which a plasma discharge is performed by applying power to a power electrode and injecting a reactive gas into a discharge gap. As a result of the electrical grounding of the workpiece, a large amount of plasma was generated between the surface of the workpiece and the lower end of the power electrode, and the present invention was conceived, and the reaction gas was electrically grounded with the power electrode. The same experiment was conducted by installing a shielding film on the front side and the side of the lower ground electrode installed in front of the power pole to flow between the water. The present invention has been completed by confirming that the object can be achieved.
본 발명은 일측은 RF전원에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 한쌍의 전원극 및 접지극과, 상기 전원극과 접지극 사이에 설치되며 하단은 상기 전원극과 접지극의 하단보다 돌출형성된 유전체막과, 상기 접지극의 내부로 형성되는 가스유입경로와, 이 가스유입경로의 하단에서 접지극의 내측 표면으로 일정간격씩 평행하게 관통되고 그 말단은 접지극의 표면에서 내측으로 함몰되게 함몰부로 연통된 가스방출용 오리피스와, 상기 함몰부에서 접지극의 하단까지 접지극의 표면보다 낮게 단을 주어 형성한 방전간극을 포함하여 이루어지며, 상기 전원극 및 접지극의 하부에 위치하는 피처리물을 전기적으로 접지시켜 전원극과 피처리물 사이에 벌크 플라즈마가 발생되도록 한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치를 제공함으로써 상기한 목적을 달성하게 된다.According to the present invention, one side is connected to the RF power source and the other side is grounded, and a pair of power poles and ground electrodes installed to face each other are spaced apart from each other, and are installed between the power pole and the ground electrode, and the lower end is lower than the lower end of the power pole and the ground electrode. A protruding dielectric film, a gas inlet path formed into the ground electrode, and a parallel through the gas inlet path from the lower end of the gas inlet path to the inner surface of the ground electrode at regular intervals, the end of which is recessed inward from the surface of the ground electrode. And a discharge gap formed by connecting a gas discharge orifice in communication with the gas discharge orifice and lowering the lower surface of the ground electrode from the depression to the lower end of the ground electrode. A low-pressure, low-temperature flat-panel plasma generator is provided that grounds the bulk plasma between the power supply pole and the workpiece. By the above-mentioned object is achieved.
본 발명에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치는 방전간극으로 공급되는 반응가스의 주입을 접지극의 내부를 통하여 주입함으로써 플라즈마 발생시스템의 크기를 축소할 수 있고, 전극의 길이 즉, 처리되는 소재나 물질의 폭에 제한 받지 않고 전극의 길이를 늘리더라도 방전간극의 전 범위에 걸쳐 반응가스의 공급을 균일하게 해줄 수 있으며, 피처리물을 전기적으로 접지시키고, 전원극의 전후 폭 즉, 두께를 넓혀 피처리물과의 대향면적을 크게하여 전원극 하단과 피처리물 사이의 넓은 범위에서 벌크상태의 유효한 플라즈마가 발생되어 피처리물의 표면처리성능과 효율을 대폭 향상시킬 수 있다.According to the present invention, an atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generator can reduce the size of a plasma generation system by injecting a reaction gas supplied into a discharge gap through an inside of a ground electrode, and can reduce the size of an electrode, that is, a material or material to be processed. Even if the length of the electrode is not limited to the width, the supply of the reaction gas can be made uniform over the entire range of the discharge gap, the ground of the workpiece is electrically grounded, and the width of the power pole is increased by increasing the width of the electrode. By increasing the opposing area with water, an effective plasma in a bulk state is generated in a wide range between the lower end of the power electrode and the workpiece, thereby greatly improving the surface treatment performance and efficiency of the workpiece.
본 발명의 장치에서 표면처리되는 피처리물이 비금속 소재인 경우에는 피처리물을 전기적으로 접지된 금속재의 베이스 플레이트위에 올려 놓은 상태에서 처리하고, 피처리물이 금속소재인 경우에는 전원극과 피처리물사이에서 아크가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 피처리물과 금속재 베이스 플레이트 사이에 유전체막을 개재시킨 상태에서 처리한다.In the apparatus of the present invention, when the workpiece to be surface-treated is a nonmetallic material, the workpiece is placed on a base plate of an electrically grounded metal material, and when the workpiece is a metal material, the power electrode and the workpiece In order to prevent an arc from occurring between the treatments, the treatment is performed with a dielectric film interposed between the workpiece and the metal base plate.
