KR20020071694A - 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법 및 장치 - Google Patents

대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 여러가지 재료의 표면세정을 위하여 대기압 플라즈마를 이용하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에서는 무성방전 방식으로 발생된 플라즈마를 빠른 기류의 흐름을 이용하여 방전공간 밖으로 이끌어내어 이용한다. 즉, 플라즈마 발생공간인 양전극 사이공간의 한쪽을 방전에 이용하는 기체의 유입구로 하고 다른 쪽을 배출구로 하여 방향성의 기류 흐름을 부여하면 방전공간내의 플라즈마가 배출구 쪽으로 분출되며 이와 같이 분출된 플라즈마를 이용하여 배출구 쪽에 위치한 시료 표면의 세정을 수행할 수 있다. 본 발명에 의한 대기압 플라즈마 발생장치에 대해 상대적으로 시료를 이동시키게 되면 시료의 표면을 연속적으로 세정하는 효과를 얻을 수 있으며 이와 같은 방법으로 대기압하에서 움직이는 시료에 대해 또는 움직이는 대기압 플라즈마 발생장치에 의해 연속적인 세정공정이 가능하다.

Description

대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR REMOVING CONTAMINANTS FROM THE SURFACE OF A SUBSTRATE WITH ATMOSPHERIC-PRESSURE PLASMA}
본 발명은 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키고 그 발생된 플라즈마를 이용하여 재료의 표면을 세정하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
모든 재료의 표면세정 정도는 그 재료 위에 다른 소재를 증착, 도포 또는 접합하여 응용할 경우, 접착력 및 밀착력에 매우 큰 영향을 미친다. 종래의 표면 세정방법은 여러가지의 화학약품들을 이용하여 이루어져 왔으나, 이러한 방법은 화학약품들에 의한 환경공해문제로 인해 그 사용이 제한되어 왔으며, 따라서 새로운 표면세정 방법들이 많이 연구되고 이용되어져 왔다. 이러한 새로운 표면세정 방법들 중의 하나로 저온ㆍ저압 상태의 플라즈마를 이용하는 방법을 들 수 있다. 저압 플라즈마를 이용한 표면세정 방법은 저압의 진공조 내에 플라즈마를 발생시켜 만들어진 이온이나 활성화된 가스를 재료의 표면과 접촉시켜 재료표면의 불순물이나 오염물질을 제거하는 것이다. 이러한 저압 상태의 플라즈마를 이용하는 표면세정 방법은 우수한 세정효과에도 불구하고 널리 이용되지는 않고 있는 실정인데, 이는 저압 플라즈마를 발생시키기 위해서는 진공 장치가 필요하게 되고, 따라서 대기압 상태에서 이루어지는 연속공정에는 적용되기 어렵기 때문이다. 이에 따라 최근에는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시켜 표면세정에 이용하고자 하는 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다.
대기압 플라즈마는 여러 가지 방법을 이용하여 발생시킬 수 있으며 가장 보편적으로 사용되는 방법으로는 오존 발생장치에서 이미 오랫동안 사용되어져 왔던무성방전 방식이다 (Siemens W. 1857, Ann. Phys. Chem.102, 66-122). 무성방전의 원리는 이미 잘 알려진 바와 같이, 금속 전극의 한쪽 또는 양쪽을 절연체로 절연하고 금속 전극에 고전압의 교류 또는 펄스를 인가하게 되면 양 전극 사이의 공간에서 고전압에 의한 방전이 일어나고 그에 의해 플라즈마가 발생되는 원리이다. 이와 같이 발생된 플라즈마를 이용하여 양 전극 사이의 공간에 놓인 시료의 표면을 세정하게 된다. 그러나, 이러한 전극구조는 실제 시료의 표면세정에 이용할 경우, 양 전극 사이의 공간에 시료가 위치해야만 하므로 매우 얇은 형태의 판상 시료만이 처리가 가능하며 따라서 그 적용분야가 매우 제한될 수밖에 없다. 또한, 시료가 절연체가 아닌 도전성을 지닌 금속 및 반도체 시료일 경우, 고전압에 의한 시료의 손상을 가져올 수 있는 단점이 있다.
