KR100408604B1 - 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법 및 그장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법 및 그 장치에 관한 것으로, 베이스플레이트를 구비하고 상기 베이스플레이트를 따라 이동가능한 컨베이어벨트를 구비하며 상기 컨베이어벨트와 간섭되지 않고 그 상부에서 이동중인 피처리물의 표면에 발생된 플라즈마를 조사할 수 있는 반응실을 구비하여 피처리물의 특성에 대응되는 반응가스를 도입함과 동시에 대기압하에서 플라즈마를 발생시켜 컨베이어벨트에 의해 연속적으로 이동되는 피처리물의 표면을 정밀세정 혹은 표면개질시키도록 하여서 이루어진다.

이러한 본 발명은 대기압에서 발생되는 플라즈마를 이용하여 반도체, 평판디스플레이용 전자 소자, 대용량 피시비기판, 고품위 섬유, 기계부품 및 연속 생산이 필요한 각종 제품 등과 같이 정밀한 표면세정 및 개질이 요구되는 분야에서 광범위하게 용이하고 간단하게 활용될 수 있어 생산성이 증대되고 제품의 품위가 향상되는 효과를 제공한다.

Description

대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법 및 그 장치{ACCURACY CLEANING AND SURFACE MODIFICATION METHOD AND THEREOF APPARATUS BY USING DISCHARGE PLASAMA IN ATMOSPHERE}

본 발명은 대기압에서 발생되는 플라즈마를 이용하여 반도체, 평판디스플레이용 전자 소자, 대용량 피시비기판, 고품위 섬유, 기계부품 및 연속 생산이 필요한 각종 제품 등과 같이 정밀한 표면개질이 요구되는 분야에서 광범위하게 활용될 수 있도록 한 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법 및 그 장치에 관한 것이다.

종래의 경우 표면개질(SURFACE MODIFICATION)이 요구되는 전자분야의 반도체, 평판 디스플레이용 전자소자, 대용량 피시비(PCB)기판 혹은 기계부품 등의 표면 정밀세정을 위해서는 대단위 설비가 요구되거나 습식에 따른 각종 공해물질을 배출함으로써 생산단가가 급격히 상승되고 고품질의 제품 제작에 따른 원소재의 특성변화에 능동적으로 대처하지 못하여 제품개발에 투자되는 비용의 상승은 물론 개발기간이 지연되는 단점이 있었다.

예컨대, 평판디스플레이 제조시 자외선 엑시머레이저(UV EXIMER LASER)를 이용하거나 약품 및 초순수를 이용하여 글래스 표면의 유기막이나 기타 오염물질을 제거하게 된다.

그런데, 자외선 엑시머레이저를 이용하여 세정할 경우에는 방전램프에서 185nm 혹은 254nm의 대역 파장을 발진시켜 세정하고자 하는 평판디스플레이와 대략 2~4mm의 간극을 유지한 채 그 간극사이에서 자외선을 방사하여 공기중에 있는 산소를 오존으로 전환시키고 생성된 오존을 이용하여 글래스 표면의 유기물이나 기타 이물을 제거해야 하므로 세정설비의 구조가 매우 복잡하고 고가일 뿐만 아니라 자외선 엑시머레이저 발광용 램프의 수명이 짧아 설비의 유지보수에 따른 인력과 시간이 과다하게 낭비되는 단점을 유발한다.

또한, 약품이나 초순수를 이용해 세정할 경우에도 대량의 중류수를 발생시키는 장치와 표면을 개질하거나 세정후 대규모의 사용된 물을 재처리해야 하므로 이에 따른 복잡한 부대설비가 요구되고 이를 유지보수하기 위한 인력이 별도로 필요하여 LCD나 PDP의 제조단가를 상승시키는 단점을 유발한다.

