생활 속으로 들어온 플라즈마 기술

[삶과사랑]

테크트랜드- 생활 속으로 들어온 플라즈마 기술

까다로운부품소재공정도‘척척박사’
 

플라즈마는 차세대 디스플레이인 PDP, 항균, 코팅, 친환경표면처리 등 부품공정에서 기존에는 할수 없었던 일을 가능케 하는 첨단기술이다. 플라즈마란 고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 기계 상태로서 전하분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠는 기체를 말한다. 즉, 매우 높은 온도 등에서 이온이나 전자, 양성자와 같이 전하를 띤 입자들이 기체처럼 섞여있는 상태를 말한다. 때문에 중성의 원자나 분자들로만 구성된 보통의 기체와 전혀 다른 성질을 가진다. 이를 부품소재공정에 활용할 경우, 강력하고 새로운 기능을 가진 부품을 만들 수 있게 된다.

다양한 첨단기능 수행

지구상의 모든 물체는 고체나 액체, 기체 3가지 가운데 하나의 형태로 존재하지만 플라즈마는 중성을 띠는 기체로 제 4의 상태로 불린다. 쉽게 말해서 집에서 조명등으로 사용하고 있는 형광등이나 길거리에서 흔히 볼 수 있는 네온사인, 한 여름에 소나기가 쏟아지면서 자주 발생하는 번갯불과 같은 것들이 모두 플라즈마 상태이다.

태양이 플라즈마로 구성되어 있으며 실제로 우주전체에서 기체나 고체, 액체 상태로 존재하는 것은 0.01%도 되지 않는다는 점을 볼 때, 플라즈마가 그다지 특별한 것은 아니지만 이를 전자부품이나 소재생산에 적용하는 것은 쉽지 않은 일이다.

실제로 플라즈마는 부품소재 분야에서 다양한 기능을 수행한다. 나노분말을 만들기도 하고, 벽걸이 TV의 대명사인 PDP TV를 탄생하기도 한다. 더구나 부품소재 공정에서 환경문제를 해결하는 중요한 역할을 하기도 한다.

플라즈마는 크게 수만도 정도의 온도와의 밀도를 갖는 저온 글로우 방전 플라즈마와 수천만도 이상의 온도와의 밀도를 갖는 초고온 핵융합 플라즈마로 구별할 수 있다.

이 가운데 공업적으로 이용이 활발한 플라즈마는 저온 글로우 방전 플라즈마로서 반도체 공정에서 플라즈마 식각(Plasma Etch) 및 증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등에서 주로 이용된다.

이들 분야는 공정의 미세화, 저온화가 필요하기 때문에 반드시 플라즈마 공정에서 생산되어야 한다. 이처럼 기존의 공정을 대체는 것은 물론 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용한 응용분야가 날로 확대되고 있다.

PDP TV, LCD 반도체 장비에 활용

플라즈마기술은 쉽게 느끼지는 못하지만 우리 생활 속에서 흔하게 발견할 수 있다. PDP(플라즈마디스플레이) TV가 그 대표적인 예이다. PDP는 형광등의 원리와 비슷하게 플라즈마에서 나오는 자외선을 이용해 화면을 구현한다.

일정한 간격으로 배치된 작은 유리관에 가스를 채워 넣고 앞뒤에 전극과 형광물질을 배치한 후 전극에 전압을 가하면 가스가 플라즈마상태로 바뀌면서 자외선이 발생하게 된다.

이것이 각각의 형광물질을 자극하여 사람의 눈으로 볼 수 있는 가시광선이 만들어지는데  작은 픽셀들로 이루어진 빨랑, 파랑, 노랑 등 3원색을 적절히 조합해 TV 화면의 색을 낼 수 있게 되는 것이다.

쉽게 말해서 PDP는 플라즈마로 부터 나오는 빛을 이용해 문자나 그래픽을 구현하는 것이다.

