KR20210123646A - 대기압 중주파 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기압 중주파 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응기와, 반응가스를 상기 반응기 내부에 소정의 압력으로 공급하는 가스 주입관과, 상기 반응기 내에 중주파 전원을 공급하기 위한 중주파 전원공급기와, 상기 중주파 전원공급기와 각각 연결되며, 상기 반응기 내부에 설치되는 2개의 플라즈마 발생 전극과, 상기 중주파 전원공급기와 2개의 전극을 각각 연결하며, 반응기 내부의 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용하는 2개의 전선과, 원활한 플라즈마 처리를 위하여 샘플 기판에 열을 인가하는 히터를 포함함으로써, 중주파 플라즈마 전원장치와 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 전극을 이용하여 물질을 증착하고, 플라즈마를 발생하는데 별도의 매칭 네트워크가 필요 없어 매우 경제적인 특징을 가지는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치를 제공할 수 있다.

Description

대기압 중주파 플라즈마 처리장치{Atmospheric Pressure Medium Frequency Plasma Processing Equipment}

본 발명은 대기압 중주파 플라즈마 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중주파 플라즈마 전원장치와 대기압에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 전극을 이용하여 물질을 증착하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치에 대한 것이다.

대기압 플라즈마 처리장치는 종래의 진공 플라즈마 처리장치에 비해 경제적으로 많은 장점을 가지고 있다. 최근 10년 동안 대기압 플라즈마 처리장치는 Dielectric Barrier Discharge (DBD)방식을 기초로 많은 발전을 해왔다. 그러나 DBD 방식은 일반적으로 수천 볼트 이상의 상당히 높은 전압과 전력을 필요로 한다. 또한, 두 전극이 유전체 박판을 사이에 두고 대면하여 플라즈마를 발생시키는 그 방식의 특성상 기판에 상온이 아닌 온도를 가하면서 플라즈마를 증착시키는 경우 매우 복잡한 기계적 설계가 선행되어야 한다.

따라서, 지금까지는 대기압 플라즈마 증착 장치는 주로 상온에서 고분자 박막의 증착을 예시로 개발되어 왔다. 또 다른 방식으로는 플라즈마 건을 개발하여 그 건 내부에 플라즈마를 발생시키고 반응성 기체나 증기들을 기판에 증착하는 방식이 있다. 이 방식은 플라즈마 건과 별도로 구성되는 샘플 기판에 독립적으로 열을 가하기 쉬운 장점을 가지고 있고 흔히 볼 수 있는 방식중 하나이다. 이 플라즈마 건 방식의 문제는 기판의 크기를 증가시킬 경우 박막의 증착속도를 높이거나 증착 균일도룰 향상시키고자 하는 경우 경제적, 기술적 한계를 가져올 수 있다.

이 문제를 극복하고 대기압 플라즈마를 기반으로 대면적 기판에 비교적 고속으로 박막을 증착시키거나 표면 개질을 할 수 있는 새로운 기술에 대한 요구가 세계적으로 커지고 있다. 이 경우 라디오 파를 이용한 플라즈마도 가능하지만 이 경우에는 플라즈마 발생시 매칭네트워크가 필요하여, 고주파 전원장치를 사용하면 근원적으로 경제적인 문제를 내포하고 있다.

한국등록특허 10-0746698호

따라서, 본 발명에서는 20~100kHz기반의 중주파 전원장치를 이용하는 것으로 플라즈마를 발생하는데 별도의 매칭 네트워크가 필요 없어 매우 경제적인 특징을 가지는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 대면적 플라즈마 증착 장치를 개발하고자 하는 경우 한 가지 지금까지의 문제점은 비교적 낮은 전압과 전력을 사용하는 안정적인 전극의 개발이었다.

이에 본 발명은 중주파 전원공급기와 이를 바탕으로 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키는 다양한 형태의 대기압 전극의 개발을 통해 도전성 금속 전극을 실리콘 피복재를 기반으로 하는 유전체로 감싸는 전선이나 케이블 형태의 복합 소재를 사용하여 대기압 플라즈마를 발생시키는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응기와, 반응가스를 상기 반응기 내부에 소정의 압력으로 공급하는 가스 주입관과, 상기 반응기 내에 중주파 전원을 공급하기 위한 중주파 전원공급기와, 상기 중주파 전원공급기와 각각 연결되며, 상기 반응기 내부에 설치되는 2개의 플라즈마 발생 전극과, 상기 중주파 전원공급기와 2개의 전극을 각각 연결하며, 반응기 내부의 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용하는 2개의 전선과, 원활한 플라즈마 처리를 위하여 샘플 기판에 열을 인가하는 히터를 포함하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치가 제공된다.

