KR102180968B1 - 플라즈마 세정 장치 - Google Patents

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KR102180968B1
KR102180968B1 KR1020200061976A KR20200061976A KR102180968B1 KR 102180968 B1 KR102180968 B1 KR 102180968B1 KR 1020200061976 A KR1020200061976 A KR 1020200061976A KR 20200061976 A KR20200061976 A KR 20200061976A KR 102180968 B1 KR102180968 B1 KR 102180968B1
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김성건
김보영
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메즈머 주식회사
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Abstract

플라즈마 세정 장치는 내부에 밀폐 공간을 갖는 챔버, 챔버의 밀폐 공간에 세정가스를 공급하는 세정가스 공급부, 챔버 내에서 세정 대상물을 지지하고 도전 물질로 구성되는 대상물 지지대, 그리고 일측은 전원부에 연결되고 타측은 대상물 지지대를 전기 접속하면서 고정하는 서셉터를 포함한다.

Description

플라즈마 세정 장치{Plasma Cleaning Equipment}
본 발명은 세정 장치에 관한 것으로, 상세하게는 플라즈마를 이용하여 스프링 등의 표면에 부착된 유기물을 제거하는 플라즈마 세정 장치에 관한 것이다.
자동차 등의 IT 제품에는 초정밀 극박판 스프링 등이 사용되고 있다. 극박판 스프링은 특수강 절단, 저열 처리, 코팅 등의 공정을 거쳐 제품화되는데, 이 과정에서 표면에 유기물 등이 부착되어 오염될 수 있다.
극박판 스프링 표면의 유기 오염물은 보통 습식 세정을 통해 제거하는데, 습식 세정은 제품 생산 라인의 일관성을 단절시킬 수 있고, 그 밖에 공장 내 오염, 세정 효과 열위 등의 문제를 유발할 수 있다.
이러한 습식 세정의 문제점을 해결하기 위해, 플라즈마를 이용한 건식 세정이 제시되었는데, 예를 들어 한국특허등록 제0842837호(다수의 플라즈마 토출영역을 구비하는 세정장치), 한국특허등록 제1341850호(유기증착 마스크의 플라즈마 건식세정을 위한 시스템) 등이 그것이다.
그런데, 한국특허등록 제0842837호 등의 종래 플라즈마 세정 장치는 플라즈마를 별도 장치를 통해 생성한 후 대상물로 공급하는 방식을 취함으로써 효율이 떨어지고, 특히 대상물의 일측면만을 세정 대상으로 하고 있어 스프링 등과 같이 외면 전체의 오염물을 제거해야 하는 입체적인 세정 대상물의 경우에는 전체 표면의 유기 오염물을 제거하는데 어려움이 있다.
[선행특허문헌]
한국특허등록 제0842837호(다수의 플라즈마 토출영역을 구비하는 세정장치)
한국특허등록 제1341850호(유기증착 마스크의 플라즈마 건식세정을 위한 시스템)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스프링과 같은 입체형 세정 대상물의 전체 표면에 충분한 세정 플라즈마 이온을 공급하여 입체형 세정 대상물의 전체 외면을 고르게 세정할 수 있는 플라즈마 세정 장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라즈마 세정 장치는 챔버, 세정가스 공급부, 대상물 지지대, 서셉터 등을 포함할 수 있다.
챔버는 내부에 밀폐 공간을 가질 수 있다.
세정가스 공급부는 챔버의 밀폐 공간에 세정가스를 공급할 수 있다.
대상물 지지대는 챔버 내에서 세정 대상물을 지지하고 도전 물질로 구성될 수 있다.
서셉터는 일측이 전원부에 연결되고 타측은 대상물 지지대를 전기적으로 접속하면서 고정할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 대상물 지지대는 날개부, 하방 결합부, 상방 결합부 등을 포함할 수 있다.
날개부는 세정 대상물의 폭보다 큰 폭을 갖는, 예를 들어 원형 플레이트 형상으로 구성할 수 있다.
하방 결합부는 날개부에서 하방으로 돌출되어 서셉터에 나사 결합, 끼움 결합 등의 방식으로 결합할 수 있다.
