KR20090063538A - 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나노분말 상태의 피처리물을 표면개질하기 위한 상압 플라즈마 표면 처리 장치에 관한 것으로, 내부에 공간부가 형성된 하우징과; 상기 하우징 외측에 형성되어 상기 공간부에 반응가스에 의한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부와; 상기 하우징 하측에 결합되어, 상기 공간부에 반응가스 또는 플라즈마를 유입시키는 가스공급부와; 상기 공간부에 형성되며, 삿갓 형상을 이루어 나노분말의 상측으로의 흐름을 차단시키는 분말차단부와; 상기 하우징 내벽에 지지 결합되어 상기 공간부 중심에 수직으로 형성되며, 상기 분말차단부가 결합되는 지지부와; 상기 하우징 상측에 형성되며, 나노분말을 거르고 반응가스를 배기시키는 배기부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치를 기술적 요지로 한다. 이에 따라, 나노분말을 상압 조건에서 신속하고 균일하게 표면개질할 수 있으며, 나노분말의 부유를 방지하여 표면개질 효율을 높였으며, 무단 배기되는 나노분말을 트랩하여 나노분말의 낭비를 방지할 수 있으며, 또한, 상압 플라즈마 표면 처리에 의해 각 나노분말은 입자가 독립적으로 떨어져 있게 되어, 다른 화학적 처리방법에 의한 나노분말의 뭉침 등의 현상을 방지할 수 있으며, 이에 의해 더욱 플라즈마 표면 처리 효율을 높일 수 있게 되었다.

나노 분말 상압 플라즈마 표면 개질

Description

나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치{Surface treatment system of nano-powder using atmospheric plasma}

본 발명은 나노분말 상태의 피처리물을 표면개질하기 위한 상압 플라즈마 표면 처리 장치에 관한 것으로, 나노분말의 부유를 방지하고 무단 배기되는 나노분말을 트랩하여 표면개질 효율이 뛰어난 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치에 관한 것이다.

기체 상태의 물질이 에너지를 받으면 이온화된 입자들로 분해되게 되는데 이러한 이온화된 입자 즉, 양과 음의 입자들이 동일한 수로 존재하여 전체적으로는 중성을 띄는 물질 상태를 플라즈마라 한다.

플라즈마를 이용한 산업분야는 산업화가 진행됨에 따라 점점 더 다양해지고 있으며, 크게 고온 및 진공상태에서 작동하는 고온플라즈마장치와, 저온 및 상압상태에서 작동하는 상압 플라즈마 장치가 있다.

상기 고온플라즈마장치는 별도의 진공챔버 및 고압장비를 구비하고, 진공 상태에서 플라즈마처리를 수행하게 되므로, 최근의 피처리물의 크기나 형태, 종류의 다양성을 따라가지 못하며, 입자의 에너지가 커서 피처리물의 표면이 가열되거나 이온화비율이 낮아서 피처리물의 표면 처리가 용이하지 않은 단점이 있다.

따라서, 최근에는 저온화의 필요성, 장비의 간단화, 반응이온의 농도(radical density)가 높고, 피처리물의 형태나 크기에 상관없이 사용될 수 있는 상압 플라즈마 장치가 각종 산업분야에 널리 사용되고 있다.

상기 상압 플라즈마 장치는 진공 및 고온 처리를 위한 별도의 장비가 필요없으므로 상압에서 반응가스의 주입 및 전원의 인가로부터 플라즈마를 신속히 발생시켜, 플라즈마 처리 작업시간이 단축되는 이점이 있으며, 공정의 간단화 및 경제적인 이점이 있다.

이러한 상압 플라즈마 장치를 이용한 산업분야는 피처리물의 종류에 상관없이 사용할 수 있는 장점이 있으며, 특히, 플라스틱이나 합성수지, 폴리머의 표면을 개질하여 그 표면에 인쇄, 착색, 접착작업을 수행하거나 발수성을 친수성으로 개질하거나, 유리, 세라믹스, 금속, 반도체장치, 반도체박막, 기판 등의 표면의 유기물을 세정하거나 살균, 멸균하거나 에칭하는 것 등의 각종 표면처리 산업에 활용되어지고 있다.

상기 상압플라즈마 장치는 플라즈마 발생 방법에 따라 유전체장벽방전, 코로나방전, 마이크로웨이브에 의한 방전, 아크방전 등이 있으며, 균일한 처리 및 높은 반응이온 밀도, 낮은 작업온도(에너지)에서 작동하는 유전체장벽방전이 널리 사용되고 있다.

