KR100817038B1 - 물질의 표면 처리를 위한 대기압 저온 플라즈마 발생 장치와 이를 이용한 표면 처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물질의 표면 처리를 위한 대기압 플라즈마 발생 장치와 이를 이용한 표면 처리 방법에 관한 것으로서 높은 처리 효과와 다양한 피처리물 형상 및 재질에 대한 적용 가능성을 높임과 동시에 경제적인 장치 구현 및 운전이 가능하도록 하여 보다 넓은 영역에의 적용이 가능하도록 한 것이다.

본 발명에서는 공기, 질소, 산소 등 저렴한 기체를 플라즈마 발생 장치의 기체 주입구를 통해 플라즈마 발생 영역으로 고속 주입한 다음 핀 혹은 원통 형태의 파워 전극과 원통형의 접지 전극 사이에 전압을 인가하여 플라즈마를 발생시키고 발생된 플라즈마를 플라즈마 이송 통로 및 분사 노즐을 통하여 플라즈마 발생 장치 외부로 분사하고 분사된 플라즈마를 통해 금속 혹은 비금속 피처리물의 표면을 처리하여 표면 특성을 개선한다.

Description

물질의 표면 처리를 위한 대기압 저온 플라즈마 발생 장치와 이를 이용한 표면 처리 방법{METHODS AND APPARATUS FOR TREATING THE SURFACE OF MATERIALS BY ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}

도 1은 분사 노즐이 없는 대기압 플라즈마 발생 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 분사 노즐이 있는 대기압 플라즈마 발생 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 처리 면적 확장을 위해 병렬 연결된 대기압 플라즈마 발생 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10:대기압 플라즈마 발생장치

14:절연체 16:접지 전극

18:파워 전극 20:기체 주입구

22:플라즈마 이송 통로 24:분사 노즐

26:플라즈마 28:플라즈마 전원

30:피처리물

본 발명은 물질의 표면 처리를 위한 대기압 플라즈마 발생 장치와 이를 이용한 표면 처리 방법에 관한 것으로서 높은 처리 효과와 다양한 피처리물 형상 및 재질에 대한 적용 가능성을 높임과 동시에 경제적인 장치 구현 및 운전이 가능하도록 하여 보다 넓은 영역에의 적용이 가능하도록 한 것이다.

일반적으로 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 기술은 대기압 혹은 진공 중에서 플라즈마를 발생시키고 발생한 플라즈마를 이용하여 피처리물 표면을 개질, 세정, 에칭, 증착하는 기술을 의미한다. 특히, 플라즈마를 이용한 표면 처리 기술은 원천적으로 건식 처리 방식의 친환경적인 표면 처리 기술로써 기존의 습식 처리 공정을 대체할 수가 있다. 또한 습식 처리 방식과 달리 피처리물의 고유한 벌크(Bulk)특성을 변화시키지 않으면서 특성 개질이 필요한 표피층만을 변화시켜 원하는 특성을 얻을 수가 있다.

하지만, 진공 플라즈마를 이용한 표면 처리 기술은 대형의 값비싼 진공 장비가 필요하고 피처리물의 크기에 제한을 받으며 배치(Batch)타입의 공정이므로 인라인(In-line)화가 어려운 단점을 가지고 있다. 이에 인라인(In-line)화가 가능하고 설비의 간소화가 가능하며 이와 더불어 운전비용을 줄일 수 있는 새로운 표면 처리 기술로써 대기압 플라즈마 기술이 연구되고 있다.

종래의 대기압 플라즈마를 이용한 표면 처리 기술 중에는 유전체 장벽 방전 법, 코로나 방전법, 대기압 글로우 방전법 등이 있다.

유전체 장벽 방전은 쌍을 이루는 두 개의 전극의 일측 또는 양측에 유전제 장벽을 설치하여 아크 발생을 방지하고 비교적 넓은 영역에 플라즈마를 발생시킬 수 있어 제지, 인쇄, 포장 등의 분야에 널리 이용되고 있다. 코로나 방전은 두 개의 전극 중 적어도 하나를 침상, 와이어 혹은 핀 형태로 구성하여 전장의 집중 효과를 이용하고 내부저항이 큰 고전압 전원을 이용하여 아크를 억제하고 저전류의 플라즈마를 발생시켜 여러 산업 분야에 이용되고 있다. 유전체 장벽 방전과 코로나 방전은 대부분 방전 기체로 공기를 이용하여 저렴한 운전이 가능한 장점이 있으나 플라즈마 밀도가 낮아 처리효과가 떨어지고 스트리머 발생으로 인하여 플라즈마의 불균일성이 높고 피처리물이 전극 사이에 위치하여야 하므로 필름 형태가 아닌 3차원 형상의 피처리물에는 부적합한 단점이 있다. 또한 금속 재질의 피처리물에 있어 처리시 스폿(Spot)이 형성되어 균일한 처리가 불가능하고 피처리물에 손상을 주는 단점이 있다.

