KR19990022248A - １ 기압에서 글로우 방전 플라즈마로 표면을 세척하는 방법 및 장치 - Google Patents

１ 기압에서 글로우 방전 플라즈마로 표면을 세척하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

워크피스의 표면은 이 워크피스의 표면 상에서 정상 상태의 1 기압 글로우 방전 플라즈마를 발생시킴으로써 세척된다. 저 주파수 RF 이온 트래핑 메카니즘에 의해 생성된 1 기압의 균일한 글로우 방전 플라즈마가 바람직하다. 표면을 효과적으로 세척하는데 사용되는 플라즈마는 약 1 기압에서, 또는 1 기압 전후의 압력에서 대기 또는 다른 가스로 형성될 수 있다.

Description

１ 기압에서 글로우 방전 플라즈마로 표면을 세척하는 방법 및 장치
본 발명은 종래의 용제, 산욕(acid baths) 또는 세정제로 가능한 것보다 높은 세정도로 금속 및 플라스틱을 포함한 표면을 세척하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 1 기압에서 작용가능한 글로우 방전 플라즈마(glow discharge plasma)로부터의 활성 종(active species)을 사용하여 표면을 세척하는 것에 관한 것이다.
플라즈마 세척된 표면은 보다 큰 내식성(corrosion-resistant)의 전기 도금면, 보다 큰 접착성의 전기 도금층, 표면에 대한 보다 큰 접착성의 페이트, 표면의 보다 강한 접착 본딩, 및 표면 세척도가 요인이 되는 표면 살균(sterilization)을 포함한 여러 다른 산업 응용을 위한 기판을 제공할 수 있음이 발견되었다. 1 기압에서 플라즈마 세척 처리의 동작은 산업상 사용되는 현존하는 저압 글로우 방전 및 플라즈마 처리에 관련된 고 비용 진공 시스템 및 일괄 처리에 대한 요구를 배제할 수 있다.
물리학에서, 플라즈마라는 용어는 물질의 제4 상태라고 언급되기도 하는 부분적으로 또는 전체적으로 이온화된 가스를 말한다. 여기에서 논의되는 산업상 플라즈마는 부분적으로 이온화되고, 이온, 전자 및 중성 종(neutral species)으로 구성된다. 물질의 이러한 상태는 초고온 또는 강한 직류(DC) 또는 무선 주파수(RF) 전계의 작용에 의해 발생될 수 있다.
고 에너지 밀도, 고 강도 플라즈마는 항성(stars), 핵 폭발, 플라즈마 토오치(torch) 및 전기 아크(arcs)로 표현된다. 매체 에너지 밀도, 글로우 방전 플라즈마는 부과된 DC 또는 RF 전계에 의해 에너지화된 자유 전자에 의해 생성되어, 중성 분자의 충돌을 유발하게 된다. 중성 분자와의 이러한 충돌은 분자와 이온으로 에너지를 전달하여, 광자(자외선 및 가시선 모두), 여기 원자(excited atoms) 및 분자, 준안정 원자, 개별 원자, 자유 라디칼, 분자 파편, 단위체(monomers), 전자 및 이온을 포함하는 다양한 활성 종을 형성하게 된다. 이들 활성 종은 에너지를 갖거나, 수 또는 수십 전자 볼트까지도(1 전자 볼트는 11,600。K에 근사함) 여기 에너지 상태에 있을 수 있다. 이는 예를 들면, 화학적 세척 처리에 관련된 화학적 결합 에너지(binding energy)보다 훨씬 높다. 이들 활성 종은 보다 낮은 에너지의 화학적 세척 처리로 도달 가능한 것보다 많은 에너지 매체를 (표면 상에서의 먼지 및 오염물의 매우 단단하게 결합된 일분자층을 효과적으로 제거하기 위해) 플라즈마 세척용으로 형성할 수 있다. 암 방전(dark discharges) 및 코로나 등의 저 전력 밀도, 저 강도 플라즈마가 저압, 및 여러가지 재료의 표면 처리를 위해 1 기압에서 사용되었다. 하지만, 비교적 낮은 에너지 밀도 때문에, 코로나 방전은 재료의 다양한 표면 특성을 비교적 천천히 변경할 수 있을 뿐이다.
표면 세척을 위한 코로나 방전의 사용은 일반적으로 그들의 저 전력 밀도로 인하여 만족스럽지 못하고; 적절한 평균 전력 밀도의 섬유 방전(filamentary discharge)은 그들의 불균일성 효과 때문에 만족스럽지 못하다. 아크 또는 플라즈마 토오치의 사용도 그들의 에너지가 여러번 처리된 재료들을 손상시키기에 충분히 높은 밀도를 갖기 때문에 만족스럽지 못하다.
여러 가지 응용에 있어서, 글로우 방전 플라즈마는 중요한 효과를 낳기에 충분한 활성 종을 제공하는 이점을 가지나, 처리 중인 표면을 손상시킬만큼 강도가 매우 높지는 않다. 하지만, 글로우 방전 플라즈마는 지금까지 통상, 저압 또는 부분 진공 분위기(예컨대, 10 토르 이하)에서 성공적으로 생성되었다는 점이 중요하다. 이는 보통, 처리 재료들의 일괄 처리와, 구매 및 보전에 비용이 많이 드는 진공 시스템의 사용을 필요로 한다.
