KR20110046055A - Apparatus and method for plasma ion implantation of argentum element to improve anti-microbial property - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소재 표면의 항균성 향상을 위한 은 원소 플라즈마 이온주입 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a silver element plasma ion implantation method and apparatus for improving the antimicrobial properties of the material surface.
예로부터, 은(銀, argentum)의 항균능력에 대해 널리 알려져 왔다. 은 이온은 세균의 세포막과 결합하여 세포를 파괴시키고 이로 인해 세균을 사멸시킬 수 있다. 따라서, 은의 항균효능을 이용한 다양한 응용분야가 개발되어 왔으며, 특히 의료기구 또는 생활용품의 항균특성을 향상시키기 위한 분야가 각광을 받고 있다.From ancient times, silver has been widely known for its antibacterial ability. Silver ions can bind to the cell membranes of bacteria and destroy the cells, thereby killing the bacteria. Therefore, various application fields using the antibacterial effect of silver have been developed, and in particular, the field for improving the antibacterial characteristics of medical devices or household goods has been in the spotlight.
그 일 예로서, 은의 항균특성을 이용한 섬유가 한국등록특허 제0876111호에 개시되어 있다. 이 문헌에서, 은나노 입자가 도포된 섬유는 작은 크기의 은 입자를 함유한 용액을 흡착 및 건조시켜 제조된다. 다른 예로서, 은의 항균특성을 이용한 플라스틱 소재가 한국등록특허 제0765148호에 개시되어 있다. 이 문헌에서, 은 입자를 함유한 플라스틱 수지는 은입자를 함유한 용액을 수지용액에 혼합하여 제조된다. 또 다른 예로서, 은의 항균특성을 이용한 금속 소재가 한국등록특허 제 0699224호에 개시되어 있다. 이 문헌에서, 금속소재는 그 표면에 은을 코팅하여 제조된다.As an example, a fiber using the antibacterial property of silver is disclosed in Korean Patent No. 0876111. In this document, fibers coated with silver nanoparticles are prepared by adsorbing and drying a solution containing silver particles of small size. As another example, a plastic material using the antibacterial property of silver is disclosed in Korean Patent No. 0767148. In this document, a plastic resin containing silver particles is prepared by mixing a solution containing silver particles into a resin solution. As another example, a metal material using antibacterial properties of silver is disclosed in Korean Patent No. 0699224. In this document, metal materials are produced by coating silver on their surfaces.
하지만, 상술한 예들은 은입자가 기계적 마모에 약하고 소재와의 접착력이 낮은 문제점을 간과하고 있다. 이러한 은입자의 특성으로 인해, 섬유, 플라스틱, 및 금속에 흡착되거나 코팅된 은입자는 단시간 내에 소실되어 본래의 항균특성을 장시간 보유할 수 없게 된다. 또한, 실질적으로 항균특성이 요구되는 부분은 플라스틱 소재의 표면임에 불구하고, 수지용액에 많은 양의 은입자가 혼합되어야 하는 문제점도 있다.However, the above examples overlook the problem that silver particles are weak in mechanical wear and have low adhesion to materials. Due to the properties of these silver particles, the silver particles adsorbed or coated on fibers, plastics, and metals are lost in a short time so that the original antimicrobial properties cannot be retained for a long time. In addition, despite the fact that the antimicrobial properties are required on the surface of the plastic material, there is a problem that a large amount of silver particles should be mixed in the resin solution.
은의 항균특성을 이용하는 다른 방법이 미국 등록특허 제5520664호에 개시되어 있다. 종래의 기술은 은 이온을 높은 에너지(수십 내지 수백 KeV)로 가속하여 재료의 표면에 주입시키는 것이다. 종래의 기술에 따르면, 재료의 표면 이하 수천Å까지 은 이온을 주입할 수 있고, 완만한 조성 변화층을 형성할 수 있다. 따라서, 종래의 기술은 상술한 예에서와 같은 은입자의 소실이 없어서 항균특성을 지속적으로 유지할 수 있다.Another method using the antimicrobial properties of silver is disclosed in US Pat. No. 5520664. The prior art is to accelerate the implantation of silver ions with high energy (tens of tens to hundreds of KeV) onto the surface of the material. According to the prior art, it is possible to inject silver ions up to thousands of microns or less of the surface of the material and form a gentle composition change layer. Therefore, the prior art can maintain the antimicrobial properties continuously without the loss of silver particles as in the above-described example.
