KR20070051388A - 분사 조절판 및 대기압 플라즈마를 이용한 오존 및 라디칼발생장치 - Google Patents

분사 조절판 및 대기압 플라즈마를 이용한 오존 및 라디칼발생장치 Download PDF

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Abstract

대기압 하에서 플라즈마 가공을 안정하게 제공할 수 있는 오존 및 라디칼 발생장치가 개시된다. 오존 및 라디칼 발생장치는 피처리물의 상부에 위치하여 고주파 전원이 인가되는 기둥 형상의 전원극, 전원극의 둘레를 덮는 유전체 막, 유전체 막에 둘러싸인 전원극의 상부를 수용하는 접지 몸체, 피처리물과 전원극 사이에서 전원극으로부터 소정의 간격만큼 이격되도록 위치하며 전원극의 하부 형상에 대응하여 오목하게 형성되고 상하로 관통하는 복수개의 분사 노즐을 포함하는 분사용 접지판, 및 전원극과 분사용 접지판 사이로 반응가스를 제공하기 위한 가스 유입부를 포함한다. 분사 노즐을 이용함으로써 플라즈마를 안정하게 형성할 수 있으며, 플라즈마를 꺼트리지 않으면서 오존이나 라디칼을 균일하게 제공할 수 있다. 또한, 다량의 활성가스를 공급하는 것이 가능하기 때문에 플라즈마를 이용한 처리속도도 향상시킬 수가 있다.
대기압 플라즈마, 분사 노즐, 라디칼

Description

분사 조절판 및 대기압 플라즈마를 이용한 오존 및 라디칼 발생장치 {APPARATUS FOR GENERATING OZONE AND RADICAL ION UTILIZING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA AND PLASMA JET PLATE}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 제1 실시예에 따른 플라즈마 발생장치의 작동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 발생장치를 도시한 단면도이다.
도 5는 제2 실시예에 따라 플라즈마 발생장치가 작동하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100,200：플라즈마 발생장치 110,210：전원극
120,220：유전체 막 130,230：접지 몸체
140,240：분사용 접지판 150,250：가스 유입부
본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는, 대기압 하에서 안정된 글로우 방전 플라즈마의 도달거리를 증가시킬 수 있는 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마(Plasma)는 이온화된 기체로서, 플라즈마를 구성하는 입자들은 기체, 액체, 고체 등의 에너지 장벽을 쉽게 뛰어 넘어 원자 및 분자 사슬을 끊고, 새로운 분자 및 원자를 재결합할 수 있다. 따라서 플라즈마는 다른 방법으로는 도달하기 어려운 화학반응성과 물리반응성을 쉽게 제공한다는 이점이 있으며, 이러한 이점으로 인해 여러 산업 분야에서 널리 사용되고 있다.
실제로 현대 산업에서 플라즈마의 응용기술은 고기능, 고강도, 고가공성을 요구하는 물질에서부터, 각종 소재의 표면처리, 이온주입, 유기-무기막 증착 및 제거, 세정작업, 독성물질의 제거, 살균 등 첨단재료나 전자, 환경산업에 이르기까지 많은 분야에서 시도되고 있다. 또한, 플라즈마 가공기술은 기존의 기계가공기술의 한계를 쉽게 뛰어 넘을 수 있기 때문에 미세 패턴이 필요한 반도체, LCD, MEMS 등에서는 제품 및 부품을 제조하는 핵심장비로서 현대 산업공정에서 사용되고 있다.
또한, 저온 플라즈마를 진공이 아닌 대기압 조건에서 연속 공정으로 사용할 수 있게 됨으로써, 기존의 진공 플라즈마 시스템에서는 구현하기 어려웠던 연속공정 및 자동화 공정을 실현할 수 있게 되었다. 하지만, 대기압 플라즈마를 발생하 는 경우, 주위 기압의 증가는 전자 자유운동 거리(mean free path)를 현저히 감소시킬 수 있으며, 대기압에서의 전기 방전은 아주 강한 전장을 요구하기 때문에 진공 방전에 비해 엄청나게 큰 전압을 필요로 하고 있다. 실제로 전극 주변에 유전체를 사용한다고 하더라도 대기압 플라즈마는 플라즈마가 피처리물에 도달할 수 있는 거리가 약 3~5mm 정도 제한되어 있으며, 평면 상태가 아닌 3차원 형태의 다양한 피처리물을 처리하는데 제한이 따른다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 목적은 전극 및 피처리물 간의 간격이 크더라도 플라즈마를 꺼트리지 않고 플라즈마 처리를 균일하게 제공할 수 있는 오존 및 라디칼 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 다량의 활성가스를 공급하여도 안정된 플라즈마를 생성할 수 있는 오존 및 라디칼 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 대기압에 노출되어도 주변의 변화와는 무관하게 안정된 플라즈마 처리를 수행할 수 있는 오존 및 라디칼 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 다양한 형상의 3차원 형상의 피처리물도 처리할 수 있는 오존 및 라디칼 발생장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적은 피처리물의 비금속 재질로 구성되어도 별도의 접지를 필요로 하지 않는 오존 및 라디칼 발생장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 오존 및 라디칼 발생장치는 기둥형의 전원극, 유전체 막, 접지 몸체, 분사용 접지판 및 가스 유입부를 포함한다. 유전체 막은 전원극의 둘레에 제공되며, 전원극에 고주파 전원이 인가됨에 따라 전원극 및 분사용 접지판 사이로는 플라즈마가 발생된다. 가스 유입부를 통해 산소 또는 활성 가스가 공급되면서, 오존이나 라디칼 등이 발생하게 되며, 발생한 오존이나 라디칼은 분사용 접지판의 분사 노즐을 통해 아래를 향해 분사될 수 있다.
