대기압 플라즈마 생성 기기 document_id A220623107250

본 발명에 의해 규정된 바와 같은 대기압 플라즈마는 대기압 하에서 생성될 수 있는 플라즈마이지만, 선택적으로 더 높은 기압에서도 생성될 수 있다. 대기압 플라즈마를 생성하는 장치와 관련해서, 펌프 등과 같은 진공 장치를 제거할 수 있다. 그러므로 저압 또는 저온 플라즈마를 생성하는 장치와는 달리, 이러한 유형의 장치는 기본적으로 설계가 간단하다. 본 발명은 특히 기판을 처리하도록 기능할 수 있는 대기압 플라즈마를 생성하는 장치에 관한 것이다. 여기서 기판은 2차원 또는 3차원 고체 본체(solid body)를 일컫는 것으로 이해해야 하고, 이 기판의 표면은 또한 선택적으로 특정한 처리 깊이 이하로 처리될 수 있다 - 예를 들어, 피복될 수 있거나, 활성화될 수 있거나, 세척될 수 있거나, 변형될 수 있거나, 또는 어떤 다른 방식으로 처리될 수 있다. 그렇지만, 본 특허출원에 의해 규정된 기판은 예를 들어 가스 흐름으로 처리될 수도 있는 것으로 이해해야 한다 - 예를 들어 가스 흐름으로 세척될 수 있다. 그러므로 대기압 플라즈마는, 통상적으로 100℃ 미만의 가스 온도를 갖는 소위 "찬(cold)" 저온 플라즈마(nonthermal plasma)와 이 보다 더 높은 가스 온도를 갖는 고온 플라즈마(thermal plasma)로 분류될 수 있다. 본 발명은, 가스 온도가 실내 온도의 범위 내에 있거나, 또는 단지 이 온도보다 약간 더 높다는 이점을 갖는 저온 플라즈마를 우선적으로 취급하는 데, 예를 들어 폴리머 박막(thin polymer film)과 같은 매우 민감한 기판조차도 기판의 표면 또는 기판 자체가 손상됨이 없이 이러한 플라즈마로 장시간 동안 처리될 수 있기 때문이다. 예를 들어, US 5,637, 279에 개시된 것과 같은 배리어 방전(barrier discharge)의 경우나, 예를 들어 DE 102 03 543으로부터 출원인에게 공지되어 있는, 대기압 글로우 방전 플라즈마를 생성하는 장치의 경우에서도, 동작 가스(working gas)를 이온화하는 데 필요한 고전압이 여기 전극으로부터 떨어진 외부 고전압 전원 공급 장치에 의해 공급되는 데, 이 장치는 상대적으로 낮은 AC 전압 - 230V/50Hz의 라인 전압(line voltage)으로부터 가장 간단한 경우에 - 으로부터 1 내지 15 kV 범위의 고전압을 생성하는 강자성 변압기(ferromagnetic electric transformer)를 포함한다. 가능한 동작 가스의 예로는, 비활성 가스, 산소, 질소, 또는 공기를 들 수 있다. 고전압 전력 공급 장치에서 발생된 고전압은 전기적으로 절연된 케이블을 통해 전극들에 공급된다. 이러한 유형의 강자성 변압기를 갖는 대기압 플라즈마를 생성하는 이러한 공지의 장치에서 기본적으로 불리한 것은 그 중량 및 그 크기이며, 또한 이온-생성 필라멘트의 형성(부분 방전) 동안 생성된 전기 펄스가 변압기를 통해 전원 공급 장치로 되전송될 수 있다는 사실이다. 이것은 절연 변압기(isolating transformer)에 의해 억제될 수 있지만, 그럼에도 추가의 비용이 필요하다. 또한, 전자기 효과에 대한 전기적 안전 및 보호를 보장하기 위해서는, 전극에 대해 케이블을 절연시켜야만 하는 데, 이러한 단계는 다시 설비 비용을 증가시킨다. 이것에 높은 변환 및 전송 손실이 더해진다. 제어된 압전 변압기(PF)에 의해, 필요한 고전압을 생성하는 방식이 DE 101 29 041에 공지되어 있다. 