종래의 이온주입 기술은 많은 장점을 가지지만, 상기 이온주입 기술은 반도체 분야를 제외한 다른 소재 분야에서 활용하는 것이 매우 제한적이다. 종래의 이온주입 장치는 평면시료인 반도체 웨이퍼에의 불순물 도핑을 목적으로 개발된 장비로서, 이온원으로부터 이온을 추출한 후 가속시켜 이온빔의 형태로 시료에 입사시키게 되며, 균일한 이온주입을 위해서 이온빔을 흔들어 주어야 한다. 이러한 이온빔 형태로 이온을 주입하는 방법은 견통선(Line-of-sight) 주입이라는 원리상의 제 약 때문에, 금형, 공구, 기계 요소부품 등과 같은 3차원 물체에의 이온주입을 위해서 시료의 3방향 회전 및 경사 입사 이온에 의한 스퍼터링 현상을 막기 위한 마스킹의 필요성 등 기술적인 약점을 갖고 있다. 또한, 다른 표면 개질 장비에 비해 장비의 가격이 매우 비싸다는 단점도 갖고 있다.The conventional ion implantation technology has many advantages, but the ion implantation technology is very limited to be used in other material fields except the semiconductor field. The conventional ion implantation apparatus is a device developed for doping impurities into a semiconductor wafer, which is a planar sample. The ion implantation apparatus extracts ions from an ion source and accelerates them to enter a sample in the form of an ion beam. You have to shake it. This method of implanting ions in the form of ion beams is a three-way rotation of the sample for implanting ions into three-dimensional objects such as molds, tools, and mechanical component parts due to the principle of line-of-sight implantation. And the necessity of masking to prevent sputtering due to oblique incident ions. It also has the disadvantage that the equipment is very expensive compared to other surface modification equipment.
한편, 은 이온 주입을 위한 다른 방법으로서 펄스 음극아크(MEVVA)를 이용한 방법이 "Surface Modification of Medical Metals by Ion Implantation of Silver and Copper"(Wan YZ, Raman S, He F, Huang Y., Vacuum 2007; 81(9): 1114-1118)에 개시되어 있다. 하지만, 펄스 음극아크 플라즈마를 이용하는 경우 아크로 인해 큰 크기의 마크로 입자(Droplet)가 발생하여 이온주입 시료의 표면에 증착되며, 이를 방지하기 위해서는 자장을 이용한 필터를 사용해야만 하는 문제점이 있다. Meanwhile, another method using silver cathode arc (MEVVA) for silver ion implantation is "Surface Modification of Medical Metals by Ion Implantation of Silver and Copper" (Wan YZ, Raman S, He F, Huang Y., Vacuum 2007). 81 (9): 1114-1118. However, when the pulsed cathode arc plasma is used, macro particles of a large size are generated due to the arc, and are deposited on the surface of the ion implantation sample. In order to prevent this, there is a problem in that a filter using a magnetic field must be used.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 소재의 항균성을 향상시키기 위해 은 이온을 시료의 표면에 효과적으로 주입하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.The present invention is to solve the above problems, an object of the present invention to provide an apparatus and method for effectively injecting silver ions to the surface of the sample to improve the antimicrobial properties of the material.
본 발명에 의하면, 은 원소 플라즈마 이온주입 장치가 제공된다. 은 원소 플라즈마 이온주입 장치는 내부를 진공 상태로 유지하는 진공조와, 박막증착을 위한 마그네트론 증착원과, 진공조 내의 증착원에 대향하는 위치에 설치되어 시료가 장착되는 시료장착대와, 증착원에 펄스 직류 전력을 인가하여 증착원으로부터 스퍼터링되는 은 원소를 플라즈마화시키는 제1 전원공급수단과, 시료장착대에 마그네트론 증착원용 펄스 직류 전력에 동기화된 고접압 펄스를 인가하여 은 원소의 플라즈마 이온들을 시료 쪽으로 가속시켜 시료의 표면에 이온주입 시키는 제2 전원공급수단을 포함할 수 있다.According to this invention, a silver element plasma ion implantation apparatus is provided. The silver element plasma ion implantation apparatus includes a vacuum chamber for keeping the interior in a vacuum state, a magnetron deposition source for thin film deposition, a sample mounting table installed at a position opposite to the deposition source in the vacuum chamber, and a sample source mounted on the deposition source. A first power supply means for plasmalizing the silver element sputtered from the deposition source by applying pulsed direct current power, and a high contact voltage pulse synchronized with the pulsed DC power for the magnetron deposition source to the sample mounting table, thereby bringing plasma ions of the silver element toward the sample; It may include a second power supply means for accelerating the ion implantation on the surface of the sample.
