아세틸렌/ 질소 혼합기체의 DC 플라즈마를 이용하여 Al 기판의 anode 와 cathode 에 친수성고분자막을 제조하였다. 혼합기체내 질소기체분율이 anode 영역 플라즈마와 cathode 영역 플라즈마 상태에 미치는 영향과 anode 와 cathode에서의 플라즈마 ...
아세틸렌/ 질소 혼합기체의 DC 플라즈마를 이용하여 Al 기판의 anode 와 cathode 에 친수성고분자막을 제조하였다. 혼합기체내 질소기체분율이 anode 영역 플라즈마와 cathode 영역 플라즈마 상태에 미치는 영향과 anode 와 cathode에서의 플라즈마 고분자 합성과정을 고찰하였으며, 질소기체분율에 따른 anode 와 cathode 플라즈마 고분자막의 증착거동, 표면형상, 화학적구조 및 친수특성의 변화 및 영향에 대하여 조사하였다. 아세틸렌/ 질소 DC 플라즈마에서 anode 와 cathode 영역 플라즈마는 혼합기체내 질소기체분율에 따라 각각 특징적인 플라즈마 상태를 나타내었다. Anode 영역 플라즈마에서는 CN라디칼과 N_2 라디칼의 생성이 우세하였으며, cathode 영역 플라즈마에서는 N_2^+ 종과 N_2 라디칼이 우세하게 생성됨을 보였다. 질소기체분율이 증가함에 따라 플라즈마 activity 가 향상됨으로써, anode 영역 플라즈마에서 CN 라디칼의 생성효율의 증진과 cathode 영역 플라즈마에서 상대적인 N_2^+ 생성양의 증가가 나타났다. 아세틸렌/ 질소 DC 플라즈마 고분자 합성과정은, 첫 번째로 C_2H 라디칼과 H 라디칼의 표면반응에 의해 기본적인 고분자 구조가 형성되며, 두 번째로 고분자내 질소함유결합은 표면 active site와 anode 에서 CN 라디칼 및 cathode에서 N 라디칼과의 반응을 통해 형성되는 것으로 고찰되었다. 또한, 플라즈마 고분자막은 라디칼과 표면 active site 와의 무질서한 반응으로부터 random network 구조를 갖는 것으로 사려되었다. 아세틸렌/ 질소 플라즈마내 질소기체분율의 증가에 따라 고분자막 합성 전환정도, γ 가 향상되었다. 이는 플라즈마 activity 의 증가에 따른 합성효율의 향상과 fragment 생성양의 증가로부터 기인된다. Anode 와 cathode 에서의 고분자막 합성정도는 유사하였으며, 이로부터 DC 플라즈마 고분자 합성은 라디칼 반응기구에 의해 지배적으로 이루어짐을 알 수 있었다. Anode 와 cathode 표면형상은 구형입자형태를 이루며, 플라즈마 고분자 표면 입자크기는 anode 표면에서의 전자충돌과 cathode 표면에서의 이온충돌에 의한 nucleation site 생성정도와 플라즈마의 에너지 상태에 큰 의존성을 나타내었다. 플라즈마 고분자막 표면에 -C-O-, -(C=O)-, C-N, C=N 의 친수성 작용기가 형성되었으며, 질소기체분율의 증가에 따라 플라즈마 고분자의 질소함유 친수성 작용기가 증가하였다. 질소기체분율 0.7 인 조건에서 anode 와 cathode 플라즈마 고분자는 각각 11 과 15°의 물과의 접촉각을 보이며 우수한 친수특성을 나타내었다. 플라즈마 고분자막의 친수성작용기는 극성용매에서 용출되지 않았으며 20 일간의 극성용매 보관시에도 친수특성을 계속적으로 유지하는 우수한 안정성을 나타내었다. 플라즈마 고분자의 친수특성은 질소 기체분율에 따른 친수성작용기의 생성정도에 의존하는 것을 알 수 있었으며, 플라즈마 고분자표면의 친수성작용기는 극성/ 비극성환경변화에 따라 계면에너지를 최소화하기 위하여 chain rotation 을 통한 재배열하는 현상을 확인하였다. 친수성 플라즈마 고분자막이 증착된 Al fin 을 이용한 에어콘용 열교환기는 일반 Al fin 열교환기에 비해 약 60 % 의 소모전력 감소효과를 나타냄으로써 전체적인 열교환기 성능의 향상을 보였다. 이는 플라즈마 고분자막 Al fin 표면의 우수한 친수특성에 의해 표면에서의 응축이 필름형태로 발생되어 기체유속의 장벽으로 작용하는 응축수에 의한 압력감소가 작아지게 됨으로써 나타난다. 또한, 친수성 플라즈마 고분자막은 wet-to-dry cycle 에 따른 aging 현상이 발생하지 않음으로써 작동시간에 따른 성능저하를 보이지 않았다. 친수성 플라즈마 고분자막을 증착하여 제조된 Al/ adhesive/ carbon-epoxy 복합재의 경우, 우수한 모재와의 접착력과 표면의 친수특성에 의한 뚜렷한 계면 접착강도의 향상을 나타내었다. 이와같은 친수성 플라즈마 고분자막의 응용은 친수특성 및 접착력 향상이 요구되는 산업의 다양한 분야에 큰 성능향상을 가져올 것으로 기대된다.
