KR20030080741A - Atmospheric Pressure Parallel Plate Plasma generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치에 관한 것으로, 상세히는 기존의 대기압 저온 플라즈마장치에서 사용하던 고가의 헬륨가스 대신 아르곤가스 또는 아르곤/산소가스를 반응가스로 사용하더라도 대기압 하에서 낮은 온도를 안정적으로 유지할 수 있고, 장시간 방전이 안정적으로 이루어지며, 특별한 이그니션 조건없이 13.56MHz의 RF전원만으로도 글로우 플라즈마를 발생시킬 수 있도록 전극 내부를 경유하여 반응가스를 방전간극으로 공급하되 가열수단에 의해 이 반응가스의 온도를 최적화시킴으로써 가능하도록 한 것이다.The present invention relates to an atmospheric low temperature flat plate plasma generating apparatus, and in detail, even if argon gas or argon / oxygen gas is used as a reaction gas instead of the expensive helium gas used in the conventional atmospheric low temperature plasma apparatus, the low temperature is stably maintained. It is possible to stably discharge for a long time and supply the reaction gas to the discharge gap through the inside of the electrode so that the glow plasma can be generated by the RF power of 13.56 MHz without any special ignition condition. This is made possible by optimizing.
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.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.
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 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 이온화시키는데 있고, 이를 유지할 수 있도록 하기 위해서는 전기장으로부터 충분한 에너지를 공급받아야 한다. 이를 위해 많은 산업용 플라즈마는 진공에 가까운 저압을 유지하여 전자가 원자나 분자의 이온화를 시켜 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 진공 하에서 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 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 and ionize, 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 so that electrons can 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, the same effect as a glow plasma in a vacuum cannot be obtained. 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 전원으로 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 아르곤 하에서 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 flat plate electrode with a 13.56 MHz power source 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 under argon, the technique of generating a glow plasma without generating arcs and strong streamers has a special condition. in need. 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.
따라서, 본 발명의 목적은 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 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to use argon / oxygen gas as a reaction gas instead of the conventional helium / oxygen gas, and to maintain a low temperature under atmospheric pressure stably, and to discharge for a long time stably, even without a special ignition condition only RF power supply It is an object of the present invention to provide an atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generator capable of generating a glow plasma.
즉, 본 발명은 간편한 시스템으로 이루어져 있고 저렴한 가격으로 제작 및 사용이 가능하면서 대기압 하에서 반도체를 비롯한 각종 재료 및 물질의 표면처리효율이 높은 유효한 글로우 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 반도체 박막이나 LCD위의 유기물 세정이나 유해가스의 제거 등을 위한 각종 유기물제거에 유효한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치를 제공하는데 있다.That is, the present invention consists of a simple system and can be produced and used at a low price, and can generate an effective glow plasma having high surface treatment efficiency of various materials and materials including semiconductors under atmospheric pressure, and organic materials on a semiconductor thin film or LCD. The present invention provides an atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generating apparatus effective for removing various organic substances for cleaning or removal of harmful gases.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여 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 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention has a pair of power poles and a ground pole, one side of which is connected to an RF power source and the other side of which is grounded to face each other and spaced apart from each other. A dielectric film formed between the dielectric film and an intermediate dielectric for forming a discharge gap in the lower portion between the two power supply electrodes and the ground electrode, and a gas formed inside the ground electrode for supplying a reaction gas to the discharge gap. A plurality of gas discharge orifices which are passed through the inflow path and the lower end of the gas inflow path in parallel to the discharge gap at predetermined intervals along the width direction, and are installed on the ground electrode and supplied to the discharge gap through the ground electrode; And a heating means for preheating the gas. The present invention provides an atmospheric pressure low-temperature flat-plate plasma generator for applying and supplying a small amount of oxygen to a reaction gas, in particular, argon gas or argon gas, which is an inert gas as the gas inlet path, to maximize plasma of an amount of active radicals.
본 발명은 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 있게 된다.The present invention 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 is not limited to the length of the electrode, that is, the width of the material or material to be processed. Even if it is increased, 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 the temperature of the reaction gas supplied to the discharge gap by the heating means is increased. By increasing, 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.
