KR100489596B1 - 플라즈마 표면처리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코팅 및 클리닝과 같은 표면 처리를 수행하기 위한 대기 중 플라즈마를 효과적으로 생성하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 외부 전자 공급 장치를 이용하여 효과적으로 대기 중에서 레이저 플라즈마를 생성시켜, 보다 효율적인 표면 처리를 수행할 수 있게 함을 특징으로 한다. 본 발명은 종래 방법과 비교하여 대기 중 플라즈마 점화 속도를 향상시키고, 어떠한 오염물질도 배출하지 않아 가공 품질의 향상을 꾀할 수 있으며, 원리가 간단해 쉽고 저렴한 가격의 시스템을 구성할 수 있으며, 전체 시스템 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 등의 효과를 제공한다.

Description

플라즈마 표면처리 장치{APPARATUS FOR PLASMA SURFACE TREATMENT OF MATERIALS}
본 발명은 레이저 플라즈마를 이용한 표면 처리 장치에 관한 것으로, 레이저 빔으로 대기 중에 강력한 활성 가스 플라즈마를 생성시켜 재료 표면에 새로운 물질을 코팅하거나, 재료 표면의 오염물질을 제거하는 표면 처리 장치에 관한 것이다.
기존의 플라즈마를 이용한 코팅 및 클리닝 방법은 전기적 가스 방전을 사용한다. 즉 진공 챔버 내부에 플라즈마 형성 가스(보통 Ar)을 주입한 후 양쪽 전극에 강력한 DC 혹은 RF 전류를 흘려 주면 전극에서 튀어 나온 전자들이 가스 입자들과 충돌하여 이온화 시킴으로서 플라즈마를 형성시킨다. 이후, 적절한 반응 가스를 주입하면 플라즈마 내부에서 여기(Excitation), 분해(Dissociation), 이온화(Ionization) 등과 같은 현상에 의해 매우 활성화된 상태의 원자 및 분자 상태가 되어 모재 표면과 쉽게 화학적 반응을 한다. 만일 플라즈마 내부에서 기체 입자간의 반응에 의해 새로운 화합물이 만들어져 표면에 부착시 코팅현상이 발생하며(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 플라즈마 내부에서 매우 강력한 활성 라디칼이 만들어져 모재 표면의 물질과 반응하여 기화된다면 표면 물질 제거 현상 즉 에칭(Plasma ething) 혹은 클리닝(Cleaning) 반응이 일어나게 된다.
이러한 전기적 방전에 의한 플라즈마 표면 처리 방법은 진공 챔버 및 장비가 필요하고, 표면에서의 반응속도가 느리며, 국부적 반응에 의한 특정 영역만의 표면처리가 어려우며, 장치가 복잡하며, 많은 공정 파라미터들에 의한 공정 제어가 쉽지 않다는 많은 문제점이 있다. 특히 코팅 처리에 있어 실제 필요한 코팅 영역은 모재 전체의 일부에 해당되나 기존의 방법으로는 이러한 국부영역의 선택적 코팅이 어렵다. 또한 모재의 형상이 복잡한 경우, 균일한 코팅층을 얻기가 쉽지 않고, 매우 날카로운 가장자리나 모서리 같은 경우 코팅의 밀착력이 현저히 떨어져 쉽게 벗겨진다는 문제점도 가지고 있다.
본 출원인은 한국기계연구원과 공동으로 2002.10.7자 선출원의 한국특허출원 제2002-60995호(한국특허 제100407600호, 등록일 2003.11.18)에서 새로운 플라즈마 표면 처리 장치를 제시하였으며, 이는 레이저로부터 조사된 레이저빔을 집속 렌즈나 미러를 통해 대기 중에 집속시키고, 적절한 전자 공급 장치를 이용하여 플라즈마를 형성 시킨 후, 다양한 반응 가스를 플라즈마에 주입하여 화학적 반응을 일으켜 모재 표면과 상호 작용하여 효과적인 표면 코팅, 에칭 또는 클리닝 방법을 제공하는데 그 특징이 있다.
한편, 도 1을 참조하여 선출원 특허(플라즈마 표면 처리 장치)를 설명하면, 레이저(1)에서 조사된 연속파 레이저빔(2)이 초점미러(4) 혹은 초점렌즈를 통해 집속된 초점 위치(5)에서 대기 중 플라즈마(6)를 생성시키기 위해서는 충분한 양의 전자를 공급해 주어야 한다(Inverse Bremstrahlung 효과).