전원극 및 분사용 접지판 사이의 간격이 상대적으로 좁기 때문에 안전한 플라즈마를 생성할 수 있으며, 상대적으로 많은 양의 산소나 활성 가스를 공급하여 종래에 비해 다량의 오존이나 라디칼을 생성할 수가 있다. 이렇게 오존이나 라디칼의 생성이 증가함에 따라 이들 생성물이 피처리물까지 도달하는 거리를 길게 유지할 수 있으며, 실제로 약 3~5mm 정도에만 유효하던 종래의 플라즈마 도달거리를 약 15mm 또는 그 이상까지 연장하는 것이 가능하다.
전원극의 하부에는 분사용 접지판이 소정의 간격을 유지하며 제공되고, 이를 위해 분사용 접지판은 대체로 전원극 형상에 대응하여 반원통, 납작한 사각기둥, 반다각기둥 형상으로 오목하게 형성된 대향 접지면(facing ground surface)을 포함할 수 있다. 대향 접지면은 전원극의 표면에 대해 거의 일정한 거리만큼 이격되어 있으며, 대향 접지면 및 전원극 사이에서 고르게 플라즈마를 발생시킬 수가 있다.
대향 접지면의 중앙 부분에서 분사용 접지판을 상하로 관통하는 복수개의 분사 노즐(jetting nozzle)이 형성된다. 분사 노즐은 분사용 접지판의 상부에서 형성된 플라즈마 생성물을 분사용 접지판 하부로 전달하는 통로로 기능을 하며, 대향 접지면과 전원극 사이의 거리보다 작은 직경을 가짐으로써 플라즈마 생성물을 빠른 속도로 분사하는 노즐로서 기능을 할 수 있다. 이러한 분사 노즐에 의해서 플라즈마 또는 플라즈마 생성물은 먼 거리까지 도달할 수 있으며, 분사용 접지판의 저면 및 피처리물 간의 간격이 약 5~20mm 정도가 되어도 안정하게 플라즈마 처리를 수행할 수가 있다.
또한, 분사 노즐은 하나 또는 그 이상의 열로 전원극의 길이 방향으로 형성될 수 있으며, 전원극 하부를 통과하는 피처리물 상에 대면적으로 플라즈마 처리를 제공할 수가 있다.
가스 유입부는 접지 몸체 내부에 형성되거나 접지 몸체와는 별도로 제공될 수가 있다. 가스 유입부로는 반응가스가 제공되며, 산소나 활성 가스를 포함하는 반응가스가 전원극 및 분사용 접지판 사이로 공급된다. 일반적으로 유입되는 반응가스의 양이 많을수록 플라즈마가 불안정하게 되는 경향이 있으며, 실제로 비활성 가스 및 반응가스의 혼합기체 중 반응가스의 비율이 약 0.5~2.0% 정도로 제한되었지만, 본 발명에 따르면 반응가스의 비율을 약 2.0~10%까지 증가시킬 수가 있었다. 따라서, 플라즈마를 이용한 처리속도도 증가시킬 수 있으며, 다량의 오존 또는 라디칼을 생성할 수 있기 때문에 그 플라즈마가 도달되는 영역도 넓게 형성할 수가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명한다. 하지만, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예들에 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치를 설명하기 위한 사시도이며, 도 2는 제1 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 제1 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치의 작동을 설명하기 위한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치(100)는 전원극(110), 유전체 막(120), 접지 몸체(130), 분사용 접지판(140) 및 가스 유입부(150)를 포함한다. 접지 몸체(130) 및 분사용 접지판(140)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금으로 구성되며, 분사용 접지판(140)이 접지 몸체(130)의 하부에 장착된다. 접지 몸체(130)의 하단에는 피처리물(10)의 이송방향과 수직하게 원통형의 홀(132)이 형성되며, 상기 홀(132)의 하단부는 부분적으로 개방되어 전원극(110) 및 유전체 막(120)이 함께 홀(132) 내로 삽입될 수 있다. 따라서 전원극(110) 및 유전체 막(120)의 하부가 접지 몸체(130)의 하단으로부터 노출된다.