상방 결합부는 날개부에서 상방으로 돌출되어 세정 대상물을 외장 결합할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 서셉터는 대상물 지지대의 하방 결합부와 나사 결합, 끼움 결합 등의 방식으로 결합하는 지지대 결합부를 구비할 수 있다. 서셉터는 지지대 결합부의 내면을 제외한 표면을 절연물로 코팅할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 서셉터는 산화알루미늄으로 표면처리된 알루미늄을 재질로 할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 상방 결합부는 외면이 세정 대상물의 내면과 이격될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 상방 결합부는 수평 단면이 타원 형상일 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 상방 결합부는 수평 단면이 다수의 굴곡부를 갖는 형상일 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 상방 결합부는 상방으로 가면서 폭이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상일 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 상방 결합부는 상방으로 가면서 폭이 넓어지다 다시 좁아지는 형상일 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 상방 결합부는 세정 대상물의 길이보다 크지 않은 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 세정 대상물은 표면에 탄소 및/또는 수소를 포함하는 유기 오염물을 포함하고, 세정가스는 반응가스를 포함하며, 반응가스는 산소(O) 원소를 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 세정가스는 공정가스를 포함하고, 공정가스는 아르곤 등의 불활성 가스를 포함할 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세정 장치에서, 세정 대상물은 극박판 스프링일 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 플라즈마 세정 장치에 의하면, 예를 들어 스프링과 같이 입체형 세정 대상물의 표면에 형성된 오염물을 플라즈마 세정을 통해 제거하는 것이 용이할 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 세정 장치에 의하면, 상방 결합부의 형상을 최적화하여 상방 결합부와 세정 대상물의 사이 공간을 충분히 확보함으로써, 플라즈마 이온을 세정 대상물의 내측 표면에도 충분히 공급할 수 있고, 그 결과 입체형 세정 대상물의 표면 세정 효과를 크게 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치에서 서셉터, 대상물 지지대, 세정 대상물의 결합 관계를 확대 도시하는 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치에서 대상물 지지대의 형상을 예시하고 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치의 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치는 챔버(100), 세정가스 공급부(200), 대상물 지지대(300), 서셉터(400), 전원부(500) 등을 포함할 수 있다.
챔버(100)는 내부에 밀폐 공간을 형성할 수 있다. 챔버(100)는 세정가스가 유입되는 가스 유입구(미도시)와 세정 반응으로 발생하는 기체를 외부로 방출하는 가스 배기구(미도시) 등을 포함할 수 있다. 가스 배기구에는 진공 펌프(미도시)가 연결될 수 있다. 진공 펌프는 챔버(100) 내부를 소정의 공정 압력으로 유지하고, 챔버(100) 내에서 세정 반응으로 발생하는 부산물 가스를 챔버(100) 외부로 배출할 수 있다.
세정가스 공급부(200)는 챔버(100) 내부로 플라즈마 발진용 공정가스와 세정용 반응가스를 공급하는 것으로, 공정가스 탱크(211), 공정가스 밸브(213), 반응가스 탱크(221), 반응가스 밸브(223) 등을 포함할 수 있다.
공정가스 탱크(211)는 공정가스를 저장할 수 있다. 공정가스로는 불활성(비반응) 가스, 예를 들어 아르곤(Ar), 네온(Ne), 헬륨(He), 크세논(Xe) 등을 사용할 수 있다.
공정가스 밸브(213)는 공정가스 탱크(211)로부터 전달되는 공정가스를 챔버(100) 내부로 선택적으로 공급할 수 있다.
반응가스 탱크(221)는 반응가스를 저장할 수 있다. 반응가스로는 탄소 및/또는 수소를 포함하는 유기물과 반응하는 산소(O) 원소를 포함하는 가스, 예를 들어 산소(O2), 오존(O3), 물(H2O) 등을 사용할 수 있다.
반응가스 밸브(223)는 반응가스 탱크(221)로부터 전달되는 반응가스를 챔버(100) 내부로 선택적으로 공급할 수 있다.
세정가스 공급부(200)는 반응가스만 공급할 수도 있는데, 이 경우에는 반응가스 탱크(221), 반응가스 밸브(223)만을 포함할 수 있다.
대상물 지지대(300)는 챔버(100) 내에서 세정 대상물(T)을 지지하는 것으로, 일측은 서셉터(400)에 결합하여 고정되고, 타측은 세정 대상물(T)을 외장 결합하여 지지할 수 있다.
대상물 지지대(300)는 도전 물질로 구성할 수 있는데, 도전 물질로는 예를 들어 스테인레스 스틱 계열의 금속, 니켈(Ni), 텅스텐(W), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 팔라듐(Pd), 네오듐(Nd), 은-팔라듐-구리합금(APC) 등이거나 이들의 합금 형태를 사용할 수 있다.
