KR20020086792A - 플라즈마중합처리장치의 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마중합처리장치의 전극에 관한 것이다. 챔버 내에서 플라즈마 방전에 의하여 기재의 표면을 중합처리하는 플라즈마중합처리장치에 있어서, 본 발명은 중합반응시 스파터링이 일어나지 않도록 상기 전극의 재료로 티타늄을 사용하고, 상기 전극의 구조를 탄화물의 형성이 적어 장시간 사용할 수 있고 전극에 전하가 일부분에 집중되지 않고 전류밀도가 균일한 메쉬(Mesh)형태 구조로 하여 방전시 전극에 탄화가 일어나더라도 균일성을 유지하여 플라즈마중합처리 제품의 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 고품질의 플라즈마 증착이 가능한 플라즈마중합처리장치의 전극을 제공한다.

Description

플라즈마중합처리장치의 전극{ELECTRODE OF PLASMA POLYMERIZATION APPARATUS}

본 발명은 플라즈마중합처리장치의 전극에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 전극은 금속, 고분자, 세라믹 등의 표면 처리에 사용되어 기재의 표면을 개질시키거나 새로운 막질을 형성시켜 기재의 활용도를 배가시키는 플라즈마중합처리장치에 사용된다.

일반적으로 방전에 의한 플라즈마를 이용하여 금속판 등의 기재 표면을 처리할 때 경도, 내마모성 등이 뛰어난 피복층이 형성된다. 피복층이 형성된 제품은 자기디스크, 광디스크, 초경질공구 등으로 사용된다. 또한 강철판 표면에 형성된 도장막에 플라즈마처리를 하면 경질화되고, 내구성, 내식성 등이 뛰어난 도장 강판이 얻어진다.

종래의 플라즈마중합처리장치의 예로 WO 99/28530에 개시된 장치가 있다. 상기 장치의 구성은 크게 진공 챔버(20), 상기 챔버 내에 설치된 전극(4), 상기 진공 챔버의 압력을 조절하기 위한 진공 펌프(5, 6), 진공도를 측정하기 위한 계기(7, 8), 상기 전극에 전위차를 발생시키기 위한 전력공급장치(40), 표면처리 하고자 하는 기재(4a) 주위에 반응성 가스 및 질소와 같은 비반응성 가스를 주입하는 반응가스 조절장치(9, 10)로 이루어져 있다.

챔버(20)에 기재(4a)를 설치하고 로터리 펌프(5)를 기동하여 챔버 내부의 압력이 약 10^-3Torr 정도의 진공으로 유지되는 것을 열전대게이지(ThermocoupleGauge)(7)로 확인한 후, 확산펌프(6)를 기동시켜 챔버 내부의 압력이 10^-6Torr 정도로 유지되는 것을 이온게이지(8)로 확인한다. 기재는 전원(40)에 의하여 애노드(또는 능동 전극)로 바이어스되어 위치하며, 반대쪽 전극(4)은 접지 되어 있다. 챔버의 압력이 일정 진공으로 유지되면 반응성 가스와 비반응성 가스를 원하는 위치 주위에 차례로 주입한다. 상기 가스의 혼합비는 열전측정기의 압력으로 조절한다. 진공 챔버 내의 압력이 일정 압력이 되면 직류 또는 고주파로 방전시킨다. 그러면 직류 또는 고주파에 의하여 발생된 플라즈마 내에서 상기 가스들의 분자 결합이 끊어지게 되고, 끊어진 체인과 활성화된 양이온이나 음이온들이 결합하여 전극 사이에 놓아둔 기재 표면에 중합물을 형성하게 된다.

상기 플라즈마중합 반응시 고전압의 인가로 인해 상기 반응가스의 반응과 함께 이온의 충돌에 의해 전극에서 스파터링(Sputtering)이 일어나게 되어 전극의 부식이 증가하게 되며 이로 인해 전극의 수명이 단축되며 양질의 표면처리를 이룰 수 없게 된다. 또한, 상기 종래의 플라즈마중합처리장치는 일반적으로 판(Plate)상의 전극(도 2 참고)을 구비하고 있다. 판상의 전극에는 DC 방전시 전극이 일정한 면적을 유지하는 판상의 형태를 띠고 있을 때 방전시 전류의 전하량은 전극 가장자리에 집중하게 된다. 이 경우 전극의 가장자리에는 중합되는 방전가스의 탄화 (Carbonization)가 일어나기 쉬운 반면, 전극의 중앙부에서는 탄화가 잘 일어나지 않는다. 전극 면적의 각 위치에 따라 발생되는 탄화의 정도가 상이하게 되면 전극의 불균일로 인하여 챔버내의 방전이 불안정하게 되고, 아크(Arc)발생이 심하게 되어 플라즈마 중합처리되는 제품의 품질이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

또한, 띠형(Band-type) 금속재에 대하여 플라즈마중합처리를 연속적으로 수행하는 장치에 있어서는, 생산성을 향상시키기 위하여 전극의 면적도 커지게 되는데 전극면적이 커지게 되면 전극 부위별로 전류밀도 차이가 발생하게 되어 증착되는 물질의 균일성이 떨어지게 된다.

본 발명의 목적은 플라즈마중합처리장치의 전극의 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 재료와 구조를 가지는 전극을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 플라즈마중합처리장치를 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래의 기술에서 사용하는 판상의 전극에 대한 평면도이다.