최근에는 이러한 대기압 무성방전의 단점을 극복하고자 13.56 MHz의 RF 전력을 이용하여 대기압 플라즈마를 발생시켜 이용하고자 하는 연구가 이루어지고 있는 실정이나 RF 전력장치의 가격이 높고 및 임피던스 정합이 필요하며 장치가 복잡해지는 단점이 있다 (US 5,977,715 - 'Handheld atmospheric pressure glow discharge plasma source', US 5,961,772 - 'Atmospheric-pressure plasma jet').
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 방법들의 단점을 극복한 새로운 표면 세정 방법을 제공하는 것으로서, 이러한 목적은 (a) 절연체로 절연된 금속전극 사이에 형성된 플라즈마 발생공간으로 사용가스를 유입시키는 단계, (b) 상기의 금속전극에 교류 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하여 대기압하에서의 무성방전으로 사용가스의 대기압 플라즈마를 발생시키는 단계, (c) 발생된 대기압 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 배출구를 통하여 플라즈마 발생공간 밖으로 분출시키는 단계, 및 (d) 분출된 대기압 플라즈마를 정지 또는 이동 중인 시료에 접촉시켜 시료표면의 불순물을 제거하는 표면세정 단계로 이루어진, 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법에 의해 성취될 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법에 사용될 수 있는 연속적인 시료의 표면세정이 가능하고 간단한 구조의 대기압 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 세정장치의 바람직한 일예의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 질소 대기압 플라즈마를 이용하여 세정한 유리기판의 물과의 접촉각을 측정한 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101: 절연체102: 전극103: 고전압 인버터
104: 플라즈마 발생공간105: 유입구106: 배출구
107: 사용가스 저장용기108: 유량조절기109: 유량균일화 장치
110: 플라즈마111: 방열판112: 접지
113: 이동중인 시료
일반적으로 가장 간단한 대기압 플라즈마의 발생방법은 무성방전 방식이다. 즉, 금속전극의 한쪽 또는 양쪽을 절연체로 절연하고 금속전극에 고전압의 교류 또는 펄스를 인가하게 되면 전극과 전극사이의 공간에서 사용가스의 고전압 방전에 의한 플라즈마가 발생이 된다. 이와 같이 발생된 플라즈마는 대기압하에서의 고온 아크 플라즈마와 달리 저압ㆍ저온 플라즈마의 특성을 지니고 있으며, 따라서 피처리물의 온도 상승에 의한 파괴없이 시료의 표면을 세정하는데 이용될 수 있다. 그러나, 플라즈마가 발생되는 공간이 양쪽 금속전극 사이의 공간에 제한이 되므로 발생된 플라즈마를 이용하는데 공간적으로 매우 제한이 따르게 된다.
본 발명에서는 이와 같이 무성방전 방식으로 발생된 플라즈마를 빠른 기류의 흐름을 이용하여 방전공간 밖으로 이끌어내어 이용하고자 한다. 즉, 플라즈마 발생공간인 양전극 사이공간의 한쪽을 방전에 이용하는 기체의 유입구로 하고 다른 쪽을 배출구로 하여 방향성의 기류 흐름을 부여하면 방전공간 내의 플라즈마가 배출구 쪽으로 분출되며 이와 같이 분출된 플라즈마를 이용하여 배출구 쪽에 위치한 시료 표면의 세정을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명은 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법에 관한 것으로서, 상기한 방법은 다음의 단계를 포함한다.
(a) 절연체로 절연된 금속전극 사이에 형성된 플라즈마 발생공간으로 사용가스를 유입시키는 단계,
(b) 상기의 금속전극에 교류 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하여 대기압하에서의 무성방전으로 사용가스의 대기압 플라즈마를 발생시키는 단계,
(c) 발생된 대기압 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 배출구를 통하여 플라즈마 발생공간 밖으로 분출시키는 단계, 및
(d) 분출된 대기압 플라즈마를 정지 또는 이동 중인 시료에 접촉시켜 시료표면의 불순물을 제거하는 표면세정 단계.
이하, 첨부도면 및 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정장치의 바람직한 일례의 개략도를 도시한 것으로써, 상기 표면 세정장치(1)는 절연체(101)로 절연된 서로 마주보는 2개의 금속 전극(102), 상기 전극(102)의 양단에 연결된 고전압 인버터(103), 상기 마주보는 2개의 금속 전극 사이에 생성된 플라즈마 발생공간(104), 상기 플라즈마 발생공간(104)의 측면에 서로 대응되게 형성된 유입구(105) 및 배출구(106), 유입구(105)를 통해 사용가스를 공급하는 사용가스 저장용기(107), 유입구(105)와 사용가스 저장용기(107)의 사이에서 사용가스의 유량을 조절하는 유량조절기(108)를 포함한다.
