플라즈마란...

[저바다]

플라즈마의 분류 및 응용분야

최근 들어, 진공 기술의 눈부신 발달은 진공을 이용한 각종 첨단 기술들의 실용화에 박차를 가하고 있다. 그 중에서도 특히 플라즈마 공정은 괄목할 만한 성장을 보이면서 산업 전반에 걸쳐 각종 소재들의 제조 및 가공에 광범위하게 이용되어 가고 있다. 플라즈마는 물질의 제 4의 상태로 불려지고 있는데, 기체의 일부가 전리된 가스 상태이며, 외부 전자기장에 영향을 받는, 전기를 통과시키고 발광하는 뜨거운 기체의 영역으로 정의할 수 있다. 플라즈마는 그 상태에 따라서 여러 가지로 분류될 수 있다.

1. 플라즈마의 분류

플라즈마는 이온화되어 있고 전체적으로는 전기적 중성을 띄고 있는 기체를 가리킨다. 자연에 존재하는 플라즈마로서 잘 알려져 있는 것은 번개와 오로라이다. 이들은 각각 상대적으로 높은 압력과 극히 낮은 압력 하에서 발생된다. 이와 같이 플라즈마는 그 생성 방법 및 압력에 따라 여러 가지 형태로 분류될 수 있다.

입자 온도의 단위 1 eV는 입자분포가 Maxwell-Boltzmann 분포를 따를 때 7740K로 정의되며 상온은 0.026 eV가 된다. 이들 플라즈마를 온도에 따라 크게 두 종류로 분류할 수 있는데, 하나는 이온화 정도가 높고 구성 요소들이 열역학적으로 평형 상태에 있으며 평균 온도가 수만도에 달하는 "고온 플라즈마(high temperature plasma 또는 thermal plasma)"이고 다른 하나는 이온화 정도가 극히 미미하고(이온 농도: 10^-5 - 10^-6) 구성 요소들이 열역학적으로 평형을 이루고 있지 않으며 평균 온도가 상온 보다 약간 높은 "저온 플라즈마(low temperature plasma 또는 glow discharge)"이다. 플라즈마를 전자밀도와 온도에 의해 분류하면 다음의 Table 1과 같이 나타낼 수 있다.

Table 1. 플라즈마의 특성

	Electron density ne, cm-3	Electron temp. Te, (eV)	Gas temp. Tg, (eV)	Remark
High temperature plasma	5×1013	3×103	103	ne≒ni, ng≒0, Te≒Ti
Low temperature plasma	1010∼1017	0.5∼7	3×10-2∼1	ne>>ni, Te<< Tg

후자는 저온 플라즈마이며 저압 상태에 있는 기체나 유기 증기들을 전기적으로 방전시키면서 손쉽게 얻을 수 있으며 이와같은 저온 플라즈마를 상태에 따라 Table 2에 분류하여 나타내었다.

Table 2. 저온 플라즈마의 분류

	P (torr)	Electron density (ne, cm-3)	Eletron temp. (eV)	Gas Temp. (eV)	Current (A)	Remark
Low pressure discharge	10-2	1011	3∼7	3×10-2	1	ac
Glow discharge	1∼100	1010∼1011	1∼3	3×10-2	10-2	ac, dc
Arc discharge	1∼100	1013	0.5∼2	10-1	10	ac, dc
Microwave discharge	10∼100	1012	1∼3	3×10-2	-	ac(microwave)
High pressure discharge	103	1015	0.5∼1	0.5∼1	1	Tgas≒Te , ac, inductively coupled
Super-high pressure discharge	105	1017	0.5∼1	0.5∼1	1	Tgas≒Te , neon lights, etc, η≒0.8
Raser discharge	103	1017	0.5∼1	0.5∼1	-	Tgas≒Te using raser lights

일반적으로 0.1기압(10kPa) 이하의 압력에서는 전자의 온도와 전자외의 입자의 온도가 차이가 나게 된다. 즉 저압의 glow discharge에서는 Table 1 에서 보인 바와 같이 전자의 온도는 매우 높으나(1∼10 eV) heavy- particle의 온도는 수백도 정도로 많은 차이를 보이게 된다. 그러나 0.1기압 이상의 고온 플라즈마의 경우는 전자와 heavy-particle과의 온도가 같아지는 현상을 나타낸다.

이와같은 저압의 플라즈마는 여러 가지 방법으로 발생시킬 수 있다. 가장 간단하고도 오래된 방법이 직류전원을 이용한 dc discharge 이며 이는 두 개의 전도성 판 사이(positive anode & negative cathode)의 전압에 의해서 유도된다. 또다른 방법은 교류전류에 의해 유도되는 ac discahrge이다. Low frequency(수 kHz) discharge는 양극과 음극이 주기적으로 바뀐다는 점 외에는 기본적으로 dc plasma와 동일한 성질을 가진다. 현재 많이 이용되고 있는 high frequency discharge는 radio-frequency(MHz)와 microwave(GHz) 영역에서 이용되고 있으며 dc discharge나 low frequency discharge와는 완전히 다른 물리적 성질을 가진다. 이들 high-frequency plasma는 frequency의 증가에 따라plasma density(density of charged particle)가 증가하는 경향을 가진다.

