KR20050114230A - 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 방법은 플라즈마 처리실 내에 플라즈마 처리용 가스 및 마이크로파 등의 플라즈마화를 위한 에너지를 공급하고 글로우 방전을 발생시켜, 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성할 때에, 그 플라스틱 용기를 냉각하는 것을 특징으로 한다. 이 방법에 의하면, 플라스틱 용기의 변형이 유효하게 억제되어 장기간에 걸쳐 계속해서 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성할 수 있어 생산성을 현저히 높일 수 있다.
Description
본 발명은 마이크로파 혹은 고주파 등을 이용한 글로우 방전에 의한 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.
화학 증착법(CVD)은 상온에서는 반응이 일어나지 않는 원료 가스를 이용하여, 고온 분위기에서의 기상 성장에 의해 기체 표면에 반응 생성물을 막형으로 석출시키는 기술로서, 반도체의 제조, 금속, 유리나 세라믹의 표면 개질 등에 널리 채용되고 있는 기술이며 최근에는 플라스틱 병 등의 플라스틱 용기의 표면 개질, 특히 가스 차단성의 향상에도 이용할 수 있도록 되고 있다.
플라즈마 CVD란, 플라즈마를 이용하여 박막 성장을 행하는 것으로, 기본적으로는 감압하에 있어서 원료 가스를 포함하는 가스를 고전계에 의한 전기적 에너지로 방전시키고 분해시켜, 생성하는 물질을 기상 중 혹은 기판상에서의 화학 반응을 거쳐 기판상에 퇴적시키는 프로세스로 이루어진다.
플라즈마 상태는 글로우 방전에 의해 실현되는 것으로서, 이 글로우 방전 방식에 의해, 직류 글로우 방전을 이용하는 방법, 고주파 글로우 방전을 이용하는 방법, 마이크로파 글로우 방전을 이용하는 방법 등이 알려져 있다.
이러한 화학 증착막을 플라스틱 용기의 내면에 형성하는 처리 방법은 이미 알려져 있고, 예컨대, 실질적으로 원통형의 동체부, 동체부의 한쪽 면인 저부, 숄더부, 동체부의 다른 쪽의 면에 상대적으로 좁은 개구부를 구비한 넥부를 갖는 플라스틱 병의 내면을 플라즈마 강화 프로세스로 처리하는 방법으로서, 이 프로세스는 병 내부와 병 외부의 공간을 동시에 탈기하고, 병 내부에 플라즈마를 점화, 유지하고, 병을 통해 소정 처리 시간 처리 가스를 통하게 하고, 또한 동시에 소정 처리 시간 경과 후 병 내부 및 외부를 통기하는 공정으로 이루어지며, 이 처리 공정을 실시하기 위해서, 병을 실질적으로 원통형 마이크로파의 차폐부 속에 동축으로 위치시켜, 이것에 의해 병 내부에 플라즈마를 점화, 유지하고, 마이크로파를 마이크로파가 차폐된 한쪽 면에서 병의 저부가 대면하고 있는 다른 쪽의 면까지 접속하여, 이것에 의해 마이크로파의 차폐부가 TM 모드의 공명에 의해 여기되는 것을 특징으로 하는 처리 방법이 제안되어 있다(WO 99/17334호 공보 참조).
도 1은 본 발명의 플라즈마 처리 방법을 실시하기 위한 장치의 구조를 도시한 도면.
도 2는 통상의 마이크로파 글로우 방전에 의한 플라즈마 처리를 행했을 때의 처리 횟수(병 제조 횟수)와 금속제 가스 공급관의 온도(노즐 온도)의 관계를 플롯한 도면.
도 3은 도 2와 동일하게 하여 플라즈마 처리를 반복하여 행했을 때의 병의 용적 변화율과 가스 공급관의 온도(노즐 온도)의 관계를 플롯한 도면.
도 4는 냉각용 가스 분무의 유무에 의한 플라즈마 처리 직후에 있어서의 병 저부의 외표면 온도와 병 저부의 수축량의 관계의 플롯도.
