KR100552388B1 - 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법 - Google Patents
대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 열원(Heating source)을 이용하여 자체 가열된 반응가스를 이용하거나 전극부를 열원을 이용하여 직접 가열하는 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 목적은 전극 및 유전체의 전극부를 포함하며 플라즈마가 발생하는 반응영역, 플라즈마 발생의 전력을 공급하는 전력공급장치, 상기 반응영역 내로 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스공급장치 및 열원을 이용하여 상기 가스 또는 전극을 미리 가열하는 가열장치를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법은 열원을 이용하여 자체 가열된 반응가스를 이용하거나 열원을 이용하여 플라즈마가 발생하는 반응영역의 전극과 반응가스를 피처리물을 처리하기 전에 미리 가열함으로써 방전개시 전압 및 유지전압을 낮출 수 있는 효과가 있다. 또한, 가열된 가스를 이용함으로써 높은 온도에서 표면처리 및 개질이 가능하여 재질의 처리 속도를 향상시킬 수 있고, 표면처리 및 개질시 피처리물 표면에 존재하여 표면처리를 방해하는 염료나 이형재를 제거하는 데 가열된 가스를 사용시 처리 속도를 높일 수 있는 효과가 있다.
열원, 플라즈마, 대기압, 표면처리
Description
도 1 내지 도 2는 종래기술에 의한 플라즈마를 이용한 표면처리장치
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 가스가열장치가 부착된 플라즈마 생성장치
도 6은 본 발명을 이용하여 핸드폰 케이스를 표면 처리한 실시예
도 7은 본 발명을 이용한 애싱처리속도를 나타낸 그래프
본 발명은 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 열원(Heating source)을 이용하여 자체 가열된 반응가스를 이용하거나 전극부를 열원을 이용하여 직접 가열하는 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), 웨이퍼 등의 반도체 제조공정중의 세정공정에는 표면에 흡착된 오염물질을 제거하기 위 하여 여러 가지 방법이 사용되고 있다.
최근에는 에너지, 신재료, 반도체 소자제조, 환경분야 등에서 널리 사용되고 있는 플라즈마(Plasma)를 이용하여 세정하는 방법이 주로 사용되고 있다.
이와 같은 플라즈마는 일반적으로 진공에서 생성시킬 수 있으며, 글로우방전(Glow Discharge)과 아크방전(Arc Discharge)이 가장 많이 사용된다. 특히 글로우 방전은 전극의 양단에 수백 볼트(Volt)의 전압을 인가하여 플라즈마 내의 양이온이 음극과 충돌하여 발생된 2차 전자가 외부로 인가한 전계에 의해 플라즈마로 가속되어 가면서 중성가스(Neutral gas)를 이온화시키고 이 때 생성된 전자가 다시 중성가스를 이온화시키는 과정이 반복되는 전자사태(Avalanche)를 일으켜 전극 양단간에 전류가 흐르게 되는 현상을 말한다.
종래의 플라즈마를 이용한 표면처리장치는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(1), 전력공급장치(3), 전극(4), 유확산펌프(5), 및 로터리 펌프(6)로 이루어진 진공펌프, 챔버 내부의 진공도를 측정하기 위한 열전쌍 진공계(7)와 이온게이지(8), 반응성 가스를 주입하기 위한 주입포트(9)(10)로 구성된다.
챔버(1)의 내부 압력을 일정 진공도로 유지하고, 내부에 주입포트(9)(10)를 통해 반응성 가스를 주입한다. 전력공급장치(3)를 사용하여 기판에 소정 전력을 인가함으로써 반응성 가스를 방전시킨다. 그러면, 직류 또는 고주파에 의하여 발생된 플라즈마 내에서 반응가스들의 분자결합이 끊어지게 되고, 끊어진 체인과 활성화된 양이온 또는 음이온들이 결합하여 전극(4) 사이에 위치하는 시료기판(2) 표면에 고분자 중합체가 형성된다.
이와 같이 종래의 플라즈마를 이용한 표면처리장치는 챔버를 진공상태로 유지하면서 반응성 가스를 주입하여 챔버 내부에 원하는 반응성 가스만을 순수하게 존재하도록 하는데, 이와 같이 챔버 내부의 공기 중에 있는 불순물을 제거하기 위하여 진공상태를 유지시키는 데 많은 비용과 장치가 필요로 하는 문제점이 있었다. 또한, 불순물을 처리하고, 다음 단계의 처리단계로 진행하기 위하여 진공상태의 챔버에서 꺼내어 다음 단계로 이송하는 데 필요한 또 다른 과정을 거쳐야 하므로 인라인 연속처리가 어려운 문제점이 있다.