아울러, 반도체 라인이나 고품질의 섬유, 피시비 등을 세정처리하기 위해서는 진공을 형성하고 진공중에서 세정작업하여야 하므로 작업이 연속성이 유지되지 못함은 물론 연속성을 유지하기 위해서는 설비의 구축에 따른 시간과 초기 투자비용이 현격히 상승하여 실익이 없다는 단점이 파생된다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 진공중에서 정밀세정을 위한 다수의 기술들이 제안되고 공개되고는 있으나 세정에 필요한 장비를 배치(BATCH) 형태로 활용하는 정도에 국한되고 있어 여전히 진공중에서의 연속작업은 불가하여 생산성이 증가되지 못하는 단점은 상존하고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술이 갖는 표면개질방법상의 문제를 해결하기 위하여 창출한 것으로, 반도체, 평판디스플레이용 패널, 대용량 PCB, 고품위 섬유, 유기화학 제품 및 연속생산이 요구되는 각종 제품의 정밀세정 및 표면개질이 요구되는 분야에서 그 표면에 존재하는 표면피막이나 오염물을 대기압하에서 생성된 플라즈마 방전을 통하여 피처리물의 표면을 연속적으로 세정 및 개질시킬 수 있도록 한 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법 및 그 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 상기한 목적은, 피처리물을 연속처리가능하게 컨베이어벨트에 거치하여 대기시키는 단계와, 반응실 내에서 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 피처리물을 반응실 내부로 투입시키는 단계와, 피처리물의 표면에 플라즈마를 조사하여 세정 혹은 표면개질하는 단계로 이루어진 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법에 있어서; 상기 플라즈마 발생단계전에 피처리물의 종류에 대응되는 방전간극을 갖도록 높이조절부재를 통해 음전극을 하향조절한 후 가스투입구를 통해 플라즈마를 안정화시키기 위한 반응가스를 반응실 내부로 도입시켜 전체에 걸쳐 균일하게 분포시키는 단계가 선행됨과 동시에, 상기 플라즈마 발생시에는 양전극 및 음전극 사이에 주파수 1~20kHz인 방전전압 1~50kv를 인가하고, 피처리물은 분당 0.01~60m의 속도로 투입시키는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법을 제공함에 의해 달성된다.

또한, 본 발명은 다수의 지지대에 의해 고정된 베이스플레이트와, 그 양단에 고정된 한쌍의 안내롤 및 그 하측 지지대를 연결하는 지지빔상에 설치되고 구동모터에 의해 회전가능한 구동롤과, 상기 구동롤 및 안내롤에 권취되어 회전되면서 피처리물을 이송시키는 컨베이어벨트와, 플라즈마 발생용 양,음전극 및 파워서플라이를 갖고 상기 피처리물이 이송되는 임의의 공간상에 배설된 반응실을 포함하여 구성되는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질장치에 있어서; 상기 컨베이어벨트는 2개로 나뉘어져 서로 거리를 둔 채 구비되고, 상기 양전극은 2개의 컨베이어벨트 사이에 위치됨과 동시에 베이스플레이트의 상면 중앙에 고정되며, 상기 음전극은 상기 반응실의 상면에 고정되고 하방향을 향해 높이조절가능하게 구비되고, 상기 반응실의 양측벽인 격벽에는 다수의 가스투입구가 형성된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질장치를 제공함에 의해 달성된다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 구성을 개략적으로 도시한 정면도,

도 2는 도 1의 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 지지대, 12 : 베이스플레이트,

14 : 안내롤, 16 : 컨베이어벨트,

22 : 구동모터, 24 : 구동롤,

26 : 인버터, 30 : 반응실,

40 : 양전극, 50 : 음전극,

54 : 높이조절부재, 60 : 파워서플라이.

이하에서는, 첨부도면에 의거하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 구성을 보인 정면도이고, 도 2는 도1의 평면도이다.

도 1 내지 도 2에 따르면, 다수의 지지대(10)에 의해 지지되는 베이스플레이트(12)가 구비되고, 상기 베이스플레이트(12)의 양단에는 한쌍의 안내롤(14)이 설치된다.

상기 안내롤(14)에는 컨베이어벨트(16)가 권취되고, 상기 컨베이어벨트(16)는 상기 베이스플레이트(12)의 상면과 일정간격을 두고 이격된 채 회전가능하게 설치된다.