아세틸렌/ 질소 혼합기체의 DC 플라즈마를 이용하여 Al 기판의 anode 와 cathode 에 친수성 고분자막을 제조하였다. 혼합기체내 질소기체분율이 anode 영역 플라즈마와 cathode 영역 플라즈마 상태에 미치는 영향과 anode 와 cathode에서의 플라즈마 고분자 합성과정을 고찰하였으며, 질소기체분율에 따른 anode 와 cathode 플라즈마 고분자막의 증착거동, 표면형상, 화학적구조 및 친수특성의 변화 및 영향에 대하여 조사하였다. 아세틸렌/ 질소 DC 플라즈마에서 anode 와 cathode 영역 플라즈마는 혼합기체내 질소기체분율에 따라 각각 특징적인 플라즈마 상태를 나타내었다. Anode 영역 플라즈마에서는 CN 라디칼과 N_2 라디칼의 생성이 우세하였으며, cathode 영역 플라즈마에서는 N_2^+ 종과 N_2 라디칼이 우세하게 생성됨을 보였다. 질소기체분율이 증가함에 따라 플라즈마 activity 가 향상됨으로써, anode 영역 플라즈마에서 CN 라디칼의 생성효율의 증진과 cathode 영역 플라즈마에서 상대적인 N_2^+ 생성양의 증가가 나타났다. 아세틸렌/ 질소 DC 플라즈마 고분자 합성과정은, 첫 번째로 C_2H 라디칼과 H 라디칼의 표면반응에 의해 기본적인 고분자 구조가 형성되며, 두 번째로 고분자내 질소함유결합은 표면 active site와 anode 에서 CN 라디칼 및 cathode에서 N 라디칼과의 반응을 통해 형성되는 것으로 고찰되었다. 또한, 플라즈마 고분자막은 라디칼과 표면 active site 와의 무질서한 반응으로부터 random network 구조를 갖는 것으로 사려되었다. 아세틸렌/ 질소 플라즈마내 질소기체분율의 증가에 따라 고분자막 합성 전환정도, γ 가 향상되었다. 이는 플라즈마 activity 의 증가에 따른 합성효율의 향상과 fragment 생성양의 증가로부터 기인된다. Anode 와 cathode 에서의 고분자막 합성정도는 유사하였으며, 이로부터 DC 플라즈마 고분자 합성은 라디칼 반응기구에 의해 지배적으로 이루어짐을 알 수 있었다. Anode 와 cathode 표면형상은 구형입자형태를 이루며, 플라즈마 고분자 표면 입자크기는 anode 표면에서의 전자충돌과 cathode 표면에서의 이온충돌에 의한 nucleation site 생성정도와 플라즈마의 에너지 상태에 큰 의존성을 나타내었다. 플라즈마 고분자막 표면에 -C-O-, -(C=O)-, C-N, C=N 의 친수성 작용기가 형성되었으며, 질소기체분율의 증가에 따라 플라즈마 고분자의 질소함유 친수성 작용기가 증가하였다. 질소기체분율 0.7 인 조건에서 anode 와 cathode 플라즈마 고분자는 각각 11 과 15°의 물과의 접촉각을 보이며 우수한 친수특성을 나타내었다. 플라즈마 고분자막의 친수성작용기는 극성용매에서 용출되지 않았으며 20 일간의 극성용매 보관시에도 친수특성을 계속적으로 유지하는 우수한 안정성을 나타내었다. 플라즈마 고분자의 친수특성은 질소 기체분율에 따른 친수성작용기의 생성정도에 의존하는 것을 알 수 있었으며, 플라즈마 고분자표면의 친수성작용기는 극성/ 비극성환경변화에 따라 계면에너지를 최소화하기 위하여 chain rotation 을 통한 재배열하는 현상을 확인하였다. 친수성 플라즈마 고분자막이 증착된 Al fin 을 이용한 에어콘용 열교환기는 일반 Al fin 열교환기에 비해 약 60 % 의 소모전력 감소효과를 나타냄으로써 전체적인 열교환기 성능의 향상을 보였다. 이는 플라즈마 고분자막 Al fin 표면의 우수한 친수특성에 의해 표면에서의 응축이 필름형태로 발생되어 기체유속의 장벽으로 작용하는 응축수에 의한 압력감소가 작아지게 됨으로써 나타난다. 또한, 친수성 플라즈마 고분자막은 wet-to-dry cycle 에 따른 aging 현상이 발생하지 않음으로써 작동시간에 따른 성능저하를 보이지 않았다. 친수성 플라즈마 고분자막을 증착하여 제조된 Al/ adhesive/ carbon-epoxy 복합재의 경우, 우수한 모재와의 접착력과 표면의 친수특성에 의한 뚜렷한 계면 접착강도의 향상을 나타내었다. 이와같은 친수성 플라즈마 고분자막의 응용은 친수특성 및 접착력 향상이 요구되는 산업의 다양한 분야에 큰 성능향상을 가져올 것으로 기대된다.
Hydrophilic polymer films have been deposited on anode and cathode of Al by DC plasma from a C_2H_2-N_2 gas mixture. The effects of nitrogen ratio in gas mixture on anode and cathode plasma states were investigated by optical emission spectroscopy, and the growth mechanism of polymer film on anode a...
Hydrophilic polymer films have been deposited on anode and cathode of Al by DC plasma from a C_2H_2-N_2 gas mixture. The effects of nitrogen ratio in gas mixture on anode and cathode plasma states were investigated by optical emission spectroscopy, and the growth mechanism of polymer film on anode and cathode was discussed in terms of the reactions between radicals and active sites on the surface. Deposition aspects, surface morphology, chemical state, wettability of plasma polymers were studied as a function of electrode type, and nitrogen ratio in gas mixture. CN radical and N_2 radical were observed as dominant excited species in anode plasma, and N_2^+ ion and N_2 radical in cathode plasma. An introduction of N_2 to plasma led to improvement of plasma activity, resulting in increasing the CN association efficiency in anode plasma and the production of N_2^+ species in cathode plasma. It is proposed that firstly, hydrogenated