KR20130142708A - 플라스마 이온 가속 세정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라스마 상태의 이온을 이용하여 대상물 표면에 부착된 이물질을 세정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 세정 대상물의 표면을 가속된 플라스마 상태의 이온을 이용하여 효과적으로 세정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치는 플라스마 발생기와 전기장 형성수단을 포함한다. 플라스마 발생기는 대상물의 표면을 세정하기 위한 플라스마 상태의 이온을 발생시키고 대상물을 향해서 배출하기 위한 것으로서, 플라스마 상태의 이온이 배출되기 위한 출구를 구비한다. 전기장 형성수단은 상기 플라스마 발생기의 출구로부터 배출된 플라스마 상태의 이온을 대상물을 향하여 가속하기 위한 전기장을 형성한다. 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치는 플라스마 이온을 전기장을 이용하여 가속하여 이온의 에너지를 높인 후 대상물의 표면을 세정하므로, 세정 효율이 향상된다. 따라서 연속적으로 공급되는 강재와 같은 대상물의 세정이 가능하다.
Description
본 발명은 플라스마 상태의 이온을 이용하여 대상물 표면에 부착된 이물질을 세정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 세정 대상물의 표면을 가속된 플라스마 상태의 이온을 이용하여 효과적으로 세정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
전통적인 화학적 세정 방법은 대상물을 세정하기 위한 프레온, 트리클로로에틸렌, 이소프로판올 등과 같은 화학 세정 용액과 함께 화학 세정 용액을 제거하기 위한 대량의 물을 소비한다. 또한, 세정 후에는 고온의 공기로 대상물을 건조해야 한다. 이러한 세정 방법은 많은 양의 물, 공기 등과 시간이 필요할 뿐 아니라, 환경을 오염시킬 수 있다.
이러한 문제를 개선하고자, 대상물의 표면에 물리적으로 부착되거나 화학적으로 결합 되어 있는 이물질을 플라스마를 이용하여 세정하는 기술이 알려져 있다. 플라스마 세정은 건식 세정공정으로서, 고전압에 의한 방전 가스에서의 브레이크 다운(breakdown)에 의해 발생한 활성화된 전자와 이온을 처리 대상물의 표면에 충돌시켜, 대상물의 표면을 세정하는 방법이다.
플라스마 세정은 화학적인 방법과 물리적인 방법으로 나눌 수 있다. 화학적인 방법은 처리 대상물 표면의 오염물질을 플라스마 내의 활성 이온 또는 라디칼과 반응시켜 제거하는 방법으로서 주로 유기물 또는 유기 화합물을 제거하는데 사용되는 방법이다. 무기물인 산화물의 경우에도 수소 라디칼 또는 수소 이온(H+)을 이용해서 산화물을 순수한 금속으로 환원시키는 화학적 방법으로 제거될 수 있다.
물리적인 방법은 처리 대상물 표면에 고에너지의 이온을 충돌시켜 오염물질을 제거하는 것으로서, 무기물 또는 무기화합물의 제거에 주로 사용된다.
종래의 기술을 이용하여 세정 대상물의 표면을 대기압 또는 저 진공 플라스마로 세정을 하는 경우 세정 속도가 너무 느려 연속적으로 공급되는 금속 판재의 산화막 제거 등에 실제로 적용되기 매우 어렵다는 문제가 있었다.
세정 속도가 느린 이유는 대기압 하에서 이온이 세정 대상물의 표면에 도달하기가 매우 어렵기 때문이다. 대기 중에서는 플라스마 이온이 다른 기체 분자와 충돌하지 않고, 진행할 수 있는 자유행정평균길이(Mean free path)가 수㎛에 불과하다. 따라서 이미 기체 분자들로 가득 차 있는 세정 대상물의 표면까지 플라스마 이온이 다른 기체 분자와 충돌하지 않고, 도달하는 것은 매우 어렵다. 플라스마 이온은 세정 대상물의 표면으로 진행하는 과정에서 계속 다른 공기 분자들과 충돌하여 세정 대상물에서 멀어지고, 극소수의 플라스마 이온만이 세정 대상물에 도달한다.
따라서 대기압 플라스마를 이용해서 금속 판재의 표면을 효과적으로 세정할 수 있는 새로운 방법과 장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 대기압 환경하에서 플라스마를 이용해서 세정 대상물의 표면을 효과적으로 세정하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 롤 형태로 감기면서 연속적으로 이송되는 판 형상의 대상물의 표면을 효과적으로 세정하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 일실시예는 플라스마 발생기와 전기장 형성수단을 포함한다.
플라스마 발생기는 대상물의 표면을 세정하기 위한 플라스마 상태의 이온을 발생시키고 대상물을 향해서 배출하기 위한 것으로서, 플라스마 상태의 이온이 배출되기 위한 출구를 구비한다.
