KR100631720B1 - 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조 - Google Patents

플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조에 관한 것으로, 반응 원료를 수용하는 저장 용기와, 상기 반응 원료의 이동 통로인 배관을 포함하여 구성되며, 상기 배관은 제1튜브와, 상기 제1튜브 내부에 형성되는 제2튜브로 구성되는 이중 튜브형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조가 제공된다. 이와 같은 구조는 배관 내부에서 열전달이 가능하여 반응 원료의 기화 내지는 온도 상승에 따른 반응성 향상의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 구조는 반응챔버 내부로 연장되는 배관의 끝단에 형성된 가스 배출부를 추가적으로 포함하며, 가스 배출부 내부 중앙에 히터를 삽입하여 반응 원료의 응축 내지는 온도 저하를 방지할 수 있다.
플라즈마, 표면처리, 가스 공급, 응축, 배관

Description

플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조{GAS PROVIDING STRUCTURE IN PLASMA POLYMERIZATION APPARATUS}
도 1은 일반적인 플라즈마 중합장치의 구조를 보인 개략도.
도 2a는 반응챔버에 가스를 공급하는 배관의 구조를 보인 모식도.
도 2b는 도 2a의 배관의 단면을 보인 모식도.
도 3은 본 발명의 플라즈마 중합장치의 구조를 보인 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 이중 튜브형 배관을 보인 사시도.
도 5는 이중 튜브형 배관을 포함하는 중합 장치를 보인 모식도.
도 6a는 본 발명에 따른 가스 배출부의 구조를 보인 단면도.
도 6b는 도 6a의 부분 종단면도.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
60a:제1튜브 60b:제2튜브
61:온조기 70:가스 배출부
71:분출공 72:히터 삽입 부재
73:히터
본 발명은 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조에 관한 것으로, 가스 공급 라인에서 가스에 대한 가열 효율을 크게 향상시킨 가스 공급 구조를 제공한다.
금속이나 세라믹 재료의 표면을 개질하거나 코팅층을 형성하여 그 특성을 향상시키는 방법이 종래에 이용되어 왔다. 구체적으로 가스 또는 액상의 반응물을 진공 챔버 내에서 기판 표면에 화학적으로 증착시키거나, 타겟 물질에 에너지를 가하여 기판 상에 물리적으로 증착시키는 방법이 반도체 분야에서 주로 사용되었다. 또한, 이온빔을 이용하여 기판 표면을 개질시키는 방법도 개발되었으며, 최근에는 플라즈마를 이용하여 기판 표면에 코팅층을 형성하는 방법이 다양하게 제시되고 있다.
플라즈마를 이용한 표면처리는 금속이나 세라믹 또는 고분자 물질의 표면에 물리적 또는 화학적 특성이 뛰어난 코팅층을 형성함으로써 재료의 사용 가치를 향상시키는데 이용될 수 있다.
도 1은 플라즈마 중합장치의 일례를 도시한 것으로, 반응챔버(2)에 전극(6)이 대향되어 설치되어 있고, 전극 사이에 표면처리 대상인 기재(8)가 위치한다. 반응챔버(2)는 펌프(4)로 진공 상태가 유지되며, 상기 전극(6)에는 전원부(3)로부터 직류 고전압이나 RF 전압이 인가되어 가스공급부(5)로부터 반응챔버(2)로 도입되는 원료 가스 내지는 반응성 가스를 플라즈마 상태로 변화시킨다.
플라즈마 중합막을 형성하는데 있어서 중요한 요소의 하나로 반응챔버에 도입되는 원료의 상태를 들 수 있다. 예를 들어, 원료가 가스 상이 아닌 액상이거나 분말 상태이면 플라즈마로 변화되는데 문제가 생길 수 있다. 또한, 원료 가스의 고른 분산이 어려워 기재 표면에 형성되는 중합막의 품질이 떨어질 수 있고, 반응챔버 내에 중합에 따른 오염 물질의 발생이 현저해진다.
따라서, 가스 공급부로부터 반응챔버로 유입되는 가스에 열을 가하여 고온으로 유지시켜 반응성을 높이는 방안이 제안되었다.