carbon films from C_2H_2-N_2 plasma should be polymerized by the reaction between the active site on surface and H as well as C2H radical, and secondly, the reactions of the active site on surface with CN radical at anode plasma and N radical at cathode plasma result in the incorporation of nitrogen containing bond in plasma polymer. Plasma polymer films may be considered to have random network structure induced by heterogeneously occurring reaction between radicals and active sites on surface. As the proportion of nitrogen in plasma of C_2H_2-N_2 mixture gas became larger, the conversion ratio, γ of gas to condensed matter increased. It may be attributed to improvement of plasma activity and increasement of fragment production. The amount of polymer film grown at anode is similar to that at cathode. From this result, can be considered that the DC plasma polymerization should be governed by free radical polymerization mechanism. Both anode and cathode plasma polymers showed the globule-shaped surfaces. The particle size of plasma polymer surface is largely dependent on plasma energy state as well as production of nucleation site by electron bombardment at anode and ion bombardment at cathode. Hydrophilic functional groups such as -C-O-, -(C=O)-, C-N, and C=N were formed on the plasma polymer surfaces. As the nitrogen ratio increases, the amount of nitrogen-containing functional groups such as C-N, and C=N increases. The wettability of plasma polymer was influenced by the amount of functionality which increased with the proportion of N_2 in gas mixture. The contact angles of water to anode and cathode polymers at R_N=0.7 were 11 and 15˚, respectively, and these polymers showed excellent wettability. In addition, hydrophilic functional groups on plasma polymer were not diminished after storage of 20 days in polar liquid, which indicate excellent stability of hydrophilic plasma polymer. It is shown that hydrophilic functional groups may be reoriented through chain rotation phenomenon with polar/ or non-polar environments in order to minimize the interfacial energy. Comparing to the conventional heat exchanger of bare Al fin, the heat exchanger using plasma polymerized Al fins reduced power consumption of about 60 %, resulting in improvement of the heat transfer performance. Since the filmwise-condensation occurs on hydrophilic surface, the condensation on hydrophilic plasma polymer surface does not decrease the air flow rate. Therefore, hydrophilic surfaces of plasma polymerized Al fins reduces the airside pressure drop, resulting in the improved heat transfer performance. In addition, hydrophilic surfaces of plasma polymer show no aging characteristics in pressure drop with wet-to-dry cycle, which could lead to substantial operating energy saving in air-conditioning system. In the case of Al/ adhesive/ carbon-epoxy composite material utilizing hydrophilic plasma polymer films, the adhesion strength significantly improved due to excellent adhesion between plasma polymer and substrate as well as high interfacial strength between plasma polymer and overlayer. The application of hydrophilic plasma polymer can show considerable promise for the improvement of property in various industrial fields which need hydrophilic characteristics and increment of adhesion.
