KR100623563B1 - 플라즈마 처리 장치, 플라즈마를 발생하는 반응 용기의제조 방법 및 플라즈마 처리 방법 - Google Patents

플라즈마 처리 장치, 플라즈마를 발생하는 반응 용기의제조 방법 및 플라즈마 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 처리 면적을 증가시킬 수 있고 양호한 처리 균일성을 제공하는 플라즈마 처리 장치를 제공한다. 상기 장치는 복수의 관통공을 갖는 한 쌍의 전극 및 복수의 관통공을 갖는 절연 플레이트를 포함한다. 절연 플레이트는 전극 플레이트의 관통공 위치가 절연 플레이트의 관통공 위치에 대응하도록 전극 플레이트 사이에 배치된다. 복수의 방전 공간이 전극 플레이트의 관통공 및 절연 플레이트의 관통공에 의하여 형성된다. 전극 플레이트 사이에 전압을 인가하는 한편, 플라즈마 발생 가스를 방전 공간 내에 공급함으로써, 방전 공간 내에 플라즈마가 발생되는 동시에 대상물 상으로 분무되어 대면적이 효과적으로 균일하게 플라즈마 처리된다.
플라즈마 처리 장치, 관통공, 전극, 전극 플레이트, 절연 플레이트, 방전 공간, 플라즈마 발생 가스

Description

플라즈마 처리 장치, 플라즈마를 발생하는 반응 용기의 제조 방법 및 플라즈마 처리 방법 {PLASMA PROCESSING APPARATUS, METHOD FOR PRODUCING REACTION VESSEL FOR PLASMA GENERATION, AND PLASMA PROCESSING METHOD}
본 발명은 대면적 플라즈마 처리를 효과적으로 수행하는 플라즈마 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래, 플라즈마 표면 처리는 처리하려는 대상물 상에 존재하는 유기물 등의 이소재 세정, 레지스트 에칭 또는 박리, 유기 필름 접착성 향상, 금속 산화물 감소, 필름 형성, 도금 및 코팅을 위한 사전 처리, 및 여러 종류의 소재 및 부품의 표면 변형을 위한 목적에 광범위하게 사용되어 왔다.
예를 들면, 일본국 특허 조기공개 공보 제11-335868호에는 전극 사이에 전압을 인가함으로써 한 쌍의 전극 사이의 방전 공간에서 발생된 플라즈마로 대상물을 표면 처리하는 한편, 플라즈마 발생 가스를 방전 공간 내에 공급하는 방법이 기재되어 있다. 상기 플라즈마 표면 처리에 있어서, 플라즈마 또는 플라즈마의 활성종이 하나의 노즐로부터 방출되고, 처리 대상물이 플라즈마 방출 방향과 직교하는 방향으로 이송되면서 플라즈마 처리되기 때문에, 대상물의 처리 효과에 변동이 용이하게 발생된다는 점이 문제이다.
또한, 일본국 특허 조기공개 공보 제4-358076호에는 처리 면적은, 서로 평행하게 배치된 복수의 전극의 표면 상에 고체 유전재를 위치시켜서 얻어진 유전체막으로 코팅된 전극을 가진 반응 용기를 이용하여 발생된 플라즈마 또는 플라즈마 활성종을 사용함으로써 증가되는 것으로 기재되어 있다. 상기 기술에 따라서, 대상물의 대면적을 한 번에 표면 처리할 수 있다. 그러나, 플라즈마 또는 플라즈마 활성종을 균일한 가스 흐름에 의하여 처리 면적 전체에 제공하는 방법에 있어서 여전히 개선될 부분이 있다. 또한, 이러한 대면적 플라즈마 처리는 다량의 가스가 소비되므로 처리 비용이 증가한다는 또 다른 문제점을 갖고 있다.
또한, 액정 패널용 유리와 같은 대상물에 있어서, 장차 처리 면적을 더 증가시키는 것이 요구된다. 각종의 대상물을 처리할 수 있도록, 장치의 설계 시 다양하게 사용할 수 있도록 제조하는 것이 필요하다.
상기 문제점을 감안하여, 본 발명의 주된 목적은 장치의 설계시 처리하려는 대상물에 따라 매우 다양하게 사용할 수 있으며, 처리 면적을 증가시킬 수 있고 소량의 가스 소비, 즉 낮은 처리 비용으로 균일하게 처리할 수 있는 플라즈마 처리 장치를 제공하는 것이다.
즉, 플라즈마 발생 가스(G)를 방전에 의하여 활성화시키고, 활성화된 플라즈마 발생 가스를 대상물(5) 상에 분무하는 플라즈마 처리 장치에 있어서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치는 절연 부재(1)에 의하여 형성된 반응 용기(R)를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 반응 용기는 복수의 관통공(2) 및 상기 관통공(2) 각각에 방전을 일으키는 전극(3, 4)을 포함하며, 상기 관통공은 각각 일단에는 플라즈마 발생 가스(G)의 유입구를 갖고 타단에는 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)의 방출구를 갖는다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 관통공(2)은 각각 주위 압력 또는 주위 압력에 근접한 압력으로 가스 방전을 일으키고, 관통공(2)으로부터의 가스 방전에 의하여 발생된 활성종을 포함하는 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)의 가스 흐름을 대상물(5)에 공급함으로써, 대면적에 고효율의 균일한 플라즈마가 발생될 수 있고, 소량의 가스 흐름으로 대상물(5)의 대면적을 균일하게 표면 처리할 수 있다. 또한, 복수의 절연 부재(1)를 적절하게 결합시켜 사용함으로써, 대상물(5)의 형상 및 치수에 따라 다양하게 사용될 수 있는 적합한 플라즈마 처리 장치를 설계할 수 있다.
상기 플라즈마 처리 장치에 있어서, 전극(3, 4)은 절연 부재(1)에 층상으로 형성되며 관통공에 대응하는 위치에 애퍼춰(8)를 갖고, 전극 내의 인접하는 애퍼춰(8) 사이에 부족부(deficit portion)(30)는 없는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 절연 부재(1) 상에 표면 방전(31) 발생이 감소될 수 있기 때문에, 표면 방전(31)으로부터 대상물(5)에 아크 방전을 발생시키는 것이 곤란하다. 따라서, 대상물(5)의 아크 방전에 의한 손상이 감소될 수 있다.
또한, 전극(3, 4)은 절연 부재(1)와 대면하도록 층상으로 형성되며, 가스 흐름 방향으로 하류쪽에 위치한 전극 중 하나의 외주부는 가스 흐름 방향으로 상류쪽에 위치한 다른 전극의 외주부에 대하여 외측으로 돌출되는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 전극(3, 4)의 외주부 사이, 및 애퍼춰(8) 이외의 위치에서 절연 부재(1) 상에 표면 방전(31)이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 아크 방전으로 인한 대상물(5)의 손상이 더 감소될 수 있다.
또한, 전술한 플라즈마 처리 장치는 2차 전자가 용이하게 방출되는 온도로 절연 부재(1)의 온도를 제어하기에 적합한 온도 조절기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 플라즈마 발생 밀도는 절연 부재(1)에 의하여 릴리스된 2차 전자에 의하여 증가한다. 따라서, 플라즈마 처리 효율, 즉 대상물(5)의 세정 또는 변형 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는,
복수의 관통공을 갖는 한 쌍의 전극 플레이트,
복수의 관통공을 갖는 절연 플레이트,
상기 전극 플레이트의 관통공 및 상기 절연 플레이트의 관통공에 의하여 형성된 복수의 방전 공간 내로 플라즈마 발생 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 및
상기 플라즈마 발생 가스의 플라즈마를 상기 방전 공간 내에 동시에 발생시키기 위하여 상기 전극 플레이트 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단
을 포함하고,
상기 절연 플레이트는, 상기 전극 플레이트의 관통공의 위치가 상기 절연 플레이트의 관통공의 위치에 대응하도록 상기 전극 플레이트 사이에 배치된다.
또한, 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치는, 한 쌍의 전극 및 상기 전극 사이에 배치된 절연 플레이트를 갖는 튜브형 용기, 상기 튜브형 용기의 일단으로부터 플라즈마 발생 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 및 상기 튜브형 용기 내에 플라즈마 발생 가스의 플라즈마를 발생시키기 위하여 상기 전극 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단을 포함하고, 이로써 대상물이 튜브형 용기의 타단으로부터 방출된 플라즈마로 표면 처리된다. 상기 장치는, 상기 전극이 복수의 관통공을 갖는 한 쌍의 전극 플레이트에 의하여 제공되며, 상기 절연 플레이트는 복수의 관통공를 갖고, 상기 튜브형 용기는 상기 전극 플레이트의 관통공 및 절연 플레이트의 관통공에 의하여 형성된 복수의 방전 공간을 가지며, 플라즈마 발생 가스의 플라즈마는 전극 플레이트 사이에 전압을 인가함으로써 방전 공간 내에서 동시에 발생되어 튜브형 용기의 타단으로부터 방출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 전술한 플라즈마 처리 장치에 사용되는, 플라즈마를 발생하는 반응 용기(R)를 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 즉, 상기 방법은:
복수의 개구를 가지며 절연재로 형성된 시트 사이에, 도전성 소재로 형성된 도전성 필름을 상기 시트의 개구가 서로 대응하도록 배치시키는 단계, 및
상기 시트, 도전성 필름 및 상기 시트의 개구가 각각 절연 부재(1), 전극(3, 4) 및 관통공(2)을 형성하도록, 얻어진 적층판을 일체형으로 성형하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 따르면, 전술한 플라즈마 처리 장치용으로 적합한 반응 용기(R)가 용이하게 제조될 수 있다. 또한, 관통공(2) 및 전극(3, 4)도 정확하게 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 플라즈마 처리 장치를 사용하는 플라즈마 처리 방법을 제공하는 것이다. 즉, 상기 플라즈마 처리 방법은:
전극(3, 4)에 전압을 인가하는 한편, 플라즈마 발생 가스(G)를 관통공(2)의 일단으로부터 타단으로 흐르게 함으로써 상기 관통공(2) 내에 플라즈마가 발생하여 상기 플라즈마 발생 가스(G)를 활성화시키도록, 상기 관통공(2) 내에 방전을 일으키는 단계, 및
상기 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)를 상기 관통공(2)의 타단으로부터 대상물의 표면 상에 분무하는 단계를 포함한다. 상기 방법에 따르면, 대면적에 걸쳐 플라즈마를 고효율로 발생시킬 수 있고, 이러한 대면적을 갖는 대상물(5)을 소량의 가스 흐름으로 균일하게 표면 처리할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 다음의 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1(A) 및 도 1(B)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 2(A) 및 도 2(B)는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 3(A)는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 단면도이고, 도 3(B)는 도 3(A)의 선 A-A를 따라 절취된 단면도이다.
도 4(A)는 전극을 플라즈마 발생 가스의 흐름 방향과 평행한 방향으로 배치하는 경우의 전속선(electric flux line) 방향을 예시하는 단면도이고, 도 4(B)는 전극을 플라즈마 발생 가스의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 배치하는 경우의 전 속선의 방향을 예시하는 단면도이다.