따라서, 대기압에서 라디오파(Radio Frequency)의 공명현상을 이용하여 방전을 하게 되면 글로우(Glow)방전 혹은 코로나(Corona)방전 등을 일으키면서 동시에 방전기체의 온도를 다른 방법의 대기압 방전보다 현저히 낮출 수 있다.
대기압에서 플라즈마를 생성시키는 방법으로는 펄스 코로나 방전(pulsed corona discharge)과 유전막 방전(dielectric barrier discharge)이 일반적으로 사용되고 있다. 코로나 방전은 고전압 펄스 전원을 이용해서 처리 대상에 플라즈마를 생성시키는 방법이고, 유전막 방전은 두 개의 전극 중 적어도 하나는 유전체를 사용하고, 이러한 전극에 수십 Hz 내지 수 MHz의 주파수를 가진 전원을 인가하여 플라즈마를 생성시키는 방법이다. 방전전극은 평판 대 평판 타입, 평판 대 봉 타입, 봉 대 봉 타입, 이중 실린더 타입 등과 같은 전극들이 서로 마주보는 형상으로 배열을 이루고 있다.
대기압 방전에서 시스템의 기압 증가는 전자 자유운동 거리(mean free path)의 현저한 감소를 수반하며 이에 따라 전기방전 조건의 극단화를 요구한다. 따라서 기존기술에 의한 대기압 전기방전은 아주 강한 전장을 요구하기 때문에 발생전원의 비대화와 같은 비현실적인 문제를 야기하게 된다. 따라서 대기압에서 쉽고 저렴하게 그리고 대량으로 플라즈마를 생산하기 위한 기술이 필요하다. 현재 대기압 플라즈마 발생기술은 세계적으로 연구되고 있는 기술로서 플라즈마의 발생방법과 발생된 플라즈마의 특성에 대하여 주로 연구되고 있다.
미국특허 제5,124,173호에는 평판 전극사이에 피처리물을 놓고 불활성 기체를 이용하여 대기압에서 유전막 방전(dielectric barrier discharge)을 일으켜 표면을 친수처리하는 방법에 대해 개시하고 있다. 또한 미국특허 제5,414,324호에서는 이러한 대기압 플라즈마를 형성시키기 위한 기체의 조성과 전극간 간격 등의 조건을 변화시켜 방전 상태를 개선하였고, 미국특허 제6,429,400호에서는 평판 전극이 아닌 튜브 형태의 전극을 적용한 대기압 플라즈마 장치에 대해서 개시하고 있다. 이러한 연구들은 도 2에서 나타낸 것과 같이 고전압 전극(11)과 접지전극(12) 사이에 피처리물(14)을 두고 가스공급부(13)에서 공급되는 기체를 사용하여 방전이 일어나도록 한다.
기존의 대기압 플라즈마 생성장치는 상온의 반응가스를 사용함으로 인해 유리, 금속 표면의 유기물세정과 같이 세정이 어려운 공정이나, 테프론 등 표면에너지를 낮은 재료를 사용하므로 표면에너지를 향상시키기 위해서 출력을 과도하게 증가시켜 장비 단가가 상승하거나, 피처리물 표면에 손상을 주는 등의 문제점을 가지고 있으며, 표면처리에 적정한 온도를 유지하기 어려운 문제점 등이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열원을 이용하여 자체 가열된 반응가스를 이용하거나 열원을 이용하여 플라즈마가 발생하는 반응영역의 전극과 반응가스를 피처리물을 처리하기 전에 미리 가열함으로써 플라즈마 방전을 용이하게 하여 플라즈마 처리효과를 극대화하는 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 전극 및 유전체의 전극부를 포함하며 플라즈마가 발생하는 반응영역; 플라즈마 발생의 전력을 공급하는 전력공급장치; 상기 반응영역 내로 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스공급장치; 및 열원을 이용하여 상기 반응영역 내로 공급될 가스 또는 전극을 미리 가열하고, 상기 가스온도, 전극온도 및 피처리물온도와 연동하여 플라즈마 반응가스의 온도를 조절하는 가열장치를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 가스온도, 전극온도 및 피처리물온도와 연동하는 가열장치를 이용하여 플라즈마 반응영역 안으로 공급될 가스 또는 전극을 미리 가열하는 단계; 상기 가스를 반응영역 안으로 공급하는 단계; 상기 가스와 외부에서 공급된 전원을 이용하여 플라즈마를 방전시키는 단계; 및 상기 방전된 플라즈마로 피처리물의 표면처리를 하는 단계를 포함하는 대기압 플라즈마 표면처리방법에 의해서도 달성된다.