본 발명의 대기압 저온 벌크 플라즈마 발생장치는 적은 소비전력으로 극한 조건에서 발생되는 이온 및 활성종을 다량으로 쉽게 만들어 낼 수 있다. 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치는 그 처리효과가 강력할 뿐 아니라, 2중 플라즈마 소스(커튼 플라즈마, 벌크 플라즈마)를 갖고 있어 플라즈마의 안정성에서 뛰어나며 응용범위 또한 다양하다. 표면처리 분야에서는 금속 및 비금속에 관계 없이 표면에너지를 증가시켜서 소수성 표면을 친수성으로 변화시킬 수 있으며, 접착력을 강하게 할 수 있다. 처리하고자 하는 물질에 바이어스를 걸어주게 되면 대기압 하에서 이온주입이 가능하여 물질을 코팅할 수 있다. 또한 유해가스를 플라즈마에 통과시킴으로서 유해가스를 분해시킬 수 있으며, 독성 물질 또한 분해시킬 수 있다. 미생물을 불활성화시켜 미생물에 의한 오염을 방지할 수 있다. 또한 반도체 공정에서 건식 세정처리공정의 적용으로서 LCD기판의 세정, 반도체 웨이퍼의 유기물 제거, PCB기판의 오염제거와 같은 공정에 적용할 수 있다. 유기물질로 이루어진 폴리머의 구조변화 및 특성변화에 적용할 수 있고, 유기물질의 박막 증착에 적용할 수 있다. The atmospheric low temperature bulk plasma generator of the present invention can easily produce a large amount of ions and active species generated under extreme conditions with low power consumption. The plasma generating apparatus according to the present invention not only has a strong processing effect, but also has a dual plasma source (curtain plasma, bulk plasma), which is excellent in plasma stability and has various application ranges. In the surface treatment field, it is possible to change the hydrophobic surface to hydrophilic by increasing the surface energy irrespective of metal and non-metal, and to strengthen the adhesion. Biasing the material to be treated allows ion implantation under atmospheric pressure to coat the material. In addition, by passing the harmful gas through the plasma can be decomposed harmful gases, toxic substances can also be decomposed. The microorganisms can be inactivated to prevent contamination by the microorganisms. In addition, as a dry cleaning process in the semiconductor process, it can be applied to processes such as cleaning LCD substrates, removing organic substances from semiconductor wafers, and removing PCB substrate contamination. It can be applied to structural changes and properties of polymers made of organic materials, and can be applied to thin film deposition of organic materials.
본 발명은 또, 상기와는 반대로 전원극을 접지시키고, 접지극에 전원을 인가하여도 벌크 플라즈마가 발생하는 것을 발견하였다. The present invention also found that bulk plasma is generated even when the power supply electrode is grounded and power is applied to the ground electrode, in contrast to the above.
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments which do not limit the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 측단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 평단면도이다. 1 is a side sectional view showing a schematic structure of an atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generating apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a plan sectional view of the present invention shown in FIG.
상기 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 일측은 RF전원(P)에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 한쌍의 전원극(1) 및 접지극(2)과, 상기 전원극(1)과 접지극(2)사이에 설치되며 하단은 상기 전원극 (1)과 접지극(2)의 하단보다 돌출형성된 유전체막(3)과, 상기 접지극(2)의 내부로 형성되는 가스유입경로(6)와, 이 가스유입경로(6)의 하단에서 접지극(2)의 내측 표면으로 일정간격씩 평행하게 관통되고 그 말단은 접지극(2)의 표면에서 내측으로 함몰되게 함몰부(7a)로 연통된 가스방출용 오리피스(7)와, 상기 함몰부(7a)에서 접지극(2)의 하단까지 접지극(2)의 표면보다 낮게 단을 주어 형성한 안정한 플라즈마소스를 발생시키는 방전간극(g)을 포함하여 이루어지며, 상기 전원극(1)및 접지극 (1,2)의 하부에 위치하는 피처리물(10)을 전기적으로 접지시켜 전원극(1)과 피처리물(10)사이에 벌크 플라즈마가 발생되도록 한 것이다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the present invention has a pair of power poles 1 and ground poles 2, one side of which is connected to an RF power source P and the other side of which is grounded and facing each other in a state spaced apart from each other. The dielectric film 3 is formed between the power supply electrode 1 and the ground electrode 2, and has a lower end protruding from the lower end of the power supply electrode 1 and the ground electrode 2, and the inside of the ground electrode 2. The gas inflow path 6, which passes through the gas inflow path 6 from the lower end to the inner surface of the ground electrode 2 in parallel at regular intervals, and the end thereof is recessed inward from the surface of the ground electrode 2; A discharge gap for generating a stable plasma source formed by providing a gas discharge orifice (7a) in communication with (7a) and a step lower than the surface of the ground electrode (2) from the depression (7a) to the lower end of the ground electrode (2). Comprising (g), the to-be-processed object 10 which is located below the power supply electrode 1 and the ground electrode (1,2) By electrically grounding the bulk plasma is generated between the power supply electrode 1 and the workpiece 10.