본 발명의 필수적인 특성은 1 기압에서 표면을 플라즈마 세척할 수 있다는 것이다. 바람직하게도, 이는 1 기압에서와, 처리될 표면을 손상시키지 않고서 활성 종의 적절한 세기를 제공할 적정 플라즈마 전력 밀도에서 동작할 수 있는 균일한 글로우 방전 플라즈마 전력 밀도를 사용하여 수행된다. 1 기압에서 낮은 적정 고전력 밀도 플라즈마의 생성은 일반적으로 공지된 바이다. 이러한 플라즈마는 예를 들어, 미국 특허 출원 번호 제 08/068,739호(1993년 5월 28일 출원) 및 제 08/254,264호(1994년 6월 6일 출원)는 물론, 미국 특허 제 5,387,842호, 5,403,453호 및 5,414,324호에 기재된 1 기압의 균일한 글로우 방전 플라즈마 리액터를 사용하여 발생될 수 있는 것으로, 이들 각각의 주제는 전부 본 명세서에 인용예로 통합되어 있다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 주된 목적은 1 기압을 포함한 여러 압력에서 균일한 글로우 방전 플라즈마로 금속, 플라스틱, 종이 및 다른 재료 등의 표면에 대한 플라즈마 세척을 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 용제, 세정제, 산욕, 교반(agitation) 또는 마찰(abrasion)을 포함한 종래의 세척 처리에서 가능한 것보다, 표준 물방울 및 접촉 각도 테스트에 의해 측정되는 바와 같이, 세척도가 높은 상태에 도달하는 플라즈마 세척된 표면을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 크게 향상된 페인트 접착성, 접착제, 박막(films), 전기 도금 코팅 등을 도시한 플라즈마 세척된 표면을 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 목적은 살균용 및 마이크로 전자 공학 등의 응용을 위해 플라즈마 세척된 표면을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 정상상태의 1 기압 글로우 방전 플라즈마는 세척될 워크피스(workpiece)의 표면 상에 발생된다. 1 기압으로, 마이크로파, RF 또는 저 주파수 RF 이온 트래핑 메카니즘에 의해 발생된 균일한 글로우 방전 플라즈마의 사용이 양호하다. 표면을 효과적으로 세척하는데 사용되는 플라즈마는 약 1 기압, 또는 1 기압 부근 압력에서 대기 또는 다른 가스에서 형성될 수 있다. 플라즈마는 전술한 저 주파수, 이온 트래핑 메카니즘에 의해 형성될 수 있으며, Vidmar, R. T.의 Plasma Cloaking: Air Chemistry, Broadband Absorption and Plasma Generation, Final Report, SRI Project 8656(Menlo Park, CA: SRI International)(1991); Mitsuda, Y. 등의 Development of a New Microwave Plasma Torch and its Application to Diamond Synthesis, Rev. Sci. Instrum., 60 249-252(1989) 및 MacDonald, A. D., Microwave Breakdown in Gases(New York: John Wiley), LCCCN 66-22841(1966)에 기술된 바와 같은 다른 RF 또는 마이크로파 생성된 글로우 방전 플라즈마에 의해 형성될 수 있거나, (코로나 방전의 저 전력 밀도가 비교적 오랜 노출 시간을 요구하는 경향이 있다 하더라도) 코로나 방전에 의해서도 형성될 수 있다.
전기 도전체인 표면에 있어서, 세척될 워크피스는 플라즈마 리액터의 RF 전극판 중의 하나일 수 있으며, 플라즈마 리액터의 전극판 사이에 삽입될 수 있다. 워크피스는 플라즈마 포텐셜에 관하여 플로우팅되거나 바이어스될 수 있다. 전기 절연체인 표면에 있어서, 세척될 워크피스는 두 병렬판 사이에 발생되는 플라즈마에서 삽입에 의해 플라즈마의 활성 종에 노출될 수 있다.
워크피스가 복잡한 3차원 구조(예로, 자동 범퍼)를 가질 경우, 필요한 플라즈마는 워크피스를 1 전극으로 사용하고 워크피스의 모울드 형 이미지를 대응(제2) 전극으로 사용함으로써 발생될 수도 있다. 두 절연성 전기 전도성 3차원 워크피스는 (전술한 저 주파수 이온 트래핑 메카니즘을 이용하여) 플라즈마를 발생시키는데 사용될 수 있는 스트립 전극을 가진 표면을 갖는 모울드형 이미지로 처리될 표면과 대향하고 있다. 후자의 실시예에서, 정상상태의 균일한 1 기압 글로우 방전 플라즈마는 정형 모울드(conforming mould)의 표면 및 그 위에서 발생되어, 대향하는 워크피스에 대한 플라즈마 잡입(immersion) 및 활성 종을 제공한다. 정형 모울드는 표면 상의 병렬 스트립 전극을 가진 절연체이거나 모울드 이미지로부터 분리되고 상호 이격되어 일반적으로 병렬 스트립 전극을 지지하는 전기 전도체이다.
모울드 이미지 및 스트립 전극, 또는 모울드 이미지가 절연체일 경우 다른 스트립 전극들은 무선 주파수(RF) 전원의 반대 극성에 접속된다. 필요한 플라즈마를 발생시키기 위해, RF 전원의 1 단자에 접속된 1 이상의 스트립 전극은 1 이상의 인접한 스트립 전극에 관해 또는 다른 RF 단자에 접속된 전도형 모울드 이미지에 관해 에너지화된다. RF 전력은 모울드 이미지의 표면 상에 글로우 방전을 발생시키기에 충분히 높은 전압으로 되어 있다. 약 10㎸/㎝의 스트립 전극에 인접한 국부 전계는 대기중에서의 플라즈마 생성에 적합하다.
