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세정 개질용 UV 램프

경화용 UV 램프 이외에 UV 램프의 주요한 용도는 표면 세정과 개질이다.
반도체 웨이퍼, LCD, PDP등 정밀 전자공업에서는 제품의 신뢰성과 품질을 높이기 위해, 0.1 미크론의 먼지 하나라도 엄격하게 관리해야 한다.
그러나 이러한 제품이라고 해도 이 제품 표면에 dust, 오일, 미생물에 의해 발생된 기름 성분등 여러가지의 불순물로 오염되는 경우가 있다. 이러한 불순물들이 기판 표면에 국부적으로 오염되어 있거나 얇은 레이어(layer)를 이루고 있으면, 코팅시 코팅 면의 접착성을 나쁘게 하거나, 회로를 인쇄하는 경우 회로가 망가트리거나, 인쇄된 회로와 Subsmtrate사이에 접착력이 나쁘게 되어 불량 원인이 될 수 있으므로, 디스플레이 디바이스나 정밀 전자 산업, 코팅 제품, 플라스틱 산업에서는 표면을 반드시 세정해야 한다.

1. 세정 개질용 UV 램프 구조
1). 석영관 : 세정 개질용 UV 램프는 직경 15-22mm의 석영관을 사용하여 만들며, 대부분의 램프는 외경 15-19mm의 석영관을 사용하여 만든다. 일반 석영관은 200nm이하의 단파장은 통과하지 못하므로 단파장을 잘 투과하는 특수 석영관의 선택이 중요하다.

2). 전극 : 램프 내부에는 텅스텐으로 만든 전극이 1개씩 있다.
램프 용량과 타입에 따라 다소 다르지만, 표면 세정 개질용 UV 램프의 전극은 수십 미크론의 텅스텐을 2중 혹은 3중으로 꼬아서 작은 에너지로 열전자를 잘 방출하게 하고, 전자 방출 일함수를 줄이기 위해 텅스텐-바륨-이트리움, 혹은 이트리움 토륨 등 일함수가 낮은 물질을 전자 방출 물질로 사용한다.
**.좌우 전극의 끝 부분에서 맞은편 전극의 끝부분 까지의 길이를 극간거리 혹은 발광장(Arc Length)라고 부른다.

3). 발광 물질 : 대부분의 세정 개질 램프의 발광 물질은 수은이다.
수은이 저압에서 방사하는 184.9nm와 253.7 nm의 파장이 나온다.
184.9nm는 154.7kcal/mol의 에너지를 가지고 있으며, 253.7 nm는 113 kcal/mol 의 에너지가 나온다. 154.7kcal/mol 의 에너지는 대부분의 유기물 결합인 C-C, C-O, C-H, C-N 결합의 84.3 kcal/mol. 76.4 kcal/mol, 97.6 kcal/mol, 63.6 kcal/mol 보다 높으므로 이러한 유기물 결합이 154.7 kcal/mol의 에너지를 받으면 C-C, C-O, C-H 결합이 깨어진다.

한편,, 기존의 C-C, C-O, C-H 결합이 깨어지고 난 후 주위의 산소 분자에 의해 COOH, C-OH 등 친수성기가 피처리물의 표면에 생기는데, 피처리물의 표면이 소수성에서 친수성으로 바뀌면 습윤성이 좋아진다.
이러한 원리를 이용한 것이 유기무 세정 혹은 표면 개질의 원리이다.

4). 버퍼 gas : 석영관의 내부에는 아르곤, 크세논, 헬리움, 크립톤 등의 완충 가스를 수-수백 Torr 충진한다. 완충 가스의 종류와 압력에 따라, 점등 전압, uv 효율, 흑화 진행 속도가 달라진다. 극미량의 수분, 산소, 수소, 유기 가스에 의해 uv 방사 효율, 흑화 진행 속도가 달라진다.

5). 베이스 : 램프 베이스는 대부분 전기가 통하지 않는 세라믹으로 되어 있으나, 금속 베이스로 된 램프도 있다.
**램프 베이스는 램프 제조회사와, 램프 모델 별로 수십 가지의 모양과 크기가 있으며, 램프를 잡아주는 홀드에 따라 베이스 모양이 달라진다.

6). 전선 : 램프에 전기를 인가해 주는 도체 이다.
일반적으로 실리콘 전선 혹은 테프론 전선으로 되어 있다.