상기 선행 기술 등에 개시되어 있는 플라즈마 처리 방법은 통상, 마이크로파 등이 공급되는 플라즈마 처리실 내에 플라스틱 병을 유지하고, 병 내외를 소정의 압력까지 진공 상태로 배기한 후, 병 넥부로부터 가스 공급관을 삽입하여 반응성의 원료 가스를 병 내부에 공급하고 글로우 방전을 발생시킴으로써, 병 내면에 플라즈마 처리막(화학 증착막)을 형성하는 것으로, 막형성 후에 병 내외를 대기압으로 복귀하고, 막이 형성된 병을 꺼내는 것이다. 그러나, 이러한 방법으로 보다 강한 마이크로파 에너지를 공급하는 플라즈마 처리나 보다 긴 시간의 플라즈마 처리를 행하면, 플라즈마 처리를 반복하여 행함에 따라 플라즈마 처리되는 플라스틱 병이 수축, 이형 등의 변형이 생기는 문제가 발생하고, 특히 병 저부의 주연 부분의 변형이 크다고 하는 문제가 발생했다.
따라서, 본 발명의 목적은 플라스틱 용기의 변형, 특히 마이크로파나 고주파 등을 이용한 글로우 방전에 의한 플라즈마 처리시 발생하는 열에 의한 변형이 유효하게 억제되고, 보다 강한 마이크로파 혹은 고주파 에너지로 장시간에 걸쳐 계속해서 플라스틱 용기의 표면, 특히 내면에 화학 증착막을 형성할 수 있으며, 증착막의 품질이나 생산성을 현저히 높일 수 있는 플라즈마 처리 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 플라스틱 용기가 열적으로 약한 재질 혹은 두께나 형상면에서 열변형이 생기기 쉬운 것이더라도 열변형을 생기게 하는 일 없이 플라즈마 처리를 행할 수 있는 플라스틱 용기의 플라즈마 처리 방법 및 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의하면, 플라즈마 처리실 내의 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성하는 화학 플라즈마 처리 방법에 있어서, 플라즈마 처리실 내에 플라즈마 처리용 가스를 공급하여 글로우 방전을 생기게 하고 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성할 때 그 플라스틱 용기를 냉각하는 것을 특징으로 하는, 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 또한, 플라즈마 처리실 내의 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성하는 화학 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제1 배기부를 통해 플라스틱 용기 내부에 플라즈마 처리용 가스를 공급하는 가스 공급관, 플라즈마 처리실 내의 플라스틱 용기 내부에 글로우 방전을 생기게 하는 마이크로파 혹은 고주파의 공급부, 플라스틱 용기 외부를 글로우 방전이 발생하지 않을 정도의 감압 상태로 유지하는 제2 배기부, 플라스틱 용기 외면에 냉각용 가스를 분무하는 냉각 가스 공급부를 마련하여 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 장치가 제공된다.
본 발명에 있어서는,
1. 플라즈마 처리용 가스를 플라스틱 용기 내에 공급하여 감압 상태의 플라스틱 용기 내면에 글로우 방전을 생기게 하고, 플라스틱 용기 외부를 글로우 방전이 발생하지 않을 정도의 감압 상태로 유지하면서 냉각용 가스를 플라스틱 용기 외면에 분무하고 냉각하여, 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성하는 것,
2. 상기 냉각용 가스로서 압축 공기 또는 질소를 사용하는 것,
3. 상기 글로우 방전을 마이크로파 혹은 고주파의 공급에 의해 발생시키는 것,
4. 상기 냉각용 가스 공급부는 플라즈마 처리실의 천정벽 및/또는 원통형 측벽에 마련하는 것,
5. 상기 냉각용 가스 공급부는 플라즈마 처리실 내측에 위치하는 쪽이 소직경으로 된 조리개 형상을 갖고 있는 것,
이 적합하다.
본 발명에 의하면, 냉각하면서 플라스틱 용기의 플라즈마 처리를 행함으로써, 플라스틱 병 등의 플라스틱 용기의 변형 수축이 유효하게 억제되고, 이러한 플라즈마 처리를 연속해서 반복하여 행한 경우에도 플라스틱 병 등의 변형 수축이 유효하게 억제되고 있기 때문에 생산성이 현저히 향상한다.
특히, 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성할 때에는, 냉각용 가스를 플라즈마 처리하여야 할 플라스틱 병 등의 플라스틱 용기 외면의 열변형이 생기기 쉬운 부위에 분무하면서 플라즈마 처리를 행하면 좋다.