상기 특허에서는 희생재료를 사용하여 초점위치 근방에 희생재료를 놓고, 조사되는 레이저빔에 의한 희생 재료의 증발 및 플라즈마를 생성시켜 충분한 전자를 공급하여 대기 중 플라즈마를 점화시키고자 하였다.
그러나, 이러한 기술은 희생재료의 증발 및 이탈에 의한 주위환경의 오염으로 플라즈마 표면 처리 시 가공 품질을 악화시키며, 발생 오염을 제거하기 위한 집진기와 같은 부가 장비가 필요하고, 레이저 빔의 이송이 필요해 시스템의 크기가 커지는 등의 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명은 어떠한 오염도 발생시키지 않고 충분한 전자를 공급하여 대기 중에 플라즈마를 효과적으로 생성시킬 수 있는 플라즈마 표면처리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 플라즈마를 이용하여 작업물의 표면 처리를 수행하는 장치에 있어서, 플라즈마 생성 임계값 이상의 출력을 가진 레이저빔을 발생하는 레이저 발생수단과; 상기 레이저 빔을 대기 중에 집속시켜 레이저 초점을 형성하는 초점형성수단과; 상기 레이저 초점에 플라즈마 여기 가스 및 실제적인 표면 처리 공정을 위한 반응 가스를 공급해주기 위한 가스공급수단; 및 상기 레이저 초점 근방에 플라즈마 초기 점화를 위해 충분한 전자를 공급하여 강력하고 지속적인 레이저 플라즈마를 생성하는 전자공급수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 실현하기 위한 본 발명은 플라즈마를 이용하여 작업물의 표면 처리를 수행하는 방법에 있어서, 레이저로부터 플라즈마 생성 임계값 이상의 출력을 가진 레이저빔을 초점미러 혹은 초점렌즈를 통해 대기 중에 집속시켜 레이저 초점을 형성하는 단계; 상기 레이저 초점에 플라즈마 여기 가스와 충분한 양의 전자를 공급해주어 대기 중 플라즈마를 형성하는 단계; 반응 가스를 상기 플라즈마에 취입하여 강력한 화학적 반응을 유도시켜 작업물 표면과 반응시키는 단계; 및 상기 레이저 초점 근방에 플라즈마 초기 점화를 위해 충분한 전자를 공급하여 강력하고 지속적인 레이저 플라즈마를 생성하는 플라즈마 초기 점화 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징한다.
본 발명에 따르면 대기 중 플라즈마 점화 속도를 향상시키고, 어떠한 오염물질도 배출하지 않아 가공 품질의 향상을 꾀할 수 있으며, 원리가 간단하고, 저렴한 가격의 시스템을 구성할 수 있으며, 전체 시스템 크기를 획기적으로 줄일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 대기 중 플라즈마 표면처리 장치를 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제1실시예를 도시한 개략도이다.
도 1을 참고하여 본 발명에 따른 플라즈마 표면 처리 장치의 제1실시예를 설명하면, 레이저(1)로부터 조사된 레이저빔(2)은 빔 전송장치(3)를 통해 초점미러(4)를 통해 대기 중에 집속시켜 레이저 초점(5)을 형성하는 단계를 수행하게 된다. 이때 레이저 빔은 펄스파가 아닌 연속파(continuous wave)를 사용하며, 초점에서의 레이저 출력밀도는 최소 104 W/cm2 이상으로 한다. 따라서 출력이 100 W 이상의 연속파 레이저(CW Laser)를 사용한다.
매우 큰 레이저 에너지가 집중되어 있는 초점에 충분한 양의 전자를 공급해주면 Inverse Bremstrahlung 효과에 의해 레이저빔(광자) 에너지가 전자에 급격히 흡수되어 강력한 플라즈마(6)를 대기 중에 형성하게 된다(이를 ‘multi-photon ionization’현상이라고도 함).
Inverse Bremstrahlung 효과에 의하면, 대기 중 레이저 플라즈마(6)의 생성 임계값(threshold)은 사용되는 레이저 파장과 가스 압력에 반비례하며, 가스의 이온화에너지에 비례한다. 즉 조사되는 레이저 빔의 파장이 클수록, 취입하는 가스의 압력이 클수록, 그리고 이온화에너지가 작은 가스 일수록 효과적인 대기 중 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 따라서 효과적인 대기 중 플라즈마를 형성하기 위해서는 파장이 원적외선 영역인 일산화탄소(CO) 레이저(파장이 5-6.4 m) 혹은 이산화탄소(CO2) 레이저(파장이 10.6 m)가 효과적이며, 또한 이온화 에너지가 상대적으로 낮은 아르곤(Ar) 가스를 가스 공급 장치(24)와 가스 밸브(22)를 통해 적절히 압력을 높여 취입하면 매우 손쉽게 대기 중 플라즈마를 형성시킬 수 있게 된다.