Radio-frequency plasma는 두가지 방법으로 이용이 가능한데 하나는 capacitively coupled discharge이고 다른 하나는 inductively coupled discharge이다. 전자는 dc의 경우와 유사하며 후자는 coil주위의 high frequency electromagnetic field에 의해 발생한다.

플라즈마 반응은 한마디로 기체 및 증기들의 분자들이 플라즈마 상태에서 반복적으로 활성화-비활성화(consecutive activation-deactivation) 단계를 거치면서 고분자로 성장해 가는 과정이라 볼 수 있다. 반응기에 주입된 기체나 증기의 분자들이 플라즈마 내에 존재하는 전자, 이온, 광자 등과 같이 높은 에너지를 기지고 있는 입자와 충돌하여 에너지를 흡수하는 활성화 단계에서는 들뜬 상태의 분자들, 자유 라디칼, 이온, 이온-라디칼 등과 같은 반응기들이 생성되고, 비활성화 단계에서는 이렇게 생성된 반응기들이 낮은 에너지를 방출하면서 더 큰 분자로 결합해 간다. 비활성화된 분자들은 또 다시 활성화될 수 있으며 이 과정은 플라즈마 조건이 사라질 때까지 반복된다.

생성된 반응기들 중 플라즈마 반응에 가장 직접적으로 관여하는 반응기에 대해서는 한동안 논란이 되어 왔으나, 이제는 자유 라디칼로 보는 것이 일반적인 견해이다.

2. 플라즈마의 응용분야

A. 폐기물 처리

고압 플라즈마를 이용한 폐기물 처리법에는 다음과 같은 것들이 있다.

▶ 플라즈마 열분해를 이용한 폐기물 처리(US patent 4644877) - 이 방법은 폐기물을 플라즈마 아크 버너에 넣고 이온화 시키거나 부순 후 반응기 체임버로 보내 방전시킨 후 냉각시켜 product gas 상태나 결정질 물질로 재합성하는 것이다. 재합성된 물질은 다시 spray ring을 사용하여 급냉시키는데 spray ring로서 사용된 알칼리성의 spray는 product gas를 중성화 시키고 결정질 물질을 적시는 역할을 한다. product gas는 scrubber를 사용하여 추출한 후 태우거나 연료로 사용한다.

▶ 쓰레기장에서의 열분해, 유리질화 처리(US patent 5181795) - 이 방법은 쓰레기장에 있는 쓰레기의 양을 줄이고 쓰레기장의 수명을 높이려는데 목적이 있다. 우선 일정한 공간에 구멍을 파고 쓰레기들을 그 구멍에 삽입한다. 그리고나서 plasma arc torch로 그 쓰레기들을 열분해해서 유리질로 만든 후 냉각, 경화시킨다.그 공정 진행 과정동안 가스 부산물이 생성되는데 이것을 후드에 모은 후 정화 장치를 통해 정화시킨다. 정화된 가스는 연료로 쓸 수 있고 경화된 폐기물은 원래의 양보다 줄어들게 된다. 이것은 쓰레기장의 건설비를 절약할 수 있게한다.

B. 플러렌(C₆₀)⁽¹⁾

플러렌(C₆₀)은 1990년 독일에서 합성된 탄소 60모양의 화합물로 20개의 6각형 12개의 5각형으로 이루어지는 축구공 모양을 가지며 기존의 결정성 물질과는 달리 주기적성질이 없어서 X-선 회절법이나 전자선회절이 안되어 분석하기기 어려우나 플라즈마 공정으로 이를 어느정도 밝혀냈고 생산도 가능하게 되었다. 여기서 이용된 플라즈마는 일반 공업용 코팅등에 많이 이용되고 있는 저압 플라즈마가 아닌 수 100torr부터 대기압 정도의 높은 압력하에서 아르곤 가스를 4MHz의 고주파로 플라즈마화시켜 이때 나오는 높은 온도를 이용하여 흑연을 가열시켜는 고압 플라즈마이다. 이 플러렌은 여러 가지 물질과 혼합되어 도체, 반도체, 절연체 및 초전도체가 될 수 있고, 비정질 실리콘처럼 값싸고 효율좋은 에너지 변환재료로 사용 가능하고, 계면이 매우 안정하여 반도체소자를 만드는데 기초재료가 될 수 있고, 지금까지 윤활제로 널리 쓰인 흑연보다도 더 완전한 구형구조를 가지므로 더욱 효과적인 윤활제로 사용 가능하며 , 다이아몬드와 같은 탄소화합물이므로 다이아몬드 박막 성장시 이 플러렌 seed를 이용하여 막생성이 어려웠던 굴곡면이나 보다 넓은 면적의 표면을 코팅하는데 이용되며, 중량이 가볍기 떼문에 에너지 저장재료로 이용된다.