상기 전극에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극은 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용한 전선을 사용할 수 있다. 즉, 플라즈마 전극 소재는 전극용 고온내압의 전선을 사용하며, 전선 내부의 도체와 그 주변을 절연시키기위해 내열 기능을 가지는 실리콘 등의 고분자 소재를 전선피복용 절연체로 사용하는 것이다.

본 발명에서, 상기 고분자 피복은 실리콘 피복으로 하는 것이 바람직하며, 내전압이 1~30 kV인 고분자 피복을 절연체로 가진 2개의 전선을 서로 다양한 형태로 교차시켜 플라즈마 발생 전극을 이루는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전극은 반응기 내부에서 수평적으로 평행한 형태로 설치될 수 있다.

한편, 상기 전극 주변에 영구자석을 배치하여 플라즈마 강도를 높일 수 있다.

또한, 상기 전극과 영구자석이 반응성 증기에 노출되지 않도록 반응기 중간에 설치되는 가스 분리막이 더 포함된다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 20~100kHz기반의 중주파 전원장치를 이용하는 것으로 플라즈마를 발생하는데 별도의 매칭 네트워크가 필요 없어 매우 경제적인 특징을 가지는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치를 제공할 수 있다.

또한, 중주파 전원공급기와 이를 바탕으로 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키는 다양한 형태의 대기압 전극의 개발을 통해 도전성 금속 전극을 실리콘 피복재를 기반으로 하는 유전체로 감싸는 전선이나 케이블 형태의 복합 소재를 사용하여 대기압 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에서의 대기압 중주파 플라즈마 처리장치의 개념을 나타내는 구성도이다.
도 2는 실리콘 피복을 가지는 전선이나 고온고전압을 견디는 임의의 고분자 전선을 이용한 대면적 대기압 플라즈마 전극의 몇 가지 예시를 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 대기압 중주파 플라즈마 처리장치를 이용한 대기압 중주파 플라즈마 발생 사진이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에서의 대기압 중주파 플라즈마 처리장치의 개념을 나타내는 구성도이다.

본 발명의 대기압 중주파 플라즈마 처리장치는 외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응기(120)와, 상기 반응기(120) 내에 중주파 전원을 공급하기 위한 중주파 전원공급기(100)와, 상기 중주파 전원공급기(100)와 각각 연결되는 2개의 플라즈마 발생 전극(60)과, 상기 중주파 전원공급기(100)와 2개의 전극(60)을 각각 연결하는 2개의 전선(110)과, 원활한 플라즈마 처리를 위하여 샘플 기판(30)에 열을 인가하는 히터(40)를 포함하여 구성된다.

상기 반응기(120)에는 그 내부에 반응가스를 공급하기 위한 가스 주입관(20)이 연결되며, 상기 가스 주입관(20)을 통해 외부의 기화기(10)와 수송 가스기(15)에서 공급되는 반응가스를 상기 반응기(120) 내부에 공급할 때 소정의 압력으로 공급하기 위한 가스유량밸브(80)가 포함된다.

여기서, 상기 반응기(120) 내에서 반응이 완료된 반응가스를 배출하는 반응가스 배출부(도시안함)가 포함되며, 반응가스 배출부는 외부의 배기 시스템과 연결되어 반응가스의 유출입이 가능하게 된다.

또한, 상기 반응기(120)의 내부에는 2개의 전극(60)이 구비되는데, 본 발명에서 상기 전극(60)은 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용한 전선을 사용할 수 있다. 즉, 플라즈마 전극 소재는 전극용 고온내압의 전선을 사용하며, 전선 내부의 도체와 그 주변을 절연시키기 위해 내열 기능을 가지는 실리콘 등의 고분자 소재를 전선피복용 절연체로 사용하는 것이다.

통상 대기압 플라즈마 처리장치의 구성에는 반드시 플라즈마 발생 전원장치와 전극이 필요하다. 중주파 전원장치를 이용하여 플라즈마를 발생시키고자 할 때, 두 개의 전극의 구성과 그 사이에 절연체를 배치하는 것이 일반적이다. 전극은 전기가 잘 통하는 금속 도체이며 절연체는 일반적으로 유리, 석영, 알루미나 등의 세라믹이 주로 사용된다.