상기 전원극(1)과 접지극(2)의 하부 둘레에는 사방으로 도전성이 없는 차폐판(12)을 설치하여 외부의 영향없이 반응가스가 후방의 전원극(1)과 피처리물(10)사이로 흐르도록 하여 벌크 플라즈마를 안정하게 발생되도록 한다.A shielding plate 12 having no conduction is installed around the lower end of the power supply electrode 1 and the ground electrode 2 so that the reaction gas passes between the power supply electrode 1 and the workpiece 10 at the rear without any external influence. This allows the bulk plasma to be stably generated.
도면중 부호 M은 임피던스 매칭 박스이다.In the figure, symbol M is an impedance matching box.
상기 양측 전원극 및 접지극(1,2)은 알루미늄합금, 스테인레스 스틸 등의 금속으로 제작하고, 그 두께와 폭은 사용하고자 하는 용도에 따라 최적의 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 설계할 수 있는데, 본 발명에서 접지극(2)은 그 내부에 가스유입경로(6)와 가스방출용 오리피스(7)가 형성되므로 설계시 이를 감안하여야 하며, 그 폭은 작게는 50mm로부터 크게는 1500mm까지 제작할 수 있으며, 전극을 광폭으로 제작할 때에는 아크발생을 방지하기 위한 유전체막(3)의 단절부분이 없도록 설계하여야 한다.The both sides of the power electrode and the ground electrode (1, 2) is made of a metal such as aluminum alloy, stainless steel, the thickness and width can be designed to generate an optimal plasma according to the intended use, the present invention In the ground electrode (2) is a gas inlet path (6) and the gas discharge orifice (7) is formed in the design, it must be taken into account in the design, the width can be made from 50mm to 1500mm in width, and the electrode When fabricating in wide width, it should be designed so that there is no disconnection part of the dielectric film 3 to prevent arcing.
상기 전원극(1)에 고주파전력을 인가하는 RF전원(P)은 2MHz~60MHz, 바람직하게는 13.56MHz대역의 20~500W의 고주파전력을 사용하며, 접지극(2)의 내부에 형성된 가스유입경로(6)로는 최대 20ℓ/min으로 아르곤 또는 헬륨가스만을 공급하거나 또는 이들 가스에 산소 또는 질소가스를 미량 혼합한 반응가스를 공급하여 활성라디칼을 양을 극대화시킨 플라즈마를 발생시킬 수 있다.The RF power source P for applying high frequency power to the power source electrode 1 uses high frequency power of 20 MHz to 500 MHz in the range of 2 MHz to 60 MHz, preferably 13.56 MHz, and has a gas inflow path formed inside the ground electrode 2. In (6), the plasma having the maximum amount of active radicals can be generated by supplying only argon or helium gas at a maximum of 20 L / min or supplying a reaction gas containing a small amount of oxygen or nitrogen gas.
상기 유전체막(3)은 도체인 전극(1,2)만을 사용하여 전압을 가하게 될 때 아크가 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로 통상 알루미나(Al2O3), 석영(SiO2 )등을 사용한다.The dielectric layer 3 is used to prevent the occurrence of an arc when voltage is applied using only the electrodes 1 and 2, which are conductors, and alumina (Al 2 O 3 ), quartz (SiO 2 ), etc. are generally used. .
상기 유전체막(3)하단의 연장부(3a)는 전원을 인가한 경우 전원극(1)과 접지극(2)사이에서 아크가 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로, 유전체막(3)과 일체로 형성하는 것이 바람직하며 전극의 전체 길이에 걸쳐 동일한 높이로 돌출되도록 하되, 아크발생의 방지와 함께 반응가스가 후방의 전원극(1)쪽으로 흐르는데 지장을 주지 않는 최소의 높이가 되도록 설계한다.The extension part 3a at the lower end of the dielectric film 3 is to prevent arcing between the power supply electrode 1 and the ground electrode 2 when power is applied, and is formed integrally with the dielectric film 3. It is preferable to protrude at the same height over the entire length of the electrode, but it is designed to prevent the generation of arc and to have a minimum height that does not interfere with the flow of the reaction gas toward the rear power electrode (1).
본 발명의 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치에서 각종 소재의 세정 또는 유해물질의 처리를 위해서는 다량의 산소라디칼을 발생시켜주어야 하므로 아르곤가스에 미량의 산소(최대 2%정도)의 산소를 공급해 줌으로써 유기물의 처리 효율을 극대화시킬 수 있다.In order to clean various materials or to process harmful substances in the atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generating apparatus of the present invention, a large amount of oxygen radicals must be generated, thereby supplying a small amount of oxygen (up to about 2%) to argon gas to treat organic materials. Efficiency can be maximized.