분사용 접지판(140)의 상부로는 대향 접지면(142)이 형성된다. 대향 접지면(142)은 전원극(110) 및 유전체 막(120)의 형상에 대응하여 원통형으로 오목하게 형성되며, 유전체 막(120)으로부터 거의 일정한 간격을 유지한다. 일반적으로 대향 접지면(142) 및 유전체 막(120) 사이의 간격은 약 0.1~10mm을 유지하는 것이 좋다. 왜냐하면, 대향 접지면(142) 및 유전체 막(120) 사이가 0.1mm이하로 너무 가까우면 플라즈마의 분사 면적이 너무 작아 처리 효율이 떨어질 수가 있으며, 그 사이가 약 10mm이상으로 너무 멀면 플라즈마 분사 거리가 줄어들기 때문이다.
분사용 접지판(140)에서 대향 접지면(142)의 중앙부에 분사 노즐(144)이 형성된다. 분사 노즐(144)은 분사용 접지판(140)을 상하로 관통하며 전원극(110)을 따라 길이 방향으로 배열된다. 본 실시예에서는 분사 노즐(144)이 3개의 열로 나란하게 배치되며, 3개의 열이 나란하게 또는 어긋나게 배치될 수가 있다. 또한, 분사 노즐(144)은 원통형 또는 나팔관 형상으로 형성될 수 있다. 도면을 참조하면, 분사 노즐(144)이 아래를 향하는 나팔관 형상으로 형성되어 있으며, 플라즈마에 의해 생성된 라디칼들은 분사 노즐(144)을 통해서 피처리물(10)을 향해 넓게 분사될 수 있다. 이 외에도 분사 노즐(144)은 원기둥, 다각기둥, 타원기둥 등의 형상으로 형성될 수 있으며, 슬릿과 같이 길게 연장된 형태로도 형성될 수가 있다. 일반적으로 분사 노즐(144)은 전원극(110) 및 분사용 접지판(140) 간의 간격보다 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 대략 그 크기는 상기 간격에 대해 약 5~50%의 크기를 갖는 것이 좋다.
본 실시예에서는 분사용 접지판(140)이 접지 몸체(130)의 하부에 고정적으로 장착된다. 하지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분사용 접지판은 접지 몸체에 대해 간격 조절이 가능하도록 장착될 수 있으며, 다르게는 접지 몸체와 일체로 형성될 수도 있다.
피처리물(10)은 이송롤러에 의해서 분사용 접지판(140)의 하부를 연속적으로 통과하며, 오존 및 라디칼 발생장치(100)는 필요한 지점에서 플라즈마(I)를 생성하여 플라즈마 처리를 연속적으로 할 수가 있다.
전원극(110) 역시 원통형으로 형성되며, 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합 금 등의 금속으로 구성될 수 있다. 전원극(110)은 전원 컨트롤러와 전기적으로 연결되어 있으며, 전원 컨트롤러에 의해서 전원극(110)에는 고주파(RF) 전원이 인가될 수 있다. 전원 컨트롤러는 임피던스 매칭박스를 포함하며, 고주파 전원은 매칭박스를 통해 전원극(110)으로 전달된다.
유전체 막(120)은 알루미나, 석영, 실리콘 또는 세라믹으로 구성되며, 유전체 막(120)은 전원극(110)의 주변을 따라 형성된 절연체로서, 전원극(110)과 주변 접지극들과의 직접적인 접촉을 차단한다. 여기서 유전체 막(120)은 약 0.1~10mm의 두께로 형성된다. 유전체 막(120)은 중공의 원통형으로 성형 제작되어 원통형의 전원극(110)을 유전체 막(120)에 삽입하거나, 유전체 막(120)을 전원극(110)의 표면에 도포 또는 증착함으로써 얻을 수가 있다. 이에 따라 종래의 판형 전원극과는 달리, 원통형의 유전체 막(120)은 별도의 지지부재가 없이 유전체 막(120)이 전원극(110)을 감싸는 간단한 구조로써, 전원극(110)을 완전하게 절연할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 전원극(110)을 통해 강한 전기장을 걸더라도 절연파괴가 없어서 상대적으로 다량의 반응가스를 공급하여 충분한 양의 플라즈마를 발생할 수 있다.
