KR101188677B1 - 미세구조 플라즈마 처리용 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막 기판, 특히 플라스틱 박막의 미세구조 플라즈마 처리를 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 회전 가능하게 장착된 원통형 전극으로, 그 표면은 금속, 특히 크롬 혹은 크롬으로 구성된 금속을 포함하고 미세구조 리세스를 구비하는 그러한 원통형 전극; 평탄한 고전압 전극으로, 그 표면은 상기 원통형 전극의 표면에 상보적인 형상을 가지면서 상기 원통형 전극의 일부 상에서 광범위하게 맞춤 형태로 자리할 수 있는 형상을 갖는 그러한 고전압 전극; 처리 대상의 상기 박막 기판을 상기 원통형 전극의 표면과 상기 고전압 전극의 표면 사이로 이송시키기 위한 이송 장치; 및 상기 원통형 전극의 표면으로 그리고 상기 원통형 전극과 상기 고전압 전극 사이의 중간 공간으로 프로세스 가스를 공급하기 위한 장치를 포함한다.

Description

미세구조 플라즈마 처리용 장치 및 그 방법{DEVICE AND METHOD FOR MICROSTRUCTURED PLASMA TREATMENT}

본 발명은 박막 기판(foil substrate)의 미세구조 플라즈마 처리를 위한 장치와 그 방법에 관한 것이며, 또한 이러한 장치와 방법의 용도에 관한 것이다. 이들은 특히 플라스틱 박막의 처리, 예컨대, 플라스틱 박막을 코팅하기 위해 혹은 플라스틱 박막 표면의 적어도 일면의 활성화 혹은 기능화(functionalisation)를 위해 이용된다.

박막 기판 표면의 미세구조 기능화 혹은 코팅을 위해, 종래에는 그 박막 기판을 2개의 평탄한 전극 사이에 놓고 스트로크 기구(stroke mechanism)를 매개로 박막 위에 다이처럼 시스템을 닫는다. 이에 따라 전극들 중 하나는 고전압을 인가하는 동안 플라즈마가 선택적으로 형성되는 미세구조를 갖게 된다. 이러한 처리 이후, 상기 시스템을 다시 열고 박막을 약간 더 유도한 다음 박막의 추가 부분을 동일한 방법으로 처리한다. 따라서 이 방법은 배치 프로세스(batch process; 배치 처리)로 실시된다.

박막의 표면 연속 처리에 있어서 하나의 전극이 위치하게 되는 반대편에 거친 구조를 갖는 롤러를 사용할 수 있다는 것으로 알려져 있다. 이때, 상이한 구조적인 깊이를 지닌 롤러들이 제공된다. 그러면 그 구조는 유전체로 충전된다. 롤러로부터 멀어지게 배향된 측면 상에는 선택적인 플라즈마가 점화될 수 있다. 따라서 롤러로부터 멀어지게 배향된 그 박막 측면의 선택적 처리가 가능해질 수 있다. 그러나 롤러 구조는 수 밀리미터 이내의 높은 종횡비(aspect ratio)를 필요로 하기 때문에, 엄밀하게는 질소와 불활성 가스 등의 프로세스 가스의 경우, 그 구조의 명확한 한계결정(sharp delimitation)을 더 이상 얻을 수 없게 된다. 그 이유는 대개 불활성 가스 내에 공간 글로 방전(또한 대기 플라즈마 글로 방전으로 알려져 있음)이 생긴다는 사실 때문이다. 질소를 프로세스 가스로 사용할 경우, 플라즈마에 직접 노출되지 않는 그러한 표면 영역을 또한 기능화 혹은 처리할 수 있는 매우 수명이 긴 활성종이 생성된다. 이러한 방법들은 박막의 원하지 않는 뒷면 처리를 초래할 수 있다는 또 다른 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 연속 처리로 행할 수 있고 그리고 초소형 구조의 제공 및/또는 처리를 가능케 하는 박막 기판의 미세구조 플라즈마 처리를 위한 장치와 그 방법을 제공하는 데 있다. 또한 본 발명의 목적은 이러한 장치와 방법의 용도를 제공하는 데 있다.

이러한 목적은 청구항 1에 따른 장치, 청구항 5에 따른 방법, 및 청구항 10에 따른 용도에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 방법, 본 발명에 따른 장치, 및 본 발명에 따른 용도의 바람직한 개량은 해당하는 종속항에 기재되어 있다.