도 3a는 각종 금속의 스파터링 일드(Sputtering Yield)를 나타낸 도표이다.

도 3b는 전극을 구리(Cu)와 티타늄(Ti) 재료를 사용하여 내부식 성능을 평가한 결과를 나타낸 도표이다.

도 4a는 본 발명의 일 실시례로 전극구조가 3×6㎜메쉬(Mesh)구조를 이룬 티타늄(Ti)으로 된 전극을 나타낸 것이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 전극을 20시간 사용후의 모습을 나타낸 것이다.

본 발명은 플라즈마중합처리장치의 전극에 관한 것으로, 전극재료를 스파터링 일드가 낮은 것을 사용하여 중합처리시 스파터링이 일어나지 않으며, 전극구조를 메쉬형태로 하여 전하가 일부분에 집중되지 않고 전류밀도가 균일하게 할 수 있고 방전시 전극에 탄화가 일어나더라도 균일성을 유지하는 플라즈마중합 처리장치의 전극을 제공한다. 특히, 상기 전극의 재료로서 무게가 가볍고 강도, 내식성이 우수하며, 고온에서 열변형이 없는 경금속인 티타늄(Ti)이 우수하다.

방전에 의한 플라즈마 중합시 플라즈마중합처리되는 기재뿐만 아니라 전극에도 플라즈마중합이 일어난다. 일정시간 이상 계속하여 플라즈마중합처리하게 되면 전극에 형성된 중합막은 탄화가 일어나며, 작업이 계속되면 중합과 탄화가 반복적으로 발생하게 된다. 플라즈마중합처리시 사용되는 전극은 주로 구리(Cu)이며, 판상의 형태가 일반적이다. 판상의 금속을 전극으로 사용하게 되면 DC전원의 인가시 전류의 전하량이 전극 가장자리에 많이 모이기 때문에 전극 가장자리에서는 중합된막의 탄화가 쉽게 발생하지만, 전극 중앙부에는 중합막의 탄화가 잘 발생하지 않는다. 이러한 전극의 불균일성은 방전을 불안정하게 만들고 특히 아크 발생이 심해 중합처리되는 제품의 품질이 떨어지게 된다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 메쉬형태의 전극 구조를 도입함으로써 전극의 균일성을 유지하고 따라서 전극 부위별 전류밀도, 탄화의 정도 등이 균일하게 하여 플라즈마중합처리 제품의 품질을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상기와 같은 구조를 가진 전극에 있어서도 플라즈마 중합처리시 이온의 충돌에 의해 스파터링(Sputtering)되는 문제가 있다. 이에 본 발명은 상기 메쉬 형태의 구조와 함께 스파터링 일드가 낮은 금속을 사용함으로써 스파터링 현상을 줄임으로써 플라즈마중합처리 제품의 품질을 한층 더 향상시킬 수 있다.

본 발명의 구체적인 내용을 실시례를 통하여 도면과 함께 설명한다. 도 3a는 전극 재료인 각종 금속에 대한 스파터링 일드(Sputtering Yield)를 나타낸 것이다. 도 3a와 같이 기타 금속에 비하여 티타늄(Ti)이 스파터링 일드가 낮음을 알 수 있다. 티타늄은 경금속으로 무게가 가볍고 강도, 내식성이 우수하며, 고온에서 열변형이 없는 것으로 알려져 있다. 도 3b는 구리(Cu)와 티타늄(Ti)의 내부식 성능을 평가하기 위하여 Impedance Spectrum Analyzer(Maker:Zahner,IM6)로 분석한 결과를 나타낸 도표인데, 티타늄 재료가 구리에 비해 성능이 우수함을 알 수 있다. 따라서 전극 재료로서 티타늄을 사용하는 경우 스파터링을 줄일 수 있다.

도 4a 및 4b는 티타늄의 전극으로 메쉬(Mesh) 형태를 이루고 있는데, 여기서 메쉬 크기는 3×6 ㎜로 도 4a는 플라즈마중합처리전의 전극을 나타내고, 도 4b는플라즈마 중합을 연속으로 20시간 사용 후의 전극을 나타낸다. 도 4b에서 볼 수 있듯이 탄화물이 균일하게 형성되어 탄화물을 제거하지 않고도 장시간 사용할 수 있다. 즉 티타늄의 전극을 메쉬 형태로 함으로써 플라즈마중합처리 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 재료와 구조를 가진 전극을 플라즈마중합 처리장치에 사용함으로써, 방전시 전극에 탄화가 일어나더라도 균일성을 유지하며 고품질의 플라즈마 증착이 가능할 뿐만 아니라, 탄화물의 형성이 적어 탄화물을 제거하지 않고 장시간 사용할 수 있다. 특히, 전극을 티타늄으로 사용함으로써 다른 재료의 전극에 비해 스파터링 일드가 낮아 양질의 표면처리를 이룰 수 있다.

Claims (1)

1. 챔버 내에서 플라즈마 방전에 의해 기재의 표면을 중합처리하는 플라즈마중합처리장치에 있어서, 상기 챔버 내의 전극의 재료는 티타늄이며, 전극의 구조는 메쉬 형태인 것을 특징으로 하는 플라즈마중합처리장치의 전극.