접지 몸체(130)는 하나의 접지극으로서, 전원극(110) 및 유전체 막(120)을 수용하며, 접지 몸체(130)의 내부로는 가스 유입경로(150)가 형성되며, 외부로부터 유입된 반응가스는 가스 유입경로(150)를 통과하여 전원극(110) 및 분사용 접지극(140) 사이로 고르게 분산된다. 가스 유입경로(150)는 외부로부터 반응가스가 유입되는 입구 및 입구로부터 분기되어 상기 전원극(110)을 따라 양측에 형성되는 유 입로를 포함한다. 유입로의 저면은 오리피스 등을 통해 분사용 접지판(140)과 연결되어 있으며, 유입로의 반응가스가 오리피스를 통해 전원극(110) 및 분사용 접지판(140) 사이로 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 대향 접지면(142)에는 분사 노즐(144)의 주변으로 관통하지 않은 다수의 홈(146)이 형성된다. 다수의 홈(146)은 대향 접지면(142)의 면적을 증가시키기 위한 것으로서, 다량의 플라즈마가 생성되는 것을 보조할 수 있다. 본 실시예에서는 홈(146)을 형성하여 대향 접지면(142)의 면적을 증가시키지만, 다른 실시예에서는 홈이 아니 다수의 요철을 형성하여 대향 접지면(142)의 면적을 증가시킬 수가 있다.
도 3을 참조하면, 전원극(110) 및 분사용 접지판(140) 사이로 플라즈마(I)가 형성되어 있다. 물론, 플라즈마(I)는 글로우 플라즈마로서 전원극(110) 및 분사용 접지판(140) 사이에 형성되며, 반응가스로부터 형성된 오존이나 라디칼들(Ⅱ)은 분사 노즐(144)을 통해 피처리물(10)을 향해 분사된다.
실시예 2
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치를 도시한 단면도이며, 도 5는 제2 실시예에 따라 오존 및 라디칼 발생장치가 작동하는 과정을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치(200)는 전원극(210), 유전체 막(220), 접지 몸체(230), 분사용 접지판(240), 보조 플라즈마 접지극(235) 및 가스 유입경로(250)를 포함한다. 접지 몸체(230)는 보조 플라 즈마 접지극(235)는 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금으로 구성되며, 일체를 이루며 하나의 몸체를 형성한다. 접지 몸체(230)의 하단에는 피처리물(10)의 이송방향과 수직하게 원통형의 홀이 형성되며, 상기 홀의 하단부는 부분적으로 개방되어 전원극(210) 및 유전체 막(220)이 함께 홀 내로 삽입될 때, 유전체 막(220)의 일부가 접지 몸체(230)의 하단으로부터 노출된다. 따라서 전원극(210)에 의해서 플라즈마(I)가 형성될 때에도 넓은 면적에 걸쳐 플라즈마가 균일하게 형성될 수가 있다.
피처리물(10)은 이송롤러에 의해서 분사용 접지판(240)의 하부를 통과하며, 오존 및 라디칼 발생장치(200)는 필요한 지점에서 메인 플라즈마를 생성하여 플라즈마 가공처리를 연속적으로 할 수가 있다. 이때 분사용 접지판(240)과 피처리물(10) 표면 간의 거리를 약 5~20mm까지 유지할 수 있으며, 피처리물(10)이 3차원의 구조물을 갖더라도 안정적인 플라즈마 처리를 수행할 수가 있다.
전원극(210)은 원통형으로 형성되며, 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금 등의 금속으로 구성된다. 전원극(210)은 전원 컨트롤러와 전기적으로 연결되어 있으며, 전원 컨트롤러에 의해서 전원극(210)에는 고주파 전원이 인가될 수 있다. 전원 컨트롤러는 임피던스를 조절하기 위한 매칭박스를 포함하며, 고주파 전원은 상기 매칭박스를 통해 전원극(210)으로 전달된다.
접지 몸체(230)는 보조 플라즈마 접지극(235)과 일체로 형성되며, 보조 플라즈마 접지극(235)은 접지 몸체(230)로부터 노출된 전원극(210)의 측면에 인접하게 위치한다. 또한, 보조 플라즈마 접지극(235) 및 전원극(210) 간의 간극은 가스 유 입경로(250)의 출구 측에 인접하여 보조 플라즈마(Ⅲ)를 형성할 수가 있다. 전원 컨트롤러에서는 기본적으로 보조 플라즈마(Ⅲ)를 생성할 수 있는 정도의 전원이 공급되고 있으며, 전원극(210) 및 보조 플라즈마 접지극(235) 사이의 간격이 아주 좁고 면적 또한 작기 때문에 작은 파워의 전원으로도 용이하게 보조 플라즈마(Ⅲ)를 유지할 수가 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 작은 파워로는 보조 플라즈마(Ⅲ)를 유지할 수 있지만, 메인 플라즈마(I)는 생성되지 않고 있다.
유전체 막(220)은 알루미나, 석영, 실리콘 또는 세라믹으로 구성되며, 유전체 막(220)은 전원극(210)의 주변을 따라 형성된 절연체로서, 전원극(210)과 주변 접지극들과의 직접적인 접촉을 차단한다. 여기서 유전체 막(220)은 약 0.1~10mm의 두께로 형성된다. 유전체 막(220)은 중공의 원통형으로 성형 제작되어 원통형의 전원극(210)을 유전체 막(220)에 삽입하거나, 유전체 막(220)을 전원극(210)의 표면에 도포 또는 증착함으로써 얻을 수가 있다.