우선, 고전압 발생장치인 고전압 인버터(103)로부터 발생된 교류 또는 펄스형태의 고전압은 절연체(101)로 가려진 금속성 전극(102)의 양단에 인가된다. 인가된 고전압은 사용가스 저장용기(107)로부터 유량조절기(108)를 거쳐 유입구(105)를 통해 플라즈마 발생공간(104)으로 유입된 사용가스를 무성방전에 의해 대기압하에서 플라즈마(110)로 전환시킨다. 발생된 플라즈마(110)는, 유입구(105)를 통해 플라즈마 발생공간(104)으로 유입되는 기류의 흐름에 의해, 배출구(106)를 통하여 플라즈마 발생공간(104) 밖으로 분출되며, 분출된 플라즈마(110)는 플라즈마(110)와 접촉하는 정지 또는 이동하는 시료(113)의 표면을 세정하는 작용을 한다.
상기한 표면 세정장치는 플라즈마 방전에 의하여 발생되는 열의 방출이 용이하도록 하기 위해 금속성 전극(102)에 부착된 금속성 방열판(111)을 추가로 포함할 수 있으며, 고전압이 인가되지 않는 쪽의 전극은 접지하여(112) 사용상의 안전을 기할 수도 있다. 또한, 상기한 표면 세정장치는, 필요한 경우, 유입구(105)에 유량균일화 장치(109)를 설치하여 유량조절기(108)을 통하여 플라즈마 발생공간(104)으로 유입되는 사용가스가 플라즈마 발생공간(104) 내에서 균일한 기류의 흐름을 갖도록 할 수 있으며, 상기 유량균일화 장치(109)는 시료 위에 분출되는 대기압 플라즈마의 분출 균일도를 향상시키는 효과를 나타낸다.
절연체(101)로 이용되는 소재로는, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 알루미나나 유리와 같은 세라믹, 또는 플라스틱을 이용할 수 있으며, 금속성 전극(102)은, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 절연체에 금속막을 증착 또는 도포하여 전극으로 이용하거나 구리나 알루미늄 등의 금속 박판을 부착하여 전극으로 사용할 수도 있다. 또한, 절연체(101)는 한쪽 금속전극 또는 양쪽 전극 모두를 절연하여 사용할 수 있다.
절연체(101)로 절연된 금속전극(102) 사이의 플라즈마 발생공간(104)의 틈새는, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 0.01 mm 이상 5 mm 이하, 바람직하게는 0.1 mm 이상 1 mm 이하의 거리를 이용한다. 그 이유로는 0.01 mm 이하의 틈을 이용할 경우, 사용기체의 기류흐름이 원활치 못하여 플라즈마의 분출이 용이하지 않으며, 5 mm 이상의 거리에서는 무성방전을 일으키기 위하여 10 kV 이상의 너무 높은 값의 고전압이 필요하게 되어 사용상의 안전이 문제가 되며 또한 고전압에 의한 시료의 손상을 가져올 수도 있기 때문이다.
대기압 플라즈마(110)를 발생시키기 위하여 금속전극(102)에 인가하는 고전압은 고전압 인버터(103)를 이용하여 발생시킬 수 있으며, 인가되는 고전압은, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 고전압 발생이 용이한 상용주파수인 60 Hz 이상 100 kHz 이하의 주파수를 이용하며, 고전압 값은 고전압 발생이 용이한 10 kV 이하의 고전압을 이용한다. 또한, 고전압의 전압파형은, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 펄스형태 또는 정현파 형태의 전압파형을 이용할 수 있다.
플라즈마(110)를 발생시키기 위하여 유입시키는 가스로는, 반드시 이에 한정되는 것은 아니지만, 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크세논(Xe) 등의 불활성 가스뿐만 아니라 산소, 질소, 공기 등을 이용할 수 있으며 이들 가스들의 하나 이상의 혼합가스를 이용할 수도 있다.
도 1은 시료를 세정하기 위해 표면 세정장치를 하나 설치한 예를 도시하고 있으나, 필요한 경우 상기한 표면 세정장치를 2 개 이상 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용할 수도 있다.
