Pyrosil 화염 플라즈마

PYROSIL 처리는 접합될 표면의 접착력을 향상시키기 위해 사용되는 연소화학기상증착(CCVD) 공정입니다. PYROSIL은 상온 조건에서 수행되는 글로우 방전 플라즈마 공정입니다. PYROSIL 처리는 연소화학기상증착(CCVD)을 통해 기재 표면에 비정질 이산화규소(SiO2) 층을 증착하는 표면 개질 기술입니다. SURA Instruments GmbH는 1980년대에 접착제와의 접합력을 향상시키는 데 사용되는 이 기술을 최초로 성공적으로 상용화하는 데 이르게 한 장비와 공정을 개발했습니다. 화염 열분해를 통해 기재 위에 매우 반응성이 높고 소수성을 띠는 얇은 실리콘 산화물 층(5~100nm)을 형성할 수 있습니다. 그 결과, 증착된 SiO2 입자 표면의 높은 밀도의 Si-OH 기와 나노스케일 거칠기로 인해 명확한 친수성 표면이 형성됩니다. 실리콘 함유 필름은 폴리머, 유리, 세라믹 및 금속 등 다양한 분야에 응용됩니다. 이 공정에서는 처리 대상 제품을 기존의 화염 처리와 유사한 방식으로, 실리콘 함유 전구체 물질(PYROSIL)이 도핑된 층류 가스 화염을 통과시킵니다. 화염과 기재의 접촉 시간이 짧기 때문에 온도에 민감한 플라스틱 소재에도 이 공정을 적용할 수 있습니다.

연소화학기상증착(CCVD)은 대기 중에서 기재 위에 박막 코팅을 증착하는 화학 공정입니다. CCVD 공정에서는 연소 가스에 전구체 화합물이 첨가됩니다. 화염은 코팅할 표면 바로 위를 지나가며 이동합니다. 화염 내부의 높은 에너지는 전구체를 반응성이 매우 높은 중간체로 전환시키며, 이 중간체는 기재와 신속히 반응하여 견고하게 부착된 증착층을 형성합니다. 증착된 층의 미세 구조와 두께는 기재 또는 화염의 이동 속도, 통과 횟수, 기재 온도, 화염과 기재 사이의 거리 등 공정 변수에 의해 제어됩니다. 이산화규소 층이 가장 일반적으로 증착되는 층입니다. 갓 증착된 층은 반응성이 매우 높아 폴리머 코팅 및 접착을 위한 접착 촉진층으로 활용될 수 있습니다.

PYROSIL과 화염 처리 비교

PYROSIL과 기존의 화염 플라즈마 처리는 공정상 유사점이 있지만, 화염 화학 및 표면 기능화 메커니즘은 서로 다릅니다. 두 방법 모두 기상 표면 산화 공정으로, 탄화수소 연료를 제어된 조건에서 연소시켜 기재 표면을 개질하는 화염 플라즈마를 생성합니다. 예혼합 층류 화염은 발열 반응을 일으킵니다. PYROSIL 화염은 분홍빛을 띠는 반면, 기존의 화염 처리 화염은 청색을 띱니다(사진 1 참조). 가장 큰 차이점은 PYROSIL은 SiO2를 생성하지만 화염 처리는 그렇지 않다는 것입니다. 그 결과, 증착된 SiO2 입자 표면의 높은 밀도의 Si-OH 기로 인해 명확한 친수성 표면이 형성됩니다. 유사한 연소 장비, 리본 버너 및 공정 구성/제어가 사용됩니다. 주요 세 가지 공정 제어 변수는 화염 화학, 화염으로부터 기재까지의 거리, 그리고 처리의 체류 시간입니다. 처리는 반드시 주 반응 발광 영역 또는 산화 영역 내에서 이루어져야 합니다.

PYROSIL의 경우, 유기규소 화합물인 테트라메틸실란(TMS)의 연소 및 SiO2 생성에 대한 반응식 중 하나는 다음과 같습니다:

Si(CH3)4 + 13 O2 + C3H8 — SiO2 + 10 H2O + 7 CO2

천연가스 화염 처리의 경우, 다음 반응식이 연소 반응을 나타냅니다:

CH4 + 2O2 + 8N2 — CO2 + 2H2O + 8N2

두 연소 반응 모두 부산물로 CO2와 H2O(물)를 생성합니다.