KR20220083082A - 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법 및 이의 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 통기성 부재를 제1 전극 및 제2 전극 위의 유전체층으로 압착하고, 상기 제1 및 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 통기성 부재 내에 플라즈마를 발생시킴을 포함하며, 상기 통기성 부재의 두께(mm), 상기 유전층의 유전율 및 상기 전압의 주파수(kHz)의 곱이 32 이하임을 특징으로 하는, 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법을 제공한다.

Description

통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법 및 이의 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PLASMA PROCESSING INTERNAL SURFACES OF AN BREATHABLE MEMBER}

본 발명은 대면적 통기성 소재의 플라즈마 처리 방법 및 장치에 관한 것이다.

특히, 통기성 소재의 손상 없이, 내면을 균일하게 플라즈마 처리할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

플라즈마 장치는 피처리물의 표면 처리, 예컨대 친수화, 소수화, 또는 작용기 도입 또는 치환 등에 따른 표면 개질, 불순물 제거, 살균, 항균 등에 활용된다.

도 2는 종래의 상압 플라즈마를 이용한 표면 처리 기술의 개념도이다. 피처리물이 부직포, 필터, 폼, 직물 등과 같이 통기성의 두께를 가진 대면적 소재인 경우 종래의 방식으로는 소재의 겉표면에만 국한되어 플라즈마 처리가 이루어지지 않는 문제점이 있다.

예를 들어, 도 2의 플라즈마 Jet 방식으로는 Jet을 이루는 유체의 유동이 피처리물의 필터 공극 내로 침투될 수 없어 필터구조의 내부 전체에 효과를 주기가 어려움이 있다. 또한, 도 2의 코로나 플라즈마 표면처리 방식으로도 방전 중에는 피처리물의 표면에 전하를 축적하여 플라즈마 방전 채널이 필터구조의 내부로 유입될 수 없다.

결과적으로 두 가지 방식 모두 필터구조의 내부공간에는 플라즈마 처리가 이루어지지 않으며, 피처리물의 겉표면에만 플라즈마 표면처리가 되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하고자, 본 발명자는 한국 특허출원 10-2018-0060216에서 도 1의 방식과 같이 통기성 부재를 압착하여 통기성 부재 내부를 플라즈마 처리하는 방식을 출원하였다. 이 방식의 경우, 통기성 부재의 내부에의 플라즈마 처리는 가능하나, 대면적의 통기성 부재의 내부의 균일한 플라즈마 처리에 문제가 있고, 플라즈마에 의한 통기성 부재의 열손상 등의 문제점이 있음을 확인하였다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고, 부직포, 필터, 폼, 직물 등과 같이 통기성의 두께를 가진 대면적 소재의 플라즈마의 의한 손상 없는 내표면에의 균일한 플라즈마 처리가 가능한 방법 및 장치를 제공한다.

일 측면으로서, 본 발명은, 통기성 부재를 제1 전극 위의 제1 유전체층과 제2 전극으로 압착하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 통기성 부재 내에 플라즈마를 발생시킴을 포함하며, 상기 통기성 부재의 두께(mm), 상기 유전체층의 유전율 및 상기 전압의 주파수(kHz)의 곱(파라미터 P)이 32 이하임을 특징으로 하는, 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법을 제공한다.

통기성 부재를 전극으로 압착하여 통기성 부재의 내표면을 플라즈마 처리함에, 대면적 통기성 부재 내의 균일한 처리 및 플라즈마에 의한 통기성 부재의 열손상을 방지하기 위해, 수많은 실험을 통해, 인가되는 전압의 주파수, 통기성 부재의 두께, 유전체 층의 유전율가 중요한 인자임을 새롭게 착안하였고, 특히 이 인자들의 곱이 32 이하인 경우, 열손상도 없고, 피처리물의 대면적에 균일하게 처리되어, 더욱 우수한 표면처리 효과를 보여줌을 특징으로 한다.

상기 제2전극은 상기 제1 유전체층에 마주하는 면에 적층된 제2 유전체층을 포함할 수 있고, 이경우, 상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층이 상기 통기성 부재를 압착하게 되며, 상기 유전체층의 유전율은 상기 제1 유전체층 또는 상기 제2 유전체층의 유전율이다.

상기 제1 유전체층 및 상기 제2 유전체층의 유전율이 상이한 경우, DBD 방전 구조에서 플라즈마 방전채널(헬륨가스를 쓰지 않은 DBD 방전은 다수개의 필라멘트 플라즈마가 간극에 형성됨)의 분포와 강도는 유전율이 더 낮은 유전체의 특성을 따라가기 때문에, 상이한 유전체층의 유전율 중 하나에 의한 상기 통기성 부재의 두께(mm), 상기 유전체층의 유전율 및 상기 전압의 주파수(kHz)의 곱이 32 이하이면, 본 발명의 효과를 보여줄 수 있다.