이외에 반도체 LCD 장비에도 플라즈마는 없어서는 안 될 존재이다. LCD 공정 가운데 절반이상이 플라즈마로 구성되어 있다.

또한, 반도체공정장비, 부품, 이온주입장비, 플라즈마에칭장비, 플라즈마 화학기상증착장비(PECVD) 등 모두가 플라즈마 기술로 만들어진 장비이다.

이처럼 플라즈마 부품소재 장비공정에서 없어서는 안 될 핵심기술로 부상하고 있다. 과거 공정기술로는 하기 어려웠던 미세공정이나 정밀표면처리 등도 플라즈마기술이면 말끔히 해결할 수 있다.

나노입자 만드는 플라즈마

플라즈마로 나노입자를 만드는 획기적인 기술도 등장하고 있다. 화학약품이나 전기분해로 나노입자를 생성할 때 보다 친환경적이라는 것이 관련 전문가들의 평가다.

실제로 한국기초과학지원연구원 나노환경연구부는 앤피씨와 공동으로 유도결합 플라즈마를 이용해 나노분말 양산장치와 금속과 세라믹 나노분말양산공정을 개발하는데 성공했다.

앤피씨는 이 기술을 이용해 치약과 화장품 등 생활용품은 물론 항암제 개발 등 다양한 응용상품을 개발 중이다.

또한 나노어드벤스에서도 플라즈마를 이용한 나노입자제작기술을 개발하는데 성공했다. 이 기술은 수중에서 초극세 금속와이어를 고전압을 걸어 플라즈마를 생성해 와이어를 나노입자로 만드는 것이다.

이처럼 플라즈마가 나노산업에 중요한 역할을 하는 이유는 나노크기의 초정밀 제품을 만들기 위해서는 초정밀 플라즈마 장비가 반드시 필요하기 때문이다. 즉, 플라즈마 장비를 이용해야 나노크기의 제품을 만들 수 있다.

PCB 등 부품표면처리도 OK

플라즈마는 부품의 불순물을 제거하거나 표면처리분야에서 폭넓게 활용된다.

플라즈마를 이용해 고분자 재료의 소수성, 친수성, 염색성, 접착성 등을 개선하여 이들에 의해 만들어지는 섬유나 재료의 기능을 향상시키는 역할을 한다.

또한, 금속표면에 초경 피막을 코팅함으로써 표면의 내 마모, 내 부식 성질을 개선할 수 있다.

플라즈마를 이용한 증착법을 쓸 경우, 부착력이 좋고 증착 온도가 낮아져 기존의 방법에서와 같이 증착시 기판의 고온 가열이 필요하여 이에 수반되는 모재의 변형, 변성을 줄일 수 있는 등의 장점이 있다.

이런 이유로 플라즈마를 이용한 초경피막 기술 등이 산업현장에서 중요한 키워드로 부상하고 있는 것이다.

피에스엠은 대기압 플라즈마를 이용한 세정, 표면처리 모듈기술을 보유하고 있다. 이 기술은 반도체 패키징 생산라인에서 세정에 사용되는 것으로 요즘 보편적으로 사용되고 있는 습식 또한 건식 세공방식에 비해 진일보한 것으로 평가받고 있다.

대기압플라즈마 기술은 기존방식에 비해 월등히 높은 대기압에 인라인 연속식 세정처리가 가능해 생산성과 효율성을 대폭 개선하는 동시에 크기 확장이 쉬워 처리물의 크기와 소재제한을 받지 않는다.

이 회사의 관계자는 아직 이 기술은 전 세계적으로 상용화되지 않는 기술이라며 대기압플라즈마를 이용한 세정방식은 향후 획기적인 변화를 가져올 것이라고 설명했다.

케이피티도 금형 자동차 부품생산에서 진공열처리, 플라즈마 표면처리, 경질박막 기술을 보유하고 있다. 플라즈마 코팅공정은 금속 부품소재의 내마모성과 내식성, 고온강도 내피로성, 내부식성 등을 향상시켜준다.

