KR20040031719A - 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한장치 및 방법 - Google Patents

필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온주입에 의한 전처리 과정을 통해 필름상 중합체(polymer)와 금속이온과의 결합력을 향상시키고 필름상 중합체 표면의 평활도를 유지시킨 후 MO 소스(Metal Organic source)와 함께 주입되는 금속이온과 스퍼터(sputter)로부터 주입되는 금속이온을 ECR(Electron Cyclotron Resonance)용 마그네틱의 마이크로파에 의해 미립화하여 필름상 중합체 표면에 증착함으로써 필름상 중합체의 고유물성에 영향을 주지 않으면서도 필름상 중합체 표면에 두꺼운 금속박막을 형성할 수 있으며, 절곡이나 접힘으로 인한 금속박막의 박리나 단선을 막을 수 있다.

Description

필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치 및 방법{Continuous surface-treating apparatus for film shape polymer and continuous surface-treating method thereof}
본 발명은 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 이온주입에 의한 전처리 과정을 거친 필름상 중합체(polymer) 표면에 MO 소스(Metal Organic source)와 함께 주입되는 금속이온과 스퍼터(sputter)로부터 주입되는 금속이온을 ECR(Electron Cyclotron Resonance)용 마그네틱의 마이크로파에 의해 미립화하여 증착할 수 있도록 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
종래에는 여러 형태의 중합체에 금속박막을 형성하는 방식으로 금속에 바이어스(bias)를 인가하여 형성되는 이온을 중합체에 스퍼터링(sputtering)하는 방식과 플라즈마(plasma)를 이용하여 금속을 기화시켜 증착하는 방식과 금속을 녹여 증착(evaporation)하는 방식 등이 실용화되고 있었다.
실용화된 종래기술 중 중합체에 금속을 증착하는 방법은 금속 이온화에 따른 수백 ??의 열을 방출하므로 모재인 중합체에 영향을 미쳐 중합체의 고유물성 변화로 인해 물성이 떨어지고, 고온의 열로 인해 형상 자체의 변형 등이 초래되고 있어 실용화에 문제가 일어나고 있다.
또한 박막을 형성할 때 중합체와 금속이온 사이의 결합력의 결여로 인해 다른 중금속 이온을 증착하여 결합력 향상시킨 후 증착하려는 금속이온을 증착하여야만 증착이 가능하다. 하지만 이러한 공정을 거치더라도 이온화된 금속이온의 증착의 접착력이 떨어져 중합체와 금속이온이 쉽게 박리되며, 증착되는 금속이온의 두께가 두꺼워질수록 입자의 크기가 커지므로 중합체에서 쉽게 박리될 뿐만 아니라 금속박막에 크랙(crack)이 발생하는 등의 문제가 일어나고 있다.
또한 습식법에 의한 도금의 경우 도금되는 중합체가 한정되어 있고 이에 따른 중합체의 물성 저하, 변형 및 유해물질의 발생 등 환경오염의 문제가 일어나고 있다.
상기한 바와 같은 문제들을 해결하기 위한 본 발명은 중합체의 특성 및 종류에 관계없이 상온에서 화학증착이 쉽게 이루어지며 이온화된 금속이온의 입자크기가 매우 작아 중합체에 증착된 후 절곡이나 접힘에도 불구하고 금속박막의 박리가 없으며, 공유결합에 의한 금속이온의 증착으로 중합체와의 접착력(걸합력)을 향상시켜 다른 중금속 이온층을 형성하지 않고도 중합체 표면에 증착된 금속이온의 박리 및 크랙이 일어나지 않도록 하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 한정된 형태의 중합체에 대해 증착할 수 있는 습식법의 한계에서 벗어나 필름상 중합체에 금속박막을 형성함에도 불구하고 중합체의 고유물성을 그대로 유지하면서도 인체나 환경 등에 유해한 물질의 발생을 억제할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
도1은 본 발명에 의한 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치를 나타낸 개략도이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
1 : 필름상 중합체 10 : 전처리 챔버
11 : 공급 롤러 12 : 가이드 롤
13, 35, 55 : 분위기가스 공급원 14, 43, 63 : 고주파전력발생장치
15, 44, 64 : 매칭박스 16, 41, 61 : 안테나
17, 46, 66 : 그리드 18 : 음전압 발생장치
19, 31, 51, 75 : 로터리 펌프 20 : 브라켓
21 : MFC 30, 50 : 처리 챔버
32, 52 : 터보 펌프 33, 53 : 롤러
34, 54, 76 : 가이드 롤 36, 56 : 버블러
37, 57 : 히터 38, 40, 58, 60 : 분배기
39, 59 : ECR 소스 공급원 42, 62 : ECR용 마그네틱
45, 65 : 스퍼터 47, 67 : 바이폴라 펄스 음전압 발생장치
70 : 인출 챔버 71 : 권취 롤러
72, 73 : 보조 롤러 74 : 보호용 필름