본 발명에 따르면, 은 원소 플라즈마 이온주입 방법이 제공된다. 은 원소 플라즈마 이온주입 방법은 진공조 내의 시료장착대 위에 시료를 위치시키는 단계와, 진공조의 내부를 진공상태로 유지하는 단계와, 진공조 내에 플라즈마화 할 가스를 공급하는 단계와, 박막증착을 위한 마그네트론 증착원에 펄스 직류 전력을 인가하여 은 원소의 플라즈마 이온들을 발생시키는 단계와, 시료장착대에 마그네트론 증착원용 펄스 직류 전력과 동기화된 고전압 펄스를 인가하여 은 원소의 플라즈마 이온들을 시료 쪽으로 가속시켜 시료의 표면에 이온주입시키는 단계를 포함한다.According to the present invention, a silver element plasma ion implantation method is provided. The silver element plasma ion implantation method includes the steps of placing a sample on a sample mounting table in a vacuum chamber, maintaining the interior of the vacuum chamber in a vacuum state, supplying a gas to be plasmaized in the vacuum chamber, and depositing a thin film for deposition. Generating pulsed plasma ions of the silver element by applying pulsed DC power to the magnetron deposition source, and accelerating the plasma ions of the silver element to the sample by applying a high voltage pulse synchronized with the pulsed DC power for the magnetron deposition source to the sample mounting table. Ion implantation on the surface of the.
일 실시예에서, 마그네트론 증착원에 인가하는 펄스 직류 전력은 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 밀도를 가질 수 있다. 또한, 펄스 직류 전력은 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 가질 수 있다.In one embodiment, the pulsed direct current power applied to the magnetron deposition source may have a density of 10 W / cm 2 ~ 10 kw / cm 2 . In addition, the pulsed DC power may have a frequency of 1 Hz to 10 kHz and a pulse width of 10 usec to 1 msec.
일 실시예에서, 시료 장착대에 인가하는 고전압 펄스는 마그네트론 증착원용 펄스 직류 전력에 동기화된 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 1 usec ∼ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ∼ -100 kV의 음(-)의 고전압 펄스를 가질 수 있다.In one embodiment, the high voltage pulse applied to the sample mount has a frequency of 1 Hz to 10 kHz, a pulse width of 1 usec to 200 usec, and -1 kv to -100 kV, synchronized to a pulsed DC power for the magnetron deposition source. It can have a negative high voltage pulse.
일 실시예에서, 진공조는 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr를 가질 수 있다.In one embodiment, the vacuum chamber may have a gas pressure therein of 0.5 mTorr to 5 mTorr.
일 실시예에서, 진공조에 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스공급부와,In one embodiment, the gas supply unit for supplying a gas to be plasma to the vacuum chamber,
가스공급부에 의해 공급되는 가스의 압력을 조절하기 위한 가스조절부를 더 포함할 수 있다.The gas supply unit may further include a gas control unit for adjusting the pressure of the gas supplied by the gas supply unit.
일 실시예에서, 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 더 구비하여, 은 원소의 이온화율을 증가시키고 증착원의 작동 압력을 낮출 수 있다. 진공조 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단은 진공조 내에 장착되어 RF 전력을 방사하여 유도결합 플라즈마를 발생시키는 RF 안테나와, RF 안테나에 RF 전력을 인가하는 RF 전원부와, RF 전원부와 RF 안테나와의 RF 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭부를 포함할 수 있다.In one embodiment, further means for generating an inductively coupled plasma in the vacuum chamber can increase the ionization rate of the silver element and lower the operating pressure of the deposition source. Means for generating an inductively coupled plasma in a vacuum chamber includes an RF antenna mounted in the vacuum chamber to radiate RF power to generate an inductively coupled plasma, an RF power supply unit for applying RF power to the RF antenna, an RF power supply unit and an RF antenna, The RF matching unit may include an RF matching unit.
