KR102544071B1 - 복합 플라즈마 표면처리 장치 - Google Patents

복합 플라즈마 표면처리 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치는, 레이저를 이용하여 유도되는 플라즈마를 시편의 표면 상부에 형성하는 과정; 및 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 시편의 표면 상부에 형성하기 이전 또는 동시 또는 이후에, 전기를 이용하여 발생되는 플라즈마를 상기 시편의 표면 상부에 분사하는 과정;을 진행함으로써, 플라즈마 제트 유닛에서 분사되는 제트 플라즈마가 레이저 플라즈마 유닛에서 발생하는 유도 플라즈마의 단점을 보강할 수 있고 이를 통해 레이저 플라즈마 유닛을 대면적 가공 및 고속 가공에 적합한 플라즈마 표면처리 장치로 이용할 수 있다.

Description

복합 플라즈마 표면처리 장치{COMPLEX PLASMA SURFACE TRETMENT APPARATUS}
본 발명은 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 표면처리 장치에 관한 것으로, 레이저 유도 플라즈마(Laser Induced Plasma)와 플라즈마 제트(Plasma Jet)의 장점을 결합하여 표면 처리 효과를 높인 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치에 관한 것이다.
최근 들어, 광 디지털 통신 기술 분야, 디스플레이 기술 분야 및 마이크로 가공기술 분야를 비롯하여 마이크로 화학이나, 생체분석, 의학 분야에 이르기까지 고기능 미세 부품에 대한 수요가 크게 증가하면서 플라즈마(Plasma)를 이용한 표면처리 공법에 대한 기술개발연구도 활발히 진행되고 있다.
플라즈마를 이용한 표면처리 공법(이하, '플라즈마 표면처리'로 약칭함)은 산업 분야에서 널리 사용되는 처리 공법 중 하나이다. 이러한 플라즈마 표면처리는 시편의 친수 및 소수 특성을 효과적으로 바꿀 수 있으며, 모바일기기의 글래스(glass) 표면처리, 인쇄전자의 전처리, 필름 적층(film lamination) 등의 공정에 폭넓게 응용되고 있다. 이러한 플라즈마 표면처리 공법으로는 플라즈마 제트를 이용한 표면처리 공법(이하, '플라즈마 제트 표면처리'로 약칭함)이 가장 널리 사용되고 있다.
하지만, 플라즈마 제트 표면처리는 산업 전반에 사용되는 넓은 응용성에도 불구하고 몇 가지 단점을 가지고 있다. 그 중 가장 큰 문제는 낮은 플라즈마 밀도이다. 통상 플라즈마 제트 표면처리의 플라즈마 밀도는 1011 ~ 1012cm-3 정도로 대기 중 이온화율이 약 0.0001% 이하로 극히 낮다. 이러한 이유로 플라즈마 제트 표면처리의 표면처리 능력이 다른 공법을 이용한 표면처리 능력에 비해 상대적으로 떨어지는 경향이 있다.
반면, 최근까지도 연구단계에 머물고 있는 레이저 유도 플라즈마를 이용한 표면처리 공법(이하, '레이저 플라즈마 표면처리'로 약칭함)은 약 1017cm-3 이상으로 플라즈마 제트에 비해 10만배 이상의 높은 플라즈마 밀도를 가진다. 하지만, 레이저 플라즈마 표면처리는 높은 플라즈마 밀도를 가짐에도 불구하고 플라즈마의 크기가 매우 작아 상용화에는 한계가 있었다. 통상 레이저 플라즈마 표면처리에 의해 생성되는 플라즈마의 크기는 불과 수백 마이크로미터(micrometer, ㎛)를 넘기기가 힘들어 넓은 면적의 표면가공에는 부적합하다.
본 발명의 목적은, 고효율의 플라즈마 표면처리가 가능한 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 플라즈마 밀도를 높이는 동시에 플라즈마의 크기를 크게 하여 넓은 면적에 대해 플라즈마 표면처리를 수행할 수 있는 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전도성 잉크가 인쇄 중에 표면을 굴러다니거나 인쇄후 박리되는 것을 억제할 수 있는 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 시편의 표면에 국소 패터닝(patterning)을 실시할 수 있는 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, OLED 소자에서 필름이 들뜨는 것을 억제할 수 있는 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 롤투롤(roll to roll) 필름에서 아웃가싱(out gassing)을 방지할 수 있는 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 밀도와 크기가 서로 다른 플라즈마를 발생시키는 적어도 2가지 이상의 플라즈마 형성방법으로 시편의 표면 상부에 플라즈마를 형성시켜, 상기 시편에 대한 표면처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 방법이 제공될 수 있다. 이로써, 복합 플라즈마 방전 구조를 형성하여 각 플라즈마의 특성을 서로 보상할 수 있다.
또, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 레이저를 이용하여 유도되는 플라즈마를 시편의 표면 상부에 형성하는 과정; 및 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 시편의 표면 상부에 형성하기 이전 또는 동시 또는 이후에, 전기를 이용하여 발생되는 플라즈마를 상기 시편의 표면 상부에 분사하는 과정;을 진행하여, 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마와 상기 전기에 의해 발생되는 플라즈마가 함께 시편에 대한 표면처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 방법이 제공될 수 있다. 이로써, 레이저에 의해 유도되는 플라즈마의 크기를 증대시켜 대면적 플라즈마 가공시 가공 효율을 높일 수 있다.
여기서, 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 형성시킨 후, 그 레이저에 의해 유도되는 플라즈마의 반응영역 내에 상기 전기에 의해 발생되는 플라즈마를 분사시킬 수 있다. 이로써, 전기에 의해 발생되는 플라즈마의 분사방향을 정확하게 조정할 수 있어 가공 효율을 높일 수 있다.
그리고, 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 형성하는 과정 또는 상기 전기에 의해 발생되는 플라즈마를 분사하는 과정 중에서 어느 한 쪽 과정을 중단하고, 나머지 과정만 진행하여 상기 시편에 대한 표면처리를 실시할 수 있다. 이로써, 한 개의 장비를 이용하여 필요에 따를 작업을 선택적으로 실시할 수 있다.
그리고, 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 형성하는 과정에서, 그 레이저에 의해 유도되는 플라즈마가 형성된 반응영역 내에 기체를 공급하여 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마의 특성을 변조하는 과정이 포함될 수 있다. 이로써, 다양한 산업분야에 필요한 플라즈마를 형성시켜 선택적으로 실시할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 시편이 안착되는 작업대; 상기 작업대의 일측에 구비되어 대기 중에 플라즈마를 유도하여 시편의 표면 상부에 형성하는 광학적 플라즈마 발생유닛; 상기 작업대의 다른 일측에 구비되고, 전기에 의해 발생되는 플라즈마를 상기 시편의 표면 상부에 분사하는 전기적 플라즈마 발생유닛; 및 상기 작업대에 구비되어 상기 광학적 플라즈마 발생유닛과 상기 전기적 플라즈마 발생유닛을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 장치가 제공될 수 있다. 이로써, 광학적 플라즈마 발생유닛과 전기적 플라즈마 발생유닛을 한 개의 장비로 모듈화하여 공간 활용도를 높이고 작업 효율을 높일 수 있다.
여기서, 상기 광학적 플라즈마 발생유닛은, 레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및 상기 레이저 발생부에서 발생되는 레이저를 집중시켜 상기 시편의 표면 상부에 플라즈마가 형성되도록 하는 집광렌즈;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 플라즈마 제트 유닛은, 관 형상으로 형성되어 그 내부에 전극과 코일 등이 구비되는 전극관; 상기 전극관의 전극에 전기적으로 연결되어 그 전극에 고전압을 인가하여 상기 전극관 내에 플라즈마가 형성되도록 하는 고전압 발생부; 및 상기 전극관에 연결되어 그 전극관에 작동가스를 주입하하여 플라즈마가 분사되도록 하는 가스공급부;로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 제어유닛은 상기 전원공급부와 상기 가스공급부를 서로 독립적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 이로써, 플라즈마 제트 유닛은 공정의 특성에 따라 선택적으로 제어할 수 있어 복합 플라즈마 표면처리 장치를 다양한 산업분야에 적용할 수 있다.
그리고, 상기 작업대에는 상기 시편이 안착되는 스테이지가 구비되고, 상기 광학적 플라즈마 발생유닛과 상기 전기적 플라즈마 발생유닛은 상기 스테이지 주변에 위치하도록 상기 작업대에 고정 결합되며, 상기 작업대의 일측에는 상기 스테이지를 구동시켜 상기 광학적 플라즈마 발생유닛과 상기 전기적 플라즈마 발생유닛의 반응영역에 상기 시편을 위치시키는 구동부가 구비될 수 있다.
