KR20040026881A - 플라즈마 챔버장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마챔버 장치에 관한 것이다. 본 발명에서 플라즈마 중합반응이 일어나는 플라즈마챔버(110)의 일측단부에는 반응가스가 공급되는 가스인렛(116)이 구비되어 있고, 타측단부에는 상기 공급된 가스가 빠져나가는, 상기 가스인렛(116) 근처의 가스 유동단면적보다 그 단면적이 작은 통로인 가스아웃렛(119)이 구비되어 있다. 상기 가스인렛(116)과 가스아웃렛(119) 사이에는 유동가이드(120)가 플라즈마챔버 출구(115) 측에 상대적으로 근접해서 설치된다. 상기 유동가이드(120)에는 가스인렛(116)으로부터 가스아웃렛(119)으로 가스의 유동을 위한 복수개의 통기공(202)이 천공되어 있다. 상기 복수개의 통기공(202)은, 유동가이드(120)의 중앙부분보다 양 측단 부분에 형성된 것이 상대적으로 사이 간격이 좁게 천공되어 있다.

Description

플라즈마 챔버 장치{Plasma Chamber Apparatus}

본 발명은 플라즈마챔버에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 플라즈마챔버에서의 가스의 흐름을 균일하게 유지시켜 중합반응이 균일하게 일어나게 하는 플라즈마챔버 장치에 관한 것이다.

고체상태의 물질은 열을 가하게 되면 액체, 기체 상태로 변화하게 되며 기체상태에서도 열을 더 가하게 되면 원자상태로 해리되는 과정을 거친다. 상기 해리과정을 거친 원자는 중성핵으로 부터 전자가 이탈한 전리기체 상태가 되는데 이러한 상태는 기체와는 다른 독특한 성질을 가지므로 제 4의 상태인 플라즈마 상태라고 한다.

고온이 유지되는 플라즈마 상태에서는 물질은 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 상태로 존재하여 전하분리도는 상당히 높으면서도 음과 양의 전하수가 같아서 전체적으로 중성을 띠게 된다. 상기 플라즈마 상태에서는 전자는 플라즈마로부터 이탈하려고 해도 양이온의 극성에 이끌려 벗어나지 못하게 된다.

상기와 같은 플라즈마 상태를 이용하여 시료의 표면처리를 하는 플라즈마 챔버의 구조와 그 작용을 살펴보면 다음과 같다.

도 1에는 일반적인 연속처리 플라즈마 중합장비의 구성이 도시되어 있다. 이에 도시된 바에 따르면, 공급챔버(1)의 내부에는 롤형상으로 감겨진 시료(3)가 구비되어 아래에서 설명될 플라즈마챔버(7)로 연속적으로 공급된다. 도면부호 5는 전력공급장치이다.

상기 플라즈마챔버(7)의 내부에서는 플라즈마 중합에 의해 상기 시료(3)의표면에 중합물이 증착되는 플라즈마공정이 진행된다.

상기 플라즈마챔버(7) 내에는 표면에 고분자 중합물을 증착하기 위한 시료(3)가 놓인다. 상기 시료(3)를 사이에 두고 대향하여 한 쌍의 전극(9)이 설치된다. 상기 시료(3)는 전원에 의해서 애노드(+) 캐소드(-)로 바이어스(bias)된 곳에 위치되고, 상기 전극(9)은 접지되어 있다. 그리고, 상기 상하의 전극(9)과 일정 간격을 두고 시료(3)가 전극 사이를 통과하게 된다. 상기 전원(5)은 직류 또는 고주파 교류를 상기 플라즈마챔버(7) 내에 공급한다.

한편, 상기 플라즈마챔버(7)의 일측에는 그 내부로 반응성가스를 공급하기 위한 가스인렛(10)이 구비된다. 그리고 상기 플라즈마챔버(7)에는 내부를 진공으로 만들기 위한 확산 펌프(diffusion pump)(17)와 로터리 펌프(rotary pump)(19)가 연결되어 설치된다. 상기 확산 펌프(17)와 로터리펌프(19)에 의해서 플라즈마챔버(7)의 진공 정도를 측정하는 열전쌍 진공계(thermorcouple gauge)와 이온 게이지(ion gauge)(도시되지 않음)가 상기 플라즈마챔버(7)에 연결되어 설치된다.

상기 플라즈마챔버(7)에서 플라즈마 중합반응을 마쳐 플라즈마 중합물이 증착된 시료(3)는 권취챔버(22)로 전달되고, 상기 권취챔버(22)에서는 상기 시료는 다시 롤 형상으로 감겨지게 된다. 도면 부호 20은 가스아웃렛이다.

