2.1 멀티젯 플라즈마 시스템 부하

Fig. 2는 멀티젯 플라즈마 소스의 외형 사진을 나타낸다. 멀티젯 플라즈마 소스는 질소와 CDA(Clean Dry Air)를 주입할 수 있는 주입구, 플라즈마 발생 시 생성되는 오존 가스를 배출할 수 있는 배기구, 플라즈마 전원장치와 연결되는 고전압 커넥터(High Voltage Connector)로 구성되어 있다. 내부는 고전압 라인에 병렬로 연결된 커패시터를 통해 부하 팁에 전력을 전달하며, 고전압(HV)과 접지(그라운드) 사이에는 세라믹을 사용하여 절연이 이루어진다. 질소와 CDA를 혼합하여 플라즈마 방전 시 발생할 수 있는 절연 파괴를 예방하고, 세정 효과를 높이기 위한 가스로 사용된다. 병렬로 연결된 플라즈마 토치에서는 커패시터의 오차로 인해 전류 불균형이 발생할 경우, 플라즈마 방전이 일정하지 않을 수 있다. 따라서 커패시터 오차값은 1% 이내로 측정하여 적용해야 한다. 또한, 온도 변화를 고려하여 질소와 CDA가 흐르는 공간을 활용해 균등한 냉각 효과가 이루어지도록 설계해야 한다. 플라즈마 소스의 방전 팁으로는 SUS(스테인리스강) 또는 텅스텐(Tungsten)과 같은 고열에 강한 금속이 사용된다. 텅스텐은 마모 저항성이 뛰어나지만, 지속적인 열에 의해 열파괴와 균열이 발생할 수 있다. 이에 따라 SUS 재질의 방전 팁을 사용하여 설계하고, 소모품으로 관리하였다. 방출되는 플라즈마 홀의 크기는 1.5mm로, 플라즈마 발생 면적은 10∼15mm이고 방전 길이는 15mm로 세정물과 거리는 최대 15mm이다^{[5, 6]}.

Fig. 2. Photo of a multi jet plasma load

2.2 UT제어장치

Fig. 3은 플라즈마 소스에 N₂와 CDA를 공급하기 위한 UT 제어기를 나타낸다. UT 제어 장치의 종류는 공기의 흐름만 제어할 수 있는 MFM(Mass Flow Meter) 장치와 압력까지 추가적으로 제어할 수 있는 MFC(Mass Flow Controller)로 구분된다. MFM은 공기의 흐름이 적은 경우 적합하여 단일 토치 플라즈마 부하에 사용할 수 있다. 그러나 본 논문에서 제안한 멀티젯 플라즈마 장치는 일정 압력을 유지해야 다수의 병렬로 연결된 토치에서 안정적으로 방전이 가능하므로 MFC 방식을 적용하였다. UT 장치는 가스 압력을 조절할 수 있는 조절 밸브, 가스량을 제어할 수 있는 플로우미터(Flow Meter), 그리고 가스량을 디스플레이 할 수 있는 디스플레이 장치로 구성된다. 각각 주입된 가스는 내부에서 혼합되어 멀티젯 플라즈마 소스에 공급된다. 이때, 가스 주입량은 질소 350L/min와 CDA7L/min으로 설정하여 사용하였다.

Fig. 3. Photo of a UT control unit

2.3 플라즈마 전원장치

Fig. 4는 플라즈마 전원장치의 외부 사진을 나타낸다. 플라즈마 전원장치는 입력 3상 220Vac를 입력받아 출력 전압 1∼10kV, 전류 1∼12.5A를 가변 출력할 수 있다. 출력은 전압, 전류, 전력 제어 모드로 구분되어 부하에서 요구되는 제어 모드를 변경할 수 있다. 플라즈마 소스를 초기 실험 시, 최대 전압을 파악하기 위해 전압제어를 수행하여 방전 전압을 확인한 뒤, 전력 제어를 통해 플라즈마가 안정적으로 방전되도록 설정한다. 이때 플라즈마 소스의 세정 능력은 출력 주파수가 높을수록 상승하지만, 온도 상승으로 인해 유리가 아닌 필름재질을 세정할 경우 세정물이 파손될 수 있으므로 적절한 주파수 조절이 요구된다.

Fig. 4. Photo of a plasma power supply

3.1 플라즈마 전원장치 구성

Fig. 5는 플라즈마 전원 장치의 구성 블록도를 나타낸다. 입력 AC 전압은 EMI 필터를 통과한 후, 3상 정류 다이오드를 통해 DC로 정류된다. LC 필터의 커패시터에 의해 발생하는 돌입 전류를 제한하기 위해 SSR(Solid State Relay)을 사용하여 100Ω의 저항으로 초기 충전이 이루어지도록 초기 충전 회로를 구성하였다. 정류된 DC 전압은 Boost Converter를 통해 최종 출력의 전압과 전력을 조절하며, 출력 펄스의 주파수(S/W Frequency)와 듀티(Duty)를 제어하기 위해 Full-Bridge 회로를 구성하였다^{[4, 7-9]}.