상기 통기성 부재 내로 플라즈마 발생용 가스를 공급함을 추가로 포함할 수 있다.

상기 가스는 질소 및 공기를 포함하는 가스이고, 상기 통기성 부재의 내면은 친수 처리됨을 특징으로 한다.

상기 가스는, 질소 및 HMDSO 증기를 포함하는 가스이고, 상기 통기성 부재의 내면은 소수 처리됨을 특징으로 한다 .

상기 통기성 부재는, 부직포, 필터, 폼 또는 직물임을 특징으로 한다.

다른 측면으로서, 본 발명은, 판형 또는 원기둥형 제1 전극 및 상기 제1 전극 상의 제1 유전체층; 상기 제1 유전체층에 마주하는 판형 또는 원기둥형 제2 전극; 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 통기성 부재 내에 플라즈마가 발생하도록 구성된 전원공급부를 포함하는, 상기 제1 유전체층과 상기 제2 전극은, 피처리 대상인 통기성 부재를 압착하도록 구성되며, 상기 통기성 부재의 두께(mm), 상기 유전층의 유전율 및 상기 전압의 주파수(kHz)의 곱이 32 이하임을 특징으로 하는, 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치를 제공한다 .

상기 제2전극은 상기 제1 유전체층에 마주하는 면에 적층된 제2 유전체층을 포함할 수 있고, 상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층이 상기 통기성 부재를 압착하도록 구성되며, 상기 유전체층의 유전율은 상기 제1 유전체층 또는 상기 제2 유전체층의 유전율이다.

상기 제1 전극 및 제1 유전체층의 다수의 구멍 또는 제2 전극의 다수의 구멍; 및 상기 구멍을 통해 플라즈마 발생용 가스를 공급하는 가스 공급수단을 포함한다.

상기 제1 전극 또는 제2 전극이 판형인 경우, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 상기 통기성 부재를 압착하면서 상기 통기성 부재에 따라 수평 이동시키는 전극이동수단을 포함한다. ,

상기 제1 전극 및 제2 전극이 판형인 경우, 상기 통기성 부재가 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 압착된 상태로 이동시키는 통기성부재 이동수단을 포함한다.

제1 전극 및 상기 제1 전극이 원기둥형인 경우, 상기 제1 및 제2 전극은 각각 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되어, 상기 제1 전극 또는 제2 전극이 상기 통기성 부재를 압착하면서 상기 통기성 부재에 따라 이동시킴을 특징으로 한다.

본 발명은 부직포, 필터, 폼, 직물 등과 같이 통기성의 두께를 가진 대면적 소재의 내표면에의 플라즈마에 의한 열손상 없이, 통기성 부재의 대면적에 균일하게 플라즈마 처리가 가능한 방법 및 장치를 제공한다.

도 1은 본 발명의 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치(100)의 개념도이다.
도 2는 종래의 상압 플라즈마를 이용한 표면 처리 기술의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치에서 플라즈마 발생용 가스를 주입하도록 전극이 구성된 개념도이다.
도 4 및 5는 본 발명의 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치가 대면적 통기성 부재를 처리하는 개념을 예시하는 개념도이다.
도 6a는 본 발명의 실시예1에서, 0.9 mm 두께의 PET 부직포를, 알루미나 유전층으로, 10 kHz 주파수로 플라즈마 처리한 실험의 결과로서, 열손상이 확인됨을 보여준다.
도 6b는 본 발명의 실시예1에서, 0.9 mm 두께의 PET 부직포를, 지르코니아 유전층으로, 20 kHz 주파수로 플라즈마 처리한 실험의 결과로서, 열손상이 확인됨을 보여준다.
도 7a는 본 발명의 친수성 성능 결과 실험으로서, 물 흡수 속도 측정 방법을 예시한다.
도 7b는 본 발명의 친수성 성능 결과 사진을 보여준다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치(100)의 개념도이다. 본 발명의 장치는 판형 제1 전극(110); 상기 판형 제1 전극과 마주하고 피처리대상인 통기성 부재(130)를 압착하는 판형 제2 전극(120); 및 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 통기성 부재 내에 플라즈마(140)가 발생하도록 구성된 전원공급부(150)를 포함하는, 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치를 제공한다. 상기 제1 및 제2 전극 사이에서는 피처리물의 기체 층을 통하여 아크, 스파크 방전이 발생할 수 있으며 피처리물이 열변형이 쉬운 소재인 경우 손상을 초래할 수 있으므로 상기 제1 및 제2 전극 사이에 세라믹 유전체층(150)을 적어도 1개 이상 삽입할 수 있다.