이에 의해 상당히 더욱 컴팩트한 디자인이 된다. 이 솔루션은, 로드형 압전 세라믹스(rod-shaped piezoelectric ceramics)가 기계적 변형에 응답해서 전압을 내보내는 공지의 압전 효과에 기초하며; 이 기술은 예를 들어 점화 장치에서 활용된다. 압전 변압기의 원리는, 공진하도록 동작되는 압전 세라믹이 공진 포인트에서 동작하는 저 AC 전압을 인가함으로써 그 1차 영역에서 진동하는 반면, 그 다른 단부, 즉 소위 2차 영역에서는, 생성된 기계적 진동이 고 AC 전압으로 다시 변환되도록 만들어져 있다는 사실에 내재한다. DE 101 29 041에 개시된 솔루션에서, 압전 변압기는 별도의 구성요소인 데, 즉, 생성된 고전압은 전술한 절연된 공급 케이블을 통해 전극을 통과한다. 이하에서 이토 공보라고 지칭되는, 공보(K. Teranishi, S. Suzuki, H. Itoh: "High Efficiency Ozone Production by a Compact Ozonizer Using Piezoelectric Transformer," Chiba Institute of Technology)로부터 이미 한 방식이 공지되어 있는 데, 이에 따르면, 플라즈마를 활용하여 오존을 생성하기 위해, 고전압 전극의 기능을 수행하는 압전 변압기를 사용하여 고전압을 생성한다. 이 목적을 위해, 종래의 편평한 소위 로센 타입(Rosen-type) PT를 사용한다. 로센 타입 PT로 설계된 것은 본질적으로 편평하고 긴 패럴파이프(flat elongated parallepiped)의 형상으로 되어 있는 압전 변압기로 이루어진 장치이다. 이 패럴파이프는 1차 영역과 2차 영역으로 분할된다. 1차 영역에는 재료의 두께에 의해 결정되는 거리만큼 떨어져 있는 2개의 전극이 제공되어 있다. 저 AC 전압, 즉 구체적으로 500V 미만의 진폭의 AC 전압을 인가하여 1차 영역 진동을 만든다. 이러한 진동은 1차 영역에서 2차 영역으로 전송된다. 2차 영역은 종단 범위(longitudinal extent)를 연장시키는 미리 결정된 분극 방향을 가지고 있기 때문에, 이 2차 영역의 종단 범위를 따라 전계 또는 전위차가 생성된다. 로센 타입 PT는 1차 영역에서는 가로로 양호하게 분극되며 2차 영역에서는 세로로 양호하게 분극된다. 이토 공보에 개시된 장치에서는, 미리 결정된 설계로 인해 소형의 컬럼(column)들 내에서 라미너 방전(laminar discharge)만이 가능하다. 2차 영역의 면(face)들을 따라, 구체적으로, 냉각 하우징에 의해 외부적으로 한계가 정해진 환형 내에서, 산소가 통과된다. 이토 공보에 개시된 장치를 이용해서는, 오존 생성 이상의 응용을 실행하는 것이 가능하지 않다. 이토 공보에 개시된 장치를 사용하더라도, 오존 생성이 특별히 효과적이지는 않다. 이토 공보의 장치는 그 응용을 상당히 제약한다는 추가의 단점을 안고 있는 데, 먼저, 전계 제어(field control)가 가능하지 않다. 또한, 플라즈마 방전에 대한 어떤 국부적 또는 공간적 제어를 허용하지 않는 여러 곳에서 기생 방전이 일어난다. 그러므로 큰 면적의 응용을 위한 기회가 제거된다. 개시된 장치는 또한, 플라즈마가 오리피스 튜브(orifice tube)를 벗어나서 수행되고 플라즈마-생성 장치의 범위(contour)를 넘어서 투사하는 "플라즈마-젯(plasma-jet)" 기술에 적절하지 않다.