세정 대상물(T)은 극박판 스프링 등일 수 있다. 세정 대상물(T)의 표면에는 탄소 및/또는 수소를 포함하는 유기 오염물이 부착될 수 있다. 유기 오염물은 극박판 스프링을 제조하는 과정에서 표면에 형성되는 것으로, 예를 들어 페닐, 벤젠, 또는 나프탈렌과 같은 방향족 환을 포함하는 탄화수소 화합물 또는 그 유도체 등일 수 있다.
서셉터(400)는 대상물 지지대(300)를 결합 고정하는 것으로, 일측은 전원부(500)에 연결되고, 타측은 대상물 지지대(300)를 전기적으로 접속하면서 고정할 수 있다.
서셉터(400)는 도전 물질로 구성하고 대상물 지지대(300)와 전기적으로 접속할 수 있다. 서셉터(400)는 대상물 지지대(300)와 결합하는 지지대 결합부(도 2의 410) 내면을 제외한 표면을 절연성 산화물로 표면처리할 수 있는데, 예를 들어 서셉터(400)를 알루미늄으로 구성하는 경우에 그 표면은 절연성 산화알루미늄층으로 코팅할 수 있다.
서셉터(400)는 플라즈마 발진을 위한 캐소드 전극으로 기능할 수 있다. 서셉터(400)는 전원부(500)로부터 전원을 직접 인가받거나, 서셉터(400)와 등전위를 형성하는 별도의 도전 금속판으로 구성되는 금속 전극(미도시)을 통해서 전원을 인가받을 수 있다. 전자의 경우는 서셉터(400)가 직접 캐소드 전극으로 기능하고, 후자의 경우에는 금속 전극이 직접 캐소드 전극으로 기능하고 서셉터(400)는 간접 캐소드 전극으로 기능할 수 있다.
전원부(500)는 서셉터(400)에 직접 전원을 인가하거나 서셉터와 등전위를 형성하는 금속 전극에 전원을 공급하는 것으로, 서셉터(400)와 함께 또는 서셉터(400) 및 금속 전극과 함께 플라즈마 발진부로서 기능할 수 있다. 전원부(500)는 음극 직류 고전압(-HV), 고주파 교류 전원, 또는 펄스 직류 고전압을 인가할 수 있다. 전원부(500)는 고주파 교류 전원을 공급할 경우 13.56 ㎒, 600 와트(watt)의 RF 전원을 공급할 수 있다.
제어부(미도시)는 세정가스 공급부(200)를 통해 챔버(100) 내부로 공급되는 세정가스, 예를 들어 공정가스, 반응가스의 양을 조절할 수 있다. 이를 위해, 챔버(100) 내부에는 공정가스, 반응가스 등의 양을 측정하는 가스 감지부(미도시)를 구비하고, 이로부터 챔버(100) 내부의 공정가스와 반응가스의 양을 수신할 수 있다.
제어부는 가스 배기구를 통해 배출되는 배기가스의 양을 감지하여, 세정 대상물의 세정 상태를 확인하고, 그에 따라 챔버(100) 내부로 공급되는 공정가스, 반응가스 등의 양을 조절하거나 전원부(500)의 전원 공급량을 조절할 수 있다. 이를 위해, 가스 배기구에 배기가스 감지부(미도시)를 구비하고, 이로부터 배기가스의 종류와 양을 수신할 수 있다.
제어부는 진공펌프 등을 통해 챔버(100) 내부의 공정 압력을 소정의 공정 압력으로 유지할 수 있다. 이를 위해, 챔버(100) 내에는 압력 센서(미도시)를 구비하고, 이로부터 챔버(100)의 내부 압력값을 수신할 수 있다.
이상의 구조를 갖는 플라즈마 세정 장치의 작동을 보면, 먼저 진공 펌프를 이용하여 챔버(100) 내부를 기본 진공(base pressure)으로 만든 후, 세정가스 공급부(200)를 통해 챔버(100) 내부로 공정가스를 먼저 공급하거나 공정가스와 반응가스를 함께 공급하여 설정한 공정 압력을 맞출 수 있다. 바람직한 공정압력은 10-2 ~ 10-3 Torr 영역일 수 있다.