본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설 명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 가스가열장치가 부착된 플라즈마 생성장치의 개략도로서, 도 3 또는 도 4는 대향형 전극의 플라즈마 생성장치이고, 도 5는 분사형 전극의 플라즈마 생성장치이다.
본 발명에 따른 대기압 플라즈마 생성장치의 구성은 전극(23)과 유전체(24)의 전극부를 포함하며 플라즈마(25)가 발생하는 반응영역(31), 플라즈마 발생의 전력을 공급하는 전력공급장치(22), 상기 반응영역 내로 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스공급장치(20) 및 열원(21)을 이용하여 상기 가스 또는 전극을 미리 가열하는 가열장치로 구성되어 있다.
상기 열원은 전극부와 가스공급장치 사이에 구성되어 반응가스를 가열하도록 구성되거나, 전극 내부에 열원이 내장되어 전극이나, 유전체를 직접 가열하도록 구성되어 있다.
상기 반응영역은 도 3 또는 도 4는 평판 대 평판 타입, 평판 대 봉 타입, 봉 대 봉 타입과 같이 전극들이 서로 마주보는 형상으로 배열을 이루는 대향형 전극이거나, 도 5와 같이 분사형 전극으로 되어 있다.
상기 열원은 적외선램프, 칸탈 또는 그라파이트 발열체 등과 같이 순간상승온도가 높은 것을 사용하여 온도조절이 용이하도록 한다.
상기 가열장치는 가스온도, 전극온도, 피처리물 온도와 연동하여 플라즈마 반응가스의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 구성된다.
대기압 플라즈마 표면처리장치를 이용하여 표면을 처리하는 방법은 가열장치 를 이용하여 플라즈마 반응영역 안으로 공급될 가스를 가열하는 단계, 상기 가열된 가스를 반응영역 안으로 공급하는 단계, 상기 가열된 가스와 외부에서 공급된 전원을 이용하여 플라즈마를 방전시키는 단계 및 상기 방전된 플라즈마로 피처리물의 표면처리를 하는 단계로 구성된다.
플라즈마 반응영역 안으로 히팅시스템을 이용하여 가열된 반응가스가 가스관을 통하여 반응가스가 유입되거나 전극이 내장된 열원에 의해 지정된 온도로 가열되고, 플라즈마 반응영역 안이 특정 가스 분위기로 유지된다. 이 때 두 전극 사이의 전원 공급장치는 100 내지 90000V의 교류 전원을 사용하고 주파수는 10 내지 109 Hz를 사용한다. 가스관을 통하여 유입된 가열된 반응가스는 다양한 형태의 전극 사이에서 활성화되어 이온과 전자, 라디칼(radical), 중성 입자들로 구성된 플라즈마를 형성한다.
여기에 사용되는 가스는 N2, O2, H2O, Ar, He, CO2, CO, H
2, NH3, CF4, Air, CH4, C2H6 등을 다양하게 혼합하여 사용하거나 개별적으로 사용한다. 반응 전극은 전도성 물질로 내식성이 강하고 일함수가 낮은 알루미늄(Al), 타이타늄(Ti), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 구리(Cu), 텅스텐(W), 백금(Pt), SUS, 토륨이 함유된 텅스텐 합금 등을 사용하고 유전체는 고온에서 견딜 수 있는 glass, Alumina, TiO2, BaTiO3
등을 사용한다.
상기 피처리물은 PCB 기판을 포함하는 전자부품이거나 고무, 직물, 고분자재료, 유리, 금속 가운데 적어도 어느 하나로 이루어진 것이다.
가스관을 통하여 공급된 가스에 의해 가열된 전극은 열전자 방출에 의해 방전을 더욱 효과적으로 유지하게 된다. 다음 식은 열전자 방출에 의해 전극으로부터 방출되는 전자의 수를 나타내는 것으로 Richardson과 Dushman에 의해 산출된 것이다.
J=열전자 방출밀도, T=표면온도(절대온도 T로 나타낸다)
A=상수, Φ=일함수
e= 전자의 전하, K=볼쯔만 상수
상기 A의 값은 이론적인 수치이며, 실제로는 금속 물질에 따라 다르다. 이 식에 의하면 열전자 방출이 많이 일어나기 위해서는 일함수는 작고 온도는 높아야 됨을 알 수 있다
도 6은 본 발명의 일 실시예로 PC나 ABS소재의 핸드폰 케이스를 본 발명을 이용하여 표면처리한 결과를 나타낸 도면으로 a는 처리 전의 표면, b는 본 발명에 따른 가열된 가스를 이용하여 표면처리한 결과, c는 가열되지 않은 가스를 사용하여 표면처리한 결과를 나타낸 도면이다. 50℃로 가열된 가스를 사용하여 표면처리를 한 결과 접촉각이 약 30% 정도의 개선 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로 그라스 위에 붉은색으로 포토레지스트처리된 샘플에 대해서 100℃로 가열된 가스를 사용한 결과를 나타낸 그래프로서, 가열되지 않은 가스를 사용(A)할 때보다 가열된 가스를 사용(B)한 결과 약 40% 애싱처리속도가 증가했음을 볼 수 있었다.