C. 핵융합로 개발에서의 플라즈마⁽²⁾

핵융합로의 상용화의 가능성은 플라즈마 물리학의 발전으로 많이 높아졌으며 특히 1960년대 말과 70년대 초에 Torus 모양의 Tokamak 장치가 러시아에서 개발되면서 일련의 발전들이 가속화 되었다. 이 장치는 공기압으로 부풀린 자동차 튜브처럼 생긴 토러스에 구리 와이어나 초전도 와이어를 감아 전류를 흘려 전자석을 만들어 토러스내 공간을 자장화 시킨 후, 플라즈마를 Ohmic coil에 의한 자기유도 방법이나 고주파 출력에 의한 방법으로 발생시키고, 고주파 출력이나 고속 중성빔을 주입하면 플라즈마가 높은 온도로 가열되고 플라즈마를 구성하는 입자들이 토러스의 내벽쪽으로는 자기장에 의하여 튕겨나가 접근할 수 없으므로, 토러스 내의 공간에 떠 있는 상태로 존재하게 된다. 이렇게 하여 플라즈마를 구성하는 중수소 이온과 삼중 수소 이온 혹은 중수소 이온과 중수소 이온간에 쿨롱 반발력을 극복할 수 있게 하여 핵력이 작용하는 공간영역내로 접근시키면 핵융합이 일어나고, 이 때 생긴 질량손실은 아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙에 따라서 열에너지로 방출된다. 이 열에너지를 써서 터빈을 돌리고 이것은 다시 발전기를 돌려 전기를 생산하게 만든 것이 핵융합발전로이다. 이 장치에 쓰이는 플라즈마는 토러스내 토로이달 자장을 걸고 ∼10-9mbar의 진공을 만든다음, 고순도의 중수소와 삼중수소를 넣고 수십 기가 헤르쯔의 전자파를 쏘아 넣어 플라즈마를 발생시키면 토러스내의 플라즈마 온도가 300eV 정도로 올라가게 된다.

D. 레이저빔을 이용한 표면개질(용접)⁽³⁾

레이저빔을 공업적으로 이용하는 방법에는 직접적인 레이저광의 성질을 이용하는 방법과 접속된 레이저빔을 열원으로 이용하는 방법으로 나뉘어진다. 레이저빔에 의한 재료가공은 후자에 속하며, 고출력 레이저빔에 의한 재료의 가열, 용융, 및 증발기구를 적절히 이용하는 것이다. 이러한 재료가공에는 주로 CO2 laser, Nd:YAG laser, Excimer laser와 같은 고출력 레이저가 사용된다. 레이저빔을 금속에 투사하면 많은 부분이 금속 표면 상에서 반사되고 일부가 흡수되면서 이 흡수된 부분만이 재료가공에 이용된다. 금속 표면에서 흡수되는 레이저빔의 양은 레이저빔의 파장과 전기전도도 등에 따라 다르며, 이 흡수된 부분은 금속 표면하에서 수백 Å 이내에서 열오 바뀌므로 레이저빔은 표면열원에 해당한다. 레이저빔이 금속에 투사되는 경우 레이저 에너지 밀도의 증가에 따라 금속의 가열, 증발 및 플라즈마 발생이 생긴다. 레이저 출력 밀도가 크지 못하여 금속의 가열만을 초래하는 경우에는 철강재의 표면 경화에 응용되며, 출력 밀도가 커서 금속의 용융이 일어나면 금속의 표면 합금화와 용접에 응용되고, 더욱 온도가 증가되어 금속의 증발이 일어나면 절단과 천공등의 가공에 이용된다. 레이저 출력 밀도가 더욱 커져 증발된 입자들이 플라즈마로 차단되면 유입되는 레이저빔을 차단하게 되어 레이저빔에 의한 가공기구로 작용하지 못한다. 레이저빔을 이용 할 경우 광학부품으로 초점위치에 매우 큰 에너지밀도를 주도록 집속 시킬수 있다. 따라서 가공하려는 부분에만 매우 큰 에너지를 유지시킬 수 있어 많은 부분을 균일하게 가열시켜야하는 통상적인 방법에 비하여 가공이 빠르고 독특한 조직을 얻을 수 있다. 또한 부품의 내부에서 열로 인하여 야기되는 열응력, 뒤틀림 및 균열 등을 방지할 수 있어 부품의 손상을 최소한으로 할 수 있고, 복잡한 부품의 가공도 가능하다. 레이저빔에 의한 표면 가공에는 고상 변태에 의한 표면경화, 금속 표면의 피복(cladding), 표면 합금화와 경사 기능화, 금속 표면의 비정질화(glazing)등으로 나뉘어 진다.