본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치를 사용하여 피처리물 위의 유기물제거는 유기물의 산화를 통해서 이루어지는데, 이때 유기물의 산화는 온도가 높을수록 빨리 이루어지게 된다. 이를 다시 설명하면, 이상기체의 상태방정식(PV=nRT)에서 부피는 온도에 비례하므로 대기압(1기압)을 유지하고 있을때, 가열수단에 의해 반응가스의 온도를 높이면 부피가 늘어나게 되며, 이는 가스입자간의 거리가 증가하는 것을 의미하는바, 전자가 전기장으로 가속받아서 진행할 수 있는 평균자유행로가 늘어나게 되어 방전전압이 낮아지는 효과를 가져오게 되고, 이와 병행하여 파워 밀도도 높일 수 있게 된다. 이처럼 적은 파워로 이러한 높은 파워 밀도를 갖는다는 것은 글로우 방전 플라즈마를 안정화하고 유지하는데 필수적인 것이다. 이는 파워를 높일수록 RF전압이 상승하여 아르곤 같은 가스의 방전을 불안정하게 만드는 요인이 되며, 활성라디칼을 얻기 위해 산소를 첨가할 경우 플라즈마는 소멸되어 버리기 때문이다.The removal of organic matter on the object to be processed using the atmospheric plasma generator of the present invention is performed through the oxidation of the organic material, wherein the oxidation of the organic material is made faster the higher the temperature. In other words, in the state equation (PV = nRT) of the ideal gas, since the volume is proportional to temperature, when the atmospheric pressure (1 atm) is maintained, the volume increases when the temperature of the reaction gas is increased by the heating means. This means that the distance between the bars increases, the average free path that electrons can be accelerated by the electric field is increased, resulting in the effect of lowering the discharge voltage, in parallel with the power density can be increased. Having such a high power density at such a low power is essential to stabilize and maintain the glow discharge plasma. This is because as the power is increased, the RF voltage increases, which causes the discharge of gas such as argon to become unstable, and when oxygen is added to obtain active radicals, the plasma disappears.
또, 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 유기물의 처리효율을 높일 수 있도록 바람직하게는 반응가스로서 아르곤가스와 함께 미량의 산소가스를 공급함으로써 활성라디칼을 다량으로 생산시킬 수 있다.In addition, in order to increase the treatment efficiency of the organic material in the plasma generating apparatus of the present invention, a large amount of active radicals can be produced by supplying a small amount of oxygen gas together with argon gas as a reaction gas.
본 발명에서는 반응가스의 주입방식을 접지극의 내부를 통하게 하고, 이와 동시에 반응가스의 온도를 조절하며, 반응가스에 미량이 산소를 추가함으로써 기존의 높은 파워와 낮은 파워밀도를 갖는 아르곤/산소 플라즈마 발생을 낮은 파워와높은 파워밀도를 갖는 아르곤/산소 평판 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 접지극의 내부에 형성된 오리피스를 통해 방전간극의 전 범위에 걸쳐 균일하게 반응가스를 공급함으로써 보다 넓은 폭에서 적은 파워로 플라즈마를 생성하도록 하게 하고, 활성라디칼의 양을 극대화 함으로써 적은 소비전력으로 높은 처리효과를 낼 수 있게 된다.In the present invention, the injection method of the reaction gas is made through the inside of the ground electrode, and at the same time, the temperature of the reaction gas is controlled, and a small amount of oxygen is added to the reaction gas to generate an argon / oxygen plasma having a high power and a low power density. It is possible to generate an argon / oxygen flat plasma having a low power and a high power density, and to supply the reaction gas uniformly over the entire range of the discharge gap through an orifice formed inside the ground electrode, thereby reducing plasma at a wider width and less power. By maximizing the amount of active radicals, it is possible to produce a high treatment effect with low power consumption.
본 발명에서 상기 반응가스를 가열시키기 위한 가열수단은 접지극의 일측에 블럭형태의 발열체를 설치하여 접지극 자체를 가열시켜 줌으로써 접지극의 내부에 형성된 가스유입경로를 통과하는 반응가스를 간접적으로 가열시키는 것이거나, 또는 접지극 내부를 통해 형성된 가스유입경로 내부에 코일형태로 감겨진 열선을 접지극과 절연상태가 되게 삽입시켜 반응가스가 열선과 직접 접촉하여 직접적으로 가열시키는 방식을 사용할 수 있다.In the present invention, the heating means for heating the reaction gas is to indirectly heat the reaction gas passing through the gas inlet path formed inside the ground electrode by installing a block-type heating element on one side of the ground electrode to heat the ground electrode itself; Alternatively, the coil may be inserted into the gas inlet path formed through the ground electrode to be insulated from the ground electrode so that the reaction gas is directly in contact with the heating wire and directly heated.
