KR100488359B1 - 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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.

Description

대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치 {Atmospheric Pressure Parallel Plate Bulk Plasma Generator}

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

본 발명은 또, 상기와는 반대로 전원극을 접지시키고, 접지극에 전원을 인가하여도 벌크 플라즈마가 발생하는 것을 발견하였다.

이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 측단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 평단면도이다.

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.

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.

도면중 부호 M은 임피던스 매칭 박스이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 벌크 플라즈마 발생장치를 도시한 단면도이다.

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.

또한, 본 실시예에서는 상기 접지극(2)의 하단에 아크 및 스트리머를 방지하며 안정적인 플라즈마를 발생시키기 위하여 유전체막(5)을 부착하였다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

도 1은 비금속재의 피처리물 표면을 처리하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 측단면도,

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 개략적인 평단면도,

도 3은 본 발명에서 금속재의 피처리물 표면을 처리하는 상태를 도시한 도 1에 대응되는 플라즈마 발생장치의 다른 실시예를 도시한 단면도,

도 4는 본 발명의 벌크 플라즈마를 이용한 LCD 글래스의 친수성 표면처리전과 처리시간에 따른 물방울의 접촉각(contact angle)변화를 도시한 사진,

도 5는 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 전원극과 접지극 사이에서 방전된 커튼 플라즈마를 이용하여 LCD글래스의 친수성 표면처리전과 처리시간에 따른 물방울의 접촉각변화를 도시한 사진,

도 6은 본 발명의 또다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 측단면도,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 플라즈마 발생장치의 전극배치구조로서 전원극과 접지극 및 이를 지탱하는 테프론 가이드와 금속챔버의 분해상태를 도시한 사시도,

도 8은 도 7의 결합상태 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 전원극 2 : 접지극

3 : 유전체막 3a : 연장부

5 : 유전체막 6 : 가스유입경로

7 : 가스방출용 오리피스 7a : 함몰부

10 : 피처리물 12 : 차폐판

14 : 테프론 가이드 16 : 금속챔버

B : 베이스 플레이트 C : 유전체막

g : 방전간극 h : 방전간극의 높이

M : 임피던스 매칭 박스 P : RF전원

Claims (9)

1. 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 함몰되게하며 함몰부(7a)로 연통된 가스방출용 오리피스 (7)와, 함몰부(7a)에서 접지극(2)의 하단까지 접지극(2)의 표면보다 낮게 단을 주어 형성한 방전간극(g)을 포함하여 이루어지며, 상기 전원극(1)과 접지극(2)사이의 방전간극(g)에서 안정한 플라즈마 소스(커튼 플라즈마)를 만들면서 전원극(1)의 밑면과 전기적으로 접지된 피처리물(10)사이에서 벌크 플라즈마가 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.
2. 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 전원극(1)의 내부로 형성되는 가스유입경로(6)와, 이 가스유입경로(6)의 하단에서 전원극(1)의 내측 표면으로 일정간격씩 평행하게 관통되고 그 말단은 전원극(1)의 표면에서 내측으로 함몰되게 함몰부(7a)로 연통된 가스방출용 오리피스 (7)와, 상기 함몰부(7a)에서 전원극(2)의 하단까지 접지극(2)의 표면보다 낮게 단을 주어 형성한 방전간극(g)을 포함하여 이루어지며, 상기 전원극(1)과 접지극(2)사이의 방전간극(g)에서 안정한 플라즈마 소스(커튼 플라즈마)를 만들면서 전원극(1)의 밑면과 전기적으로 접지된 피처리물(10)사이에서 벌크 플라즈마가 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 전원극(1)과 접지극(2)하부의 둘레에는 반응가스가 후방의 전원극(1)과 피처리물(10)사이로 공급될 수 있도록 도전성이 없는 차폐판(12)을 설치한 것을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 전원극(1)과 접지극(2)의 폭은 50mm~1500mm인 것을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 RF전원(P)은 2MHz~60MHz의 고주파전원임을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 전원극(1)의 외측에는 전원극(1)과 동일한 좌우 폭을 갖는 부가전원극 (1')을 전원극(1)과 전기적으로 접속된 상태로 부착시켜 부가전원극(1')의 전후폭만큼 전원극(1)과 피처리물과의 대향면적을 크게 한 것을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.
9. 청구항 2에 있어서,

   상기 접지극(2)의 하단에는 유전체막(5)이 부착되는 것을 특징으로 하는 대기압 저온 평판형 벌크 플라즈마 발생장치.