본 발명에서 플라즈마를 유지하는데 필요한 RF전원은 플라즈마의 발생면적, 부피, 전극간격, 반응가스의 유량 등에 관계되며, 전극간격은 반응가스를 아르곤가스를 사용하는 경우 0.5~3mm내외가 적합하고, 방전간극(g)의 높이(h)는 2mm 내지 20mm정도가 적합하다.(본 발명에서는 5mm와 10mm를 사용하였다.) 방전간극의 높이(h)를 상기와 같이 작게 형성하는 이유는 파워효율을 향상시키기 위한 것으로, 이는 전극의 방전면적을 작게 하여 커패시턴스를 작게 함으로써 단위면적당 많은 전압이 걸려 초기방전이 용이하게 되는 것이다. 상기 조건하에서 전극간격이 1mm이고 유량이 10ℓ/min인 경우 플라즈마의 파워밀도는 15W/㎤정도가 된다.RF power required to maintain the plasma in the present invention is related to the plasma generation area, volume, electrode spacing, the flow rate of the reaction gas, and the electrode spacing is suitable when the reaction gas using argon gas is about 0.5 ~ 3mm, discharge The height h of the gap g is suitably about 2 mm to 20 mm. (In the present invention, 5 mm and 10 mm are used.) The reason for forming the height h of the discharge gap as small as described above improves the power efficiency. This is to reduce the discharge area of the electrode to reduce the capacitance, so that a large amount of voltage per unit area is applied to facilitate initial discharge. Under the above conditions, when the electrode spacing is 1 mm and the flow rate is 10 l / min, the power density of the plasma is about 15 W / cm 3.
본 발명의 장치에서 표면처리되는 피처리물이 비금속 소재인 경우에는 도 1에 도시한 바와 같이 피처리물(10)을 전기적으로 접지된 금속재 베이스 플레이트 (B)위에 올려 처리하고, 피처리물이 금속소재인 경우에는 도 3에 도시한 바와 같이 전원극(1)과 피처리물(10)사이에서 아크가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 금속재 피처리물(10)과 금속재 베이스 플레이트(B)사이에 유전체막(C)을 개재시킨 상태에서 처리한다.When the workpiece to be surface treated in the apparatus of the present invention is a non-metallic material, as shown in FIG. 1, the workpiece 10 is placed on an electrically grounded metal base plate (B) and treated. In the case of a metal material, as shown in FIG. 3, between the metal material to be processed 10 and the metal base plate B to prevent an arc from occurring between the power supply electrode 1 and the object to be processed 10. Processing is carried out with the dielectric film C interposed therebetween.
도면상으로는 도시되지 않았으나, 본 발명에서 상기 피처리물(10)이 올려지는 베이스 플레이트(B)는 컨베이어 등의 적절한 이송수단에 의해 화살표방향으로 수평이동하도록 되어 있어 피처리물이 온라인 상태에서 플라즈마에 의한 표면처리가 이루어질 수 있도록 된다.Although not shown in the drawings, in the present invention, the base plate (B) on which the workpiece 10 is placed is horizontally moved in the direction of the arrow by a suitable transfer means such as a conveyor, so that the workpiece is placed on the plasma in an online state. Surface treatment can be achieved.
본 발명의 적용분야로는 상기한 바와 같이 피처리물 표면의 친수성표면개질 (wettability), 접착력강화, LCD글래스·PCB기판·반도체 웨이퍼 세정, 살균 또는 각종 독성가스 등의 처리 등을 들 수 있는데, 이 중 LCD글래스의 친수성 표면처리의 시험을 통해 본 발명에 의한 벌크 플라즈마 발생장치의 효용성에 대하여 설명하기로 한다.Application fields of the present invention include hydrophilic surface wettability of the surface of the workpiece, adhesion enhancement, LCD glass, PCB substrate, semiconductor wafer cleaning, sterilization or treatment of various toxic gases as described above. Among them, the utility of the bulk plasma generating apparatus according to the present invention will be described through the test of the hydrophilic surface treatment of the LCD glass.
도 4는 본 발명의 대기압 저온 평판 벌크 플라즈마 발생장치에서 전원극과 피처리물사이에서 발생된 벌크 플라즈마를 사용하여 LCD글래스의 표면처리전과 처리시간에 따른 친수성의 개선상태를 사진촬영한 것이며, 도 5는 본 발명의 장치를 그대로 사용하되 피처리물을 접지시키지 않고 전원극과 접지극사이에서 방전된 커튼 플라즈마(커튼 플라즈마는 전원극과 접지극사이에서 만들어진 플라즈마가 밖으로 배출되며 플라즈마 배출길이는 0~5mm정도이다.)만을 사용하여 동일소재의 피처리물을 처리한 상태를 보여주고 있다.4 is a photograph of an improved state of hydrophilicity before and during surface treatment of an LCD glass using a bulk plasma generated between a power electrode and an object in the atmospheric pressure low temperature flat plate bulk plasma generating apparatus of the present invention. 5 is used as the apparatus of the present invention, but the curtain plasma discharged between the power electrode and the ground electrode without grounding the workpiece (curtain plasma is discharged out of the plasma generated between the power electrode and the ground electrode, the plasma discharge length is 0 ~ 5mm It shows the state that the processed material of the same material is treated with only).