본 발명의 일 실시예에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치 및 방법에 따르면, 펄스 직류 전력을 마그네트론 증착원에 인가함으로써 은 원소의 플라즈마 이온을 시료에 주입할 수 있다. 마그네트론 증착원이 펄스 모드로 작동하므로, 마그네트론 증착원의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 전력을 인가할 수 있다. 따라서, 고밀도의 은 플라즈마를 발생시킬 수 있으며 은 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 은 원소의 이온들은 시료에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스에 의하여 시료 쪽으로 가속되어 시료의 표면에 효과적으로 은 이온이 주입되게 된다.According to the silver element plasma ion implantation apparatus and method according to an embodiment of the present invention, plasma ions of the silver element may be injected into the sample by applying pulsed DC power to the magnetron deposition source. Since the magnetron deposition source operates in the pulsed mode, it is possible to apply very high power at the moment the pulse is applied while maintaining a low average power so that there is no problem in cooling the magnetron deposition source. Therefore, a high density silver plasma can be generated and the ionization rate of silver element is raised. The ions of the silver element generated in this way are accelerated toward the sample by the synchronized negative high voltage pulse applied to the sample so that the silver ions are effectively injected into the surface of the sample.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입장치 및 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a silver element plasma ion implantation apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치의 구성을 보인 도면이다.1 is a view showing the configuration of a silver element plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치(100)는, 그 내부가 진공 상태를 유지하는 진공조(110)와, 박막증착을 위한 마그네트론 증착원(120)과, 진공조(110) 내의 증착원에 대향하는 위치에 설치되어 시료(131)가 장착되는 시료장착대(130)와, 증착원에 펄스 직류 전력(141)을 인가하여 증착원으로부터 스퍼터링되는 은 원소의 플라즈마 이온들을 발생시키는 제1 전원공급수단과, 시료장착대(130)에 펄스 직류 전력(141)에 동기화된 고전압 펄스(151)를 인가하여 은 원소의 플라즈마 이온들을 시료(131) 쪽으로 가속시키는 제2 전원공급수단을 포함한다. 제1 전원공급수단은 펄스 직류 전원부(140)를 포함한다. 펄스 직류 전력(141)은 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 높은 전력을 인가할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 펄스 직류 전력(141)은, 밀도가 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 값을 갖고, 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와, 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 가질 수 있다.Referring to FIG. 1, a silver element plasma
일 실시예에 있어서, 제2 전원공급수단은 고전압 펄스 전원부(150)를 포함한다. 고전압 펄스(151)는 은 원소의 플라즈마 이온들을 시료(131) 쪽으로 가속시켜 이온주입될 수 있도록 펄스 직류 전력(141)에 동기화된다. 일 실시예에 있어서, 마그네트론 증착원(120)에 인가되는 펄스 직류 전력(141)에 동기화된 고전압 펄스(151)는 펄스 직류 전력(141)과 동일한 주파수인 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수를 갖고, 1 usec ∼ 200 usec의 펄스폭과, -1 kv ∼ -100 kV의 음(-)의 고전압 펄스를 가질 수 있다.In one embodiment, the second power supply means includes a high voltage
