KR20110067236A - Apparatus and method for preparing dlc coating on the inner surface of plastic container - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 증착, 식각, 세척과 같은 저온 플라즈마 처리를 위한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 ICP-PI3D에 의해 플라스틱 용기(plastic container)의 내벽에 장벽 DLC(Diamond-Like-Carbon; 다이아몬드-라이크-카본), 즉 수소화된 비정질 탄소(α-C:H)의 코팅층을 형성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 여기서 ICP는 유도 결합 플라즈마(Iductively Coupled Plasma)를 나타내고, PI3D는 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착(Plasma Immersion Ion Implantation and deposition)을 나타낸다.The present invention relates to an apparatus for low temperature plasma processing such as deposition, etching, and cleaning, and more particularly, to a barrier DLC (Diamond-Like-Carbon; diamond-like) on an inner wall of a plastic container by ICP-PI3D. Carbon), i.e., an apparatus and method for forming a coating layer of hydrogenated amorphous carbon (? -C: H), wherein ICP represents Iductively Coupled Plasma, and PI3D represents plasma immersion ion implantation and Plasma Immersion Ion Implantation and Deposition.
잘 알려진 바와 같이, 플라스틱은 유리와 같은 다른 재료들에 비해서 작은 중량을 가지며 성형이 용이하고 깨지지 않으며 또한 저가인 소재이다. 그렇기 때문에 플라스틱 용기들은 음식산업, 의학분야 등에서 포장수단으로서 널리 사용되고 있다.As is well known, plastics are materials which have a small weight compared to other materials such as glass, are easy to mold, unbreakable and inexpensive. For this reason, plastic containers are widely used as a packaging means in the food industry and the medical field.
그러나, 플라스틱은 저분자 유기화합물들을 흡착하는 것으로 알려져 있어서 내용물의 순도를 떨어뜨리고 냄새를 축적하며 산소와 이산화탄소에 대해 투과성을 나타내는데, 이는 예를 들어 비이커 및 플라스크와 같은 실험도구, 그리고 맥주와 같은 탄산음료, 주스와 같은 방향음료를 위한 용기의 재료 등 여러 응용분야에서 사용을 방해하게 된다. 특히, 남아 있는 냄새를 제거하는 것이 어렵기 때문에 회수 가능한 용기로서 플라스틱 용기를 사용할 수 없게 된다. 또한 PET와 같은 플라스틱 용기에 맥주와 같은 주류 또는 탄산음료를 담아 유통하는 경우 플라스틱 용기 내부의 이산화탄소를 비롯한 가스 성분이 용기 외부로 서서히 배출되는 문제가 있으며, 이로 인해 장기간 보존이 어렵고 맛이 저하되는 문제점이 발생한다. 따라서, 주류의 경우 플라스틱 용기를 사용하지 못하고 알루미늄이나 병을 주로 사용하여 비용이 많이 드는 문제점이 있다. However, plastics are known to adsorb low-molecular organic compounds, reducing the purity of the contents, accumulating odors, and permeability to oxygen and carbon dioxide. And the use of materials in containers for fragrance beverages such as juices. In particular, since it is difficult to remove the remaining odor, the plastic container cannot be used as a recoverable container. In addition, when distributing alcoholic beverages such as beer or carbonated beverages in a plastic container such as PET, there is a problem that the gaseous components including carbon dioxide inside the plastic container are gradually discharged to the outside of the container. This happens. Therefore, in the case of liquor, there is a problem in that it is expensive to use a plastic container and mainly use aluminum or a bottle.
이러한 결점들을 해결하기 위해서, 플라즈마 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition; PECVD) 기술을 이용하여 형성한 경질의 탄소 코팅층이 플라스틱 용기의 표면에 장벽층으로서 적용되어 왔다. 한 예가 일본특허공개 평02-70059호에 개시되어 있는데, 여기서 플라스틱 용기는 2개의 동축 전극들, 즉 접지된 내부전극과 RF-전력공급형 외부전극 사이에서 챔버 내에 배치되고, 용량 결합 탄화수소 플라즈마가 상기 전극들 사이에서 생성될 경우 DLC 막이 용기의 내벽과 외벽에 형성된다. 경질 탄소막을 생성하는데 필요한 효과적인 이온 주입은 용기 표면에서 네가티브 자기 바이어스를 조성함으로써 달성된다. 비록 비이커와 같은 양호한 질의 실험도구들이 제작될 수 있지만, 앞서 설명한 장치와 방 법은 저 플라즈마 밀도 및 용기 자체와 비교해 진공 챔버의 상대적으로 큰 크기로 인하여 제한된 생산성을 갖는다. 또한 용기의 외벽 위로 증착된 DLC 코팅층은 틀에 박힌 용기 사용 과정 동안에 불가피하게 손상된다. To address these drawbacks, a hard carbon coating layer formed using Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) technology has been applied as a barrier layer on the surface of plastic containers. One example is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 02-70059, wherein the plastic container is disposed in a chamber between two coaxial electrodes, a grounded inner electrode and an RF-powered outer electrode, and a capacitively coupled hydrocarbon plasma is When produced between the electrodes, a DLC film is formed on the inner and outer walls of the vessel. Effective ion implantation necessary to produce a hard carbon film is achieved by creating a negative self bias at the container surface. Although good quality test tools such as beakers can be fabricated, the apparatus and method described above have limited productivity due to the low plasma density and the relatively large size of the vacuum chamber compared to the vessel itself. Also, the DLC coating layer deposited on the outer wall of the container is inevitably damaged during the process of using the container.
Shimada에게 허여된 미국특허 제6,854,309호에 개시된 합성수지 용기의 외벽면에 장벽(barrier) DLC 코팅층을 형성하기 위한 장치 및 방법에서도 동일한 결점이 나타난다. 또한 DLC 막이 형성될 수 있는 용기는 용기의 개구부와 본체부의 직경에서 작은 차이를 갖는 넓은 입구의 플라스틱 용기로 제한된다. 이 특허에 있어서는 용량 결합 플라즈마(CCP) CVD가 DLC 코팅층을 형성하기 위해서 이용된다.The same drawbacks occur in an apparatus and method for forming a barrier DLC coating layer on the outer wall surface of a plastic container disclosed in US Pat. No. 6,854,309 to Shimada. The container in which the DLC membrane can be formed is also limited to a wide inlet plastic container having a small difference in diameter of the opening of the container and the body part. In this patent, capacitively coupled plasma (CCP) CVD is used to form the DLC coating layer.
내벽에 장벽 DLC 코팅층을 갖는 회수 가능한 플라스틱 용기의 대량 생산을 위한 장치 및 방법은 Shimamura에게 허여된 미국특허 제6,294,226B1호와 Nagashima에게 허여된 미국특허 제6,589,619B1호에 개시되어 있다. 미국특허 제6,805,931B2호에 개시된 발명에 따른 장치의 예가 단지 참조목적으로서 도 2에 도시되어 있다. 여기서, DLC 코팅층을 CCP-CVD를 이용하여 형성한다. CCP-CVD 기술을 적용하는 경우에 용기 벽면 전체에 걸쳐 코팅층의 한결같은 두께와 유사한 특성들을 제공하기 위해서, 외부전극과 내부전극 사이의 거리는 용기를 따라서 같아야 하는데, 이것은 특히 용기가 작은 입구(mouth)를 갖는 경우에는 보장하기가 어렵다. 용기를 따라서 코팅층의 균등도를 향상시키고 문제를 극복하기 위해서, 발명은 외부전극을 2개의 절연된 구간들로 분할하는 것을 개시하고 있는데, 이때 각각의 구간은 별도의 RF 전력공급원으로부터 전력을 인가받는다. 그러나, 이것은 장치를 복잡하게 하고 비용을 증가시킨다.Apparatus and methods for mass production of recoverable plastic containers having a barrier DLC coating on the inner wall are disclosed in US Pat. No. 6,294,226B1 to Shimamura and US Pat. No. 6,589,619B1 to Nagashima. An example of a device according to the invention disclosed in US Pat. No. 6,805,931B2 is shown in FIG. 2 for reference only. Here, the DLC coating layer is formed using CCP-CVD. In the case of applying the CCP-CVD technique, the distance between the outer electrode and the inner electrode should be the same along the vessel, in order to provide uniform thickness and similar properties of the coating layer throughout the vessel wall, especially if the vessel has a small mouth. It is difficult to ensure. In order to improve the uniformity of the coating layer along the vessel and to overcome the problem, the invention discloses dividing the external electrode into two insulated sections, each section being powered from a separate RF power source. . However, this complicates the device and increases the cost.