전기장 형성수단은 상기 플라스마 발생기의 출구로부터 배출된 플라스마 상태의 이온을 대상물을 향하여 가속하기 위한 전기장을 형성한다.
상기 전기장 형성수단은, 상기 플라스마 발생기의 내부 또는 상기 플라스마 발생기의 출구와 대상물 사이에 배치된 이온 가속 그리드 전극과, 상기 대상물에 전기적으로 연결된 롤러와, 상기 이온 가속 그리드 전극과 상기 롤러에 전기적으로 연결되는 전원을 포함할 수 있다.
전원은 플라스마 상태의 이온이 양이온인 경우에는 상기 이온 가속 그리드 전극이 상기 대상물에 비해 높은 전압으로 바이어스되도록 연결되며, 플라스마 상태의 이온이 음이온인 경우에는 상기 이온 가속 그리드 전극이 상기 대상물에 비해 낮은 전압으로 바이어스되도록 연결되는 것이 바람직하다.
상기 전원은 상기 이온 가속 그리드 전극에 펄스 전압을 인가하기 위한 펄스 전원을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 이온 가속 그리드 전극에 직류 전압을 동시에 인가하기 위한 직류 전원을 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 전기장 형성수단은, 상기 대상물에 전기적으로 연결된 롤러와, 상기 플라스마 발생기와 상기 롤러에 전기적으로 연결되는 전원을 포함할 수 있다. 이 경우에는 별도의 이온 가속 그리드 전극이 필요 없다는 장점이 있다.
또한, 상기 전기장 형성수단은, 상기 플라스마 발생기의 내부 또는 상기 플라스마 발생기의 출구와 대상물 사이에 배치된 기준 그리드 전극과, 상기 출구로부터 배출되는 플라스마 상태의 이온을 상기 대상물 방향으로 가속하도록 바이어스된 이온 가속 그리드 전극과, 상기 전극들에 전압을 인가하기 위한 전원을 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정 방법의 일실시예는 플라스마 발생기의 출구로 플라스마 상태의 이온들을 배출시키는 단계와, 상기 출구로 배출된 플라스마 상태의 이온들을 플라스마 발생기와 세정 대상물 사이에 형성된 전기장을 통과하도록 하여 가속하는 단계와, 상기 이온을 이송되는 세정 대상물의 표면에 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치는 플라스마 이온을 전기장을 이용하여 가속하여 이온의 에너지를 높인 후 대상물의 표면을 세정하므로, 세정 효율이 향상된다. 따라서 연속적으로 공급되는 강재와 같은 대상물의 세정이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 일실시예의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라스마 이온 가속 세정장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 다른 실시예의 개략도이다.
도 4은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 플라스마 이온 가속 세정장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 다른 실시예의 개략도이다.
도 4은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
이하, 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 일실시예의 사시도이며, 도 2는 도 1에 도시된 플라스마 이온 가속 세정장치의 개략도이다.
도 1과 2를 참고하면, 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 일실시예는 플라스마 발생기(10)와 전기장 형성수단(20)을 포함한다.
플라스마 발생기(10)는 처리 대상물(W)의 상부에 배치된다. 처리 대상물(W)은 연속적으로 공급되는 선재나 판재일 수 있다. 처리 대상물(W)은 강재일 수 있다.
플라스마 발생기(10)는 플라스마를 형성하여 처리 대상물 방향으로 공급하기 위한 것이다.
플라스마 발생기(10)는 플라스마가 형성되는 공간인 챔버(11)와 플라스마를 형성하기 위한 플라스마 전극(미도시)과 플라스마 전극에 전원을 공급하기 위한 플라스마 전원(14)을 포함한다.
챔버(11)의 상부에는 플라스마를 형성하기 위한 기체 또는 액체가 공급되는 입구(12)가 형성되어 있으며, 챔버의 하부에는 형성된 플라스마가 배출되는 출구(13)가 형성되어 있다.
플라스마 전극에 전원이 인가되면, 플라스마 전극의 주위의 기체 분자가 이온화되어, 양이온과 음이온으로 전리되어 혼재되어 있는 플라스마 상태가 챔버(11) 내부에 형성된다. 형성된 플라스마는 챔버(11)의 출구(13)로 배출된다.
챔버의 입구에 수소가스를 공급한 경우에는 H+ 이온과 전자(e-)가 혼합된 플라스마 상태가 챔버(11) 내에 형성된다.
H+ 이온은 이용하여, 아래의 [화학식 1]과 같이 녹(Fe2O3)을 철로 환원시킬 수 있다.
[화학식 1]
Fe2O3 + 6H+ -> 2Fe + 3H2O+
전기장 형성수단(20)은 플라스마 이온을 가속하여 이온의 에너지를 증가시킨 후 처리 대상물(W)에 충돌시켜, 세정효과를 향상시키기 위한 것이다.