▶ 고상 변태에 의한 표면경화 - 고상 변태에 의한 표면경화법에 가장 많이 이용되고 있는 것은 철강재의 표면 경화 처리이다. 이 방법은 레이저빔에 의한 재료 가공 방법중에서 가장 적은 에너지 밀도가 요구되며, 용융전에 고상변태가 가능한 금소재료가 사용된다. 특히 열처리가 가능한 금속재료로서 선택적인 내마모성이 요구되는 중탄소의 철강재 합금과 주철재료가 많이 사용된다. 주로 자동차용 주철 부품의 대량 생산에 이용되며 각종 자동차 부품, 기차 및 컴퓨터 부품의 표면 처리에 이용된다.

▶ 금속 표면의 피복(cladding) - 레이저빔에 의한 금속의 크래딩은 내식성, 내열성, 내마모성이 요구되는 성질을 가진 금속을 기지 금속 표면상에서 첨가시킨후 레이저빔에 의한 용융으로 접합 피복시키는 방법이다. 금속을 접합 피복시키는 방법에는 레이저빔에 의한 금속의 크래딩 방법과 플라즈마 아크 용접에의한 방법이 각각의 장단점은 다음 표와 같다. 이 방법은 젯트 엔진 내부의 터빈 부품, 젯트 엔진의 터빈 브래이드 보호판 인터록(shround interlock)의 경질화 피복, 스팀 터빈 브래이드 , 정유소 원자력 발전소, 화학 공장에서 gate valve의 접합면에 레이저로 피복제를 크래딩 시키는데 이용된다.

▶ 표면 합금화와 경사 기능화 - 금속의 표면 합금화 처리는 기지금속 표면에 내마모성, 내식성 및 내열성 등 필요한 성질을 주기 위하여 이종금속을 기지금속 표면에 첨가시킨후 레이저빔으로 합금층을 형성시키는 것이다. 금속의 표면 합금화는 금속의 크래딩 방법과 유사하나 차이점은 합금층에서 첨가된 원소 및 재료가 기지금속과 완전히 희석되어 첨가재료와 다른 성질을 주게된다. 이러한 경우 크래딩 처리와 달리 기지 금속과 크래딩층 사이의 급격한 물리적 및 화학적 성질 변화를 완화시킬 수 있다. 이것은 재료개발의 견지에서 볼 때 복합적인 특성을 지닌 재료를 얻을 수 있고, 구하기 힘든 전략 금속의 부족에 대처하고, 고가금속의 절약이라는 관점에서 바람직하다. 이 방법은 고융점의 내화금속(특히 텅스텐) 및 금속간 화합물의 치밀한 표면처리에 사용된다. 레이저빔에 의한 금속의 경사 기능화는 표면 합금화와 금속 크래딩 방법의 종합적인 처리라 할 수 있다. 복합 재료 혹은 크래딩 재료는 조성이 불연속적으로 변하지만 경사 기능재료(functional gradient material)는 조성이 서서히 연속적으로 변하므로 열응력을 완화시키는 초내열 재료에 많이 적용된다. 이러한 초내열성을 목적으로 하는 예로서 금속/세라믹 경사기능재료를 들 수 있는데 여기서 내열성은 세라믹이 담당하고, 냉각 특성과 기계적 강도는 금속이 담당하며, 그것의 중간을 경사조성화 하는 것으로 열응력 완화를 이루게된다. 이 방법은 항공우주산업과 에너지사업 분야에서 주로 이용하는데 항공우주산업의 경우 젯트엔진의 내열, 내산화성 및 열응력 완화의 재료로 쓰이고 에너지사업 분야의 경우 화력발전의 스팀터빈, 보일러 부품 원자력발전의 고온 증식로 및 핵융합로의 내열성, 내식성, 내방사선성의 재료로 쓰인다.

▶ 금속 표면의 비정질화(glazing) - 레이저빔에 의한 금속 표면비정질화(glazing)는 표면 합금화와 크래딩과 달리 이종금속을 첨가시키지 않고, 표면층의 급가열과 급냉에 의하여 용융층에 비정질조직을 얻는데 기초한다. 이것은 레이저 투사 시간을 짧게 함으로써 레이저빔에 의한 열영향을 금속표면 근방에만 집중시키도록 하는 것이다. 이 방법은 내식성, 내침식성, 내마모성에 대한 성질을 개선시키므로 고온 부식이 심한 제트엔진의 가스터빈 디스크 등에서 스텐레스강 혹은 인코넬 합금등에 특수한 초합금성분의 조직을 레이저로 그레이징 시킨다.

E. 플라즈마 화학증착공정에 의한 박막제조⁽⁴⁾

재료 합성에 플라즈마를 이용하면 평형 열역학으로 지배되는 한계점을 극복해주므로 그 중요성이 커지고 있다. 비평형 플라즈마는 보통 저압에서 높은 power를 가할 때 발생하는데 가벼운 전자는 높은 온도를 유지하고 무거운 가스(이온)들은 온도가 낮으므로 많은 열이 필요한 공정에서도 적은 열로 합성 반응을 일으킬 수 있다. 이렇듯 낮은 공정온도, 독특한 물질 합성(가스가 아닌 전자와 충돌하므로), 높은 재현성, 좋은 공정 제어력떼문에 비평형 플라즈마는 크게 각광받고 있다. 응용되는 물질과 분야는 다음과 같다.