다음은, 상기와 같이 구성되는 플라즈마를 이용한 시료 표면 처리장치에 의한 고분자 중합물이 시료에 증착되는 과정에 대하여 설명한다.

상기와 같이 구성되는 플라즈마 중합장치를 이용하여 시료(3)에 고분자 중합물을 증착하기 위하여, 플라즈마챔버(7) 내부에 시료(3)를 설치한다. 그리고, 상기 확산펌프(17)와 로터리펌프(19)를 기동시켜서 플라즈마챔버(7) 내부의 압력을 저감하고 저진공으로 만든다.

구체적으로는, 상기 플라즈마챔버(7)에 부착된 열전쌍 진공계(thermocouple gauge)와 이온 게이지(ion gauge)로 플라즈마챔버(7) 내의 진공도를 확인하면서, 상기 확산펌프(17)와 로터리펌프(19) 작동에 의해서 플라즈마챔버(7) 내의 압력을 10^-3Torr이하로 유지시킨다.

상기 플라즈마챔버(7)의 압력이 일정 진공도로 유지되면, 소정량의 반응성 가스를 상기 가스인렛(10)을 통해서 상기 플라즈마챔버(7) 내부로 주입시킨다. 상기 가스인렛(10)을 통해서 소정량의 반응성 가스가 플라즈마챔버(7) 내부로 주입되었을 때, 상기 시료(3)에 상기 전원(5)에 의해서 직류 또는 고주파 교류를 인가한다.

상기 전원(5)에 의해서 상기 시료(3)에 직류 또는 고주파 교류가 인가되면, 상기 반응성 가스는 방전에 의해서 전리되어 플라즈마 상태로 된다.

상기와 같이 반응성 가스가 플라즈마 상태로 되고, 활성화된 양이온 또는 음이온들이 결합하여 플라즈마 중합물을 생성하고, 전극(9) 사이에 위치하는 시료(3) 표면 또는 전극(9)에 중합물이 증착된다. 특히, 고전위를 가지는 시료(3) 표면에는 음이온이 증착되기 쉽고, 전극(9)에는 양이온이 증착되기 용이하다.

상기 플라즈마를 이용한 시료(3) 표면 처리는, 플라즈마챔버(7) 내에 진공을 인가하고, 합성하고자 하는 물질의 모노머(monomer)들로 된 반응성 가스를 일정량 플라즈마챔버(7) 내부로 주입한 후, 전원(5)를 사용하여 직류 또는 고주파로 방전시켜 그 반응성 가스의 플라즈마를 발생시킨다.

상기 반응성 가스의 플라즈마 중에서 소정의 이온들이 시료(3) 또는 전극(9)으로 이동하여 그 위에 소정의 고분자 중합체를 합성시킨다.

이 때, 시료(3)에 증착된 물질의 표면은 모노머의 종류, 직류 전류·전압, 고주파 전력 및 증착 시간에 따라 여러가지 다른 화학적 결합이 이루어진다. 그리고, 표면강도, 접착, 흡착, 친수성, 소수성과 같은 필요한 물성을 가지는 고분자 중합물을 시료(3)의 표면에 증착시킴으로서, 시료(3)의 고유한 성질에는 영향을 주지 않고 시료(3)의 표면을 개질시킬 수 있다.

그리고, 상기 플라즈마챔버(7)에서 플라즈마 중합반응을 마친 시료(7)는 권취챔버(22)로 전달된다. 상기 권취챔버(22)에서는 상기 시료(3)가 다시 롤 형상으로 감겨지게 된다.

그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술에는 다음과 같은 문제점이 있다.

상기 플라즈마챔버(7)에서 플라즈마중합반응이 일어나기 위해서는, 플라즈마챔버(7) 내부 전체에서 가스흐름이 균일하게 이루어져야 한다. 하지만, 상기 플라즈마챔버(7)는 상기 가스인렛(10) 측의 유동단면적이 가스아웃렛(20) 측의 유동단면적보다 크다. 따라서, 상기 가스인렛(10)에서 플라즈마챔버(7)의 내부로 공급된 가스는 그 유동의 하류로 가면서 유동단면적이 작은 가스아웃렛(20) 쪽으로 집중하여 유동된다. 즉, 도 2에서 A영역을 통과하여 유동되는 가스는 항상 일정하나, B와 C영역을 통과하여 유동되는 가스는 그 유동의 하류부로 가면서 가스아웃렛(20)의 방향으로 치우치게 된다.

이와 같은 가스의 유동에 의해 시료의 양단부에 해당되는 부분에서는 중합반응이 균일하게 일어나지 않게 된다. 따라서 시료 표면 전체에 중합반응이 균일하게 되지 않아 제품의 품질이 균일하게 유지되지 못하는 문제점이 발생한다.