이 경우에는 플라즈마 발생을 위해 상대적으로 많은 양의 전력과 높은 전압이 필요하다. 본 발명에서는 플라즈마 발생 전극(소스)를 실리콘을 함유하고 있는 고분자 소재 기반의 절연체로 감싸여 있는 금속 전선을 사용한다. 이런 구성을 통해 유연한 대기압 플라즈마 전극 소스를 쉽고 편하게 만들 수 있다.

본 발명의 상기 전극(60)은 상기 중주파 전원공급기(100)와 각각 연결되며, 상기 반응기(120) 내부에 2개의 플라즈마 발생 전극이 수평적으로 평행한 형태로 설치된다.

이때 각각의 전극(60)은 서로 마주보도록 하여 수평적으로 평행하게 설치되는데, 상기 중주파 전원공급기(100)와 2개의 전극(60)을 각각 전선(110)으로 연결한다.

상기 전선(110)은 반응기 내부의 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용하여야 한다. 즉, 전선 내부의 도체와 그 주변을 절연시키기 위해 내열 기능을 가지는 실리콘 등의 고분자 소재를 전선피복용 절연체로 사용하는 것이다.

또한, 본 발명에서는 상기 전극(60)으로 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용한 전선을 사용하게 되므로, 상기 중주파 전원공급기(100)에서 연결된 2개의 전선(110)을 그대로 연결하여 상기 전극(60)으로 이용할 수도 있다.

도 2의 (1) 내지 (4)는 실리콘 피복을 가지는 전선이나 고온고전압을 견디는 임의의 고분자 전선을 이용한 대면적 대기압 플라즈마 전극의 몇 가지 예시를 보인 도면이다.

이와 같이, 본 발명은 실리콘을 절연체 피복으로 사용하는 내전압고온용 전선 두 가닥을 서로 다양한 방법으로 교차시켜 플라즈마 발생 전극으로 사용할 수 있으며, 특히 전선의 평면적인 몇 가지 예시적 배치를 통해 여러 형태의 대면적 대기압 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

본 발명에서, 상기 고분자 피복은 실리콘 피복으로 하는 것이 바람직하며, 내전압이 1~30 kV인 고분자 피복을 절연체로 가진 2개의 전선을 서로 다양한 형태로 교차시켜 플라즈마 발생 전극을 이룰 수 있다.

본 발명에서, 상기 전극에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 한다.

본 출원인의 실험 결과, 상기 전극(60)에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것이 가장 바람직한 것으로 나타났다. 상기 전극(60)에 인가되는 출력 주파수가 20KHz 이하 또는 100 KHz 이상으로 되면 플라즈마 발생에 안정적이지 못하거나 플라즈마 발생이 원활하지 못하므로, 상기 전극에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 중주파 전원공급기를 구성하는 회로는 50~60Hz, 100~220V 교류 입력 전원과 전력 전달을 위해 하프 브릿지 회로 설계를 사용하며, 중주파 전원의 크기는 입력되는 주파수 변조 후 트랜스포머를 통해 승압되어 출력 단자에서 20~100 kHz의 주파수를 발생시킬 수 있다.

한편, 상기 전극(60) 주변에 영구자석(70)을 배치하여 플라즈마 강도를 높일 수 있다.

또한, 상기 전극(60)과 영구자석(70)이 반응성 증기에 노출되지 않도록 반응기 중간에는 가스 분리막(50)이 설치될 수 있다.

[실시예]

<평면형 대기압 플라즈마 처리 장치 개발 및 특성 평가>

도 1은 간단한 평면형 대기압 플라즈마 처리 장치의 구성도이다.

중주파 플라즈마에 전원을 인가하는 중주파 전원공급기(100)의 2개의 출력 전선(110)이 별도의 실리콘 피복제, 또는 고온고전압을 견디는 임의의 고분자 절연체로 감싸여 있는 전선 두 가닥에 각각 연결되어 있다. 여기서는 내전압이 10~30kV를 가지는 실리콘 절연체 피복을 가진 상용화된 임의의 전선을 사용하였다.