RF 전력은 이온 트래핑 글로우 방전 메카니즘에 대한 비교적 낮은 주파수이다. 주파수는, 전극들 간의 플라즈마에서 전계 라인을 따라 생성된 이온에는 전계 라인을 따라 1/2 사이클의 발진시 어느 하나의 전극에 충격을 줄 시간이 없을 만큼 충분히 높은 것이어야 한다. 하지만, 그 주파수가 매우 낮기 때문에, 플라즈마의 전극이 플라즈마에서 트랩되지 않고 1/2 사이클 발진시 모울드 이미지에 충격을 줄 시간이 생긴다. 보통 약 100㎑에서 약 30㎑까지의 주파수가 적합하며, 전계, 결합 구조(geomotry) 및 다른 요소에 의존한다. 이러한 메카니즘에 의해, 플라즈마의 + 이온 용량이 조성되며, 전자들이 전극으로 흘러 모울드 이미지의 표면에 축적된다. 이는 정상상태의 균일한 글로우 방전 플라즈마가 오히려 이온과 전자의 트래핑에 일반적으로 관련되어 있는 섬유 방전을 형성할 수 있도록 작용한다.
상기 설명에 속하기를 원하지 않는다면, 다음의 내용은 그러한 플라즈마 세척을 효과적으로 하기 위한 플라즈마 생성된 활성 종을 얻기 위하여, 1 기압에서 균일한 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 전술한 기술의 사용시 노출되어 있는 표면을 활성 종이 실제로 세척하는 가장 가능성있는 물리적 처리에 관한 것이다.
1 기압에서, 재료의 표면은 흡수된 오염물의 수백 분자층까지에 의해 커버된다. 이들 분자층은 특히, 외부 층에서, 워크피스가 노출되어 있는 환경으로부터 대기 또는 다른 가스, 및/또는 특히, 워크피스에 인접한 최저 분자층에서, 탄화수소 머시닝(machining) 오일 또는 가소제(plasticisers)로 구성된다. 최외 분자층들은 워크피스에 매우 느슨하게 결합되어 있으며, 약 0.025 전자 볼트의 통상(실내 온도)의 열 에너지는 일반적으로 그들 분자층의 제거에 적합하다. 하지만, 워크피스의 표면에 접근됨에 따라, 흡수된 분자층의 결합 에너지가 증가하여, 워크피스의 일함수의 값에 가까운 값(예컨대, 여러 재료에 대한 4.5 전자 볼트의 크기)에 도달하게 된다.
흡수된 분자층의 결합 에너지의 그러한 변화는 세정제, 용제, 산욕 또는 다른 화학적 수단에 의해 최외 분자층을 제거하는 것을 비교적 용이하게 한다. 하지만, 이러한 화학적 수단은 최후의 소량, 가장 단단하게 결합된 분자층을 제거하는데 충분히 활성적이지는 못하다. 이들 잔여 분자층은 종종 금속의 경우에는 머시닝 오일이고, 중합체나 플라스틱의 경우에는 가소제이다. 단지 작은 분자층은 표면 자유 에너지, 작은 물방울 접촉 각도, 및 표면의 습윤성에 있어서 역효과가 요구된다. 이러한 분자층의 존재로 인한 결과는 통상, 워크피스의 표면에 다른 재료의 습윤성 및 접착성을 감소시킨다는 것이다. 이는 전기 도금된 표면층의 벗겨짐, 페인트의 벗겨짐 또는 플레이킹(flaking), 및/또는 재료와의 접착 본딩 실패를 초래할 수 있다.
이는 일반적으로 매우 어려우므로, 일반적인 화학적 수단에 의해 최종의 작은 분자층을 제거하는 것이 실제로 불가능하지 않을 경우, 이들의 제거는 1 기압 균일의 글로우 방전 플라즈마로부터 유도된 더 많은 에너지의 활성 종을 사용하여 가능해진다. 전자 운동 온도 및/또는 플라즈마에서의 에너지, 및 가시적인 자외선 방사를 발생하는 것과 같은 여기 상태의 에너지는 예를 들어, 수 전자 볼트 정도에 있다. 이는 최저 분자층을 결합하는 에너지에 필적하며, 화학적 종 및 화학적 세척법에 관련된 에너지 이상이 좋다. 따라서, 플라즈마로부터 활성 종을 사용하는 것은 순수한 화학적 처리보다 표면 상에 흡수된 보다 다량이면서 보다 깊은 분자층을 제거할 수 있는 원리로서, 전례없이 높은 세척도에 이르게 한다. 이는 살균용으로도 유용함과 동시에, 페인트, 전기 도금층 및 본딩제 등의 접착성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라 마이크로전자 등의 응용에 유용하다.
도 1은 워크피스를 전극으로 사용하여, 평면 워크피스를 세척하기 위한 병렬판 전극 결합 구조(parallel plate electrode geometry)를 도시한 개략도.
도 1a는 워크피스의 세척을 위한 다른 실시예의 병렬판 전극 결합 구조를 도시한 개략도.
도 2는 평면의 병렬 전극 사이에 부유하는 전기 전도성 워크피스의 세척용 병렬판 전극 결합 구조를 도시한 개략도.
도 3a는 두 개의 평면의 리액터 병렬 전극 사이에 발생된 플라즈마에서 전기 절연 워크피스의 세척용 병렬판 리액터를 도시한 개략도.
도 3b는 두 개의 평면의 병렬판 전극 사이에 발생된 플라즈마에서 워크피스의 세척용으로 다른 실시예의 병렬판 리액터를 도시한 개략도.
도 4는 모울드 이미지(mold-image)를 제2 전극으로 사용하는 전기 전도성 워크피스의 3차원(만곡된) 표면의 근방의 플라즈마를 발생시키기 위한 리액터를 도시한 개략도.
도 5a 및 5b는 플라즈마를 발생시키기 위해 병렬 스트립 전극과 함께 정형 모울드 이미지(conforming mold-image)를 사용하여 3차원(만곡된) 표면 근방의 플라즈마를 발생시키기 위한 리액터를 도시한 개략도.