실시예 1
본 발명에 의한 대기압 플라즈마를 이용한 재료표면 세정효과를 알아보기 위하여 유리기판을 이용하여 실험하였으며 표면세정 후 나타나는 가장 직접적인 특징인 물과의 접촉각을 측정함으로써 표면세정 정도를 수치화하였다.
실험에 이용한 대기압 플라즈마 발생장치는 절연체로서 0.635 mm의 알루미나를 이용하였으며 전극으로는 알루미나의 한쪽 면에 금속막을 도포하여 형성하였다. 방전공간의 틈새거리는 0.4 mm로 하였으며, 방전에 사용한 가스인 질소가스를 25 리터/분의 유량으로 유입시켰다. 고전압 인버터의 전압값은 4 kV, 주파수는 20 kHz, 방전전력은 100 W로 하여 실험하였다. 플라즈마 분출구와 시료기판 사이의 거리를 0.5 mm에서 2 mm까지 변화시켜가며 실험하였으며, 시료의 이동속도를 10 cm/분에서 50 cm/분까지 변화시켜 대기압 플라즈마에 의한 표면세정효과를 측정하였다.
도 2는 위의 실험결과를 보여준 것으로, 그림에서 알 수 있듯이 10 cm/분의낮은 시료 이동속도에서는 매우 완벽하게 표면 세정을 이루어 물과의 접촉각이 매우 낮게 측정됨을 알 수 있으며, 시료의 이동속도가 빨라짐에 따라, 또는 시료와의 거리가 멀어짐에 따라 표면 세정효과가 감소함을 알 수 있다. 그러나, 이러한 표면 세정효과의 감소는 본 발명에 의한 장치를 여러 개를 연결하여 이용하면 쉽게 해결할 수 있으며, 또한 넓은 면적의 시료도 여러 개를 연결하여 이용하면 용이하게 세정할 수 있다.
상기한 본 발명에 따른 표면 세정방법 및 장치는 세정을 요하는 표면에 널리 적용될 수 있으며, 특히, 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프래임(leadframe) 또는 패키징(packaging)을 위한 모든 과정, 즉 본딩(bonding), 몰딩(molding), 솔더링(soldering), 칩 어태칭(chip attaching), 딥핑(dipping), 마킹(marking)공정 등에서 필요한 세정이나, TFT-LCD용 대면적 유리의 전세정(Pre-cleaning)처리, TFT-LCD용 대면적 유리에 올려진 PR(photo-resistor) 제거용 즉 에싱에 적용될 수 있다. 또한 상기한 표면 세정방법 및 장치는 반도체 제작시의 세정공정 및 PR(photo-resistor) 제거 공정에 응용될 수 있다.
본 발명의 방법에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 재료표면 세정방법은 무성방전에 의하여 발생되는 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 좁은 방전공간 밖으로 분출시켜 이용함으로써 적용범위가 매우 넓으며 그 세정효과가 매우 뛰어나다는 장점이 있다. 또한, 본 발명의 표면 세정방법은 시료위치가 작은 틈으로 이루어진 방전공간 내부에 제한되지 않고 플라즈마가 분출되어 나오는 부분에 위치하면 되므로 시료형태에 따른 제한이 적으며, 또한 고전압 전기장이 존재하는 공간 밖에 시료가 놓이므로 고전압에 의한 시료의 손상을 막을 수 있는 장점이 있다. 한편, 본 발명에 의한 대기압 플라즈마 발생장치에 대해 상대적으로 시료를 이동시키게 되면 시료의 표면을 연속적으로 세정하는 효과를 얻을 수 있으며 이와 같은 방법으로 대기압하에서 움직이는 시료에 대해 또는 움직이는 대기압 플라즈마 발생장치에 의해 연속적인 세정공정이 가능하다.
