KR100541017B1 - 대면적 표면처리용 상압플라즈마 표면처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치에 관한 것으로서, 플라즈마를 배출하는 토치전극의 배열을 달리하여 대면적의 평판형태 또는 굴곡이 있는 대면적의 피처리물을 표면처리할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다. 이를 위해 본 발명은 중공의 몸체, 중공의 몸체 내부로 가스를 유입시키는 유입구, 및 중공의 몸체 상부에 봉형으로 위치한 제1전극과, 유전체로 형성되어 제1전극에 공간을 두고 감싸는 관형상의 유전체관, 및 유전체관을 감싸는 제2전극으로 이루어진 복수개의 토치전극을 구비하여, 제1전극과 제2전극에 인가된 전원에 의해 발생된 플라즈마를 유전체관을 통해 배출하여 피처리물의 표면처리를 수행할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 대형 평판의 피처리물의 처리 뿐만 아니라 굴곡이 있는 대형 피처리물도 균일한 표면처리 및 표면코팅을 할 수 있다. 또한, 진공 플라즈마에서 할 수 없는 인-라인(in-line) 시스템 구현이 가능하여 기존 공정에 대체 또는 부가하여 사용할 수 있다.

폴리머, 표면처리, 도금, 플라즈마

Description

대면적 표면처리용 상압플라즈마 표면처리장치{Surface treatment apparatus using atmopheric pressure plasma for pretreatment of wide material}

도 1 은 본 발명에 따른 상압플라즈마 표면처리장치의 개략도.

도 2a, 2b 는 도 1 의 토치전극이 일렬로 나열된 상태를 나타낸 도면.

도 3a, 3b 는 도 1 의 토치전극이 다수열로 나열된 상태를 나타낸 도면.

도 4a, 4b, 4c, 4d 는 도 1 의 토치전극의 측단면도.

도 5 는 도 1 의 굴곡이 있는 대형 피처리물의 표면처리용 토치전극을 나타낸 도면.

***도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명***

10 : 몸체 12 : 유입구

14 : 제1전극 13 : 유전체관

18 : 제2전극 20 : 가스균일공급부재

본 발명은 상압 플라즈마 표면처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라즈마를 배출하는 토치전극의 배열을 달리하여 대면적의 평판형태 또는 굴곡이 있는 대면적의 피처리물을 표면처리할 수 있도록 한 상압 플라즈마 표면처리장치에 관한 것이다.

종래에 사용되는 화학적 표면처리 방법은 대표적인 습식공정으로 산, 알칼리 처리가 가장 대표적이며, 기계설비비가 싼 반면에 부유물 처리 등과 같은 부대비용이 요구된다. 또한 환경에 민감한 관심을 보이는 가운데, 염소, 크롬, 및 클로로포름 등과 같은 비환경 친화적인 소재를 사용하는 화학적 표면처리에 대한 대체방안이 시급히 요구되고 있다. 이러한 이유에서 플라즈마 등과 같은 건식공정 개발이 이루어지기 시작했다.

종래에 사용되는 진공플라즈마는 최소한 0.1~100mbar로 진공이 필요하기 때문에 장비가 매우 고가이며 복잡하다. 또한 표면처리에 사용되는 시간보다 플라즈마 방전 준비시간이 많이 요구되어 실제 사용과 구현이 어렵다. 이러한 이유에서 저온/상압 플라즈마 기술이 개발되고 적용되기 시작했다.

그러나 저압/저온에서의 플라즈마 방전을 유도하여 표면처리하는 종래기술의 경우, 작거나 평판 형태의 피처리물에 한하여 적용되어 그 적용범위가 작다는 단점이 있었다.

또한, 종래의 대면적 표면처리기술은 화학적 표면처리 기술로 다량의 수용액과 유해성 요액을 사용하여 피처리물의 표면을 침적 처리하는 방식으로, 단순한 기술로 많은 노동력이 필요할 뿐만 아니라 환경오염을 유발한다는 큰 문제점이 있었다.