상기한 바와 같은 모든 종래의 기술들은 PECVD 기술을 이용하는데, 이때 용량 결합 플라즈마(CCP)는 탄화수소 전구체 분자들을 분해하고 이온화하도록 이용되며, 용기 표면에 의해서 얻어진 네가티브 RF 자기 바이어스는 생성되는 DLC 막에 활발한 이온 주입을 제공한다. 후자 조건은 C-C sp3 결합의 상당한 부분을 갖는 경질 탄소막의 증착을 위해서 필수적이다. All conventional techniques as described above use PECVD techniques, where a capacitively coupled plasma (CCP) is used to decompose and ionize hydrocarbon precursor molecules, and the negative RF magnetic bias obtained by the vessel surface is active on the resulting DLC film. Provide ion implantation. The latter condition is essential for the deposition of hard carbon films with significant portions of C-C sp3 bonds.
단일 RF 전력공급원이 사용되어 유전체 기판에 전하가 축적되지 않는 경우에는 비교적 단순해지는 장점을 갖지만, CCP-CVD는 다음과 같은 고유한 결점들을 갖는다:While a single RF power supply can be used to provide relatively simple advantages when no charge builds up on the dielectric substrate, CCP-CVD has the following unique drawbacks:
- 109 cm-3의 낮은 플라즈마 밀도, 따라서 낮은 DLC 증착율;Low plasma density of 10 9 cm -3 , thus low DLC deposition rate;
- RF 시스(sheath) 내에서 가속된 충돌 이온들의 넓은 에너지 분포들; 이것은 DLC 막의 경도 감소를 야기함;Wide energy distributions of accelerated impact ions in the RF sheath; This causes a decrease in the hardness of the DLC membrane;
- 플라즈마 밀도를 증가시키기 위해서 고압이 필요한데, 이것은 RF 시스 충돌을 야기하고, 따라서 충돌 이온들의 에너지 분포의 확장이 이루어지고 그 결과로서 DLC 코팅층이 연화됨;High pressure is required to increase the plasma density, which results in an RF sheath collision, thus extending the energy distribution of the impact ions and consequently softening the DLC coating layer;
- RF 자기-바이어스의 값은 RF 전력, 압력, 가스 타입에 의존하는데, 이것은 공정 매개변수들의 최적화를 어렵게 만든다;The value of the RF self-bias depends on the RF power, pressure and gas type, which makes it difficult to optimize the process parameters;
- 플라즈마 밀도는 방전이 국부적으로 일어나는 2개의 전극들 사이의 거리에 의존하고, 특히 내부전극들의 칫수가 콘테이너 입구의 내부직경에 의해서 제한되는 곳에서 균등한 DLC 코팅에 용기(바닥, 측벽들, 입구)를 따라서 한결같은 특성과 양 호한 접착력을 제공하는 것은 어렵다.The plasma density depends on the distance between the two electrodes where the discharge occurs locally, and in particular the container (bottom, sidewalls, inlet) in the DLC coating even where the dimensions of the internal electrodes are limited by the inner diameter of the container inlet. ), It is difficult to provide consistent properties and good adhesion.
- 플라즈마 비균등성은 유리 전이온도에 걸쳐서 플라스틱 용기의 국부적인 과열을 야기하고, 이것은 용기 변형을 초래한다.Plasma non-uniformity causes local overheating of the plastic container over the glass transition temperature, which leads to container deformation.
플라스틱 용기의 내벽에 대한 DLC 코팅의 CCP-CVD 방법이 Mori에게 허여된 미국특허 제7,166,366B1호에 개시되어 있는데, 여기서 DLC 막 두께 균등도는, 진공 챔버를 형성하는 외부전극을 서로 절연되고 용량 결합을 갖는 3개의 구간으로 분리하고 RF 전력을 단지 하나, 즉 상기 전극의 바닥 구간에 인가함으로써 향상된다. 비록 이러한 발명은 DLC 코팅의 양호한 특성들을 제공할지라도, CCP PVD에 고유하게 존재하는 위에서 열거한 문제점들을 해결하고 있지 못하다.A CCP-CVD method of DLC coating on the inner wall of a plastic container is disclosed in US Pat. No. 7,166,366B1 to Mori, where the DLC film thickness uniformity is such that the external electrodes forming the vacuum chamber are insulated from each other and capacitively coupled. It is improved by separating into three sections with and applying RF power to only one, ie bottom section of the electrode. Although this invention provides the good properties of a DLC coating, it does not solve the problems listed above inherent in CCP PVD.
DLC 코팅된 플라스틱 용기의 저가(low price)를 보장하기 위해서, 전체 저온 RF 플라즈마 코팅 공정이 제조라인에서 수행되는데, 여기서 용기들은 폐루프(closed loop) 생산공정에서 작동하는 일정 개수의 코팅 장치에 연속적으로 로딩/언로딩된다. 이러한 경우에 있어서, 하드웨어의 복잡성과 비용을 낮추기 위해서 동일한 RF 전력공급원으로부터 몇몇 RF 플라즈마 장치로 전력을 인가하는 것이 바람직하다. 도 9는 몇몇 CCP-CVD 장치들이 신호 RF 전력공급원으로부터 병렬로 전력을 공급받는 경우에 대한 등가 전기회로를 나타낸다. RF 전력공급원은 매칭 네트워크(MB)를 통해서 각각의 CCP 장치의 전력 전극에 연결된다. 각각의 CCP는 플라즈마가 없는 경우에는 전력공급 전극과 접지 전극들 사이에서의 캐패시턴스로 나타나며, 플라즈마가 점화된 경우에는 시스 캐패시턴스(sheath capacitance) Csh로 나타난다. 연속적인 처리에 있어서, 장치들의 몇몇은 플라즈마가 존재하지 않는 진공 펌핑이나 통기 단계에 놓이는 반면, DLC 증착단계에서 다른 것들은 플라즈마의 존재하에 놓인다. 모든 장치들 사이에서 균등한 RF 전력 분배를 보장하기 위해서는, DLC 코팅의 반복 가능한 특성들은 다음의 조건:In order to ensure the low price of DLC coated plastic containers, a complete low temperature RF plasma coating process is carried out in the manufacturing line, where the containers are continuously connected to a number of coating devices operating in a closed loop production process. Loaded / unloaded by In this case, it is desirable to apply power to several RF plasma devices from the same RF power supply to reduce hardware complexity and cost. 9 shows an equivalent electrical circuit for the case where some CCP-CVD devices are powered in parallel from a signal RF power source. The RF power supply is connected to the power electrode of each CCP device via a matching network MB. Each CCP is represented by the capacitance between the power supply and ground electrodes when there is no plasma, and by the sheath capacitance Csh when the plasma is ignited. In continuous processing, some of the devices are placed in a vacuum pumping or venting step where no plasma is present, while others are in the presence of a plasma in the DLC deposition step. In order to ensure even RF power distribution among all devices, the repeatable properties of the DLC coating are:
Cel >> Csh (1)C el >> C sh (1)
을 만족시켜야만 한다. Must be satisfied.
그러나, 시스 캐패시턴스는 그러한 장치에서 항상 우월하다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. Csh의 값은 동적 시스(sheath)의 준-분석 모델(semi-analytic model)을 이용하여 추정될 수 있다. However, it is apparent to one of ordinary skill in the art that sheath capacitance is always superior in such devices. The value of Csh can be estimated using a semi-analytic model of dynamic sheath.