본 발명에 의한 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치는, 레이저를 이용하여 유도되는 플라즈마를 시편의 표면 상부에 형성하는 과정; 및 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 시편의 표면 상부에 형성하기 이전 또는 동시 또는 이후에, 전기를 이용하여 발생되는 플라즈마를 상기 시편의 표면 상부에 분사하는 과정;을 진행함으로써, 플라즈마 제트 유닛에서 분사되는 제트 플라즈마가 레이저 플라즈마 유닛에서 발생하는 유도 플라즈마의 단점을 보강할 수 있고, 이를 통해 레이저 플라즈마 유닛을 대면적 가공 및 고속 가공에 적합한 플라즈마 표면처리 장치로 이용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 개략적으로 보인 정면도,
도 2는 도 1에 따른 복합 플라즈마 표면처리 장치에서 표면처리 동작상태를 보인 개략도,
도 3 내지 도 6은 플라즈마 표면처리 방법에 따른 효과를 비교하여 설명하는 도면들로서, 도 3은 표면처리 하지 않은 유리판에서의 액체 접촉각을, 도 4는 레이저 플라즈마 유닛으로 표면처리한 유리판에서의 액체 접촉각을, 도 5는 플라즈마 제트 유닛으로 표면처리한 유리판에서의 액체 접촉각을, 도 6은 레이저 플라즈마 유닛과 플라즈마 제트 유닛의 복합 플라즈마 공법으로 표면처리한 유리판에서의 액체 접촉각을 각각 보인 개략도.
이하, 본 발명에 의한 복합 플라즈마 표면처리 방법 및 이를 이용한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 개략적으로 보인 정면도이고, 도 2는 도 1에 따른 복합 플라즈마 표면처리 장치에서 표면처리 동작상태를 보인 개략도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치(100)는, 시편이 안착되어 이송되는 작업대(110)와, 작업대(110)의 일측에 구비되어 레이저 유도 플라즈마(이하, '유도 플라즈마'로 약칭함)를 대기중에 형성하는 광학적 플라즈마 발생유닛(120)과, 작업대(110)의 다른 일측에 구비되어 플라즈마를 형성하고 그 플라즈마를 유도 플라즈마 반응영역(즉, 레이저의 포커싱 영역)에 분사하는 전기적 플라즈마 발생유닛(130)과, 광학적 플라즈마 발생유닛(120)과 전기적 플라즈마 발생유닛(130)을 제어하는 제어유닛(140)을 포함할 수 있다.
작업대(110)는 후술할 고전압 펄스 형성 장치와 같은 고전압 발생부(132)를 지지하는 제1 프레임(111)과, 후술할 레이저 발생장치와 같은 레이저 발생부(121)를 지지하도록 제1 프레임(111)의 상부에 구비되는 제2 프레임(112)으로 이루어질 수 있다.
제1 프레임(111)은 소정의 넓이와 두께를 가지는 평판 모양으로 형성될 수 있다.
제1 프레임(111)의 상면에는 시편(P)이 안착되는 스테이지(stage)(151)가 회전 가능하게 결합되고, 제1 프레임(111)의 저면에는 스테이지(151)를 회전시키는 스테이지 구동부(152)가 고정 결합될 수 있다. 스테이지 구동부(152)는 스테이지(151)가 대략 20mm/s 정도의 속도로 구동할 수 있도록 이루어질 수 있다.
또, 제1 프레임(111)의 상면에는 고전압 발생부(132)가 스테이지(151)의 일측에 고정 결합되고, 고전압 발생부(132)와 스테이지(151) 사이에는 후술할 전극관(131)을 지지하는 전극관 지지부(135)가 고정 결합될 수 있다.
또, 제1 프레임(111)의 저면에는 그 제1 프레임(111)을 소정의 높이만큼 지지하는 제3 프레임(113)이 구비될 수 있다. 제3 프레임(152)의 일측에는 전기적 플라즈마 발생유닛(130)의 일부를 이루는 가스탱크(136)를 지지하기 위한 가스탱크 지지부(153)가 일체로 구비될 수 있다.