도 2a를 참조하면, 두 가지 이상의 반응성 가스를 반응챔버로 보입하고자 하는 경우, 각각의 가스 저장용기(5a, 5b)로부터 가스들이 배관(7)을 통하여 이동하도록 구성된 가스 공급부를 볼 수 있다. 이 경우, 배관을 흐르는 가스가 고온으로 유지되어 반응성이 커지도록 배관의 일부분에 코일형 히터(9)를 설치하였다.
이와 같은 배관에 있어서, 도 2b의 단면도를 보면, 원형의 배관(7)과 원형의 히터(9)가 맞닿는 접촉부(10)는 면적이 매우 작은 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기 배관(7)과 히터(9)는 실질적으로 선접촉에 의하여 열이 전달되기 때문에 열달 효율이 매우 떨어진다. 특히, 배관과 히터의 선접촉은 배관에 공급되는 열이 고르게 분포되지 못하여 배관 내부의 온도 균일성을 저하시킨다.
이와 같이, 반응 원료를 배관을 통하여 이동시킬 때 열전달이 좋지 못하면, 액상의 반응 원료가 기체상으로 변화되지 못하여, 기체상의 반응 원료의 경우에도 반응성이 떨어지게 되어 플라즈마 중합에 의한 표면처리 효과가 감소된다.
따라서, 본 발명의 목적은 플라즈마 중합장치에서 반응챔버로 공급되는 반응 원료의 반응성을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 플라즈마 중합장치에서 가스 공급 시스템을 개선하여 장치 운용상의 편리성 및 공정의 경제성을 확보하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1특징에 따르면, 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 구조로서, 반응 원료를 수용하는 저장 용기와, 상기 반응 원료의 이동 통로인 배관을 포함하여 구성되며, 상기 배관은 제1튜브와, 상기 제1튜브 내부에 형성되는 제2튜브로 구성되는 이중 튜브형인 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조가 제공된다.
상기 제1튜브에는 반응 원료가 흐르고, 상기 제2튜브에는 고온의 유체가 흐르도록 구성할 수 있으며, 이와 반대로 상기 제1튜브에는 고온의 유체가 흐르고, 상기 제2튜브에는 반응 원료가 흐르도록 구성할 수 있다.
고온의 유체가 흐르는 튜브는 상기 배관 외부에서 온조기와 연결시켜 유체가 지속적으로 고온을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2특징에 따르면, 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 구조로서, 반응 원료를 수용하는 저장 용기와, 상기 반응 원료의 이동 통로인 배관, 및 상기 반응챔버 내부로 연장되는 배관의 끝단에 형성된 가스 배출부를 포함하여 구성되며, 상기 가스 배출부는 다수의 분출공이 형성되어 있고, 내부 중앙에 설치되는 히터 삽입 부재와, 상기 히터 삽입 부재 내부에 삽입되는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조가 제공된다.
이하에서는 도면을 참조하며 실시예를 통하여 본 발명의 특징적 구성 및 작 용을 더욱 구체적으로 설명한다.
먼저, 본 발명이 관련되는 플라즈마 중합장치에 대하여 도 3을 참조하여 개략적으로 설명한다. 플라즈마 중합장치는 진공으로 유지되며 내부에 플라즈마가 형성될 수 있는 반응챔버와, 상기 반응챔버 내로 반응성 가스, 기상 전구체, 또는 캐리어 가스 등을 도입하는 가스 공급 시스템으로 이루어진다.
반응챔버(12)에는 챔버 내에 진공을 형성하기 위한 진공펌프(14)가 연결되어 있고, 상하 혹은 좌우 양면으로 설치된 전극(16) 사이로 중합 처리 대상인 기재(예를 들면, 금속 쉬트)(18)가 공급된다. 전원공급장치(13)로부터 상기 전극(16)에 전원이 인가되면, 반응챔버(12) 내부로 공급된 가스들이 상기 전극(16) 사이에서 플라즈마 상태로 변화된다. 플라즈마 상태의 가스들은 기재(18) 표면에 중합되어 화합물 박막이 코팅된다.