상기 실시예에서 사용된 플라즈마 발생장치는 전원극과 접지극의 폭이 300mm이고, 전원극에 인가된 전압은 200W, 13.56MHz의 고주파전원이며, 반응가스는 아르곤이고 공급량은 15ℓ/분, 이때 발생된 플라즈마의 온도는 200℃이하이고, 라디칼온도는 100℃이하, 전원극과 접지극사이에서 발생된 플라즈마에서 배출된 커튼 플라즈마의 폭은 5mm이하이고, 전원극과 피처리물 사이에서 발생된 플라즈마(벌크 플라즈마)의 폭은 피처리물과 마주보는 전원극 밑면의 폭과 같으며, 200W의 파워에서 30mm의 플라즈마를 발생시켰다.(이 경우 전원극 밑면의 폭은 30mm이다.) 따라서 피처리물의 크기 및 처리속도에 따라 전원극의 폭을 늘이거나 줄일수 있다. 또한, 플라즈마 밀도에 있어서도 커튼 플라즈마는 1011~1012/㎤, 벌크 플라즈마는 1012~1013/㎤정도의 차수로서 상당히 높은 플라즈마밀도를 갖으며 커튼 플라즈마에 비해 상당히 빠른 표면개질을 이룰 수 있다.The plasma generating apparatus used in the above embodiment has a width of the power electrode and the ground electrode of 300 mm, a voltage applied to the power electrode is 200 W, a high frequency power of 13.56 MHz, the reaction gas is argon, and the supply amount is 15 l / min. The plasma temperature is 200 ° C. or less, the radical temperature is 100 ° C. or less, the width of the curtain plasma discharged from the plasma generated between the power source electrode and the ground electrode is 5 mm or less, and the plasma generated between the power source electrode and the workpiece (bulk) The width of the plasma) is equal to the width of the bottom of the power pole facing the object, and generates a plasma of 30 mm at a power of 200 W (in this case, the width of the bottom of the power pole is 30 mm). Depending on the processing speed, the width of the power pole can be increased or decreased. Also, in terms of plasma density, curtain plasma is in the order of 10 11 to 10 12 / cm 3, and bulk plasma is in the order of 10 12 to 10 13 / cm 3, which has a considerably high plasma density and can achieve surface modification much faster than curtain plasma. .
상기 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 전원극과 접지극사이에서 발생된 플라즈마에서 배출된 커튼 플라즈마만으로 피처리물의 표면처리를 한 결과, 플라즈마 처리 전에는 물방울의 접촉각(contact angle;피처리물의 표면과 물방울의 접선이 이루는 각)이 40°이상이었으나, 1초 처리후 약 20°, 2초 처리후 10°이내, 3초 처리후 5°이하로 개선되었다.As shown in FIG. 5, the surface treatment of the workpiece was performed only with the curtain plasma discharged from the plasma generated between the power supply electrode and the ground electrode. As a result, before the plasma treatment, the contact angle of the water droplet and the surface of the workpiece The tangential angle) was 40 ° or more, but improved to about 20 ° after 1 second, 10 ° after 2 seconds, and 5 ° after 3 seconds.
이와 비교하여, 도 4에서 확인되는 바와 같이 피처리물을 접지시켜 전원극과 피처리물사이에 발생된 본 발명의 벌크 플라즈마를 사용하여 처리한 결과, 본 발명에서는 불과 0.5초 처리후 물방울의 접촉각이 10°이내로 현저하게 작아져 피처리물의 표면이 친수성을 갖도록 급속하게 개질됨을 알 수 있었다.In comparison, as shown in FIG. 4, the treated object was grounded and treated using the bulk plasma of the present invention generated between the power electrode and the treated object. It was found that the surface of the workpiece was rapidly modified to have a hydrophilicity by being significantly smaller within this 10 °.