도 5c는 병렬 스트립 전극을 사용하여 플라즈마를 발생시키기 위한 병렬판 리액터의 개략도.
도 5d는 플라즈마의 발생에서 병렬 스트립 전극에 의해 생성된 전계 라인의 개략도.
도 6의 (a) 및 (b)는 종래 세척된 및 플라즈마 세척된 연강(mild steel) 표면의 접촉 각도 및 습윤성을 비교하는 정면도.
도 7은 밀폐된 플라즈마 세척 시스템의 개략도.
본 발명은 1 대기압에서 동작 가능한 글로우 방전 플라즈마를 사용함으로써, 금속 및 플라스틱을 포함한 표면을 종래 방법에서 실행 가능한 것보다 더 높은 세척도까지 세척하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
플라즈마는 약 1 대기압에서 대기 또는 다른 가스에서 형성될 수 있다. 또한, 플라즈마는 필요에 따라, 대기압 이하 또는 이상의 압력에서 형성될 수 있다. 글로우 방전 플라즈마가 형성가능한 공기와 다른 가스가 사용될 수도 있다. 이러한 가스에는 -국한되는 것은 아니지만- 이산화질소, 이산화탄소, 질소, 및 공기와의 혼합물 뿐만 아니라 헬륨, 네온 및 아르곤 등의 불활성 가스(noble gases)가 포함된다. 필요하다면, 20％까지의 산소가 전술한 가스에 혼합될 수 있다.
3차원 워크피스의 광범위한 표면은 본 발명에 따라 플라즈마 세척될 수 있다. 워크피스는 금속, 중합체, 플라스틱, 종이 또는 다른 재료로 이루어질수 있으며, 대기압 또는 그 부근에서 동작하는 능력은 저압(진공) 플라즈마 세척법에 요구되는 바와 같이 일괄 처리 또는 값비싼 진공 시스템의 사용을 불필요하게 한다.
전극 및 플라즈마는 플라즈마가 공기 중에서 발생될 때 노출될 수 있다. 생성된 가스에의 노출에 따른 잠재하는 환경적 또는 직업적 위험 등의 응용에 있어서, 본 발명에 따라 처리된 장치 및 워크피스는 보호 장벽으로 둘러싸일 수 있다. 예를 들면, 이하 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 플렉시글라스시트(plexiglassheet) 등의 재료로 되어 있고 장비 및 워크피스를 포함하기 위한 밀봉부가 쉽게 제공되어, 자외선 장애를 최소화하고 워크피스 외에 한정된 노출 영역으로부터 해로운 부산물(by-product) 가스 또는 활성 종의 누출을 최소화할 수 있게 된다. 사용될 경우, 밀봉부는 처리될 워크피스용의 적절한 입구 및 출구를 가질 수 있다. 플라즈마 가스가 대기와 다른 경우, 밀봉부는 처리 가스를 보유함과 동시에 주변 매체가 처리 영역을 벗어나는 것을 방지하는 추가 기능을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 워크피스의 플라즈마 세척용 장치(1)를 도시한다. 이 목적을 위해, 정상 상태의 균일한 1 기압 플라즈마(2)는 한 쌍의 전극(3, 4) 상이에 발생된다. 세척될 전기 전도 표면(즉, 워크피스)은 전극(3)의 하나로서 작용하며, (다양한 적정 재료 및 전기 전도체의 임의의 것으로 형성된) 병렬 표면(4)은 대향 전극(count electrode)으로서 작용한다. 이하 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 표면(4)은 평면 워크피스의 경우에 평면과 만곡되거나 3차원 워크피스의 경우에 정형 모울드 이미지 중의 하나가 될 수 있다.
워크피스는 요구되는 바와 같이, 외면이나 내면(예로, 중공관(hollow tube) 내부) 상에서 발생되는 플라즈마를 가질 수 있다. 예를 들면, 도 1a는 한 쌍의 전극(3, 4)을 포함한 장치(1')를 도시하며, 그 중의 하나, 전극(3)은 워크피스이다. 이 경우, 워크피스의 내면이 세척된다. 이러한 목적을 위해, 절연 지지부는 워크피스를 대향 전극으로부터 분리하는데 사용된다.
전극(3, 4) 중의 적어도 하나는 아아크(arcing)를 방지하도록 절연되는(예를 들어, 산화물이나 유리 등의 유전체(dielectric), 불꽃 살포된 산화물(flame sprayed oxide), 실리콘계 페인트 등으로 코팅되는) 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 1a의 대향 전극(4)은 절연용으로 유리판을 포함한다.
전도성 표면(3) 및 그의 정형 병렬 전극(4)은 각각 무선 주파수(RF) 전원(5)의 출력의 반대 위상에 접속된다. 당업자에게 공지된 기술에 따라 전극의 임피던스 부하 및 관련 전원을 정합시키기 위한 (즉, 유효 전력 전송을 최대화하기 위한)적절한 정합망(6)이 제공된다.
저 주파수 이온 트래핑 메카니즘을 사용하여 플라즈마를 생성하기 위하여, 본 발명에 따라 양호한 바와 같이, RF 전압은 대기중에 약 10㎸/㎝ 이상의 전극들 간에 파괴 전계를 발생시키기에 충분히 높은 것이어야 한다. RF 전압은 또한 플라즈마의 이온(하지만, 전자는 아님)이 전극들 간에 트랩되는 주파수에 있어야 한다. 이를 실현하기 위한 통상의 주파수는 약 100㎐ 내지 약 30㎑의 범위에 있다. 이러한 방식에서, 플라즈마의 + 이온 함량이 조성되어, 플라즈마 용적(volume)을 남기는 것이 자유롭고 전극 표면 상에서 수집되거나 재결합하는 전극들과 쌍극성 준 중성(ambipolar quasi-neutrality)을 발생시키게 된다. 또한, 전극이 1/2 사이클동안 전극들 사이에 트랩될 경우, 바람직하지 않은 섬유 방전이 발생될 수 있다. 단지 이온만이 트랩될 경우, 이는 정상 상태의 준 중성 균일의 글로우 방전 플라즈마가 RF 전극 사이에 워크피스를 형성하게 하도록 작용한다.