반응챔버(12)에 공급되는 가스는 형성하려는 중합막의 특성에 따라 여러가지 종류가 사용될 수 있다. 예를 들어, 산소, 질소 등의 반응성 가스가 반응성 가스 봄베(20)로부터 밸브(22)를 거쳐 배관(60)을 통해 상기 반응챔버(12) 내로 도입된다. 또한, 또 다른 반응성 가스로서, 가압부(32)에 의해 가압되고 있는 저장용기(30)내에 수용되어 있는 액체 상태의 전구체가 질량유량계(mass flow controller)(38)를 통해 압력차에 의해 기화기(40)로 도입되고, 기화기(40)를 거쳐 기화된 기상 전구체가 반응챔버(12)내로 도입된다. 34 및 36은 각각 밸브를 나타낸다.
질량유량계(38)와 기화기(40) 사이의 배관(66)으로, 바람직하게는 헬륨(He) 이나 아르곤(Ar) 또는 질소(N2)가 될 수 있는 캐리어 가스가 도입되어 상기 기상 전구체가 반응챔버(12)내로 도입되는 것을 돕는다. 이들 캐리어 가스는 캐리어 가스 봄베(50)내에 수용되어 있고, 별도의 밸브(52)를 통해 배관(66) 내로 도입된다. 기화기(40)는 액상 티타늄 전구체를 가열하여 기화시킬 수 있도록 히터 코일(42)이 주위를 감싸져 설치되는 구조를 갖는다.
이와 같은 구조의 플라즈마 중합장치에서, 상기 반응챔버(12) 내부로 바람직하게는 공기나 산소(O2)가 될 수 있는 반응성 가스, 기상 전구체 (예를 들어, 티타늄 전구체 또는 실리콘 전구체) 및 캐리어 가스를 도입하여 플라즈마 중합 반응에 의해 기재(18)에 나노 플라즈마 코팅층을 형성할 수 있다.
기상 전구체의 반응챔버 내부로의 도입량은 상기 기화기(40)로 도입되는 상기 액상 전구체, 예를 들어 티타늄 전구체로서, 액상 티타늄테트라이소프로폭사이드의 양을 조절함으로써 제어된다.
이때, 상기 반응성 가스, 기상 티타늄 전구체 및 캐리어 가스는 도면에 보인 바와 같이 반응챔버(12) 외부에서 합지되어 하나의 배관(60)을 통해 상기 반응챔버(12) 내부로 도입될 수도 있고, 아니면 별도의 배관을 통해 상기 반응챔버(12) 내부로 도입된 후, 반응챔버(12) 내부에서 하나의 배관으로 합지될 수도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 합지 배관(60)이 반응챔버(12)의 일측 구멍을 통해 도입되는 형상으로 나타나 있으나, 상기 배관(60)을 통해 도입되는 혼합 가스를 코팅되는 기재(18)의 직상 및 직하로 토출시키기 위해 바람직하게는 상기 배관(60)의 출구, 즉 가스 배출부(70)가 상기 시료(18)의 상,하면에 근접되어 형성되는 것이 좋다.
제2반응성 가스로서, 저온에서 응축이 쉬운 기상 전구체를 사용하는 경우, 상기 배관(60)이 상온으로 유지되면 배관(60) 내벽에 기상 전구체가 응축하기 때문에 이를 방지하기 위하여 상기 기상 전구체 가스가 흐르는 배관의 외벽에 열선(64)을 감아서 일정 온도 이상으로 유지시켜 주는 것이 좋다. 이것은 액상 전구체가 흐르는 영역의 배관(66)에서도 마찬가지이다. 상기 배관(66)의 외벽에도 열선(68)을 감아서 일정 온도 이상으로 유지시켜 배관(66) 내벽에 액상 전구체가 응축하는 것을 막는다.
이중 튜브형 배관
도 3에서 가스 공급을 위한 유로인 배관(60, 66)은 외벽에 열선(64, 68)이 감겨져 있는데, 이와 같은 방식만으로는 열전달을 효율을 높일 수 없다.
본 발명에서는 도 4에 도시한 바와 같은 이중 튜뷰형 배관 구조를 제안한다. 즉, 배관을 외부 튜브인 제1튜브(60a)와, 제1튜브 내부에 설치되는 제2튜브(60b)로 구성한다.