상기한 피처리물의 친수성 처리결과만을 보더라도 본 발명의 벌크 플라즈마 발생장치는 기존의 전원극과 접지극 사이에서 배출된 커튼 플라즈마보다 밀도가 훨씬 높은 벌크 플라즈마가 전원극과 접지된 피처리물 사이에서 발생되므로 피처리물의 효과적인 표면처리가 가능하고, 이와 더불어 피처리물을 온-라인 방식으로 이동시키면서 피처리물의 표면에 플라즈마를 방전시켜 처리하는 대기압 플라즈마 처리장치에서는 안정적인 플라즈마 소스를 공급하여야 하는데, 본 발명은 대면적 하에서도 그리고 방전가스나 외부가스의 흐름에도 불구하고 안정적으로 전원극과 접지극 사이에서 플라즈마 소스(부가적으로 밖으로 배출되는 커튼 플라즈마를 발생시킴)가 발생됨과 동시에 전원극과 피처리물 사이에서 벌크 플라즈마가 발생됨으로써 외부가스 및 매칭상태의 불안정하에서 벌크 플라즈마가 꺼지게 되더라도 안정된 커튼 플라즈마의 공급에 의해서 자동적으로 벌크 플라즈마가 켜지게 됨으로써 기존 고주파방식을 이용하여 피처리물의 표면을 처리함에 있어서 이동식 처리의 어려움을 해소할 수 있게 되어 있으며, 전원극의 전후 폭을 넓혀줌으로써 피처리물과의 대향면적을 크게 하여 넓은 범위에서 벌크 플라즈마의 발생이 가능하므로 대기압하에서 피처리물의 표면처리효율을 높일 수 있게 된다. Even when only the hydrophilic treatment result of the to-be-processed object is seen, the bulk plasma generator of the present invention generates a bulk plasma having a much higher density than the curtain plasma discharged between the conventional power electrode and the ground electrode between the power electrode and the grounded workpiece. An effective surface treatment of an object to be processed is possible, and at the same time an atmospheric pressure plasma processing apparatus for discharging and treating plasma on the surface of an object while moving the object in an on-line manner, the present invention provides a stable plasma source. Even under a large area and in spite of the flow of discharge gas or external gas, a plasma source (generating additionally discharged curtain plasma) is generated between the power supply electrode and the ground electrode at the same time between the power supply electrode and the workpiece. Bulk plasma is generated to generate external gas and Even if the bulk plasma is turned off under unstable matching, the bulk plasma is automatically turned on by the supply of stable curtain plasma, thereby eliminating the difficulty of the mobile treatment in treating the surface of the object by using the existing high frequency method. In addition, since the front and rear widths of the power supply electrode are widened, the surface area of the power electrode can be increased to increase the surface area of the object under atmospheric pressure.
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 벌크 플라즈마 발생장치를 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing a bulk plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
본 실시예에서는 상기한 첫번째 실시예에서 전원극과 접지극의 역할이 반대가 되도록 한 것인데, 도 1의 전원극이 접지극이되고 접지극이 전원극이 된 것으로, 이때 전원극(1)에 형성된 가스유입경로(6)로 아르곤가스를 공급하면서 전원을 인가한 결과, 첫번째 실시예에서와 동일하게 전원극(1)과 접지극(2)사이에서는 커튼플라즈마를 발생시키는 안정된 플라즈마가 발생하고 전원극(1)과 피처리물(10)사이에는 벌크 플라즈마가 발생하였다.In this embodiment, the role of the power supply electrode and the grounding electrode is reversed in the first embodiment, but the power supply electrode of FIG. 1 becomes the ground electrode and the ground electrode becomes the power supply electrode. As a result of applying the power while supplying argon gas to the path 6, as in the first embodiment, a stable plasma generating curtain plasma is generated between the power supply electrode 1 and the ground electrode 2 and the power supply electrode 1 A bulk plasma was generated between and the workpiece 10.
또한, 본 실시예에서는 상기 접지극(2)의 하단에 아크 및 스트리머를 방지하며 안정적인 플라즈마를 발생시키기 위하여 유전체막(5)을 부착하였다.In this embodiment, the dielectric film 5 is attached to the lower end of the ground electrode 2 to prevent arcs and streamers and to generate stable plasma.
도 6에 도시된 실시예에서는 아르곤가스가 전원극(1)으로부터 공급되므로 전원극(1)과 피처리물(10)사이로 공급하는 것이 용이하게 되고, 이로 인하여 벌크 플라즈마의 발생이 상기한 첫번째 실시예에서보다 훨씬 용이하며, 접지극(2)의 하단에 유전체막(5)을 부착함으로써 파워를 올리더라도 아크의 발생이 거의 없게 되어 벌크 플라즈마의 높이를 키워줄 수 있게 된다.In the embodiment shown in FIG. 6, since argon gas is supplied from the power supply electrode 1, it is easy to supply between the power supply electrode 1 and the object to be processed 10, which causes the generation of the bulk plasma. It is much easier than in the example, and by attaching the dielectric film 5 to the lower end of the ground electrode 2, even if the power is increased, the generation of the arc hardly occurs, thereby increasing the height of the bulk plasma.
도 7은 본 발명에 의한 플라즈마 발생장치의 구체적인 전극배치구조의 일례를 도시한 것으로, 전원극(1)과 접지극(2) 및 이를 지탱하는 테프론 가이드(14)와 금속챔버(16)의 분해상태를 도시한 사시도이고, 도 8은 도 7의 결합상태를 도시한 단면도이다.7 shows an example of a specific electrode arrangement structure of the plasma generating apparatus according to the present invention, in which the power supply electrode 1 and the ground electrode 2 and the teflon guide 14 and the metal chamber 16 supporting them are disassembled. 8 is a perspective view illustrating a coupling state of FIG. 7.