도 1과 2를 참고하면, 전기장 형성수단(20)은 이온 가속 그리드 전극(21), 전원(22) 및 롤러(23)를 포함한다.
플라스마 이온이 양이온인 경우, 이온 가속 그리드 전극(21)은 대상물(W) 보다 높은 전압이 걸리도록 바이어스되어 있다. 이온 가속 그리드 전극(21)에는 전원(22)의 양극이 연결되어 있으며, 전원(22)의 음극은 대상물(W)의 표면과 전기적으로 연결된 롤러(23)와 연결되어 있다.
롤러(23)는 회전가능하게 설치된다. 롤러(23)는 대상물(W)의 표면에 밀착하여 회전하면서, 전원(22)과 대상물(W)을 전기적으로 연결한다. 롤러(23)가 회전가능하게 설치되어 있으므로, 롤러(23)의 외주면에 접촉하는 대상물(W)과의 마찰이 줄어드는 한편, 대상물(W)과 롤러(23) 사이의 밀착성이 개선되어 전기적인 접속도 원활하게 이루어진다.
처리 대상물(W)은 처리 대상물을 연속적으로 공급하는 권출기 및 연속적으로 회수하는 권취기와 연결되어 있으며, 권출기와 권취기는 접지되어 있으므로, 처리 대상물(W)이 접지 역할을 할 수 있다.
전원(22)은 직류 또는 펄스 전원일 수 있으며, 직류 전원과 펄스 전원을 직렬로 연결하여, 직류 전원과 펄스 전원이 동시에 이온 가속 그리드 전극(21)에 인가되도록 하는 것이 바람직하다. 펄스 전원은 직류 전원에 비해서 좀 더 안정적으로 전기장을 형성시켜, 이온이 안정적으로 가속되게 할 수 있다. 그러나 펄스 전원만을 사용하면 펄스 출력시에만 이온이 가속되므로, 직류 전원도 함께 사용하는 것이, 이온을 계속 가속시켜 대상물의 표면에 도달하는 이온의 양을 증대시킬 수 있다.
플라스마 발생기(10)의 출구(13)와 이온 가속 그리드 전극(21)은 통과한 양이온은 이온 가속 그리드 전극(21)과 대상물(W) 사이에 대상물(W) 방향으로 형성된 전기장에 의해서 대상물(W) 방향으로 가속된다. 양이온은 대상물(W) 방향으로 이동하는 도중에 기체 분자들과 계속해서 충돌하여 진행방향이 변경되지만, 전기장에 의해서 다시 대상물(W) 방향으로 가속되어 결국에는 처리 대상물(W) 표면에 부딪힌다.
그리고 음이온이나 전자는 이온 가속 그리드 전극(21) 방향으로 힘을 받아 이온 가속 그리드 전극(21) 방향으로 되돌아 간다.
반대로 세정에 사용할 플라스마 이온이 음이온인 경우, 이온 가속 그리드 전극(22)은 대상물(W) 보다 낮은 전압이 걸리도록 바이어스된다.
본 실시예에 있어서, 이온 가속 그리드 전극(22)은 플라스마 발생기(10)의 출구(13) 바로 아래에 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 플라스마 발생기(10)의 내부에 배치될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 다른 실시예의 개략도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 별도의 이온 가속 그리드 전극을 설치하지 않고, 플라스마 발생기(10)에 직접 전원의 양극을 연결하여, 플라스마 발생기(10)와 대상물(W) 사이에 전기장을 형성한다.
도 4는 본 발명에 따른 플라스마 이온 가속 세정장치의 또 다른 실시예의 개략도이다.
본 실시예는 전기장 형성수단(40)에 차이가 있으므로, 전기장 형성수단에 대해서만 자세히 설명한다. 전기장 형성수단(40)은 기준 그리드 전극(41), 이온 가속 그리드 전극(43)을 포함한다.
기준 그리드 전극(41)은 플라스마 발생기(10)의 내부 또는 출구(13) 아래에 배치된다. 별도의 기준 그리드 전극(41) 없이 플라스마 발생기(10)의 출구(13)가 기준 그리드 전극(31) 역할을 할 수도 있다.
이온 가속 그리드 전극(43)은 처리 대상물(W)의 위에 배치된다. 이온 가속 그리드 전극(43)이 처리 대상물(W)의 표면에 가까울수록 양이온의 에너지가 커서 세정효과가 커진다. 그러나 간격이 너무 가까우면 대상물의 표면에 그리드에 의한 그림자가 생겨서 처리된 표면의 균일성이 나빠질 수 있다.