또한, 반응가스를 간접적으로 가열시키는 경우에는 가스유입경로를 지그재그식으로 형성하여 경로를 길게 함으로써 반응가스의 충분한 가열이 가능하도록 하거나, 반응가스와의 접촉면적을 최대화시키기 위하여 가스유입경로의 단면형상을 다수개의 핀 또는 홈이 돌출된 형태로 제작할 수 있다.In addition, when indirectly heating the reaction gas, the gas inlet path is formed in a zigzag manner to lengthen the path to allow sufficient heating of the reaction gas or to maximize the contact area with the reaction gas. It can be produced in the form of a plurality of pins or grooves protruding.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 단면도,1 is a 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;
도 2는 도 1의 A - A선 단면도,2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of FIG.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing a schematic structure of an atmospheric pressure low temperature flat plate plasma generating apparatus according to another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
1 : 전원극 2 : 접지극1: power pole 2: ground electrode
3,4 : 유전체막 5 : 중간 유전체3,4 dielectric film 5: intermediate dielectric
6 : 가스유입경로 7 : 오리피스6 gas inlet path 7 orifice
8 : 가열수단 9 : 오리피스8 heating means 9 orifice
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
이하, 본 발명을 한정하지 않는 바람직한 실시예들을 첨부된 도면에 의하여상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments that do not limit the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명에 의한 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치의 개략구조를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 A - A선 단면도이다.1 is a cross-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 cross-sectional view taken along line AA of FIG.
상기 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명은 일측은 RF전원(P)에 연결되고 타측은 접지되며 서로 이격된 상태로 마주보도록 설치되는 한쌍의 전원극 및 접지극(1,2)과, 양측 전원극 및 접지극(1,2)의 내측면에 각각 설치되는 유전체막 (3,4)과, 이 유전체막(3,4)의 사이에 설치되어 양측 전원극 및 접지극(1,2)사이의 내측 하부에 방전간극(g)을 형성시키기 위한 중간 유전체(5)와, 상기 방전간극(g)으로 반응가스를 공급하기 위하여 상기 접지극(2)의 내부에 형성되는 가스유입경로 (6) 및 이 가스유입경로(6)의 하단에서 상기 방전간극(g)을 향해 폭방향으로 일정간격씩 평행하게 관통 형성되는 다수의 가스방출용 오리피스(7)와, 상기 접지극(2)측에 설치되어 상기 가스유입경로(6)로 유입되는 반응가스의 온도를 조절하기 위한 가열수단(8)을 포함하여 이루어져 있다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the present invention has a pair of power poles and ground poles 1 and 2, one side of which is connected to the RF power source P and the other side of which is grounded and facing each other in a state spaced apart from each other. And dielectric films 3 and 4 provided on the inner surfaces of both power poles and ground electrodes 1 and 2, and the dielectric films 3 and 4 provided between the two power poles and ground electrodes 1 and 2, respectively. An intermediate dielectric (5) for forming a discharge gap (g) in the inner lower part of the gap; and a gas inflow path (6) formed inside the ground electrode (2) for supplying a reaction gas to the discharge gap (g). And a plurality of gas discharge orifices 7 formed in parallel in the width direction from the lower end of the gas inflow path 6 toward the discharge gap g in the width direction, and on the ground electrode 2 side. It comprises a heating means (8) for controlling the temperature of the reaction gas flowing into the gas inlet path (6) The.
도면중 부호 M은 임피던스 매칭 박스이고, 부호 9는 접지극(2)의 내측에 설치된 유전체막(4)의 하부에 형성된 오리피스로서, 상기 접지극(2)의 하부에 형성된 오리피스(7)와 동일한 위치에 형성되어 반응가스가 방전간극(g)으로 공급가능하도록 하게 된다.In the figure, reference numeral M denotes an impedance matching box, and reference numeral 9 denotes an orifice formed in the lower portion of the dielectric film 4 provided inside the ground electrode 2, and is located at the same position as the orifice 7 formed in the lower portion of the ground electrode 2. It is formed so that the reaction gas can be supplied to the discharge gap (g).
상기 전극(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 그 폭은 50mm 내지 크게는 1500mm까지 제작할 수 있다.The electrodes 1 and 2 may be made of a metal such as aluminum alloy or stainless steel, and the thickness and width thereof may be designed to generate an optimal plasma according to the intended use. ), The gas inlet path 6 and the gas discharge orifice 7 is formed therein, so the design should take this into account, and the width thereof can be manufactured from 50mm to largely 1500mm.