접지 몸체(230)는 하나의 접지극으로서, 보조 플라즈마 접지극(235)와 일체로 형성되어 있으며, 전원극(210)과 유전체 막(220)을 부분적으로 수용하고, 전원극(210)과 밀착된 관계를 유지하면서 플라즈마 생성에 필요한 캐패시턴스를 형성할 수 있다.
접지 몸체(230)의 내부로는 가스 유입경로(250)가 형성되며, 외부로부터 유입된 반응가스는 가스 유입경로(250)를 통과하여 보조 플라즈마 접지극(220) 및 전원극(210) 사이로 고르게 분산된다.
가스 유입경로(250)는 외부로부터 반응가스가 유입되는 입구 및 입구로부터 분기되어 상기 전원극(210)을 따라 일측 또는 양측에 형성되는 유입로를 포함한다. 유입로의 측면은 오리피스 등을 통해 전원극(210)으로 전달되며, 유입된 반응가스는 보조 플라즈마 접지극(240)과 전원극(210) 사이 그리고 분사용 접지판(240)과 전원극(210) 사이를 통과하면서 오존 또는 라디칼 등을 생성할 수 있다.
보조 플라즈마 접지극(235)은 작은 파워의 전원으로도 보조 플라즈마(Ⅲ)를 생성할 수 있어야 하기 때문에, 전원극(210)에 가깝게 배치되며, 상대적으로 작은 면적을 갖는다. 또한, 보조 플라즈마 접지극(235)과 전원극(210)이 서로 나란하게 배치되어 있기 때문에, 보조 플라즈마(Ⅲ)가 메인 플라즈마(I)로 전이될 때에도 전 구간에 걸친 대면적에서 신속하게 전이될 수가 있다.
분사용 접지판(240)은 전원극(210)의 하부에 위치하며, 분사용 접지판(240)의 상부로는 대향 접지면(242)이 형성된다. 대향 접지면(242)은 전원극(210)의 형상에 대응하여 원통형으로 오목하게 형성되며, 유전체 막(220)으로부터 거의 일정한 간격을 유지한다.
분사용 접지판(240)에서 대향 접지면(242)의 중앙부에 분사 노즐(244)이 형성된다. 분사 노즐(244)은 분사용 접지판(240)을 상하로 관통하며 전원극(210)을 따라 길이 방향으로 배열된다. 본 실시예에서는 분사 노즐(244)이 4개의 열로 나란하게 배치되며, 3개의 열이 나란하게 또는 어긋나게 배치될 수가 있다. 또한, 분사 노즐(244)은 원통형으로 형성되어 있으며, 플라즈마에 의해 생성된 라디칼들은 분사 노즐(244)을 통해서 피처리물(10)을 향해 넓게 분사될 수 있다. 이 외에도 분사 노즐(244)은 원기둥, 다각기둥, 타원기둥 등의 형상으로 형성될 수 있으 며, 슬릿과 같이 길게 연장된 형태로도 형성될 수가 있다. 일반적으로 분사 노즐(244)은 전원극(210) 및 분사용 접지판(240) 간의 간격보다 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 대략 그 크기는 상기 간격에 대해 약 5~50%의 크기를 갖는 것이 좋다.
분사용 접지극(240)은 전원극(210)의 고주파 전원에 대응하여 메인 플라즈마(I)를 생성할 수 있으며, 전원극(210)에 인가되는 전원이 일정 파워 이상으로 증가하면 전원극(210) 및 분사용 접지판(240) 사이에 강한 전기장이 형성되고, 강한 전기장에 의해서 메인 플라즈마(I)가 생성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 전원극(210) 및 분사용 접지판(240) 사이에 메인 플라즈마(I)가 형성되어 있다. 물론, 메인 플라즈마(I)와 함께 전원극(210) 및 보조 플라즈마 접지극(235) 사이에는 보조 플라즈마(Ⅲ)가 형성되어 있다. 메인 플라즈마(I)는 글로우 플라즈마로서, 피처리물이 전원극(210) 및 분사용 접지판(240)을 통과하면서 넓은 면적 전체에 대해 형성되며, 보조 플라즈마(Ⅲ)는 항상 형성되어 있기 때문에, 메인 플라즈마(I)로 쉽게 플라즈마 상태를 전이할 수 있다. 따라서 보조 플라즈마(Ⅲ)는 메인 플라즈마(I)를 처음 생성하거나 지속적으로 유지하는 데에 있어서 안정적인 결정적인 도움을 준다.
전원극(210) 및 분사용 접지판(240) 사이로 메인 플라즈마(I)가 형성되어 있으며, 반응가스로부터 형성된 오존이나 라디칼들(Ⅱ)은 분사 노즐(244)을 통해 피처리물(10)을 향해 분사된다.