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 장치는, 필름상 중합체에의 이온주입과 금속박막의 형성 및 처리과정을 마친 필름상 중합체를 권취하기 위한 공간으로 구획되고 밀폐된 다수의 챔버와, 상기 각 챔버들의 내부압력을 이온주입과 금속박막의 형성을 위한 압력으로 조절하는 로터리 펌프와 터보 펌프로 이루어진 압력 조절수단과, 롤 형상으로 감겨진 필름상 중합체가 장착되는 공급 롤러와 표면을 전도체가 감싸고 있으며 필름상 중합체의 이송을 유도하기 위한 다수의 롤러 및 처리과정을 마친 필름상 중합체가 권취되는 동력원을 가지는 권취 롤러가 각 챔버의 중앙부에 배치되고, 상기 이송되는 필름상 중합체의 장력을 유지시켜 주며 상기 필름상 중합체의 이동경로를 형성하기 위한 가이드 롤이 필름상 중합체(1)의 이동경로를 따라 상기 각 챔버 내부와 각 롤러 주변에 설치된 필름상 중합체 이송수단과, 상기 전처리 챔버와 처리 챔버 내에 플라즈마 형성을 위한 분위기가스를 공급하기 위한 분위기가스 공급원이 연결되고 상기 분위기가스 공급원과 각 챔버를 연결해 주는 연결라인 상에 가스량을 조절하기 위한 조절수단이 장착된 분위기가스 공급수단과, 상기 전처리 챔버와 처리 챔버 내에 위치하고 필름상 중합체와 일정거리 이격되게 배치된 안테나에 매칭박스를 통해 고주파전력발생장치로부터 공급되는 고주파 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 고주파전력 공급수단과, 상기 전처리 챔버 내의 필름상 중합체 이동경로와 일정거리 이격되게 그리드가 설치되고 상기 그리드에 이온을 집속하기 위한 DC 펄스 음전압을 공급하는 음전압 발생장치가 접속된 이온주입수단과, 상기 분위기가스와 함께 히터에 의해 기화된 버블러의 MO 소스를 상기 처리 챔버에 공급하는 MO 소스 공급수단과, 상기 처리 챔버 내부에 연결되고 스퍼터링(sputtering) 방식에 의해 생성된 금속이온을 상기 처리챔버 내로 주입하는 스퍼터(sputter)와, 상기 처리 챔버 내부에 연결되고 상기 MO 소스를 미세한 금속이온으로 치환시키기 위한 ECR 소스를 공급하는 ECR 소스 공급수단과, 상기 분위기가스와 함께 주입되는 MO 소스와 스퍼터로부터 주입되는 금속이온을 상기 ECR 소스와 고전력발생장치와 연결된 ECR용 마그네틱에서 발생되는 마이크로파에 의해 미세한 금속이온으로 치환시키는 ECR 발생수단 및 상기 처리 챔버 내의 롤러를 감싸고 이송되는 필름상 중합체와 일정거리 이격되게 바이폴라 그리드가 배치되고, 상기 바이폴라 그리드와 롤러 표면의 전도체에 상기 ECR 발생수단에 의해 형성된 금속이온을 집속시키기 위한 바이폴라 펄스 음전압을 공급하는 바이폴라 펄스 음전압발생장치가 연결된 금속이온 증착수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 분위기가스 공급원이 상기 MO 소스가 수용된 버블러(bubbler)를 경유하거나 통과(pass)해서 처리 챔버 내에 연결되도록 구성되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 처리 챔버 내의 안테나를 중심으로 MO 소스를 포함하는 분위기가스와 ECR 소스를 공급하기 위한 분배기가 일정간격을 두고 이중으로 배치되고, 상기 안테나의 후방에는 ECR용 마그네틱이 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 필름상 중합체 표면에 금속박막을 형성하기 위한 처리 챔버가 두 개로 구획되고, 상기 두 개의 처리 챔버는 하나의 필름상 중합체의 서로 다른 면에 금속박막을 동시에 연속적으로 형성할 수 있도록 대칭되게 배치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 로터리 펌프와 터보 펌프를 상기 챔버에 연결해 주는 경로에는 상기 챔버의 내부압력에 따라 개폐되는 밸브가 장착되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 의한 방법은, 고진공 플라즈마 상태에서 필름상 중합체의 이동경로와 일정간격을 두고 배치된 그리드에 DC 펄스 음전압을 가해 이온을 집속시켜 필름상 중합체의 표면에 이온을 주입하는 제1단계와, 상기 이온 주입된 필름상 중합체가 이송된 후 고진공 플라즈마 상태에서 MO 소스와 스퍼터로부터 주입된 금속이온을 ECR 마그네틱에 고주파 전력을 가해 미세한 금속이온으로 치환하는 제2단계와, 상기 필름상 중합체의 이동경로와 일정간격을 두고 배치된 바이폴라 그리드와 필름상 중합체가 타고 이송되는 롤러 표면의 전도체에 바이폴라 펄스 음전압을 가해 챔버 내의 금속이온을 집속시켜 필름상 중합체 표면에 금속박막을 형성하기 위한 금속이온을 증착하는 제3단계 및 상기 금속박막이 형성된 필름상 중합체의 표면에 보호용 필름을 대고 권취 롤러에 권취하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 전처리 챔버에서 이온주입과정만이 이루어지는 동안에는 상기 처리 챔버 내에 분위기가스만이 주입되고, 상기 처리 챔버 내에서 금속박막이 형성되는 동안에는 분위기가스와 함께 기화된 MO 소스가 처리 챔버 내에 주입되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 MO 소스는 구리, 니켈, 금, 알루미늄, 은, SnOx, In2O2, ITO 중 선택된 하나인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 분위기가스는 아르곤가스인 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 ECR 소스는 수소가스인 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도1을 참조하면 본 발명에 의한 장치는 이온주입에 의한 필름상 중합체(1)의 전처리과정이 이루어지는 전처리 챔버(10)와 필름상 중합체(1) 표면에 금속이온을 증착하기 위한 두 개의 처리 챔버(30)(50) 및 전처리 챔버(10)와 처리 챔버(30)(50)에서의 처리과정을 마친 필름상 중합체(1)를 권취 롤러(71)에 권취하는 인출 챔버(70) 등을 갖는다. 물론, 각 챔버(10)(30)(50)(70)들은 밀폐된 상태가 유지되며, 별도의 처리과정이 이루어지지 않을 경우 여닫을 수 있는 문(door)을 갖는다.