또, 제1 프레임(111)의 일측에는 후술할 제어박스(141)가 제1 프레임에 일체 또는 분리되어 구비될 수도 있다.
제2 프레임(112)은 하부면과 전후방향 측벽면이 개구되고 상부면과 좌우방향 측벽면이 막힌 구조로 형성될 수 있다.
제2 프레임(112)의 상부면의 상면에는 레이저 발생부(121)가 고정 결합되고, 상부면 저면에는 레이저 발생부(121)에서 공급되는 레이저를 스테이지 방향으로 조사하기 위한 경통(122b)이 결합될 수 있다.
또, 제2 프레임(112)의 일측 측벽면에는 연결관(154)이 고정 결합되고, 연결관(154)은 후술할 가스탱크(136)와 연결되는 가스관(137)에 연결될 수 있다. 하지만, 연결관 없이 가스관이 관통되도록 관통구멍이 형성될 수도 있다.
한편, 광학적 플라즈마 발생유닛(120)은 레이저를 스테이지(151)의 반응영역에 집중시켜 공기 중에서 레이저에 의한 유도 플라즈마가 형성되도록 하는 것으로, 이하에서는 레이저 유도 플라즈마 유닛이라고 한다.
레이저 유도 플라즈마 유닛(120)은 레이저를 발생시키는 레이저 발생부(121)와, 레이저 발생부(121)에서 발생되는 레이저를 안내하는 레이저 안내부(122)와, 레이저 안내부(122)에 의해 안내되는 레이저를 스테이지(151)의 반응영역에 집중시키는 집광렌즈(123)를 포함할 수 있다.
레이저 발생부(121)는 작업대(110)의 제2 프레임(112)의 상면에 고정 결합되고, 레이저 안내부(122)는 제2 프레임(112)의 상면에서 저면으로 연장되어 결합될 수 있다. 레이저 안내부(122)는 고정될 수도 있지만, 경우에 따라서는 이동 가능하게 결합될 수도 있다.
레이저 안내부(122)는 제2 프레임(112)의 외부에 위치하는 레이저 안내관(122a)과, 제2 프레임(112)의 저면에 결합되는 경통(122b)으로 이루어질 수 있다. 경통(122b)의 내부에 집광렌즈(123)가 설치될 수 있다. 경통(122b))은 스테이지(151)가 구동 가능한 경우에는 도 1과 같이 고정 설치될 수 있지만, 경우에 따라서는 이동 가능하게 구비될 수도 있다. 경통(122b)의 내부에 집광렌즈(123)가 구비된다.
집광렌즈(123)는 스테이지(151)에 얹힌 시편(P)의 표면에서 상측방향으로 약간 높은 위치에서 플라즈마 반응영역(S)이 형성될 수 있도록 구비될 수 있다. 다만, 플라즈마의 형성위치(즉, 플라즈마 반응영역)(S)는 집광렌즈(123)의 위치 및 규격에 따라 조절 가능할 수 있다.
여기서, 레이저 발생부(121)에서 발생되는 레이저는 적외선 레이저가 사용될 수 있으며, 파워로는 펄스 파워(pulse power)를 사용할 수 있다. 펄스 파워를 사용하기 때문에 피크 파워(peak power)를 기준으로 106 ~ 108Watt 수준을 가진다.
또, 레이저 발생부(121)는 후술할 플라즈마 제트 유닛(130)만을 이용하여 공정이 진행되는 경우에는 레이저를 발생시키지 않도록 제어유닛(140)에 의해 자동 또는 수동으로 선택하여 제어 가능하도록 이루어질 수 있다.
한편, 전기적 플라즈마 발생유닛(130)은 수십 ~ 수백 kHz의 고전압을 전극에 인가하여 전극관 내에 플라즈마를 형성하는 동시에 기체를 전극관에 불어넣어 플라즈마를 가공위치로 분사시키는 것으로, 이하에서는 플라즈마 제트 유닛이라고 한다.
플라즈마 제트 유닛(130)은 관 형상으로 형성되어 그 내부에 전극(131a)과 코일 등이 구비되는 전극관(131)과, 전극관(131)의 전극(131a)에 전기적으로 연결되어 그 전극(131a)에 고전압을 인가하는 고전압 발생부(132)와, 전극관(131)에 기구적으로 연결되어 그 전극관(131)에 작동가스를 주입하는 가스공급부(133)로 이루어질 수 있다.