K. Kogoma 등은 1)헬륨이 방전 기체로 이용되고 2) 두 개 전극 중 적어도 일측에 유전체 장벽이 있으며 3) 고주파 전원을 이용하는 경우 대기압 하에서 안정한 글로우 플라즈마가 발생된다고 제시하고 있다(J. Phys. D. 21(1988)). R. F. Hicks 등은 K. Kogoma의 방법을 개선하여 3차원 형상의 피처리물에도 적용이 가능한 분사형의 대기압 플라즈마 발생 장치를 기술하고 있다(Appl. Phys. Lett. 76(2000)). 그러나 이러한 방식은 고주파 전원을 필요로 하고 플라즈마 발생을 위하여 고가의 헬륨 기체 등을 이용하기 때문에 장치 가격 및 운전비가 상승되는 단 점을 갖고 있어 넓은 산업 분야에 적용되기에는 난점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점에 착안하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 진공 장비가 필요 없는 대기압 하에서 높은 처리 효과를 보임과 동시에 다양한 형상 및 재질을 갖는 물질의 표면 처리에 적합한 플라즈마 발생 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 간단하면서도 저가의 전원과 반응 기체를 사용하여 경제적인 물질의 표면 처리 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 대기압 플라즈마 발생장치는, 기체 주입구를 통하여 공기, 질소, 산소 등의 저가의 기체를 주입하고 핀 혹은 원통 형태의 파워 전극과 원통 형태의 접지 전극 사이에 100KHz 이하의, 더욱 바람직하게는 상용주파수의 고전압을 인가하여 두 전극 사이의 방전에 의해서 플라즈마를 발생시킨 후 발생된 플라즈마를 주입된 기체의 흐름에 의하여 플라즈마 이송 통로를 통해 외부로 분사하는 것을 특징으로 한다. 파워 전극과 접지 전극 사이의 방전 영역에는 절연체가 존재하지 않으므로 높은 전류의 플라즈마가 발생되며 플라즈마 내의 활성종의 밀도도 증가하여 플라즈마에 의한 처리 특성도 향상된다.

상기의 경우에 두 전극 사이에서 발생하는 플라즈마는 방전 영역 내에서는 높은 온도의 좁은 도전 채널 형태를 띠고 전극에는 이에 따른 스폿(Spot)이 형성되어 플라즈마의 불균일성뿐만 아니라 국부적인 가열에 의해 전극을 침식시키게 되므로 이러한 현상을 제거, 완화할 필요가 있다. 플라즈마의 안정성을 위해서 기체 흐름 상에 난류(Turbulence)를 형성하거나 플라즈마의 확산(Diffusion)을 증가시키는 방법이 있다. 국부적으로 발생할 수 있는 전하의 집중을 난류 혹은 확산에 의해 완화시켜 보다 넓은 영역에 안정적인 플라즈마를 형성할 수 있다. 이러한 난류 혹은 확산은 주입되는 기체의 유속(U)을 증가시키거나 방전 영역의 크기(L)를 줄임으로써 달성할 수 있다. 기체의 종류 및 방전 영역의 형상 등에 따라 차이가 있을 수 있으나 개략적인 플라즈마의 안정 조건은

U/L ≥ 10³[s^-1]

으로 기술될 수 있다. 도 1에서 방전 영역의 크기(L)는 대략 파워 전극(18)과 접지 전극(16)간의 최단 거리로 생각할 수 있다. 이로부터 파워 전극 및 접지 전극이 원통형이고 지름이 수mm 가량인 경우 필요한 유량은 수~수십lpm(liter per minute) 이상이 된다. 유속이나 방전 영역의 크기 이외에도 기체 주입구가 향하는 방향을 중심축에서 벗어나도록 구성하여 기체 흐름이 플라즈마 발생 영역에서 와류를 형성할 수 있도록 함에 의해서도 안정성을 향상시킬 수 있다.