도 5(A) 및 도 5(B)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전극의 평면도이다.
도 6(A) 및 도 6(B)는 각각 도 5(A) 및 도 5(B)의 선 A-A'를 따라 절취된 단면도이다.
도 7(A) 내지 도 7(C)는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 평면도 및 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 11은 전극 사이에 인가된 전압 파형의 예를 도시한 그래프이다.
도 12는 전극 사이에 인가된 전압 파형의 다른 예를 도시한 그래프이다.
도 13은 전극 사이에 인가된 전압 파형의 다른 예를 도시한 그래프이다.
도 14(A) 및 도 14(B)는 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치 일부분의 단면도이다.
도 15(A) 내지 도 15(D)는 복수의 절연 부재를 결합시켜 형성된 반응 용기의 평면도 및 측면도이다.
도 16(A)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 회로도이고, 도 16(B)는 유닛(A, B)에 인가된 전압 파형으로 도시하는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 처리 장치의 개략적인 회로도이다.
도 18은 비교예 1에 사용된 플라즈마 처리 장치의 개략적인 도면이다.
바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 플라즈마 처리 장치, 플라즈마를 발생하는 반응 용기의 제조 방법, 및 플라즈마 처리 방법에 대하여 상세하게 후술한다.
본 발명의 플라즈마 처리 장치의 바람직한 실시예가 도 1(A), 도 1(B), 도 2(A) 및 도 2(B)에 도시되어 있다. 이들 플라즈마 처리 장치는 시트형 절연 부재(1)에 형성된 관통공(2), 및 절연 부재(1) 내에 매립된 복수(한 쌍)의 전극(3, 4)을 포함하는 반응 용기(R)를 갖는다.
절연 부재(1)는 고융점을 갖는 절연(유전) 소재로 제조되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 석영 유리, 알루미나, 지르코니아, 멀라이트 및 알루미늄 질화물과 같이 내열성 및 강도가 높은 세라믹 또는 유리 소재를 사용할 수 있다. 절연 부재는 이들 소재에만 한정되는 것은 아니다. 비용 효율성 및 고강도로 보아 알루미나를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 또한, 티타니아 및 티탄산 바륨과 같은 고유전성 소재도 사용될 수 있다. 전극(3, 4)은 구리, 텅스텐, 알루미늄, 황동 및 스테인레스강과 같은 전기도전성 금속 소재로 제조될 수 있다. 특히, 텅스텐 또는 구리를 사용하는 것이 바람직하다. 절연 부재(1) 및 전극(3, 4)의 소재는, 반응 용기(R)의 제조 시, 즉 플라즈마 처리 시 열 부하가 가해질 때 절연 부재와 전극 사이의 변형량 차이 때문에 반응 용기에 일어날 수 있는 파손을 방지하도록, 이들소재의 선팽창계수(linear expansion coefficient) 차이가 최소화되도록 선택되는 것이 바람직하다.
절연 부재(1) 및 관통공(2)은 적절한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 절연 부재(1)는 시트 형상을 갖는다. 도면에서, 절연 부재(1)는 평면도에서 직사각형 시트 형상이다. 평면도에서 원형 형상을 각각 갖는 관통공(2)은 절연 부재(1)의 두께 방향으로 관통한다. 각각의 관통공(2)의 양쪽 말단은 절연 부재(1)의 양면에 개구를 제공한다. 개구 중 하나는 가스 유입 포트(2a)로서 작용하며, 개구 중 다른 하나는 가스 방출 포트(2b)로서 작용한다.
관통공(2)은 적절한 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 평면도에서 원형 형상을 각각 갖는 관통공(2)은 2차원적인 패턴으로 배치될 수 있다. 또한, 직사각형 형상(슬릿형 형상)을 각각 갖는 관통공(2)은 서로 평행하게 배치될 수 있다. 특히, 원형 형상을 각각 갖는 관통공(2)이 2차원적인 패턴으로 배치될 때, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)를 대면적 상에 균일하게 분무할 수 있는 한편, 관통공(2)의 치수 및 피치가 적절하게 형성된 경우, 플라즈마 발생 가스(G)의 단위 시간당 유량(유속)을 제어할 수 있다.
또한, 전극(3, 4)은 이들 사이에 전압이 인가될 때 관통공(2) 내에 방전이 발생하도록 형성된다. 예를 들면, 전극(3, 4)에는 전원이 연결되며, 전극(3, 4) 사이에는 정지 기간을 가진 펄스형 전압이 인가된다. 관통공(2) 각각의 전극 사이 공간은 방전 공간으로서 형성된다. 전술한 바와 같이, 전극(3, 4)의 형상은 방전 공간 내에 방전이 일어나도록 적절하게 형성될 수 있다. 예를 들면, 전극(3, 4)은 절연 부재(1) 내에 매립되고 각각의 관통공(2)에 인접하여 위치되는 것이 바람직하다. 관통공(2) 및 전극(3, 4)을 미세하게 형성하면 균일한 표면 처리가 더욱 용이하게 이루어진다.
도 1(A), 도 1(B), 도 2(A) 및 도 2(B)에서, 절연 부재(1)의 양쪽면은 상부쪽 및 저부쪽에 위치하며 원형 형상을 각각 갖는 관통공(2)은 상하 방향으로 관통하므로, 가스 유입 포트(2a) 및 가스 방출 포트(2b)가 절연 부재(1)의 상면 및 저면에 형성된 개구에 의하여 각각 제공된다. 관통공(2)의 개구는 절연 부재(1)의 상면 및 저면에 2차원적인 패턴으로 배치된다. 도면에서, 관통공(2)은 인접하는 관통공(2) 사이의 간격이 일정하도록 4각형 격자 패턴으로 배치된다.
관통공(2)의 배치는 제한적이지 않고, 선택적인 패턴으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 관통공(2)이 평면도에서 조밀육방정(hexagonal close packed) 패턴(스태거 패턴)으로 배치될 때, 이들 관통공은 더욱 근접하고 균일하게 배치될 수 있다. 따라서, 대상물(5)의 표면 처리의 균일성이 더 개선될 수 있다.
관통공(2)의 치수 및 인접하는 관통공(2) 사이의 간격은, 플라즈마 발생 가스가 관통공(2) 내의 방전에 의하여 효과적으로 활성화되고, 활성화된 플라즈마 발생 가스가 관통공(2)으로부터 균일하게 방출되도록 적절하게 결정된다. 특히, 관통공(2)의 치수(내경)는 0.01 ~ 15mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이 경우 에, 플라즈마 발생 가스의 흐름량을 제어하여 대면적을 표면 처리할 수 있다. 또한, 인접하는 관통공(2) 사이의 간격은 0.03 ~ 60mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상대적으로 작은 면적을 갖는 대상물(5)을 표면 처리하는 경우, 관통공(2)은 상대적으로 작은 치수를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 실시예에 있어서, 절연 부재(1)의 양쪽면은 상부쪽 및 저부쪽에 위치하며 평면도에서 직사각형(슬릿형) 형상을 각각 갖는 관통공(2)은 상하 방향으로 관통하므로, 가스 유입 포트(2a) 및 가스 방출 포트(2b)가 절연 부재(1)의 상면 및 저면에 형성된 개구에 의하여 각각 제공된다. 관통공(2)의 개구는 인접하는 관통공(2) 사이의 거리가 일정하도록 절연 부재(1)의 상면 및 저면에 2차원적인 패턴으로 배치된다.
관통공(2)의 치수 및 인접하는 관통공(2) 사이의 간격은, 플라즈마 발생 가스가 각각의 관통공(2) 내의 방전에 의하여 효과적으로 활성화되고, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)가 관통공(2)으로부터 균일하게 방출되도록 적절하게 결정된다. 특히, 직사각형 관통공(2)의 폭(좁은쪽)은 0.01 ~ 15mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이 경우에, 관통공(2)의 짧은쪽 방향으로 이송되는 대상물을 플라즈마 처리함으로써 균일한 표면 처리를 더 향상시킬 수 있다.
또한, 인접하는 관통공(2) 사이의 간격은 0.01 ~ 30mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)는 관통공(2)의 가스 방출 포트(2b)로부터 관통공의 길이방향을 따라 계속해서 방출될 수 있다. 따라서, 관통공(2)의 짧은쪽 방향으로 이송되는 대상물(5)에 플라즈마 처리하는 경우, 표면 처리의 균일성이 더 향상될 수 있다.
도 1(A) 도 1(B), 도 2(A) 및 도 2(B)에 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4)은 모두 절연 부재(1) 내에 매립된다. 전극(4)은 절연 부재(1)의 상면쪽(즉, 가스 유입 포트(2a)를 갖는 면)에 배치되고, 전극(3)은 절연 부재(1)의 저면쪽(즉, 가스 방출 포트(2b)를 갖는 면)에 배치된다. 전극(3)은 관통공(2)의 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향으로 전극(4)과 이격된다. 절연 부재(1)를 구성하는 절연(유전) 소재는 전극(3, 4) 사이에 위치한다.
이 경우, 전극(3, 4)은, 전극(3, 4)의 복수의 애퍼춰(8)의 위치가 절연 부재(1)의 관통공(2)의 위치와 대응하도록 절연 부재(1) 내에 층상으로 형성되며, 관통공(2) 각각은 전극(3, 4)의 대응하는 애퍼춰(8)에 의하여 둘러싸인다. 관통공(2)마다 전극(3, 4)을 별개로 형성하는 경우, 애퍼춰(8)는 시트형 전극(3, 4) 각각에 형성되므로 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 내면은 관통공(2) 내에 방전를 일으키는 방전면으로서 사용된다.
도 1(B)에 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 직경이 관통공(2)의 직경과 동일하기 때문에, 절연 부재(1)의 각각의 관통공의 내면은 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 내면과 동일 평면을 이룬다. 따라서, 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 내면이 각각의 관통공(2)의 내부로 노출된다. 이 경우, 전극 사이에 전압을 인가함으로써 방전이 용이하게 일어날 수 있고, 처리 효율이 향상되도록 플라즈마 발생 가스(G)의 활성종 밀도를 증가시킬 수 있다. 플라즈마 발생 가스(G)가 반응 가스를 포함하지 않는 경우, 방전으로 야기되는 노출된 전극(3, 4)의 손상이 비교적 작 고 방전이 용이하게 일어나기 때문에 전극(3, 4)을 노출시키는 것이 바람직하다.
도 2(A) 및 도 2(B)에 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 직경은 관통공(2)의 직경보다 더 크고, 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 내면은 절연 부재(1)에 의하여 커버된다. 즉, 전극(3, 4)은 관통공(2)의 내부로 노출되지 않는다. 이 경우, 전극(3, 4) 사이에 전압이 인가될 때, 관통공(2) 각각에 유전 배리어 방전이 일어난다. 따라서, 발생된 플라즈마 또는 방전에 전극(3, 4)이 직접 노출되지 않는다. 즉, 전극(3, 4)의 방전면이 절연 부재(1)를 구성하는 절연(유전) 소재에 의하여 보호되기 때문에, 전극(3, 4)의 손상이 방지될 수 있다. 반응 가스를 포함하는 플라즈마 발생 가스(G)를 사용하는 경우 특히 효과적이다.