내부 이온 이미터(emitter)의 경우에 있어서, 즉 바이어스 전극이 플라즈마를 에워싸는 경우(rs<rt), 정상상태의 Child 시스(Child sheath) 대 목표 반경 비를 얻을 수 있다:In the case of internal ion emitters, i.e. when the bias electrode surrounds the plasma (rs <rt), a steady state child sheath to target radius ratio can be obtained:
(2) (2)
여기서, 및 은 플라즈마 밀도 n0에 대응하는 Debye 길이이다. here, And Is the Debye length corresponding to the plasma density n 0 .
그리고, Child 시스 캐패시턴스(Child sheath capacitance)에 대하여:And for Child sheath capacitance:
(3) (3)
예 1:Example 1:
ni = 5×1010 cm-3 ni = 5 × 10 10 cm -3
Te = 3 eVTe = 3 eV
V0 = 1 kVV0 = 1 kV
rt = 3 cmrt = 3 cm
l = 15 cml = 15 cm
그러면, Csh = 6000pF이다.Then Csh = 6000pF.
이에 의해서, CCP 플라즈마가 DLC 코팅을 위한 장치에서 사용되는 경우, 플라즈마가 존재하거나 존재하지 않는 상황에서 장치 임피던스간의 큰 차이는 몇몇 장치들에 전력을 공급하기 위해서 단일의 RF 전력공급원을 사용하는 것을 방지한다. Thereby, when a CCP plasma is used in a device for DLC coating, a large difference between device impedance in the presence or absence of a plasma prevents the use of a single RF power supply to power some devices. do.
또한 RF 플라즈마 처리에 의해서 플라스틱 용기의 내벽에서 DLC 코팅의 처리량을 증가시키는 것이 필요하다. 이것은 높은 플라즈마 밀도가 제공되는 경우에 막 증착 시간을 감소시킴으로써 달성할 수 있다. There is also a need to increase the throughput of DLC coatings on the inner walls of plastic containers by RF plasma treatment. This can be achieved by reducing the film deposition time when high plasma density is provided.
그리고, 전체 용기 벽면에 걸쳐서 균등한 특성의 DLC 코팅층을 제공하는 것이 또한 필요하다. 이것은 사용된 방법이 장치 전극들의 형상에 대해 덜 민감하 면 실현될 수 있다.There is also a need to provide a DLC coating layer of uniform properties over the entire container wall. This can be realized if the method used is less sensitive to the shape of the device electrodes.
또한 플라스틱 용기 상에서 DLC 코팅층의 우수하고 반복 가능한 특성들을 보장하는 것이 또한 필요하다. 이것은 만일 주 공정 매개변수들의 독립적인 제어가 유용하다면 달성될 수 있다. It is also necessary to ensure the good and repeatable properties of the DLC coating layer on the plastic container. This can be achieved if independent control of the main process parameters is useful.
또한 DLC 피복된 플라스틱 용기의 대량 생산을 위한 장치의 가격을 낮추고 신뢰도를 향상시키는 것이 필요하다. 이것은 RF 전력공급원과 같은 고가의 복잡한 유닛들의 수를 줄임으로써 달성될 수 있다. There is also a need to lower the cost and improve reliability of devices for mass production of DLC coated plastic containers. This can be achieved by reducing the number of expensive and complex units such as RF power supplies.
본 발명의 목적은 플라스틱 용기의 내벽의 장벽 DLC 코팅층을 위한 종래의 방법 및 장치의 문제점들을 극복하는 것이다.It is an object of the present invention to overcome the problems of conventional methods and apparatus for barrier DLC coating layers on the inner wall of plastic containers.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 플라스틱 용기의 내벽에 우수한 산소 차단 특성을 가지면서 용기에 저분자 유기화합물이 흡수되는 것을 억제할 수 있는 우수한 품질의 DLC 코팅층을 형성할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다.Therefore, the present invention is invented to solve the above problems, to form a DLC coating layer of excellent quality that can suppress the absorption of low-molecular organic compounds in the container while having excellent oxygen barrier properties on the inner wall of the plastic container. It is a primary object to provide a device and method that can.
특히, 폐루프 생산공정에서 작동하는 장치들을 이용함으로써 내벽에 우수한 특성의 DLC 코팅층을 갖는 회수 가능한 플라스틱 용기들을 저가-대량으로 생산할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다.In particular, it is a main object to provide an apparatus and method for producing low-volume, recoverable plastic containers having a superior characteristic DLC coating on the inner wall by using devices operating in a closed loop production process.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 플라스틱 용기의 내벽에 DLC 코팅층을 형성하기 위한 장치로서, 처리될 플라스틱 용기를 수용할 수 있도록 분리 가능한 구조로 되어 있고 일부가 플라스틱 용기의 외곽선에 상응하는 내벽 형상과 치수를 갖는 진공 유전체 밀폐부와; 상기 진공 유전체 밀폐부의 또 다른 일부에 연결되어 진공 유전체 밀폐부의 내부를 진공압 상태로 만들어주기 위한 진공펌핑수단과; 상기 진공 유전체 밀폐부의 주위로 배치된 나선형 RF 안테나와; 상기 RF 안테나에서 RF 전류를 생성하도록 매칭 네트워크를 통해 상기 안테나에 연결되어 전력을 인가하는 RF 전력공급원과; 플라스틱 용기의 외곽선과 치수에 상응하는 외곽선과 치수를 가지면서 상기 진공 유전체 밀폐부 내에서 플라스틱 용기의 외곽 주위를 따라 배치되고 상기 RF 안테나에 의해 유도된 RF 전류에 대해 원주를 따라 회로 단락을 방지하기 위해 부속되는 분리 가능한 슬롯형 바이어스 전극과; 상기 바이어스 전극에 대해 반복적인 전압 펄스를 인가하기 위한 것으로서, 펄스들의 극성이 네가티브인 펄스전원장치와; 플라스틱 용기의 입구를 통해 삽입되어 용기 내측에 배치되고 홀들을 통해 용기 내측으로 탄화수소 전구체 가스를 공급하는 접지된 전도성 전극과; 상기 전도성 전극과 연결되어 탄화수소 전구체 가스를 전도성 전극을 통해 플라스틱 용기 내측으로 공급하기 위한 가스공급장치;를 포함하는 플라스틱 용기의 DLC 코팅을 위한 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a device for forming a DLC coating layer on the inner wall of the plastic container, which has a detachable structure to accommodate the plastic container to be treated, and partly corresponding to the outline of the plastic container. A vacuum dielectric seal having an inner wall shape and dimensions; A vacuum pumping means connected to another part of the vacuum dielectric sealing part to make the inside of the vacuum dielectric sealing part into a vacuum pressure state; A spiral RF antenna disposed around the vacuum dielectric seal; An RF power supply source connected to and applying power to the antenna through a matching network to generate an RF current at the RF antenna; Preventing short circuits along the circumference for RF currents induced by the RF antenna and disposed around the perimeter of the plastic container within the vacuum dielectric enclosure with an outline and dimensions corresponding to the perimeter and dimensions of the plastic container. A detachable slotted bias electrode attached to the battery; A pulse power supply for applying a repetitive voltage pulse to said bias electrode, the pulse power supply having a negative polarity of the pulses; A grounded conductive electrode inserted through the inlet of the plastic container and disposed inside the container and supplying a hydrocarbon precursor gas into the container through the holes; And a gas supply device connected to the conductive electrode for supplying a hydrocarbon precursor gas into the plastic container through the conductive electrode.