상기 컨베이어벨트(16)는 상기 베이스플레이트(12)의 상면 전체를 감싸면서 진행하는 것이 아니라 베이스플레이트(12)의 길이방향, 즉 횡방향으로 양단측에만 작은 폭을 갖고 진행하도록 설치된다.

다시 말하면, 상기 베이스플레이트(12)의 길이방향을 따라 양측단에 인접하여 약간의 폭을 갖고 한쌍의 컨베이어벨트(16)가 회전진행토록 하고 그 이외의 중앙부분은 비어있는 상태가 된다.

베이스플레이트(12)의 하측 지지대(10) 사이에는 지지빔(20)이 배설되고, 상기 지지빔(20)의 중앙부에는 구동모터(22)가 고정된다.

상기 구동모터(22)에는 구동롤(24)이 고정되고, 상기 구동롤(24)에는 상기 컨베이어벨트(16)의 일부가 권취되어 회전가능하게 설치된다.

상기 구동모터(22)에는 인버터(26)가 설치되며, 상기 인버터(26)는 상기 구동모터(22)의 속도조절은 물론 정,역회전을 조절가능하게 하여준다.

상기 베이스플레이트(12)의 상면 중앙부에는 양전극(40)이 고정되는 바, 상기 양전극(40)은 판형상의 전극으로 하여줌이 바람직하다.

상기 양전극(40)의 직상방에는 상기 컨베이어벨트(16)와 약간의 간격을 두고 격벽(32)이 구비된다.

상기 격벽(32)은 사각박스형상으로 상기 베이스플레이트(12)의 장변 양측에서 연장된 도시하지 않은 브라켓에 의해 양측에서 지지되고 상향연장되며 하측을 제외한 모든면이 폐쇄된 상태를 유지하여 반응실(30)을 형성함이 바람직하다.

상기 격벽(32)의 상단면에는 파워서플라이(60)가 고정되며, 각 측면에는 다수의 가스투입구(34)가 형성된다.

상기 가스투입구(34)를 통해 공급되는 반응실(30) 내부의 반응가스는 불활성가스, 산화성가스, 환원성가스중에서 선택된 어느 하나 혹은 그들의 혼합으로 이루어짐이 바람직하다.

파워서플라이(60)는 DC 파워서플라이 혹은 PULSED DC POWER SUPPLY(고전압 마이크로펄스 파워서플라이)가 바람직한 바, 1~50kv와 1~20kHz의 범위내에서 전압 및 주파수 가변이 가능한 파워서플라이가 바람직하다.

상기 반응실(30) 천정에는 높이조절부재(54)가 고정되는 바, 상기 높이조절부재(54)는 공지의 래크와 피니언을 이용하거나 혹은 안내부재를 따라 승하강가능한 가이더를 설치한 것과 같은 방식으로 이루어질 수 있다.

상기 높이조절부재(54)의 하단에는 방전관 형태의 음전극(50)이 고정되고, 방전간극을 조절하기 위한 노즐(52)이 부가된다.

상기 각 전극(40,50)은 파워서플라이(60)에 각각 연결된다.

아울러, 도 2에서 도시의 편의상 파워서플라이(60)를 일측으로 인출하여 도시하였고, 한쌍의 컨베이어벨트(16)를 구동시키기 위해 안내롤(14)은 롤샤프트(14a)에서 2개 1조를 이루어 연결된 것임을 명시하였다.

피처리물(90)의 표면 정밀세정 및 개질을 위한 컨베이어벨트(16)의 이송속도는 피처리물(90)의 표면개질 특성에 따라 가변시킬 수 있으나 대략 분당 0.01~60 m의 속도로 하여 줌이 바람직하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 다음과 같이 작동된다.

먼저, 피처리물(90)의 표면 정밀세정 혹은 개질시키기 위한 대기상태로 준비시키는 단계를 수행한다.

상기 피처리물(90)은 LCD, PDP용 글래스 및 패널형태의 제품이 될 수 있으며, 또한 섬유, 고분자수지, 폴리머 등이 될 수 있다.