이 밖에도 본 발명에 의한 대기압 플라즈마 표면처리는 세정, 증착, 에칭, 애싱, 미생물 살균처리 등의 공정에 응용할 수 있다.
상세히 설명된 본 발명에 의하여 본 발명의 특징부를 포함하는 변화들 및 변형들이 당해 기술 분야에서 숙련된 보통의 사람들에게 명백히 쉬워질 것임이 자명하다. 본 발명의 그러한 변형들의 범위는 본 발명의 특징부를 포함하는 당해 기술 분야에 숙련된 통상의 지식을 가진 자들의 범위 내에 있으며, 그러한 변형들은 본 발명의 청구항의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.
따라서, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치 및 표면처리방법은 열원을 이용하여 자체 가열된 반응가스를 이용하거나 열원을 이용하여 플라즈마가 발생하는 반응영역의 전극과 반응가스를 피처리물을 처리하기 전에 미리 가열함으로써 방전개시 전압 및 유지전압을 낮출 수 있는 효과가 있다.
또한, 가열된 가스를 이용함으로써 높은 온도에서 표면처리 및 개질이 가능하여 재질의 처리 속도를 향상시킬 수 있고, 표면처리 및 개질시 피처리물 표면에 존재하여 표면처리를 방해하는 염료나 이형재를 제거하는 데 가열된 가스를 사용시 처리 속도를 높일 수 있는 효과가 있다.
Claims (14)
- 대기압 플라즈마 표면처리장치에 있어서,전극 및 유전체의 전극부를 포함하며 플라즈마가 발생하는 반응영역;플라즈마 발생의 전력을 공급하는 전력공급장치;상기 반응영역 내로 플라즈마 발생을 위한 가스를 공급하는 가스공급장치; 및열원을 이용하여 상기 반응영역 내로 공급될 가스 또는 전극을 미리 가열하고, 상기 가스온도, 전극온도 및 피처리물온도와 연동하여 플라즈마 반응가스의 온도를 조절하는 가열장치를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 반응영역은 대향형 전극 또는 분사형 전극임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 2항에 있어서,상기 대향형 전극은 평판 대 평판 타입, 평판 대 봉 타입 및 봉 대 봉 타입 중 어느 하나임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 가스의 가열은 가스라인을 가열하여 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 가스의 가열은 전극부의 전극 또는 유전물질을 직접 가열하여 상기 가열된 전극 또는 유전물질로 가스를 가열하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 열원은 적외선 램프, 칸탈 또는 그라파이트 발열체임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 전극은 Al, Ti, Ni, Cr, Cu, W, Pt, SUS 및 토륨이 함유된 텅스텐 중 어느 하나로 이루어진 것임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 제 1항에 있어서,상기 유전체는 glass, Alumina, TiO2 및 BaTiO3 중 어느 하나임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리장치.
- 대기압 플라즈마 표면처리방법에 있어서,가스온도, 전극온도 및 피처리물온도와 연동하는 가열장치를 이용하여 플라즈마 반응영역 안으로 공급될 가스 또는 전극을 미리 가열하는 단계;상기 가스를 반응영역 안으로 공급하는 단계;상기 가스와 외부에서 공급된 전원을 이용하여 플라즈마를 방전시키는 단계; 및상기 방전된 플라즈마로 피처리물의 표면처리를 하는 단계를 포함하는 대기압 플라즈마 표면처리방법.
- 제 9항에 있어서,상기 전원은 100V 내지 90000V의 교류 전원을 사용하고 10Hz 내지 109Hz의 주파수를 사용하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리방법.
- 제 9항에 있어서,상기 가스는 N2, O2, H2O, Ar, He, CO2, CO, H2 , NH3, CF4, CH4 및 C2H6 가운데 적어도 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리방법.
- 제 9항에 있어서,상기 피처리물은 PCB 기판을 포함하는 전자부품임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리방법.
- 제 9항에 있어서,상기 피처리물은 고무, 직물, 고분자재료, 유리, 금속 가운데 적어도 어느 하나로 이루어진 것임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리방법.
- 제 9항에 있어서,상기 표면처리는 세정, 증착, 에칭, 애싱, 미생물 살균처리 중의 어느 한 공정임을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 표면처리방법.
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