그리고, 본 발명은, 상기한 DLC 코팅을 위한 장치를 이용해 플라스틱 용기의 내벽에 대해 DLC 코팅을 수행하는 방법으로서, a) 플라스틱 용기를 진공 유전체 밀 폐부의 내부에 배치하되, 상기 진공 유전체 밀폐부 내에서 플라스틱 용기의 외곽 주위에 슬롯형 바이어스 전극이 배치되도록 한 뒤 진공 유전체 밀폐부의 내부를 밀폐하는 단계와; b) 접지된 전도성 전극을 상기 플라스틱 용기의 입구를 통해 용기 내측으로 도입하는 단계와; c) 상기 진공 유전체 밀폐부의 일측에 연결된 진공펌핑수단을 이용해 진공 유전체 밀폐부의 내부를 펌핑하여 진공압 상태로 다운시키는 단계와; d) 가스공급장치를 이용해 상기 전도성 전극에 탄화수소 전구체 가스를 공급하여 전도성 전극의 홀들을 통해 용기 내측으로 상기 탄화수소 전구체 가스가 도입되도록 하는 단계와; e) RF 전력공급원으로부터 매칭 네트워크를 통해 상기 진공 유전체 밀폐부 주위로 배치된 나선형 RF 안테나에 전력을 인가하여 플라스틱 용기의 내부에서 용량 결합 플라즈마를 점화시키는 단계와; f) 펄스전원장치를 이용해 상기 바이어스 전극에 반복적인 네가티브 전압 펄스들을 인가하는 단계;를 포함하는 플라스틱 용기의 DLC 코팅을 위한 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for performing DLC coating on the inner wall of a plastic container by using the apparatus for DLC coating, a) disposing the plastic container inside the vacuum dielectric mill closed portion, the inside of the vacuum dielectric seal; Allowing the slotted bias electrode to be disposed around the periphery of the plastic container and then sealing the interior of the vacuum dielectric seal; b) introducing a grounded conductive electrode through the inlet of the plastic container into the container; c) pumping down the inside of the vacuum dielectric sealing part by using a vacuum pumping means connected to one side of the vacuum dielectric sealing part to bring down the vacuum pressure state; d) supplying a hydrocarbon precursor gas to the conductive electrode using a gas supply device to introduce the hydrocarbon precursor gas into the vessel through the holes of the conductive electrode; e) igniting a capacitively coupled plasma inside a plastic container by applying power from an RF power source to a spiral RF antenna disposed around the vacuum dielectric enclosure through a matching network; and f) applying repetitive negative voltage pulses to the bias electrode using a pulsed power supply.
이에 따라, 본 발명에 따른 플라스틱 용기의 DLC 코팅을 위한 장치 및 방법에 의하면, 플라스틱 용기의 내벽에, 우수한 산소 차단 특성을 가지면서 용기에 저분자 유기화합물이 흡수되는 것을 억제할 수 있는 우수한 품질의 DLC 코팅층을 형성할 수 있다.Accordingly, according to the apparatus and method for DLC coating of the plastic container according to the present invention, DLC of excellent quality that can suppress the absorption of low-molecular organic compounds in the container while having excellent oxygen barrier properties on the inner wall of the plastic container The coating layer can be formed.
특히, 폐루프 생산공정에서 작동하는 본 발명의 장치들을 이용하는 경우에는 내벽에 우수한 특성의 DLC 코팅층을 갖는 회수 가능한 플라스틱 용기들을 저가-대 량으로 생산할 수 있게 된다.In particular, the use of the devices of the present invention operating in a closed loop production process enables low-volume production of recoverable plastic containers with DLC coating layers of excellent properties on the inner wall.
이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.Hereinafter, the features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. The terms or words used in the present specification and claims are consistent with the technical spirit of the present invention on the basis of the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to explain his invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept.
첨부한 도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 플라스틱 용기의 내벽에 DLC 코팅층을 형성하기 위한 유도 결합 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착(ICP-PI3D) 장치의 실시예를 도시한 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착 장치에서 슬롯형 바이어스 전극을 나타낸 도면이다.3A and 3B are schematic diagrams showing an embodiment of an inductively coupled plasma immersion ion implantation and deposition (ICP-PI3D) apparatus for forming a DLC coating layer on an inner wall of a plastic container according to the present invention, and FIG. 2 illustrates a slotted bias electrode in an inductively coupled plasma immersion ion implantation and deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
또한 첨부한 도 5는 본 발명에 따른 내벽에 DLC 코팅층을 갖는 플라스틱 용기의 종단면도이고, 도 6은 ICP-PI3D를 이용하여 DLC 코팅층을 형성하는 공정 동안의 펄스 전압과 전류를 나타낸 오실로그래프이며, 도 7은 다른 공정조건들에서 ICP-PI3D를 이용하여 형성한 DLC 코팅층의 라만 스펙트럼(Raman spectra)을 나타낸 도면이다. 또한 첨부한 도 8은 플라즈마가 네거티브 바이어스된 원통형 전극(negatively biased cylindrical electrode) 내에 한정되는 원통형 형상에서의 플라즈마 밀도에 대한 Child 시스 대 목표 반경 비 rs/rt와 단위 길이당 시스 캐패시턴스의 값을 나타낸 그래프이다. 계산을 위해 사용된 매개변수들은 다음과 같 다: Vbias = 1.0 kV, Te = 3 eV, rt = 3 cm. In addition, Figure 5 is a longitudinal cross-sectional view of a plastic container having a DLC coating layer on the inner wall according to the present invention, Figure 6 is an oscilloscope showing the pulse voltage and current during the process of forming a DLC coating layer using ICP-PI3D, 7 shows Raman spectra of a DLC coating layer formed using ICP-PI3D under different process conditions. FIG. 8 also shows a graph showing the value of the sheath capacitance per unit length and the sheath to target radius ratio rs / rt of the plasma density in the cylindrical shape in which the plasma is defined within a negatively biased cylindrical electrode. to be. The parameters used for the calculations are as follows: Vbias = 1.0 kV, Te = 3 eV, rt = 3 cm.