또한, 안정적으로 방전하고 플라즈마 발생 밀도를 증가시키는 다른 장점을 갖고 있다. 전극(3, 4)이 노출될 때, 고전압을 인가할 시 발생하는 아크 방전 때문에 방전이 불안정하게 될 수 있다. 한편, 전극(3, 4)이 절연(유전) 소재로 커버될 때, 안정적인 방전이 유지되도록 아크 방전의 발생이 효과적으로 방지될 수 있다. 전극(3, 4)의 내면 상에 형성된 절연(유전) 소재의 두께는 적절하게 결정된다. 전극 표면을 충분하게 보호하고 용이하게 방전이 일어날 수 있도록 하기 위하여, 두께는 0.01 ~ 3mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 또한, 전극(3, 4) 사이의 거리(즉, 방전면 사이의 간격)는 가스 방전(플라즈마)을 안정적으로 발생시키기 위하여 0.01 ~ 5mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 전극(3, 4)을 각각의 관통공(2) 내의 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향으로 서로 이격시켰을 때, 전극(3, 4) 사이의 전위 차에 의하여 관통공(2) 내에 발달된 자속선은 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향을 갖는다. 이 때, 고밀도 스트리머 방전(streamer discharge)이 관통공(2) 내의 방전 공간에 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향으로 발생될 수 있다. 이러한 방전으로 인하여 플라즈마 발생 가스(G) 내에 활성종이 증가되므로 플라즈마 표면 처리의 효율이 더 향상된다. 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4)의 방전면이 관통공(2)의 외주에 걸쳐 연장되기 때문에, 자속선은 관통공(2)의 외주에 걸쳐 발생된다. 따라서, 플라즈마를 고효율로 얻을 수 있다.
또한, 가스 방출 포트(2b) 쪽에 배치된 전극(3)이 접지 전극에 의하여 형성, 즉 처리하려는 대상물 쪽에 배치된 전극이 접지 전극인 경우, 전극(3)과 대상물(5) 사이에는 이들 사이의 전위차를 제어함으로써 아크 방전이 발생하지 않도록 할 수 있다. 따라서, 대상물이 방전에 의하여 손상되는 상황을 회피하는데 효과적이다.
층상으로 형성된 전술한 전극(3, 4)은 애퍼춰(8)를 제외하고는 천공(관통)부를 갖지 않는 것이 바람직하다. 즉, 도 5(A) 및 도 5(B)에는 도 2(B)에 도시된 절연 부재(1) 내에 형성된 전극(3, 4)의 실시예가 각각 도시되어 있다. 이 경우, 도 5(A)의 복수의 부족부(30)가 애퍼춰(8) 둘레에 형성되어 있는 전극(3, 4)보다 도 5(B)의 부족부(30)가 전극(3, 4) 애퍼춰(8) 둘레에 형성되어 있지 않은 전극(3, 4)을 사용하는 것이 바람직하다.
도 5(A)에 도시된 절연 부재(1) 내의 전극(3, 4) 사이에 전원(6)을 사용하여 전압을 인가하는 경우, 도 6(A)에 도시된 바와 같이, 애퍼춰(8)에 대응하는 위치 및 절연 부재(1)의 저면 상의 부족부(30)에 대응하는 위치에 표면 방전(31)이 일어 난다. 한편, 도 5(B)에 도시된 절연 부재(1) 내의 전극(3, 4) 사이에 전원(6)을 사용하여 전압을 안가할 때, 도 6(B)에 도시된 바와 같이, 절연 부재(1)의 저면 상의 애퍼춰(8)에 대응하는 위치에만 표면 방전(31)이 일어난다. 따라서, 도 6(A)의 경우에 비하여 표면 방전(31)을 감소시킬 수 있다.
표면 방전(31)은 대상물(작업물)(5)에 근접한 위치에 발생된 방전이다. 따라서, 표면 방전이 증가하면서 아크 방전이 표면 방전(31)으로부터 대상물(5) 쪽으로 용이하게 나타난다. 도 5(B)에 도시된 절연 부재(1)에서는, 표면 방전이 도 6(A)의 경우에 비하여 감소될 수 있기 때문에, 아크 방전은 잘 나타나지 않는다. 따라서, 방전에 의한 대상물(5)의 손상을 최소화할 수 있다.
층상으로 형성된 전극(3, 4)에 있어서, 대상물(5)에 가까운 쪽에 위치한 전극(3)의 외주부가 대상물(5)의 먼 쪽에 위치한 전극(4)의 외주부에 대하여 외측으로 돌출하는 것이 바람직하다. 즉, 도 7(A) 및 도 7(B)에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(3, 4)을 내부에 갖는 절연 부재(1)의 정사영도(orthogonal projection view)에 있어서, 상부 전극(4)은 도 7(A)에 쇄선으로 도시된 하부 전극(3)과 실질적으로 유사한 형상이며, 전극(3, 4)은 상부 전극(4)이 하부 전극(3) 면적에 중첩될 수 있는 치수로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 하부 전극(3) 면적이 상부 전극(4)의 면적보다 더 클 때, 도 7(A) 및 도 7(B)에 도시된 바와 같이, 하부 전극(3)의 외주부가 상부 전극(4)의 외주부에 대하여 외측으로 돌출한다. 이 경우, 전극(3, 4)의 외주부 사이의 전압은 관통공(2) 내 전극(3, 4) 사이의 전압보다 더 작을 수 있으므로, 절연 부재(1)의 저면 상의 전극(3, 4)의 외주부에 대응하는 위치 에서 표면 방전이 일어나지 않는다. 즉, 애퍼춰(8)에 대응하는 위치가 아닌 다른 위치에서 표면 방전이 발생하지 않도록 할 수 있고 아크 방전에 의한 대상물(5)의 손상이 더 감소될 수 있다. 도 7(B)에는, 관통공 중 일부는 도시되어 있지 않다. 전극(3, 4)은 전술한 형상이 아닌 다른 적절한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 전극(3, 4)이 관통공(2) 내의 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 교차하는 방향(예를 들면, 직각을 이루는 방향)으로 배치될 수 있다.
도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4)은 전극 중 하나가 다른 전극으로부터 동일한 높이로 이격되는 패턴으로 절연 부재(1) 내에 배치되어 있다. 즉, 전극(4)은 각각의 관통공(2)의 한쪽에 위치하며 전극(3)은 각각의 관통공(2)의 반대쪽에 위치한다. 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4) 모두는 절연 부재(1) 내에 매립되며, 절연 부재(1) 내에 동일한 높이로 위치한다. 전극(3, 4)은 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 교차하는 방향(직각을 이루는 방향)으로 서로 이격된다. 절연 부재(1)를 구성하는 절연(유전) 소재는 전극(3, 4) 사이에 위치한다.
실시예에 있어서, 전극(3, 4)은 절연 부재(1) 내에 형성된다. 즉, 전극(3, 4) 각각은, 관통공(2)을 따라 연장되는 공급부(3a, 4a) 및 각각의 관통공(2)의 길이방향으로 연장되는 복수의 전극부(3b, 4b)를 갖는 빗 형상(comb-like shape)으로 형성된다. 전극(3, 4)의 전극부(3b, 4b)는 인접하는 관통공(2) 사이에 교호로 배치된다. 따라서, 전극부(4b)는 관통공(2)의 한쪽에 위치하고 전극부(3b)는 관통공(2)의 반대쪽에 위치한다. 따라서, 전극부(3b, 4b)는 매 관통공(24)마다 전극(3, 4)을 별개로 형성하는 대신, 시트형 전극(3)으로 각각 일체로 형성된다. 따라서, 전극부(3b, 4b)의 측면은 관통공(2) 내에 방전을 일으키는 방전면으로서 사용된다.
가스 방전(플라즈마)을 안정적으로 일으키기 위하여, 전극(3, 4) 사이의 거리는 0.01 ~ 5mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 전극(3, 4) 사이의 전위차에 의하여 관통공(2) 내에 발생된 자속선은, 도 4(B)에 화살표로 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 교차하는 방향을 갖는다, 이 때, 플라즈마 발생 가스(G)를 활성화시키기 위하여 방전이 교차하는 방향으로 발생된다.
도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 실시예에 있어서, 전극(3, 4)의 인접하는 전극부(3b, 4b) 사이의 거리는 관통공(2)의 폭보다 더 크다. 따라서, 전극부는 절연 부재(1) 내에 완전하게 매립된다. 즉, 전극부(3b, 4b)는 관통공(2)의 내부로 노출되지 않는다. 이 경우, 도 2(A) 및 도 2(B)의 경우와 같이, 전극(3, 4)의 방전면이 절연 부재(1)를 구성하는 절연(유전) 소재에 의하여 보호되기 때문에, 전극(3, 4)의 손상을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 전극(3, 4) 상에 코팅된 절연(유전) 소재의 코팅 두께는 0.01 ~ 3mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
도시되지는 않았지만, 전극(3, 4)의 인접하는 전극부(3b, 4b) 사이의 거리는 관통공(2)의 폭과 동일할 수 있다. 이 경우, 전극부(3b, 4b)의 표면은 절연 부재(1)의 관통공(2)의 내면과 동일 평면을 이루므로, 전극부(3b, 4b)가 각각의 관통공(2)의 내부로 노출된다. 따라서, 도 1(B)의 경우와 같이, 플라즈마 발생 가스(G) 내의 활성종의 밀도를 증가시킬 수 있고, 처리 효율을 향상시킨다.
도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 바와 같이 슬릿형 관통공(2)을 사용하는 경우, 상기 도면에는 도시되어 있지 않지만, 도 1(A), 도 1(B), 도2(A) 및 도 2(B)의 경우에서와 같이, 전극(4)은 절연 부재(1)의 상면쪽(즉, 가스 유입 포트(2a)에 가까운 쪽)에 배치될 수 있고, 전극(3)은 절연 부재(1)의 저면쪽(즉, 가스 방출 포트(2b)에 가까운 쪽)에 배치될 수 있다. 또한, 전극(3)은 절연 부재(1)를 구성하는 절연(유전) 소재를 통하여 관통공(2) 내의 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향으로 전극(4)과 이격될 수 있다.
예를 들면, 전극(3, 4)은 애퍼춰는 관통공(2)에 대응하는 위치에 형성되고 관통공(2)은 전극(3, 4)의 대응하는 애퍼춰 내에 위치하도록 절연 부재(1) 내에 층상으로 연속해서 형성될 수 있다. 이 경우, 전극 사이의 전위차에 의하여 관통공(2) 내에 발생된 자속선은, 도 4(A)에 도시된 바와 같이, 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향을 갖는다. 각각의 관통공(2)의 방전 공간에는, 고밀도 스트리머 방전이 발생될 수 있다. 따라서, 방전에 의하여 발생된 활성종의 밀도가 증가될 수 있고, 플라즈마 표면 처리의 효율이 증가될 수 있다.