도 2는 본 발명에 따라 워크피스를 플라즈마 세척하기 위한 장치(10)의 다른 실시예를 도시한다. 장치(10)는 실질적으로 도 1의 장치(1)에 대응한다. 하지만, 이 경우, 쌍으로 된 (또는 정형) 금속 전극(11, 12)은 전술한 바와 같이 플라즈마를 생성하는데 사용되며, 워크피스(13)는 두 전극(11, 12) 사이에 전개된 플라즈마 용적(14)에 위치한다. 그 경우, 워크피스(13)는 소정의 응용에 적합함에 따라 전기 접지(15)되거나, 바이어스(16)된다. 워크피스(13)는 더 이상 동작 전극 중의 하나로서 작용하지 않기 때문에, 장치(10)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 대향 전극(11,12) 사이에 적절하게 위치한 전기 절연성 워크피스의 플라즈마 세척에 사용될 수도 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 접지 중앙 스크린을 전극(11, 12) 사이에 위치시키는 것도 가능하며, (요구될 경우, 두 분리 워크피스 또는 동일 워크피스의 양측을 세척하는데 사용될 수 있는) 플라즈마를 함유하기 위한 두 분리 영역을 생성한다. (워크피스를 지지하기 위해) 선택된 지지부가 전개된 (워크피스 처리용) 플라즈마와 간섭하는 것을 피하기 위해 인접 전극의 표면에 충분히 근접하게 유지된다면, 웨브(web), 직물 및 박막이 그러한(지지부로서의) 목적용으로 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따라 만곡되거나 3차원 워크피스를 플라즈마 세척용 장치(20)의 다른 실시예를 도시한다. 장치는 전부, 워크피스의 외형(contour)을 따라 형성되는 전극을 제외하고는 전술한 바에 대응한다. 이 목적을 위해, 워크피스(21)는 전극들 중의 하나로서 유리하게 작용한다. 대향 전극(22)은 도시된 바와 같이, 워크피스(모울드 이미지)의 외형을 따라 정형되는 외형으로 제공된다. 이 모드에서, 각 전극(21, 22)은 전술한 바와 같이, 무선 주파수(RF) 전원(5)의 출력의 반대 위상에 접속된다.
도 5a 및 5b에도 예시된 바와 같이, (다른 점에서는 도 4의 장치(20)와 유사한) 플라즈마 세척 장치(20')의 대향 전극(22')은 세척될 워크피스의 외형을 따라 워크피스의 모울드 이미지로서 실현되는 것이 유리하다. 이 구성에서, 워크피스(21)(예를 들면, 만곡되거나 3차원 워크피스)는 전극들 중의 하나로서 다시 작용하며, 대응하여 형성된 대향 전극(22')와 결합된다. 대향 전극(22')은 상호 이격되어 병렬로 되어 있는 복수의 스트립 전극(24)이 배치되어 있는 절연 표면(23)으로서 실행된다. 이러한 물리적 배치의 두 가지 변형이 가능하며, 이들 각각은 전기 접속의 특성 모드를 갖는다. 도 5a에 도시된 제1 모드에서, 절연된 금속 표면(23)은 RF 전원의 한 위상에 접속되며, 모든 스트립 전극(24)은 RF 전원의 반대 위상에 병렬 접속된다. 이러한 구성은 스트립 전극(24) 및 금속 표면(23)(그들 간의 절연층 아래에 있음) 간의 아아치를 이루는 전계 라인으로 준 정전형 쌍극 결합 구조(quasi-electrostatic dipolar geometry)를 발생시킨다. 도 5b에 도시된 제2 모드에서, (전기 전도적이거나 전기 절연적인) 절연 표면(23')은 플로우팅(오픈)하거나 접지되거나 하며, 다른 병렬 전극 스트립(24)은 RF 전원의 반대 위상에 접속된다. 이러한 구성은 인접한 병렬 스트립(24) 사이에 아아치를 이루는 전계 라인으로 쌍극 정전형 결합 구조를 발생시킨다. 도 5c는 평판 전극 상의 플라즈마를 생성하도록 상이한 구성으로 전원(5)과 접속될 수 있는 평판으로서 형성된 기판에 스트립 전극(24)을 동일하게 인가하는 것을 도시한다.
도 5a 및 5b의 실시예에서, RF 전압은 플라즈마를 생성하는데 충분한 모울드 이미지의 표면 상에 전계를 발생시키기에 충분히 높은 전압이다. 이는 도 5c의 평판 실시예에 유사하게 적용될 것이다. 이에 대해 약 10㎸/㎝의 전계 레벨은 1기압에서 충분하다. 저 주파수 이온 트래핑 메카니즘에 있어서, RF 주파수는 비교적 낮은 것으로 약 100㎐ 내지 약 30㎑에 해당한다. 도 5d를 참조하면, 주파수는 RF 발진의 1/2 사이클동안 전극들 간의 전계 라인 상에 트랩되기에 충분히 낮지만, (균일한 플라즈마 대신에 섬유 방전 형성을 유발할 수 있는) 유사 트랩 전극에 대해서는 충분히 높은 것은 아니다.