본 발명은 플라스틱 용기(plastic container)(1)의 내벽에 장벽(barrier) DLC(α-C:H) 코팅층(2)을 형성하기 위한 용량 결합 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착(ICP-PI3D) 장치(100)를 제공한다. 상기 장치(100)는 플라스틱 용기(1)의 내벽에 DLC 코팅층(2)을 형성하기 위한 장치로서, 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 처리될 플라스틱 용기(1)를 수용할 수 있도록 분리 가능한 구조로 되어 있고 일부가 플라스틱 용기의 외곽선에 상응하는 내벽 형상과 치수를 갖는 진공 유전체 밀폐부(vacuum dielectric chamber)(110)와; 상기 진공 유전체 밀폐부(110)의 또 다른 일부에 연결되어 진공 유전체 밀폐부의 내부를 진공압 상태로 만들어주기 위한 진공펌핑수단(120)과; 상기 진공 유전체 밀폐부(110)의 주위로 배치된 나선형 RF 안테나(130)와; 상기 RF 안테나(130)에서 RF 전류를 생성하도록 매칭 네트워크(141)를 통해 상기 안테나에 연결되어 전력을 인가하는 RF 전력공급원(140)과; 플라스틱 용기(1)의 외곽선과 치수에 상응하는 외곽선과 치수를 가지면서 상기 진공 유전체 밀폐부(110) 내에서 플라스틱 용기의 외곽 주위를 따라 배치되고 상기 RF 안테나(130)에 의해 유도된 RF 전류에 대해 원주를 따라 회로 단락을 방지하기 위해 부속되는 분리 가능한 슬롯형 바이어스 전극(slotted bias electrode)(150)과; 상기 바이어스 전극(150)에 대해 반복적인 전압 펄스를 인가하기 위한 것으로서, 펄스들의 극성이 네가티브인 펄스전원장치(160)와; 플라스틱 용기(1)의 입구(1a)를 통해 삽입되어 용기 내측에 배치되고 홀(171)들을 통해 용기 내측으로 탄화수소 전구체 가스를 공급하는 접지된 전도성 전극(지면에 전기적으로 연결되는 가스공급전극 임)(170)과; 상기 전도성 전극(170)과 연결되어 탄화수소 전구체 가스를 전도성 전극을 통해 플라스틱 용기(1) 내측으로 공급하기 위한 가스공급장치(180);를 포함하여 구성된다.The present invention provides a capacitively coupled plasma immersion ion implantation and deposition (ICP-PI3D) apparatus for forming a barrier DLC (α-C: H)
도 3a 및 도 3b에서 도면부호 111은 진공 유전체 밀폐부(110)의 내부를 밀폐하기 위한 오-링(O-ring)을 나타낸다.3A and 3B,
상기와 같이 구성된 플라스틱 용기의 DLC 코팅 장치에서 진공 유전체 밀폐부(110)는 코팅 처리될 플라스틱 용기(1)를 내부에 쉽게 넣을 수 있도록 분할된 구조로 구성되며, 분할된 각 구성품이 조립된 상태에서는 내부공간이 밀폐될 수 있도록 되어 있다.In the DLC coating apparatus of the plastic container configured as described above, the vacuum
상기 진공 유전체 밀폐부(110)에서 밀폐되는 내부공간에는 코팅 처리될 플라스틱 용기(1)가 넣어지는데, 이 내부공간은 플라스틱 용기(1)의 외곽선에 상응하는 내벽 형상과 치수를 가진다.The
또한 진공 유전체 밀폐부(110)의 일측이 진공펌핑수단(120)과 연결되는 구조로 되어 있는데, 이 진공펌핑수단(120)에 의해 진공 유전체 밀폐부(110)의 밀폐된 내부공간이 진공압 상태가 될 수 있도록 되어 있다.In addition, one side of the vacuum
또한 진공 유전체 밀폐부(110)는 적어도 일부 이상의 영역이 투명한 유전체로 제조될 수 있다. In addition, the vacuum
여기서, 진공 유전체 밀폐부(10)의 적어도 일부 이상을 투명한 유전체로 제조하는 경우, 내부를 시각적으로 관찰할 수 있는 장점이 있고, 보다 중요하게는 OES(Optical Emission Spectroscopy) 모니터링 및 플라즈마 공정의 제어가 가능해 지는 장점이 있게 된다.Here, when at least a portion of the vacuum
이러한 점을 감안하여 진공 유전체 밀폐부(10)에서 플라스틱 용기(1) 내부의 플라즈마를 시각적으로 관찰할 수 있는 부분 또는 OES 헤드를 부착하기에 적합한 부분을 임의로 선정한 뒤 투명한 유전체로 형성하는 것이 가능하다.In view of this, it is possible to arbitrarily select a portion where the vacuum
이때, 투명한 유전체로는 석영(quartz)이나 유리(glass) 등이 사용 가능하나, 바람직하게는 쉽게 깨지지 않는 투명한 폴리머 소재, 예컨대 투명한 아크릴(PMMA)이 사용 가능하고, 또는 상대적으로 가스 제거율이 낮고 높은 유리 전이온도를 갖는 폴리이미드(Polyimide,PI)나 폴리카보네이트(Polycarbonate,PC), 진공 밀폐가 가능한 그 밖의 공지된 폴리머 소재가 사용될 수 있다. In this case, quartz or glass may be used as the transparent dielectric material, but a transparent polymer material such as transparent acrylic (PMMA), which is not easily broken, may be used, or the gas removal rate may be relatively low and high. Polyimide (PI) or polycarbonate (PC) having a glass transition temperature, and other known polymer materials capable of vacuum sealing may be used.
상기 진공펌핑수단(120)은 흡입작용에 의해 진공 유전체 밀폐부(110)의 밀폐된 내부공간을 진공상태로 만들어준다.The vacuum pumping means 120 makes the sealed inner space of the vacuum
그리고, 바이어스 전극(150)은 RF 안테나(130)에 의해 유도된 RF 전류에 대해 원주를 따라 회로 단락을 방지하기 위해 부속되는 것으로, 진공 유전체 밀폐부(110)의 내부공간에 넣어지고, 공정시에는 진공 유전체 밀폐부(110)의 내부공간에서 플라스틱 용기(1)의 외곽 주위를 따라 배치된다.In addition, the
이를 위해 바이어스 전극(150)은 플라스틱 용기(1)의 외곽선과 치수에 상응하는 외곽선과 치수를 가진다. To this end, the
특히, 바이어스 전극(150)은 측벽에 하나 이상의 종방향 슬롯(151)을 가지면서 바닥면에는 하나 이상의 방사상 슬롯(152)을 가지는 구조로 제작되며, 이때 슬롯(151,152)들은 폭 a < dsh/2를 가지도록 한다. 여기서, dsh는 상기 바이어스 전극(150)으로 네가티브 펄스 전압을 인가하는 경우에 상기 플라스틱 용기(1)의 내벽 부근에 형성되는 시스(sheath)의 두께이다.In particular, the
또한 바이어스 전극(150)은 적어도 일부 이상이 플라스틱 용기(1)의 외벽에 접촉하도록 설치되어야 하며, 또한 물 등의 냉각 유체로 냉각될 수 있도록 구비되는 것이 바람직하다.In addition, the
바이어스 전극을 냉각할 수 있는 냉각 구조에 대해서는 도면상으로 도시하지는 않았으나, 바이어스 전극으로부터 열 전달 및 열 배출이 가능하도록, 냉각 유체를 바이어스 전극으로 순환시키는 방식이 적용될 수 있으며, 만약 냉각 유체로 물을 이용하는 경우라면 특정 물체를 대상으로 냉각수를 순환시키는 통상의 수냉식 구조가 적용될 수 있다. Although not shown in the drawing for a cooling structure capable of cooling the bias electrode, a method of circulating the cooling fluid to the bias electrode may be applied to allow heat transfer and heat discharge from the bias electrode, and if water is If used, a conventional water-cooled structure for circulating the cooling water for a specific object may be applied.
예컨대, 바이어스 전극의 벽 단면을 이중벽 구조로 구성한 뒤 이중벽 내부로 냉각수(냉각 유체)를 통과시키는 것이다. 이를 위해 바이어스 전극의 이중벽 내부와 연결되는 냉각수 라인(냉각 유체 라인)의 설치가 필요하며, 냉각수 라인을 통해 냉각수를 공급하고 배출시켜 냉각수가 통과하는 동안 바이어스 전극의 냉각이 이루어지도록 한다. 이중벽의 내부공간이 서로 구분된 복수의 공간으로 형성되는 경우 이들을 직렬 또는 병렬로 연결하여 냉각수가 순환되도록 한다. For example, a wall section of the bias electrode is formed in a double wall structure, and then cooling water (cooling fluid) is passed into the double wall. To this end, it is necessary to install a cooling water line (cooling fluid line) connected to the inside of the double wall of the bias electrode, and supply and discharge the cooling water through the cooling water line to cool the bias electrode while the cooling water passes. If the inner space of the double wall is formed of a plurality of spaces separated from each other by connecting them in series or parallel to allow the coolant to circulate.
물론, 상기한 이중벽 구조 외에 냉각수(냉각 유체)가 바이어스 전극을 열 교환이 가능하도록 통과할 수 있는 구조라면 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.Of course, if the cooling water (cooling fluid) in addition to the above-described double-walled structure can pass through the bias electrode to enable heat exchange, it can be variously changed.
그리고, 플라스틱 용기(1) 내측에 배치되는 전도성 전극(170)은 가스공급장치(180)로부터 공급되는 가스를 용기 내부로 공급하기 위한 가스공급전극으로서, 진공 유전체 밀폐부(110) 외부에서 내부로 삽입되며, 특히 접지된 상태에서 용기 입구(1a)를 통해 용기 내부로 길게 삽입되어 설치된다.In addition, the
이때, 전도성 전극(170)은 용기 내측에서 용기 내부공간 부피의 50% 미만의 공간을 차지하도록 설치되는 것이 바람직하다.At this time, the
접지된 전도성 전극은 플라스틱 용기 내부에 설치될 때 용기 입구를 통해 삽입되는데, 용기 내부에서 최적의 플라즈마 전위를 제공하는 기준 전극의 역할을 하게 되며, 또한 홀들을 통해 용기 내부로 전구체 가스 및 지지 가스를 공급하게 된다. The grounded conductive electrode is inserted through the inlet of the container when installed inside the plastic container, which serves as a reference electrode to provide an optimum plasma potential inside the container and also allows precursor gas and support gas to enter the container through the holes. Will be supplied.