또한, 상기 방법에 사용되는 본 발명의 표면 세정장치는 매우 간단한 구조를 가짐으로써 경제성을 도모할 수 있으며 여러 가지 응용분야에 매우 쉽게 적용될 수 있는 장점이 있다. 구체적으로는, 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프래임(leadframe) 또는 패키징(packaging)을 위한 모든 과정, 즉 본딩(bonding), 몰딩(molding), 솔더링(soldering), 칩 어태칭(chip attaching), 딥핑(dipping), 마킹(marking)공정 등에서 필요한 세정이나, TFT-LCD용 대면적 유리의 전세정(Pre-cleaning)처리, TFT-LCD용 대면적 유리에 올려진 PR(photo-resistor) 제거용 즉 에싱에 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. (a) 절연체로 절연된 금속전극 사이에 형성된 플라즈마 발생공간으로 사용가스를 유입시키는 단계,
    (b) 상기의 금속전극에 교류 또는 펄스 형태의 고전압을 인가하여 대기압하에서의 무성방전으로 사용가스의 대기압 플라즈마를 발생시키는 단계,
    (c) 발생된 대기압 플라즈마를 기류의 흐름을 이용하여 배출구를 통하여 플라즈마 발생공간 밖으로 분출시키는 단계, 및
    (d) 분출된 대기압 플라즈마를 정지 또는 이동 중인 시료에 접촉시켜 시료표면의 불순물을 제거하는 표면세정 단계
    를 포함하는 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 절연체가 알루미나 및 유리를 포함하는 세라믹 또는 플라스틱 소재인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 전극이 절연체 위에 금속막이 증착, 도포, 또는 부착된 형태인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 발생공간의 틈새거리가 0.01 mm 이상 5 mm 이하인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 무성방전을 위하여 인가하는 고전압 파형이 교류 또는 펄스 형태이고 주파수가 60 Hz - 100 kHz이고, 최대 전압값이 10 kV 이하인 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 대기압 플라즈마를 발생시키기 위하여 유입시키는 가스로 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크세논(Xe), 산소, 질소, 공기 또는 이들 가스들의 하나 이상의 혼합 가스를 사용하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 분출되는 대기압 플라즈마의 균일도를 향상시키기 위하여 유입 가스를 수많은 미세한 구멍으로 뿜어내는 유량균일화 장치를 통과하여 유입시키는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정효과를 높이기 위하여 본 발명에 의한 장치를 2 개 이상 직렬 또는 병렬로 연결하여 사용하는 방법.
  9. (a) 절연된 서로 마주보는 2개의 금속 전극,
    (b) 상기 금속전극에 연결되어 금속 전극의 양단에 고전압을 인가하는 고전압 인버터,
    (c) 상기 마주보는 2개의 금속 전극 사이에 형성되고, 고전압 인버터에 의해 인가된 고전압에 의해 내부로 유입된 사용가스가 플라즈마로 전환되는 플라즈마 발생공간,
    (d) 상기 플라즈마 발생공간의 측면에 형성된 유입구 및 배출구,
    (e) 상기 유입구를 통해 사용가스를 공급하는 사용가스 저장용기, 및
    (f) 상기 유입구와 사용가스 저장용기의 사이에서 사용가스의 유량을 조절하는 유량조절기를 포함하는 표면 세정장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 표면 세정장치가 유입가스 흐름의 균일도를 향상시키는 유량 균일화장치를 추가로 포함하는 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 표면 세정이 사용가스 저장용기로부터 유량조절기를거쳐 유입구를 통해 유입된 사용가스를 고전압 인버터에 의해 금속전극에 인가된 고전압을 이용해 플라즈마로 전환시키고, 유입구를 통해 플라즈마 발생공간으로 유입되는 기류의 흐름을 이용하여 생성된 플라즈마를 배출구를 통해 분출하고, 분출된 플라즈마를 정지 또는 이동중인 시료와 접촉시킴에 의해 성취되는 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 장치가 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프래임(leadframe) 또는 패키징(packaging)을 위한 공정에 필요한 세정용인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 9 항에 있어서, 상기 일반 PCB 스트립(strip)과 리드프래임(leadframe) 또는 패키징(packaging)을 위한 공정이 본딩(bonding), 몰딩(molding), 솔더링(soldering), 칩 어태칭(chip attaching), 딥핑(dipping) 또는 마킹(marking)공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 장치가 TFT-LCD용 대면적 유리의 전세정(Pre-cleaning)처리용인 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 9 항에 있어서, 상기 장치가 TFT-LCD용 대면적 유리에 올려진 PR(photo-resistor) 제거용인 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 9 항에 있어서, 상기 장치가 반도체 제작시의 세정공정 및 PR(photo-resistor) 제거용인 것을 특징으로 하는 장치.
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