파워 전극과 접지 전극은 절연체에 의해 절연을 유지하고 동축 상에 위치하 는 것이 바람직하며 두 전극 사이의 적절한 거리는 전원의 전압 및 기체 유량에 따라 다르나 수mm~수십mm 가 적당하다. 거리가 짧을수록 투입 가능 전력량이 줄어들고 거리가 길수록 높은 전압이 필요하고 플라즈마 발생이 어려워지게 된다. 파워 전극과 접지 전극은 플라즈마 특성 제어를 위하여 축 방향으로의 간격 조절이 가능한 구조를 가질 수 있다. 절연체의 경우 열 손상에 대비하여 열에 대한 내구성이 큰 재질을 사용 할 수 있다. 상기 파워 전극과 접지 전극은 구리 및 그의 합금, 알루미늄 및 그의 합금, 스테인레스 스틸 등을 이용할 수 있으나 이외에도 침식에 강한 텅스텐, 몰리브데늄, 지르코늄, 탄탈륨 등이나 그것의 합금 혹은 화합물을 이용할 수 있다.

플라즈마 이송 통로는 두 전극 사이에서 발생한 비교적 고온의 플라즈마를 냉각시키고 피처리물까지 빠른 유속으로 전달시키는 역할을 함과 동시에 피처리물을 파워 전극과 이격시켜 피처리물에 스폿(Spot)이 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다. 플라즈마 이송 통로는 절연체를 이용하여 별도로 구성할 수도 있으나 접지 전극을 확장하여 이용할 수도 있다. 플라즈마 이송 통로의 지름은 수mm가 적당하며 길이는 수~수십mm가 적당하다. 플라즈마 이송 통로의 길이가 너무 짧은 경우 분출된 플라즈마 온도가 비교적 높고 금속 피처리물인 경우 스폿이 발생할 가능성이 있으며 너무 긴 경우 플라즈마 처리 효과가 떨어질 가능성이 있다.

플라즈마 이송 통로의 지름이 작아 처리 면적이 불충분한 경우 혹은 원통형 이외의 플라즈마 형태가 필요한 경우 이송 통로의 끝단에 분사 노즐부를 가공하거나 혹은 탈부착이 가능한 별도의 분사 노즐을 장착할 수 있다. 이로부터 좁은 원 통형의 플라즈마 이외에 - 자, + 자 등의 다양한 형태의 플라즈마 분사가 가능하다.

기체 주입구는 절연체 혹은 접지 전극에 위치하며 1개소 혹은 그 이상 이용될 수 있다. 기체 주입구의 방향은 축 방향으로는 수직 방향 혹은 임의의 각을 두어 배치될 수 있다. 반경 방향으로는 중심축을 향하도록 구성될 수도 있으나 전술한 바와 같이 와류 형성을 위하여 중심축에서 벗어나도록 구성할 수도 있다.

상기 플라즈마 발생을 위한 전원은 100KHz 이하의 고전압 교류 전원을 이용하거나, 더욱 바람직하게는 상용주파수의 100~240V 전원을 변압기를 사용하여 1kV~100kV까지 용이하게 승압하여 사용할 수 있다.

상기 주입 기체로는 공기, 질소, 산소 혹은 이의 혼합물을 이용할 수 있어 저렴한 운전이 가능하다. 효과적인 플라즈마 처리를 위해 질소 혹은 산소 이외의 활성종이 필요한 경우 상기 공기, 질소, 산소 이외에 별도의 기체 혹은 액체를 혼합하여 주입할 수 있다. 별도의 기체 혹은 액체는 널리 공지된 헬륨, 아르곤 및 CF4, SF6, NF3, CCl4 등의 불소 혹은 염소 함유 기체, 수소, 암모니아 등과 액상 유기물, 모노머(Monomer), 올리고머(Oligomer), 폴리머(Polymer) 등을 포함할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분사 노즐이 없는 대기압 플라즈마 발생 장치의 내부를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 물질의 표면 처리를 위한 대기압 플라즈마 발생 장치(10)는 핀 형태의 파워 전극(18), 원통 형태의 접지 전극(16), 절연체(14), 기체 주입구(20), 플라즈마 이송 통로(22), 상용주파수 고전압 교류 전원(28)으로 구성된다.