상기 전처리 챔버(10)와 처리 챔버(30)(50) 및 인출 챔버(70)는 서로 연결되어 있으나, 플라즈마 산란방지를 위해 필름상 중합체(1)가 이동할 수 있는 최소한의 공간만을 남기고 나머지 공간은 브라켓(20)에 의해 차단되어 있다. 또한, 전처리 챔버(10)와 인출 챔버(70)에 각각 로터리 펌프(19)(75)가 연결되고 처리 챔버(30)(50)에 로터리 펌프(31)(51)와 터보펌프(32)(52)가 연결되어 있어, 각 펌프의 선택적인 구동에 따라 챔버(10)(30)(50)(70)의 내부압력의 이온주입이나 금속박막의 형성에 적합한 압력으로 조절할 수 있다.
특히, 각 챔버(10)(30)(50)(70)와 로터리 및 터보펌프(19)(31)(32)(51)(52)(75) 사이에 자동 혹은 수동으로 개폐되는 스로틀 밸브(throttle valve)가 장착되어 있어, 각 챔버(10)(30)(50)(70)에서 이루어지는 이온주입과 금속박막의 형성과정에 따라 스로틀 밸브를 선택적으로 개폐시켜 내부압력을 조절할 수 있다.
상기한 챔버(10)(30)(50)(70)들 중 전처리 챔버(10)의 중앙에는 롤 형상으로 감겨진 필름상 중합체(1)를 장착할 수 있는 공급 롤러(roller)(11)가 위치하고 있으며, 내부의 네 귀퉁이와 처리 챔버(30)와 연결되는 부위에는 공급 롤러(11)에서 풀린 필름상 중합체(1)가 전처리 챔버(10)에 형성된 고진공 플라즈마에 노출된 상태에서 일정시간 동안 전처리 과정을 마친 후 처리 챔버(30)로 이동할 수 있도록 필름상 중합체(1)의 이송과 시간 지연을 유도하기 위한 가이드 롤(guide pin)(12)들이 설치되어 있다.
여기서, 공급 롤러(11)에 도면에는 도시되지 않았으나 댐퍼(damper)를 장착함으로써 공급 롤러(11)에 감겨진 필름상 중합체(1)가 과도하게 풀리지 않고 일정한 장력을 가지고 일정한 속도로 풀리게 된다.
바람직하게는 공급롤러(11)와 두 개의 롤러(33)(53) 및 권취롤러(71)에 각각 독립 또는 연동되는 구동모터를 장착하고, 각 롤러(11)(33)(53)(71)를 타고 이송되는 필름상 중합체(1)의 장력이나 필름상 중합체(1)의 처리를 위한 시간에 따라 구동모터를 선택적으로 구동시켜 필름상 중합체(1)가 일정한 장력을 가지고 이송될 수 있도록 할 수 있다. 물론, 도면에는 도시되지 않았으나, 필름상 중합체(1)의 중간에는 별도의 장력을 감지할 수 있는 센서가 부착되어 있어, 이 센서에 의해 감지된 필름상 중합체(1)의 장력에 따라 구동모터의 회전을 제어할 수 있다. 물론 두개의 롤러(33)(53)에 장착된 구동모터는 필름상 중합체(1)의 장력에 관계없이 필름상 중합체(1)의 처리속도에 따라 연동해서 구동되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 전처리 챔버(10)에는 플라즈마 형성을 위해 아르곤(Ar)가스와 같은 분위기가스를 공급하기 위한 분위기가스 공급원(13)이 연결되어 있는데, 이 분위기가스 공급원(13)으로부터 공급되는 분위기가스는 분위기가스 공급원(13)과 전처리 챔버(10) 사이에 장착되어 있는 MFC(Mass Flow Controller)(21)에 의해 10 내지 750 sccm의 양으로 전처리 챔버(10) 내로 주입된다.