제1튜브(60a) 내부에 제2튜브(60b)가 설치되므로, 제2튜브 내부를 흐르는 유체와 제1튜브 및 제2튜브 사이 공간을 흐르는 유체는 선접촉이 아닌 면접촉에 의하여 열전달이 가능하다. 따라서 열전달 면적이 넓어질 뿐만 아니라 열전달에 따른 온도 변화를 균일하게 유지할 수 있다.
상기 제2튜브(60b) 내부에는 고온의 유체, 예를 들어 물이나 기름 등 비열이 높은 유체가 흐르도록 하는 것이 바람직하다. 제1튜브(60a)와 제2튜브(60b) 사이의 공간에는 액상 또는 기상의 반응 원료가 흐르도록 하면, 배관 내부에서 자연스럽게 열전달이 이루어지게 된다. 특히 제2튜브를 제1튜브가 감싸고 있으므로 제2튜브 내부를 유동하는 유체로부터 반응 원료 이외의 외부로 열 손실이 일어나는 것을 방지할 수 있어 에너지 효율이 매우 향상된다.
이와 반대로, 경우에 따라서는, 상기 제2튜브(60b)에 액상 또는 기상의 반응 원료가 흐르도록 하고, 제1튜브(60a)와 제2튜브(60b) 사이의 공간에 고온의 유체가 흐르도록 하는 것도 무방하다.
한편, 제1튜브(60a)와 제2튜브(60b) 중에서 고온의 유체가 흐르는 튜브는 별도의 열저장고와 연결시켜 유체가 지속적으로 고온을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 중합장치의 일부분이 모식적으로 도시되어 있다. 기화기(40)와 반응챔버(12) 사이에는 배관이 이중 튜브형으로 설치되어 있으며, 외부 관인 제1튜브(60a) 내부에 고온의 유체가 흐르는 제2튜브(60b)가 설치되어 있는 것을 볼 수 있다.
상기 제2튜브(60b)는 배관 전체에 걸쳐 설치되어 있으며, 반응챔버(12) 근처 및 기화기(40) 근방의 일지점에서 배관으로부터 외부로 연장되어 별도의 온조기(61)와 연결되어 있다. 상기 온조기(61)는 예를 들어 보다 고온의 유체가 담겨 있어 제2튜브(60b) 내부를 흐르는 유체에 열을 전달함으로써 유체를 고온으로 유지할 수 있을 것이다.
이와 같이, 배관을 이중 튜브형으로 구성함으로써 배관 내부를 흐르는 반응 원료의 온도를 균일하고 효과적으로 높일 수 있고, 따라서 플라즈마 반응챔버로 공급되는 반응 원료의 반응성이 크게 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 도 3에 도시된 바와 같은 배관(60, 66) 외벽에 감겨진 열선(64, 68)을 사용하지 않을 수 있어 전체적인 배관 구조가 단순해질 수 있는 장점이 있다.
개선된 가스 배출부
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 반응챔버(12) 내부로 연장되는 배관의 끝단에 형성되는 가스 배출부(70)의 구조를 개선하여 최종적으로 반응챔버 내부로 도입되는 반응원료의 반응성을 극대화시킨다.
도 6a를 참조하면, 반응챔버 내부에 설치되는 가스 배출부가 모식적으로 도시되어 있다. 배관을 통해 가스 배출부(70)로 흐르는 기상의 반응 원료는 가스 배출부 하부에 형성된 다수의 분출공을 통하여 반응챔버 내부로 공급된다. 분출공의 개수를 늘려 반응챔버 내부로 반응 원료의 균일한 공급을 위하여 상기 가스 배출부는 길이가 긴 원통형 구조가 바람직하다.
상기 가스 배출부(70) 내부에는 최종적으로 반응챔버에 공급되는 반응 원료를 고온으로 유지시키기 위한 히터(73)가 삽입된다. 상기 히터를 가스 배출부 내부로 삽입하거나 외부로 제거하기 용이하도록, 도시된 바와 같이, 별도의 히터 삽입 부재(72)를 가스 배출부 내부에 설치하는 것이 바람직하다. 상기 히터 삽입 부재(72)는 히터로부터 가스 배출부 내부를 흐르는 반응 원료에 열전달이 우수하도록 열전달 특성이 우수한 물질로 형성하는 것이 좋다. 뿐만 아니라, 히터(73)와 히터 삽입 부재(72) 사이의 간격을 최대한 작게 함으로써 히터로부터의 열전달이 저하되지 않도록 하는 것이 좋다.