Fig. 5. Block diagram of a plasma power supply

Fig. 6. Internal components of a plasma power supply

Fig. 6은 플라즈마 전원 장치의 내부 구성품을 나타낸다. TMS 320F28335를 사용하여 제어기를 구성하였으며, LC 필터의 인덕턴스(L) 값은 30A, 1mH, 커패시턴스(C)는 2200µF를 두 개 병렬로 연결하여 총 4400µF로 설계하였다. DC 링크와 Boost Converter 입력단의 케이블 거리가 15cm 이상일 경우, 스위칭 시 전류 리플이 크게 발생하므로 Common Core를 사용하여 DC 링크 라인에 10H의 고정 리액턴스를 추가해 전류 리플을 상쇄하였다. Common Core 출력부는 고주파 리플을 억제하기 위해 필름 커패시터를 사용하여 Boost 인덕터에서 요구되는 피크 에너지를 처리하도록 설계되었다. Boost Reactor의 리액턴스는 500H로, TDK사의 EC120 Core를 사용하였다.

Boost Converter의 입력 리액터는 에너지를 저장하고 입력 전력과 합산하여 출력되도록 구성되었으며, 리액터의 포화를 방지하기 위해 1.5mm(t)의 갭을 두어 설계되었다. Boost Converter의 IGBT는 FF450R120 모델(1200V, 450A)의 Half-Bridge Module을 사용하였으며, 상위 암 IGBT 스위칭 소자는 스위치 대신 바디 다이오드만 활용하였다. Full-Bridge 회로는 두 개의 모듈을 병렬로 연결하여 구성하였다. LC 공진형 컨버터의 변압기 1차 단의 직렬 L값은 10H로 설정되었으며, HV 라인 부하에서 커패시터로 인한 전류 불균형을 방지하기 위해 LLCL 공진형 방식을 적용하였다. 이를 통해 출력 전류의 불균형을 예방하였다. 변압기는 700V → 5kV의 승압비를 가지며, 두 개의 변압기를 입력 병렬, 출력 직렬 연결 방식으로 구성하여 최대 700V → 10kV의 승압비를 만족하도록 설계되었다. LLCL 공진값 중 직렬 C의 값에 따라 최종 승압비가 결정되므로, 변압기의 턴수는 최대 출력 전압을 낼 수 있는 턴비로 설계한 후, 공진 C값을 조절하여 최종 승압 전압을 결정하였다. 이때 변압기의 턴비에 따라 출력 전류의 배수가 입력 전류로 흐르게 되며, 높은 턴수일수록 Full-Bridge 스위칭 소자와 직렬 LC의 전류 용량이 증가하므로, 최소화된 턴수로 설계하는 것이 요구된다. 입력 전력은 입력 LC 필터의 커패시터 양단에서 전압을 센싱하고, Boost Reactor 입력에서 전류를 센싱하여 산출한다. 출력 전력은 변압기 1차 전류를 센싱한 값을 변압기 턴수로 나누어 출력 전류를 계산하며, 출력 전압은 변압기에서 1턴의 3차 권선을 통해 정류한 후 센싱한 전압을 사용하여 산출한다. 출력 전력은 산출된 출력 전류와 전압값의 곱으로 계산된다. 이때 출력 전압은 주파수와 듀티(Duty)에 따라 변동되므로, 변동된 Gain 값을 산출하여 알고리즘에 적용함으로써 정확한 출력값을 센싱할 수 있도록 설계하였다^[10].

3.2 플라즈마 전원장치 CE인증 시험

Fig. 7은 EMI 방사 시험의 구성요소를 나타낸다. 플라즈마 전원장치와 저항 부하, 지향성 안테나로 구성되어 있으며, 안테나와 전원장치 거리는 3[M]로 설정되어 있다.

Fig. 7. EMI radiation test setup

Table 1은 플라즈마 전원장치의 EMI 방사 시험 조건을 나타낸다. 시험은 3상 220V 전원을 인가한 상태에서 최대 출력 시 발생되는 방사 노이즈를 측정하게 된다.

Fig. 8은 EMI방사 시험 결과를 나타낸다. 측정은 상하, 좌우의 4면을 측정한다. 측정 결과는 6∼19db의 마진을 가지고 방사 노이즈 시험을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8. (a) Results of the radiation noise front measurement (b) Results of the radiation noise left measurement EMI radiation test setup

EMI시험에서 고려해야될 사항으로 방사 시험시 EMI 필터의 Y-Cap의 용량에 따라서 방사 성능은 향상되나, Y-Cap에서 흐르는 누설 전류로 인해서 누설 시험 시 Fail 될 수 있어 472 용량의 커패시터 이상을 사용하지 않는 것을 권장한다.