또한, 전처리 챔버(10)에는 고주파전력발생장치(14)와 매칭박스(15) 및 안테나(16)가 구비되어 있는데, 이들은 플라즈마 형성을 위해 전처리 챔버(10) 내에 위치하고 있는 가이드 롤(12)을 타고 이송되는 필름상 중합체(1)의 주변에 이온이 3차원적으로 형성되도록 필름상 중합체(1)의 이송경로와 일정거리 떨어지게 배치된 안테나(16)에 고주파 전력을 공급하기 위한 것이다.
그리고 전처리 챔버(10)에는 필름상 중합체(1) 이송경로를 따라 상하 혹은 좌우에 배치된 그리드(17)에 DC 펄스 음전압을 공급하기 위한 음전압 발생장치(18)가 연결되어 있다. 이때 DC 펄스 음전압이 가해지는 그리드(17)는 도면에 도시한 바와 같이 가이드 롤(12)을 타고 이송하는 필름상 중합체(1) 표면에 이온주입을 위해 필름상 중합체(1)의 이동경로를 감싸고 있다. 특히 전처리 챔버(10) 내에 존재하는 이온들이 그리드(17)에 가해지는 DC 펄스 음전압에 의해 집속되어 필름상 중합체(1)의 양면에 주입될 수 있도록 필름상 중합체(1)의 양면과 일정간격을 두고 배치되어 있다. 물론 각 챔버(10)(30)(60)들은 절연(insulation)상태를 유지하고 있고 이에 양극의 바이어스가 인가되어 있다.
상기한 전처리 챔버(10)와 연결되고 서로 대칭되게 배치된 처리 챔버(30)(50)의 중앙부에는 필름상 중합체(1)의 이송을 유도하기 위한 롤러(33)(53)가 설치되고 표면을 전도체가 감싸고 있는 롤러(33)(53)의 주변에는 롤러(33)(53)를 타고 이송되는 필름상 중합체(1)가 롤러(33)(53)를 완전히 감싸면서 이송되어 필름상 중합체(1) 표면에 금속박막이 균일하게 형성되도록 유도하기 위한 가이드 롤(34)(54)들이 배치되어 있다. 이외에도 전처리 챔버(10)에서 처리 챔버(30) 혹은 처리 챔버(30)에서 처리 챔버(50) 그리고 처리 챔버(50)에서 인출 챔버(70)로 이송되는 필름상 중합체(1)의 원활한 이송을 유도하기 위한 다수의 가이드 롤들이 필름상 중합체(1)의 이동경로를 유지하고 있다.
특히, 처리 챔버(30)와 처리 챔버(50)는 하나의 필름상 중합체(1)의 서로 다른 양면에 각각 금속박막을 동시에 연속적으로 형성할 수 있도록 서로 대칭된 형상을 갖는다. 즉, 두 개의 롤러(33)(53)와 이를 타고 이송되는 필름상 중합체(1)가 맞닿는 면이 서로 다르다.
상기 처리 챔버(30)(50)에는 아르곤 가스와 같은 분위기가스를 공급하기 위한 분위기가스 공급원(35)(55)이 연결되어 있는데, 이는 MO 소스(metal organic source)를 공급하는 버블러(bubbler)(36)(56)를 경유하거나 통과(pass)해서 연결될 수 있도록 구성되어 있으며, MO 소스와 분위기가스가 주입되는 처리 챔버(30)(50) 내부에는 이들이 넓은 공간에 고르게 주입될 수 있도록 분배기(38)(58)가 설치되어 있다. 물론, 버블러(36)(56)의 일측에는 버블러(36)(56)에 저장된 MO 소스를 가열하여 기화시키기 위한 히터(37)(57)가 장착되어 있음은 당연하다.
또한 처리 챔버(30)(50)에는 수소와 같은 ECR 소스를 공급하기 위한 ECR 소스 공급원(39)(59)이 연결되어 있으며, 이 ECR 소스 역시 처리 챔버(30)(50) 내에 상기 분배기(38)(58)와 인접되게 설치된 분배기(40)(60)를 통해 주입되므로 넓은 공간에 고르게 주입되어 MO 소스의 활발한 치환을 유도한다.
상기 기화된 금속입자를 포함하는 분위기가스와 ECR 소스를 처리 챔버(30)(50)로 이송하는 경로에는 도면에는 도시되지 않았으나 분위기가스와 ECR 소스의 주입량을 조절하기 위한 별도의 MFC(Mass Flow Controller)가 장착되어 있어, 분위기가스를 10 내지 750 sccm의 양으로 그리고 MO 소스를 1.3 내지 3.5 mTorr의 압력으로 주입할 수 있다.