실시예 3
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치를 설명하기 위한 단면도이며, 도 7은 제3 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치의 작동을 설명하기 위한 단면도이다.
참고로, 제3 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치는 제1 실시예의 발생장치와 비교하여 센서부재(160)를 더 포함하며, 그 외의 구성요소들은 거의 동일하다. 따라서 본 실시예의 설명 및 도면은 제1 실시예의 설명을 참조할 수 있으며, 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제3 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치는 전원극(110), 유전체 막(120), 접지 몸체(130), 분사용 접지판(140) 및 가스 유입부(150)를 포함한다. 접지 몸체(130) 및 분사용 접지판(140)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금으로 구성되며, 접지 몸체(130)의 내부로는 기둥형의 전원극(110)과 유전체 막(120)이 삽입 장착된다.
접지 몸체(130)는 하나의 접지극으로서, 전원극(110) 및 유전체 막(120)을 수용하며, 접지 몸체(130)의 내부로는 가스 유입경로(150)가 형성되며, 외부로부터 유입된 반응가스는 가스 유입경로(150)를 통과하여 전원극(110) 및 분사용 접지극(140) 사이로 고르게 분산된다. 또한, 접지 몸체(132)에는 센싱 홀(134)이 형성된다. 센싱 홀(134)은 전원극(110)을 수용하기 위한 홀로 연결되며, 전원극(110) 및 유전체 막(120)이 삽입된 상태에서 유전체 막(120)과 외부를 연결하는 통로로서 기능을 할 수 있다.
전원극(110)을 감싸는 유전체 막(120)은 석영(quartz)를 재질로 형성되기 때 문에 빛을 통과시킬 수 있으며, 플라즈마가 발생하는 동안 플라즈마의 빛은 유전체 막(120)을 통해서 전달될 수가 있다. 따라서 센싱 홀(134)의 단부에 센서부재(160)를 장착하여 플라즈마의 발생 여부 및 발생 상태를 파악할 수가 있다.
구체적으로 센서부재(160)는 빛을 전달할 수 있는 도파관(waveguide)(164) 및 광센서(162)를 포함한다. 도파관(164)은 센싱 홀(134)에 삽입되며, 도파관(164)의 외측 단부에는 광센서(162)가 위치한다. 광센서(162)는 유전체 막(120) 및 도파관(164)을 통해 전달되는 빛을 수광할 수 있으며, 빛의 감지 여부를 통해 플라즈마 발생 여부를 알 수 있으며, 빛의 세기 또는 감지되는 빛의 주파수를 통해서 플라즈마의 발생 상태를 알 수가 있다.
본 실시예에서는 분사용 접지판(140)이 접지 몸체(130)의 하부에 고정적으로 장착되어 있기 때문에, 내부의 플라즈마 발생 조건을 확인하기가 어렵다. 하지만, 접지 몸체(130)에 센싱 홀(134)을 형성하고, 도파관(164) 및 광센서(162)를 센싱 홀(134)에 설치하여 센서부재(160)를 장착할 수가 있다.
도 7을 참조하면, 플라즈마(I)가 발생하면서 플라즈마의 빛은 석영의 유전체 막(120)을 통해 전달되며, 유전체 막(120)을 통해 전달되는 빛은 도파관(164)을 통해 광센서(162)로 전달될 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 센서부재(160)는 빛의 수광 여부를 통해 플라즈마 발생 여부를 알 수 있으며, 수광되는 빛의 세기 또는 빛의 주파수를 통해서 플라즈마의 발생 상태를 간접적으로 알 수가 있다.
실시예 4
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치를 설명하기 위한 단면도이다.
참고로, 제4 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치는 제2 실시예의 발생장치와 비교하여 센서부재(260)를 더 포함하며, 그 외의 구성요소들은 거의 동일하다. 따라서 본 실시예의 설명 및 도면은 제2 실시예의 설명을 참조할 수 있으며, 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 8을 참조하면, 제4 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치는 전원극(210), 유전체 막(220), 접지 몸체(230), 보조 플라즈마 접지극(235), 분사용 접지판(240) 및 가스 유입부(250)를 포함한다. 접지 몸체(230) 및 분사용 접지판(240)은 스테인리스 스틸 또는 알루미늄 합금으로 구성되며, 접지 몸체(230)의 내부로는 기둥형의 전원극(210)과 유전체 막(220)이 삽입 장착된다.
접지 몸체(230)는 하나의 접지극으로서, 전원극(210) 및 유전체 막(220)을 수용하며, 접지 몸체(230)의 내부로는 가스 유입경로(250)가 형성되며, 외부로부터 유입된 반응가스는 가스 유입경로(250)를 통과하여 전원극(210) 및 분사용 접지극(240) 사이로 고르게 분산된다.