전극관(131)은 작업대(110)의 제1 프레임(111) 상면에 구비되는 전극관 지지부(135)에 고정 결합될 수 있다. 하지만, 전극관(131)은 반응영역(S)에 따라서는 플라즈마가 분사되는 방향을 조절할 수 있도록 전극관 지지부(135)에 구동 가능하게 결합될 수도 있다.
고전압 발생부(132)는 작업대(110)의 제1 프레임(111) 상면에서 스테이지(151)의 바깥쪽에 고정 결합될 수 있다. 여기서, 전원으로는 20W 파워가 사용될 수 있다.
가스공급부(133)는 작업대(110)의 일측에 구비되는 가스탱크(136)와, 가스탱크(136)와 전극관(131) 사이에 연결되는 가스관(137)과, 가스관(137)의 중간 또는 가스관이 연결되는 연결관(154)에 구비되어 가스탱크(136)의 교환 또는 가스공급중단시 가스관을 선택적으로 개폐할 수 있는 밸브(1138)로 이루어질 수 있다.
가스탱크(136)는 작업대(110)의 주변에 보관될 수도 있지만, 도 1에서와 같이 가스탱크 지지부(153)에 안착되어 보관될 수 있다. 이 경우, 별도의 고정장치가 더 구비될 수 있다. 여기서, 플라즈마 제트 유닛(130)은 작동가스로 아르곤 또는 헬륨과 같은 혼합가스를 사용할 수 있다.
가스관(137)은 제2 프레임(112)의 일측 측벽면을 관통하여 전극관(131)에 연결될 수도 있지만, 도 1에서와 같이 제2 프레임(112)의 측벽면에 구비된 연결관(154)에 착탈 가능하게 연결될 수도 있다.
밸브(138)는 연결관(154)의 중간 또는 가스관(137)의 중간에 설치될 수 있다. 밸브(138)는 수동으로도 조작이 가능할 수 있지만, 바람직하게는 제어유닛(140)에 의해 자동으로 개폐될 수 있도록 구성될 수 있다.
또, 고전압 발생부(132)와 가스공급부(133)는 일괄 제어될 수 있지만, 경우에 따라서는 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 플라즈마 제트 유닛(130)이 유도 플라즈마의 특성 변조를 위해 단순 공급 장치로 사용될 경우에는 고전압 발생부(132)는 정지시키는 반면 가스공급부(133)만 작동시켜, 전극관(131)에서 플라즈마 제트 유닛(130)에서 플라즈마가 발생되지 않도록 하면서 전극관을 통해 가스만 공급되도록 제어될 수 있다.
한편, 제어유닛(140)은 작업대(110)의 일측에 결합될 수 있다. 즉, 도 1에서와 같이 작업대(110)의 일측에 구비되는 제어박스(141)와, 제어박스(141)의 상면에 구비되는 제어단말기(142)로 이루어질 수 있다. 제어단말기(142)는 스테이지 구동부(152), 레이저 발생부(121), 고전압 발생부(132), 가스공급부의 밸브(138) 등에 각각 전기적으로 연결되어, 이들 부품을 제어할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치를 이용한 표면처리 공정은 다음과 같다.
먼저, 레이저 플라즈마 유닛(120)의 집광렌즈(123)를 이용한 레이저 집광을 통해 대기 중에서 가공할 시편(P)의 표면 상부에 유도 플라즈마를 형성시킨다. 이 유도 플라즈마는 1017cm-3의 플라즈마 밀도를 가지므로, 그 크기가 수백 마이크로미터(㎛)에 불과하여 대면적 표면가공에는 적합하지 않을 수 있다.
이를 감안하여, 도 2에서와 같이, 레이저 플라즈마 유닛(120)을 통해 가공 표면의 상부에 레이저 플라즈마를 형성하고, 이어서 플라즈마 제트 유닛(130)을 이용하여 유도 플라즈마의 방전공간인 반응영역(즉, 레이저의 포커싱 영역)(S)에 플라즈마(이하, '제트 플라즈마'로 약칭함)를 분사시킨다. 이 경우, 레이저 플라즈마 유닛(120)에 의해 시편(P)의 표면으로부터 상부쪽으로 일정 높이에 플라즈마 반영영역(S)이 형성되므로 플라즈마 제트 유닛(130)을 통해 분사될 플라즈마 제트의 분사방향이 용이하게 설정될 수 있다. 하지만, 반드시 레이저 플라즈마 유닛(120)이 먼저 작동되고 플라즈마 제트 유닛(130)이 나중에 구동될 필요는 없다. 작업상 다른 목적에 따라 레이저 플라즈마 유닛(120)과 플라즈마 제트 유닛(130)이 동시에 구동되거나, 플라즈마 제트 유닛(130)이 먼저 구동될 수도 있다.