바람직하게는, 진공조(110) 내부의 가스 압력은 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr 이다. 이를 위해, 본 발명에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치(100)는, 진공조(110)에 플라즈마화 할 가스를 공급하기 위한 가스공급부(161)와, 가스공급부(161)에 의해 공급되는 가스의 압력(또는 유량)을 조절하기 위한 가스조절부(162)를 더 구비한다. Preferably, the gas pressure inside the
또한, 본 발명에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치(100)는 진공조(110) 내에 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단을 더 구비하여, 은 원소의 이온화율을 증가시키고 마그네트론 증착원(120)의 작동 압력을 일반적인 마그네트론 증착원보다 낮출 수 있다. 일 실시예에 있어서, 유도결합 플라즈마를 발생하기 위한 수단(170)은 진공조(110) 내에 장착되어 RF 전력을 방사하여 유도결합 플라즈마를 발생시키는 RF 안테나(171)와, RF 안테나(171)에 RF 전력을 인가하는 RF 전원부(173)와, RF 전원부(173)와 RF 안테나(171)와의 RF 임피던스 매칭을 위한 RF 매칭부(172)를 포함할 수 있다.In addition, the silver element plasma
본 발명에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치(100)의 원리는 다음과 같다. The principle of the silver element plasma
진공조(110)는 진공펌프(111) 및 진공밸브(112)에 의하여 소정의 진공도를 유지하며, 접지부(113)를 통해 접지된다.The
먼저, 진공조(110) 내부에 위치한 시료장착대(130)에 시료(131)를 장착한 후, 진공펌프(111)을 이용하여 진공조(110) 내부의 진공도를 고진공 영역까지 배기한다. 이 후, 가스공급부(161)는 플라즈마를 발생시키기 위한 가스를 가스조절부(162)을 통해 진공조(110) 내부에 인입시켜 내부의 압력을 조절한다. 상기 가스는 가스조절부(162)에 의해 가스의 공급량이 조절되고 가스밸브(163)를 통해 진공조(110) 내로 인입된다. 일 실시예에 있어서, 상기 가스는 아르곤, 네온 등을 포함한다. 일 실시예에 있어서, 진공조(110) 내부의 압력은 0.5 mTorr ∼ 5 mTorr로 조절한다. 그 이유는, 진공조(110) 내부의 가스 압력이 0.5 mTorr 이하의 낮은 압력에서는 플라즈마의 발생이 어려운 반면, 5 mTorr 이상의 높은 압력에서는 플라즈 마 이온주입시 가속되는 은 이온과 주위 가스입자들과의 빈번한 충돌로 인하여 가속되는 은 이온의 에너지 손실이 매우 심하기 때문이다.First, after the
상술한 바와 같이 상기 가스를 인입하여 진공조(110) 내부의 압력이 안정화되면, 진공조(110)에 장착된 마그네트론 증착원(120)에 펄스 직류 전원부(140)를 이용하여 펄스 직류 전력(141)을 인가하여 마그네트론 증착원(120)을 작동시킴과 동시에, 고전압 펄스 전원부(150)를 이용하여 전도성 시료장착대(130)에 음(-)의 고전압 펄스(151)를 인가함으로써 은 플라즈마 이온주입 공정을 수행한다.As described above, when the gas is introduced and the pressure inside the
상기한 마그네트론 증착원(120)에 인가하는 펄스 직류 전력(141)과 전도성 시료장착대(130)에 인가하는 음(-)의 고전압 펄스(151)는 동기화시켜 같은 주파수로 작동되도록 한다. 이는, 펄스 직류 전력(141)에 의하여 마그네트론 증착원(130)이 작동(pulse-on)되는 순간 마그네트론 증착원(120)으로부터 스퍼터링되는 은 원소가 고밀도의 플라즈마에 의하여 이온화되고, 이로 인한 은 이온들은 전도성 시료장착대(130)에 인가되는 음(-)의 고전압 펄스(151)에 의하여 시료(131)로 가속되어 시료(131)의 표면에 이온이 주입되기 때문이다. 따라서, 반드시 동기화가 이루어져야 한다. The pulsed
상기에서, 마그네트론 증착원(120)에 인가되는 펄스 직류 전력(141)은, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 10 W/cm2 ∼ 10 kw/cm2의 밀도를 갖도록 한다. 그 이유는, 10 W/cm2 이하의 낮은 펄스 직류 전력으로는 마그네트론 증착원(120)으로부터 이온화율이 높은 고밀도의 은 플라즈마 발생이 어려운 반면, 10 kw/cm2 이상 의 값을 이용하기에는 현실적으로 펄스 직류 전원부(140)의 제작에 어려움이 많기 때문이다. 일 실시예에 있어서, 펄스 직류 전력(141)은, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수와 10 usec ∼ 1 msec의 펄스폭을 갖도록 한다. 그 이유는, 1 Hz 이하의 낮은 주파수로는 은 플라즈마 이온주입 공정시간이 너무 많이 소요되므로 본 기술의 경제적인 가치가 감소하는 반면, 10 kHz 이상의 높은 주파수로 작동하는 펄스 직류 전원부(140)의 제작에는 어려움이 많기 때문이다. 또한, 10 usec 이하의 짧은 펄스폭에서는 고밀도 은 플라즈마의 발생이 충분하지 않으므로 발생된 은 원소의 이온화율이 낮은 반면, 1 msec 이상의 긴 펄스폭에서는 높은 펄스 전력으로 인하여 마그네트론 증착원(120)에 아크가 발생할 확률이 높아 공정이 불안정하기 때문이다.In the above, the pulsed direct