아울러, UV-O₃ 세정과 같은 자외선으로 오존을 활성화시키는 방법이나 진공 플라즈마를 이용하는 대면적 표면처리 방법도 있으나 진공장비나 독립된 반응용기가 필요하여 연속공정에 적용하기 힘들다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 플라즈마를 배출하는 토치전극의 배열을 달리하여 대면적의 평판형태 또는 굴곡이 있는 대면적의 피처리물을 표면처리할 수 있도록 한 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 전극에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 인-라인(in-line)으로 채용하여 공정 공간의 한게, 고비용 공정 등의 문제점을 개선하고, 종래 표면처리방법에 의해 발생되던 오염물질을 배출하지 않도록 하여 환경오염을 방지하는 데 그 목적이 있다.

아울러, 플라즈마가 각 토치전극에서 형성되어 외부로 분사되는 형태이므로 유전체에 부착된 전도성 전극간의 아크, 스트리머 등의 이상방전에 의해 피처리물이 손상되는 것을 방지할 수 있도록 하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 구성은 다음과 같다. 즉, 본 발명은 중공의 몸체, 중공의 몸체 내부로 가스를 유입시키는 유입구, 및 중공의 몸체 상부에 봉형으로 위치한 제1전극과, 유전체로 형성되어 제1전극에 공간을 두고 감싸는 관형상의 유전체관, 및 유전체관을 감싸는 제2전극으로 이루어진 복수개의 토치전극을 구비하여, 제1전극과 제2전극에 인가된 전원에 의해 발생된 플라즈마를 유전체관을 통해 배출하여 피처리물의 표면처리를 수행할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 몸체 내부에 글래스 비드, 글래스 울, 시브, 메쉬 중 어느 하나를 설치하여 상기 유전체로 유입되는 가스를 균일하게 공급하는 것을 특징으로 한다.

상기 토치전극은 유전체관을 중심으로 제1전극이 제2전극보다 더 돌출되어 유전체관 내부의 이상방전을 차단한 것을 특징으로 한다.

상기 유전체관은 원통형, 다각형, 노즐형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 유전체관은 직경이 0.5~100mm, 두께 20mm 이내로 그 크기가 조절되는 것을 특징으로 한다. 또한, 유전체관은 직경이 일정하거나, 하부로 갈수록 직경이 감소하거나, 하부로 갈수록 직경이 증가하는 특징으로 한다. 또는 상부와 하부로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 한다.

상기 토치전극은 피처리물의 표면처리 면적에 따라 복수개로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 토치전극은 일렬로 배열되거나 복수개의 열로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 토치전극은 피처리물 표면처리면의 굴곡에 따라 그 높이가 조절되어 배열되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 전극을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1 은 본 발명에 따른 상압 플라즈마 표면처리장치의 개략도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상압 플라즈마 표면처리장치는 몸체(10), 유입구(12), 유전체관(13), 제1전극(14), 제2전극(18), 가스균일공급부재(20), 전원공급장치(도시되지 않음)으로 이루어진다.

이러한 상압 플라즈마 표면처리장치는 몸체(10)의 측부에 몸체(10) 내부로 가스를 유입시키는 유입구(12)가 형성되고, 하부에는 제1전극(14), 유전체관(13), 및 제2전극(18)으로 이루어진 토치전극이 복수개로 배열된다.

이러한 토치전극은 대면적의 피처리물을 표면처리할 수 있도록 상술한 바와 같이 복수개가 설치되고, 더욱이 굴곡이 있는 대형 피처리물을 표면처리할 수 있도록 각 토치전극의 높이를 피처리물 표면처리면의 높이에 대응되게 조절된다.

먼저, 몸체(10)는 측부에 가스를 유입하는 유입구(12)가 형성되고, 그 상부에는 봉형의 제1전극(14)이 복수개 설치되어 하부로 길게 위치한다.