플라즈마 처리를 위한 가스나 증기는 기화기(120)에 별도로 설치된 가스 주입관(20)을 통해서 반응기(120) 내부로 들어온다. 플라즈마 처리하고자 하는 샘플(30)은 가열되는 히터(40) 위에 위치한다. 여기서 사용하는 온도는 0~900℃ 정도이다.

실리콘 전선을 이용한 대면적 대기압 플라즈마 장치 개발에 성공한 이후 반응기 천정과 실리콘 전선 사이에 영구 자석(70)을 설치하면 중주파 전기의 전자기적인 특성을 이용하여 플라즈마 강도를 추가로 높일 수 있다는 것을 확인하고 별도 설치하여 본 발명을 완성하였다.

플라즈마 강도에 대한 영구자석(70)의 효과를 높이고자 한다면 자석의 자장이 미치는 범위내에서 실리콘 전선(110)과 자석(70)의 거리를 정해야 한다. 본 발명에서는 자석(70)은 100가우스의 자장을 가지는 외부 직경 약 70mm의 도넛 모양을 사용하였지만, 이 외에도 다양한 자장의 크기와 모양을 변형시킨 임의의 자석을 사용할 수 있다.

실리콘 전선을 사용하여 대기압 플라즈마를 발생시키고자 할 때 도 2에 도시한 예시들처럼 다양한 형태의 전극을 만들 수 있다. 중요한 것은 실리콘 피복을 가지는 두 전선의 거리가 지나치게 분리되지 않는 것이다. 두 전선의 거리가 0~50mm의 범위에 있는 것이 좋으며 여기서는 두 전선의 간격이 약 10mm로 하였다.

상용화된 실리콘 피복 전선의 외경은 4~10mm 정도가 일반적이며 여기서는 4mm를 사용하였다. 그러나 상용화된 전선의 경우 일반적으로 실리콘 절연체 전선 외경이 클수록 내부에 있는 도전체의 크기도 커져, 플라즈마 전극으로 실리콘 전선을 같은 길이로 사용하면 전선 외경이 큰 경우에 더 많은 소비 전력에 의해 플라즈마 강도가 더 높을 것으로 판단된다.

도 2 (1) 내지 (4)에 도시한 실리콘 전선을 사용한 여러 형태의 평면형 플라즈마 전극은 어느 경우의 형태를 사용하여도 대기압 조건에서 안정적으로 플라즈마가 발생한 것을 실험을 통하여 본 출원인은 확인하였다.

도 3은 도 2의 (1)형태로 플라즈마 전극을 만들었을 때 플라즈마가 발생한 것을 직접 촬영한 사진으로, 대기압 조건에서 안정적으로 플라즈마가 발생한 것을 알 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 기화기 15: 수송 가스기
20: 가스 주입관 30: 샘플
40: 히터 50: 가스 분리막
60: 전극 70: 영구자석
100: 중주파 전원공급기 110: 전선
120: 반응기

Claims (7)

1. 외부와 독립되어 소정의 밀폐된 공간을 제공하는 반응기;
   반응가스를 상기 반응기 내부에 소정의 압력으로 공급하는 가스 주입관;
   상기 반응기 내에 중주파 전원을 공급하기 위한 중주파 전원공급기;
   상기 중주파 전원공급기와 각각 연결되며, 상기 반응기 내부에 설치되는 2개의 플라즈마 발생 전극;
   상기 중주파 전원공급기와 2개의 전극을 각각 연결하며, 반응기 내부의 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용하는 2개의 전선; 및
   원활한 플라즈마 처리를 위하여 샘플 기판에 열을 인가하는 히터;
   를 포함하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극에 인가되는 출력 주파수는 20~100 KHz의 주파수를 사용하여 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극은 고온고전압을 견디는 고분자 피복을 절연체로 사용한 전선을 사용하는 것을 특징으로 하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 고분자 피복은 실리콘 피복을 포함하며, 내전압이 1~30 kV인 고분자 피복을 절연체로 가진 2개의 전선을 서로 다양한 형태로 교차시켜 플라즈마 발생 전극을 이루는 것을 특징으로 하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 전극은 반응기 내부에서 수평적으로 평행한 형태로 설치되는 것을 특징으로 하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극 주변에 영구자석을 배치하여 플라즈마 강도를 높이는 것을 특징으로 하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 전극과 영구자석이 반응성 증기에 노출되지 않도록 반응기 중간에 설치되는 가스 분리막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 중주파 플라즈마 처리장치.
   

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