종래의 이러한 상압플라즈마 장치는 다양한 피처리물의 표면개질 등에 사용되어 활용되고 있으나, 최근에 각종 부품 및 장치, 물품의 소형화에 맞추어 분말 상태, 특히 나노분말 상태의 피처리물을 처리하기 위해서, 비록 화학적 처리법에 비해 우수한 장점이 있음에도 불구하고, 상압플라즈마 장치는 그 자체로 내부가 상압인 상태에서 작동하게 되므로, 공기의 흐름에 따라 나노분말이 부유하게 되어 플라즈마 처리효율 및 나노분말의 수거효율이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 특히 나노분말 상태의 피처리물을 표면개질하기 위한 것으로, 나노분말의 부유를 방지하고 무단 배기되는 나노분말을 트랩하여 표면개질 효율이 뛰어난 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치를 그 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 내부에 공간부가 형성된 하우징과; 상기 하우징 외측에 형성되어 상기 공간부에 반응가스에 의한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부와; 상기 하우징 하측에 결합되어, 상기 공간부에 반응가스 또는 플라즈마를 유입시키는 가스공급부와; 상기 공간부에 형성되며, 삿갓 형상을 이루어 나노분말의 상측으로의 흐름을 차단시키는 분말차단부와; 상기 하우징 내벽에 지지 결합되어 상기 공간부 중심에 수직으로 형성되며, 상기 분말차단부가 결합되는 지지부와; 상기 하우징 상측에 형성되며, 나노분말을 거르고 반응가스를 배기시키는 배기부;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 하우징은, 길이 방향으로 긴 원통형상으로 형성되며, 내열유리 또는 석영과 같은 투명한 절연재로 이루어지는 것이 바람직하며, 또한, 상기 하우징은, 적어도 한 개 이상으로 수평방향으로 분리결합이 가능한 것이 바람직하다.

또한, 상기 플라즈마발생부는, 상기 하우징 외측에 길이 방향으로 다수개가 구비되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가스공급부는, 상면이 요철형상을 이루며, 상부에 내외부로 관통하는 가스공급공이 형성되어 상기 하우징의 공간부로 반응가스를 유입시키게 된다.

또한, 상기 가스공급부는, 초음파 진동되어 나노분말이 상기 공간부 상으로 부유하도록 도와 플라즈마 처리가 용이하도록 한다.

또한, 상기 분말차단부는, 나노분말의 양 및 하우징의 크기에 따라 다수개가 상기 지지부의 외주면에 일정 간격으로 결합되어 형성되는 것이 바람직하며, 하단부가 상기 하우징의 내벽과 이격되게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배기부는, 상기 하우징 상측에 다수개로 구비된 트랩과, 상기 트랩에 인접하여 배기된 나노분말을 거르는 나노메시를 포함하여 이루어진 것이 바람직하며, 또한 상기 트랩이 초음파 진동되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의한 본 발명은, 나노분말을 상압 조건에서 신속하고 균일하게 표면개질할 수 있으며, 나노분말의 부유를 방지하여 표면개질 효율을 높였으며, 무단 배기되는 나노분말을 트랩하여 나노분말의 낭비를 방지한 효과가 있다.

또한, 상압 플라즈마 표면 처리에 의해 각 나노분말은 입자가 독립적으로 떨어져 있게 되어, 다른 화학적 처리방법에 의한 나노분말의 뭉침 등의 현상을 방지할 수 있으며, 이에 의해 더욱 플라즈마 표면 처리 효율을 높일 수 있게 되었다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설 명하고자 한다.

도시된 바와 같이 본 발명은 크게 하우징(100), 플라즈마발생부(200), 가스공급부(300), 분말차단부(400), 지지부(500) 및 배기부(600)로 구성되어 있으며, 특히 상압하에서 플라즈마를 통해 나노분말의 표면을 개질하기 위한 장치이다. 여기에서 나노분말이라 함은 나노싸이즈(nanometer)의 물질을 의미하며, 그 형태는 나노파우더(nanopowder), 나노튜브(nanotube), 나노라드(nanorod) 등을 포함한다.

먼저, 하우징(100)에 대해 설명하기로 한다.