절연 부재(1) 및 상기 절연 부재 내에 형성된 전극(3, 4)으로 구성된 반응 용기(R)에서, 전극(3, 4) 및 관통공(2)은 고밀도로 용이하게 형성될 수 있다. 또한, 미세한 관통공(2) 및 상기 미세한 관통공 내에 방전을 일으키는 전극(3, 4)을 형성함으로써, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)가 2차원적인 패턴으로 배치된 관통공(2)으로부터 방출될 수 있다. 따라서, 처리 면적이 증가될 수 있고, 균일하게 처리된 결과를 얻을 수 있다.
절연 부재(1) 및 전극(3, 4)을 갖는 반응 용기(R)는, 절연 소재 파우더를 접합재와 혼합시키고, 상기 얻어진 혼합물을 시트로 성형한 다음, 상기 시트 상에 도전성 필름을 적층하여 얻을 수 있다. 시트는 석영 유리, 알루미나, 지르코니아, 멀라이트, 및 질화 알루미늄과 같은 세라믹 파우더를 접합제 및 필요한 경우 각종 유형의 참가제와 혼합시키고, 상기 얻어진 혼합물을 시트 형상으로 성형하여 준비할 수 있다. 상기 시트의 두께는 절연 부재(1)의 두께 및 전극(3, 4) 사이의 거리에 따라 정해질 수 있다. 예를 들면, 시트 두께는 0.05 ~ 5mm 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
한편, 도전성 필름은 구리, 텅스텐, 알루미늄, 청동 및 스테인레스강과 같은 전기도전성 금속 소재를 절연 부재 상에 프린팅하여 형성될 수 있다. 예를 들면, 도전성 필름을 시트 상에 형성한 후, 도전성 필름을 가진 시트 및 다른 시트를 도전성 필름이 시트 사이에 위치하도록 적층한다. 이렇게 얻어진 적층판을 소결하여 절연 부재(1)를 얻는다. 또한, 관통공(2)은 적층판을 천공하여 얻을 수 있다. 또한, 적층판 및 관통공(2)은 사전에 형성된 관통공(2)을 갖는 시트를 사용하여 형성하는 동시에, 시트의 관통공(2)의 위치가 서로 대응하도록 적층된 시트를 성형하는 것이 바람직하다.
도 1(B) 및 도 2(B)에 도시된 바와 같이, 전극(4)은 절연 부재(1)의 한쪽면(즉, 가스 유입 포트(2a)를 갖는 상측)에 제공되며 전극(3)은 반대쪽(즉, 가스 방출 포트(2b)를 갖는 하측)에 제공될 때, 전기도전성 필름을 프린팅에 의하여 제1 시트의 표면 상에 원하는 패턴의 전극(4)(또는 3)으로 형성된 다음, 상기 도전성 필름 상에 제2 시트를 위치시킨다. 다음에, 전기도전성 필름이 프린팅에 의하여 제2 시트의 표면 상에 원하는 패턴의 전극(3)(또는 4)으로 형성된다. 또한, 제3 시트를 상기 도전성 필름 상에 위치시켜 적층판을 얻는다.
또한, 적층판은 다음 공정에 의하여 형성될 수 있다. 즉, 원하는 전극(4) 패턴으로 인쇄된 전기도전성을 갖는 시트, 원하는 전극(3) 패턴으로 인쇄된 전기도전성을 갖는 시트, 및 전기도전성을 각각 갖지 않는 시트는, 전기도전성 필름 각각이 시트재 사이에 배치되고 적층판의 가장 바깥쪽 층 양자 모두가 시트재에 의하여 형성되도록 적층될 수 있다. 이렇게 얻어진 적층판을 소결하여 반응 용기(R)를 얻는다.
도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 전극(3, 4) 모두를 절연 부재(1) 내에 동일 높이에 형성할 때, 도전성 필름은 프린팅에 의하여 제1 시트의 표면 상에 원하는 패턴의 전극(3, 4)을 형성된 다음, 제2 시트를 도전성 필름 상에 위치시켜 적층판을 얻는다. 다음에, 얻어진 적층판을 소결하여 반응 용기(R)를 얻는다. 반응 용기(R)는 플라즈마 발생 가스가 가스 유입 포트(2a)로부터 관통공(2)을 통해 가스 방출 포트(2b) 쪽으로 흐르도록 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 채널 내에 배치된다.
도 8에 있어서, 도 2(A) 및 도 2(B)에 도시된 반응 용기(R)가 사용되고, 가스 저장부(11)가 절연 부재(1)의 상면(가스 유입 포트(2a)를 갖는)에 제공된다. 관통공(2)은 가스 저장부(11)의 내부와 연통한다. 가스 저장부(11)는 자신의 일단(상측 말단)으로부터 가스 저장부 내로 플라즈마 발생 가스(G)를 공급하는 가스 유 입구(10) 및 자신의 반대쪽 말단(저면 말단)에 형성된 플라즈마 발생 가스용 가스 방출구(9)를 포함하여 형성된다. 절연 부재(1)는 가스 저장부(11)의 가스 방출구(9) 하측에 배치된다. 상기 실시예에서, 가스 저장부(11)의 가스 방출구(9)는 절연 부재(1)의 관통공(2)에 대응하는 위치에 복수의 가스 방출구(9)를 포함한다. 따라서, 가스 저장부(11)의 내부는 가스 방출구(9)를 통해 관통공(2)과 연통한다.
가스 저장부(11)는 플라즈마 발생 가스(G)를 실질적으로 균일한 유속으로 공급하는 가스 균일화 수단을 갖는 것이 바람직하다. 플라즈마 발생 가스(G)가 가스 유입구(10)를 통해 가스 저장부(11) 내로 유입될 때, 체적 증가로 압력이 감소되므로 플라즈마 발생 가스(G)가 균일한 유속으로 모든 관통공(2) 내로 흐를 수 있다. 따라서, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)는 절연 부재(1)의 관통공(2) 모두로부터 균일하게 공급될 수 있고, 플라즈마 발생 가스(G)의 유속 분배가 향상됨으로써 균일하게 플라즈마 처리될 수 있다.
또한, 플라즈마 처리 장치는 절연 부재(1)를 냉각시키는 라디에이터(7)를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 절연 부재(1)의 열 변형으로 야기되는 크랙과 같은 파손이 방지되며 절연 부재(1)가 부분적으로 과열되었을 때 플라즈마가 관통공(2)으로부터 균일하지 않게 방출되는 것이 방지될 수 있으므로, 균일한 표면 처리가 안정적으로 유지된다.
예를 들면, 가스 저장부(11)는 라디에이터(7)의 기능을 또한 가질 수 있다. 이 경우, 절연 부재(1)는 라디에이터(7)와 접촉하도록 형성된다. 도시된 실시예에 있어서, 라디에이터(7)는 가스 저장부(11)의 가스 방출구(9)를 갖는 말단 파티션 (end partition), 및 가스 저장부(11)의 상측 말단과 저면 말단 사이로 연장되는, 말단 파티션과 일체로 형성된 파티션(측면 파티션)을 포함한다. 측면 파티션의 외면 상에는 방열 핀(heat-radiating fin)(7b)이 외측으로 돌출하도록 형성된다. 한편, 말단 파티션 상의 가스 방출구(9)에 대응하지 않는 위치에는 흡열 핀(heat-absorbing fin)(7a)이 가스 저장부(11) 내부로 돌출하도록 형성된다.
이렇게 라디에이터(7)가 형성됨으로써, 열은 흡열 핀(7a)에 의하여 플라즈마 발생 가스(G)로부터 흡수되고, 말단 파티션 및 측면 파티션을 통해 방열 핀(7b)으로 전달되며, 최종적으로 방열 핀(7b)으로부터 장치의 외부로 방출된다. 따라서, 플라즈마 발생 가스(G) 및 절연 부재(1)의 온도 증가가 방지될 수 있다.
상기 라디에이터(7)는 방열 핀(7b)을 사용하는 공기 냉각식이다. 또한, 수냉식 라디에이터(7)도 사용될 수 있다. 도 9 및 도 10에 도시된 실시예에 있어서, 냉각수는 냉각제 채널(7c) 내를 흐를 수 있고, 상기 채널 각각은 절연 부재(1)를 냉각시키기 위하여 말단 파티션 내의 인접하는 가스 방출구(9) 사이 위치에 형성된다. 도 9는 라디에이터(7)가 도 2(A) 및 도 2(B)에 도시된 반응 용기(R) 상에 형성된 경우의 도면이고, 도 10은 라디에이터(7)가 도 1(A) 및 도 1(B)에 도시된 반응 용기(R) 상에 형성된 경우의 도면이다. 이들의 경우, 절연 부재(1)와 접촉하도록 배치된 말단 파티션이 냉각되기 때문에, 절연 부재(1)를 효과적으로 냉각시킬 수 있고 절연 부재(1)의 온도가 증가되는 것을 방지할 수 있다.
냉각수를 절연 부재(1)의 온도를 2차 전자가 용이하게 릴리스되는 온도로 제어하는 온도 조절 수단으로서 또한 사용될 수 있다. 즉, 전극, 및 활성 플라즈마 발생 가스(G) 내에 포함된 이온의 영향에 의하여, 2차 전자가 절연 부재(1)로부터 릴리스될 수 있다. 절연 부재(1)의 온도가 높으면 높을 수록 2차 전자는 용이하게 릴리스된다. 그러나, 열 팽창으로 인한 절연 부재(1)의 손상을 고려할 때, 절연 부재(1)의 온도는 대략 100℃가 적합하다.
따라서, 절연 부재(1)의 온도는 냉각수를 사용하여 40 ~ 100℃ 범위 내로 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 실온보다 더 높은 온도를 갖는 냉각수를 사용함으로써, 절연 부재(1)의 표면 온도가 장치를 사용하기 시작할 때 실온보다 더 높은 온도로 증가될 수 있으므로, 장치를 실온으로 사용하기 시작할 때와 비교하여 2차 전자가 절연 부재(1)로부터 용이하게 릴리스될 수 있다. 따라서, 플라즈마 발생 밀도가 절연 부재(1)로부터 릴리스된 2차 전자에 의하여 증가되어 대상물(5)의 변형 및 세정 효과와 같은 플라즈마 처리 효과를 향상시킬 수 있다. 취급이 용이하고 에너지 소비가 적은 점으로 보아, 냉각수의 온도는 50 ~ 80℃ 범위 내에 있는 것이 더 바람직하다.
가스 저장부(11) 및 라디에이터(7)는 열도전성이 높은 소재로 제조되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 구리, 스테인레스강, 알루미늄 또는 질화 알루미늄을 사용할 수 있다. 가스 저장부(11) 및 라디에이터(7)를 질화 알루미늄과 같은 절연 소재로 제조할 때, 전극 사이에 인가된 무선 주파수 전압의 영향을 최소화할 수 있으므로 효율적으로 방전이 일어날 수 있는 한편, 전극 사이에 인가된 전력의 손실을 실질적으로 방지한다. 또한, 높은 열도전성으로 인하여 고효율 냉각이 달성된다.