본 발명의 목적은, 플라즈마 공정 중에서 사용되는 반응성 가스를 균일하게 공급하는 플라즈마챔버 장치를 구현하는 것이다.

도 1은 일반적인 연속처리 플라즈마 중합장치의 구조를 보여주는 구조도.

도 2는 종래의 플라즈마챔버의 가스흐름의 유형도.

도 3은 본 발명에 관한 플라즈마챔버 장치의 바람직한 실시예의 구조도.

도 4는 본 발명 실시예를 구성하는 가스흐름 유형도.

도 5는 본 발명 실시예 유동가이드의 상세구조도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100.........공급챔버 102...........시료

110.........플라즈마챔버 112...........전극

114.........입구 115...........출구

116.........가스인렛 117...........유확산펌프

118.........로터리펌프 119...........가스아웃렛

120.........유동가이드 122...........통기공

130.........권취챔버

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 플라즈마챔버 장치는, 입구와 출구를 구비하고, 내부에서 플라즈마 중합반응이 일어나는 플라즈마챔버와; 상기 플라즈마챔버에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와; 상기 플라즈마챔버의 내부에 설치되어 플라즈마 중합반응을 위한 플라즈마 방전을 수행하는 전극과; 상기 출구에 근접해서 설치되고 상기 플라즈마챔버를 구획하며, 반응가스의 통과를 위해 중앙부분에는 상대적으로 간격이 넓고, 양단부에는 상대적으로 간격이 좁은 복수개의 통기공이 천공된 유동가이드를 포함하여 구성된다.

본 발명에 관한 실시예에서는, 상기 유동가이드의 양단부는 출구의 방향으로 치우쳐서 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 플라즈마챔버 내부의 가스의 흐름과 중합반응이 균일하게 일어나게 되고, 균일한 친수성능을 갖는 고품질의 플라즈마 중합 제품을 얻을 수 있게 된다.

이하 본 발명에 의한 플라즈마챔버 장치의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 플라즈마챔버 장치를 구비하는 플라즈마 중합장비의 구성을 보인 구성도이고, 도 4는 유동가이드가 설치된 플라즈마챔버의 구조도이다. 그리고, 도 5는 유동가이드의 상세구조도이다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 공급챔버(100)의 내부에는 롤형상으로 권취된 시료(102)가 구비된다. 상기 공급챔버(100)에 구비된 시료(102)는 연속적으로 아래에서 설명될 플라즈마챔버(110)의 내부로 공급된다.

상기 공급챔버(100)와 연결되어 상기 시료(102)를 공급받도록 플라즈마챔버(110)가 구비된다. 상기 플라즈마챔버(110)의 내부에서는 플라즈마 중합반응이 일어나서 시료(102)의 표면에 중합물이 형성된다. 상기 플라즈마챔버(110)의 내부에는 직류 또는 고주파 방전을 위한 전극(112)이 구비된다. 상기 전극(112)은 상기 시료(102)의 양표면과 서로 마주보도록 소정 간격을 두고 서로 평행하게 설치된다.

상기 플라즈마챔버(110)에는 상기 공급챔버(100)와 연통되는 입구(114)가 일측에 구비되고, 그 반대쪽에는 출구(115)가 형성된다. 상기 출구(115)는 아래에서 설명될 권취챔버(130)와 연통된다. 상기 플라즈마챔버(110)의 입구(114) 측에는 플라즈마챔버(110)의 내부로 가스를 공급하는 가스인렛(116)이 구비된다.

상기 플라즈마챔버(110)의 내부를 진공으로 유지하기 위한 유확산펌프(117)와 로터리펌프(118)가 구비된다. 상기 가스인렛(116)을 통해 플라즈마챔버(110)의내부로 공급된 가스는 상기 출구(115)측에 구비되는 가스아웃렛(119)를 통해 플라즈마챔버(110)의 외부로 배출된다.

상기 플라즈마챔버(110)의 내부에는 상기 출구(115)에 근접한 위치에 유동가이드(20)가 구비된다. 상기 유동가이드(120)는 상기 플라즈마챔버(110)의 내부를 유동하는 가스가 플라즈마챔버(110) 전체에서 균일하게 유동되도록 하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 유동가이드(120)는 상기 플라즈마챔버(110)의 내부에서 가스가 빠져나가는 가스아웃렛(119)의 근처에 설치되어야 한다.

상기 유동가이드(120)는 플라즈마챔버(110) 상에서 중앙부분(L2)은 가스의 유동경로와 직각을 이루지만 양측단(L1)에서는 가스아웃렛(119)의 방향으로 경사지게 절곡되어 형성된다.