챔버(100)를 접지하고, 전원(500)을 통해 서셉터(400) 또는 서셉터(400)와 등전위를 이루고 금속 전극에 예를 들어 고주파 교류 전원을 공급하면, 서셉터(400) 표면에는 셀프 바이어스(self bias) 효과에 의해 음전위가 형성되면서 서셉터(400) 표면 주위에 플라즈마가 형성될 수 있다. 플라즈마 영역에는 공정가스로부터 플라즈마 이온(Ar+ 등의 양이온, 전자 등)이 생성되고, 플라즈마 내의 양이온은 전기장에 의해 대상물 지지대(300)로 가속된다. 이 때, 플라즈마 양이온은 대상물 지지대(300)에 결합된 세정 대상물(T)과 충돌하면서, 세정 대상물(T)의 표면으로부터 탄소 및/또는 수소를 포함하는 유기물의 결합 구조를 끊어 이온 등의 형태로 이탈시킬 수 있다.
한편, 챔버(100) 내부로 공급된 반응가스는 플라즈마 이온에 의해 이온화되어 산소 이온을 생성할 수 있다. 산소 이온은 세정 대상물(T)의 표면으로부터 이온 형태로 이탈하는 탄소(C), 수소(H) 등과 결합하여 CO2, CO, H2 등의 가스를 생성할 수 있다. 생성된 가스는 진공 펌프를 통해 챔버(100) 외부로 배출할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치에서 서셉터, 대상물 지지대, 세정 대상물의 결합 관계를 확대 도시하는 확대 단면도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 대상물 지지대(300)는 날개부(310), 하방 결합부(320), 상방 결합부(330) 등으로 구성할 수 있다.
날개부(310)는 세정 대상물(T)의 하단을 지지하는 것으로, 세정 대상물(T)의 폭(또는 직경)보다 큰 폭(또는 직경)을 갖는 원형의 플레이트로 구성할 수 있다.
하방 결합부(320)는 날개부(310)에서 하방으로 돌출되어 서셉터(400)에 결합 고정되는 것으로, 서셉터(400)와 전기적으로 접속할 수 있다. 하방 결합부(320)는 나사 결합이 가능한 형태가 견고한 결합을 위해 바람직하나, 단순 끼움 결합이 가능한 돌기 형태 등도 가능하다.
상방 결합부(330)는 세정 대상물(T)을 지지하는 것으로, 날개부(310)에서 상방으로 돌출되어 세정 대상물(T)을 외장 결합하는 형태로 구성할 수 있다. 상방 결합부(330)와 세정 대상물(T) 사이에는 이격 공간을 형성하여, 세정 대상물(T)의 내측에서도 표면 세정이 충분히 이루어지게 하는 것이 바람직하다. 또한, 상방 결합부(330)는 세정 대상물(T)의 길이보다 크지 않은 길이로 구성하여 세정 대상물(T)을 플라즈마 이온 등에 노출되기 쉽게 하는 것이 바람직할 수 있다.
서셉터(400)는 대상물 지지대(300)의 하방 결합부(320)와 지지대 결합부(410)를 구비할 수 있다. 지지대 결합부(410)는 나사 결합이 가능한 너트 형태가 견고한 결합을 위해 바람직하나, 단순 끼움 결합이 가능한 돌기 형태 등도 가능하다.
서셉터(400)는 홈 형태로 형성되는 지지대 결합부(410)의 내면에는 절연물, 예를 들어 절연성 산화알루미늄층을 형성하지 않고, 나머지 표면에만 절연성 산화알루미늄층을 코팅할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 세정 장치에서 대상물 지지대의 형상을 예시하고 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 대상물 지지대(300)의 상방 결합부(330)는 다양한 형상으로 구성할 수 있다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 상방 결합부(330)는 상하 방향으로는 동일한 폭으로 구성하되, 수평 단면이 원형, 타원형, 다수의 굴곡부를 갖는 형태 등으로 구성할 수 있다. 수평 단면을 원형보다 타원형으로 형성하면, 상방 결합부(330)와 세정 대상물(T)의 사이 공간을 넓힐 수 있어 세정 대상물(T)의 내측 부분에서의 세정 효과를 개선할 수 있다. 나아가, 수평 단면을 타원형보다 다수의 굴곡부를 갖는 형태로 형성하면, 상방 결합부(330)와 세정 대상물(T)의 사이 공간을 더 넓힐 수 있어 세정 효과를 더 개선할 수 있다
도 3b에 도시한 바와 같이, 상방 결합부(330)는 상방으로 가면서 폭이 좁아지다가 다시 넓어지는 형태로 구성할 수 있다. 여기서도, 수평 단면은 원형, 타원형, 다수의 돌기를 갖는 형태 등으로 구성할 수 있다. 위에서 설명한 바와 같이, 수평 단면은 원형보다 타원형이, 타원형보다 굴곡부 형태가 상방 결합부(330)와 세정 대상물(T)의 사이 공간을 더 넓힐 수 있어 세정 효과를 더 높일 수 있다.