또한, 절연 부재(1)의 온도 증가를 라디에이터(7)에 의하여 제어할 때, 절연 부재(1)가 열 변형에 의하여 손상되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 절연 부재(1)가 부분적으로 과열되었을 때, 관통공(1) 내의 플라즈마 발생은 과열부의 플라즈마 발생 밀도가 더 높아질 때 불균일하게 되는 경향이 있다. 절연 부재(1)의 온도 증가를 방지함으로써, 관통공(2) 내의 플라즈마 발생의 불균일이 방지될 수 있으므로균일하게 표면 처리될 수 있다.
또한, 전기 히터를 절연 부재(1)의 온도 조절 수단으로서 라디에이터(7) 내에 내장하는 경우, 전술한 바와 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이 경우, 열전대(thermocouple)와 같은 온도 측정 수단을 라디에이터(7) 내에 배치하여 라디에이터(7)의 온도를 모니터링하는 것이 바람직하다. 또한, 펠티에 장치가 라디에이터(7)로서 사용될 수 있다.
절연 부재(1)는, 플라즈마 발생 가스(G)가 열도전성이 저하되지 않고 누출 방지되도록 라디에이터(7)에 연결되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 열도전성 그리스, 열도전성 양면 접착 테이프, 또는 접합용 수지 포함 소재를 사용하여 연결될 수 있다. 또한, 절연 부재(1) 및 라디에이터(7)는 미러-폴리쉬(mirror-polished)된 다음, 서로 압착된다.
또한, 절연 부재(1) 및 라디에이터(7)는 일체로 형성된다. 이 경우, 열은 라디에이터(7)에 의하여 방전 공간으로부터 효과적으로 흡수될 수 있다. 또한, 플러즈마 발생 가스(G)의 누출이 방지되기 때문에, 절연 부재(1)의 균일한 온도 분포를 얻을 수 있고 방전이 안정화된다.
전술한 플라즈마 처리 장치를 사용하여 대상물(5)을 표면 처리하기 위하여, 플라즈마 발생 가스(G)를 가스 유입구(10)를 통해 가스 저장부(11)에 공급한 다음, 가스 방출구(9) 및 가스 유입 포트(2a)를 통해 절연 부재(1)의 관통공(2)으로 전달한다. 다음에, 플라즈마 발생 가스(G)가 관통공(2) 내 전극(3, 4) 사이의 방전 공간에서 일어난 방전에 의하여 활성화되어, 가스 방출 포트(2b)로부터 방출된다.
플라즈마 발생 가스(G)를 가스 저장부(11)를 통해 반응 용기(R)의 관통공(2)내에 공급하기 위하여, 예를 들면, 가스 실린더, 가스 배관, 믹서, 및 압력 밸브로 구성되는 가스 공급 수단(도시되지 않음)이 형성될 수 있다. 이 경우, 플라즈마 발생 가스(G)의 가스 성분을 각각 저장하는 가스 실린더는 가스 배관에 의하여 가스 저장부(11)에 연결된다. 이 때, 가스 실린더로부터 공급된 가스 성분은 혼합기에 의하여 원하는 혼합비로 혼합된 다음, 이렇게 얻어진 혼합물은 압력 밸브에 의하여 원하는 압력으로 가스 방출구(9)로 보내진다.
가스 공급 수단은, 희가스, 질소, 산소, 및 공기, 또는 이들 중 두 가지 이상의 혼합 가스 중 적어도 한 가지를 포함하는 가스를 플라즈마 발생 가스(G)로서 공급한다.
공기를 사용하는 경우, 플라즈마 처리에 의하여 대상물(5)의 표면을 변형시킬 수 있고 대상물(5)로부터 유기 소재를 제거할 수 있다. 습기를 거의 포함하지 않는 건조한 공기를 공기로서 사용하는 것이 바람직하다. 희가스로는, 헬륨, 아르곤, 네온, 또는 크립톤을 사용할 수 있다. 비용 효율성 및 방전 안정성 면에서 보면, 아르곤을 사용하는 것이 바람직하다. 희가스 또는 질소를 사용하는 플라즈마 처리는 대상물(5)의 표면을 변형시킨다. 또한, 산소를 사용하는 플라즈마 처리는 대상물(5)로부터 유기 소재를 제거한다. 또한, 희가스 및 산소의 혼합 가스를 사용하는 플라즈마 처리는 표면을 변형시키며 유기 소재를 제거한다. 산소 및 공기와 같은 반응 가스를 희가스 또는 질소에 첨가할 수 있다. 반응 가스의 종류는 처리 목적에 따라 결정될 수 있다.
대상물(5) 상에 부착되어 있는 유기 소재의 세정, 레지스트 제거, 유기 필름 에칭, 또는 LCD 또는 유리 플레이트의 표면 세정의 경우, 산소, 공기, 이산화탄소, 및 아산화질소와 같은 산화성 가스를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, CF4, SF4, 및 NF3와 같은 가스를 포함하는 불소가 반응 가스로서 사용될 수 있다. 실리콘 또는 레지스트를 에칭 또는 애싱하는 경우, 가스를 포함하는 불소를 사용하는 것이 효과적이다. 금속 산화물을 감소시키는 경우, 수소 또는 암모니아와 같은 환원 가스를 사용할 수 있다.
플라즈마 발생 가스(G)는 관통공(2) 내의 전극(3, 4) 사이의 방전 공간에서 일어난 방전에 의하여 활성화될 수 있다. 전극(3, 4) 사이에 전원(6)을 사용하여 고전압을 인가할 때, 방전 공간에 전계가 발생한다. 전계가 발생함으로써, 방전 공간 내에 대기압 또는 대기압에 근접한 압력의 가스 방전이 얻어진다. 플라즈마 발생 가스(G)는 가스 방전에 의하여 활성화되고, 라디칼(radical) 및 이온과 같은활성종이 발생되는 방전 공간 내에 플라즈마가 될 수 있다.
이 때, 플라즈마 발생 가스(G)는 압력이 손실되지 않고 단위 시간당 원하는 흐름량을 제공하기에 적합한 압력으로 관통공(2)에 공급되는 것이 바람직하다. 즉, 가스 저장부(11)의 압력이 대기압이거나 또는 대기압에 근접한 압력(100 ~ 300 kPa)이 되도록 공급되는 것이 바람직하다.
가스 유입 포트(2a)로부터 관통공(2)을 통해 공급된 플라즈마 발생 가스(G)를 활상화시키기 위하여 전원(6)에 의하여 전극(3, 4) 사이에 공급되는 전압은 교류 파형, 펄스 파형, 및 이들이 중첩된 파형과 같이 적절한 파형을 갖도록 정해질 수 있다. 특히, 정지 기간을 가진 펄스형 파형을 갖는 전압을 전극(3, 4) 사이에 공급할 수 있는 전원(6)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 각각의 관통공(2) 내에 고효율로 균일한 방전이 일어날 수 있으므로, 처리 효율이 향상된다. 또한, 관통공(2) 내에 방전이 일어나지 않는 영역의 발생이 효과적으로 방지되기 때문에, 각각의 관통공(2) 내에 균일한 방전이 유지될 수 있다. 균일한 방전이 유지될 수 있기 때문에, 관통공(2) 내 일부분에 실수로 방전이 사라지는 경우에도, 관통공 각각의 방전 상태는 정지 기간에 한 번 취소된 다음, 정지 기간이 지난 후 이들 관통공 사이에 전압을 다시 인가함으로써 복구된다는 점을 이해할 수 있을 것이다.
도 11, 도 12 및 도 13은 정지 기간을 가진 펄스형 전압의 파형을 각각 도시하는 도면이다. 즉, 도 11은 직사각형 펄스 및 정지 기간이 교호로 반복되는 직사각형파 펄스의 도면이다. 도 12는 상승 에지, 하강 기간, 및 정지 기간 세트가 원하는 주기로 반복되는 진동파 펄스의 도면이다. 도 13은 하나의 파형 내의 정압 펄스 출력, 정지 기간, 부압 펄스 출력, 및 정지 기간 세트가, 직사각형파 펄스의 경우와 같이, 하나의 주기로 반복되는 대칭 펄스의 도면이다. 도 13의 대칭 펄스 파형에 있어서, 방전 상태는 직사각형파 펄스를 사용하여 얻어진 상태에 근접한다. 또한, 비교적 저전압으로 전환될 수 있고, 압축을 위해 변압기가 사용될 수 있다. 따라서, 전원(6)을 직사각형파 펄스를 사용하는 경우에 비하여 간단한 구조를 갖도록 할 수 있다. 방전 공간 내에 가스 방전이 계속해서 일어나도록 하기 위하여 전극(3, 4) 사이에 인가되는 전압은 관통공(2)의 내경, 및 전극(3, 4) 사이의 거리에 따라 정해질 수 있다. 예를 들면, 전압은 0.05 ~ 30 kV의 범위에서 정해질 수 있다.
또한, 전극(3, 4) 사이에 1 Hz ~ 200 kHz의 주파수를 가진 전압을 인가하기 위하여 펄스형 파형 전원을 사용하는 것이 바람직하다. 전극(3, 4) 사이에 인가된 전압 파형의 반복 주파수가 1 Hz 이하일 때, 방전 공간 내의 방전 감소로 인하여 표면 처리가 효과적으로 수행되지 않을 수 있다. 한편, 주파수가 200 kHz를 초과할 때, 방전 공간 내의 가스 방전(플라즈마)의 온도가 상당히 증가하기 때문에 관통공(2) 내에 방전이 균일하게 일어나지 않을 수 있고, 방전은 관통공(2)의 일부분에 쉽게 집중된다. 상기 범위의 주파수에서, 전극(3, 4) 사이에서 발생된 방전은 처리 효율을 더 향상시키도록 안정된다. 또한, 플라즈마 발생 가스(G)의 이러한 온도 상승을 방지함으로써 대상물(5)의 열 손상을 방지할 수 있다. 또한, 관통공(2)의 일부분에 방전이 집중되는 것을 방지함으로써 균일하게 표면 처리될 수 있다.
또한, 0.01 ~ 80%의 전압 파형 듀티비를 갖는 펄스형 전압을 전극(3, 4) 사이에 인가하기 위하여 펄스형 파형 전원을 전원(6)으로서 사용하는 것이 바람직하 다. 이 경우, 안정적인 방전을 고효율로 얻을 수 있기 때문에, 처리 효율이 더 향상될 수 있다. 도 11에 도시된 직사각형파 펄스의 듀티비는 펄스의 상승 에지와 하강 에지 사이의 폭을 펄스의 상승 에지와 정지 기간을 지난 다음 펄스의 상승 에지 사이의 펄스로 나눔으로써 정해질 수 있다. 또한, 도 12 및 도 13에 도시된 진동파 펄스를 사용하는 경우, 듀티비는 제1 펄스의 상승 에지와 제2 펄스의 하강 에지의 파형 사이의 폭을 제1 펄스의 상승 에지로부터 진동-감쇠 기간 및 정지 기간까지를 포함하는 기간으로 나눔으로써 정해질 수 있다.
본 발명에 있어서, 전극(3, 4)은 중성점 접지되는 것이 또한 바람직하다. 이 경우, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)와 대상물(5) 사이의 전위는 감소될 수 있고, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)로부터 대상물(5) 쪽으로 아크 방전이 일어나는 것이 방지된다. 즉, 전극(3, 4) 양자 모두가 접지에 대하여 플로팅 상태에 있는 조건 하에서 전압이 인가되기 때문에, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)와 대상물(5) 사이의 전위가 감소될 수 있다. 따라서, 대상물(5)을 열 손상시킬 수 있는 아크 방전의 발생을 방지할 수 있다.