또한, 시료장착대(130)에 인가되는 고전압 펄스(151)는, 반드시 이에 한정하는 것은 아니지만, 마그네트론 증착원(120)에 인가되는 펄스 직류 전력(141)과 동일한 주파수인 1 Hz ∼ 10 kHz의 주파수를 반드시 동기화시켜 이용하며, 펄스폭은 1 usec ∼ 200 usec, 음(-)의 고전압 펄스는 -1 kv ∼ -100 kV의 값을 이용한다. 그 이유는, 1 usec 이하의 짧은 펄스폭에서는 은 플라즈마 이온주입이 효과적으로 이루어지지 않으며, 200 usec 이상의 긴 펄스폭에서는 전도성 시료장착대(130)에 인가되는 음(-)의 고전압에 의한 플라즈마 쉬스(sheath)가 너무 많이 팽창하여 진공조(110)의 벽에 닿으면서 플라즈마가 꺼질 우려가 있으며, 시료장착대(130)에 고전압이 인가되는 시간이 길어짐에 따라 시료장착대(130)에 아크가 발생할 가능성이 높기 때문이다. 또한, -1 kV 이하의 낮은 전압에서는 시료(131)의 표면에 은 이온 이 주입되는 깊이가 너무 얕고, -100 kV 이상의 고전압 펄스 전원부(150)의 제작이 현실적으로 많이 어렵기 때문이다.In addition, the
본 발명에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치의 특징은 다음과 같다.The characteristics of the silver element plasma ion implantation apparatus according to the present invention are as follows.
박막증착을 위한 증착원으로 흔히 이용되고 있는 마그네트론 증착원(120)에 은 스퍼터링 타겟을 장착하여 그 작동을 펄스 직류 전력(141)을 이용한 펄스 모드로 작동하고, 이와 동기화된 음(-)의 고전압 펄스(151)를 시료(131)에 인가함으로써 마그네트론 증착원(120)으로부터 발생된 은 이온을 가속하여 시료(131)의 표면에 은 이온을 효과적으로 주입할 수 있다. 마그네트론 증착원(120)을 연속적인 작동이 아닌 펄스 모드로 작동할 경우, 마그네트론 증착원(120)의 냉각에 문제가 없도록 낮은 평균 전력을 유지하면서도 펄스가 인가되는 순간 매우 높은 펄스전력을 인가할 수 있으므로 스퍼터링 타겟의 표면에 고밀도의 은 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 이는 스퍼터링 타겟 표면으로부터 방출되는 은 원소의 이온화율을 높이게 된다. 이와 같은 방법으로 발생된 은 원소의 이온들은 시료(131)에 가해지는 동기화된 음(-)의 고전압 펄스에 의하여 시료(131) 쪽으로 가속되며 시료(131)의 표면에 효과적으로 은 이온이 주입될 수 있다. 또한, 은 마그네트론 증착원(120)과 시료(131) 사이에는 RF 안테나를 장착하여 RF 전력을 인가할 경우, 유도결합 플라즈마를 발생시킴으로써 방출된 은 원소의 이온화율을 한층 증대시킬 수 있을 뿐 아니라, 일반적인 마그네트론 증착원의 작동 압력보다 낮은 압력에서의 작동이 가능하게 함으로써, 은 플라즈마 이온주입시 가스 입자와의 충돌을 최소화하여 은 원소의 플라즈마 이온주입을 보다 효과적으로 수행할 수 있다.The
본 발명에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 방법은 진공조(110) 내의 시료장착대(130) 위에 시료(131)를 위치시키는 단계와, 진공조(110) 내부를 진공상태로 유지하는 단계와, 진공조(110) 내에 플라즈마화할 가스를 공급하는 단계와, 박막증착을 위한 마그네트론 증착원(120)에 직류 펄스 전력(141)을 인가하여 은 원소의 플라즈마 이온들을 발생시키는 단계와, 시료장착대(130)에 펄스 직류 전력(141)에 동기화된 고전압 펄스(151)를 인가하여 상기 은 원소의 플라즈마 이온들을 상기 시료(131) 쪽으로 가속시켜 이온주입시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 은 원소 플라즈마 이온주입 방법은 진공조(110) 내에 유도결합 플라즈마를 발생하는 단계를 더 포함할 수 있다.The silver element plasma ion implantation method according to the present invention includes the steps of placing the
본 발명에 따른 장치의 은 원소 플라즈마 이온주입 실험을 다음과 같이 실시하였다.The silver elemental plasma ion implantation experiment of the apparatus according to the present invention was carried out as follows.