(플라즈마 처리 장치)
본 발명의 플라스틱 용기, 특히 플라스틱 내면에의 플라즈마 처리를 적합하게 실시하기 위한 플라즈마 처리 장치의 구조를 도시한 도 1에 있어서, 전체로서 10으로 도시하는 플라즈마 처리실은 고리형 베이스 플레이트(12)와, 원통형 측벽(14)과, 원통형 측벽(14)의 상부를 폐쇄하고 있는 천정벽(16)으로 구성되어 있다.
고리형 베이스 플레이트(12)의 중심 부분에는 제1 배기부(20)가 형성되고, 또한 베이스 플레이트(12)의 상면에는 제1 배기부(20)를 둘러싸도록 하여 고리형의 오목부(22)가 형성되며, 또한 고리형의 오목부(22) 주위에는 고리형 홈(24)이 형성되고, 고리형 홈(24)은 제2 배기부(26)에 통한다.
상기한 고리형의 오목부(22)에는 병(28)을 도립 상태로 유지하고 있는 병 홀더(30)가 수용된다. 병 홀더(30)는 도 1로부터 분명한 바대로, 도립 상태의 병(28)의 넥부가 끼워져 있고, 그 홀더에 유지되어 있는 병(28)의 넥부는 제1 배기부(20)에 통하고 있으며, 제1 배기부(20)로부터 병(28)의 넥부를 통해 병(28) 내부에 가스 공급관(32)이 삽입되어 있다.
원통형 측벽(14)에는 마이크로 공급부(34)가 마련되고, 도파관이나 동축 케이블 등의 마이크로파 전송 부재(36)가 마이크로파 공급부(34)에 접속되어 있다. 즉, 소정의 마이크로파 발진기로부터 마이크로파 전송 부재(36)를 통해 플라즈마 처리실(10) 내에 마이크로파가 도입되도록 되어 있다.
천정벽(16)에는, 냉각용 가스 공급부(40)가 마련되어 있고, 이에 따라, 냉각용 가스가 플라즈마 처리실(10) 내에서 도립 상태로 유지되고 있는 병(28)의 저부에 집중하여 분무되도록 되어 있다. 또한, 이 냉각용 가스 공급부(40) 혹은 이것에 접속되는 냉각용 가스 공급관은 통상, 전자 밸브 등에 의해 폐쇄되어 있다.
또한, 냉각용 가스 공급부(40)는 화학 플라즈마 처리되는 플라스틱 용기의 형태에 따라서 천정벽(16) 및/또는 원통형 측벽(14)에 마련된다.
상기와 같이 하여 플라즈마 처리실(10)의 밀폐성을 확보하기 위해, 베이스 플레이트(12)와 원통형 측벽(14)의 계면 및 원통형 측벽(14)과 천정벽(16)의 계면에는, 각각 O-링(42)이 마련된다. 또한, 병 홀더(30)에도 병(28) 내부와 외부를 차단하기 위한 O-링(42)이 마련된다.
또한, 베이스 플레이트(12)에 형성되어 있는 제1 배기부(20) 및 제2 배기부(26)에는 각각, 마이크로파 차폐용 실드(44)가 마련된다.
또한, 마이크로파 차폐를 위해 베이스 플레이트(12), 원통형 측벽(14) 및 천정벽(16)은 모두 금속제이다.
(플라즈마 처리 방법)
플라즈마 처리에 있어서는, 우선, 도립 상태로 병(28)을 유지하고 있는 병 홀더(30)를 베이스 플레이트(12)의 고리형 오목부(22)에 얹어 놓고, 이 상태에서 베이스 플레이트(12)를 적당한 승강동 장치로 상승시키고 원통형 측벽(14)에 밀착시켜, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 밀폐되고, 또한 도립 상태의 병(28)이 수용되어 있는 플라즈마 처리실(10)을 구성시킨다.
계속해서, 가스 공급관(32)을 제1 배기부(20)로부터 병(28) 내부에 삽입하는 동시에 진공 펌프를 구동하여, 제1 배기부(20)로부터의 배기에 의해 병(28) 내부를 진공 상태로 유지한다. 이 때, 병(28)의 외압에 의한 변형을 방지하기 위해서 병(28) 외부의 플라즈마 처리실(10) 내를 진공 펌프에 의해 제2 배기부(26)로부터 감압 상태로 한다.