또한 MO 소스와 ECR 소스가 주입되는 분배기(38)(40)(58)(60)의 중앙부에는 플라즈마 형성을 위한 고주파 전력이 인가되는 안테나(41)(61)가 장착되고, 분배기(38)(40)(58)(60)의 후방에는 자기공명에 의한 마이크로파 형성을 위한 ECR용 마그네틱(42)(62)이 장착되어 있고, 상기 안테나(41)(61)와 ECR용 마그네틱(42)(62)에는 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파전력발생장치(43)(63)와 매칭 박스(44)(64) 등이 연결되어 있다. 여기서, ECR용 마그네틱(42)(62)에 공급되는 고전력은 300 내지 1,500 W와 60 Hz의 주파수 특성을 갖는다.
그리고 처리 챔버(30)(50)에는 스퍼터링 방식에 의해 생성된 금속이온을 공급하기 위한 스퍼터(sputter)(45)(65)가 구비되어 있다. 상기 스퍼터(45)(65)로부터 주입된 금속입자는 ECR용 마그네틱(42)(62)이 위치한 공간으로 이동되어 마이크로파에 의해 보다 미세한 금속입자로 변하게 된다.
뿐만 아니라 처리 챔버(30)(50)의 중앙에 위치한 롤러(33)(53)의 주변에는 금속이온이 필름상 중합체(1) 표면에 균일하게 증착되도록 일정간격을 두고그리드(46)(66)가 설치되어 있는데, 이는 처리 챔버(30)(50) 내에 존재하는 금속이온을 필름상 중합체(1) 이송경로를 향하는 방향으로 집속시키기 위한 것으로서 이 바이폴라 그리드(46)(66)와 롤러(33)(53) 표면을 감싸고 있는 전도체에는 -500 내지 -5 KV의 바이폴라 펄스 음전압을 공급하기 위한 바이폴라 펄스 음전압 발생장치(47)(67)가 연결되어 있어, 그리드(46)(66)와 롤러(33)(53) 표면에 동일한 전위가 형성되어 금속이온의 집속에도 불구하고 스파크가 형성되지 않는다.
상기 처리 챔버(50)와 연결된 인출 챔버(70)의 중앙에는 금속박막이 형성된 필름상 중합체(1)가 최종적으로 권취되는 권취 롤러(71)가 도시되지 않은 동력원인 구동모터와 연동되게 설치되어 있다. 또한 권취 롤러(71)의 전단에는 두 개의 보조 롤러(72)(73)가 장착되어 있는데, 이는 가이드 롤(76)을 타고 권취 롤러(71)에 감겨지는 필름상 중합체(1)의 한쪽 면 또는 양면에 형성된 금속박막을 보호하기 위한 보호용 필름(74)을 공급하는 것이다.
상기한 도1에 의해 필름상 중합체에 금속박막이 형성되는 과정을 설명한다.
먼저, 전처리 챔버(10)의 공급 롤러(11)에 장착된 필름상 중합체(1)가 전처리 챔버(10)에서의 이온주입에 이어 다수의 가이드 롤(12)(34)(54)(76)을 타고 처리 챔버(30)(50)로 이송되어 금속박막이 형성된 후 인출 챔버(70)의 권취 롤러(71)에 보호용 필름과 함께 감겨질 수 있도록 필름상 중합체(1)의 끝부분을 인출 챔버(70)의 권취 롤러(71)에 장착(연결)한다.
이때 권취 롤러(71)에 감겨지는 필름상 중합체(1)와 함께 감기면서 권취 롤러(71)에 감겨지는 필름상 중합체(1)의 한쪽 면 또는 양면에 형성된 금속박막을 보호할수 있도록 하나 혹은 2개의 보조 롤러(72)(73)에 감겨진 보호용 필름(74)의 끝부분 역시 인출 챔버(70)의 권취 롤러(71)에 장착한다.
여기서, 피가공물인 필름상 중합체(1)로서는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌(PP), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 에틸렌 비닐아세테이트(EVA), 저밀도 폴리에틸렌(LDPE), 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE), 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체(ABS), 폴리염화비닐(PVC), 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌설피드(PPS), (폴리에틸렌 나프타레이트)PEN, 폴리에테르에테르캐톤(PEEK), 폴리에테르이미드수지(PEI), 폴리이미드(PI), 변성 폴리페닐렌 옥사이드(MPPO), 변성 폴리설폰(MPSU ; Modified polysulfone), 변성 폴리에테르(MPES ; Modified polymer), 폴리아세탈(POM) 등이 될 수 있다.
이렇게 필름상 중합체(1)의 장착이 완료된 후 전처리 챔버(10)의 로터리 펌프(19)의 구동으로 전처리 챔버(10)의 내부압력이 10-3Torr이 되도록 한다.
여기서 전처리 챔버(10)와 처리 챔버(30)(50) 그리고 인출 챔버(70)가 서로 연결되어 있어, 각 챔버(10)(30)(50)(70)의 내부압력을 분리해서 조절하지 않고 전처리 챔버(10)의 로터리 펌프(19)와 처리 챔버(30)(50)의 로터리 펌프(31)(51) 및 터보 펌프(32)(52) 그리고 인출 챔버(70)의 로터리 펌프(75)가 선택적으로 구동되어 이온주입과 금속박막 형성에 적절한 압력을 형성할 수 있다.