상기 하우징(100)은 대략 원통형상으로 형성되되, 내부에 공간부(110)가 형성되어 있으며, 하측부위는 나노분말의 수집이 용이하도록 경사지게 형성되어 하단부는 폭에 비해 좁은 형상을 이룬다. 상기 하우징(100)의 상측에는 나노분말을 거르고 반응가스의 배기를 위한 배기부(600)가 결합되고, 하측으로는 반응가스의 유입을 위한 가스공급부(300)가 결합되며, 상기 공간부(110)에 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마발생부(200)가 형성된다.

또한, 상기 하우징(100)은 길이 방향으로 긴 원통형상으로 형성되어, 반응가스의 공급 배기가 다른 영역에서 이루어지도록 하여 플라즈마 발생에 의한 표면처리 효율을 높였다. 또한, 상기 하우징(100)은 투명한 절연재로 형성되어 외부에서 플라즈마에 의한 나노분말의 표면처리 상황을 관찰할 수 있도록 하였다.

또한, 상기 하우징(100)은 투명한 절연재로 형성되되, 바람직하게는 내열유리(pyrex) 또는 석영(quartz)으로 형성되어 온도 변화 및 고전압하에서도 안정적으로 작동되도록 하였다.

또한, 상기 하우징(100)은 길이 방향으로 긴 원통형상으로 형성되되, 적어도 한 개 이상으로 수평방향으로 분리결합이 가능하도록 형성된다. 즉, 상기 하우징(100)은 하측의 반응가스의 공급을 위한 가스공급부(300) 영역과, 중앙부의 플라즈마 표면처리 영역과, 상측의 배기부(600) 영역으로 분리결합될 수 있으며, 필요에 의해 더 많은 영역으로 분리되도록 할 수 있다. 이는 나노분말의 공급 및 수거, 그리고 작업의 편의를 위함이며, 각 영역의 분리 결합은 상기 하우징(100)의 각 영역의 말단부가 나사에 의한 플래지 결합에 의하거나, 별도의 'ㄷ'자 형의 결합금구로 플랜지 결합되도록 한다.

다음으로, 상기 플라즈마발생부(200)는 상기 하우징(100) 외측에 형성되어, 상기 공간부(110)에 반응가스에 의한 플라즈마를 발생시키도록 한다. 상기 플라즈마발생부(200)는 교류(RF) 전압을 인가할 수 있도록 상기 하우징(100) 외측의 전원전극 및 접지전극으로 형성되며, 균일한 플라즈마 발생을 위해 상기 하우징(100)의 길이 방향으로 다수개가 구비되게 할 수 있으며, 상기 하우징(100)의 형상에 따라 하우징(100)의 외주면을 에워싸도록 원형으로 형성될 수도 있다.

다음으로, 상기 가스공급부(300)는 상기 하우징(100) 하측에 결합되어 상기 공간부(110)에 반응가스를 유입시키는 부분이며, 상기 하우징(100) 하측에 결합되므로 원통 형상의 하우징(100)의 형상에 대응되어 하우징(100)과 결합되는 부분은 원형으로 형성되며, 내부에는 반응가스가 이동되는 유로가 형성되도록 비어 있으며, 일측으로는 반응가스가 외부에서 공급되도록 호스 또는 관이 연결형성되어 있다.

그리고 상기 가스공급부(300)에 의해 공급되는 반응가스가 상기 하우징(100)의 공간부(110) 내부로 유입되도록 상기 하우징(100) 내측으로 보이는 가스공급부(300)에는 가스공급공(310)이 형성되어 있다. 즉, 상기 가스공급부(300)의 상부에는 내외부로 관통하는 가스공급공(310)이 형성되어 외부에서 공급되는 반응가스가 가스공급공(310)을 통해 하우징(100)의 공간부(110)로 유입되게 된다.

상기 가스공급부에 의해 공급되는 반응가스로는 주로 아르곤, 헬륨 및 질소 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 가스에 AZO 박막의 특성에 따른 사용 목적 및 용도에 따라 산소 또는 수소를 혼입하여 공급되도록 하며, 상기 전원공급부는 전극에 교류전원을 인가하여 방전공간 상에 플라즈마가 생성되도록 한다.

