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문제 정의
- 본 논문에서는 주사 플라즈마법을 이용해 스테인리스 기판에 소수성 표면처리에 관하여 연구하였다. SPM은 대면적 균일한 플라즈마를 만들 수 있으며 소수성 표면 처리 시 RF플라즈마에 비해 상대적으로 비용이 저렴한 장점을 가지고 있다.
제안 방법
- 플라즈마를 이용한 표면처리 중 표면의 접촉각을 제어하는 방법으로는 소수성 표면처리와 친수성 표면처리가 있으나, 이 논문에서는 소수성표면처리를 다루었다.
- 전극의 길이는 250 mm, 폭은 40 mm, 두께는 4 mm의 스테인리스 전극을 사용하였다. 4개의 전극을 사용하였으며, 전극간의 거리는 30 mm로 구성하였고, 처리하고자 하는 기판과 전극 간의 거리는 30 mm간격을 두고 처리하였다. 전원은 최대 1 kV까지 사용할 있게 하였고, 자계발생용 코일에는 최대 15 A의 전류가 인가되어 자계를 조절할 수 있도록 설계 하였다.
- 4개의 전극을 사용하였으며, 전극간의 거리는 30 mm로 구성하였고, 처리하고자 하는 기판과 전극 간의 거리는 30 mm간격을 두고 처리하였다. 전원은 최대 1 kV까지 사용할 있게 하였고, 자계발생용 코일에는 최대 15 A의 전류가 인가되어 자계를 조절할 수 있도록 설계 하였다. 이때 발생된 자계를 가우스미터를 통하여 측정한 결과 그림 2와 같이 측정 되었다.
- F이온의 결합유무를 판단하기 위하여 EPMA (Electron Probe Micro Analyzer)를 사용하여 표면을 정성 분석하였다.
- SPM을 사용하여 최적의 소수처리를 하기 위해서 압력, 전압을 변화시켜 기판의 접촉각을 측정하였다.
- 본 연구에서는 식각 반응이 가장 적게 일어나는 압력(300 mTorr)을 찾아냈고, CH4가스를 사용하여 탄소박막을 증착시킨 후 300 mTorr, 300 V, 40 Gauss의 조건을 사용하여 스테인리스 기판을 표면처리하여 접촉각을 120°로 향상 시켰다.
- 탄소박막은 CH4가스를 이용하였고, 탄소박막을 증착시키기 위하여 Ar가스와 CH4가스를 2:1의 비율로 110 mTorr 압력에서 SPM을 이용하여 4시간동안 증착하였다. 박막 증착 후 스테인리스 기판의 표면처리는 CF4/Ar가스의 식각반응이 가장 적게 일어난 300 mTorr에서 전압을 변화시켜 표면처리 하였다.
- 그림 5. EPMA 정성 분석.
- 이온에 의한 식각을 줄이고 표면에서의 화학 반응을 증가시키기 위하여, SPM을 이용하여 탄소박막을 증착시킨 후 표면처리를 시행하였다. 탄소박막은 CH4가스를 이용하였고, 탄소박막을 증착시키기 위하여 Ar가스와 CH4가스를 2:1의 비율로 110 mTorr 압력에서 SPM을 이용하여 4시간동안 증착하였다.
대상 데이터
- CF4가스는 안정한 기체로서 플라즈마 처리 시 고분자 물질을 생성시키지 않고 가격도 상대적으로 저렴한 장점을 가지고 있다. 때문에 본 연구에서도 CF4가스를 사용하였다.
- 처리기판의 종류는 스테인리스 304기판을 사용하였으며 두께는 0.1 mm, 가로100 × 세로100 mm 크기로 제작하여 처리하였다.
- 플라즈마 표면처리 압력은 110∼350 mTorr에서 처리하였으며 사용된 가스는 Ar, CF4,(99.9999%) CH4(99.995%)가스를 사용하였다.
- 그림 1은 본 실험에서 사용한 장치의 개략도를 보여준다. 전계와 자계를 동시에 인가할 수 있도록 하였으며, 원통형 진공 챔버는 직경 500 mm, 높이 500 mm이다. 전극의 길이는 250 mm, 폭은 40 mm, 두께는 4 mm의 스테인리스 전극을 사용하였다.
- 전계와 자계를 동시에 인가할 수 있도록 하였으며, 원통형 진공 챔버는 직경 500 mm, 높이 500 mm이다. 전극의 길이는 250 mm, 폭은 40 mm, 두께는 4 mm의 스테인리스 전극을 사용하였다. 4개의 전극을 사용하였으며, 전극간의 거리는 30 mm로 구성하였고, 처리하고자 하는 기판과 전극 간의 거리는 30 mm간격을 두고 처리하였다.
- 이온에 의한 식각을 줄이고 표면에서의 화학 반응을 증가시키기 위하여, SPM을 이용하여 탄소박막을 증착시킨 후 표면처리를 시행하였다. 탄소박막은 CH4가스를 이용하였고, 탄소박막을 증착시키기 위하여 Ar가스와 CH4가스를 2:1의 비율로 110 mTorr 압력에서 SPM을 이용하여 4시간동안 증착하였다. 박막 증착 후 스테인리스 기판의 표면처리는 CF4/Ar가스의 식각반응이 가장 적게 일어난 300 mTorr에서 전압을 변화시켜 표면처리 하였다.
이론/모형
- 이러한 기존의 플라즈마 표면처리방법의 결점을 보완하기 위하여 본 논문에서 제시한 방법이 SPM(Scanning Plasma Mathod)이다. SPM은 서로 수직한 전계 E와 자계 B를 이용할 경우 발생하는 E X B 드리프트를[8] 이용하여 플라즈마의 진행 방향을 제어하여 플라즈마 표면처리를 가능하게 하는 방법으로 대면적 균일한 표면처리를 가능하게 하고 처리온도가 낮아 기판의 제약이 없는 장점을 가지고 있다(처리온도 30～35°)[9].
성능/효과
- 하지만 Ar플라즈마로 전 처리한 후의 접촉각(20°)을 기준으로 비교하였을 때 접촉각의 증가량이 작게 나타났다. 이 결과로부터 스테인리스 기판을 바로 CF4플라즈마로 표면처리 하였을 시에는 스테인리스 표면에 CF2, CF3이온의 결합 보다는 CF4/Ar가스에 의한 식각반응이 더 크게 일어나 접촉각이 낮아지는 결과를 보였으며[10], 식각반응은 300 mTorr에서 가장 적게 나타났다.
- 그 결과 300 V에서 접촉각이 120°로 가장 크게 나타났다.
- 분석한 결과 F와 C가 표면 내에 존재하였다. 이 결과로부터 CF4플라즈마가 이온화 되어 표면과 결합되었음을 확인하였다. 이 결합으로 인하여 접촉각이 증가[11]되었음을 알 수 있다.
- 하지만 표면처리 시 Ar과 혼합하여 사용하면 식각반응이 더 크게 나타나 접촉각이 낮아지는 단점이 있다. 실험결과 탄소박막 증착 없이 실행한 소수성 표면처리에서는 식각반응이 크고[10] F와의 결합도 일어나지 않아 처음의 스테인리스 접촉각보다 낮게 나타났다.
후속연구
- 향후 탄소박막 증착 시 처리시간과 가스비율, 비용을 고려하여 박막의 최적 두께를 찾아낸다면 발수 표면처리 시 탄소 박막과 CF2, CF3이온의 표면 결합이[6] 증가하여 접촉각은 더 향상될 것으로 판단된다.
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