▶ 다이아몬드상 카본필름(diamond-like carbon film)- 다이아몬드상 카본필름은 비정질 고상 카본 필름의 하나로 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 전기 절연성, 화학적 안정성, 광학적 특성을 가지고 있다. 이것은 DC 혹은 RF를 이용한 비평형 플라즈마 CVD(chemical vaporization deposition)법 뿐 아니라 ion beam을 이용한 스푸터링(sputtering)등을 이용하며 약 20-50%의 높은 함량의 수소를 가지고 있다. 합성은 약 200℃에서 가능하다. 윤활성이 뛰어나므로 우주산업용 기계부품의 윤활코팅, 투과성과 굴절율이 좋으므로 적외선 광학재료의 무반사 코팅에 이용되며 그밖에도 열전도도가 좋기 떼문에 컴퓨터 하드 디스크의 디스크면을 보호하기위한 overcoat, 자기 기록 head, audio head, VTR head, head drum, 복사기나 레이져 프린트용 드럼, 내구성 향상을 위한 수술용 칼, 면도날, 절단기의 코팅, 스피커 다이아프램(사운드 전파 속도가 높으므로), 폴리머 필름, food packaging, sunglass등으로 사용된다.

▶ 비정질 수소화 실리콘 - 이것은 silane(SiH₄)을 이용하는데 보통 capacitively- coupled된 rf 플라즈마가 사용되며 반응기 압력은 약 0.05-2torr, 온도는 250℃정도이고 사용되는 power는 100w이내이다. 태양전지, 광전자 디바이스, 광수신기 응용에 주로 사용한다.

▶ 광섬유 실리카 - 이것은 저압 플라즈마 CVD법으로 합성되며 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한다. 증착 온도가 낮고 비평형 조성 물질의 합성이 가능하며 증착 효율이 높다는 장점이 있으다. 전기 통신 분야에 응용되는 광학섬유를 제조하고 유리질 소재 증착에 유용하다.

▶ 실리콘 나이트라이드 - 이것은 실리콘 나이트라이드(SiN)을 이용하며 반응온도는 200-300℃, 기판온도는 400℃정도이다. 이것에 의해 합성되는 유전체 박막은 마이크로 일렉트로닉스 및 광전지 응용에 널리 응용되며 증착온도가 낮기 떼문에 플라즈마 증착에 의한 실리콘 나이트라이드는 알루미늄 혹은 금의 metallization, 열처리 중에 비소 증발을 억제하는 비소화 갈륨의 보호막, 금속 레벨 사이의 절연체, 산화 및 확산을 방지시켜주는 마스크, 멀티 레벨 저항 구조의 에칭 마스크, X선 lithography 마스크를 위한 지지막등에 이용된다.(1)

F. 강의 표면경화 처리 수단⁽⁵⁾

강의 표면경화 처리 수단의 하나로 Plasma Diffusion Trearment(PDT)법이 있는데 이것은 플라즈마의 높은 에너지를 이용하여 C, N, B등의 원소를 금속이나 강의 표면에 확산, 침투시켜 내마모, 내식성등을 높이는 것이다. 저압의 진공용기에서 수소 및 기타 가스 혼합물을 이용하여 처리하고 그래서 폭발 위험성, 폐수등의 문제가 없으며 진공용기 내부에서 방전에 의해 가열되므로 연소시 발생하는 공해물질의 배출이 없는 무공해 열처리법이다. PDT 표면경화기술은 크게 플라즈마 질화, 플라즈마 보로나이징, 플라즈마 침탄으로 나눌 수 있다.

▶ 플라즈마 질화 - 이것은 질화후에 높은 경도를 갖는 Nitroalloy가 개발되면서 산업에 이용되었으며 음극으로 사용되는 저압 질소 기체, 양극으로 사용되고 있는 진공용기 사이에 400-800V의 전압을 가해 주위에 glow 방전을 발생시키고 이 glow 방전이 질소원자의 표면침투를 활성화시켜 질화층을 형성하도록 하는 방법으로 만들어진다. 이 방법은 공해문제가 전혀 없고, 넓은 온도범위(400-600℃)에서 질화가 가능하며, 질화층의 두께조정이 용이하고 에너지 효율이 높아서 자동차 산업과 침탄이나 보로나이징 처리에 비해 저온에서 표면경화가 이루어지므로 작은 변형을 요하는 정밀기계부품등에 이용된다.