또한, 상기 가스공급부로는 플라즈마 발생을 위한 반응가스와 함께 외부에 별도로 형성된 상압 플라즈마발생장치가 연결되어, 직접 상압 플라즈마가 공급될 수도 있다. 이 경우에 반응가스도 함께 공급되므로 상기 플라즈마발생부에 의해 플라즈마를 생성함과 동시에 상기 가스공급부로 플라즈마가 공급되도록 하여 플라즈마 농도를 높여 처리효율을 높일 수 있다. 그러나 필요에 의해 외부의 상압 플라즈마발생장치로만 플라즈마를 공급할 수도 있으며, 어느 것에 대해 주로 사용할지는 사용자가 선택할 수 있다.

상기 외부의 상압 플라즈마발생장치는 유전체장벽방전장치, 코로나방전장치, 마이크로웨이브에 의한 방전장치, 아크방전장치 등이 사용될 수 있으나, 균일한 처리 및 높은 반응이온 밀도(redical density), 낮은 작업온도(에너지), 상압하에서 플라즈마 처리가 가능한 유전체장벽방전이 널리 사용되고 있다.

상기 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge) 플라즈마발생장치는 유전체의 충전 및 방전현상에 의한 상압 방전을 이용하는 것으로서, 공지된 유전체장벽방전 플라즈마발생장치를 사용하며, 여기에서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 가스공급부(300)는 상부에 내외부로 관통하는 가스공급공(310)이 형성되되, 상면이 요철형상을 이루도록 한다. 이는 나노분말이 상기 가스공급부(300)의 상면에 가라 앉아 있는 것을 방지하여, 플라즈마 발생 영역에서 플라즈마 처리가 되도록 하기 위함이다. 또한 상기 가스공급부(300)는 초음파 진동되도록 하여, 플라즈마 처리시에는 가스공급부(300) 상면에 나노분말이 가라 앉는 것을 방지하고, 플라즈마 처리 후에는 나노분말을 털어내기 위한 것이다.

다음으로, 상기 분말차단부(400)는 상기 공간부(110)에 형성되며, 삿갓 형상을 이루어 나노분말의 상측으로의 흐름을 차단시키도록 한다. 즉, 상기 분말차단부(400)는 나노분말이 대기 및 반응가스의 흐름에 따라 브라운 운동하게 되어 플라즈마 처리가 제대로 되지 않은 상태에서 배기될 수가 있으므로, 나노분말을 일정 영역에 존재하도록 차단하는 역할을 하도록 하는 것이다.

또한 상기 분말차단부(400)는 하우징(100)의 크기 및 나노분말의 양에 따라 다수개가 형성될 수도 있으며, 상기 분말차단부(400)는 하단부가 상기 하우징(100)의 내벽과 이격되게 형성되어, 나노분말의 상측으로의 흐름을 차단함과 동시에, 반응가스의 흐름 및 배기가 원활히 이루어지도록 하였다.

다음으로, 상기 지지부(500)는 상기 하우징(100) 내벽에 지지결합되어 상기 공간부(110) 중심에 수직으로 형성되며, 외주면에는 상기 분말차단부(400)가 결합 되도록 형성된다. 즉, 상기 지지부(500)는 하우징(100) 내부에 형성되되, 상기 하우징(100)의 내벽 바람직하게는 하측벽과 지지결합을 위한 4개의 발이 하단부에 형성되어 하측벽에 고정결합되며, 상기 분말차단부(400)의 다수개의 결합을 위해 하우징(100)의 길이 방향으로 길게 형성된다.

다음으로, 상기 배기부(600)는 상기 하우징(100) 상측에 형성되며, 나노분말을 거르고 반응가스를 배기시키게 된다. 즉, 상기 하우징(100)의 하측에는 가스공급부(300)가 형성되며, 상기 하우징(100)의 상측에는 상기 배기부(600)가 형성되어, 나노분말은 분말차단부(400)에 의해 차단되어 상측으로 유입되지 않도록 하며, 반응가스만 배기되도록 한 것이다.

또한, 상기 배기부(600)는 상기 하우징(100) 상측에 다수개로 구비된 트랩(610)과, 상기 트랩(610)에 인접하여 배기된 나노분말을 거르는 나노메시(620)를 포함하여 구성되어, 상기 트랩(610)에 의해 상기 하우징(100) 내부에 존재하는 반응가스가 빠져나가게 되며, 상기 나노메시(620)는 상기 분말차단부에 의해 하측으로 차단되지 못하고 배기되는 나노분말을 거르며, 반응가스 등은 외부의 버블탱크에 모아져 여과되어 배출된다.

또한, 상기 배기부(600)는 초음파 진동되도록 하여 트랩(610)의 청소가 용이하도록 하며, 나노메시(620)는 교환이 가능하도록 형성된다.