도 3c에 도시한 바와 같이, 상방 결합부(330)는 상방으로 가면서 폭이 넓어지다 다시 좁아지는 형태로 구성할 수도 있다. 여기서도, 수평 단면은 원형, 타원형, 다수의 돌기를 갖는 형태 등으로 형성할 수 있는데, 위에서 설명한 바와 같이, 수평 단면은 원형보다 타원형이, 타원형보다 굴곡부 형태가 상방 결합부(330)와 세정 대상물(T)의 사이 공간을 더 넓힐 수 있어 세정 효과를 더 높일 수 있다.
이상 본 발명을 여러 실시예로서 설명하였는데, 이는 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 통상의 기술자라면, 위 실시예를 여러 형태로 변형하거나 수정할 수 있을 것이다. 그러나, 본 출원의 권리범위는 아래의 특허청구범위에 의해 정해지므로, 그러한 변형이나 수정이 아래의 특허청구범위에 포함되는 것으로 해석될 수 있다.
100 : 챔버 200 : 세정가스 공급부
211 : 공정가스 탱크 213 : 공정가스 밸브
221 : 반응가스 탱크 223 : 반응가스 밸브
300 : 대상물 지지대 310 : 날개부
320 : 하방 결합부 330 : 상방 결합부
400 : 서셉터 410 : 지지대 결합부
500 : 전원부 T : 세정 대상물

Claims (13)

  1. 내부에 밀폐 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버의 밀폐 공간에 세정가스를 공급하는 세정가스 공급부;
    상기 챔버 내에서 세정 대상물을 지지하고 도전 물질로 구성되는 대상물 지지대; 및
    일측은 전원부에 연결되고 타측은 상기 대상물 지지대를 전기 접속하면서 고정하는 서셉터를 포함하고,
    상기 대상물 지지대는
    상기 세정 대상물의 폭보다 큰 폭을 갖는 날개부;
    상기 날개부에서 하방으로 돌출되어 상기 서셉터에 결합하는 하방 결합부; 및
    상기 날개부에서 상방으로 돌출되어 상기 세정 대상물을 외장 결합하는 상방 결합부를 포함하고,
    상기 서셉터는 상기 대상물 지지대의 하방 결합부와 결합하는 지지대 결합부를 구비하고, 상기 지지대 결합부의 내면을 제외한 표면은 절연물로 코팅되는, 플라즈마 세정 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하방 결합부와 상기 지지대 결합부는 나사 결합하는, 플라즈마 세정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상방 결합부는
    외면이 상기 세정 대상물의 내면과 이격되는, 플라즈마 세정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 상방 결합부는
    수평 단면이 타원 형상인, 플라즈마 세정 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 상방 결합부는
    수평 단면이 다수의 굴곡부를 갖는 형상인, 플라즈마 세정 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 상방 결합부는
    상방으로 가면서 폭이 좁아지다가 다시 넓어지는 형상인, 플라즈마 세정 장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 상방 결합부는
    상방으로 가면서 폭이 넓어지다 다시 좁아지는 형상인, 플라즈마 세정 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 상방 결합부는
    상기 세정 대상물의 길이보다 크지 않은 길이를 갖는, 플라즈마 세정 장치.
  11. 제1항, 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세정 대상물은 표면에 탄소 및/또는 수소를 포함하는 유기 오염물을 포함하고,
    상기 세정가스는 반응가스를 포함하고, 상기 반응가스는 산소 원소(O)를 포함하는, 플라즈마 세정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 세정가스는 공정가스를 포함하고, 상기 공정가스는 불활성 가스를 포함하는, 플라즈마 세정 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 세정 대상물은
    극박판 스프링인, 플라즈마 세정 장치.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11286023A (ja) * 1998-04-03 1999-10-19 Ulvac Corp プラズマクリーニング方法及びプラズマクリーニング装置
JPH11303915A (ja) * 1998-03-25 1999-11-02 Honda Of America Mfg Inc スプリング案内保持装置
KR100758033B1 (ko) * 2006-05-12 2007-09-11 울산대학교 산학협력단 고경도 내마모성 박막증착장치 및 박막증착방법

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