여기서, 이 플라즈마 제트 유닛(130)을 통해 방전되는 제트 플라즈마는 수 밀리미터(millimeter, mm) 이상의 플라즈마 크기를 가지기 때문에, 이 제트 플라즈마가 수 백 마이크로미터(㎛)의 크기를 가지는 유도 플라즈마의 크기를 증가시키게 된다. 이때, 작업대(110)의 스테이지(151)에 시편(P)이 얹힌 상태에서 스테이지 구동부(152)를 이용하여 스테이지(151)를 구동시키면서 시편(P)에 대한 플라즈마 표면처리 작업을 진행한다.
통상, 유도 플라즈마는 다광자 이온화(multi-photon ionization:MPI)에 의해 방전이 유지되는 반면, 제트 플라즈마는 전자-중성 종 충돌에 의해 방전이 유지된다. 따라서, 본 실시예와 같이 레이저 플라즈마 유닛(120)과 플라즈마 제트 유닛(130)을 결합하여, 유도 플라즈마와 제트 플라즈마를 대기중의 동일 공간에 방전하게 되면, 다광자 이온화에서 형성된 유도 플라즈마가 제트 플라즈마의 도움으로 손쉽게 이온화 사태(avalanche ionization)에 참여하게 된다.
이온화 사태에서 전자는 중성종 가스에 충돌하면 전자를 형성하고 이 전자가 다른 중성종과 충돌하여 플라즈마 이온화가 연속으로 나타나게 되므로, 유도 플라즈마는 매우 높은 플라즈마 밀도를 형성할 수 있게 된다. 그러면 레이저 플라즈마는 국소적으로 가공성이 매우 높은 플라즈마를 형성할 수 있어 그만큼 표면처리 작업을 효율적으로 진행할 수 있다.
이로써, 레이저 플라즈마 유닛은 단독으로 표면처리를 실시할 경우에는 그 레이저 플라즈마 유닛에 의해 발생되는 레이저 플라즈마의 크기가 수백 ㎛에 불과하여 대면적 표면가공에는 부적합하였지만, 본 실시예와 같이 레이저 플라즈마 유닛(120)과 플라즈마 제트 유닛(130)을 결합하여 복합 플라즈마 구조를 이루는 경우에는 플라즈마 제트 유닛(130)에서 분사되는 제트 플라즈마가 레이저 플라즈마 유닛(120)에서 발생하는 유도 플라즈마의 단점을 보강할 수 있고 이를 통해 레이저 플라즈마 유닛(120)을 대면적 가공 및 고속 가공에 적합한 플라즈마 표면처리 장치로 이용할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 플라즈마 표면처리 방법에 따른 효과를 비교하여 설명하는 도면들로서, 도 3은 표면처리 하지 않은 유리판(1)에서의 액체 접촉각(θ1)을, 도 4는 레이저 플라즈마 유닛으로 표면처리한 유리판(2)에서의 액체 접촉각(θ2)을, 도 5는 플라즈마 제트 유닛으로 표면처리한 유리판(3)에서의 액체 접촉각(θ3)을, 도 6은 레이저 플라즈마 유닛과 플라즈마 제트 유닛의 복합 플라즈마 공법으로 표면처리한 유리판(4)에서의 액체 접촉각(θ4)을 각각 보인 개략도이다.
