표면처리산업에서 사용 되는 표면처리기술 소개

제목:  표면처리 원리 소개 와 표면처리장치 소개

 

현대 산업에서 재료의 표면 특성은 제품의 성능과 내구성에 결정적인 영향을 미칩니다. 특히 고분자 소재는 경량성, 유연성, 저비용 등의 장점으로 널리 사용되지만, 낮은 표면 에너지로 인해 접착, 도장, 인쇄 등의 공정에서 어려움을 겪곤 합니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 표면처리 기술이 개발되었으며, 그중에서도 플라즈마를 이용한 표면처리 기술이 주목받고 있습니다.

표면처리 기술의 진화

 

표면처리 기술은 크게 두 가지 접근법으로 분류됩니다: Anchor 처리와 Implantation 처리입니다.

1.Anchor 처리: 물리적 또는 화학적 방법으로 표면의 형상을 변화시켜 접착력을 높이는 기술입니다.

  Blast 처리: 모래, 유리 구슬 등의 연마재를 고속으로 분사하여 표면에 미세한 요철을 만들어 기계적 결합력을 향상시킵니다.

  Primer 처리: 용제를 사용하여 표면을 일부 용해시키거나 팽윤시켜 표면적을 늘리고, 접착제와의 상용성을 개선합니다.

  Etching 처리: 산(H₂SO₄, HNO₃) 또는 알칼리(NaOH, KOH) 용액을 사용하여 표면을 화학적으로 부식시켜 거칠기를 높이고, 표면의 불순물을 제거합니다.

 

2.Implantation 처리: 표면에 새로운 물질이나 에너지를 부여하여 화학적 조성을 변화시키는 기술입니다.

 Plasma 처리: 전기방전으로 생성된 고에너지 플라즈마를 이용해 표면을 활성화하고, 기능기를 도입합니다.

  Corona 처리: 고주파(10-30kHz) 전압을 이용한 코로나 방전으로 표면을 산화시킵니다. 높은 생산성이 특징이나, 효과의 지속성이 짧습니다.

  자외선(UV) 처리: 185nm, 254nm 등의 단파장 UV를 사용하여 표면의 오염물질을 분해하고, 라디칼을 생성해 표면을 개질합니다.

 화염 플라즈마 처리: LPG나 LNG를 연소시켜 얻은 고온 플라즈마로 표면을 산화시킵니다. 대기압에서 작동하며, 3차원 구조에도 적용 가능합니다.

 유기화염 플라즈마 처리: 유기화합물을 기화시켜 화염에 주입, 라디칼을 생성하여 표면을 개질하는 혁신적 기술입니다.

 

플라즈마 표면처리의 원리와 혁신

 

플라즈마는 "제4의 물질 상태"로 불리며, 기체 상태의 물질이 이온화되어 양이온, 전자, 중성 원자, 분자 등이 공존하는 상태를 말합니다. 이 상태에서는 많은 화학 반응이 가능해져, 물질의 표면 특성을 효과적으로 변화시킬 수 있습니다.

1. 대기압 플라즈마 처리

   - 원리: 대기압 상태에서 고전압(수 kV)을 인가하여 기체를 이온화시킵니다. 이때 생성된 활성 종(O, OH, O₃ 등)이 표면과 반응합니다.

   - 장점: 진공 장비가 필요 없어 비용이 낮고, 연속 공정이 가능합니다. 또한, 표면의 친수성을 크게 높이고, 오염물질을 효과적으로 제거합니다.

   - 응용: 자동차 부품, 전자기기 케이스, 의료기기 등 다양한 고분자 제품의 전처리에 사용됩니다.

 

2. 대기압 화염 플라즈마 처리

   - 원리: LPG나 LNG를 400-1500℃로 연소시켜 얻은 플라즈마를 사용합니다. 이 고온에서 가스 분자가 열분해되어 O, H 라디칼이 생성되며, 이들이 표면에 기능기를 도입합니다.

   - 주요 기능기: 에스테르기(-COO-), 에테르기(-O-), 카르보닐기(-C=O), 하이드록시기(-OH) 등이 생성되어 표면의 화학적 특성을 변화시킵니다.

   - 효과: 표면 에너지가 증가하여 친수성과 접착성이 향상됩니다. 특히, PP, PE 등 비극성 고분자에 효과적입니다.

   - 한계: 열에 약한 소재에는 적용이 어려우며, 3차원 구조물의 균일한 처리가 쉽지 않습니다.

 

3. 대기압 유기화염 플라즈마 처리

   - 원리: 유기혼합물(C, H, O로 구성)을 기화시켜 화염에 주입, 연소시킵니다. 이 과정에서 다양한 라디칼이 생성되며, 이들이 표면과 반응하여 새로운 기능기를 형성합니다.

   - 혁신성: 유기화합물의 선택에 따라 다양한 기능기(COOH, NH₂, SH 등)를 도입할 수 있어, 표면 특성을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

   - 장점: 처리 시간이 매우 짧아(수 초 이내) 생산성이 높고, PP, PE, PET, PA 등 난처리성 고분자에도 효과적입니다. 3차원 구조에도 균일한 처리가 가능합니다.