상기 대기압 플라즈마 발생 장치(10)는 도면 1에 도시된 바와 같이, 높은 유량(수십 lpm)의 공기, 질소, 산소 등이 기체 주입구(20)를 통하여 플라즈마 발생 장치 내부로 주입되고 파워 전극(18)과 접지 전극(16) 사이의 방전에 의해서 플라즈마를 발생시킨다. 발생한 플라즈마는 플라즈마 이송 통로(22)를 통하여 발생 장치 외부로 고속 분사된다. 외부로 고속 분사된 플라즈마(26)를 이용하여 피처리물(30)의 표면 처리를 하게 된다.

상기의 파워 전극(18)은 절연체(14)에 의해서 접지 전극(16)과 분리되어 고정되어 있으며 열과 부식에 강한 텅스텐으로 만들어 진다.

상기의 기체 주입구(20)는 접지 전극(16)의 옆면에 일정한 간격으로 배열되어 있으며 발생된 플라즈마는 플라즈마 이송 통로(22)를 통하여 외부로 분사된다. 플라즈마 이송 통로(22)는 발생 장치 내부에서 발생한 플라즈마를 외부로 고속 분사하기 위해 플라즈마 발생부에 비해 구경이 작은 구조를 가지고 있다.

상기의 플라즈마 이송 통로(22)를 통하여 분사된 플라즈마(26)의 육안 확인에 의한 분사 길이는 사용 기체와 유량, 인가된 전압에 따라서 10~50mm의 값을 가지며 이러한 특성 때문에 필름 형태 뿐 아니라 3차원 형상의 피처리물(30)에 적용될 수 있다.

상기 외부로 분사된 플라즈마(26)는 온도가 60도 미만으로 유지되어 피처리물이 폴리머인 경우에도 표면의 열 손상 없이 표면 처리가 가능하다.

상기의 피처리물(30)이 비금속인 경우 뿐만 아니라 금속인 경우에도 피처리물 표면에 아크 및 스폿이 발생하지 않으며 균일한 처리가 가능하다.

상기의 플라즈마 발생을 위한 전원(28)은 상용의 주파수 60Hz, 220V전원을 변압기로 승압하여 수 kV의 고전압을 발생시켜 두 전극 사이에 인가한다. 이러한 교류 전원의 사용으로 높은 주파수의 전원 장치를 사용하는 플라즈마 발생 장치에 비해 저가의 전원 장치 제작이 가능하다.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 분사 노즐이 있는 대기압 플라즈마 발생 장치의 내부를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 분사된 플라즈마(26)의 처리 너비를 확장하기 위해서 분사 노즐(24)을 플라즈마 이송 통로(22)의 출구에 장착한다.

상기의 분사 노즐(24)은 속이 빈 반구의 형태를 하고 있으며 -자형의 슬릿을 갖고 있어 넓은 영역에 있어 부채꼴 형상의 플라즈마를 형성하게 된다.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 처리 면적 확장을 위해 병렬 연결된 대기압 플라즈마 발생 장치의 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 대기압 플라즈마 발생 장치(10)를 병렬 연결하여 처리 면적을 확장할 수가 있다.

(실시예)

도 2의 플라즈마 발생 장치를 이용하여 폴리프로필렌의 표면 개질에 적용하였다. 방전 기체로는 40lpm의 질소와 20lpm의 공기를 각각 사용하였다. 대기압 플라즈마 처리 후 폴리프로필렌의 접착력 향상 정도를 ASTM D3163-96에 의거해 전단강도의 변화로 측정하였으며 플라즈마 처리 후 3M사의 폴리우레탄 접착제(DP605-NS)를 사용하여 접착하였다. 접착력 테스트를 하기 위해서 두께 5mm의 폴리프로필렌을 너비 25mm, 길이 110mm로 절단하여 플라즈마 표면 처리를 위한 시편으로 준비하였다. 처리 전 폴리프로필렌 접착면의 전단 강도는 0.182MPa에서 8초의 질소 플라즈마 처리 후 10.5MPa로 현저히 증가함을 확인하였다.

그림 1. 플라즈마 처리시간에 따른 폴리프로필렌 접착면의 전단 강도 변화

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생 장치 및 대기압 플라즈마에 의한 표면 처리 방법에 의하면 필름 형태, 3차원 형태, 금속, 비금속의 다양한 형상 및 재질을 갖는 피처리물에 대해 높은 처리 효과를 나타내며 저 가의 전원 및 공기, 질소, 산소 등의 기체 이용으로 경제적인 처리가 가능하다.