4.1 플라즈마 전원장치 실험

Fig. 9는 플라즈마 전원장치의 실험 구성을 나타낸다. 플라즈마 전원장치와 전력분석기, 오실로스코프를 이용하여 전원장치의 효율, 출력 전압, 전류 정확도를 측정하여 멀티젯 플라즈마 시스템 연동 전 전원장치의 정상 동작 실험을 진행하였다.

Fig. 9. Plasma power supply experiment setup

Fig. 10은 플라즈마 전원장치의 효율 측정 결과를 나타낸다. 입력 3상 전력은 4.08kW이고 출력 Pulse 전력은 3.94kW로 96.57%의 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10. Results of power supply efficiency measurement experiment

Fig. 11은 전원장치 전압, 전류 센싱값과 실제값을 비교하여 오차율을 측정하였다. 센싱값 5.03kV, 3.14A측정값 5.06kV, 3.13A로 오차율 1% 이내를 만족한다.

Fig. 11. Results of power supply output voltage and current accuracy experiment

4.2 멀티젯 플라즈마 시스템 파워 연동실험

Fig. 12는 멀티젯 플라즈마 시스템의 실험 구성을 나타낸다. 플라즈마 방전을 위한 질소는 액화질소를 이용하여 기화기를 걸쳐 UT 제어 장치에 의해서 일정한 압력과 유량으로 멀티젯 부하에 질소를 공급하며, 플라즈마 전원장치와 멀티젯 부하는 고전압 동축 케이블을 통하여 주파수에 의한 손실을 최소화하여 부하에 전력을 공급하게 된다.

Fig. 12. Multi-Jet plasma system experimental setup

Fig. 13. Output waveform during multi-jet plasma load discharge

Fig. 13 멀티젯 플라즈마 부하의 방전시 전원장치의 출력 전압, 전류, Boost의 출력 전압, 전류 파형을 나타낸다. 300mS의 램핑시간으로 제어되며 방전시 출력 전류가 급격히 상승하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 14. Output voltage and current waveform of plasma power supply

Fig. 14는 플라즈마 전원장치의 출력 전압, 전류 파형을 나타낸다. 출력 전압과 전류의 위상은 플라즈마 부하 커패시턴스에 따른 전원장치의 출력 주파수와 듀티에 따라서 차이가 발생되며 이때 발생되는 차이만큼 손실로 발생 되어 스위치의 온도를 상승시키고 전원장치 효율 감소 및 플라즈마 밀도를 감소시켜 본 실험 결과와 같이 주파수 매칭이 필수적으로 요구된다.

Fig. 15. Photo of multi-jet plasma load discharge

Fig. 15는 멀티젯 플라즈마 부하의 방전 사진을 나타낸다. 멀티젯 플라즈마는 여러개 젯(Jet)을 연결하여 방전하는 방법으로 내부 구성은 방전팁, 세라믹, 밸런싱 커패시터로 구성된다. 이때 커패시터의 오차율과 밸런싱 커패시터의 온도에 따른 커패시턴스 변화로 젯간의 플라즈마 밀도가 저하되는 문제점이 발생할 수 있다. 밸런싱 커패시터의 ESR 성분은 출력 주파수를 상승하게 되면 임피던스 증가로 안정적인 플라즈마 밀도를 보장할 수 있지만, 방전 전압 수치보다 전압상승률이 저하되어 임피던스가 높은 플라즈마 젯에서는 방전이 안되는 문제점이 발생 될 수 있어 플라즈마의 밀도와 별도로 방전 전압을 고려하여 출력 주파수를 선정하여야 한다.

Fig. 16. Results of contact angle measurement after plasma treatment

Fig. 16은 Bare Glass에 플라즈마 세정을 처리한 결과를 나타낸다. 플라즈마의 밀도를 측정하기 위하여 사용되는 방법으로 출력되는 전력대비 세정 효과를 측정한다. 출력 전력 5kW에서 주파수를 25∼35kHz 가변하여 접촉각을 측정을 통하여 플라즈마 밀도를 측정하였다. 30kHz 이상에서는 출력 전압이 방전 전압에 도달하지 못하여 방전이 되지 않으며, 주파수 30kHz에서 접촉이 가장 좋은 결과를 얻었다. Bare Glass의 초기접촉각은 30.08℃이며 플라즈마 세정 처리 후 접촉각은 0.51℃로 세정 후 접촉각이 29℃ 이상 감소하는 것을 확인할 수 있다.