상기 전도성 전극은 공정 중 높은 플라즈마 균일도를 위해서 플라스틱 용기 내부에 용기의 축방향을 따라 설치되는 것이 바람직하고, 또한 접지된 부분에서 플라즈마 손실을 줄일 수 있도록 충분히 작은 면적을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 이에 용기 내부공간 부피의 50% 미만을 차지하도록 하는 것이 바람직하며, 전도성 전극의 표면적이 용기의 표면적에 비해 가능한 작아지도록 한다. The conductive electrode is preferably installed along the axial direction of the container inside the plastic container for high plasma uniformity during the process, and preferably has a small enough area to reduce the plasma loss in the grounded portion. It is therefore desirable to occupy less than 50% of the volume of the interior space of the vessel, so that the surface area of the conductive electrode is as small as possible relative to the surface area of the vessel.
그리고, 본 발명에서 전도성 전극(170) 및 이와 연결된 가스공급장치(180)는 탄화수소 전구체 가스를 단독으로 공급하거나, 탄화수소 전구체 가스와 불활성 지지 가스(innert support gas)를 함께 공급하도록 구비된다.In the present invention, the
이때, 공정 가스로서 탄화수소 전구체 가스는 탄소 원소를 포함하는 다양한 가스들이 사용될 수 있는데, 예컨대 톨루엔(C6H5CH3), 아세틸렌(C2H2), 벤젠(C6H6), n-헥산(C6H14), p-크실렌(C8H10), 시클로헥산(C6H2) 중 선택된 하나가 사용될 수 있 다.At this time, the hydrocarbon precursor gas as a process gas may be used a variety of gases containing a carbon element, for example toluene (C 6 H 5 CH 3 ), acetylene (C 2 H 2 ), benzene (C 6 H 6 ), n- One selected from hexane (C 6 H 14 ), p-xylene (C 8 H 10 ), cyclohexane (C 6 H 2 ) can be used.
또한 불활성 지지 가스로는 가격이 저렴하고 이온화 전위가 낮은 아르곤을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use argon which is inexpensive and has a low ionization potential as the inert support gas.
한편, 내벽에 DLC 코팅층(2)을 갖는 플라스틱 용기(1)(도 5 참조)의 대량 생산을 위한 장치로서, 상기한 구성을 갖는 두 개 이상의 DLC 코팅을 위한 장치(100)를 폐루프(closed loop) 형태로 배열하여 구비할 수 있다. On the other hand, as a device for mass production of the plastic container 1 (see Fig. 5) having the
이때, RF 전력공급원(140)의 경우 RF 매칭 네트워크(matching network)(141)를 갖는 단일의 RF 전력공급원을 구비하며, 각각의 DLC 코팅을 위한 장치(100)를 구성하는 RF 안테나(130)들이 병렬로 연결되어 상기 단일의 RF 전력공급원(140)으로부터 전력을 공급받도록 구성된다(도 10 ~ 12 참조).In this case, the
첨부한 도 10은 병렬로 연결되고 단일 RF 전력공급원으로부터 전력을 공급받는 본 발명의 일 실시예에 따른 N ICP-PI3D를 포함하는 DLC-코팅 플라스틱 용기들의 대량 생산에 필요한 장치의 등가 전기회로 다이어그램이다. 첨부한 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 용기들의 DLC 코팅층을 대량 생산하기 위한 단일 RF 전력공급원으로부터 몇몇 ICP-PI3D 장치들의 RF 안테나들의 전력공급을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐루프 형태로 배열된 일정 개수의 ICP-PI3D 장치들을 포함하는 플라스틱 용기들의 DLC 코팅층 생산을 위한 제조라인의 개략도이다.10 is an equivalent electrical circuit diagram of an apparatus required for mass production of DLC-coated plastic containers including N ICP-PI3D according to one embodiment of the present invention connected in parallel and powered from a single RF power source. . FIG. 11 is a schematic diagram illustrating the powering of RF antennas of several ICP-PI3D devices from a single RF power supply for mass production of DLC coating layers of plastic containers according to an embodiment of the present invention, and FIG. A schematic diagram of a manufacturing line for the production of DLC coating layers of plastic containers comprising a number of ICP-PI3D devices arranged in a closed loop form according to one embodiment of the invention.
상기와 같이 구성된 본 발명의 DLC 코팅 장치(100)에서 RF 전력이 RF 안테나(130)에 인가되는 경우에 고밀도 탄화수소 플라즈마가 플라스틱 용기(1)의 내부 에서 생성되고, 상기 슬롯형 전극(슬롯이 형성된 바이어스 전극)(150)에 음(negative)의 고전압 펄스 바이어스를 인가함으로써 경질의 DLC 코팅층(2)이 용기(1)의 내벽에 형성된다(도 5 참조). 상기와 같은 고밀도 플라즈마는 짧은 DLC 형성시간을 보장하고, 따라서 생산성이 증가될 수 있게 된다. 전압 바이어스와 플라즈마 매개변수들의 독립적인 제어는 최적의 공정 조건들을 제공하고, 따라서 우수한 반복성을 갖는 DLC 코팅층의 양호한 특성들이 얻어진다. In the
한편, 다른 양태에 있어서, 본 발명은 ICP-PI3D를 이용해 플라스틱 용기의 내벽에 DLC 코팅층을 형성하는 방법을 제공한다. On the other hand, in another aspect, the present invention provides a method for forming a DLC coating layer on the inner wall of the plastic container using ICP-PI3D.
즉, 전술한 DLC 코팅을 위한 장치(100)를 이용해 플라스틱 용기(1)의 내벽에 대해 DLC 코팅을 수행하는 방법으로서, a) 플라스틱 용기(1)를 진공 유전체 밀폐부(110)의 내부에 배치하되, 상기 진공 유전체 밀폐부(110) 내에서 플라스틱 용기(1)의 외곽 주위에 슬롯형 바이어스 전극(150)이 배치되도록 한 뒤 진공 유전체 밀폐부의 내부를 밀폐하는 단계와; b) 접지된 전도성 전극(170)을 상기 플라스틱 용기(1)의 입구(1a)를 통해 용기 내측으로 도입하는 단계와; c) 상기 진공 유전체 밀폐부(110)의 일측에 연결된 진공펌핑수단(120)을 이용해 진공 유전체 밀폐부의 내부를 펌핑하여 진공압 상태로 다운시키는 단계와; d) 가스공급장치(180)를 이용해 상기 전도성 전극(170)에 탄화수소 전구체 가스를 공급하여 전도성 전극의 홀(171)들을 통해 용기 내측으로 상기 탄화수소 전구체 가스가 도입되도록 하는 단계와; e) RF 전력공급원(140)으로부터 매칭 네트워크(141)를 통해 상기 진공 유전체 밀폐부(110) 주위로 배치된 나선형 RF 안테나(130)에 전력을 인가하여 플라스틱 용기(1)의 내부에서 용량 결합 플라즈마를 점화시키는 단계와; f) 펄스전원장치(160)를 이용해 상기 바이어스 전극(150)에 반복적인 네가티브 전압 펄스들을 인가하는 단계;를 포함한다.That is, as a method of performing DLC coating on the inner wall of the
이러한 본 발명의 코팅 공정에서 상기 c) 단계의 경우에 진공펌핑수단(120)을 이용해 진공 유전체 밀폐부의 내부를 10-4 Torr 이하의 압력으로 펌핑하여 다운시킨다. In the coating process of the present invention, in the case of step c), the vacuum pumping means 120 pumps down the inside of the vacuum dielectric sealing part to a pressure of 10 −4 Torr or less.