본 발명에 따라 모울드 이미지를 사용하면, 더욱 단순하고 평면적인 워크피스 뿐만 아니라 2차원 또는 3차원 곡률로 복잡한 워크피스를 세척하는데 유용하다. 플라즈마 생성 모울드 이미지는 절연적인지 전기 전도성인지에 따라 복잡한 3차원 워크피스를 세척하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 세척 처리는 1 기압(예를 들면, 10 토르 내지 20 바아(bar)의 범위 내) 또는 그 부근에서 상기 개시된 것과 같은 수단 또는 등가 수단에 의해 정상 상태의 균일한 글로우 방전 플라즈마를 발생시키는 단계, 및 적정 시간 주기동안 워크피스의 표면을 플라즈마의 활성 종에 노출시키는 단계를 포함한다. 이런 방식으로, 탄화수소, 오일, 산화물, 병원체(pathogenic organisms), 단단하게 결합된 분자층, 및 산소(또는 다른 활성 종)와 반응하게 될 가상의 것 등의 오염물은 세척, 살균 및 요구되는 표면과의 결합을 위해 금속, 플라스틱, 중합체, 웨브 및 박막, 종이 등을 포함한 다수의 재료 중 임의의 것으로부터 제거될 수 있다.
일반적으로 몇 분 정도의 노출 시간이면 충분하다. 이러한 노출의 결과, 금속의 (부동 물방울 테스트: Sessile Water Drop Test에 의해 측정되는 바와 같은) 특수 증류수가 (도 6a에 도시된 바와 같은) 약 90°에서 (도 6b에 도시된 바와 같은) 약 10°이하의 값까지 향상될 수 있다. 물방울 접촉 직경은 마찬가지로 약 3㎜에서 약 10㎜ 이상으로 향상될 수 있다. 이러한 접촉 각도의 저하는 재료의 표면으로부터 결합 분자층을 제거함에 따른 예측되는 결과로써, 표면을 전례없는 세척도 상태에 있게 한다. 달리 말하면, 이는 우수한 살균에 이르게 하며, 페인트의 본딩, 전기 도금층, 접착, 및 다른 형태의 코팅을 우수하게 한다.
워크피스 노출의 지속성은 플라즈마 밀도(전력 밀도)의 변화에 관련되며, 이러한 밀도의 변화에 따라 조절될 수 있다. 예를 들면, 소정의 세척 효과(물 접촉 각도)는 더 긴 기간(7 내지 10분)동안 보다 낮은 전력 밀도 플라즈마(1㎽/㎤정도)를 인가하고, 더 짧은 기간(몇초)동안 더 높은 전력 밀도 플라즈마(100㎽/㎤정도)를 인가함으로써 달성될 수 있다. 이는 또한 보다 더 오염된 표면을 보다 덜 오염된 표면보다 보다 더 오랫동안 세척하게 하는 표면의 초기 세척 상태에 의존한다. 실제로, 인가된 전압은 플라즈마 전력 밀도보다 작은 임계치이다. 유용한 전계는 일반적으로, 1 내지 12㎸/㎝(예를 들어, 헬륨과 같은 가스에 대해 2.5㎸/㎝, 공기와 같은 가스에 대해 8.5㎸/㎝ 정도의 전계 인가)의 범위에 있다.
양호한 작용 가스는 비용을 들이지 않고서 이용가능하며, 탄화수소 머시닝 오일의 흡수 분자층(각종 표면 코팅, 접착 및 본딩을 방해하는 금속의 일반적인 오염물)을 제거하기 위해 산화 활성 종을 제공할 수 있다. 기화(gasify)될 수 있는 가상의 것이 필요에 따라 사용될 수도 있다. 여러 가지 경우에 산소, 산소 혼합물 또는 산소 분자를 포함한 가스들이 가장 효과적이다. 하지만, 흡수된 분자층들이 다른 종류의 활성 종을 필요로 하는 재료들로 구성될 때, 다른 작용 가스들이 적절하다. 예를 들면, 수소 및 다른 환원(reducing) 가스는 환원 분위기가 존재하는 분자층을 제거하도록 요구될 경우에 사용될 수 있는 반면, 헬륨이나 다른 불활성 가스는 화학적 활성의 결핍이 유리할 경우에 사용될 수 있다.
도 7은 대기와 다른 가스로부터 유출된 활성 종을 사용하는 본 발명에 따라 워크피스(26)를 플라즈마 세척하기 위한 장치(25)의 실시예를 도시한다. 장치(25)는 실질적으로 도 2의 장치(10)에 대응한다. 하지만, 이 경우, 전극(11, 12)을 포함한 영역은 작업 공기(즉, 특수 인가용으로 선택된 가스)를 함유하기 위한 적절한 밀봉부(27)에 의해 싸여진다. 밀봉부(27)는 플렉시글라스시트 또는 유리 등의 등가 재료들로 형성되는 것이 바람직하며, 이들은 관찰용으로 투명할 뿐만 아니라 대기를 함유하여 (플라즈마의) 자외선 방사를 흡수하는 능력에 관해서는 모두 만족스럽다. 필요하다면, 금속 밀봉부가 사용될 수도 있다. 입구(28)는 작업 가스를 수신하기 위해 제공되며, 대응 출구(29)는 (공지된 다른 방식으로) 작업 가스의 방전을 위해 제공된다. 밀봉부(27)는 또한 작업 가스가 공기일 때 전술한 바와 같이 하강 압력에서 또는 상승 압력에서 사용될 수 있다.
예
다음은 1 기압 균일의 글로우 방전 플라즈마 세척의 일례로서 제공되며 본 발명을 예시하고 있으나, 본 발명의 범위로 한정하는 것으로 고려되지는 않는다.