상기 전극에 고주파전력을 인가하는 RF전원(P)은 2MHz~60MHz, 바람직하게는 13.56MHz대역의 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 극대화 시킨 플라즈마를 발생시킬 수 있다.RF power supply P for applying high frequency power to the electrode uses a high frequency power of 2MHz ~ 60MHz, preferably 13.56MHz band, the gas inlet path (6) formed inside the ground electrode (2) up to 20 l / min By supplying only argon or helium gas, or supplying a reaction gas containing a small amount of oxygen or nitrogen gas to these gases, it is possible to generate a plasma to maximize the amount of active radicals.
상기 유전체막(3,4)은 도체인 전극(1,2)만을 사용하여 전압을 가하게 될 때 아크가 발생하는 것을 방지하기 위한 것으로 통상 알루미나(Al2O3), 석영(SiO2)등을 사용한다.It said dielectric film (3, 4) is generally an alumina (Al 2 O 3) as to prevent the arc is generated when applies a voltage using only the conductive electrodes (1, 2), quartz (SiO 2), etc. use.
본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치에서 반응가스로 아르곤가스만을 사용하더라도 아르곤플라즈마가 공기중의 산소를 활성화시켜 유기물을 제거할 수 있으나, 실제 유기물제거와 각종 물질의 표면처리를 위해서는 다량의 산소라디칼을 발생시켜주어야 하므로 아르곤가스에 미량의 산소(최대 2%정도)의 산소를 공급해 줌으로써 유기물의 처리 효율을 극대화시킬 수 있다.Although only argon gas is used as the reaction gas in the atmospheric pressure plasma generator of the present invention, argon plasma can activate organic oxygen to remove organic matters, but a large amount of oxygen radicals are generated for actual organic matter removal and surface treatment of various materials. Since it is necessary to supply a small amount of oxygen (up to about 2%) to argon gas, it is possible to maximize the treatment efficiency of organic matter.
또한, 상기한 가열수단(8)은 상기 접지극(2)측에 설치되어 접지극(2)의 내부에 형성된 가스유입경로(6)를 통해 하부의 가스방출용 오리피스(7)를 통해 양측 전원극과 접지극(1,2)사이에 형성된 방전간극(g)으로 공급되는 반응가스를 최대 200℃까지 예열시켜서 방전간극(g)으로 공급하므로써 낮은 방전전압에서 초기방전을 용이하게 할 수 있는데, 이는 이상기체의 상태방정식(PV=nRT)에서 부피는 온도에 비례하므로 대기압을 유지하고 있을때 온도를 높이면 부피가 늘어나게 되며, 이는 가스입자간의 거리가 증가하는 것을 의미하는바, 전자가 전기장으로 가속받아서 진행할 수 있는 평균자유행로가 늘어나게 되어 방전전압이 낮아지는 효과를 가져오게 되며, 반응가스의 온도가 100~200℃로 예열된 경우 방전간극(g)에서 발생된 플라즈마 라디칼의 온도는 100℃정도가 되어 유기물이 산소 라디칼과 결합함으로써 파워밀도를 높일 수 있게 된다.In addition, the heating means (8) is installed on the ground electrode (2) side through the gas inlet path (6) formed in the ground electrode (2) through the lower gas discharge orifice (7) and both power supply poles and By preheating the reaction gas supplied to the discharge gap (g) formed between the ground electrodes (1, 2) up to 200 ° C and supplying it to the discharge gap (g), it is possible to facilitate initial discharge at low discharge voltage. In the state equation of (PV = nRT), the volume is proportional to the temperature, so when the atmospheric pressure is maintained, increasing the temperature increases the volume, which means that the distance between the gas particles increases. As the average free path increases, the discharge voltage is lowered. When the temperature of the reaction gas is preheated to 100 to 200 ° C., the temperature of the plasma radicals generated in the discharge gap (g) is 100 ° C. The degree it is possible to increase the power density of the organic material by combining with oxygen radicals.