대기 중에 레이저 플라즈마(6) 형성 후, 실제적인 표면 처리 공정을 위해 외부의 가스 공급 장치(24)에서 반응 가스를 공급해준다. 반응 가스는 가스라인(23), 가스 밸브(22) 및 가스 노즐(nozzle ; 21)을 통해 레이저 초점에 모이도록 분사시켜준다.
특히, 본 발명에 따르면 레이저 에너지가 집중되어 있는 초점위치(5) 근방에 필라멘트(11)가 위치하며, 전원장치(12)를 이용해 전류를 흘려주면 필라멘트(11)에서 열전자가 방출하게 된다. 필라멘트(11)의 형상 및 위치를 조정하여 열전자가 레이저 초점 위치에 집중하도록 하면 조사되는 레이저빔(2)에 의해 대기 중 플라즈마를 쉽게 생성할 수 있게 된다. 이렇게 플라즈마의 생성 후 전원장치(12)를 OFF 시킴으로서 인입 전류는 차단하게 된다. 이때 필라멘트(11) 재료로 티타늄(Ti), 구리(Cu) 등을 사용하면 열전자 방출 효율을 높일 수 있으며, 텅스텐(W) 혹은 니켈(Ni) 등과 같은 내열 재료를 사용하면 필라멘트 수명을 향상시킬 수 있다. 또한 필라멘트의 형상을 구형으로 만들면 레이저 초점에 많은 열전자를 집중시킬수 있는 효과를 제공한다.
도 2은 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제2실시예를 도시한 개략도이다.
도 1의 필라멘트(11)에서 발생하는 열전자는 전방위로 방출하게 되는데 도 2와 같이 양극(+) 전극봉(15)을 위치시키면 발생 열전자가 전극봉으로 모이게 되어 레이저 초점에 보다 많은 열전자 밀도를 집중시킬 수 있게 된다. 따라서 초점위치(5)에 높아진 전자 밀도에 의해 쉽게 레이저 플라즈마를 생성시킬 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제3실시예를 도시한 개략도이다.
도 1 및 도 2 에서는 전자 방출 소스로 필라멘트(11)를 사용하였으나 도 3에서는 전자 방출 소스로 한쌍의 전극(16, 17)을 사용하였다. 레이저 초점을 가운데 두고 양쪽으로 음의 전극(16)과 양의 전극(17)의 위치시키고, 양 전극 사이에 전원장치(12)를 이용해 전압을 걸어주면 음의 전극에서 전자가 빔(13)의 형태로 양의 전극으로 가게 된다. 전원장치(12)를 이용해 양 전극단에 걸린 전압을 조절하여 전자빔의 밀도를 쉽게 조절할 수 있으며, 전극 끝단의 형상에 따라 전자빔의 직경을 조절할 수 있다. 보통 전극과 레이저 초점간의 거리(g)는 2 - 50 mm로 한다.
도 4은 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제4실시예를 도시한 개략도이다.
도 4는 하나의 전극 봉(18)을 사용하여 도전체(탄소, 금속 등)(19) 표면 위에서 순간적인 아크(arc ; 20)를 발생시켜 충분한 전자를 공급하는 장치를 보여 준다. 일단 전극 봉(18)과 도전체(19) 사이에 전원을 연결하고 전류를 흘려준다. 전극봉(18)과 도전체(19)가 접촉되어진 후 바로 떼어주면 전극봉과 도전체 사이에 아주 전자가 많이 포함된 아크(20)가 발생하게 된다. 레이저 초점위치(5)에 이러한 아크를 순간적으로 발생시키면 손쉽게 대기 중 레이저 플라즈마(6)를 발생시킬 수 있게 된다. 상기 아크 발생 원리는 일반적인 아크 용접 시 초기 아크 발생의 원리와 동일하다. 상기 방법은 도 3에서 제시된 방법과 비교해 상대적으로 적은 전력으로 많은 전자를 생성시켜 레이저 플라즈마를 손쉽게 점화시킬 수 있다는 특징을 가지고 있다.
도 5은 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제5실시예를 도시한 개략도이다.