병(28) 내의 감압 정도는 가스 공급관(32)으로부터 처리용 가스가 도입되고 또한 마이크로파가 도입되어 글로우 방전이 발생하는 것과 같은 감압의 정도가 높은 것으로서, 예컨대 2∼500 Pa, 특히 적합하게는 5∼200 Pa의 범위가 좋다. 한편, 병(28) 외부인 플라즈마 처리실(10) 내의 감압 정도는 마이크로파가 도입되더라도 글로우 방전이 발생하지 않는 것과 같은 감압의 정도로서, 병(28)의 외압에 의한 변형을 방지하기 위해서, 예컨대 500∼50000 Pa 정도의 범위가 좋다.
이 감압 상태에 도달한 후, 가스 공급관(32)에 의해 병(28) 내에 처리용 가스를 도입하고 마이크로파 전송 부재(36)를 통해서 플라즈마 처리실(10) 내에 마이크로파를 도입하여 글로우 방전에 의한 플라즈마를 발생시킨다. 이 플라즈마 중에서의 전자 온도는 수만 K로서, 가스 입자의 온도는 수 100 K인 것에 비하여 약 2 자릿수 정도 높고, 열적으로 비평형 상태이며, 저온의 플라스틱 기체에 대하여도 유효하게 플라즈마 처리를 행할 수 있다.
본 발명에서는 처리용 가스 및 마이크로파의 도입과 동시에 천정벽(16)에 마련되는 냉각용 가스 공급부(40)로부터 냉각용 가스를 도입하고, 처리되는 병(28)의 저부에 집중적으로 냉각용 가스를 분무하면서 마이크로파 글로우 방전에 의한 플라즈마 처리가 행하여져, 병(28)의 내면에, 공급하는 처리용 가스의 종류에 따른 조성의 화학 증착막이 형성된다.
또한, 냉각용 가스의 도입은 처리실(10) 내의 병(28) 외부가 글로우 방전을 발생하지 않는 것과 같은 감압의 정도가 유지되어 있으면 좋지만, 가스 도입에 의한 압력 상승에 의해 병(28)이 변형하지 않을 정도의 감압 상태를 확보해야 하고, 이 때문에, 제2 배기부(26)로부터의 진공 배기를 행하면서 냉각용 가스를 흘리더라도 좋다.
소정의 플라즈마 처리를 행한 후, 처리용 가스의 도입 및 마이크로파의 도입을 정지하는 동시에 냉각용 가스 공급부(40)로부터 냉각용 가스의 도입은 계속해서 행하고, 병(28) 밖을 상압으로 복귀시키는 동시에 제1 배기부(20) 측으로부터도 대기를 도입하여 병(28) 안도 동시에 상압으로 복귀시켜, 플라즈마 처리된 병(28)을 플라즈마 처리실(10) 밖으로 꺼낸다.
플라즈마 처리의 시간은 처리하여야 할 병의 내표면적, 형성시키는 박막의 두께 및 처리용 가스의 종류 등에 의해서도 다르고, 일반적으로 규정할 수 없지만, 2 리터의 플라스틱 병으로는 1개당, 1초 이상이 플라즈마 처리의 안정성 때문에 필요하며, 비용면에서 단시간화가 요구되지만, 필요하면 분 단위라도 좋다.
이미 진술한 바와 같이, 이와 같이 냉각용 가스를 병(28)의 저부에 분무하면서 처리를 함으로써, 병(28)의 변형 수축이 유효하게 억제되고 이러한 플라즈마 처리를 연속적으로 반복하여 행한 경우에도 변형 수축이 없는 양호한 처리병을 얻을 수 있다. 예컨대, 즉시 다음 병의 플라즈마 처리를 행하여, 이러한 플라즈마 처리를 연속해서 반복하여 행한 경우에도 병의 변형 수축이 유효하게 억제되기 때문에 생산성이 현저히 향상하게 된다.