몸체(10) 내부에는 상기 유입된 가스를 각각의 토치전극으로 균일하게 공급 하는 바람직하게는 비드와 같은 가스균일공급부재(20)가 위치한다. 이러한 가스균일공급부재(20)는 가스를 개별적으로 제어하는 방법과 전체적으로 주입하는 방법에 따라 다양하게 채용될 수 있다. 전체적으로 주입하는 방법에는 예를 들어 글래스 비드(glass bead)나 글래스 울(glass wool), 시브(sieve) 또는 메쉬(mesh) 등을 채용하는 방법이 있고, 개별적으로 제어하는 방법으로는 가스 스프레이 시스템을 이용하여 각각의 토치전극에 개별적으로 주입하는 방법이 있다.

플라즈마를 생성하기 위한 가스는 표면처리의 목적에 따라 다양하게 사용할 수 있는데, 이러한 가스는 아르곤, 헬륨, 수소, 산소, 질소, 암모니아, 사불화탄소, 사염화탄소, 공기, 산화질소, 에틸렌, 염화 에틸렌, 아크릴산을 최소 하나 또는 둘 이상을 혼합하여 0.01~100ℓ/min, 바람직하게는 0.05~10ℓ/min의 유량으로 투입된다.

마지막으로 몸체(10) 하부에는 복수개의 토치전극이 설치된다.

토치전극은 전술한 바와 같이, 제1전극(14), 유전체관(13), 및 제2전극(18)으로 이루어진다.

유전체관(13)은 유전체로 형성된 관으로써, 상기한 몸체(10)의 하부에 복수개가 설치되는데, 원통형, 다각형, 노즐형 등 다양하게 형성될 수 있는데, 방전이 어렵거나 강한 방전이 요구되는 경우엔 유전체의 크기를 조절함으로써 원하는 방전을 일으킬 수 있다. 예를 들어, 플라즈마를 원하는 곳까지 분사하기 위해서는 공급하는 가스의 종류 및 유량에 따라 내부 직경이 0.5~100mm, 두께 20mm 이내 등으로 다양하게 채용할 수 있다.

여기서, 유전체는 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al₂O₃), 산화티타늄(TiO₂), 산화규소(SiO₂) 등의 산화물 계열의 세라믹으로 이루어지는 것이 바람직하다.

제1전극(14)은 봉형으로 형성되어 일단이 몸체(10)의 상부에 고정되고 타단은 상기한 유전체관(10)의 중심에 위치하게 되어 제1전극(14)과 유전체관(13) 사이의 공간이 형성되므로, 이 공간에서 플라즈마 발생과 분사가 이루어지게 된다.

제1전극(14)의 재질은 2차 전자(secondary electron)의 방출이 많은 백금(Pt)이나 텅스텐(W), 은(Ag) 등을 채용하여 방전이 쉽게 이루어지도록 함과 더불어 반응활성종(radical)의 밀도가 우수한 특성의 플라즈마를 발생시키는 것이 바람직하다.

또한, 제2전극(18)은 상기한 유전체관(13)의 외주면을 따라 설치된다. 제2전극(18)은 플라즈마 분사거리와 플라즈마의 방전 효율을 증대시키기 위해 예를 들어, 코일, 망, 테이프 등 다양한 형태가 채택될 수 있다.

특히, 제1전극(14)과 제2전극(18)에 있어서, 유전체관(13)의 선단을 중심으로 하여 도 1 의 'A' 및 'B' 와 같이 제1전극(14)을 제2전극(18)보다 더욱 돌출되게 형성하여 이상 방전이 발생하지 않도록 한다.

따라서, 도 1 에 도시된 바와 같이, 토치전극은 몸체(10) 하부의 유전체관(13)이 형성되고, 몸체(10) 상부로부터 길게 형성된 제1전극(14)이 상기 유전체관(13)의 중심에 위치하게 되며, 유전체관(13)의 외주면에는 제2전극(18)이 위치하게 된다.