본 발명에 따르면, 처리 대상의 박막은 전극과 같은 형상을 지닌 롤러 혹은 실린더 위로 그 처리 대상의 박막 측면을 위치시킨 상태로 안내된다. 이는 바람직하게 금속 표면, 특히 크롬을 함유하는 금속 표면을 갖게 되는 것을 의미한다. 이러한 롤러 혹은 이러한 실린더는 리소그래피 혹은 인그레이빙 기술(engraving technology), 예컨대 딥(deep) 인그레이빙, 레이저 노출 혹은 레이저 박리(laser ablation)에 의해 미세구조로 될 수 있다. 상기 구조는 1㎛ 내지 수 십 밀리미터, 양호하게는 20㎛ 내지 5mm 범위의 폭을 갖는 것이 바람직하다. 이에 따라 구조의 깊이는 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터, 양호하게는 1㎛ 내지 1mm, 양호하게는 20㎛ 내지 200㎛, 그리고 가변적으로 조절될 수 있다. 롤러의 폭은 0.1 내지 4m 범위에 속하는 것이 바람직하며, 그 직경은 10 내지 60cm인 것이 바람직하며, 이는 상기 방법을 비율에 따라 늘리기 위한 가능성을 보여준다.

전술한 바와 같이, 처리 대상의 박막은 실린더의 표면 반대편에 있는 처리 대상의 박막 표면이 상기 실린더의 부분적인 영역 위에 놓이도록 한 상태에서 펴진다. 실린더 표면 상으로 박막을 도포하기 직전에, 프로세스 가스 특히, 질소, 헬륨, 및 형성 가스 등이 가스 간극을 통해 유입되고, 미세구조 리세스(microstructured recess)에 박막을 댐으로써 밀폐된다.

이러한 처리 대상의 박막 상에는 고전압 전극이 인가되고, 그 박막의 형상은 박막이 자리하게 될 실린더의 대응 영역의 형상과 일치하게 된다. 그 결과, 고전압 전극은 실린더에 낀 상태로 광범위하게 박막 뒷면 상으로 밀접하게 압축된다. 그 결과, 프로세스 가스를 포함하는 공동으로서 단지 원통형 전극 내의 미세구조로 잔류하게 된다. 고전압이 상기 고전압 전극에 인가되면, 플라즈마의 선택적인 점화가 실린더 상의 미세구조 리세스에 영향을 미친다. 따라서 박막은 실린더가 미세구조 혹은 리세스를 갖게 되는 그러한 영역에 선택적으로 처리(구조화)된다.

이러한 방법으로 고전압을 인가하여 구조화시킴으로써 박막 처리가 가능하게 된다. 박막은 롤러 위로 안내되기 때문에 롤러쪽으로 배향된 박막 표면의 연속 처리가 가능하게 된다. 따라서 박막을 하나의 롤러에서 다른 롤러로 연속하여 처리하는 것이 또한 가능하게 된다. 이러한 방법으로, 박막 표면의 처리가 가능하게 되어 예컨대, 개개의 영역에서 선택적으로 박막의 습윤(wetting) 혹은 금속화(metallisation)를 향상시킨다. 따라서 예컨대, 가요성 스트립 도체, RFID 스위칭 회로, 바이오센서 및/또는 스마트 태그를 자원 절약과 나아가 경제적인 방법으로 박막 상에 도포할 수 있다.

양호하게는, 고전압 전극을 향해 배향된 박막의 뒷면 상의 박막 기판에 손상을 입히는 것을 방지하기 위해, 고전압 전극과 박막 기판 사이에서 박막 기판에 평행하게 추가의 박막이 안내된다. 상기 추가의 박막은 이에 따라 회전 가능하게 안내될 수 있다.

본 발명에 따른 몇몇 실시 예들이 첨부 도면을 참조하여 아래에 설명될 것이다.

본 발명에 따른 박막 기판의 처리 장치와 그 방법은 연속 처리로 행할 수 있고 그리고 초소형 구조의 제공 및/또는 처리를 가능케 해준다.

도 1은 박막 기판의 미세구조 연속 처리를 위한 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 딥 인그레이빙으로 구조화 롤러를 도시한 도면이다.
도 3은 수증기로 습윤 처리 이후에 구조화 처리된 PET 박막을 도시한 도면이다.
도 4는 습식-화학 처리로 구조화된 이후 200㎛ 범위의 구조 폭으로 습윤 화학적으로 금속화된 폴리이미드 박막을 도시한 도면이다.