상기와 같이 구성된 상압 플라즈마 표면 처리 장치의 작용에 대해 설명하고자 한다.

먼저, 상기 가스공급부(300)의 상면에 나노분말을 올려 놓은 후 상기 가스공급부(300)를 상기 하우징(100)에 결합시키거나, 상기 하우징(100)의 하측 분리 영역을 중간 분리 영역에 결합함으로써 나노분말을 플라즈마 처리 상태가 가능하도록 한다.

그 다음, 적정 전압을 교류(RF)로 하우징(100) 외측의 플라즈마 발생부의 전극에 공급한 후, 적정 압력의 반응가스 및 나노분말의 용도에 따라, 즉 표면 개질 목적에 따라 수소 또는 산소를 상기 가스공급부(300)를 통해 공급시키면, 상기 하우징(100)의 공간부(110) 상에는 플라즈마가 발생함과 동시에 반응가스 등의 압력 및 상압에서의 공기의 흐름에 의해 나노분말이 상기 공간부(110) 상에서 부유하면서 플라즈마에 의한 표면 개질이 이루어지게 된다. 이와 동시에 배기부(600)에서는 반응가스가 배기되게 된다.

이에 의해 나노분말은 소수 또는 친수성 작용기를 가지거나, 표면의 유기물이 제거되는 등 표면 개질이 이루어지게 되는 것이다.

도 1 - 본 발명에 따른 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치의 주요부에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치의 분말차단부 및 지지부를 나타낸 사시도.

도 3 - 본 발명에 따른 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치의 가스공급부에 대한 사시도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 하우징 110 : 공간부

200 : 플라즈마발생부 300 : 가스공급부

310 : 가스공급공 400 : 분말차단부

500 : 지지부 600 : 배기부

610 : 트랩 620 : 나노메시

Claims (13)

1. 내부에 공간부(110)가 형성된 하우징(100)과;

   상기 하우징(100) 외측에 형성되어 상기 공간부(110)에 반응가스에 의한 플라즈마를 발생시키는 플라즈마발생부(200)와;

   상기 하우징(100) 하측에 결합되어, 상기 공간부(110)에 반응가스 또는 플라즈마를 유입시키는 가스공급부(300)와;

   상기 공간부(110)에 형성되며, 삿갓 형상을 이루어 나노분말의 상측으로의 흐름을 차단시키는 분말차단부(400)와;

   상기 하우징(100) 내벽에 지지 결합되어 상기 공간부(110) 중심에 수직으로 형성되며, 상기 분말차단부(400)가 결합되는 지지부(500)와;

   상기 하우징(100) 상측에 형성되며, 나노분말을 거르고 반응가스를 배기시키는 배기부(600);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하우징(100)은,

   길이 방향으로 긴 원통형상으로 형성되며, 투명한 절연재로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
3. 제 2항에 있어서, 상기 하우징(100)은,

   내열유리 또는 석영으로 이루어진 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 하우징(100)은,

   적어도 한 개 이상으로 수평방향으로 분리결합이 가능한 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마발생부(200)는,

   상기 하우징(100) 외측에 길이 방향으로 다수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 가스공급부(300)는,

   상면이 요철형상을 이루며, 상부에 내외부로 관통하는 가스공급공(310)이 형성된 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
7. 제 6항에 있어서, 상기 가스공급부(300)는,

   외부의 상압 플라즈마발생장치와 연결되어 상기 가스공급공(310)으로 플라즈마가 공급되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
8. 제 7항에 있어서, 상기 외부의 상압 플라즈마발생장치는,

   유전체장벽방전에 의한 플라즈마발생장치인 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
9. 제 6항에 있어서, 상기 가스공급부(300)는,

   초음파 진동되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 분말차단부(400)는,

    나노분말의 양 및 하우징(100)의 크기에 따라 다수개가 상기 지지부(500)의 외주면에 일정 간격으로 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 분말차단부(400)는,

    하단부가 상기 하우징(100)의 내벽과 이격되게 형성되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 배기부(600)는,

    상기 하우징(100) 상측에 다수개로 구비된 트랩(610)과, 상기 트랩(610)에 인접하여 배기된 나노분말을 거르는 나노메시(620)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 배기부(600)는,

    상기 트랩(610)이 초음파 진동되는 것을 특징으로 하는 나노분말의 상압 플라즈마 표면 처리 장치.

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