상기 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이 본 발명의 플라즈마 발생장치는 금속 챔버(16)의 내부에 테프론 가이드(14)에 의해 절연상태로 전원극(1)과 접지극(2)이 평행하게 설치되어지되, 상기 전원극(1)과 접지극(2)의 하단은 금속챔버(16)의 하부로 돌출되어 있으며, 상기 접지극(2)은 금속챔버(16)에 접지되고, 전원극(1)으로는 외부로부터 RF전원을 인가하기 위한 단자(1a)가 연결되어 있다.As shown in FIG. 7 and FIG. 8, in the plasma generating apparatus of the present invention, the power electrode 1 and the ground electrode 2 are installed in the metal chamber 16 in an insulated state by the Teflon guide 14. The lower ends of the power supply electrode 1 and the ground electrode 2 protrude to the lower portion of the metal chamber 16, and the ground electrode 2 is grounded to the metal chamber 16 and is connected to the power supply electrode 1. The terminal 1a for applying RF power from the outside is connected.
상기 금속챔버(16)내부에 설치되는 전원극(1)과 접지극(2)사이에는 유전체막 (3)이 설치되어 있으며, 이 유전체막(3)의 하단은 전원극(1)과 접지극(2)의 하단보다 1~2㎜정도 더 돌출되어 있다. A dielectric film 3 is provided between the power supply electrode 1 and the ground electrode 2 provided in the metal chamber 16, and the lower end of the dielectric film 3 has a power supply electrode 1 and a ground electrode 2. It protrudes 1 ~ 2mm more than the bottom of).
상기 접지극(2)의 내부로는 가스유입경로(6)가 형성되어 있고, 이 가스유입경로(6)의 하단에서 방전간극(g)쪽으로 폭방향을 따라서 일정간격씩 평행하게 관통된 다수의 가스방출용 오리피스(7)가 형성되어 있는데, 이 가스방출용 오리피스(7)의 말단을 접지극(2)의 표면에서 내측으로 1~20㎜정도 함몰되게 위치하도록 함으로써 플라즈마 발생시 스트리머를 감소시켜 아크가 발생하는 것을 최소화하고, 더욱 안정된 플라즈마의 발생이 가능하도록 하였다. 본 발명에서는 1mm, 5mm, 10mm를 함몰시켜 플라즈마를 발생시켰으며 함몰깊이가 높을수록 스트리머 및 아크발생이 억제되었다. A gas inflow path 6 is formed inside the ground electrode 2, and a plurality of gases penetrating in parallel at regular intervals along the width direction from the lower end of the gas inflow path 6 toward the discharge gap g. A discharge orifice 7 is formed. The end of the gas discharge orifice 7 is positioned to be recessed about 1 to 20 mm inward from the surface of the ground electrode 2 to reduce the streamer during the generation of plasma, thereby reducing the arc. It is possible to minimize the generation and to generate a more stable plasma. In the present invention, 1mm, 5mm, 10mm was recessed to generate a plasma, and the higher the depth of depression, the more streamer and arc generation was suppressed.
또, 상기 접지극(2)의 가스방출용 오리피스(7)말단의 함몰부(7a)에서 접지극 (7)의 하단까지는 약 1mm정도의 방전간극(g)이 형성되도록 접지극(2)의 표면보다 낮은 단차를 형성하였으며 안정된 플라즈마 소스를 공급하게 된다.Further, from the depression 7a at the end of the gas discharge orifice 7 of the ground electrode 2 to the lower end of the ground electrode 7, a discharge gap g of about 1 mm is formed so that it is lower than the surface of the ground electrode 2. A step is formed and a stable plasma source is supplied.
또한, 상기 전원극(1)의 외측에는 전원극(1)과 동일한 좌우 폭을 갖는 부가전원극(1')을 전기적으로 접속된 상태로 부착시켜 부가전원극(1')의 전후폭만큼 전원극(1)과 피처리물과의 대향면적을 크게 한 결과, 전원극(1)과 부가전원극(1')의 전 폭에 걸쳐 넓은 범위에서 벌크 플라즈마가 발생하였으며, 전원극(1)의 전후 폭을 증가시키는 것에 의해 대기압하에서 피처리물을 벌크 플라즈마로 처리하는 효율을 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.In addition, an external power supply electrode 1 'having the same left and right widths as the power supply electrode 1 is attached to the outside of the power supply electrode 1 in an electrically connected state, thereby supplying power to the front and rear widths of the additional power supply electrode 1'. As a result of enlarging the opposing area between the pole 1 and the object to be treated, a bulk plasma was generated over the entire width of the power supply electrode 1 and the additional power supply electrode 1 '. By increasing the width before and after, it was confirmed that the efficiency of treating the object with the bulk plasma under atmospheric pressure could be improved.