▶ 플라즈마 보로나이징 - 보로나이징은 강, 니켈합금, 소결합금 등 금속재료에 보론화합물층(boride layer)을 형성시키는 표면처리법으로서 일반적으로 진공 용기내에 보론연료가스로 BCl₃를 그리고 플라즈마 발생 가스로 수소 혹은 아르곤을 혼합한 가스 분위기내에 처리물을 위치하고, 전기적 아크에의해 플라즈마를 발생시키면 표면층과 가스 medium사이에 활성화가 일어나 원료가스의 분해와 이온화가 일어난다. 이와 같은 방법으로 형성된 활성화된 보론은 처리품과 반응하여 표면층에 화학적 흡착 및 보론 화합물층 또는 보론 석출물층등을 형성한다. 이 방법은 높은 경도와 용융점, 우수한 마모 및 부식저항성, 높은 전기전도도, 용융금속에 의한 침식 저항이 뛰어나는등 금속재료의 표면물성을 크게 향상시키는데 매우 유용하나 아직은 개발 단계이므로 그 이용이 저조하다.

▶ 플라즈마 침탄 - 플라즈마 침탄은 약 0.1-10torr의 진공용기내에 처리가스를, 공급처리제품을 음극으로 하고 양극과의 사이에 직류 고전압을 가하여 발생하는 비정상 글로우방전(abnormal glow discharge) 플라즈마를 이용한다. 이때, 처리가스로는 아르곤, 수소의 캐리어가스와 CH₄ 또는 C₃H₈이 사용되고, 발생된 C⁺이온이 처리품에 충돌하여 침탄이 이루어지며, 또한 필요한 깊이까지의 탄소침투는 확산에의해 이루어진다. 이방법은 장치 및 탄소농도 관리가 간편하고, 전처리 및 침탄방지가 간단하고 표면이 광택을 가지며, 침탄 속도가 빠르고 침탄 효율이 높으며 경제적이며 환경 친화적이며 고탄소 및 복합침탄이 가능하기 떼문에 자동차 부품, 건설 및 토목용 기계, 종이 성형롤등의 캠축, 축류, 기어 커플링등에 쓰이고 , 내식성을 요구하는 식품공업, 내마모성과 비자성재료를 필요로하는 전자기기나 음향기기 부품, 등에 쓰이고 있다.

G. 플라즈마 표시소자(Plasma Display)로서의 이용⁽⁶⁾

플라즈마 표시소자들은 튜브속의 가스방전을 이용하는 소자들로 작은 규모의 숫자표시기(seven segment numeric indicator)에서부터 수만개의 화소(pixel)로 구성된 각변의 길이가 1m 이상되는 대형 평판형 표시기(flat panel display)에 이르기까지 널리 이용되고 있다. 이 방법은 두 개의 평판유리 사이에 주로 네온이나 크세논 가스 등의 적외선을 발광하는 불활성 기체 혼합물을 봉입한 후 한면에는 투명전극을 설치하고 다른 한 면에는 형광체(phosphor)들을 도포하여 제작하고 표시기의 발광은 글로우 방전 영역에서 일어난다. 편판형 표시기로 사용된 플라즈마 표시소자들은 휘도가 양호하고 발광 효율이 좋으며, 좋은 비선형 특성을 가지며, 평균수명이 길고, 구조가 간단하고, 가격이 저렴한등의 장점이 있다. 플라즈마 표시기들은 직류 표시기와 교류 표시기로 구분할 수 있는데 더 구체적인 응용범위는 직류 표시기의 경우 각종 기기에서 영문 숫자를 표기하는데 이용되는 NIXIE 튜브와 공항의 대형 스크린등이고 교류 표시기의 경우 평판 컬러 TV, 컬러 모니터등의 화소로서 이용된다.

H. 플라즈마 중합(Plasma Polymerization)⁽⁷⁾

플라즈마 중합(Plasma Polymerization)은 기체 및 유기 증기들이 저압 상태에서 플라즈마로 전환될 때 고분자 물질이 생성되면서 주위의 고체 표면에 박막의 형태로 입혀지는 현상을 이용한 것이다. 이러한 플라즈마 중합은 기존의 중합들과는 달리 고분자 합성보다는 박막 제조 및 고체의 표면 개질에 적합한 기술이며 기체나 증기와 같이 가장 기초적인 소재로부터 마지막 처리 단계까지 한 과정에서 이루어지고, 0.01μm 두께의 초박막일지라도 아무런 흠이 없이 균일하게 코팅할 수 있고, 단량체가 반응기들을 가지고 있지 않더라도 중합 시킬 수 있어 선택할 수 있는 코팅 소재의 폭이 넓고, 진공에서 안정한 물질이면 어떠한 물질에도 코팅할 수 있고, 접착력이 우수하며, 건식 방법이므로 용매에 의한 환경오염이 없으며, 에너지 소비량이 적어 경제적인 장점들이 있다. 이 방법은 저온 플라즈마를 사용하며 저압 상태(약 1torr)에 있는 기체나 유기 용매들을 전기적으로 방전시켜 사용한다. power supply로는 d.c., a.c., audio frequency, radio frequency, microwave등이 쓰이며 전극을 chamber의 외부에 설치하고자 할 때는 radio frequency이상의 power supply를 사용한다. 플라즈마 중합의 응용 분야로는 크게 고분자 소재 분야, 금속 및 무기 소재 분야, biomedical 분야, 막분리 분야, 분말 소재 분야로 나눌수 있다.