이들 도면을 비교하여 보면, 액체(DI water)의 접촉각(θ1~θ4)은 전처리가 이루어지지 않은 맨 유리(bare glass)(1)의 경우의 접촉각(θ1)이 약 43.8°를 형성하고, 레이저 플라즈마 유닛(120)으로만 표면처리한 경우의 접촉각(θ2)이 약 31.8°를 형성하며, 플라즈마 제트 유닛(130)으로만 표면처리한 경우의 접촉각(θ3)이 약 21.0°, 레이저 플라즈마 유닛(120)과 플라즈마 제트 유닛(130)의 복합 플라즈마 장치로 표면처리한 경우의 접촉각(θ4)이 약 11.5°정도를 각각 형성하였다. 따라서, 복합 플라즈마 장치를 이용하여 표면처리를 한 경우가 플라즈마 제트 유닛(130)으로 표면처리만 한 접촉각 대비 약 45% 정도 감소하였고, 레이저 플라즈마 유닛(120)으로 표면처리만 한 경우보다 약 64% 정도 접촉각이 감소하였슴을 알 수 있다. 이를 통해, 레이저 플라즈마 유닛(120)과 플라즈마 제트 유닛(130)은 물리적으로 서로 보강 관계를 형성하는 특성을 보여준다고 할 수 있다.
한편, 상기와 같은 플라즈마 표면처리 장치는 플라즈마 제트의 입력 전원 또는 가스의 종류에 따라 플라즈마를 조절할 수 있어 작업환경에 따라 적절한 플라즈마가 생성될 수 있도록 할 수 있다. 이를 통해 플라즈마 표면처리 작업의 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치에서, 레이저 플라즈마 유닛(120)을 이용하여 시편(P)에 대해 국소 가공용으로 사용할 수도 있다. 이 경우, 제어유닛(140)을 이용하여 집광렌즈(123)를 조절함으로써 유도 플라즈마의 직경을 대략 10-2㎝ 이하까지 조절하여 시편(P)의 패터닝(patterning) 작업에 활용할 수 있다. 또, 이 경우, 제어유닛(140)을 이용하여 플라즈마 제트 유닛(130)은 오프(off)시키고 레이저 플라즈마 유닛(120)만 작동되도록 할 수도 있다.
다른 예로는, 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치에서, 제어유닛(140)을 이용하여 플라즈마 제트 유닛(130)의 일부 기능만 활용하여 레이저 플라즈마 유닛(120)의 플라즈마 특성을 변조할 수도 있다. 즉, 레이저 플라즈마 유닛(120)은 작동시킨 상태에서 플라즈마 제트 유닛(130)을 작동가스 공급장치로 사용하여 아르곤이나 헬륨과 같은 혼합가스를 국소공급함으로써, 레이저 플라즈마 유닛(120)에 의해 유도된 유도 플라즈마의 크기를 조절할 수 있다. 이를 통해 시편(P)의 표면에서 플라즈마의 밀도와 분포를 변조함으로써 시편의 특성과 작업 환경에 맞게 조절하여 효율성을 높일 수 있다.
한편, 상기와 같은 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치는 산업의 여러 분야에 적용될 수 있다.
먼저, 본 실시예의 복합 플라즈마 표면처리 장치는 전도성 잉크제트 프린트 플라즈마 전처리에 적용될 수 있다. 통상 전도성 잉크는 응집성이 있어 표면에 인쇄하는 동시에 표면을 굴러다니거나, 인쇄 후 박리가 일어나게 된다. 그러나 본 실시예와 같은 복합 플라즈마 표면처리를 할 경우에는 표면에 대한 친수성이 크게 개선되어 잉크가 표면을 굴러다니거나 인쇄 후 박리되는 현상을 미연에 방지할 수 있다.
또, 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치는 친수 특성을 이용한 국소 패터닝에도 적용될 수 있다. 플라즈마를 이용해 친수 처리를 하면 처리된 부분만 액체가 묻게 되는데, 이러한 성질을 이용하며 원하는 패턴을 표면에 형성할 수 있다. 이 경우에도, 본 실시예와 같은 복합 플라즈마 표면처리를 할 경우 표면에 대한 친수성이 크게 향상되어 액체가 잘 묻게 되면서 패터닝 작업이 원활하게 이루어질 수 있다.
또, 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치는 유기발광다이오드(OLED)의 밀봉을 위한 필름 적층에도 적용할 수 있다. 유기발광다이오드 소자의 경우, 수분과 산소 침투를 막기 위해 소자 위에 필름을 붙여 밀봉하게 되는데, 이때, 필름 표면에 플라즈마 처리를 하게 되면 표면 에너지가 높아져 부착력이 증가하면서 필름이 들뜨는 것을 억제할 수 있다. 이 경우에도, 본 실시예와 같은 복합 플라즈마 표면처리를 할 경우 표면에너지가 더욱 높아져 반응에너지가 향상되면서 필름이 더욱 견고하게 부착될 수 있다.