분사용 접지판(240)에는 센싱 홀이 형성된다. 센싱 홀은 분사용 접지판(240) 및 전원극(210) 사이의 공간과 외부를 연결하며, 실제로 플라즈마가 발생하는 공간을 연결하는 통로로서 기능을 할 수 있다.
센서부재(260)는 빛을 전달할 수 있는 도파관(waveguide)(264) 및 광센서(262)를 포함한다. 도파관(264)은 센싱 홀에 삽입되며, 도파관(264)의 외측 단부에는 광센서(262)가 위치한다. 광센서(262)는 도파관(264)을 통해 전달되는 빛을 수광할 수 있으며, 빛의 감지 여부를 통해 플라즈마 발생 여부를 알 수 있으며, 빛의 세기 또는 감지되는 빛의 주파수를 통해서 플라즈마의 발생 상태를 알 수가 있다.
분사용 접지판(240)이 접지 몸체(230)의 하부에 고정적으로 장착되어 있기 때문에, 내부의 플라즈마 발생 조건을 확인하기가 어렵다. 하지만, 분사용 접지판(240)에 센싱 홀을 형성하고, 도파관(264) 및 광센서(262)를 센싱 홀에 설치하여 분사용 접지판(240) 및 전원극(210) 사이의 상황을 간접적으로 확인할 수가 있다.
플라즈마(I)가 발생하면서 플라즈마의 빛은 도파관(264)을 통해 광센서(262)로 전달되며, 센서부재(260)는 빛의 수광 여부를 통해 플라즈마 발생 여부를 알 수 있으며, 수광되는 빛의 세기 또는 빛의 주파수를 통해서 플라즈마의 발생 상태를 간접적으로 알 수가 있다.
도 9는 제4 실시예와 유사한 다른 실시예에 따른 오존 및 라디칼 발생장치를 설명하기 위한 측단면도이다.
참고로, 도 9의 발생장치는 분사용 접지판을 포함하지 않으며, 피처리물이 좀더 전원극(210)에 가깝게 통과하여 플라즈마가 직접 피처리물에 닿을 수 있다. 다만, 전원극(210) 및 피처리물 사이에 플라즈마가 바로 노출되기 때문에, 양측으로 차단부재(276)가 제공되며, 차단부재(276)에 의해서 플라즈마 관찰이 어렵기 때문에 차단부재(276)에 센서부재(270)가 장착된다. 본 실시예의 설명 및 도면은 도 8에 도시된 발생장치의 설명을 참조할 수 있으며, 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 9을 참조하면, 전원극(210)은 분사용 접지판에 커버되지 않고 바로 하방을 향해 노출되며, 전원극(210) 하부로 발생한 플라즈마(I)는 피처리물 상에서 빛을 발하면서 생성된다. 플라즈마(I)가 발생하는 동안 피처리물은 길이 방향으로 통과하며, 그 양측으로 차단부재(276)가 설치된다. 차단부재(276)는 전원극(210)의 하부 양측에 설치되어 플라즈마가 발생하는 영역의 양측을 물리적으로 차단하고, 센서부재(270)는 차단부재(276)의 측면에 장착되는 도파관(274) 및 광센서(272)를 포함한다. 도파관(274)은 차단부재(276)에 형성된 센싱 홀에 삽입되며, 광센서(272)는 도파관(274)의 외측 단부에 장착되어 도파관(274)으로부터 전달되는 빛을 수광한다. 앞서 언급한 바와 같이, 광센서(272)는 차단부재(276)에 장착되어, 플라즈마의 발생 여부를 감지할 수 있으며, 발생되는 플라즈마의 상태를 빛의 세기나 빛의 주파수를 통해서 간접적으로 인지할 수가 있다.
본 발명의 오존 및 라디칼 발생장치는 분사 노즐을 이용하여 오존이나 라디칼을 먼 거리까지 도달하게 할 수 있다. 따라서 전극 및 피처리물 간의 간격이 크더라도 플라즈마를 꺼트리지 않고 공급할 수 있으며, 라디칼 등을 균일하게 공급하여 균일한 플라즈마 처리를 가능하게 할 수 있다. 특히, 분사용 접지판 및 피처리물 간의 거리를 약 5~20mm 또는 그 이상으로 형성할 수 있기 때문에 3차원 구조를 갖는 피처리물의 표면에도 플라즈마로 처리하는 것이 가능하다.
또한, 가스 유입부를 통해 다량의 활성가스를 공급하여도 안정된 플라즈마를 생성할 수 있으며, 다량의 라디칼을 형성할 수 있어 처리속도를 크게 증가시킬 수 가 있다. 다량의 라디칼을 발생함으로써 앞서 언급한 라디칼의 도달 거리를 더욱 증가시킬 수도 있다.