이온 가속 그리드 전극(43)은 기준 그리드 전극(41)보다 낮은 전압이 걸리도록 바이어스되어 있다. 이온 가속 그리드 전극(43)에는 기준 그리드 전극(41)에 비해서 낮은 전압을 인가할 수 있는 전원(42)이 연결되어 있으며, 전원(42)은 펄스 전압을 발생시키는 장치인 것이 바람직하다.
기준 그리드 전극(41)을 통과한 양이온은 기준 그리드 전극(41)과 이온 가속 그리드 전극(43) 사이에 형성된 전기장에 의해서 이온 가속 그리드 전극(43) 방향으로 가속된다.
이온 가속 그리드 전극(43)을 통과한 양이온은 이온 가속 그리드 전극(43) 방향으로 힘을 받지만, 처리 대상물(W)과 이온 가속 그리드 전극(43) 사이의 간격이 가깝기 때문에 그대로 처리 대상물(W) 표면에 부딪힌다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
예를 들어, 플라스마 발생기에 주입되는 물질로서 수소가스를 예로 들어서 설명하였으나, 다른 종류의 가스를 사용할 수 있으며, 혼합 가스를 사용하여 플라스마를 분출시키고, 분출된 플라스마의 양이온 또는 음이온을 가속하여 처리 대상물을 세정할 수도 있다.
10: 플라스마 발생기 11: 챔버
12: 입구 13: 출구
14: 플라스마 전원 20: 전기장 형성수단
21: 이온 가속 그리드 전극 22, 42: 전원
23: 롤러 41: 기준 그리드 전극
43: 이온 가속 그리드 전극
12: 입구 13: 출구
14: 플라스마 전원 20: 전기장 형성수단
21: 이온 가속 그리드 전극 22, 42: 전원
23: 롤러 41: 기준 그리드 전극
43: 이온 가속 그리드 전극
Claims (10)
- 대상물의 표면을 세정하기 위한 플라스마 상태의 이온이 배출되기 위한 출구를 구비한 플라스마 발생기와,
상기 플라스마 발생기의 출구로부터 배출된 플라스마 상태의 이온을 대상물을 향하여 가속하기 위한 전기장을 형성하기 위한 전기장 형성수단을 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제1항에 있어서,
상기 플라스마 발생기의 출구로부터 배출되는 플라스마 상태의 이온은, H+ 이온을 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제1항에 있어서,
상기 대상물은 연속적으로 이송되는 판 형상 또는 선 형상인 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제1항에 있어서,
상기 전기장 형성수단은, 상기 플라스마 발생기의 내부 또는 상기 플라스마 발생기의 출구와 대상물 사이에 배치된 이온 가속 그리드 전극과, 상기 대상물에 전기적으로 연결된 롤러와, 상기 이온 가속 그리드 전극과 상기 롤러에 전기적으로 연결되는 전원을 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제4항에 있어서,
플라스마 상태의 이온이 양이온인 경우에는 상기 이온 가속 그리드 전극이 상기 대상물에 비해 높은 전압으로 바이어스되도록 상기 전원이 연결되며,
플라스마 상태의 이온이 음이온인 경우에는 상기 이온 가속 그리드 전극이 상기 대상물에 비해 낮은 전압으로 바이어스되도록 상기 전원이 연결되는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제4항에 있어서,
상기 전원은 상기 이온 가속 그리드 전극에 펄스 전압을 인가하기 위한 펄스 전원을 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제6항에 있어서,
상기 전원은 상기 이온 가속 그리드 전극에 직류 전압을 동시에 인가하기 위한 직류 전원을 더 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제1항에 있어서,
상기 전기장 형성수단은, 상기 대상물에 전기적으로 연결된 롤러와, 상기 플라스마 발생기와 상기 롤러에 전기적으로 연결되는 전원을 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 제1항에 있어서,
상기 전기장 형성수단은, 상기 플라스마 발생기의 내부 또는 상기 플라스마 발생기의 출구와 대상물 사이에 배치된 기준 그리드 전극과, 상기 출구로부터 배출되는 플라스마 상태의 이온을 상기 대상물 방향으로 가속하도록 바이어스된 이온 가속 그리드 전극과, 상기 전극들에 전압을 인가하기 위한 전원을 포함하는 플라스마 이온 가속 세정장치. - 플라스마 발생기의 출구로 플라스마 상태의 이온들을 배출시키는 단계와,
상기 출구로 배출된 플라스마 상태의 이온들을 플라스마 발생기와 세정 대상물 사이에 형성된 전기장을 통과하도록 하여 가속하는 단계와,
상기 이온을 이송되는 세정 대상물의 표면에 접촉시키는 단계를 포함하는 플라스마 이온 가속 세정 방법.
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- 2012-06-20 KR KR1020120066154A patent/KR20130142708A/ko not_active Ceased
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