▶ 고분자 소재 분야 - 고분자 소재 분야에서는 접착력 향상을 위해 플라즈마 중합이 쓰이는데 폴리 에틸렌 필름에 알루미늄, 스틸, PET 및 나일론 필름을 플라즈마 중합시키면 기존의 방법들보다 훨씬 접착력이 강한 접합 조인트를 만들 수 있다. 플라즈마 고분자 박막은 또한 플라스틱에 들어있는 각종 첨가제들이 밖으로 확산되어 나오는 것을 막는데 효과적이며 , PVC를 유연하게 만들기위해 첨가되는 가소제, 난방용 배관 파이프로 쓰이는 폴리 에틸렌 튜브에 첨가되어 있는 안정제가 뜨거운 물에 의하여 추출되어 나오는 것을 방지하는데 응용하기도 한다. 플라즈마 고분자는 원래 전기 절연체이나 sputtering과 플라즈마를 동시에 진행시키면 전기 전도성을 가지게 되고 이것으로 전도성 박막이나 금속 박막의 코팅이 가능해지며 나일론, 테프론, 페놀, ULTEM, FRP등의 전기 도금에 이용된다. 마지막으로 플라즈마 고분자들은 기계적 특성이 우수하고 내약품성과 열적 안정성이 높아서 고분자들의 공통적인 취약점인 내마모성 및 내긁힘성을 높이는데 응용될 수 있고, 산이나 알칼리 또는 각종 용매에 약한 고분자들의 보호막으로 이용될 수 있으며, 용융 온도가 낮은 고분자들의 열적 안정성을 높이는데 이용되며, 섬유 분야에서 COOH기를 섬유에 grafting하여 염료의 염색성을 높이거나, 소수성 fluorocarbon 박막을 코팅하여 방수성을 높이는데 응용될 수 있다.

▶ 금속 및 무기 소재 분야 - 플라즈마 중합을 이용하는 금속 및 무기 소재 분야로는 금속 소재나 metal halide와 같은 광학 소재들의 부식 방지용 보호막, 냉연 강판의 부식 방지용 막, alkali halide의 표면을 프레온 플라즈마로 안정화시켜 수분에 의한 부식을 방지하는 막등에 쓰이는 부식 방지를 위한 분야, 절삭 공구와 같은 금속 소재 표면에 내마모성을 향상시키기위한 박막을 만드는 내마모성 필름 코팅 분야, 콘텍트 렌즈에 눈물이 잘 적셔지도록 친수성 박막을 표면에 코팅하는 분야등에 주로 쓰인다.

▶ 막분리 분야 - 아주 얇으면서 흠이 없는 박막을 코팅할 수 있는 플라즈마 중합은 분리막의 기능을 강화시키는데 매우 적합하며 microfiltration, ultrafiltration, reverse-osmosis, gas separation, pervaporation등에 사용되는 분리막들의 flux, 선택도 및 chemical resistance를 향상시키거나 fouling을 줄이는데 응용될 수 있다. 쓰이는 장비로는 이온 교환막을 들 수 있는데 플라즈마 중합에 의해 제조된 이온 교환막은 기계적 특성과 화학적 특성이 우수한 분리막에 화학적 결합으로 grafting되어 있기 떼문에 수명이 길다.

▶ 분말 소재 분야 - 분말 소재 분야 분야에 대한 연구는 비교적 늦게서야 시작되었는데, 이는 분말 처리용 반응기가 다른 종류의 반응기에 비하여 훨씬 까다롭기 때문이다. 이 분말 소재 분야의 주 사용 대상은 페인트의 도료나 플라스틱에 충진되는 충진제들이며 이들의 표면에 이들이 첨가되는 매질과의 상호적합성이 우수한 박막을 코팅하므로서 분산 및 접착력의 향상을 꾀하였다.

I. 분말 용사 기법에 의한 표면 코팅(Thermal Spray Coating)⁽⁸⁾

분말 분사 코팅법은 기계적 강도가 우수한 소재표면에 내열, 내마모 또는 내부식 특성이 우수한 소재를 두껍게 코팅하는 방법이다. 이 방법은 소재의 종류나 크기에 제약이 거의 없으며, 다양한 분말을 용이하게 코팅 할 수 있으며, 작업조건과 장비가 다른 코팅법에 비하면 단순한 편이다. 또한 코팅층의 형성 속도가 빠르며, 비교적 두껍게(수 mm까지) 코팅할 수도 있어 경제성이 높고, 코팅층의 두께 선택이 다양할 수 있다. 고융점 재료를 짧은 시간(msec)내에 반용융 상태로 만들기 위해서는 많은 열량이 집중되는 열원이 필요한데 이에 가장 타당한 것이 플라즈마이다. Plasma Spray Coating에 사용되는 장비의 용량은 80kw로, 작은 plasma flame내에 고출력이 집중된 상태이므로 plasma flame내의 실제 온도는 약 1000℃ 이상이다. 사용하는 가스는 plasma 형성이 용이한 아르곤을 많이 이용하며, Plasma Spray Coating에 사용되는 plasma는 주로 D.C. jet plasma이다. Plasma Spray Coating은 열용량이 큰 경우에 사용되므로 고융점의 세라믹을 코팅하는데 사용되며 코팅 속도가 빠르다. 이 방법은 이렇듯 여러 가지 면에서 좋은 성질을 가지고 있으므로 고온용 가스 터어빈, 보일러, 산업용 roll, 내연 기관 및 자동차 부품, 전자부품, 금형등에 이용되고 있다.