[가스 공급관(32)]
본 발명에 있어서, 병(28) 내부에 처리용 가스를 공급하기 위한 가스 공급관(32)으로서는, 처리용 가스를 균일하고, 또한 안정하게 공급할 수 있는 한 임의의 재료로 형성되어 있더라도 좋으며, 특히 금속제인 것이 바람직하다. 즉, 금속제의 공급관을 이용한 경우, 이 관은 안테나로서 작용하여 전자 방출에 의해 현저히 단시간 내에 안정하게 글로우 방전에 의한 플라즈마가 발생하기 때문에, 처리 시간의 단축을 꾀할 수 있기 때문이다. 또, 금속제의 공급관을 이용한 경우에는, 마이크로파에 대한 안테나로서 작용하기 때문에, 그 자체가 발열하고, 따라서 병(28)의 온도 상승을 가져오며 병의 변형 수축이 생기기 쉬워진다. 그럼에도 불구하고, 본 발명에 의하면, 냉각용 가스를 병(28)의 저부에 분무하면서 플라즈마 처리를 행하고 있어, 이러한 병 변형 수축이 유효하게 방지되어 있기 때문에 금속제 공급관의 이점을 최대한으로 발휘할 수 있고, 이것도 본 발명의 큰 이점이다.
또한, 상기한 가스 공급관(32)으로서는, 처리용 가스를 균일하게 병 내면에 공급한다고 하는 점에서 다공질관인 것이 바람직하고, 예컨대 공칭 여과 정밀도에 의해 규정되는 구멍 크기가 1 내지 300 ㎛의 범위에 있는 것이 적합이다. 또한, 공칭 여과 정밀도란, 다공질체를 필터로서 이용하는 경우에 사용되고 있는 특성값의 하나로서, 예컨대 공칭 여과 정밀도 130 ㎛이란, 이 다공질체를 필터에 사용했을 때 상기 입자 지름의 이물을 포획할 수 있는 것을 의미하는 것이다.
따라서, 본 발명에 있어서, 가스 공급관(32)으로서는 금속제의 다공질관을 이용하는 것이 가장 적합하며, 예컨대, 브론즈 분립체 혹은 스테인레스 스틸 분립체 등의 다공질 금속으로 형성되어 있는 것을 사용하는 것이 좋다.
[처리하여야 할 플라스틱 용기(28)]
본 발명에 있어서, 플라즈마 처리막을 형성하여야 할 플라스틱 용기로서는, 도 1에 도시한 바와 같은 플라스틱 병에 더하여, 플라스틱 컵, 튜브, 트레이 등의 여러가지 형상의 용기를 예로 들 수 있지만, 특히 플라스틱 병이 바람직하다.
플라스틱으로서는, 그 자체 공지의 열가소성 수지, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리1-부텐, 폴리4-메틸-1-펜텐 혹은 에틸렌, 프로필렌, 1-부텐, 4-메틸-1-펜텐 등의 α-올레핀끼리의 랜덤 혹은 블록 공중합체 등의 폴리올레핀, 에틸렌. 초산비닐 공중합체, 에틸렌ㆍ비닐알콜 공중합체, 에틸렌ㆍ염화비닐 공중합체 등의 에틸렌ㆍ비닐 화합물 공중합체, 폴리스틸렌, 아크릴로니트릴ㆍ스티렌 공중합체, ABS, α-메틸스티렌ㆍ스티렌 공중합체 등의 스티렌계 수지, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 염화비닐ㆍ염화비닐리덴 공중합체, 폴리아크릴산메틸, 폴리메타크릴산메틸 등의 폴리비닐 화합물, 나일론6, 나일론6-6, 나일론6-10, 나일론11, 나일론12 등의 폴리아미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트 등의 열가소성 폴리에스테르, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌옥사이드 등이나 폴리젖산 등의 생분해성 수지 혹은 이들 혼합물 중 어느 하나의 수지라도 좋다.
본 발명은, 특히 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 열가소성 폴리에스테르로 이루어지는 병의 처리에 가장 적합하다.
(처리용 가스)
가스 공급관(32)으로부터 공급하는 처리용 가스로서는, 플라즈마 처리의 목적으로 따라서 여러가지 그 자체 공지의 가스가 사용된다.