도 1에는 박막의 미세구조 연속 처리를 위한 장치가 도시되어 있다. 이 장치는 지면에 전기적으로 연결되어 있는 원통형 전극(1, 이하 실린더라고도 함)을 구비한다. 이 전극의 표면은 크롬으로 구성된다. 실린더(1)의 표면은 미세구조 리세스(7)들을 구비하며, 이들은 도 1에 개략적으로 도시되어 있고 그들 사이즈에 대해 경사져(superelevated) 있다. 실린더(1)로 배향된 처리 대상의 표면을 갖는 박막(4)은 실린더(1)의 표면상으로 안내된다. 이러한 박막은 예컨대, 롤러(도시 생략)를 매개로 실린더(1)로 안내되며, 다시 실린더로부터 멀어지도록 안내된다. 따라서 박막 표면의 연속 처리가 이루어진다. 박막(4)을 실린더(1)의 표면에 대기 직전에, 프로세스 가스(8)를 공급하고, 후속하여 실린더 표면과 박막(4) 사이에서 미세구조 리세스(7) 내에 밀폐시킨다.

상기 실린더(1) 위에는 장치(6)를 매개로 실린더(1)의 표면상에 견고하게 가압될 수 있는 고전압 전극(2)이 배치되어 있다. 실린더(1)의 표면 반대편에 자리한 상기 고전압 전극(2)의 표면은 실린더(1)의 표면에 상보적인 형상을 가지며, 이에 따라 실린더(1)의 표면상에서 혹은 박막(4) 상에서 광범위하게 맞춤 형태로 가압될 수 있다.

추가적으로, 추가의 박막(5)은 롤러(3a,3b,3c,3d)를 매개로 박막(4)과 고전압 전극(2) 사이에서 회전 가능하게 안내되며, 상기 추가의 박막(5)은 롤러(1)와 고전압 전극(2) 사이의 간극을 통과할 때 고전압 전극(2)에 의해 박막(4)이 손상되는 것을 본질적으로 보호한다. 상기 추가의 박막(5)이 상기 박막(4)의 경우와 동일한 속도로 상기 간극을 통해 안내될 경우, 상기 추가의 박막(5)은 고전압 전극(2)을 향해 배향된 상기 박막(4)의 뒤면 상에서의 변위와 스크래치로부터 상기 박막(4)을 보호하게 된다.

도 2에는 아래의 예에 사용되는 바와 같은 딥 인그레이빙으로 구조화된 롤러가 도시되어 있다.

본 예에 따르면, 박막은 더 양호한 습윤을 위해 예비처리된다.

습윤을 위한 구조화 예비처리를 일례로서 PET 박막 상에 실시하였다. 140W의 전력과 20kHz의 주파수에서 총 가스 흐름 70slm N₂로 시험을 행하였다. 고온의 수증기를 이용한 후속의 습윤 시험에서, 도 3에서 볼 수 있듯이 상이하게 비처리된 영역(소수성 형성)과 처리된 영역(친수성 영역)이 명확하게 나타났다.

또 다른 예에 따르면, 습식 화학 금속화(wet-chemical metallisation)를 위해 본 발명에 따라 예비처리를 실시하였다.

구조화 예비처리에 있어서, 85%의 He, 13.5%의 N₂ 및 1.5%의 H₂를 포함하는 가스 혼합물로 폴리이미드 박막을 예로서 플라즈마에서 기능화시켰다. 총 가스 흐름을 50 내지 70slm의 범위로 하였고, 전력을 22kHz의 주파수에서 84W로 하였다. 박막의 벨트 속도를 0.6m/min으로 하였다. 그러나 70slm 총 가스 흐름에서 97.9%의 N₂ 및 2.1%의 H₂(49 N₂와 21 N₂/H₂)를 포함하는 가스 혼합물로 유사한 점화 변수들을 이용한 상기 처리도 또한 성공적인 구조 기능화 결과를 가져왔다. 여기서 벨트 속도를 또한 0.6m/min으로 하였다. 그 다음 후속하여 박막을 샤르보니에(Charbonnier)에서 예로서 설명한 바와 같이 아래의 순서에 따라 습윤-화학적으로 금속화시켰다.