예를 들면, 도 14(A)에 도시된 바와 같이, 전원(6)에 연결된 상부 전극(4)에 13 kV가 인가되고 하부 전극(3)은 접지 상태(0 kV)일 때, 이들 전극 사이에 13 kV의 전위차가 얻어진다. 이 경우, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)와 대상물(5) 사이에 적어도 수 kV의 전위차가 발생하므로, 아크 방전(Ar)이 발생될 수 있다. 중성점 접지를 사용하는 경우, 도 14(B)에 도시된 바와 같이, 상부 전극(4)의 전위가 +6.5 kV이고 하부 전극(3)의 전위가 -6.5 kV일 때, 이들 전극 사이에 13 kV의 전위 차가 얻어진다. 이 경우, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)와 대상물(5) 사이의 전위차는 거의 제로이다. 즉, 중성점 접지를 사용할 때, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)와 대상물(5) 사이의 전위차를, 중성점 접지를 사용하지 않는 경우에서와 같이 전극(3, 4) 사이의 동일한 전위차에 상관없이 감소시킬 수 있다. 따라서, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)로부터 대상물(5)을 향하여 아크 방전이 발생하는 것이 방지될 수 있다.
이어서, 활성종을 포함하는 플라즈마 발생 가스(G)가 가스 방출 포트(2b)로부터 연속적으로 방출된다. 따라서, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)를 가스 방출 포트(2b) 하측에 위치한 대상물(5)의 적어도 일부분 상에 분무함으로써 표면 처리된다.
대상물(5)을 가스 방출 포트(2b) 하측에 위치시켰을 때, 상기 대상물은 롤러 및 벨트 컨베이어와 같은 이송 수단에 의하여 이송될 수 있다. 이 경우, 이송 수단에 의하여 가스 방출 포트(2b) 하측에 위치시키기 위하여 이송되는 복수의 대상물(5)에 연속적으로 표면 처리가 실행될 수 있다.
또한, 가스 방출 포트(2b)와 대상물(5) 사이의 거리는 플라즈마 발생 가스(G)의 유속, 플라즈마 발생 가스(G)의 종류, 대상물(5)의 종류, 및 표면 처리 목적에 따라 적절하게 정해질 수 있다.
전술한 표면 처리에 있어서, 관통공(2) 각각에는 가스 방전이 발생되고, 가스 방전에 의하여 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)는 관통공(2)을 통해 대상물(5) 상에 분무된다. 따라서, 대면적의 균일한 플라즈마가 고효율로 얻어지므로, 가스 흐름량이 감소된 상태로 대상물(5)에 대면적 표면 처리가 균일하게 실행될 수 있다.
따라서, 본 발명에 있어서, 한 번에 처리될 처리 영역이 증가될 수 있다. 이로써 처리 효율이 향상된다. 또한, 이송되는 대상물(5)에 표면 처리가 실행될 때, 대상물(5)은 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)에 기간 연장을 위해 노출될 수 있다. 따라서, 가스 흐름량이 감소된 상태로 표면 처리가 효과적으로 실행될 수 있다. 즉, 활성종과 대상물(5) 사이의 접촉 시간을 연장함으로써 가스 흐름량을 증가시키지 않고 표면 처리 능력이 향상될 수 있다. 따라서, 비용의 효율성이 제공되도록 표면 처리 장치의 가동 비용이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
상기 실시예에 있어서, 평면도에서 직사각형 형상을 갖는 절연 부재(1)를 사용하여 작사각형 처리 면적을 얻는다. 처리 면적은 대상물(5)에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 예를 들면, 절연 부재(1)의 치수 및 형상을 변경시키거나 또는 관통공(2) 배치를 변형시킴으로써, 원하는 처리 면적이 얻어질 수 있다.
또한, 반응 용기(R)는 처리 면적이 더 증가되도록 하기 위하여 복수의 절연 부재(1)를 결합시켜 형성될 수 있다. 또한, 절연 부재(1)는 대상물(5)의 특정 영역에만 표면 처리되도록 원하는 패턴으로 배치될 수 있다. 또한, 대상물(5)과 상이한 거리를 가진 절연 부재(1)를 배치할 때, 대상물(5) 중 경질의 표면 처리가 필요한 면적 및 연질의 표면 처리가 필요한 면적 양자 모두를 동시에 처리할 수 있다. 따라서, 이들이 처리 효과 조정 수단으로서 기능한다.
예를 들면, 도 15(A)에 도시된 바와 같이, 반응 용기(R)는 복수의 절연 부재 (1)를 정렬시켜 형성된다. 또한, 도 15(B)에 도시된 바와 같이, 반응 용기(R)는 절연 부재(1)를 매트릭스 패턴으로 배치시켜 형성될 수 있다. 이 경우에, 처리 면적이 더 증가될 수 있다. 또한, 절연 부재(1)를 원하는 패턴으로 배치시킬 때, 절연 부재(1)의 배치에 대응하는 처리 영역이 표면 처리될 수 있다. 이 경우, 대상물(5)의 특정 영역만 표면 처리될 수 있다. 예를 들면, 도 15(C)에 도시된 바와 같이, 절연 부재(1)를 L자 형상의 패턴으로 배치시켜 반응 용기(R)를 형성할 때, 대상물(5)의 L자 형상 영역이 표면 처리될 수 있다. 또한, 도 15(D)에 도시된 바와 같이, 반응 용기(R)는 하나의 절연 부재(1)와 대상물(5) 사이의 거리가 다른 하나의 절연 부재와 대상물(5) 사이의 거리와 상이하도록 절연 부재(1)를 배치시켜 형성될 수 있다. 이 경우, 다른 처리 면적과 비교하여, 절연 부재(1)와 보다 멀리 이격된 대상물(5)의 처리 면적에서 비교적 낮은 처리 효과가 얻어진다. 한편, 다른 처리 면적과 비교하여, 절연 부재(1)와 보다 가까이 이격된 대상물(5)의 처리 면적에서 비교적 높은 처리 효과가 얻어진다. 따라서, 처리하려는 대상물(5)에 따라, 높은 처리 효과를 제공하는 처리 면적 및 낮은 처리 효과를 제공하는 처리 면적을 의도적으로 형성할 수 있다.
또한, 반응 용기(R)를 복수의 절연 부재(1)를 결합시켜 형성할 때, 처리 면적의 치수 및 형상의 변경, 또는 처리 레벨의 제어와 같은 각종의 변형은 절연 부재(1)의 개수 또는 그 배치를 간단하게 변경시킴으로써 용이하게 실행될 수 있다.
절연 부재(1)를 결합시키는 경우, 라디에이터(7) 및 가스 저장부(11)는 절연 부재(1) 각각에 형성될 수 있다. 또한, 라디에이터(7) 및 가스 저장부(11)가 하나 의 쌍으로 형성되어 플라즈마 발생 가스(G)를 절연 부재(1)에 동시에 공급하거나 또는 열을 절연 부재(1)로부터 동시에 방사할 수 있다.
절연 부재(1)를 결합시켜 반응 용기(R)를 형성하는 경우, 절연 부재에는 동일한 전원(6)으로부터 전력을 공급하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 16(A)에 도시된 바와 같이, 반응 용기(R)가, 하나의 절연 부재(1A)와 전원(6A)을 포함하는 유닛 A 및 하나의 절연 부재(1)와 전원(6B)을 포함하는 유닛 B로 형성될 때, 유닛 A의 절연 부재(1A)의 전극(3, 4) 사이에는 전원(6A)을 사용하여 고주파 전압이 인가되며, 유닛 B의 절연 부재(1B)의 전극(3, 4) 사이에는 전원(6B)을 사용하여 고주파 전압이 인가된다. 그러나, 유닛 A의 전원(6A)에 의하여 발생된 고주파 전압과 유닛 B의 전원(6B)에 의하여 발생된 고주파 전압 사이의 동기화는 곤란하다. 예를 들면, 도 16(B)에 도시된 바와 같이, 상변이가 일어나는 경우가 종종 있다. 따라서, 전원(6A 및 6B)의 의하여 발생된 전압 간의 간섭 때문에 원하는 파형을 가진 전압이 공급되지 않을 수 있다.
본 발명에 있어서, 도 17에 도시된 바와 같이, 고주파 전원과 같은 동일한 전원(6)으로부터 절연 부재에 전력을 공급하는 것이 바람직하다. 도 17에 있어서, 복수의 변압기(32a, 32b, 32c)는 하나의 전원(6)에 평행하게 전기적으로 연결되며, 복수의 절연 부재(1)는 변압기(32a, 32b, 32c) 각각에 평행하게 전기적으로 연결된다. 상기 반응 용기(R)에 있어서, 절연 부재(1)에 인가된 전압 사이에 상변이가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 절연 부재(1)에 인가된 전압 사이의 간섭을 방지할 수 있으므로, 원하는 파형을 갖는 전압이 공급될 수 있다.
본 발명에 있어서, 복수 쌍의 전극(3, 4)을 관통공(2) 내의 플라즈마 발생 가스(G)의 흐름 방향과 평행한 방향으로 배치시킬 때, 방전 공간 내에는 고밀도 스트리머 방전이 발생될 수 있다. 이 경우, 가스 내에 활성종 밀도를 증가시킴으로써 방전을 일으키도록 인가되는 전력을 증가시키지 않고 표면 처리 능력을 향상시킬 수 있다. 또한, 활성화된 플라즈마 발생 가스(G)를 대상물(5)에 공급하는 가스 흐름의 공급 시간을 연장시키지 않고 표면 처리 능력이 향상될 수 있기 때문에, 대상물(5)의 처리에 필요한 처리 시간을 연장시키지 않을 수 있다. 따라서, 생산성이 감소되지 않는다는 장점이 있다.
또한, 대상물(5) 상에 분무된 플라즈마 발생 가스(G) 내의 활성종 밀도가 표면 처리 능력을 향상시키도록 증가되기 때문에, 대상물(5)과 가스 방출 포트(2b) 사이의 거리를 단축시킬 필요가 없다. 따라서, 방전 공간으로부터 대상물(5) 쪽으로 아크 방전 발생이 최소화되어 대상물이 아크 방전에 의하여 손상되는 것이 방지된다. 또한, 아크 방전을 방지하기 위하여 가스 방출 포트(2b)와 대상물(5) 사이에 금속 메시를 위치시킬 필요는 없다. 따라서, 플라즈마 발생 가스(G)의 가스 흐름이 금속 메시로 인하여 방해받지 않으므로, 표면 처리 능력이 안정적으로 유지될 수 있다. 또한, 전극(3, 4)의 금속 메시의 부식 및 대상물(5)의 오염으로 인한 산화물(녹)이 생기는 문제가 해소될 수 있다.