또, 본 실시예에 의한 복합 플라즈마 표면처리 장치는 롤투롤(roll to roll) 필름의 아웃가싱(out gassing) 방지를 위한 플라즈마 전처리 공정에도 적용할 수 있다. 롤투롤 필름에 플라즈마 처리를 하면 필름 내부에 존재하는 가스가 플라즈마 에너지에 의해 팽창하여 외부로 방출되는데, 이후 필름 위에 소자를 형성하면 제품화된 이후 내부 가스 방출을 막을 수 있다. 이 경우에도, 본 실시예와 같은 복합 플라즈마 표면처리를 할 경우 높은 플라즈마 에너지에 의해 가스 팽창이 촉진되면서 필름 내부의 가스가 더욱 효과적으로 방출될 수 있다.
100 : 복합 플라즈마 표면처리 장치 110 : 작업대
111~113 : 프레임 120 : 레이저 플라즈마 발생 유닛
121 : 레이저 발생부 122 : 레이저 안내부
123 : 집광렌즈 130 : 플라즈마 제트 유닛
131 : 전극관 132 : 고전압 발생부
133 : 가스공급부 136 : 가스탱크
140 : 제어유닛 151 : 스테이지
152 : 스테이지 구동부 θ1~θ4 : 액체 접촉각

Claims (10)

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  6. 평판 형상의 제1프레임, 하부면과 전후방향 측벽면이 개구되고 상부면과 좌우측벽면이 막힌 구조를 구비하는 제2프레임, 상기 제1프레임에 회전 가능하게 구비되고 시편이 안착되는 스테이지를 구비하는 작업대;
    상기 제2프레임에 구비되어 대기 중에 플라즈마를 유도하여 상기 시편의 표면 상부에 플라즈마 반응영역을 형성하는 광학적 플라즈마 발생유닛;
    상기 제2프레임의 내부 상기 제1프레임의 상면에 구비되는 전극관 지지부, 관형상으로 형성되고 상기 전극관 지지부에 구동 가능하게 결합되고 내부에 전극과 코일이 구비되는 전극관, 상기 전극관의 전극에 연결되어 고전압을 인가하는 고전압 발생부 및 상기 전극관에 작동가스를 주입하는 가스공급부를 구비하고, 전기에 의해 상기 전극관 내에 발생되는 플라즈마를 상기 광학적 플라즈마 발생유닛에 의해 형성된 상기 플라즈마 반응영역에 분사하는 플라즈마 제트 유닛; 및
    상기 작업대에 구비되어 상기 광학적 플라즈마 발생유닛과 상기 플라즈마 제트 유닛을 제어하는 제어유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광학적 플라즈마 발생유닛은,
    레이저를 발생시키는 레이저 발생부; 및
    상기 레이저 발생부에서 발생되는 레이저를 집중시켜 상기 시편의 표면 상부에 상기 플라즈마 반응영역이 형성되도록 하는 집광렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고전압 발생부는 상기 제2프레임의 내부 상기 제1프레임의 상면에 구비되고,
    상기 가스공급부는 상기 제1프레임 및 제2프레임의 외부에 구비되어 상기 전극관에 연결되는 가스탱크를 구비하고,
    상기 작업대는 상기 제1프레임의 하부에 구비되어 상기 제1프레임을 지지하는 제3프레임을 더 구비하고,
    상기 제3프레임에는 상기 가스탱크를 지지하는 가스탱크지지부가 구비되는 복합 플라즈마 표면처리 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어유닛은 상기 고전압 발생부와 상기 가스공급부를 서로 독립적으로 제어하도록 구성되고,
    상기 제어유닛은, 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마를 형성하는 과정에서, 상기 고전압 발생부의 전원공급이 중지되게 제어하고, 상기 레이저에 의해 유도되는 상기 플라즈마 반응영역 내에 상기 가스공급부의 작동가스가 공급되게 제어하여 상기 레이저에 의해 유도되는 플라즈마의 특성을 변조하는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1프레임에는 상기 스테이지를 구동시키는 구동부가 구비되는 것을 특징으로 하는 복합 플라즈마 표면처리 장치.
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