상기 유동가이드(120)를 관통하여서는 다수개의 통기공(122)이 천공되어 있다. 여기서 상기 통기공(122)은 상기 중앙부분(L2)에서는, 도 5에 잘 도시된 바와 같이, 그 간격(L4)이 상대적으로 넓게 형성된다. 그리고, 상기 양측단(L1)에서는 상기 통기공(122) 사이의 간격(L3)이 상대적으로 좁게 형성된다. 이는 상기 양측단(L1)을 통해 보다 많은 양의 가스가 통과할 수 있도록 하기 위함이다.

한편, 상기 유동가이드(120)의 양측단(L1)은 상기 가스아웃렛(119)을 향해 소정 각도로 절곡되어 있다. 이는 상기 양측단(L1)을 통과한 가스가 상기 가스아웃렛(119)을 향해 원활하게 유동되도록 하기 위함이다.

다음으로 상기 출구(115)와 연통되게 권취챔버(130)가 구비된다. 상기 권취챔버(130)에는 상기 플라즈마챔버(110)를 통과한 시료(102)가 다시 롤 형상으로 권취되는 부분이다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 플라즈마 중합이 일어나는 플라즈마챔버 장치의 작용을 설명하기로 한다.

플라즈마 중합을 통해 중합물이 표면에 증착되는 시료(102)는 롤 형태로 감겨져서 공급챔버(100)로부터 플라즈마챔버(110)의 입구(114)를 통해 플라즈마챔버(110)의 내부로 공급된다. 반응가스가 가스인렛(116)을 통해서 유입이 되고 시료에 전극(112)으로부터 전원이 인가된다. 그리고 플라즈마 중합반응이 시작된다.

이때, 상기 플라즈마챔버(110)의 내부는 플라즈마 중합반응이 일어나기에 적합한 환경으로 되어 있다. 즉 상기 플라즈마챔버(110)의 내부로 반응성가스가 공급되고 유확산펌프(117)와 로터리펌프(118)로 진공으로 유지되며, 상기 전극(112) 을 통해 방전이 일어나게 된다.

상기와 같은 환경에서 상기 플라즈마챔버(110)의 내부에 플라즈마가 형성되고 상기 시료(102)의 표면에는 중합물이 증착된다. 이때 상기 전극(112)에서 방전되어 상기 시료(102)로 전달되는 전류밀도는 시료(102) 전체에 대해 일정하게 유지된다.

본 실시예에서는 유동가이드(120)의 통기공(202)으로 가스가 지나게 되면서 각 지점에서 같은 압력으로 빠져나가기 때문에, 반응가스는 보다 균일하게 시료(102)에 공급된다. 그 결과 플라즈마중합반응도 전체 면적에 걸쳐서 균일하게 일어나게 되고, 이로 인해 전체 품질이 균일한 플라즈마 중합물을 얻을 수 있게 된다. 상기 플라즈마 중합체가 증착된 시료(102)는 권취챔버(130)로 전달된다. 상기 권취챔버(130)에서 상기 시료(102)는 롤 형태로 감겨지게 된다.

본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 특허청구범위에 의해 정해지며, 당업자가 특허청구범위에 기재된 사항과 균등범위에서 행한 다양한 변형과 개작을 포함하는 것임은 자명하다.

본 발명에서는 상기와 같은 구성의 유동가이드를 설치하여 플라즈마챔버 내부 중앙부분에서의 가스의 유동과 측단부에서의 가스의 유동이 균일하게 하여 플라즈마챔버 내부에서의 가스의 흐름을 균일한 상태로 유지시킨다. 그 결과 중합반응이 균일하게 일어나게 되고, 또한 균일한 친수성능을 갖는 고품질의 플라즈마 중합물을 얻게 된다.

Claims (2)

1. 입구와 출구를 구비하고, 내부에서 플라즈마 중합반응이 일어나는 플라즈마챔버와;

   상기 플라즈마챔버에 반응가스를 공급하는 반응가스 공급부와;

   상기 플라즈마챔버의 내부에 설치되어 플라즈마 중합반응을 위한 플라즈마 방전을 수행하는 전극과;

   상기 출구에 근접해서 설치되고 상기 플라즈마챔버를 구획하며, 반응가스의 통과를 위해 중앙부분에는 상대적으로 간격이 넓고, 양단부에는 상대적으로 간격이 좁은 복수개의 통기공이 천공된 유동가이드를 포함하여 구성되는 플라즈마챔버 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 유동가이드의 양단부는 출구의 방향으로 치우쳐서 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마챔버 장치.