친환경성 폐자원활용에도 효과 

플라즈마는 환경 친화적이라는 점에서 더욱 관심이 높다. 플라즈마는 화학약품이나 물 없이도 작업을 수행할 수 있기 때문이다.

실제로는 한국다이요잉크가 개발한 친환경 PCB 원자재인 그린잉크(PSR)는 최근 판매량이 꾸준히 증가하고 있다. 또한 플라즈마 장비업체인 제 4기한국도 플라즈마 방식의 디스미어 및 세정장비를 갖춘 임가공센터를 설립해 폴리이미드 테프론 재질의 기판을 생산하는 업체를 대상으로 디스미어 공정의 임가공사업을 펼쳐 인기를 끌고 있다.

이 디스미어 공정은 기판수지가 녹아 비아 홀 내벽에 붙어 동도금의 품질을 떨어뜨리는 디 스미어를 제거하는 중요한 작업으로 플라즈마를 이용해 보다 환경 친화적인 공정을 가능케 한다.

또한 PCB 제조공정에서 포르말린, 중금속 등 각종 화학성분 배출문제로 논란을 일으켰던 무전해동도금 대체공법 개발도 활기를 띠고 있다.

중소기업인 탄탄이 개발한 무전해 동 도금 대체공법은 전도성 폴리머를 대체소재로 활용함으로써 무전해동도금 공정과정에서 발생하는 환경을 파괴하는 악성 화학물질 배출문제를 해결했다.

더구나 환경오염의 주범으로 인식되던 폐PCB 재활용도 가능하다. 은 PCB 생산 공장에서 발생하는 불량품과 스크랩을 정밀 분쇄한 후 구리, 금 등 유가금속을 채취한 후 잔여물을 플라스틱과 건축용자재로 활용한다.

플라즈마의 시장 ‘맑음’

최근 들어 벽걸이형 TV가 대세를 이루면서 대화면 평판 표시장치의 하나인 PDP제품 양산이 본격화되는 등 플라즈마의 전성시대를 예고하고 있다. 또, 장기적으로는 에너지, 신 재료, 반도체 소자 제조, 환경 분야 등에서 플라즈마의 이용이 점점 더 늘어날 것으로 시장전문가들은 분석하고있다.

이에 따라 다양한 플라즈마의 생성 및 제어, 측정 기술, 플라즈마의 물성을 측정하는 플라즈마 진단법 개발도 활발해질 것으로 보인다.

하지만, 아직까지 국내 플라즈마 기술은 원천기술 부재로 아직 초보적인 수준이다. 플라즈마 관련 업체들이 대부분 종업원 30명 미만의 중소기업인데다 플라즈마 핵심장비를 수입에 의존하고 있는 실정이다.

최근 들어 벤처기업과 학계를 중심으로 활발한 플라즈마 원천기술 확보와 국산화가 이루어지고 있어 미래는 어둡지 않다. 특히, 핵심기술인 플라즈마 소스 및 제어기술을 제외한 장비제작기술은 선진국 수준에 달한다.

초정밀 플라즈마 소스기술도 8인치 웨어퍼 급 PECVD 기술을 개발하는 등 선진국의 70% 수준이며 저온공정의 마크네트론 소스기술은 선진국의 80%수준에 이른다. 초고성 대면적 플라즈마 소스도 70%수준에 까지 이른 것으로 나타났다. 이제 플라즈마기술은 전 산업분야로 응용범위를 넓히면서 획기적인 변화를 가져올 ‘마이다스의 손’으로 인식되고 있다.

자료출처  http://tech.sbc.or.kr

[범아가리]

머릿속의 이미지를 플라즈마 상태에 놓았을 때 시적 영감의 충격을 가하면 자음이온과 모음이온이 이미지에 맞게 결합해 시의 언어로 결합해낼 날도 멀지 않았군요^^

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