특히 터보 펌프(32)(52)와 처리 챔버(30)(50) 사이에 각 챔버(30)(50)의 내부압력을 인식할 수 있는 도시되지 않은 제어수단에 의해 자동 개폐되는 스로틀밸브(throttle valve)가 구비되어 있어 각 챔버(10)(30)(50)(70)의 내부압력을 이온주입이나 금속박막 형성 등에 적합한 압력으로 자동 조절할 수 있다.
이어서, 전처리 챔버(10) 내로 아르곤 가스와 같은 분위기가스를 10 내지 750 sccm의 양으로 주입하면서 플라즈마 형성을 위해 고주파전력발생장치(14)와 매칭박스(matching box)(15)로부터 공급되는 100W∼1KW의 고주파 전력을 안테나(16)에 공급한다.
이 경우에도 분위기가스 공급원(13)과 전처리 챔버(10) 사이에 위치한 MFC(Mass Flow Controller)(21)에 의해 전처리 챔버(10)에 공급되는 분위기가스의 주입량이 조절된다.
그리고 필름상 중합체(1)에 이온주입을 위해 음전압 발생장치(18)로부터 공급되는 펄스전압이 -10 KV이고 펄스-오프전압이 -5 KV이며, 고전압 펄스폭은 20 ㎲이며, 펄스 주파수는 15 KHz인 DC 펄스 음전압을 필름상 중합체(1)의 이동경로를 상하로 감싸고 있는 그리드(grid)(17)에 가한다.
따라서 전처리 과정을 통해 필름상 중합체(1)의 양면에 이온주입이 이루어지므로 오염된 이물질이나 필름상 중합체 표면에 존재하는 이물질이 제거됨과 동시에 필름상 중합체 표면에 극성기가 주어져 처리 챔버(30)(50)에서 다음 공정으로 금속박막을 형성할 때 필름상 중합체와 금속이온과의 결합력이 향상되고, 필름상 중합체 표면의 평활도가 유지될 수 있다.
전처리 과정을 마친 필름상 중합체(1)에 금속박막이 형성되는 처리 챔버(30)(50)는로터리 펌프(31)(51)와 터보 펌프(32)(52)에 의해 10-4Torr로 내부압력이 조절되지만, 실질적으로 작업이 이루어지는 처리 챔버(30)(50)의 내부압력은 기화된 상태로 분위기가스와 함께 주입되는 구리, 알루미늄, 금, 니켈, 은, SnOx, In2O2, ITO 등과 같은 MO 소스와 수소가스와 같은 ECR 소스에 의해 1.2 내지 2.3 Torr로 형성된다.
즉, 필름상 중합체(1)에 금속박막을 형성하기 위해 버블러(bubbler)(36)(56)에 수용된 MO 소스(Metal Organic source)가 히터(37)(57)에 의해 기화되어 아르곤가스와 함께 처리 챔버(30)(50)로 유입됨과 동시에 ECR 소스인 수소가스도 유입된다. 상기 MO 소스가 구리(Cu2)인 경우 아르곤가스는 10 내지 750 sccm의 양으로 그리고 수소가스는 10 내지 1,000 sccm의 양으로 유입되며, MO 소스는 1.3 내지 3.5 mTorr의 증기압으로 주입되는 것이 바람직하다.
물론 금속박막이 형성되지 않는 초기에는 분위기가스 공급원(35)(55)이 버블러(36)(56)를 경유하지 않고 도시되지 않은 바이패스 경로를 통해 곧바로 처리 챔버(30)(50)에 연결된 상태를 유지하고 있어, 아르곤가스만이 처리 챔버(30)(50)에 유입되고 금속입자는 유입되지 않는다.
여기서, 수소가스와 아르곤가스가 유입되는 두 개의 분배기(38)(40)(58)(60)가 처리 챔버(30)(50) 내에 서로 인접된 상태로 설치되어 있어, 아르곤가스와 함께 유입되는 금속입자가 수소가스에 의해 보다 활발하게 금속이온으로 치환될 수 있다.
이렇게 처리 챔버(30)(50), 즉 플라즈마 챔버에 아르곤가스와 수소가스가 유입되는 중에 고주파전력발생장치(43)(63)와 매칭박스(44)(64)로부터 공급되는 고주파 전력이 안테나(41)(61)에 공급됨에 따라 처리 챔버(30)(50) 내에 플라즈마가 형성된다. 또한 300 내지 1,500 W 및 60 Hz의 특성을 가지는 고주파전력발생장치(43)(63)의 고주파 전력이 공급되는 ECR용 마그네틱(42)(62)으로부터 발생되는 마이크로파(micro wave)에 의해 금속입자는 10 내지 90 nm 입자 크기로 이온화된다.