이는 매우 강력한 펄스파(펄스폭이 보통 1∼100 nanosecond) 레이저빔(8)에 의한 순간적인 대기 중 플라즈마(9) 발생 원리를 이용한 것이다(기 출원특허 참조: 10-2000-0073391). 또 다른 레이저(보통 Nd:YAG 레이저)로부터 조사된 펄스파 레이저빔(8)을 초점렌즈(7)를 통해 레이저 플라즈마(6) 발생 초점위치(5)에 집속시키고, 레이저 초점(5)에서의 출력 밀도가 플라즈마 생성 임계값 이상의 값(보통 1010∼1014 W/cm2)을 가지도록 하면 대기 중 기체는 대단히 강력한 펄스파 레이저 빔에 의해 브레이크다운(break-down) 즉 이온화가 되며, 강력한 플라즈마(9)가 초점에서 형성된다. 이때 발생 플라즈마(9) 내부에는 매우 많은 전자들이 존재하며, 결과적으로 표면 처리를 위한 지속적인 플라즈마가 점화된다. 상기 방법은 레이저빔을 사용한 매우 청정한 방법으로 어떠한 오염물질도 원천적으로 발생하지 않아 고 품질의 표면 처리를 요구하는 목적으로 사용하거나, 기 출원 특허(10-2000-0073391)을 이용한 표면 세정 방법과의 결합도 추구할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치에 의하면, 종래 방법과 비교하여 대기 중 플라즈마 점화 속도를 향상시키고, 어떠한 오염물질도 배출하지 않아 가공 품질의 향상을 꾀할 수 있으며, 원리가 간단해 쉽고 저렴한 가격의 시스템을 구성할 수 있으며, 전체 시스템 크기를 획기적으로 줄일 수 있다 등의 효과를 제공한다.
또한 본 발명의 플라즈마 표면처리 장치를 사용하면, 종래의 전기적 방전에 의한 표면 처리 방법과 비교하여 표면 처리(코팅 및 클리닝) 속도를 크게 향상시킬 수 있고, 시스템이 간단해 동작이 매우 쉬우며, 부가적인 진공 장비가 필요 없으며, 모재의 크기 및 형상에 제약을 받지 않으며, 원하는 영역만의 선택적 표면 처리가 가능하다 등의 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제1실시예를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제2실시예를 도시한 개략도.
도 3는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제3실시예를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제4실시예를 도시한 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 표면처리 장치의 제5실시예를 도시한 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 레이저 2: 연속파 레이저빔
3: 빔 전송장치 4: 초점미러
5: 레이저 초점 6: 레이저 플라즈마
7: 초점렌즈 8: 펄스파 레이저빔
9: 펄스파에 의한 레이저 플라즈마
11: 필라멘트(filament) 12: 전원장치
13: 전자선 15,16,17,18: 전극봉
19: 도전체 20: 아크
21: 가스노즐 22: 가스밸브
23: 가스라인 24: 가스공급장치

Claims (6)

  1. 플라즈마를 이용하여 작업물의 표면 처리를 수행하는 장치에 있어서,
    플라즈마 생성 임계값 이상의 출력을 가진 레이저빔을 발생하는 레이저 발생수단과;
    상기 레이저 빔을 대기 중에 집속시켜 레이저 초점을 형성하는 초점형성수단과;
    상기 레이저 초점에 플라즈마 여기 가스 및 실제적인 표면 처리 공정을 위한 반응 가스를 공급해주기 위한 가스공급수단; 및
    상기 레이저 초점 근방에 플라즈마 초기 점화를 위해 충분한 전자를 공급하여 강력하고 지속적인 레이저 플라즈마를 생성하는 전자공급수단을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자공급수단은 상기 레이저 초점 근방에 설치된 필라멘트와, 상기 필라멘트에 전원을 공급하는 전원장치로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자공급수단은 상기 레이저 초점 근방에 설치된 필라멘트와, 상기 레이저 초점을 기준으로 반대면에 설치된 양극(+) 전극과, 상기 필라멘트와 양극(+) 전극에 전원을 공급하는 전원장치로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자공급수단은 상기 레이저 초점을 사이에 두고 양쪽으로 설치된 음극 전극 및 양극 전극과, 상기 음극 전극 및 양극 전극에 전원을 공급하는 전원장치로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자공급수단은 상기 레이저 초점을 사이에 두고 양측으로 각각 설치되어 접촉되어졌다가 떼어주면 순간적인 아크(arc)가 발생될 수 있는 전극 봉 및 도전체와, 상기 전극 봉 및 도전체에 전원을 공급하는 전원장치로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자공급수단은 상기 레이저 초점에 또 다른 레이저로부터 조사된 펄스파 레이저 빔을 집속시켜 순간적으로 가스 입자들을 이온화시켜 플라즈마를 발생할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 플라즈마 표면처리 장치.
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