본 발명의 플라즈마 세척 처리는 대기중에 1 기압에서 수행된다. (평면 평행 기하의) 평탄한 금속 샘플은 RF 전극(즉, 도 1의 장치) 중의 하나로서 사용되었다. 샘플은 6×8 ㎝, 1.5㎜ 두께이고, 자동차 산업에서 널리 사용된 연강 제1철로 이루어진다. 이들 샘플은 두 상태에 도달한다. 수용되는 것과 같은 상태에서, 샘플들은 아직 최종 버핑 및 연마에 이어 세척되거나 처리되지 않는다. 세척된 상태에서, 샘플은 먼저 전매 세제(proprietary detergent)로 세척된 후, 산욕으로 세척된다. 두 샘플 세트는 모두 물방울 테스트에서 70°내지 90°의 접촉 각도를 생성하였다.
그리고 나서, 두 샘플 모두 3∼6분 동안 대기중에 1 기압 균일의 글로우 방전 플라즈마에 노출된다. 이러한 노출은 처리되지 않은 70° 내지 90°부터 10°이하의 수치까지 물 접촉 각도를 감소시킨다. 이러한 지속 기간이 변하는 동안, 공기 플라즈마에 노출되는 3분은 접촉 각도의 큰 감소 및 (샘플과의 본딩을 감소시키는 역할을 할 수 있는) 흡수된 (대개, 탄화수소) 분자층의 확실한 제거를 초래하기에 충분히 긴 기간임은 명백하다.
동일한 조건하의 유사 테스팅은 알루미늄, 스테인레스 스틸, 플라스틱 및 플라스틱 막을 포함한 다양한 재료들로 행해지며, 동일 결과는 30 내지 60초와 같은 짧은 노출 시간으로 달성된다. 이러한 테스트 샘플들은 감지할 수 없을 정도의 감쇠 표시도(indication of degradation)로 3개월 이상 동안 낮은 물 접촉 각도, 및 습윤성을 보유한다.
본 발명의 특성을 설명하기 위하여 설명 및 예시된 부분의 세부적인 여러 변화, 재료 및 배치는 당업자에 의해 첨부한 청구의 범위에 표현된 바와 같은 발명의 원리 및 범위 내에서 가능함이 이해된다. 예로서, 본 발명의 향상된 점에 의해 뉴스프린트(신문 인쇄 용지)를 신속하게 건조(및 고정)시켜 연속 사용시의 얼룩을 방지하는데 사용 가능함을 알 수 있다.

Claims (56)

  1. 세척된 기판을 제공하기 위해 워크피스(workpiece)의 표면으로부터 오염물(contaminants)을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    1 기압 또는 그 부근에서 동작할 수 있는 정상 상태의 균일한 글로우 방전 플라즈마(steady-state uniform glow discharge plasma)를 발생시키는 단계, 및
    설정된 기간 동안 발생된 플라즈마에 상기 오염물을 가진 표면을 노출시켜, 상기 오염물을 제거하여 상기 세척된 기판을 생산해내는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 1 기압에서 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 10토르(torr) 내지 20바아(bar)의 압력에서 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 무선 주파수 전원으로 상기 플라즈마를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 100㎐ 내지 30㎑의 주파수에서 상기 무선 주파수 전원을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 1 내지 12㎸/㎝의 전계를 갖는 플라즈마를 제공하도록 상기 무선 주파수 전원을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 전계 내에 전자를 트래핑하지 않고서 상기 전계 내에 이온을 트래핑하기 위한 전계를 발생시키기 위해 상기 무선 주파수 전원을 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 마이크로파 전원으로 상기 플라즈마를 발생시키는 단계를 더 포함하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 대기중에 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마는 헬륨, 네온 및 아르곤을 포함한 불활성 가스, 산화질소, 이산화탄소, 질소, 그의 혼합물 및 산소 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 가스로 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 오염물은 탄화수소, 오일, 산화물, 병원체(pathogenic organisms), 결합된 분자층(bound monolayers) 및 산소 반응물로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 워크피스는 금속, 플라스틱, 중합체, 종이, 웨브 및 박막으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 살균된 기판을 생산하기 위해 상기 워크피스의 표면으로부터의 상기 오염물을 제거함으로써 상기 워크피스를 살균하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 세척된 기판에 코팅제를 가하여, 접착성이 향상된 상기 세척된 기판에 상기 코팅제를 본딩하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 코팅제는 페인트, 접착제 및 전기 도금층으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 세척된 기판은 특수 증류수(characteristic distilled water)가 시약되어, 부동 물방울 테스트(Sessile Water Drop Test)에 의해 측정되는 바와 같이 10도 미만의 접촉 각도를 형성해 내는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 워크피스는 평면 워크피스이고, 한 쌍의 병렬판 전극 사이에 상기 플라즈마를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 전극들 중의 하나는 상기 워크피스인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 병렬판 전극들 간에 상기 워크피스를 지지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 워크피스는 전기 전도체이고, 상기 워크피스를 상기 전극에 대하여 바이어스하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제19항에 있어서, 상기 워크피스는 전기 전도체이고, 상기 워크피스를 상기 전극에 대하여 접지시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 워크피스는 전기 절연체인 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제1항에 있어서, 상기 워크피스는 3차원 형태를 가진 전기 전도체이고, 제1 전극으로서 작용하는 상기 워크피스와 상기 워크피스의 형태에 대응하는 형태를 가진 모울드 이미지로서 형성되는 제2 전극 사이에 상기 플라즈마를 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제1항에 있어서, 상기 워크피스는 3차원 형태이고, 상기 워크피스의 형태에 대응하는 형태를 갖고, 플라즈마 생성 전원과의 접속용 복수의 스트립 전극을 수용하는 절연 표면으로 구성된 모울드 이미지로 상기 플라즈마를 발생시키는 단계, 및 상기 모울드 이미지에 의해 생성된 상기 플라즈마에 상기 워크피스를 노출시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제1항에 있어서, 소정의 압력에서 플라즈마 생성 가스를 수용하기 위한 보호 장벽으로 상기 플라즈마 및 상기 워크피스를 밀봉하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  26. 제1항의 방법에 따라 생산되는 세척된 기판.