뿐만 아니라, 스퍼터(sputter)(45)(65)에 의해 주입되는 금속이온도 ECR용 마그네틱(42)(62)으로부터 발생되는 마이크로파에 의해 10 내지 90 nm 입자 크기로 변환된다. 이는 금속입자의 크기가 커지면 커질수록 크랙이 발생할 가능성이 커지므로 구부러지거나 접혀지기 쉬운 특성을 가지는 필름상 중합체 표면에 증착되는 금속입자의 크기를 최소화하기 위함이다.
처리 챔버(30)(50) 내에 금속이온을 포함하는 플라즈마 환경이 조성된 상태에서, 바이폴라 펄스 음전압 발생장치(47)(67)로부터 공급되는 바이폴라 펄스(bipolar pulse)가 바이폴라 그리드(bipolar grid)(46)(66)에 인가됨에 따라 처리 챔버(30)(50) 내에 확산되어 있던 금속이온이 바이폴라 그리드(46)(66) 쪽으로 집속되면서 바이폴라 그리드(46)(66)가 일정간격을 두고 감싸고 필름상 중합체(1) 표면에 증착된다.
이때 분위기가스와 함께 주입되는 금속이온만으로는 필름상 중합체(1) 표면에 1 내지 15 ㎛ 두께의 금속박막을 형성할 수 있고, 스퍼터(45)(65)로부터 주입되는 금속이온을 추가로 필름상 중합체 표면에 증착하는 경우 전자파 차폐뿐만 아니라 회로패턴을 형성하기에 충분한 1 내지 15 ㎛ 두께의 금속박막을 형성할 수 있다.
또한 본 발명은 필름상 중합체 표면에 금속박막을 형성하기 위한 두 개의 처리 챔버(30)(50)를 서로 대칭되게 설치되어 있는데, 이는 하나의 처리 챔버에 의해 필름상 중합체 표면에 한쪽 면에 금속박막을 형성하고 나머지 하나의 처리 챔버에 의해 필름상 중합체 표면의 다른 한쪽 면에 금속박막을 형성하기 위함이다. 물론, 두 개 중 하나의 처리 챔버(30)(50)에서만 금속이온의 증착이 이루어지도록 하여 필름상 중합체(1)의 한쪽 면에만 금속박막을 형성할 수도 있다.
처리 챔버(30)(50)에서 금속박막이 형성된 필름상 중합체(1)는 가이드 롤(34)(54)(76)을 타고 권취 롤러(71)에 감겨진다.
이때 권취 롤러(71)에는 금속박막이 형성된 필름상 중합체(1)와 함께 보호용 필름(74)이 감겨지는데, 이는 필름상 중합체(1) 표면에 형성된 금속박막을 보호하기 위함이다.
여기서 보호용 필름(74)은 금속박막의 형성여부에 따라 필름상 중합체(1)의 한쪽 면 또는 양면에 공급되어 감겨진다.
이렇게 필름상 중합체(1)가 권취 롤러(71)에 감겨지는 인출 챔버(70)의 내부압력은 로터리 펌프(75)에 의해 조절되는데, 권취 롤러(71)에 감겨진 필름상 중합체(1)를 외부로 인출할 때에는 인출 챔버(70)의 내부압력이 대기압으로 조절된다.
따라서 본 발명에 의한 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치 및 방법에 의하면,
1) 본 발명은 중합체의 특성 및 종류에 관계없이 상온에서 화학증착이 쉽게 이루어지며 이온화된 금속이온의 입자크기가 매우 작아 중합체의 증착에 의한 박리가 없으며, 공유결합에 의한 금속이온의 증착으로 중합체와의 접착력을 향상시켜 다른 중금속 이온층을 형성하지 않고도 증착된 금속이온의 박리 및 크랙이 일어나지 않는다.