마그네트론 증착원(120)으로는 직경 75 mm, 두께 6 mm의 순은 타겟을 이용하였으며, 이온주입 시료(131)로는 스텐레스 스틸(stainless steel)을 이용하였다. 스텐레스 스틸 시료(131)를 전도성 시료장착대(130)에 장착한 후, 진공조(110)를 5×10-6 Torr의 진공도로 배기한 후, 아르곤 가스를 인입시켜 진공조 내부의 아르곤 압력을 2 mTorr로 유지하였다. 또한, 플라즈마 발생용 RF안테나에 13.56 MHz, 200 Watt의 RF 전력을 인가하여 아르곤 플라즈마를 발생시키고, 마그네트론 증착원(120)에 펄스 직류 전력(141)을 인가하여 마그네트론 증착원(120)을 작동시켰다. 인가한 펄스 직류 전압은 -1.0 kV, 펄스 직류 전류는 15 A로 하여 약 300 W/cm2의 펄스전력을 사용하였다. 또한, 펄스 직류 전력(141)의 주파수는 100 Hz, 펄스폭은 200 usec로 행하였다. 따라서, 평균 전력은 300 W로 마그네트론 증착원(120)의 냉각에 문제가 없도록 하였다.A pure silver target of 75 mm in diameter and 6 mm in thickness was used as the
또한, 상술한 방법으로 마그네트론 증착원(120)을 작동시킴과 동시에, 스텐레스 스틸 시료(131)에 음(-)의 고전압 펄스(151)를 인가함으로써 은 원소의 플라즈마 이온주입 공정을 30 분간 행하였다. 음(-)의 고전압 펄스(151)는 -60 kV, 40 usec의 펄스폭으로 하였으며, 펄스 직류 전력(141)과 동일한 100 Hz의 주파수로 동기화시켰다. 또한, 마그네트론 증착원(120)에 200 usec펄스폭의 펄스 직류 전력(141)이 인가된 후, 약 130 usec 후에 시료(131)에 40 usec펄스폭의 음(-)의 고전압 펄스(151)가 인가되도록 하였다. 따라서, 은 플라즈마 이온밀도가 충분히 높은 상태에서 은 플라즈마 이온주입이 이루어지도록 하였다.In addition, the
상기의 장치 및 방법에 의해 은 원소의 플라즈마 이온이 주입된 스텐레스 스틸 시료는 그람음성균(gram negative bacillus)인 대장균(E. Coli)에 대한 항균성 시험이 다음과 같이 실행되었다.In the stainless steel sample implanted with plasma ions of the silver element by the above apparatus and method, an antimicrobial test against E. Coli, which is a gram negative bacillus, was performed as follows.