   - 응용: 자동차 내장재, 전기전자 부품, 의료기기, 포장재 등에서 도장, 인쇄, 접착 공정의 전처리로 사용됩니다.

 

대기압 유기화염 플라즈마 장치의 핵심 요소

 

1.이중버너 시스템

   - 구조: 외염과 내염이 분리된 독특한 설계. 외염에서는 Air와 LPG가 연소되어 열을 공급하고, 내염에서는 유기혼합물, Air, 연료가스가 혼합 연소됩니다.

   - 반 진공 설계: 내염부가 반 진공 상태로 유지되어 유기화합물의 기화와 혼합이 효과적으로 이루어집니다.

   - 장점: 제품 크기에 제한이 없어 대형 부품도 처리 가능하며, 제품 간 편차가 적고 효과의 지속성이 높습니다.

 

2. 기화조 (Vaporizer)

   - 기능: 액체 상태의 유기혼합물을 기화시켜 반응성 높은 라디칼로 변환합니다.

   - 온도 제어: 각 유기화합물의 특성에 맞는 최적의 기화 온도를 유지합니다(일반적으로 150-300℃).

   - 재질: 내부식성이 높은 스테인레스 스틸이나 특수 합금을 사용하여 내구성을 확보합니다.

 

3. 가스혼합장치

   - 역할: 기화된 유기혼합물과 연료가스(LPG, LNG), Air를 정확한 비율로 혼합합니다.

   - 제어 기술: 질량유량제어기(MFC)를 사용하여 각 가스의 유량을 정밀하게 조절, 최적의 플라즈마 조성을 만듭니다.

   - 안전 설계: 역화 방지 장치, 가스 누출 감지기 등을 갖춰 안전성을 높입니다.

 

4. 플라즈마 발생부

   - 구조: 이중 버너의 내염부에서 혼합가스가 연소되며, 전극 사이에 고전압(5-20kV)이 인가되어 플라즈마가 생성됩니다.

   - 온도 구배: 중심부는 1500-2000℃의 고온이지만, 외곽으로 갈수록 온도가 낮아져 열에 약한 소재도 처리할 수 있습니다.

   - 라디칼 생성: OH·, O·, CH·, C₂H·, COO· 등 다양한 라디칼이 생성되어 표면과 반응합니다.

플라즈마 표면처리 회사

 

 유기화염 플라즈마의 응용 사례

 

1.자동차 내장재: PP, TPO 소재의 대시보드, 도어트림 등에 처리하여 도장 접착성을 50% 이상 향상시켰습니다. 이로써 VOC 배출이 많은 프라이머 공정을 생략할 수 있게 되었습니다.

 

2.전기전자 부품: PBT, PPS 등의 커넥터, 스위치 하우징에 적용하여 레이저 마킹 선명도를 크게 개선했습니다. 또한, EMI 차폐를 위한 도전성 코팅의 접착력도 향상되었습니다.

 

3.의료기기: PEEK, COC 등의 고기능성 고분자에 처리하여 세포 친화성을 높였습니다. 이를 통해 임플란트, 바이오칩 등의 생체적합성이 개선되었습니다.

 

4. 포장재: BOPP, PE 필름에 처리하여 인쇄성과 라미네이션 접착력을 높였습니다. 이로써 고선명 인쇄가 가능해지고, 식품 포장의 안전성이 향상되었습니다.

 

 미래 전망과 과제

 

대기압 유기화염 플라즈마 기술은 그 독특한 메커니즘과 우수한 성능으로 주목받고 있습니다. 특히, 기존 기술로는 처리가 어려웠던 고분자 소재에 효과적이라는 점에서 산업계의 관심이 높습니다. 앞으로 더 많은 유기화합물이 개발되면서, 맞춤형 표면 개질이 가능해질 것으로 예상됩니다.

그러나 이 기술이 더 널리 보급되기 위해서는 몇 가지 과제가 있습니다:

1. 유기화합물의 안전성: 일부 유기화합물은 독성이나 인화성이 있어 취급에 주의가 필요합니다. 더 안전한 물질의 개발이 요구됩니다.

2. 에너지 효율: 고온 플라즈마 생성에 많은 에너지가 소비됩니다. 저온 플라즈마 기술의 적용이 연구되고 있습니다.

3. 공정 모니터링: 플라즈마의 상태와 처리 효과를 실시간으로 모니터링하는 기술이 필요합니다. 분광학, 센서 기술의 접목이 진행 중입니다.

4. 대면적 처리: 자동차 외판, 대형 디스플레이 등 대면적 제품에 대한 균일한 처리 기술이 요구됩니다.

대기압 유기화염 플라즈마 표면처리 기술은 고분자 소재의 한계를 극복하는 혁신적인 솔루션입니다. 이 기술의 발전은 자동차, 전자, 의료, 포장 등 다양한 산업에서 제품의 성능과 내구성을 높이며, 더 나아가 환경친화적인 제조 공정을 실현하는 데 기여할 것입니다. 학계와 산업계의 지속적인 연구 개발을 통해, 이 기술은 더욱 정교해지고 널리 보급될 것으로 기대됩니다.