2) 본 발명은 한정된 중합체에 대해 증착할 수 있는 습식법의 한계에서 벗어나 필름상 중합체에 금속박막을 형성함에도 불구하고 중합체의 특성 및 종류에 관계없이 중합체의 고유물성을 그대로 유지하면서도 인체나 환경 등에 유해한 물질의 발생을 억제할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체적인 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (10)

  1. 필름상 중합체에의 이온주입과 금속박막의 형성 및 처리과정을 마친 필름상 중합체를 권취하기 위한 공간으로 구획되고 밀폐된 다수의 챔버;
    상기 각 챔버들의 내부압력을 이온주입과 금속박막의 형성을 위한 압력으로 조절하는 로터리 펌프와 터보 펌프로 이루어진 압력 조절수단;
    롤 형상으로 감겨진 필름상 중합체가 장착되는 공급 롤러와 표면을 전도체가 감싸고 있으며 필름상 중합체의 이송을 유도하기 위한 다수의 롤러 및 처리과정을 마친 필름상 중합체가 권취되는 동력원을 가지는 권취 롤러가 각 챔버의 중앙부에 배치되고, 상기 이송되는 필름상 중합체의 장력을 유지시켜 주며 상기 필름상 중합체의 이동경로를 형성하기 위한 가이드 롤이 필름상 중합체(1)의 이동경로를 따라 상기 각 챔버 내부와 각 롤러 주변에 설치된 필름상 중합체 이송수단;
    상기 전처리 챔버와 처리 챔버 내에 플라즈마 형성을 위한 분위기가스를 공급하기 위한 분위기가스 공급원이 연결되고 상기 분위기가스 공급원과 각 챔버를 연결해 주는 연결라인 상에 가스량을 조절하기 위한 조절수단이 장착된 분위기가스 공급수단;
    상기 전처리 챔버와 처리 챔버 내에 위치하고 필름상 중합체와 일정거리 이격되게 배치된 안테나에 매칭박스를 통해 고주파전력발생장치로부터 공급되는 고주파 전력을 공급하여 플라즈마를 형성하는 고주파전력 공급수단;
    상기 전처리 챔버 내의 필름상 중합체 이동경로와 일정거리 이격되게 그리드가 설치되고 상기 그리드에 이온을 집속하기 위한 DC 펄스 음전압을 공급하는 음전압 발생장치가 접속된 이온주입수단;
    상기 분위기가스와 함께 히터에 의해 기화된 버블러의 MO 소스를 상기 처리 챔버에 공급하는 MO 소스 공급수단;
    상기 처리 챔버 내부에 연결되고 스퍼터링(sputtering) 방식에 의해 생성된 금속이온을 상기 처리챔버 내로 주입하는 스퍼터(sputter);
    상기 처리 챔버 내부에 연결되고 상기 MO 소스를 미세한 금속이온으로 치환시키기 위한 ECR 소스를 공급하는 ECR 소스 공급수단;
    상기 분위기가스와 함께 주입되는 MO 소스와 스퍼터로부터 주입되는 금속이온을 상기 ECR 소스와 고전력발생장치와 연결된 ECR용 마그네틱에서 발생되는 마이크로파에 의해 미세한 금속이온으로 치환시키는 ECR 발생수단; 및
    상기 처리 챔버 내의 롤러를 감싸고 이송되는 필름상 중합체와 일정거리 이격되게 바이폴라 그리드가 배치되고, 상기 바이폴라 그리드와 롤러 표면의 전도체에 상기 ECR 발생수단에 의해 형성된 금속이온을 집속시키기 위한 바이폴라 펄스 음전압을 공급하는 바이폴라 펄스 음전압발생장치가 연결된 금속이온 증착수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분위기가스 공급원이 상기 MO 소스가 수용된 버블러(bubbler)를 경유하거나통과(pass)해서 처리 챔버 내에 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리 챔버 내의 안테나를 중심으로 MO 소스를 포함하는 분위기가스와 ECR 소스를 공급하기 위한 분배기가 일정간격을 두고 이중으로 배치되고, 상기 안테나의 후방에는 ECR용 마그네틱이 설치되는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 필름상 중합체 표면에 금속박막을 형성하기 위한 처리 챔버가 두 개로 구획되고, 상기 두 개의 처리 챔버는 하나의 필름상 중합체의 서로 다른 면에 금속박막을 동시에 연속적으로 형성할 수 있도록 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 로터리 펌프와 터보 펌프를 상기 챔버에 연결해 주는 경로에는 상기 챔버의 내부압력에 따라 개폐되는 밸브가 장착되는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 장치.
  6. 고진공 플라즈마 상태에서 필름상 중합체의 이동경로와 일정간격을 두고 배치된 그리드에 DC 펄스 음전압을 가해 이온을 집속시켜 필름상 중합체의 표면에 이온을 주입하는 제1단계;
    상기 이온 주입된 필름상 중합체가 이송된 후 고진공 플라즈마 상태에서 MO 소스와 스퍼터로부터 주입된 금속이온을 ECR 마그네틱에 고주파 전력을 가해 미세한 금속이온으로 치환하는 제2단계;
    상기 필름상 중합체의 이동경로와 일정간격을 두고 배치된 바이폴라 그리드와 필름상 중합체가 타고 이송되는 롤러 표면의 전도체에 바이폴라 펄스 음전압을 가해 챔버 내의 금속이온을 집속시켜 필름상 중합체 표면에 금속박막을 형성하기 위한 금속이온을 증착하는 제3단계; 및
    상기 금속박막이 형성된 필름상 중합체의 표면에 보호용 필름을 대고 권취 롤러에 권취하는 제4단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전처리 챔버에서 이온주입과정만이 이루어지는 동안에는 상기 처리 챔버 내에 분위기가스만이 주입되고, 상기 처리 챔버 내에서 금속박막이 형성되는 동안에는 분위기가스와 함께 기화된 MO 소스가 처리 챔버 내에 주입되는 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 MO 소스는 구리, 니켈, 금, 알루미늄, 은, SnOx, In2O2, ITO 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 분위기가스는 아르곤가스인 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 ECR 소스는 수소가스인 것을 특징으로 하는 필름상 중합체에 금속박막을 연속적으로 형성하기 위한 방법.
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