본 발명은 상기한 실시예의 도면이나 설명에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 위에서 설명된 본 발명의 원리와 개념을 벗어나지 않고도 다양한 변형과 모방이 가능하며, 이와 같은 다양한 변형과 모방은 하기의 본 발명의 권리범위에 속함이 자명하다.The present invention is not limited to the drawings and the description of the above embodiments, various modifications and imitations are possible by those skilled in the art without departing from the principles and concepts described above. Such various modifications and imitations are obviously within the scope of the present invention.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치는 반응가스를 접지극 또는 전원극의 내부에 형성된 가스유입경로를 통하여 주입하여 가스유입경로 하부에서 폭방향으로 일정간격으로 형성된 오리피스를 통해 방전간극으로 공급하면서 이와 동시에 피처리물을 전기적으로 접지시킴으로써 전원극과 피처리물사이에 벌크상태의 유효한 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이렇게 발생시킨 대기압 저온 평판 플라즈마는 실제 온라인 공정하에서 효과적으로 사용이 가능하고, 그 산업적 응용의 가능성들은 예를 들면, 금속 및 비금속물질의 표면개질 섬유의 표면개질 및 고무의 표면개질을 통한 염색성 강화 및 접착력의 향상 등 다양한 분야에 효과적으로 적용할 수 있는 장점을 갖는다.As described above, the atmospheric pressure low temperature flat plate bulk plasma generator of the present invention injects the reaction gas through a gas inlet path formed in the ground electrode or the power electrode and discharges it through an orifice formed at a predetermined interval in the width direction under the gas inlet path. By simultaneously supplying the gap and electrically grounding the workpiece, an effective plasma in a bulk state can be generated between the power pole and the workpiece, and the atmospheric low-temperature flat plasma can be effectively used in an actual online process. In addition, the possibilities of the industrial applications have the advantage that it can be effectively applied to various fields, for example, the surface modification of metal and non-metallic material, the surface modification of the fiber and the rubber surface modification to enhance the dyeability and improve the adhesion.
도 1은 비금속재의 피처리물 표면을 처리하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 측단면도,1 is a side cross-sectional view showing a schematic structure of an atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generating apparatus according to an embodiment of the present invention for treating a surface of a workpiece of a nonmetallic material;
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 개략적인 평단면도,2 is a schematic cross-sectional view of the present invention shown in FIG.
도 3은 본 발명에서 금속재의 피처리물 표면을 처리하는 상태를 도시한 도 1에 대응되는 플라즈마 발생장치의 다른 실시예를 도시한 단면도,3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the plasma generating apparatus corresponding to FIG. 1 showing a state of treating a workpiece surface of a metal material in the present invention;
도 4는 본 발명의 벌크 플라즈마를 이용한 LCD 글래스의 친수성 표면처리전과 처리시간에 따른 물방울의 접촉각(contact angle)변화를 도시한 사진,4 is a photograph showing a change in contact angle of water droplets before and after hydrophilic surface treatment of LCD glass using bulk plasma of the present invention;
도 5는 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 전원극과 접지극 사이에서 방전된 커튼 플라즈마를 이용하여 LCD글래스의 친수성 표면처리전과 처리시간에 따른 물방울의 접촉각변화를 도시한 사진,5 is a photograph showing a change in contact angle of water droplets before and after hydrophilic surface treatment of LCD glass using curtain plasma discharged between a power supply electrode and a ground electrode in the plasma generating apparatus of the present invention;
도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 측단면도,6 is a side cross-sectional view of a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention;
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 전극배치구조로서 전원극과 접지극 및 이를 지탱하는 테프론 가이드와 금속챔버의 분해상태를 도시한 사시도,FIG. 7 is a perspective view illustrating an exploded state of a power source electrode and a ground electrode, a Teflon guide and a metal chamber supporting the same as an electrode arrangement structure of a plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention;
도 8은 도 7의 결합상태 단면도이다.8 is a cross-sectional view of the coupled state of FIG.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 전원극 2 : 접지극1: power pole 2: ground electrode
3 : 유전체막 3a : 연장부3: dielectric film 3a: extension part
5 : 유전체막 6 : 가스유입경로5: dielectric film 6: gas flow path
7 : 가스방출용 오리피스 7a : 함몰부7: gas discharge orifice 7a: depression
10 : 피처리물 12 : 차폐판10: to-be-processed object 12: shielding plate
14 : 테프론 가이드 16 : 금속챔버14: Teflon guide 16: metal chamber
B : 베이스 플레이트 C : 유전체막B: base plate C: dielectric film
g : 방전간극 h : 방전간극의 높이g: discharge gap h: height of discharge gap
M : 임피던스 매칭 박스 P : RF전원M: Impedance Matching Box P: RF Power Supply
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