상기 제1 및 제2 전극을 이용하여 통기성 피처리물을 전극 사이에 밀착-압착하여 피처리물의 내부에 있는 기체 공간 외의 기체 층을 제거하여 주고, 상기 제1 및 제2 전극 사이에 플라즈마 발생 전압을 인가하여 주면 필터구조의 피처리물의 내부에서만 효과적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치에서 플라즈마 발생용 가스를 주입하도록 전극이 구성된 개념도이다. 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 장치는 상기 제1 전극 또는 제2 전극에 하나 이상의 구멍(160)을 포함하고, 상기 구멍(160)을 통해 플라즈마 발생용 가스를 공급하는 가스 공급수단을 포함함을 특징으로 한다.

피처리물 소재에 부여하고자 하는 기능(예를 들어, 친수, 소수, 불화 등)에 따라 플라즈마 발생용 가스를 제1 및/또는 제2 전극에 가스 공급구를 구비할 수 있다. 가스 공급구(160)는 피처리물의 면적에 따라, 다수개의 원형 홀 또는 긴 슬릿 홀을 적용할 수 있다.

도 4 및 5는 본 발명의 통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치가 대면적 통기성 부재를 처리하는 개념을 예시하는 개념도이다.

도 4에서 참조되는 바와 같이, 롤투롤 공정으로 대면적 통기성 부재를 처리할 수 있다. 제1 및 제2 전극은 원기둥형일 수 있고, 두 전극은 마주하면서 피처리대상인 통기성 부재를 압착하고, 상기 제1 및 제2 전극은 각각 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되어, 상기 제1 전극 또는 제2 전극이 상기 통기성 부재를 압착하면서 상기 통기성 부재에 따라 이동시킴을 특징으로 한다.

도 4에서와 같이, 플라즈마 발생 및 공정 가스는 챔버(170) 내에 주입할 수 있다.

또한 다른 예로서, 도 5에서 참조되는 바와 같이, 본 발명의 장치는 상기 제1 전극 또는 제2 전극이 상기 통기성 부재를 압착하면서 상기 통기성 부재에 따라 전극이 이동될 수 있고, 피처리물이 이동될 수 있다.

[ 실시예 1]

도 3의 장치를 다음과 같이 구성하였다. 제1 전극 및 제2 전극은 면적이 80 × 80 mm으로 하였고, 전극 사이에, 피처리물로 PET 수지 필터를 개재하였다. 전극의 구멍을 통해 N₂ 및 공기를 각각 4 lpm 및 2ccm으로 주입하였다. 사용 전력은 200 W 였고, 처리시간은 3분이었다.

유전체층은 실리콘고무(상대유전율 3.5), 알루미나(상대 유전율 9.7) 및 지르코니아(상대 유전율 23)로, 유전층을 각각 달리하여, 실험하였다.

인가 전압의 주파수는, 5, 10, 12, 20 kHz로 각각 달리하여 실험하였다.

피처리물 두께는 각각 0.5mm 및 0.9mm로 달리하여 실험하였다.

각 실험 마다. 열손상 여부를 눈으로 확인하였고, 아래 식의 파라미터 P 값을 아래 식으로 계산하였다.

파라미터(P)= 상기 통기성 부재의 두께(mm)×상기 유전층의 유전율×상기 전압의 주파수(kHz)

열손상 확인 결과로서 피처리물 두께가 0.5 mm 인 실험의 결과를 아래 표 1에 제공하고, 피처리물 두께가 0.9 mm 인 실험의 결과를 아래 표 2에 제공한다.

주파수 (kHz)	실리콘 고무 (3.5)		알루미나 (9.7)		지르코니아 (23)
	열손상	파라미터(P)	열손상	P	열손상	P
5	X	8.75	X	24.25	S	57.5
10	X	17.5	S	48.5	O	115
15	X	26.25	S	72.75	O	172.5
20	S	35	S	97	O	230

주파수 (kHz)	Silicon Rubber (3.5)		Alumina (9.7)		Zirconia (23)
	열손상	P	열손상	P	열손상	P
5	X	15.75	O	43.65	O	103.5
10	X	31.5	O	87.3	O	207
15	O	47.25	O	130.95	O	310.5
20	O	63	O	174.6	O	414

* 열손상의 값으로 X는 열 손상이 확인되지 않음 뜻한다. S는 약한 열손상이 확인되었음을 뜻한다. O는 열 손상이 확인됨을 뜻한다.

도 6은 열손상이 확인된 결과를 보여준다. 도 6a는 본 발명의 실시예1에서, 0.9 mm 두께의 PET 부직포를, 알루미나 유전층으로, 10 kHz 주파수로 플라즈마 처리한 실험의 결과로서, 열손상이 확인됨을 보여준다. 도 6b는 본 발명의 실시예1에서, 0.9 mm 두께의 PET 부직포를, 지르코니아 유전층으로, 20 kHz 주파수로 플라즈마 처리한 실험의 결과로서, 열손상이 확인됨을 보여준다.

