제4의 물질 상태
우리는 일상 생활에서 정기적으로 고체, 액체, 기체라는 세 가지 물질 상태를 보게 됩니다. 플라스마는 제 4의 물질 상태라고도 불리며, 우주에 보이는 99%의 물질이 플라스마로 만들어졌음에도 이에 대해 별로 알려지지 않았습니다. 플라스마를 인공적으로 만들어낼 수 있고, 그 용도가 다양하다는 사실은 더 알려지지 않았지요. 다운스트림 프로세스를 위한 소재 클리닝과 표면 전처리에 광범위하게 활용될 수 있는 가능성(예 - 본딩, 도장, 인쇄, 코팅)은 엔지니어링, 전기 자동차, 전차제품 제조, 포장 기술, 소비재, 생명 과학, 섬유, 신에너지를 포함한 여러 업계와 공정에 필수적입니다.
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그러니까 플라스마가 정확히 뭐죠?
물질의 상태는 온도와 압력에 따라 변하는 물질의 질적 상태입니다. 원자 결합은 지구 기온의 상승으로 더 불안정해졌습니다. 물질은 첫 번째에서 두 번째 상태로, 두 번째 상태에서 세 번째 상태로 변합니다. 고체가 액체로, 액체가 기체가 되는 것이죠. 기체가 더 많은 에너지를 받으면, 전자를 발산하고 이온화됩니다. 플라스마는 이온과 자유 전자, 들뜬 분자, 라디칼, 분자 조각이 들어있는 이온화된 기체입니다. 우주 어디서나 플라스마를 만날 수 있습니다.
눈에 보이는 거의 모든 물질이 플라스마로 만들어졌습니다. 해, 가스구름, 별, 은하계 모두요. 자연에서 플라스마는 오로라의 모습으로 등장합니다 . 지구 대기의 공기 분자가 태양풍의 플라스마에 의해 자극을 받으면, 초록, 파랑, 빨강, 보라색으로 빛납니다. 플라스마는 불꽃, 번개, 화염 속에도 존재합니다. 실린더형이나 튜브형 챔버에서 강한 기체를 방전하는 방식으로 연구실에서 인공적으로 만들어낼 수도 있습니다. 이와 같은 방전은 고온을 일으켜 모든 물질을 증발시키고, 중성 원자와 분사를 이온화하여 이온과 자유 전자를 만들어냅니다.
표면에 사용되는 플라스마: 수많은 새로운 특성
플라스마는 높고 불안정한 에너지 레벨을 가진 물질입니다. 높은 전기 전도성이 그 일례입니다. 화학적으로 플라스마는 반응도가 매우 높고, 표면, 액체 또는 미생물과 상호 작용할 수 있습니다. 플라스틱이나 유리, 금속 같은 고체 소재와 접촉하면, 표면 에너지를 변하게 합니다. 예) 소수성 > 친수성 따라서, 중요한 표면 특성이 변하는 것입니다. 예) 표면의 접착력과 습윤성 따라서 완전히 새로운 (심지어 비극성 재료도) 재료와 환경 친화적인 무용제(VOC-free) 도료 및 접착제를 산업적으로 사용할 수 있습니다. 오늘날의 많은 화학 표면 처리 공정을 플라스마 처리로 대체할 수 있습니다. 플라스마 기술을 이용해 용제(VOC)를 사용하지 않고, 탄소 배출 없이, 친환경적인 방법으로 표면을 전처리할 수 있습니다. 플라스마 기술을 이용하면 화학 물질이나 프라이머, 접착 촉진제를 사용할 필요가 없습니다.
플라스마는 어떻게 특징 지어지는가?
플라스마를 특히 특징 짓는 측정 변수는 전자 온도와 자외선 및 가시 범위에서 야기된 다양한 종의 방출 에너지 입니다.
대기압 조건 하에서 열 민감성 플라스틱을 손상 없이 전처리 하는 유일한 방법은 높은 전자 온도와 낮은 이온 온도를 사용하는 것입니다.
릴랙싱* 플라스마(Relaxing Plasma)의 발광 현상 (광학 방출)은 광학 방출 분광법 (OES)을 사용하여 감지할 수 있습니다. 릴랙싱 플라스마 감지를 위해 가시적인 스펙트럼과 특히, 자외선 영역의 플라스마에서 야기된 종의 특성 방출 밴드는 광섬유를 통해 평가 전자까지 전송된 다음 특수 소프트웨어를 사용하여 가공 됩니다. Plasmatreat 시스템의 프로세스 모니터링 구성 요소는 이 광학 모니터링 원리에 따라 작동 합니다. 이와 같이 진행함으로써 전체 플라스마 공정에 걸쳐 균일한 품질이 구현 되도록 합니다.
*릴랙싱 (Relaxing) : 플라스마의 기본 상태로의 전이. 이 과정에서 이전에 공급된 활성화 에너지는 빛의 형태로 환경에 방출 됩니다.
플라스마가 표면을 만나면, 새로운 특성이 발생합니다
플라스마는 높고 불안정한 에너지 레벨을 가진 물질입니다. 높은 전기 전도성이 그 일례입니다. 화학적으로 플라스마는 반응도가 매우 높고, 표면, 액체 또는 미생물과 상호 작용할 수 있습니다. 플라스마가 고체(플라스틱, 금속 등)와 접촉하면, 적용된 플라스마 에너지가 이 표면의 중요한 특성(예 - 표면 에너지)에 변화를 일으킵니다.
표면의 개질은 다음과 같이 목표하는 방식으로 사용될 수 있습니다.
금속과 유리의 초미립자 세정 예시 플라스마가 금속이나 유리에 부딪히면 초미립자 세정이 이뤄집니다. 매우 민감한 표면의 원하지 않는 물질들도 제거할 수 있습니다. 플라스마를 이용한 초미립자 세정은 기질에 묻은 초미세 먼지 입자도 제거할 수 있습니다. 나노 범위의 화학/물리적 반응으로 인해 고품질의 정밀한 표면을 얻을 수 있어, 추가 공정을 위한 최고의 준비를 마칠 수 있습니다. 본딩, 코팅, 바니싱, 인쇄 전 초미립자 세정을 통해 현대의 용제나 물을 사용하는 시스템을 채택하지 않아도 됩니다. 화학 프라이머나 기계 공정과 함께 이용하는 추가 전처리(예 - 브러싱 작업을 완전히 없앨 수 있음) 이를 통해 생산 공정에서 VOC(휘발성 유기 화합물) 방출을 일으키지 않을 수 있습니다. 대기압 플라스마를 이용한 세정은 물을 사용하지 않는 공정입니다. 산업 공정에서 이 방식은 모든 소재를 곧바로 처리할 수 있는 훌륭한 장점이 있어, 엄청난 시간을 절약할 수 있습니다.
활성화된 표면과 더 뛰어난 플라스틱 습윤성 예시 플라스마 전처리는 여러 종류의 플라스틱과 접촉했을 때도 소재 표면의 특성에 변화를 일으킬 수 있습니다. 플라스마가 접촉하면 대부분 비극성 플라스틱인 표면에 산소와 질소가 그룹을 형성하게 됩니다. 그러면 표면 에너지가 엄청나게 올라가게 됩니다. 즉, 활성화가 일어나는 것이죠. 이를 통해 기판의 습윤성이 크게 개선됩니다. 따라서, 접착력도 높아집니다. 기존의 전처리 방식(화염 처리, 환경에 유해한 화학 물질 사용 등)을 이용하지 않아도, 접착제나 페인트, 라커가 전처리를 거친 표면에 훨씬 잘 견고하게 붙습니다.