바람직하게는 상기 히터 삽입 부재(72) 및 상기 히터(73)를 봉상으로 형성하고, 상기 히터 삽입 부재의 내경은 상기 히터의 외경과의 차이가 1 mm 이하가 되도록 하는 것이 좋다. 그러나, 상기 히터 삽입 부재의 내경은 상기 히터의 외경과의 차이가 너무 작게 되면 마찰에 의하여 히터를 히터 삽입 부재로 삽입하거나 빼내는 과정이 어렵게 될 수도 있을 것이다.
이와 같은 가스 배출부(70)는, 도 6a에서 A-A 단면을 모식적으로 도시한 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이 히터로부터 반응 원료로의 열전달 면적이 크기 때문에 반응 원료가 응축되거나 온도가 낮아져 반응성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 히터는 사용 시간이 지남에 따라 발열 특성이 감소되어 교체할 필요가 생길 수 있다. 이러한 경우에 상기와 같은 가스 배출부 구조에서는 히터의 교체가 매우 용이하다.
이와 같은 가스 배출부는 상기 반응챔버 내부에 둘 이상 설치함으로써 배출되는 반응 원료의 공급을 더욱 균일하게 할 수도 있을 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 플라즈마 중합장치에서 반응챔버에 공급되는 반응 원료의 반응성을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 배관 내부를 흐르는 액상의 반응 원료를 원활하게 기체상으로 변화시킬 수 있으며, 최종적으로 반응 챔버 내부에 공급되는 반응 원료가 가스 배출구 내부에서 응축되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 반응 원료에 공급되는 열전달 효율이 크게 향상되어 에너지 절감을 가져오므로 플라즈마 중합에 의한 표면처리 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다. 또한, 전체적인 시스템이 간단하게 되고, 히터가 파손되더라도 교체가 쉬워 장치 운용상의 편리성이 증가한다.
본 발명에 따른 가스 공급 시스템은 플라즈마 중합장치 뿐만 아니라, 반응 원료를 챔버 내부로 도입하여 기재에 표면 처리를 수행하는 다른 장치들에도 효과적으로 적용될 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 구조로서,
    반응 원료를 수용하는 저장 용기와,
    상기 반응 원료의 이동 통로인 배관을 포함하여 구성되며,
    상기 배관은 제1튜브와, 상기 제1튜브 내부에 형성되는 제2튜브로 구성되는 이중 튜브형인 것을 특징으로 하는
    플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1튜브는 반응 원료가 흐르는 유로이며, 상기 제2튜브는 고온의 유체가 흐르는 유로인 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제2튜브는 상기 배관 외부에서 온조기와 연결되어 제2튜브를 흐르는 유체가 지속적으로 고온을 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1튜브는 고온의 유체가 흐르는 유로이며, 상기 제2튜브는 반응 원료가 흐르는 유로인 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1튜브는 상기 배관 외부에서 온조기와 연결되어 제1튜브를 흐르는 유체가 지속적으로 고온을 유지하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반응챔버 내부로 연장되는 배관의 끝단에 다수의 분출공이 형성된 가스 배출부를 추가로 구비하며,
    상기 가스 배출부는 히터 삽입 부재와, 상기 히터 삽입 부재 내부에 삽입되는 봉상의 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  7. 반응챔버에 가스를 공급하는 가스 공급 구조로서,
    반응 원료를 수용하는 저장 용기와,
    상기 반응 원료의 이동 통로인 배관, 및
    상기 반응챔버 내부로 연장되는 배관의 끝단에 형성된 가스 배출부를 포함하여 구성되며,
    상기 가스 배출부는 다수의 분출공이 형성되어 있고, 내부 중앙에 설치되는 히터 삽입 부재와, 상기 히터 삽입 부재 내부에 삽입되는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는
    플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  8. 제7항에 있어서, 상기 히터 삽입 부재 및 상기 히터는 봉상으로 형성되며, 상기 히터 삽입 부재의 내경은 상기 히터의 외경과의 차이가 1 mm 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
  9. 제7항에 있어서, 상기 가스 배출부는 상기 반응챔버 내부에 둘 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 중합장치의 가스 공급 구조.
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