  27. 제26항에 있어서, 상기 기판의 표면이 살균되는 것을 특징으로 하는 기판.
  28. 제26항에 있어서, 상기 기판의 표면이 마이크로전자 컴포넌트인 것을 특징으로 하는 기판.
  29. 제26항에 있어서, 상기 기판의 표면은 페인트, 접착제 및 전기 도금층으로 구성된 그룹에서 선택된 본딩 코팅제를 수용하는 것을 특징으로 하는 기판.
  30. 세척된 기판을 제공하기 위해 워크피스의 표면으로부터 오염물을 제거하기 위한 장치에 있어서,
    1 기압 또는 그 부근에서 동작할 수 있는 정상 상태의 균일한 글로우 방전 플라즈마를 전극들 사이에 있는 가스에서 발생시키기 위함과 동시에 상기 전극들 사이에 위치한 상기 기판의 표면으로부터 오염물을 제거하기 위한 쌍으로 된 전극에 관련된 전원을 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제30항에 있어서, 상기 전원의 임피던스와 상기 전극의 임피던스를 정합시키도록 상기 전원 및 상기 전극을 접속하는 정합 회로(matching network)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제30항에 있어서, 상기 전원은 무선 주파수 전원인 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 무선 주파수 전원은 100㎐ 내지 30㎑의 주파수로 발진하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제33항에 있어서, 상기 무선 주파수 전원 및 전극은 1 내지 12㎸/㎝의 전계를 가진 플라즈마를 발생시키도록 결합하는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제33항에 있어서, 상기 무선 주파수 전원 및 상기 전극은 전자를 트래핑하지 않고서 이온을 트래핑하기 위한 전계를 발생시키도록 결합하는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제30항에 있어서, 상기 전원은 마이크로파 전원인 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제30항에 있어서, 상기 워크피스는 평면 워크피스이고, 상기 전극들은 병렬판 전극인 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 전극들 중의 하나는 상기 워크피스인 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제37항에 있어서, 상기 병렬판 전극들 사이에 상기 워크피스를 지지하기 위한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  40. 제39항에 있어서, 상기 워크피스는 전기 전도체이고, 상기 워크피스를 상기 전극들에 대하여 바이어스하기 위한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  41. 제39항에 있어서, 상기 워크피스는 전기 전도체이고, 상기 워크피스를 상기 전극에 대하여 접지시키기 위한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  42. 제39항에 있어서, 상기 워크피스는 전기 절연체인 것을 특징으로 하는 장치.
  43. 제30항에 있어서, 상기 워크피스는 3차원 형태를 가진 전기 전도체이고, 상기 전극들 중의 제1 전극은 상기 워크피스이며 상기 전극들 중의 제2 전극은 상기 워크피스의 형태에 대응하는 형태를 가진 모울드 이미지인 것을 특징으로 하는 장치.
  44. 제30항에 있어서, 상기 워크피스는 3차원 형태이고, 상기 전극들은 상기 워크피스의 형태에 대응하는 형태를 가지며 상기 플라즈마 생성 전원과의 접속용 복수의 스트립 전극을 수용하는 절연 표면으로 구성된 모울드 이미지에 관련되는 것을 특징으로 하는 장치.
  45. 제44항에 있어서, 상기 절연 표면은 절연 재료로 코팅된 전기 전도형 재료이고, 상기 전기 전도형 재료는 상기 쌍으로 된 전극들 중의 제1 전극에 대응하며, 상기 스트립 전극들의 병렬 접속 결합부는 상기 쌍으로 된 전극들 중의 제2 전극에 대응하는 것을 특징으로 하는 장치.
  46. 제44항에 있어서, 상기 절연 표면은 전기 절연 재료이고, 상기 스트립 전극의 제1 부류(grouping)는 상기 쌍으로 된 전극들 중의 제1 전극에 대응하도록 병렬 접속되며, 상기 스트립 전극들의 제2 부류는 상기 쌍으로 된 전극들 중의 제2 전극에 대응하도록 병렬 접속되고, 상기 제1 부류 및 제2 부류는 교류 스트립 전극들로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  47. 제30항에 있어서, 상기 가스는 1 기압에 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  48. 제30항에 있어서, 상기 가스는 공기인 것을 특징으로 하는 장치.
  49. 제30항에 있어서, 상기 워크피스 및 상기 전극들을 둘러싸서 상기 가스를 밀폐시키기 위한 보호 장벽을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  50. 제49항에 있어서, 상기 가스를 10토르 내지 20바아의 압력으로 유지시키기 위한 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 장치.
  51. 제49항에 있어서, 상기 가스는 헬륨, 네온 및 아르곤을 포함한 불활성 가스, 산화질소, 이산화탄소, 질소, 그의 혼합물 및 산소 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  52. 제30항에 있어서, 상기 오염물은 탄화수소, 오일, 산화물, 병원체, 결합 분자층, 및 산소 반응물로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  53. 제30항에 있어서, 상기 워크피스는 금속, 플라스틱, 중합체, 웨브 및 박막으로 구성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장치.
  54. 상기 표면으로부터 오염물을 제거함으로써 상기 워크피스의 표면을 살균하기 위한 제30항의 장치의 사용.
  55. 마이크로전자 컴포넌트의 상기 표면을 제공하기 위한 제30항의 장치의 사용.
  56. 페인트, 접착제 및 전기 도금층으로 구성된 그룹에서 선택된 본딩 코팅제를 상기 워크피스의 표면이 수용하게 하기 위한 제30항의 장치의 사용.
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