전원공급장치(도시되지 않음)는 제1전극(14)과 제2전극(18)에 전원을 인가하여 유전체관(13) 내부에 방전을 일으키는 것으로써, 주파수가 1㎑~수㎓까지, 바람직하게는 1㎑~수십㎒인 교류를 사용한다. 본 발명에 따른 실시예에서는 5~30㎑ 범위의 주파수를 사용하였다.

이와 같이, 구성되는 토치전극 구조에 있어서, 다중 토치전극 배열과 피처리물과의 간격은 분사되는 플라즈마의 강도와 피처리물의 재질 특성에 따라 달라지며, 특히, 굴곡이 있는 피처리물의 표면처리에 있어서는 각 토치전극의 높이를 달리하여 처리한다. 또한, 분사되는 플라즈마의 강도는 일반적으로 인가되는 전력의 전압, 주파수 등의 인자와, 제1전극(14)과 제2전극(18) 간의 간격, 그리고 유입되는 기체의 종류 및 유속에 따라 달라진다. 특히, 상기한 플라즈마의 유속은 토치전극의 유전체(13) 직경에 의해서 결정된다.

즉, 전압이나 교류전원의 주파수가 높거나 기체의 유속이 빠르면, 일반적으로 분사되는 플라즈마의 강도가 강해지므로 피처리물과 토치전극배열의 간격이 멀어지게 된다. 게다가, 피처리물의 열적, 전기적, 화학적 성분 특성에 따라서도 영향을 받는다.

또한, 분사되는 플라즈마는 가스의 유속에 따라 움직이므로, 피처리물의 위치에 대한 제약은 없으나 일반적으로 다중 토치전극의 아래에 피처리물들이 놓여지므로, 피처리물들을 직진ㆍ왕복운동 또는 회전운동 등을 시켜 처리속도나 표면처리의 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다. 아울러, 가스의 전체 유속을 제어함으로써 피처리물 표면의 유기불순물의 화학적 제거 뿐만 아니라 입자 등의 물리적 제거 또한 가능하다.

다음은 토치전극의 유전체의 직경을 달리한 다중 토치전극의 배열예를 설명한다.

도 2a, 2b 는 도 1 의 토치전극이 일렬로 나열된 상태를 나타낸 도면이다.

도 2a 에 도시된 토치전극은 토치전극이 서로 맞닿으면서 일렬로 배열된 것을 도시한 것이고, 도 2b 는 토치전극이 서로 일정 거리를 두고 일렬로 배열된 것을 나타낸 것으로서, 피처리물이 길게 형성된 것에 유리하다.

도 3a, 3b 는 도 1 의 토치전극이 다수열로 나열된 상태를 나타낸 도면이다.

도 3a 는 상기한 토치전극이 서로 맞닿으면서 복수개의 열로 배열된 것을 도시한 것이고, 도 3b 는 토치전극이 서로 일정 거리를 두고 복수개의 열로 배열된 것을 나타낸 것으로서, 넓은 면적의 평평한 피처리물의 표면처리에 유리하다.

한편, 토치전극의 구조는 전술한 바와 같이, 플라즈마 방전이 어렵거나 강한 방전이 요구될 경우 유전체관(13)의 크기 즉, 두께와 직경을 조절하여 원하는 방전을 일으켜 플라즈마를 생성할 수 있는데, 도 4a 내지 도 4d 는 그 크기가 다른 다중 토치전극의 예를 설명한다.

도 4a, 4b, 4c, 4d 는 도 1 의 토치전극의 측단면도이다.

도 4a, 4b, 4c, 4d 에 도시된 토치전극은 기본적으로는 유전체관(13)의 중심에 제1전극(14)이 위치하고 유전체관(13)의 외주면을 따라서 제2전극(18)이 위치하는 구조는 동일하다.