예컨대, 플라스틱 병의 표면 개질의 목적에는, 탄산 가스를 이용하여 플라스틱 기체의 표면에 가교 구조를 도입하거나, 혹은 불소 가스를 이용하여 플라스틱 병 표면에 폴리테트라플루오로에틸렌과 같은 특성, 예컨대 비점착성, 저마찰 계수, 내열성, 내약품성을 부여할 수 있다.
또한, 화학 증착(CVD)의 목적으로는, 박막을 구성하는 원자, 분자 혹은 이온을 포함하는 화합물을 기상 상태로 하여 적당한 캐리어 가스에 실은 것이 사용된다.
원료 화합물은 휘발성이 높은 것이어야 하며, 탄소막이나 탄화물막의 형성에는, 메탄, 에탄, 에틸렌, 아세틸렌 등의 탄화수소류가 사용된다. 또한, 실리콘막의 형성에는 사염화규소, 실란, 유기실란 화합물, 유기실록산 화합물 등이 사용된다. 티탄, 지르코늄, 주석, 알루미늄, 이트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 갈륨, 탄탈, 니오븀, 철, 니켈, 크롬, 붕소 등의 할로겐화물(염화물)이나 유기 금속 화합물이 사용된다.
또한, 산화물막의 형성에는 산소 가스, 질화물막의 형성에는 질소 가스나 암모니아 가스가 사용된다.
이들 원료 가스는 형성시키는 박막의 화학적 조성에 따라서, 2종 이상의 것을 적절하게 조합하여 이용할 수 있다.
한편, 캐리어 가스로서는, 아르곤, 네온, 헬륨, 크세논, 수소 등이 적합하다.
본 발명에 있어서, 병의 가스 배리어성을 향상시킨다고 하는 점에서, 헥사메틸디실록산 등의 유기 실록산 화합물과 산소 가스의 조합이 가장 적합하며, 이러한 처리용 가스의 사용에 의해 병 내면에 가스 배리어성이 우수한 규소 산화막을 형성할 수 있다.
처리용 가스의 도입량은 처리하여야 할 병의 표면적이나, 가스의 종류에 의해서도 다르지만, 일례로서, 2 리터의 플라스틱 병에 대한 표면 처리에서는, 병 1개당 표준 상태로 1∼500 cc/min, 특히 2∼200 cc/min의 유량으로 공급하는 것이 바람직하다.
복수의 원료 가스의 반응으로 박막 형성을 행하는 경우, 한쪽의 원료 가스를 지나치게 공급할 수 있다. 예컨대, 규소 산화물막 형성의 경우, 규소원 가스에 비하여 산소 가스를 지나치게 공급하는 것이 바람직하고, 또한 질화물 형성의 경우, 금속원 가스에 비하여 질소 혹은 암모니아를 지나치게 공급할 수 있다.
(마이크로파)
글로우 방전을 생기게 하는 마이크로파로서는, 공업적으로 사용이 허가되어 있는 주파수가 2.45 GHz, 5.8 GHz, 22.125 GHz의 것을 이용하는 것이 바람직하다.
마이크로파의 출력은 처리하여야 할 기체의 표면적이나, 원료 가스의 종류에 의해서도 다르지만, 2 리터의 플라스틱 병에 대한 표면 처리에서는, 병 1개당 50∼1500 W, 특히 100∼1000 W의 전력이 되도록 공급하는 것이 바람직하다.
[냉각용 가스 및 냉각용 가스 공급부(40)]
본 발명에 있어서, 냉각용 가스로서는 공기 등의 임의의 가스를 이용할 수 있지만, 진공 펌프 등의 배기계에 대한 부담을 고려하면 질소 가스 등의 불활성 가스를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 열교환기 등에 의해 소정 온도로 냉각하여 이용할 수도 있지만, 냉각 효과나 비용 등의 점에서, 압축 가스의 단열 팽창을 이용하여 냉각을 행하는 것이 바람직하다. 따라서 단열 팽창에 의한 냉각을 유효하게 행하기 위해서, 냉각용 가스 공급부(40)는, 플라즈마 처리실(10) 측이 소직경으로 된 조리개 형상으로 하는 것이 바람직하고, 예컨대 오리피스 등에 의해 소직경으로 좁혀지고 있는 것이 바람직하다. 또한, 압축 팽창비는 5 내지 200의 범위로 하는 것이 바람직하다.