또한 상기 d) 단계에서는 플라스틱 용기(1) 내의 공정압력을 얻기 위해 탄화수소 전구체 가스를 단독으로 공급하거나 탄화수소 전구체 가스와 불활성 지지 가스(innert support gas)를 함께 공급할 수 있는데, 이때 탄화수소 전구체 가스를 단독으로 공급하거나, 불활성 지지 가스로 아르곤을 탄화수소 전구체 가스와 함께 공급할 수 있다.In addition, in step d), to obtain a process pressure in the
또한 바람직한 실시예에서 플라스틱 용기(1) 내의 공정압력은 0.2 mTorr ~ 20 mTorr의 압력으로 할 수 있다. In addition, in a preferred embodiment, the process pressure in the
여기서, 공정압력을 0.2 mTorr 미만으로 하는 경우, ICP 방전을 점화하고 유지하는데 어려움이 있고, 잔류 가스 분압에 대해 공정 가스의 비율을 동등하게 유지할 수 없어 DLC 코팅 품질을 저하시키게 된다. 또한 증착률이 너무 낮아지는 문제점이 있게 된다.Here, when the process pressure is less than 0.2 mTorr, it is difficult to ignite and maintain the ICP discharge, and the ratio of the process gas to the residual gas partial pressure cannot be maintained equally, which lowers the DLC coating quality. In addition, there is a problem that the deposition rate is too low.
반면, 20 mTorr를 초과하여 실시하는 경우, 용기 표면을 따라 균일한 ICP 플라즈마를 얻을 수 없고, 결국 DLC 코팅의 균일성이 불량해지는 문제점이 있게 된 다. On the other hand, if the concentration exceeds 20 mTorr, uniform ICP plasma cannot be obtained along the container surface, resulting in a problem of poor uniformity of the DLC coating.
또한 상기 f) 단계에서 0.2 kV ~ 10 kV 범위의 진폭, 0.3 ㎲ ~ 10 ㎲ 범위의 펄스 폭, 그리고 0.1 kHz ~ 100 kHz 범위의 펄스 반복률을 가지는 네가티브 전압 펄스를 인가할 수 있는데, 더욱 바람직하게는 0.5 kV ~ 5 kV 범위의 진폭, 1 ㎲ ~ 2 ㎲ 범위의 펄스 폭, 그리고 5 kHz ~ 50 kHz의 펄스 반복률을 가지는 네가티브 전압 펄스를 인가할 수 있다.Further, in step f), a negative voltage pulse having an amplitude in the range of 0.2 kV to 10 kV, a pulse width in the range of 0.3 kV to 10 kV, and a pulse repetition rate in the range of 0.1 kHz to 100 kHz may be applied, more preferably. Negative voltage pulses with amplitudes ranging from 0.5 kV to 5 kV, pulse widths from 1 kHz to 2 kHz, and pulse repetition rates from 5 kHz to 50 kHz can be applied.
여기서, 진폭이 0.2 kV 미만으로 너무 낮으면 경도, 부착력, 기공 측면에서 DLC 박막의 품질이 나빠질 수 있으며, 10 kV를 초과하는 경우 공정의 낮은 전력 효율과 부재 과열의 문제가 있게 되므로 바람직하지 않다. Here, if the amplitude is too low, less than 0.2 kV, the quality of the DLC thin film in terms of hardness, adhesion, and pores may be deteriorated, and when the amplitude is greater than 10 kV, there is a problem of low power efficiency and overheating of the process.
또한 펄스 폭 범위에 대해서는 0.3 ㎲ 미만으로 짧은 펄스 폭을 얻기가 매우 어려우며, 10 ㎲를 초과하는 펄스 폭은 충돌하는 이온에 의해 펄스 중 유전성 용기 표면이 충전되므로 의미가 없다. 펄스가 너무 길어지면 음의 바이어스를 완전히 제거할 수 있는 용기 내면에서 양의 전위를 발생시킨다. It is also very difficult to obtain short pulse widths of less than 0.3 [mu] s for the pulse width range, and pulse widths exceeding 10 [mu] s are meaningless as the dielectric container surface is filled in the pulse by impinging ions. Too long pulses create a positive potential inside the vessel that can completely eliminate negative bias.
또한 0.1 kHz 미만의 낮은 펄스 반복률은 증착률을 떨어뜨려 생산성을 저하시키는 문제가 있고, 100 kHz를 초과하는 펄스 반복률을 얻는 것은 사실상 어렵다.In addition, a low pulse repetition rate of less than 0.1 kHz has a problem of lowering the deposition rate and lowering productivity, and it is practically difficult to obtain a pulse repetition rate exceeding 100 kHz.
이와 같이 하여 본 발명의 DLC 코팅 방법은, 바이어스 전극과 접지 전극 사이의 거리에 대한 막 특성들의 감소된 의존도로 인하여 그리고 충분히 높은 음의 펄스 바이어스를 바이어스 전극에 인가함으로써, 용기 표면 전체에 걸쳐 코팅층의 균등한 특성들을 보장한다. In this way, the DLC coating method of the present invention applies a sufficiently high negative pulse bias to the bias electrode due to the reduced dependence of the film properties on the distance between the bias electrode and the ground electrode and thus the coating of the coating layer throughout the container surface. Ensure equal properties
그리고, 본 발명은 내측에 장벽 DLC 코팅층을 갖는 회수 가능한 플라스틱 용 기의 저가-대량 생산을 위한 방법을 제공한다. 이러한 본 발명의 방법은 폐루프 생산공정에서 작동하는 일정 개수의 ICP-PI3D 장치를 제공하는 단계를 포함한다.In addition, the present invention provides a method for low-volume production of a recoverable plastic container having a barrier DLC coating layer therein. This method of the present invention includes providing a number of ICP-PI3D devices operating in a closed loop production process.
좀더 상세하게는, 두 개 이상의 DLC 코팅을 위한 장치(100)를 폐루프 형태로 배열하여 구비하되(도 12 참조), 이때 RF 전력공급원(140)의 경우 RF 매칭 네트워크(matching network)(141)를 갖는 단일의 RF 전력공급원을 구비하며, 각각의 상기 DLC 코팅을 위한 장치(100)를 구성하는 RF 안테나(130)들이 병렬로 연결되어 상기 단일의 RF 전력공급원(140)으로부터 전력을 공급받도록 구성하고, 내벽에 DLC 코팅층을 갖는 플라스틱 용기의 대량 생산하기 위해, 이러한 장치에서 코팅되지 않은 플라스틱 용기(1)들을 각각의 DLC 코팅을 위한 장치(100)에 연속적으로 공급하는 단계와; 상기 플라스틱 용기(1)들을 각각의 DLC 코팅을 위한 장치(100) 내로 하나씩 로딩하는 단계와; 각각의 DLC 코팅을 위한 장치(100)에서 상기한 코팅 공정을 진행하여 각각의 플라스틱 용기에(1) 대해 DLC 코팅을 수행하는 단계;를 진행한다.In more detail, two or more
플라스틱 용기에 DLC 코팅층을 형성하는데 소요되는 제조비용을 줄이고 하드웨어의 신뢰도를 향상시키기 위해, 본 발명의 몇몇 ICP 공급원에 전력을 공급함에 있어서 하나의 RF 전력공급원을 이용할 수 있는 가능성을 고려한다.In order to reduce manufacturing costs and improve the reliability of the hardware required to form DLC coatings in plastic containers, the possibility of using one RF power source in powering some ICP sources of the present invention is considered.
도 10은 모든 ICP 공급원의 나선형 RF 안테나(130)들이 병렬로 연결되고 단일 RF 전력공급원(140)으로부터 전력을 공급받는 N ICP-PI3D 장치를 포함하는 DLC-코팅 플라스틱 용기들의 대량 생산에 필요한 장치의 등가 전기회로 다이어그램이다. 여기서, 각각 인덕턴스 Lant를 갖는 안테나(130)들은 매칭 네트워크(matching network; MB)(141)를 통해서 RF 전력공급원(140)에 연결된다. 나선 형 안테나(130)의 인덕턴스는 이고, 여기서 w는 권선의 수를, ξ는 안테나 길이 대 직경 비의 함수이다.FIG. 10 shows an apparatus for mass production of DLC-coated plastic containers including N ICP-PI3D device in which spiral
플라즈마 존재와 부재하에서 부하 임피던스간의 차이는 만일 하기 조건The difference between the load impedance with and without plasma should be
(4) (4)
을 만족시킨다면 작아질 것이다.If it is satisfied, it will be small.