상기 단계 후 피처리물(90)의 특성에 따라 완료되면 파워서플라이(60)를 통해 각 전극(40,50)에 전압을 인가하면서 높이조절부재(54)를 조절하여 양전극(40)과 음전극(50)간의 방전간극을 조절하게 된다.

동시에, 상기 가스투입구(34)를 통해 불활성가스, 산화성가스, 환원성가스중에서 선택된 어느 하나 혹은 이들의 혼합으로 이루어진 반응가스를 상기 반응실(30) 내부로 유입시켜 플라즈마를 발생시키는 단계를 수행한다.

즉, 피처리물(90)이 LCD, PDP용 글래스냐 혹은 섬유, 고분자수지, 폴리머냐에 따라 방전효율 및 전류밀도를 달리하여 플라즈마 처리함이 바람직하며, 이때 그 방전간극은 상기한 피처리물(90)의 종류에 따라 10~100mm까지 조절할 수 있는 것이다.여기에서, 상기 방전간극의 조절은 상기 높이조절부재(54)를 통해 가능하다.예컨대, 전극에 인가되는 10kV의 초기전압에 의해 초기 코로나 방전이 시작되고, 이때 전극 사이는 약 10mm 정도이며 이때 흐르는 전류는 100㎂로서 방전효율 및 방전밀도가 낮다.

방전효율을 높이고 전류밀도를 높여주면서 극간거리를 100mm 정도로 하고 초기 인가 전압보다 높은 50kV의 고전압을 인가하면서 20kHz의 고주파를 인가하면 방전거리가 증대된다. 이때 흐르는 전류는 800㎃이다.

이러한 조건에서 방전플라즈마를 안정화시키고 피처리물에 친수성 부여를 위해 아르곤과 같은 불활성가스나 산소와 같은 산화성가스 등의 혼합가스의 유량을 10~500sccm 정도 조정해주면서 유입시키면 가스량에 따라 방전밀도가 증대되게 된다.

특히, 넓은 면적에서 방전을 유지하기 위해서는 전면에 고른 반응가스의 공급이 필요하다.

상기 단계를 통해 반응실(30)로 공급된 반응가스는 대기압하에서 발생된 플라즈마를 안정화시키게 된다.

이어, 구동모터(22)를 구동시켜 인버터(26)로 컨베이어벨트(16)의 이송속도를 분당 약 0.01~60m의 속도로 조절하면서 이송시켜 피처리물(90)을 반응실(30)로 투입하는 단계를 수행한다.

반응실(30)로 투입된 피처리물(90)은 상기 컨베이어벨트(16)의 구동속도에 맞추어 이동되면서 연속적인 정밀세정 혹은 표면개질 작업이 수행되게 된다.

이후, 피처리물(90)이 반응실로부터 배출되게 되면 해당 피처리물(90)의 표면세정 혹은 개질작업은 종료되고 별도의 이송부재에 의해 후공정으로 이송된다.

[실시예]

하기한 표 1은 본 발명의 표면개질방법에 따라 표면개질한 후의 세정효과를측정한 것으로, 세정 전후의 피처리물(90)(여기에서는 평판디스플레이용 기판 유리를 사용하였음) 표면의 접촉각을 측정하여 비교한 것이다.

여기에서, 접촉각이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰때 가지는 각을 말하는 것으로, 이러한 접촉각의 측정은 접착(ADHESION), 표면처리, 폴리머의 표면 분석과 같은 분야에서 주로 사용되는 공지의 분석기술이며 수 옹스트롬(ANGSTROM) 단위의 단일층 변화에도 민감한 표면분석을 할 수 있도록 하여 준다.

이러한 접촉각은 고체표면의 젖음성(WETTABILITY)을 나타내는 척도로서, 대부분 고착된 물방울에 의해 측정되며, 낮은 접촉각은 높은 젖음성(친수성)과 높은 표면에너지를 나타내고 높은 접촉각은 낮은 젖음성(소수성)과 낮은 표면에너지를 나타낸다.