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 10mm 내지 20mm정도가 적합하다. 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 10 mm to 20 mm. The reason why the height h of the discharge gap is made small as described above is to improve the power efficiency. This is because the discharge area of the electrode is reduced to decrease the capacitance, so that a large voltage per unit area is applied, thereby making initial discharge easier. 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.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서 반응가스를 예열시키기 위한 가열수단(8)은 접지극(2) 외측에 별도로 구비되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 접지극과 일체로 형성할 수 있는데, 이는 열선을 접지극 내부에 절연상태로 삽입하는 것으로도 가능하다. 또 가열수단(80)의 온도는 100~300℃까지 도면상에 도시되지 않는 통상의 온도조절기를 이용하여 온도조절이 가능하도록 할 수 있는데, 이에 의해 생성되는 플라즈마의 온도는 200~300℃, 플라즈마 밀도는 1011~1012/㎤정도가 된다.1 and 2, the heating means 8 for preheating the reaction gas is provided separately to the outside of the ground electrode 2, the present invention is not limited to this may be formed integrally with the ground electrode, It is also possible to insert the hot wire insulated inside the ground electrode. In addition, the temperature of the heating means 80 can be controlled to a temperature using a conventional temperature controller not shown in the drawings up to 100 ~ 300 ℃, the temperature of the plasma generated by this is 200 ~ 300 ℃, plasma The density is about 10 11 to 10 12 / cm 3.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 도시한 것으로, 본 실시예에서는 가열수단(8)으로 접지극(2) 내부를 통해 형성된 가스유입경로(6) 내부에 코일형태로 감겨져 설치된 열선을 사용하여 접지극(2)과 절연상태가 되게 삽입시켜 반응가스가 열선 즉, 가열수단(8)과 직접 접촉하여 반응가스의 온도를 직접적으로 상승시키도록 되어 있다.3 illustrates another embodiment of the present invention. In this embodiment, a grounding electrode is formed by using a heating wire wound and wound in a coil shape inside a gas inflow path 6 formed through the ground electrode 2 as a heating means 8. It is inserted so as to be insulated from (2) so that the reaction gas is in direct contact with the hot wire, that is, the heating means 8, so as to directly raise the temperature of the reaction gas.
본 발명은 상기한 실시예의 도면이나 설명에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 위에서 설명된 본 발명의 원리와 개념을 벗어나지 않고도 방전간극으로 공급되는 반응가스를 효과적으로 가열시키기 위한 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-described embodiments, and the reaction gas supplied to the discharge gap without departing from the principles and concepts of the present invention described above by those skilled in the art to which the present invention pertains. Various modifications and imitations are possible for effective heating, and such various modifications and imitations are obviously within the scope of the present invention.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치는 반응가스를 접지극의 내부에 형성된 가스유입경로를 통하여 주입하여 가스유입경로 하부에서 폭방향으로 일정간격으로 형성된 오리피스를 통해 방전간극으로 공급하면서 이와 동시에 접지극측에 설치된 가열수단에 의해 반응가스의 온도를 예열시켜 공급함으로써 전체 시스템의 크기를 줄일 수 있고, 낮은 방전전압 하에서 초기방전이 가능하게 되며, 반응가스로는 기존 고가의 헬륨/산소가스 대신 값싼 아르곤/산소가스를 사용하여 대기압 하에서 방전이 가능하며, 이렇게 발생시킨 대기압 저온 평판 플라즈마는 실제 온라인 공정하에서 효과적으로 사용이 가능하고, 그 산업적 응용의 가능성들은 예를 들면, 금속 및 비금속물질의 표면개질, 플라스틱과 같은 물질에 세라믹 및 기능성 고분자와 같은 유기물의 증착, 전자부품과 반도체 웨이퍼 및 PCB기판의 오염물질의 세정, 섬유의 표면개질 및 고무의 표면개질을 통한 염색성 강화 및 접착력의 향상, 화학 및 생물학적으로 유해가스처리 및 살균처리, 각종 재료에 산화막 증착, 극자외선 소스 등 재료, 환경, 전기·전자의 다양한 분야에 응용할 수 있다.As described above, the atmospheric low temperature flat plate plasma generating apparatus of the present invention injects the reaction gas through the gas inlet path formed in the ground electrode, and supplies the reaction gas to the discharge gap through the orifices formed at a predetermined interval in the width direction under the gas inlet path. At the same time, by preheating and supplying the temperature of the reaction gas by the heating means installed on the ground electrode side, it is possible to reduce the size of the whole system and to make the initial discharge under low discharge voltage, and the reaction gas is cheaper than the expensive helium / oxygen gas. It is possible to discharge under atmospheric pressure using argon / oxygen gas, and the atmospheric low temperature flat plate plasma generated in this way can be effectively used under actual on-line process, and the possibilities of industrial application are, for example, surface modification of metal and nonmetallic materials, Ceramic on materials such as plastic Deposition of organic materials such as functional polymers, cleaning of contaminants in electronic components and semiconductor wafers and PCB substrates, enhanced dyeing and adhesion through surface modification of fibers and surface modification of rubber, chemical and biological harmful gas treatment and sterilization It can be applied to various fields such as oxide film deposition on various materials, extreme ultraviolet light source, environment, and electric / electronic.
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