1) PdCl2 로 핵형성

2) 차아인산 나트륨(sodium hypophosphite)으로 환원

3) 화학적 구리 도금

도 4에는 200㎛ 범위의 구조 폭으로 본 발명에 따라 처리한 금속화된 폴리이미드 박막이 도시되어 있다.

1: 원통형 전극(실린더) 2: 고전압 전극
4,5: 박막 7: 미세구조 리세스
8: 프로세스 가스

Claims (11)

1. 박막 기판의 미세구조 플라즈마 처리를 위한 장치에 있어서,
   회전 가능하게 장착되며, 그 표면은 금속을 포함하거나 금속으로 이루어진 미세구조 리세스를 구비하는 원통형 전극;
   그 표면은 상기 원통형 전극의 표면에 상보적인 형상을 가지면서 상기 원통형 전극의 일부 상에서 광범위하게 맞춤 형태로 자리할 수 있는 형상을 갖는 평탄한 고전압 전극;
   처리 대상의 상기 박막 기판을 상기 원통형 전극의 표면과 상기 고전압 전극의 표면 사이로 이송시키기 위한 이송 장치; 및
   상기 원통형 전극의 표면으로 그리고 상기 원통형 전극과 상기 고전압 전극 사이의 중간 공간으로 프로세스 가스를 공급하기 위한 장치;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   처리 대상의 박막의 표면 및/또는 상기 원통형 전극과 상기 고전압 전극 사이로 추가의 박막을 회전 이송시키기 위한 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 처리 대상의 박막 기판을 이송시키기 위한 장치와, 상기 추가의 박막을 이송시키기 위한 장치는 상기 처리 대상의 박막 기판과 상기 추가의 박막이 상기 원통형 전극의 표면 위로 동일한 속도로 이동할 수 있도록 해주는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 장치.
4. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 원통형 전극은 다음의 특성, 즉 10cm 내지 5m의 폭, 10cm 내지 60cm의 직경, 1㎛ 내지 1mm의 깊이의 미세구조 리세스, 리세스 1개당 1㎛ 내지 10mm의 폭 구조를 갖는 미세구조 리세스 중 적어도 하나 이상의 특성 혹은 전 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 장치.
5. 박막 기판의 미세구조 플라즈마 처리를 위한 방법에 있어서,
   상기 박막 기판을 그 표면이 금속을 포함하거나 금속으로 이루어지며 회전 가능하게 장착된 원통형 전극의 표면과, 평탄한 고전압 전극의 표면 사이로 안내하는 단계;
   상기 원통형 전극의 표면은 미세구조 리세스를 가지고, 상기 고전압 전극의 표면은 상기 원통형 전극의 표면에 상보적인 형상을 가지면서 상기 원통형 전극의 일부 상에서 광범위하게 맞춤 형태로 자리할 수 있는 형상을 가지며,
   상기 원통형 전극의 표면상으로 상기 박막 기판을 대고 상기 박막 기판에 의해 미세구조 리세스가 밀폐되기 직전에 프로세스 가스를 상기 원통형 전극의 표면과 상기 박막 기판의 표면 사이로 유입시키는 단계; 및
   상기 원통형 전극과 상기 고전압 전극 사이에 고전압을 인가하고, 저온 비정상 플라즈마 가스 방전을 상기 밀폐된 프로세스 가스 내에 생성시키는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 박막 기판과 고전압 전극 사이로 추가의 박막을 관통, 양호하게는 회전식으로 안내하는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 처리 대상의 박막 기판과 상기 추가의 박막은 상기 원통형 전극의 표면과 고전압 전극의 표면 사이로 동일한 속도로 관통 안내되는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 방법.
8. 제5항 내지 제7항에 있어서,
   상기 원통형 전극은 다음의 특성, 즉 10cm 내지 5m의 폭, 10cm 내지 60cm의 직경, 1㎛ 내지 1mm의 깊이의 미세구조 리세스, 리세스 1개당 1㎛ 내지 10mm, 양호하게는 20㎛ 내지 5mm의 폭 구조를 갖는 미세구조 리세스 중 적어도 하나 이상의 특성 혹은 전 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 방법.
9. 제5항에 있어서,
   상기 미세구조 리세스 내의 상기 프로세스 가스는 0.1 내지 10 바아, 양호하게는 0.5 내지 1.5 바아의 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 박막 기판 처리 방법.
   
   
   
   
   
   
   
   
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