대기압 플라즈마 세정작업의 비교예
접촉각＼재질	무피복유리	몰리브데늄유리	인듐킨옥사이드유리	질소인듐유리
세정 전	42	16	58	60
세정 후	12	5	18	8

상기 표 1에서와 같이, 본 발명에 따른 대기압에서 플라즈마를 발생시키고 그 플라즈마를 이용하여 피처리물의 표면개질을 연속적으로 처리할 수 있도록 함으로써 각 피처리물의 표면에 잔류된 오염물질들을 매우 용이하게 제거하여 우수한 표면개질 특성을 가질 수 있도록 함을 명확히 알 수 있다.

이러한 표면개질방법은 각종 전자부품, 섬유, 피시비기판, 플라스틱, 도장부품 및 금형 등의 각종 부품의 품질향상을 위해 활용될 수 있을 것이다.

또한, 방전간극의 길이 조절이 용이하여, 예컨대 40~60인치의 대형 글래스패널 뿐만 아니라 과광폭섬유 등의 정밀세정이나 표면개질에도 활용할 수 있으며, 특히 자외선 엑시머레이저에 의한 방전관의 경우 400mm 이상에서는 전체면적에 걸쳐 균일한 표면처리가 불가능하나 본 발명에 따르면 900~1000mm의 범위에서도 매우 균일한 표면처리가 가능함을 알 수 있었다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 대기압하에서 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장치를 이용하여 피처리물을 연속적으로 표면 정밀세정 및 표면개질처리할 수 있음으로써 제조비용의 절감은 물론 표면처리 시간의 단축에 따른 생산성 향상 및 품질개선 효과를 제공하게 된다.

Claims (6)

1. 피처리물(90)을 연속처리가능하게 컨베이어벨트(16)에 거치하여 대기시키는 단계와, 반응실(30) 내에서 플라즈마를 발생시키는 단계와, 상기 피처리물(90)을 반응실(30) 내부로 투입시키는 단계와, 피처리물(90)의 표면에 플라즈마를 조사하여 세정 혹은 표면개질하는 단계로 이루어진 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법에 있어서;

   상기 플라즈마 발생단계전에 피처리물의 종류에 대응되는 방전간극을 갖도록 높이조절부재(54)를 통해 음전극(50)을 하향조절한 후 가스투입구(34)를 통해 플라즈마를 안정화시키기 위한 반응가스를 반응실(30) 내부로 도입시켜 전체에 걸쳐 균일하게 분포시키는 단계가 선행됨과 동시에,

   상기 플라즈마 발생시에는 양전극(40) 및 음전극(50) 사이에 주파수 1~20kHz인 방전전압 1~50kv를 인가하고, 피처리물(90)은 분당 0.01~60m의 속도로 투입시키는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 다수의 지지대(10)에 의해 고정된 베이스플레이트(12)와, 그 양단에 고정된 한쌍의 안내롤(14) 및 그 하측 지지대(10)를 연결하는 지지빔(20)상에 설치되고 구동모터(22)에 의해 회전가능한 구동롤(24)과, 상기 구동롤(24) 및 안내롤(14)에 권취되어 회전되면서 피처리물(90)을 이송시키는 컨베이어벨트(16)와, 플라즈마 발생용 양,음전극(40,50) 및 파워서플라이(60)를 갖고 상기 피처리물(90)이 이송되는 임의의 공간상에 배설된 반응실(30)을 포함하여 구성되는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질장치에 있어서;

   상기 컨베이어벨트(16)는 2개로 나뉘어져 서로 거리를 둔 채 구비되고,

   상기 양전극(40)은 2개의 컨베이어벨트(16) 사이에 위치됨과 동시에 베이스플레이트(12)의 상면 중앙에 고정되며,

   상기 음전극(50)은 상기 반응실(30)의 상면에 고정되고 하방향을 향해 높이조절가능하게 구비되고,

   상기 반응실(30)의 양측면인 격벽(32)에는 다수의 가스투입구(34)가 형성된 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 구동모터(22)에는 속도조절 및 정역회전을 제어하는 인버터(26)가 부설되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 파워서플라이(60)는 DC 혹은 고전압 마이크로펄스 파워서플라이인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 정밀세정과 표면개질장치.