예 2: Example 2:
d = 8cm, l = 15cm, 그러면 ξ = 4, w = 5, 그래서 Lant = 10-7×25×8×10-2×4 = 0.8 μH를 얻을 수 있다. 바이어스, 플라즈마 및 기하학적 매개변수들은 예 1에서와 같고, 그래서 시스 캐패시턴스는 Csh=6000 pF이다.d = 8 cm, l = 15 cm, then ξ = 4, w = 5, so Lant = 10 -7 × 25 × 8 × 10 -2 × 4 = 0.8 μH. The bias, plasma and geometrical parameters are as in Example 1, so the sheath capacitance is Csh = 6000 pF.
그러면, 조건(4)가Then condition (4)
이면, 즉 f ~ 400kHz의 주파수가 사용되면, 조건(4)는 만족된다. If, i.e., a frequency of f to 400 kHz is used, condition (4) is satisfied.
이와 같이 하여, 내벽에 DLC 코팅층을 갖는 플라스틱 용기들이 상기한 본 발명의 장치 및 방법을 이용함에 의해 생산될 수 있는데, 상기 DLC 코팅층은 우수한 산소 차단 특성을 가지면서 용기에 의해 저분자 유기 화합물이 흡수되는 것을 억제하게 된다.In this way, plastic containers having a DLC coating layer on the inner wall can be produced by using the apparatus and method of the present invention, wherein the DLC coating layer has good oxygen barrier properties and low molecular organic compounds are absorbed by the container. Will be suppressed.
한편, 본 발명의 또 다른 양태로서, 장벽 DLC 코팅층을 갖는 회수 가능한 플 라스틱 용기가 개시되며, 여기서 DLC 코팅층은 5 GPa ~ 30 GPa 범위의 나노경도를 가지며, 5 nm ~ 5000 nm의 두께를 가진다. 이때, 상기 플라스틱 용기는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 이루어진 용기가 될 수 있다.Meanwhile, as another aspect of the present invention, a recoverable plastic container having a barrier DLC coating layer is disclosed, wherein the DLC coating layer has a nanohardness in the range of 5 GPa to 30 GPa, and has a thickness of 5 nm to 5000 nm. In this case, the plastic container may be a container made of polyethylene terephthalate (PET).
이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.In the above, a specific preferred embodiment according to the present invention has been described. However, it is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the above-described embodiments merely represent a part of various embodiments to which the principles of the present invention are applied. Those skilled in the art to which the present invention pertains may make various changes without departing from the spirit of the technical idea of the present invention described in the claims below.
도 1은 슬롯이 형성된 원통형 패러데이 차폐물(b)을 구비하고 외부의 나선형 RF 안테나(a)를 가지는 종래의 ICP 공급원의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a conventional ICP source having a slotted cylindrical Faraday shield b and having an external spiral RF antenna a.
도 2는 종래기술의 일 실시예에 따른 플라스틱 용기의 내벽에 DLC 코팅층을 형성하기 위한 용량 결합 플라즈마 화학 증기 증착(CCP-CVD) 장치를 나타낸 종단면도이다.2 is a longitudinal sectional view showing a capacitively coupled plasma chemical vapor deposition (CCP-CVD) apparatus for forming a DLC coating layer on an inner wall of a plastic container according to one embodiment of the prior art.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 플라스틱 용기의 내벽에 DLC 코팅층을 형성하기 위한 유도 결합 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착(ICP-PI3D) 장치의 실시예를 도시한 개략도이다.3A and 3B are schematic diagrams showing an embodiment of an inductively coupled plasma immersion ion implantation and deposition (ICP-PI3D) apparatus for forming a DLC coating layer on an inner wall of a plastic container according to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 결합 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착 장치에서 슬롯형 바이어스 전극을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a slotted bias electrode in an inductively coupled plasma immersion ion implantation and deposition apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 내벽에 DLC 코팅층을 갖는 플라스틱 용기의 종단면도이다. 5 is a longitudinal sectional view of a plastic container having a DLC coating layer on an inner wall according to the present invention.
도 6는 ICP-PI3D를 이용하여 DLC 코팅층을 형성하는 공정 동안의 펄스 전압과 전류를 나타낸 오실로그래프이다. FIG. 6 is an oscilloscope showing pulse voltage and current during the process of forming a DLC coating layer using ICP-PI3D.
도 7은 다른 공정조건들에서 ICP-PI3D를 이용하여 형성한 DLC 코팅층의 라만 스펙트럼(Raman spectra)을 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a diagram illustrating a Raman spectra of a DLC coating layer formed using ICP-PI3D under different process conditions.
도 8은 플라즈마가 네거티브 바이어스된 원통형 전극(negatively biased cylindrical electrode) 내에 한정되는 원통형 형상에서의 플라즈마 밀도에 대한 Child 시스 대 목표 반경 비 rs/rt와 단위 길이당 시스 캐패시턴스의 값을 나타낸 그래프이다. 계산을 위해 사용된 매개변수들은 다음과 같다: Vbias = 1.0 kV, Te = 3 eV, rt = 3 cm. FIG. 8 is a graph showing the Child sheath to target radius ratio rs / rt and the value of sheath capacitance per unit length for plasma density in a cylindrical shape in which the plasma is defined within a negatively biased cylindrical electrode. The parameters used for the calculation are as follows: Vbias = 1.0 kV, Te = 3 eV, rt = 3 cm.
도 9는 병렬로 연결되고 단일 RF 전력공급원으로부터 전력을 공급받는 N CCP-CVD 종래기술의 장치를 포함하는 DLC-코팅된 플라스틱 용기들의 대량 생산에 필요한 장치의 등가 전기회로 다이어그램이다.FIG. 9 is an equivalent electrical circuit diagram of a device required for mass production of DLC-coated plastic containers including N CCP-CVD prior art devices connected in parallel and powered from a single RF power source.
도 10은 병렬로 연결되고 단일 RF 전력공급원으로부터 전력을 공급받는 본 발명의 일 실시예에 따른 N ICP-PI3D를 포함하는 DLC-코팅 플라스틱 용기들의 대량 생산에 필요한 장치의 등가 전기회로 다이어그램이다.10 is an equivalent electrical circuit diagram of an apparatus required for mass production of DLC-coated plastic containers including N ICP-PI3D according to one embodiment of the present invention connected in parallel and powered from a single RF power source.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라스틱 용기들의 DLC 코팅층을 대량 생산하기 위한 단일 RF 전력공급원으로부터 몇몇 ICP-PI3D 장치들의 RF 안테나들의 전력공급을 개략적으로 나타낸 도면이다. FIG. 11 is a schematic illustration of the powering of RF antennas of several ICP-PI3D devices from a single RF power supply for mass production of DLC coating layers of plastic containers according to one embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐루프 형태로 배열된 일정 개수의 ICP-PI3D 장치들을 포함하는 플라스틱 용기들의 DLC 코팅층 생산을 위한 제조라인의 개략도이다.12 is a schematic diagram of a manufacturing line for DLC coating layer production of plastic containers including a number of ICP-PI3D devices arranged in a closed loop form according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
1 : 플라스틱 용기 1a : 입구1:
2 : DLC 코팅층 2: DLC coating layer
100 : DLC 코팅을 위한 장치100: Device for DLC coating
(용량 결합 플라즈마 침지 이온 주입 및 증착 장치) (Capacitively coupled plasma immersion ion implantation and deposition apparatus)
110 : 진공 유전체 밀폐부 120 : 진공펌핑수단110: vacuum dielectric sealing portion 120: vacuum pumping means
130 : RF 안테나 140 : RF 전력공급원130: RF antenna 140: RF power supply
141 : 매칭 네트워크 150 : 바이어스 전극141: matching network 150: bias electrode
151, 152 : 슬롯 160 : 펄스전원장치151, 152: slot 160: pulse power supply
170 : 전도성 전극 171 : 홀170: conductive electrode 171: hole
180 : 가스공급장치180: gas supply device
Claims (20)
Priority Applications (1)
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