본 발명은 각종 대상물의 표면 처리에 이용가능하다. 특히, 표면 처리는 액정용 유리 소재과 같은 각종의 평판 디스플레이용 유리 소재, 플라즈마 디스플레이 및 유기 전자 발광 디스플레이, 인쇄회로기판, 또는 polymide 필름과 같은 각종의 수지 필름에 적합하다. 이들 대상물(5) 상에 표면 처리하는 경우, 유기 소재와 같은 소재를 세정하는 단계, 레지스트를 제거 또는 에칭하는 단계, 유기 필름의 부착성을 향상시키는 단계, 금속 산화물을 감소시키는 단계, 필름을 형성하는 단계, 물 세척, 도금 또는 코팅 이전에 사전 처리하는 단계, 및 다른 표면 변형 단계를 포함하는 것이 장점이다. 액정용 유리 소재와 같은 평판 디스플레이용 유리 소재에 있어서, 처리하려는 처리 면적이 계속적으로 증가하기 때문에, 대면적의 균일한 처리가 필요하다. 따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치 및 플라즈마 처리 방법은, 원하는 처리 면적이 융통성있게 설계되기 때문에 상기 응용에 바람직하게 사용될 수 있다.
유리 소재를 표면 처리하는 경우, ITO(indium tin oxide), TFT(Thin Film Transistor) 액정, 또는 CF(color filter)로 제조된 투명 전극을 갖는 유리 소재를 표면 처리할 수 있다. 수지 필름을 표면 처리하는 경우, roll-to-roll 방식으로 이송되는 수지 필름을 연속적으로 표면 처리할 수 있다.
예
본 발명을 예를 들어 구체적으로 설명한다.
(예 1)
전기도전성 필름을 프린팅에 의하여 제1 시트(두께: 0.4mm)의 표면 상에 형성한 다음, 제2 시트(두께(1.4mm)를 상기 전기도전성 필름 상에 위치시켰다. 또한, 전기도전성 필름을 프린팅에 의하여 제2 시트 상에 형성한 다음, 제3 시트(두께: 1.4mm)를 상기 전기도전성 필름 상에 위치시켰다. 상기 실시예에서, 제1 시트 내지 제3 시트 각각은 알루미나 파우더를 포함하는 소재를 시트 형상으로 성형하여 얻었다. 각각의 시트는 직경이 각각 1mm인 복수의 애퍼춰를 갖는다. 이들 시트를 각각의 시트의 애퍼춰 위치가 서로 대응하도록 적층하였다. 전기도전성 필름을, 텅스텐 층을 프린팅하여 형성하였다. 시트의 직경보다 더 큰 3mm의 직경을 각각 갖는 복수의 애퍼춰(8)를, 시트 애퍼춰 각각이 전기도전성 필름의 애퍼춰 각각에 배치되도록 전기도전성 필름에 형성하였다. 이렇게 얻어진 적층판을 소결하여, 도 2(A)의 평면도 및 도 2(B)의 단면도에 도시된 바와 같이, 반응 용기(R)를 얻었다.
상기 실시예에서, 반응 용기의 절연 부재(1)는 두께가 3.2mm이며, 직경이 각각 1mm인 55개의 관통공(2)을 갖는다. 이들 55개의 관통공(2)은, 인접하는 관통공(2) 사이의 간격이 4.5mm가 되도록 45 X 22mm의 평면 영역에 배치된다. 또한, 전극(3, 4)은 두께가 각각 30㎛인 상,하부 텅스텐 도전층에 의하여 형성되며, 각각의 관통공(2)이 전극(3, 4)의 각각의 애퍼춰(8) 내에 위치하도록 배치된다. 상하부 전극(3, 4)(즉, 방전면 사이) 사이의 거리는 1.4mm이다. 애퍼춰(8)를 갖는 전극(3, 4)은 관통공(2)의 내부로 노출되지 않는다. 두께 1mm의 절연 코팅을, 동일한 절연 부재(유전 소재)를 절연 부재(1)로서 사용하여 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 내면 상에 형성한다. 상부 전극(4)은 전원(6)에 연결되고, 하부 전극(3)은 접지된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 구리 라디에이터(7)를 갖는 가스 저장부(11)는 절연 부재(1)의 상부에 위치된다. 플라즈마 발생 가스(G)는 가스 저장부(11)의 상단부에 형성된 가스 유입구(10)로부터 유입되며, 절연 부재(1)의 관통공(2) 내로 흘 러 들어갈 수 있다. 냉각수를 라디에이터(7)에 형성된 흐름 채널(7c) 내에 순환시켜 절연 부재(1)가 과열되는 것을 방지한다.
(예 2)
전기도전성 필름을 프린팅에 의하여 제1 시트(두께: 0.7mm)의 표면 상에 형성한 다음, 제2 시트(두께: 1.5mm)를 전기도전성 필름 상에 위치시켰다. 제1 및 제2 시트 각각은, 예 1의 경우에서와 같이, 알루미나를 포함하는 소재를 시트 형상으로 성형하여 형성하였다. 제1 및 제2 시트 각각은 평면도에서 보아 각각이 폭 1mm 및 길이 22mm인 복수의 슬릿형 애퍼춰를 갖는다. 이들 시트를, 각각의 시트의 슬릿형 애퍼춰의 위치가 서로 대응하도록 적층하였다. 전기도전성 필름을, 예 1의 경우에서와 같이, 텅스텐 층을 프린팅하여 형성하였다. 상기 실시예에서, 전기도전성 필름 각각을 빗 형상의 패턴으로 형성하였다. 이렇게 얻어진 적층판을 소결하여 도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 구조를 갖는 반응 용기(R)를 얻었다.
상기 실시예에서, 반응 용기의 절연 부재(1)는 두께가 2.2mm이며, 각각의 폭이 1mm 길이가 22mm인 11개의 슬릿형 관통공(2)을 갖는다. 이들 11개의 관통공(2)은, 인접하는 관통공(2) 사이의 거리가 3.5mm가 되도록 45 X 22mm의 평면 영역에 배치된다. 또한, 전극(3, 4)은, 전극(4)은 관통공(2) 각각의 한쪽에 위치되고 전극(3)은 관통공 각각의 반대쪽에 위치하도록, 두께 100㎛에 걸쳐 절연 부재(1)의 동일면 상에 형성된다. 전극(3, 4) 사이(즉, 방전면 사이)의 거리는 2mm이다. 상기 실시예에서, 전극(3, 4)은 관통공(2)의 내부로 노출되지 않는다. 두께 0.5mm의 절연 코팅을, 동일한 절연 소재(유전 소재)을 절연 부재로서 사용하여 관통공(2)의 내면과 동일 평면을 이루도록 전극(3, 4)의 측면 상에 형성하였다. 전극(4)은 전원(6)에 연결되고, 전극(3)은 접지된다.
도 3(A) 및 도 3(B)에 도시된 바와 같이, 질화 알루미늄으로 제조된 라디에이터(7)를 갖는 가스 저장부(11)는 절연 부재(1)의 상부에 배치된다. 플라즈마 발생 가스(G)는 가스 저장부(11)의 상단부에 형성된 가스 유입구(10)로부터 유입되어 절연 부재(1)의 관통공(2) 내로 흘러 들어갈 수 있다. 냉각수를 라디에이터(7)에 형성된 흐름 채널(7c) 내에 순환시켜 절연 부재(1)의 과열을 방지한다.
(예 3)
상기 실시예에 사용된 플라즈마 처리 장치는, 전극(3, 4) 및 관통공(2)의 애퍼춰(8)의 직경이 1mm이고, 전극(3, 4)의 애퍼춰(8)의 내면이 도 10에 도시된 바와 같이 관통공(2)의 내부로 노출되지 않는 것을 제외하고는, 예 1에 사용된 장치와 실질적으로 동일하다.
(비교예)
도 18에 도시된 단면을 갖는 플라즈마 처리 장치를 사용하였다. 상기 장치의 반응 용기(R)는 직사각형 튜브 형상이며, 두께 1mm의 석영 유리로 제조된다. 반응 용기(21)에 제공된 방전 발생부(22)의 내측(폭) 치수로 형성된 방전 슬릿 폭은 1mm이고, 이 슬릿 폭은 반응 용기(21)의 반대쪽에 형성된 가스 유입 포트(22a) 및 가스 방출 포트(22b)의 슬릿 폭과 동일한다. 또한, 반응 용기(R)의 길이 치수는 45mm이다. 전극(3, 4)의 저부 말단은 가스 방출 포트(22b)보다 5mm 상류쪽에 위치된다.
쌍으로 된 전극(23, 24)은 구리로 제조되고, 그 상측에 금 도금이 형성된다. 전극(23, 24)은 반응 용기(21)가 이들 전극 사이에 위치하도록 배치된다. 냉각수를 전극(23, 24)에 형성된 흐름 채널(27) 내에 순환시켜 전극을 냉각시킨다. 좌측 전극(23)은 전원(6)에 연결되고, 우측 전극(24)은 접지된다.
(평가 1)
전술한 플라즈마 처리 장치 각각을 사용함으로써, 전원(6)을 사용하여 전극(3, 4(23, 24)) 사이에 도 11에 도시된 정지 기간을 가진 펄스형 파형을 갖는 전압(6 kHz, 13 kV, 듀티비 50%)을 인가하여 표면 처리하는 한편, 분당 10리터의 질소 및 분당 0.02리터의 산소의 플라즈마 발생 가스(G)를 대기압 상태로 반응 용기 내로 유입시키고, 활성종을 포함하는 플라즈마 발생 가스의 가스 흐름을 이송되는 대상물 상에 초당 100mm의 속도로 분무한다. 대상물로서, 액정용 희유리를 사용하였다. 대상물과 가스 방출 포트(2b(22b)) 사이의 거리는 5mm이다. 표면 처리 전에 측정된 희유리의 물 접촉각은 68도이다.
예 1 내지 3 및 비교예 1 각각에 있어서, 대상물(5)의 물 접촉각을 표면 처리 후에 측정하였다. 표 1에 그 결과가 도시되어 있다. 표 1에 도시된 바와 같이, 예 1 및 예 2에서 물 접촉각이 충분하게 감소되는 것을 알았다. 특히, 예 1에서 물 접촉각이 현저하게 감소되었다. 이와는 반대로, 비교예 1에서는 물 접촉각이 거의 변화가 없다. 따라서, 상기 결과는 예 1 및 예 2가 비교예 1보다 더 양호하게 표면 처리될 수 있다는 점을 나타낸다.
표 1
물 접촉각
예 1 8.3°
예 2 9.8°
비교예 1 65.0°
(평가 2)
예 1, 예 2 및 비교예 1 각각에 있어서, 전극(3, 4(23, 24)) 사이에 도 12에 도시된 정지 기간을 가진 펄스형 파형을 갖는 전압(6 kHz, 13 kV, 듀티비 5%)을 인가하는 것을 제외하고는, 평가 1에서와 동일한 조건으로 대상물(5)을 표면 처리하였다. 상기 평가에서, 대상물(5)의 접촉각이 10도 이하가 될 때까지 표면 처리를 반복하였다.