보존 균주로부터 사면배지에 해당 공시균을 (35±1)℃에서 16∼20 시간 배양하고, 배양된 공시균을 500 배 희석된 보통배지(Nutrient Broth)(1/500 NB)에 (2.5×105∼2.5×105) 개/mL가 되도록 부유시켜 접종균액으로 사용하였다. 은 플라즈마 이온이 주입된 시험편과 이온이 주입되지 않은 대조 시험편의 평탄한 부분을 (50±2) mm의 정사각형 크기로 준비하고 시험편의 모든 면을 에탄올(95 %) 또는 자외선 등을 이용하여 청정화시킨 다음 시험에 사용하였다. 준비된 접종균액 0.4 mL를 페트리 접시(Petri dish) 안에 놓여진 각 시험편의 시험면 위에 접종하고 접종균액 위에 필름을 덮어 접종균액이 각 시험편 위에 골고루 퍼지도록 하였다. 그 후, 페트리 접시의 마개를 닫고 (35±1)℃, 상대습도 90 % 이상의 조건에서 (24±1) 시간 배양하였다. 배양이 끝난 후 각 시험편을 무균적으로 시료봉지(Stomacher Bag)로 옮기고 SCDPL 배지 10 mL를 가하여 추출장치를 이용하여 각 시편의 균액을 회수한다. 회수된 균액은 PCA 배지를 이용하여 (35±1)℃, 40∼48 시간 동안 배양 후 배지를 관찰하였다.Incubate the specimens on slope medium from conserved strains at (35 ± 1) ° C for 16-20 hours, and incubate the cultured strains (Nutrient Broth) (1/500 NB) diluted 500-fold. 5 to 2.5 × 10 5 ) cells / mL were suspended and used as the inoculum bacterial solution. Prepare a flat section of the plasma-implanted and non-implanted control specimens (50 ± 2) mm in square size, and clean all sides of the specimen with ethanol (95%) or ultraviolet light. Used for the test. 0.4 mL of the prepared inoculum solution was inoculated on the test surface of each test piece placed in a Petri dish, and the inoculation solution was spread evenly on each test piece by covering the film on the inoculum solution. Thereafter, the stopper of the Petri dish was closed and incubated for 24 hours at (35 ± 1) ° C. and a relative humidity of 90% or more. After incubation, each specimen is aseptically transferred to a sample bag, 10 ml of SCDPL medium is added, and the bacterial solution of each specimen is collected using an extractor. The recovered bacterial solution was cultured for 40 to 48 hours at (35 ± 1) ° C. using PCA medium, and then the medium was observed.
도 2는 은 이온 주입에 따른 대장균의 배양결과를 보인 사진이다.Figure 2 is a photograph showing the culture results of E. coli according to the silver ion implantation.
도 2에 도시된 바와 같이, 이온 주입되지 않은 스텐레스 스틸 시험편으로부터 배양된 배지(a)에는 많은 양의 대장균이 생장한 반면, 은 플라즈마 이온 주입된 시험편으로부터 배양된 배지(b)에는 대장균이 전혀 생장하지 않았음을 알 수 있으며, 이로부터 은 플라즈마 이온주입된 스텐레스 스틸 시험편의 항균 특성이 매우 우수함을 알 수 있다.As shown in FIG. 2, a large amount of Escherichia coli was grown in the medium (a) cultured from the non-ion-injected stainless steel test specimen, while no coliform was grown in the medium (b) cultured from the silver plasma ion-implanted test specimen. It can be seen that the antimicrobial properties of the stainless steel test specimens injected with silver plasma ion were very excellent.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the invention. It will be clear to those who have knowledge of.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 은 원소 플라즈마 이온주입 장치의 구성을 보인 도면이다.1 is a view showing the configuration of a silver element plasma ion implantation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 은 이온 주입에 따른 대장균의 배양결과를 보인 사진이다.Figure 2 is a photograph showing the culture results of E. coli according to the silver ion implantation.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110: 진공조110: vacuum chamber
111: 진공펌프111: vacuum pump
112: 진공밸브112: vacuum valve
113: 접지부113: ground
120: 증착원120: deposition source
130: 시료장착대130: sample stand
140: 펄스 직류 전원부140: pulse DC power supply
150: 고전압 펄스 전원부150: high voltage pulse power supply
161: 가스공급부161: gas supply unit
162: 가스조절부162: gas control unit
171: RF 안테나171: RF antenna
172: RF 매칭부172: RF matching unit
173: RF 전원부173: RF power supply
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020090102872A KR20110046055A (en) | 2009-10-28 | 2009-10-28 | Apparatus and method for plasma ion implantation of argentum element to improve anti-microbial property |
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---|---|---|---|---|
RU2631553C2 (en) * | 2015-12-17 | 2017-09-25 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭ СО РАН) | Magnetron spray system with electron injection |
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2009
- 2009-10-28 KR KR1020090102872A patent/KR20110046055A/en active Search and Examination
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