냉각 가스의 유량은 많을수록 그것에 의한 냉각 효과는 높아지지만, 플라스틱 용기 외측의 진공도를 소정의 범위로 유지하기 위한 진공 펌프의 배기 능력과의 관계도 있기 때문에, 필요 최소한(5 m3/hr) 이상에서 임의의 유량으로 설정할 수 있다. 그 경우의 유량 조절은 효과적인 단열 팽창을 얻기 위해서 상기한 오리피스부의 형상만으로 행하는 것이 중요하다.
또한, 냉각 효과를 높이기 위해서 냉각용 가스 공급부(40)는 플라스틱 용기에 있어서, 열변형을 발생하기 쉬워 냉각을 필요로 하는 부위에 공급 구멍으로부터 도입된 기체가 직접 해당하는 위치와 방향에 마련되는 것이 바람직하고, 도립 상태로 유지되어 있는 병(28)과 같은 플라스틱 용기의 경우에는 천정벽(16)에 냉각용 가스 공급부(40)를 형성하여 병의 저부를 적극적으로 냉각하는 것이 적합하다.
또한, 냉각용 가스 공급부(40)는 화학 플라즈마 처리되는 플라스틱 용기의 형태에 따라서, 냉각이 필요한 부위를 효과적으로 냉각하기 위해서 필요한 수, 위치, 방향 등을 결정하여 적절하게 마련된다.
본 발명에 있어서 중요한 특징은 플라즈마 처리하여야 할 플라스틱 용기의 열변형이 생기기 쉬운 부위를 냉각하면서 글로우 방전을 행하는 것에 있어, 이 냉각에 의해 병 등의 플라스틱 용기의 변형 수축을 유효하게 회피하는 것이 가능해진다.
특히, 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성할 때에는, 냉각용 가스를 플라즈마 처리하여야 할 플라스틱 용기 외면의 열변형이 생기기 쉬운 부위에 분무하면서 마이크로파 글로우 방전을 행함으로써, 병 등의 플라스틱 용기의 변형 수축을 유효하게 회피하는 것이 가능해진다.
도 2는 금속제의 가스 공급관을 플라스틱 병(PET 병)의 넥부로부터 그 병 내부에 삽입하여, 이 공급관으로부터 처리용 가스(규소원 가스와 산소 가스의 혼합 가스)를 병 내부에 공급하면서, 통상의 마이크로파 글로우 방전에 의한 플라즈마 처리를 병 내면에 행했을 때의 처리 횟수(병 제조 횟수)와 금속제 가스 공급관의 온도(노즐 온도)의 관계를 플롯한 도면이다.
이때의 화학 플라즈마 처리 조건은 내용적 500 ml의 폴리에틸렌테레프탈레이트제 병을 플라즈마 처리실(10)[챔버(14)] 내에 삽입하여, 병 내를 20 Pa로 유지하면서 처리용 가스로서 유기 실록산 화합물의 가스 3 sccm과 산소 가스 30 sccm을 공급하고, 또한 플라즈마 처리실 내로서 병 밖인 부분을 3000 Pa로 유지하면서 500 W의 마이크로파를 조사하여 6초간의 화학 플라즈마 처리를 행하는 것으로 했다. 또한, 병은 화학 플라즈마 처리가 끝날 때마다 다음 새로운 병과 교환하여 반복의 화학 플라즈마 처리를 행했는데, 그 반복의 간격은 2분간으로 1개의 병이 처리되는 페이스로 했다.
이 도 2에 의하면, 플라즈마 처리를 반복하여 행함에 따라 가스 공급관의 온도가 상승하여, 약 10회의 플라즈마 처리를 행하면 가스 공급관의 온도는 80℃ 정도에까지 달하여 포화하고 있는 것을 알 수 있다.