Hydrophilic polymer films have been deposited on anode and cathode of Al by DC plasma from a C_2H_2-N_2 gas mixture. The effects of nitrogen ratio in gas mixture on anode and cathode plasma states were investigated by optical emission spectroscopy, and the growth mechanism of polymer film on anode and cathode was discussed in terms of the reactions between radicals and active sites on the surface. Deposition aspects, surface morphology, chemical state, wettability of plasma polymers were studied as a function of electrode type, and nitrogen ratio in gas mixture. CN radical and N_2 radical were observed as dominant excited species in anode plasma, and N_2^+ ion and N_2 radical in cathode plasma. An introduction of N_2 to plasma led to improvement of plasma activity, resulting in increasing the CN association efficiency in anode plasma and the production of N_2^+ species in cathode plasma. It is proposed that firstly, hydrogenated carbon films from C_2H_2-N_2 plasma should be polymerized by the reaction between the active site on surface and H as well as C2H radical, and secondly, the reactions of the active site on surface with CN radical at anode plasma and N radical at cathode plasma result in the incorporation of nitrogen containing bond in plasma polymer. Plasma polymer films may be considered to have random network structure induced by heterogeneously occurring reaction between radicals and active sites on surface. As the proportion of nitrogen in plasma of C_2H_2-N_2 mixture gas became larger, the conversion ratio, γ of gas to condensed matter increased. It may be attributed to improvement of plasma activity and increasement of fragment production. The amount of polymer film grown at anode is similar to that at cathode. From this result, can be considered that the DC plasma polymerization should be governed by free radical polymerization mechanism. Both anode and cathode plasma polymers showed the globule-shaped surfaces. The particle size of plasma polymer surface is largely dependent on plasma energy state as well as production of nucleation site by electron bombardment at anode and ion bombardment at cathode. Hydrophilic functional groups such as -C-O-, -(C=O)-, C-N, and C=N were formed on the plasma polymer surfaces. As the nitrogen ratio increases, the amount of nitrogen-containing functional groups such as C-N, and C=N increases. The wettability of plasma polymer was influenced by the amount of functionality which increased with the proportion of N_2 in gas mixture. The contact angles of water to anode and cathode polymers at R_N=0.7 were 11 and 15˚, respectively, and these polymers showed excellent wettability. In addition, hydrophilic functional groups on plasma polymer were not diminished after storage of 20 days in polar liquid, which indicate excellent stability of hydrophilic plasma polymer. It is shown that hydrophilic functional groups may be reoriented through chain rotation phenomenon with polar/ or non-polar environments in order to minimize the interfacial energy. Comparing to the conventional heat exchanger of bare Al fin, the heat exchanger using plasma polymerized Al fins reduced power consumption of about 60 %, resulting in improvement of the heat transfer performance. Since the filmwise-condensation occurs on hydrophilic surface, the condensation on hydrophilic plasma polymer surface does not decrease the air flow rate. Therefore, hydrophilic surfaces of plasma polymerized Al fins reduces the airside pressure drop, resulting in the improved heat transfer performance. In addition, hydrophilic surfaces of plasma polymer show no aging characteristics in pressure drop with wet-to-dry cycle, which could lead to substantial operating energy saving in air-conditioning system. In the case of Al/ adhesive/ carbon-epoxy composite material utilizing hydrophilic plasma polymer films, the adhesion strength significantly improved due to excellent adhesion between plasma polymer and substrate as well as high interfacial strength between plasma polymer and overlayer. The application of hydrophilic plasma polymer can show considerable promise for the improvement of property in various industrial fields which need hydrophilic characteristics and increment of adhesion.
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