J. 강유전성 박막 제조시의 플라즈마 이용⁽⁹⁾

전자제품의 경량화, 소량화 추세에 따라 전자소자를 구성하는 재료의 박막화 현상은 날로 높아지고 있다. 두께가 얇은 2차원적 평면 형태의 소재를 막이라고 하고, 막은 크게 박막(thin film)과 후막(thick film)으로 나눌수 있다. 박막은 후막보다 더 얇은 두께를 가진 재료의 형태로서 일반적으로 수십 Å에서 수 μm의 범위에 속하는 막을 지칭하고 5 μm미만이면 박막 그 이상이면 후막이라 일컫는다. 박막들은 자체가 매우 얇아서 그 스스로 합성하기 힘들고 그래서 지지판으로 기판(substrate)을 사용하게 된다. 기판은 증착할 박막의 종류와 용도에 따라 여러 종류의 재료를 사용하게 되는데 주로 Al₂O₃, Si wafer, MgO등의 세라믹스와 스틸, Mo, Co등의 내열금속이 많이 이용된다. 종종 박막(thin film)과 피막(coating)은 혼동하여 사용되는데 엄격한 의미에서는 구별된다. 기판위에 증착된 막의 기능적 특성을 이용할 경우, 즉 막이 실제 소자의 주요 기능을 담당할 경우에는 박막이라 지칭하고, 기판위에 증착된 막이 일종의 소모성 재료로서 기판의 특성을 보호하기위해 사용될 경우에는 피막이라고 부르고 일종의 보호막을 뜻하게 된다. 많은 종류의 박막중에서 강유전성 박막(ferro-electric thin film:FTF)이라는 것이 있는데 이 박막은 미세액츄에이터, 광도파소자, 광변조기, DRAM의 캐패시터, 초전 감지소자(pyroelectric detector), 표면 탄성파(SAW:surface acoustic wave)소자, 비휘발성 기억소자등에 사용된다. 강유전체란 특정온도 Tc 이하에서 자발분극이 발생시, 이 자발분극의 방향이 외부 전기장에 의해 바뀔 수 있는 재료를 지칭하며, 이러한 강유전성 성질은 아울러 초전성과 압전성을 가지게 된다. 이런 강유전성 박막은 주로 r.f. magnetron sputtering법에 의해 만들어지는데 이 방법은 대개 수-수십 mtorr 정도로 유지되는 기체에(보통 Ar 또는 O₂) r.f.를 인가하여 plasma를 형성시키는 것이다. 이 형성된 plasma로부터 추출되는 이온들이 원하는 물질로 구성된 타겟을 때려 증착하고자 하는 물질을 원자, 분자, 혹은 이온 상태로 떼어내어 적절한 조건으로 유지되는 기판에 증착시켜서 박막을 형성시키는 방법이다.

강유전성 박막의 응용은 크게 초전성을 이용한 응용, 압전성을 이용한 응용, 전기 광학 효과를 이용한 응용, 박막 캐패시터, 비휘발성 기억소자등으로 나눌 수 있다.

▶ 초전성을 이용한 응용 - 초전성을 이용한 응용에는 열감지장치의 하나로서 가열이나 IR radiation에 의한 정전용량의 온도 의존 특성 변화를 측정하므로서 작동되는 장치인 초전감지소자와 물체에서 발산되는 열을 이용하는 thermal imaging device와 television camera tube에 이용된다.

▶ 압전성을 이용한 응용 - 압전성을 이용한 응용에는 전기적 신호를 표면 탄성파로 바꾸거나 그 반대의 역할을 할 수 없는 소자인 표면 탄성파 신호변환기, 시간 지연 소자로서 레이더, 음파통신, 컴퓨터에 이용되고, 표면 탄성파 band-pass filter로서 color TV의 video IF stage에 이용된다.

▶ 전기 광학 효과를 이용한 응용 - 전기 광학 효과를 이용한 응용에는 광파이버 통신망 구축에 필수적인 광전 도파 변조기, 광전 위상 변환기, 광분리기, 광전 스위치등 광도파간 소자등이 있고, 기억 소자로 쓰이며, 광 shutter나 광 switch, HDTV의 표시소자로 쓰인다.

▶ 박막 캐패시터 - 박막 캐패시터로는 기억소자로 많이 사용되는 DRAM의 캐패시터에 주로 사용된다.

[SpringShine]

눈아펑... ㅡ.ㅡ