파라미터 P 값이 32 이하인 경우에서는 피처리물의 열손상은 발견되지 않았다.

피처리물의 플라즈마 처리 효과 확인을 위해, 도 7a 및 도 7b과 같은 흡수 속도 측정 실험을 하였다. 실시예1에서 실험된 피처리된 부직물에 일정 간격으로 일렬로 수성 잉크로 아래서 위로 점을 찍었고, 끝을 물에 침지하였다. 60mm 길이까지의 물의 흡수 시간(초)을 측정하였다. 이의 결과를 아래 표 3에 제공한다.

주파수 (kHz)	Silicon Rubber (3.5)		Alumina (9.7)		Zirconia (23)
	흡수시간	P	흡수시간	P	흡수시간	P
5	47.67	8.75	48.64	24.25	42.75	57.5
10	39.41	17.5	54.66	48.5	53.14	115
15	46.39	26.25	58.42	72.75	58.44	172.5
20	38.06	35	57.58	97	59.71	230

파라미터 P 값이 32 이하인 경우, 이의 흡수 시간이 50초 이하로 다른 파라미터 값에 비해 매우 우수한 친수 특성을 결과를 보여줬다.

Claims (12)

1. 통기성 부재를 제1 전극 위의 제1 유전체층과 제2 전극으로 압착하고, 상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 통기성 부재 내에 플라즈마를 발생시킴을 포함하며,
   상기 통기성 부재의 두께(mm), 상기 유전체층의 유전율 및 상기 전압의 주파수(kHz)의 곱이 32 이하임을 특징으로 하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2전극은 상기 제1 유전체층에 마주하는 면에 적층된 제2 유전체층을 포함하고,
   상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층이 상기 통기성 부재를 압착하며,
   상기 유전체층의 유전율은 상기 제1 유전체층 또는 상기 제2 유전체층의 유전율인,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 통기성 부재 내로 플라즈마 발생용 가스를 공급함을 추가로 포함하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가스는 질소 및 공기를 포함하는 가스이고,
   상기 통기성 부재의 내면은 친수 처리됨을 특징으로 하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 가스는, 질소 및 HMDSO 증기를 포함하는 가스이고,
   상기 통기성 부재의 내면은 소수 처리됨을 특징으로 하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 통기성 부재는,
   부직포, 필터, 폼 또는 직물임을 특징으로 하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 방법.
7. 판형 또는 원기둥형 제1 전극 및 상기 제1 전극 상의 제1 유전체층;
   상기 제1 유전체층에 마주하는 판형 또는 원기둥형 제2 전극; 및
   상기 제1 전극 및 제2 전극에 전압을 인가하여 상기 통기성 부재 내에 플라즈마가 발생하도록 구성된 전원공급부를 포함하는,
   상기 제1 유전체층과 상기 제2 전극은, 피처리 대상인 통기성 부재를 압착하도록 구성되며,
   상기 통기성 부재의 두께(mm), 상기 유전층의 유전율 및 상기 전압의 주파수(kHz)의 곱이 32 이하임을 특징으로 하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2전극은 상기 제1 유전체층에 마주하는 면에 적층된 제2 유전체층을 포함하고,
   상기 제1 유전체층과 상기 제2 유전체층이 상기 통기성 부재를 압착하도록 구성되며,
   상기 유전체층의 유전율은 상기 제1 유전체층 또는 상기 제2 유전체층의 유전율인,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제1 전극 및 제1 유전체층의 다수의 구멍 또는 제2 전극의 다수의 구멍; 및
   상기 구멍을 통해 플라즈마 발생용 가스를 공급하는 가스 공급수단을 포함하는,
   통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 제2 전극이 판형인 경우, 상기 제1 전극 또는 제2 전극은 상기 통기성 부재를 압착하면서 상기 통기성 부재에 따라 수평 이동시키는 전극이동수단을 포함하는,
    통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치.
11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제2 전극이 판형인 경우, 상기 통기성 부재가 상기 제1 및 제2 전극 사이에서 압착된 상태로 이동시키는 통기성부재 이동수단을 포함하는,
    통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치.
12. 제7항에 있어서,
    제1 전극 및 상기 제1 전극이 원기둥형인 경우,
    상기 제1 및 제2 전극은 각각 서로 반대 방향으로 회전하도록 구성되어, 상기 제1 전극 또는 제2 전극이 상기 통기성 부재를 압착하면서 상기 통기성 부재에 따라 이동시킴을 특징으로 하는,
    통기성 부재의 내면을 플라즈마 처리하는 장치.

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