한편, 도 3은 상기와 같이 플라즈마 처리를 반복하여 행했을 때의 병의 용적 변화율과 가스 공급관의 온도(노즐 온도)의 관계를 플롯한 도면이다. 도 3에 의하면, 가스 공급관의 온도가 70℃ 이상이 되면, 병이 크게 변형 수축하고 있는 것, 즉, 도 2의 결과를 더불어 참조하면, 플라즈마 처리의 횟수가 약 8회를 넘으면 병의 변형 수축이 커지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 3의 실험에 있어서, 변형 수축한 병을 관찰한 바, 병 저부의 주연부가 크게 변형하고 있었다. 이것은, 병 저부의 주연부가 이축연신 등의 성형시의 잔류 왜곡이 크고 가장 열수축이 생기기 쉽게 되어 있기 때문이라고 생각된다.
그럼에도 불구하고, 본 발명에 따라서 천정벽(16)의 중심부에 마련한 구멍 직경이 0.6 mm이고 오리피스부의 길이가 1 mm인 냉각용 가스 공급부로부터 15 m3/hr의 대기압 상온의 외기를 도입하여 병 저부에 냉각용 가스를 분무하면서 마이크로파 글로우 방전을 행한 이외에는 도 2의 경우와 같은 조건으로 실험을 행한 때에는, 도 4에 도시한 바와 같이, 냉각용 가스의 분무를 행하지 않은 경우와 비교하여 플라즈마 처리실에서 꺼낸 직후의 병 저부의 외표면 온도가 분명히 낮고 안정적으로 유지되며 병의 변형 수축도 유효하게 억제되고 있는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 열수축에 의한 변형이 가장 생기기 쉬운 병 저부에 집중적으로 냉각용 가스가 분무되어 그 변형이 방지되기 때문에 병 전체의 수축이 유효하게 억제되어 플라즈마 처리를 연속해서 짧은 간격으로 반복하여 행할 수 있어, 생산성을 현저히 높일 수 있는 것이다.
또한, 상술한 설명에서는, 글로우 방전을 발생시키는 수단으로서 마이크로파를 예로 들어 설명했지만, 글로우 방전을 발생시키는 화학 증착막의 형성을, 플라스틱 용기를 냉각하면서 행하는 한에 있어서, 마이크로파 대신에 고주파를 공급하여 글로우 방전을 발생시키는 것도 물론 가능하다.
Claims (7)
- 플라즈마 처리실 내의 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성하는 화학 플라즈마 처리 방법에 있어서, 플라즈마 처리실 내에 플라즈마 처리용 가스를 공급하여 글로우 방전을 발생시키고 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성할 때에 이 플라스틱 용기를 냉각하는 것을 특징으로 하는, 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 플라즈마 처리용 가스를 플라스틱 용기 내에 공급하여 감압 상태의 플라스틱 용기 내면에 글로우 방전을 발생시키고 플라스틱 용기 외부를 글로우 방전이 발생하지 않을 정도의 감압 상태로 유지하면서 냉각용 가스를 플라스틱 용기 외면에 분무하고 냉각하여 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성하는 것인, 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 냉각용 가스로서 압축 공기 또는 질소를 사용하는 것인 플라스틱 용기 내면의 화학 플라즈마 처리 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 글로우 방전을 마이크로파 혹은 고주파의 공급에 의해 발생시키는 것인 화학 플라즈마 처리 방법.
- 플라즈마 처리실 내의 플라스틱 용기에 화학 증착막을 형성하는 화학 플라즈마 처리 장치에 있어서, 제1 배기부를 통해 플라스틱 용기 내부에 플라즈마 처리용 가스를 공급하는 가스 공급관, 플라즈마 처리실 내의 플라스틱 용기 내부에 글로우 방전을 발생시키는 마이크로파 혹은 고주파의 공급부, 플라스틱 용기의 외부를 글로우 방전이 발생하지 않을 정도의 감압 상태로 유지하는 제2 배기부, 플라스틱 용기 외면에 냉각용 가스를 분무하는 냉각 가스 공급 구멍을 마련하여 플라스틱 용기 내면에 화학 증착막을 형성하는 것을 특징으로 하는, 플라스틱 용기의 화학 플라즈마 처리 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 냉각용 가스 공급부는 플라즈마 처리실의 천정벽 및/또는 원통형 측벽에 마련되어 있는 것인, 플라스틱 용기의 플라즈마 처리 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 냉각용 가스 공급부는 플라즈마 처리실 내측에 위치하는 쪽이 소직경으로 된 조리개 형상을 갖고 있는 것인, 플라스틱 용기의 플라즈마 처리 장치.
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