대상물(5) 상의 물 접촉각이 10도 이하가 될 때까지 반복된 표면 처리의 횟수가 표 2에 도시되어 있다. 표 2에 도시된 바와 같이, 물 접촉각은 예 1 및 예 2에서는 일회 표면 처리함으로써 10도 이하로 되는 반면, 비교예 1에서는 10도 이하의 물 접촉각을 얻기 위하여 표면 처리를 7회 반복하였다. 상기 결과는 예 1 및 예 2가 비교예 1보다 더 양호하게 표면 처리될 수 있다는 점을 나타낸다.
표 2
처리 횟수
예 1 1
예 2 1
비교예 1 7
(평가 3)
예 3에 있어서, 전원(6)을 사용하여 전극(3, 4) 사이에 도 11에 도시된 정지 기간을 가진 펄스형 파형을 갖는 전압(6 kHz, 듀티비 50%)을 인가하여 표면 처리하는 한편, 분당 10리터의 질소 및 분당 0.02리터의 산소의 플라즈마 발생 가스(G)를 대기압 상태로 반응 용기 내로 유입시키고, 활성종을 포함하는 플라즈마 발생 가스의 가스 흐름을 이송되는 대상물 상에 초당 100mm의 속도로 분무한다. 상기 평가에서, 인가 전압 8 kV, 9 kV 및 10kV 각각에 대하여 표면 처리하였다. 대상물로서, 액정용 희유리를 사용하였다. 대상물(5)과 가스 방출 포트(2b) 사이의 거리는 5mm이다. 표면 처리 전에 측정된 희유리의 물 접촉각은 68도이다.
각각의 표면 처리 후에 측정된 대상물(5) 상의 물 접촉각을 표 3에 나타낸다. 표 3에 나타난 바와 같이, 예 3에서 물 접촉각이 충분하게 감소된다는 점을 알았다. 따라서, 예 3은 고효율 처리를 제공할 수 있다. 또한, 인가 접압을 증가시킴으로써, 물 접촉각을 더 감소시킬 수 있다. 그러나, 인가 접압이 10 kV일 때, 안정적으로 방전이 일어나지 않게 되어 표면 처리에 적합하지 않다.
표 3
인가 전압 물 접촉각
8 kV 22.5°
9 kV 15.3°
10 kV 방전 불안정
(평가 4)
예 1에 있어서, 중앙점 접지 전원(6A, 6B)를 사용하여 전극(3, 4) 사이에 도 13에 도시된 정지 기간을 가진 펄스형 파형을 갖는 전압(12 kHz, 듀티비 30%)을 인가하여 표면 처리하는 한편, 분당 10리터의 질소 및 분당 0.1리터의 건조한 공기의 플라즈마 발생 가스(G)를 대기압 상태로 반응 용기 내로 유입시키고, 활성종을 포함하는 플라즈마 발생 가스의 가스 흐름을 이송되는 대상물 상에 초당 50mm의 속도로 분무한다. 대상물(5)로서, 인쇄회로기판용 수지 필름을 사용하였다. 대상물 (5)과 가스 방출 포트(2b) 사이의 거리는 5mm이다.
플라즈마 처리 후, 대상물(5)의 처리된 표면 상에 도금하고 부착 강도를 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 표 4에 나타난 바와 같이, 예 1의 장치를 사용하는 표면 처리가 대상물(5) 상에 도금된 도금 필름의 부착 강도를 크게 증가시키고, 표면 처리 효율을 상승시키며, 도금 필름의 신뢰성을 향상시킨다는 점을 알 수 있다.
표 4
부착 강도
처리하지 않음 0.006 N/mm2
예 1 0.070 N/mm2
전술한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마 처리 장치에 있어서, 관통공 각각에는 가스 방전이 일어나고, 상기 가스 방전에 의하여 발생된 활성종을 포함하는 활성 플라즈마 발생 가스의 가스 흐름이 관통공으로부터 대상물에 공급된다. 따라서, 처리하려는 대상물의 대면적에 소량의 가스 흐름으로 균일한 표면 처리를 효과적으로 수행할 수 있다.
표면 처리하는 경우, 대상물을 이송하는 동안, 대상물을 활성 플라즈마 발생 가스의 가스 흐름에 장시간 동안 노출시키고, 소량의 가스 흐름을 사용하여 효과적으로 표면 처리할 수 있다. 따라서, 가스 흐름을 증가시키지 않고 대상물과 활성종의 접촉 시간을 연장시킴으로써, 표면 처리 효율을 향상시키고, 표면 처리 장치의 가동 비용 증가를 방지할 수 있다.
또한, 반응 용기는 복수의 절연 부재를 결합시킴으로써 용이하게 형성될 수 있고, 장치의 설계 시 자유도는 절연 부재의 배치 및 개수를 변경시킴으로써 증가될 수 있다. 따라서, 대상물의 형상 및 치수에 따른 적합한 표면 처리 장치를 제공할 수 있다.
따라서, 대면적을 효과적으로 균일하게 표면 처리할 수 있는 상능을 갖는 본 발명에 따른 플라즈마 처리 장치는, 종래의 대상물 외에 액정 패널용 유리와 같이 처리하려는 영역이 큰 대상물을 적절하게 표면 처리할 수 있기 때문에 여러 가지 응용에 사용될 수 있다.

Claims (28)

  1. 방전에 의해 플라즈마 발생 가스를 활성화시키고, 활성화된 플라즈마 발생 가스를 대상물 상에 분무하는 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    상기 장치는,
    절연 부재에 의하여 형성된 반응 용기를 갖고,
    복수의 관통공, 및
    상기 관통공 각각에 방전을 일으키는 전극
    을 포함하며,
    상기 관통공은 각각, 일단에는 상기 플라즈마 발생 가스 유입구를 갖고 타단에는 상기 활성화된 플라즈마 발생 가스 방출구를 갖는
    플라즈마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재는 플레이트 형태인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 상기 절연 부재 내에 매립되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 상기 관통공의 내부로 노출되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 상기 관통공의 내부로 노출되어 있지 않은 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 전속선(electric flux line)이 상기 플라즈마 발생 가스의 흐름 방향과 교차하는 방향으로 상기 관통공 내에 발생하도록, 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 전속선이 상기 플라즈마 발생 가스의 흐름 방향과 평행한 방향으로 상기 관통공 내에 발생하도록, 배치된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 사이의 간격은 0.01 ~ 5mm 범위인 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 관통공의 개구는 직경이 0.01 ~ 15mm인 원형 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 관통공의 개구는 짧은쪽 치수가 0.01 ~ 15mm인 슬릿 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 절연 부재 내에 층상으로 형성되고 상기 관통공에 대응하는 위치에 애퍼춰를 가지며,
    상기 전극 내의 인접하는 애퍼춰 사이에 부족부(deficit portion)가 없는
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전극은, 상기 절연 부재와 대면하도록 층상으로 형성되고,
    가스 흐름 방향으로 하류쪽에 위치한 상기 전극 중 하나의 외주부는 가스 흐름 방향으로 상류쪽에 위치한 다른 전극의 외주부에 대하여 외측으로 돌출된
    것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재는 세라믹으로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 절연 부재는 알루미나로 제조된 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전극 사이에 정지 기간을 가진 펄스형 전압을 인가하는 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전극 사이에 주파수 1 Hz ~ 200 kHz의 전압을 인가하는 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전극 사이에 듀티비(duty ratio) 0.01 ~ 80%인 펄스형 전압을 인가하는 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 중성점 접지(neutral grounded)되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    불활성 가스, 질소, 산소 및 공기 또는 이들 중 2가지 이상이 혼합된 혼합 가스 중 적어도 한 가지를 포함하는 가스를 상기 반응 용기 내에 플라즈마 발생 가스로서 공급하는 가스 공급 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재를 냉각시키는 라디에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 절연 부재의 온도를, 2차 전자가 용이하게 방출되는 온도로 제어하는 온도 조절 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생 가스를 상기 관통공 모두의 내부로 균일한 유속으로 공급하는 가스 균일화 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 반응 용기는 복수의 절연 부재를 결합시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 장치.
  24. 제1항에 기재된 플라즈마 처리 장치용으로 적합한 반응 용기를 제조하는 방법에 있어서,
    복수의 개구를 가지며 절연재로 형성된 시트 사이에, 도전성 소재로 형성된 도전성 필름을 상기 시트의 개구가 서로 대응하도록 배치시키는 단계, 및
    얻어진 적층판을 일체로 성형하는 단계
    를 포함하고,
    상기 시트, 도전성 필름 및 상기 시트의 개구가 각각 절연 부재, 전극 및 관통공을 형성하는
    반응 용기 제조 방법.
  25. 제1항에 기재된 플라즈마 처리 장치를 사용하는 플라즈마 처리 방밥에 있어서,
    전극에 전압을 인가하는 한편, 플라즈마 발생 가스를 관통공의 일단으로부터 타단으로 흐르게 함으로써 상기 관통공 내에 플라즈마가 발생하여 상기 플라즈마 발생 가스를 활성화시키도록, 상기 관통공 내에 방전을 일으키는 단계, 및
    상기 활성화된 플라즈마 발생 가스를 상기 관통공의 타단으로부터 대상물의 표면 상에 분무하는 단계
    를 포함하는 플라즈마 처리 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 대상물은 평판 디스플레이용 유리재, 인쇄회로기판, 및 수지 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리 방법.
  27. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    복수의 관통공을 갖는 한 쌍의 전극 플레이트,
    복수의 관통공을 갖는 절연 플레이트,
    상기 전극 플레이트의 관통공 및 상기 절연 플레이트의 관통공에 의하여 형성된 복수의 방전 공간 내로 플라즈마 발생 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 및
    플라즈마 발생 가스의 플라즈마를 상기 방전 공간 내에 동시에 발생시키기 위하여 상기 전극 플레이트 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단
    을 포함하고,
    상기 절연 플레이트는, 상기 전극 플레이트의 관통공 위치가 상기 절연 플레 이트의 관통공 위치에 대응하도록 상기 전극 플레이트 사이에 배치되는
    플라즈마 처리 장치.
  28. 플라즈마 처리 장치에 있어서,
    한 쌍의 전극 및 상기 전극 사이에 배치된 절연 플레이트를 갖는 튜브형 용기,
    상기 튜브형 용기의 일단으로부터 플라즈마 발생 가스를 공급하는 가스 공급 수단, 및
    상기 튜브형 용기 내에 플라즈마 발생 가스의 플라즈마를 발생시키기 위하여 상기 전극 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단
    을 포함하고,
    대상물은 상기 튜브형 용기의 타단으로부터 방출되는 플라즈마로 표면 처리되며,
    상기 전극은 복수의 관통공을 갖는 한 쌍의 전극 플레이트에 의하여 제공되고,
    상기 절연 플레이트는 복수의 관통공을 가지며,
    상기 튜브형 용기는 상기 전극 플레이트의 관통공 및 상기 절연 플레이트의 관통공에 의하여 형성된 복수의 방전 공간을 갖고,
    플라즈마 발생 가스의 플라즈마는 상기 전극 플레이트 사이에 전압을 인가함으로써 상기 방전 공간 내에서 동시에 발생되어 상기 튜브형 용기의 타단으로부터 방출되는
    플라즈마 처리 장치.
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