또한, 피처리물이 금속이어도 아크 없이 안정된 플라즈마 처리를 진행할 수 있으며, 피처리물이 비금속이어도 별도의 접지를 하지 않고도 플라즈마 처리를 수행할 수가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 피처리물의 상부에 위치하여 고주파 전원이 인가되는 기둥 형상의 전원극;
    상기 전원극의 둘레를 덮는 유전체 막;
    상기 유전체 막에 둘러싸인 상기 전원극의 상부를 수용하는 접지 몸체;
    상기 피처리물 및 상기 전원극 사이에서 상기 전원극으로부터 소정의 간격만큼 이격되도록 위치하며, 상기 전원극의 하부 형상에 대응하여 오목하게 형성되고, 상하로 관통하는 복수개의 분사 노즐을 포함하는 분사용 접지판; 및
    상기 전원극 및 상기 분사용 접지판 사이로 반응가스를 제공하기 위한 가스 유입부; 를 구비하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분사 노즐의 직경은 상기 전원극 및 상기 분사용 접지판 간의 거리에 대해 5~50%의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분사용 접지판은 상기 접지 몸체의 저면에 장착된 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 분사용 접지판은 상기 접지 몸체에 대해 간격 조절이 가능하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 아래를 향하는 나팔관 구조로 형성되어 플라즈마 생성물을 분사시키는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분사용 접지판의 상면에는 상기 분사 노즐의 주변으로 표면적을 증가하기 위해 요철이 형성된 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분사용 접지판의 상면에서 상기 분사 노즐의 주변으로 바닥이 있는 복수개의 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입부는 상기 접지 몸체의 내부에 형성된 가스 유입경로인 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 접지 몸체로부터 노출된 상기 전원극의 측면에 인접하게 보조 플라즈마 접지극이 제공되며, 상기 보조 플라즈마 접지극 및 상기 전원극 간의 간극은 상기 가스 유입부의 출구 측에 인접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  10. 피처리물의 상부에 위치하여 고주파 전원이 인가되는 기둥 형상의 전원극;
    상기 전원극의 둘레를 덮으며 투광성 재질을 이용하여 형성된 유전체 막;
    상기 유전체 막에 둘러싸인 상기 전원극의 상부를 수용하며, 상기 수용된 유전체 막의 표면과 외부를 연결하는 센싱 홀이 형성된 접지 몸체;
    상기 피처리물 및 상기 전원극 사이에서 상기 전원극으로부터 소정의 간격만큼 이격되도록 위치하며, 상기 전원극의 하부 형상에 대응하여 오목하게 형성되고, 상하로 관통하는 복수개의 분사 노즐을 포함하는 분사용 접지판;
    상기 전원극 및 상기 분사용 접지판 사이로 반응가스를 제공하기 위한 가스 유입부; 및
    상기 센싱 홀에 삽입되어 상기 유전체 막으로부터 빛을 외부로 전달하는 도파부 및 상기 도파부의 외측 단부에 장착되어 상기 도파부로부터 전달되는 빛을 수광하는 광센서를 포함하는 센서부재;
    를 구비하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분사용 접지판은 상기 접지 몸체의 저면에 장착된 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 분사 노즐은 아래를 향하는 나팔관 구조로 형성되어 플라즈마 생성물을 분사시키는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 접지 몸체로부터 노출된 상기 전원극의 측면에 인접하게 보조 플라즈마 접지극이 제공되며, 상기 보조 플라즈마 접지극 및 상기 전원극 간의 간극은 상기 가스 유입부의 출구 측에 인접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 유전체 막은 석영으로 이용하여 형성된 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  15. 피처리물의 상부에 위치하여 고주파 전원이 인가되는 전원극;
    상기 전원극 및 상기 피처리물 사이에 개재되는 유전체 막;
    상기 전원극의 하부에 인접하게 설치되며, 플라즈마가 발생하는 영역을 외부 로부터 차단하기 위한 차단부재;
    상기 전원극 및 상기 분사용 접지판 사이로 반응가스를 제공하기 위한 가스 유입부; 및
    상기 차단부재에 장착되며 플라즈마의 빛의 세기를 감지하여 플라즈마의 발생 조건을 판단하기 위한 센서부재;
    를 구비하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 차단부재는 상기 전원극의 하부 양측에 설치되어 플라즈마가 발생하는 영역의 양측을 차단하고, 상기 센서부재는 상기 차단부재의 측면에 장착되는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 차단부재는 상기 피처리물 및 상기 전원극 사이에서 상기 전원극으로부터 소정의 간격만큼 이격되도록 위치하여 상기 전원극 하부에서 발생하는 플라즈마 영역을 차단하고, 상기 전원극의 하부 형상에 대응하여 오목하게 형성되고, 상하로 관통하는 복수개의 분사 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 센서부재는 상기 차단부재에 형성된 센싱 홀에 삽입되어 플라즈마의 빛을 외부로 전달하는 도파부 및 상기 도파부의 외측 단부에 장착되어 상기 도파부로부터 전달되는 빛을 수광하는 광센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존 및 라디칼 발생장치.
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