도시된 각 토치전극 구조는 플라즈마의 분사거리와 플라즈마의 방전 효율을 증대시키기 위하여 피처리물의 크기와 형태에 따라서 달라진다.

예를 들면, 도 4a 에 도시된 토치전극의 구조는 가장 기본적인 구조로서, 유전체관(13)의 전체 직경이 일정한 구조이고, 도 4b 는 유전체관(13)의 직경이 하부로 갈수록 직경이 감소하는 증가하는 구조이다. 도 4c 에 도시된 토치전극 구조는 유전체관(13)의 직경이 하부로 갈수록 증가하는 구조이며, 도 4d 는 유전체관(13)의 직경이 상부와 하부로 갈수록 증가하는 구조이다.

한편, 본 발명의 다중 토치전극은 대형 피처리물의 표면처리 뿐만 아니라 굴곡이 있는 대형 피처리물에도 적용할 수 있다.

도 5 는 도 1 의 굴곡이 있는 대형 피처리물의 표면처리용 토치전극을 나타낸 도면.

굴곡이 있는 대형 피처리물의 경우에는 토치전극의 높이를 달리하여 처리한다. 만약, 대형 피처리물의 형태가 그 중심 부분이 상향으로 굴곡지게 형성되면 토치전극 또한 도 5 에 도시된 바와 같이, 피처리물의 굴곡면에 대응되게 높이를 달리하여 위치시킴으로써 용이하게 표면처리할 수 있다.

게다가, 토치전극과 피처리물과의 간격은 분사되는 플라즈마의 강도와 피처리물의 재질 특성에 따라 달리하여 채용할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따르면, 대형 평판의 피처리물의 표면처리 뿐만 아니라 굴곡이 있는 대형 피처리물도 균일한 표면처리 및 표면코팅을 할 수 있다.

또한, 진공 플라즈마에서 할 수 없는 인-라인(in-line) 시스템 구현이 가능하여 기존 공정에 대체 또는 부가하여 사용할 수 있다.

2차 환경오염을 유발하는 화학적 표면처리 또는 전기화학적 표면처리 기술 등과 달리 환경오염을 예방할 수 있다.

Claims (13)

1. 중공의 몸체;

   상기 중공의 몸체 내부로 가스를 유입시키는 유입구;

   상기 중공의 몸체 내부에 글래스 비스, 글래스 울, 시브, 메쉬 중 어느 하나가 설치되어 상기 유입구로 유입된 가스가 배출공으로 균일하게 공급되도록 하는 가스균일공급부재; 및

   상기 중공의 몸체 상부에 봉형으로 위치한 제1전극과, 유전체로 형성되어 상기 제1전극에 공간을 두고 감싸는 관형상의 유전체관, 및 상기 유전체관을 감싸는 코일, 망 또는 테이프 중 어느 하나의 형태인 제2전극으로 이루어진 복수개의 토치전극을 구비하여,

   상기 제1전극과 제2전극에 인가된 전원에 의해 발생된 플라즈마를 상기 유전체관을 통해 배출하여 피처리물의 표면처리를 수행할 수 있도록 한 대면적 표면처리용 상압플라즈마 표면처리장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 토치전극은

   상기 유전체관을 중심으로 상기 제1전극이 상기 제2전극보다 더 돌출되어 상기 유전체관 내부의 이상방전을 차단한 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체관은 원통형, 다각형, 노즐형 중 어느 하나의 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 상압 플라즈마 표면처리장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 유전체관은

   직경이 0.5~100mm 이내로 그 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 유전체관은

   직경이 일정한 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 유전체관은

   하부로 갈수록 직경이 감소하는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 유전체관은

   하부로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 유전체관은

   상부와 하부로 갈수록 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 토치전극은

    상기 피처리물의 표면처리 면적에 따라 복수개로 설치되는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 토치전극은

    일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 토치전극은

    복수개의 열로 배열되는 것을 특징으로 하는 대면적 표면처리용 상압 플라즈마 표면처리장치.
13. 삭제

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