Claims (18)

1. 대기압 저온 플라즈마 발생 장치로서,

   상용주파수(60Hz)내지 100kHz이하의 주파수를 갖는 플라즈마 전원(28)과;

   상기 플라즈마 전원(28)이 인가되는 파워 전극(18) 및 접지 전극(16)과 ;

   상기 파워 전극(18)과 상기 접지 전극(16)사이의 전기적 절연을 위해 상기 파워 전극과 상기 접지 전극 사이에 삽입되는 절연체(14)와;

   상기 플라즈마 발생을 위해 상기 파워 전극(18)과 상기 접지 전극(16) 사이로 기체를 주입하는 한 개 이상의 기체 주입구(20)와;

   상기 파워 전극(18)과 접지 전극(16)사이에서 발생한 플라즈마를 플라즈마 발생 장치 외부로 분사하는 플라즈마 이송 통로(22)를 포함하며

   상기 기체주입구를 통해 주입되는 기체의 유속은 상기 파워전극과 상기 접지전극사이의 거리의 10³ 배 이상(U/L ≥ 10³[s^-1])인 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
2. 제 1항에 있어서 상기 플라즈마 전원의 주파수는 100kHz 이하인 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
3. 제 1항에 있어서 상기 플라즈마 전원은 상용주파수의 100~240V 전원을 변압기를 사용하여 승압하여 이용하는 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
4. 제 1항에 있어서 상기 플라즈마 전원의 전압은 1kV~100kV인 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
5. 제 1항에 있어서 상기 파워 전극과 접지 전극은 각각 구리, 구리의 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
6. 제 1항에 있어서 상기 파워 전극과 접지 전극은 각각 텅스텐, 몰리브데늄, 지르코늄, 탄탈륨과 텅스텐합금 , 몰리브데늄합금, 지르코늄합금, 탄탈륨합금,

   텅스텐화합물, 몰리브데늄화합물, 지르코늄화합물, 탄탈륨화합물 중의 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서 상기 파워 전극과 상기 접지 전극 사이의 거리조절이 가능한 것을 특징으로 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
9. 제 1항에 있어서 상기 기체 주입구의 끝단이 향하는 방향은 와류 형성을 위해 상기 파워 전극의 중심축에서 벗어나도록 구성되는 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
10. 제 1항에 있어서 플라즈마 이송 통로 끝단에 플라즈마의 확장 및 형상 변경을 위한 상기 이송통로 끝단의 단면과 다른 형태를 갖는 분사 노즐이 구비된 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
11. 제 10항에 있어 상기 노즐은 탈부착이 가능한 별도의 분사 노즐인 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마 발생 장치.
12. 대기압 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법으로서,

    플라즈마 전원에 연결된 파워 전극과 접지 전극을 제공하는 단계와,

    상기 파워 전극과 상기 접지 전극의 사이로 안정한 플라즈마 발생을 위한 고속의 기체를 주입하는 단계와,

    상기 파워 전극과 상기 접지 전극에 전압을 가하여 플라즈마를 발생시키는 단계와,

    발생된 상기 플라즈마를 이송통로를 통하여 외부로 분사시켜 피처리물 표면에 상기 플라즈마를 반응시키는 단계,

    를 포함하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법.
13. 제 12항에 있어서 상기 고속의 기체를 주입하는 단계에서 상기 기체가 주입되는 속도는 상기 파워 전극과 상기 접지전극 사이의 거리의 10³ 배 이상인 것을 의미하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법
14. 제 12항에 있어서 상기 주입되는 기체는 공기, 질소, 산소 및 이의 혼합물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법.
15. 제 14항의 상기 기체 이외에 처리 효과 증대를 위해 헬륨, 아르곤 및 CF4, SF6, NF3, CCl4, 수소, 암모니아와 액상 유기물, 모노머(Monomer), 올리고머(Oligomer), 폴리머(Polymer)중 어느 하나 이상의 기체를 선택하여 혼합하여 주입하는 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법.
16. 제 12항에 있어서 상기 피처리물은 필름 형태, 3차원 형태를 포함하는 임의의 형상을 갖고 금속, 비금속 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법.
17. 제 12항에 있어서, 상기 피처리물의 형상 및 크기에 따라서 다양한 형태의 분사 노즐을 상기 플라즈마 이송통로 끝단에 제공하는 단계를 더 포함하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법.
18. 제 12항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 피처리물의 형상 및 크기에 따라서 복수 개의 대기압 플라즈마 발생 장치를 병렬로 제공하는 단계를 더 포함하는 대기압 저온 플라즈마를 이용한 물질의 표면 처리 방법.

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