7). 모양 : 1자, U자, W자로 되어 있다.
세정/개질 램프는 초기에는 1자 모양으로 만들었으나, 1자형 램프인 경우 램프수가 많아지므로 U자 램프 혹은 W자 모양으로 만든다. UV량을 고 강도로 할 경우 U자나, W자 모양은 램프와 램프간 거리가 멀어지므로 UV강도가 낮아지는 단점이 있다.


 


 

2. 세정 개질용 uv 램프와 세정/개질 원리와 과정
웨이퍼, LCD용 Glass, PET film등 전자공업 소재의 표면에는 dust, 오일, 미생물에 의해 발생된 기름 성분등 여러가지의 불순물로 오염되는 경우가 있을수 있고, 이러한 불순물들이 기판 표면에 극히 국부적으로 오염되어 있거나 작은 레이어(layer)를 이루고 있다고해도 접착성을 나쁘게 하거나, 회로를 망가트리게 된다. 인쇄된 회로와 Subsmtrate사이에 접착력이 나쁘면 무조건 불량으로 연결되므로, 디스플레이 디바이스나 정밀 전자 산업, 코팅 제품, 플라스틱 필름산업에서는 표면을 반드시 세정해야 한다.

한편, 유리나 대부분 프라스택 소재의 표면은 근본적으로 표면 에너지가 낮으므로 Wetability가 나빠서 퍼짐성이 나쁘다. 낮은 습윤성은 접착성 불량으로 이어지고 이 접착성 불량은 수율을 떨어뜨리거나 불량의 결정적인 요인이 되므로 표면의 습윤성을 높여 친수성(hydrophilic)로 바꾸어줄 필요가 있다.

세정 개질용 UV램프는 253.7nm와 184.9nm가 나온다.
184.9nm는 154.7kcal/mol 의 높은 에너지가 나오므로 불순물의 분해에 매우 효과적이다.
램프에서 나오는 184.9nm는 154.7kcal/mol의 에너지를 가지고 있으며, 253.7 nm는 113 kcal/mol 의 에너지를 가지고 있다 대부분의 유기 계열 불순물은 C-C, C-O, C-H, C-N 결합 으로 되어 있는데 이러한 유기 계열 불순물의 결합 에너지는 각각 84.3 kcal/mol. 76.4 kcal/mol, 97.6 kcal/mol, 63.6 kcal/mol 이다. 154.7kcal/mol의 에너지는 불순물의 결합 에너지 보다 높으므로 이러한 유기물 결합이 154.7 kcal/mol의 에너지를 받으면 C-C, C-O, C-H 결합이 깨어져서 C 와 H가 생성되고, C 와 H는 공기중의 산소와 결합하여 CO2와 H2O가 생성되어 증발함으로써, 불순물이 세정되어 없어진다.

C-C + hv ----> 2C *
C-O + hv ----> C + 1/2O2 *
C-H + hv ----> C + 1/2H2 *
C + O2 ----> CO2 *
H2 + 1/2O2 ----> H2O

O2 + hv ----> O(1D)
O* + hv + H2O -----> 2OH- + O2

개질(surface reforming) 관점에서 보면 대부분의 수지는 비 친수성이므로 기판위에 잉크나 PR이 올라갔을 때 기판의 Wetability가 나빠서 퍼짐성이 나쁘다. 저 습윤성은 접착성 불량으로 이어지고 이 접착성 불량은 수율을 떨어뜨리는 결정적인 요인이 되므로 표면을 친수성(hydrophilic)로 바꾸어줄 필요가 있다.

184.9nm는 154.7kcal/mol의 에너지를 가지고 있으므로 대부분의 유기물 결합인 C-C, C-O, C-H, C-N 결합의 84.3 kcal/mol. 76.4 kcal/mol, 97.6 kcal/mol, 63.6 kcal/mol 보다 높으므로 154.7 kcal/mol의 에너지를 조사하면 C-C, C-O, C-H 결합이 깨어지거나 친수성인 -COOH, -OH라디칼이 생성되어 소수성인 표면이 친수성으로 바뀌어 진다.

각 화학 결합별 결합 에너지는 다음과 같다.

각 화학 결합의 결합 에너지
화학 결합
결합 에너지
kcal/mol
화학 결합
결합 에너지
kcal/mol
C-C,
84.3
O-H
109.3
C-O
76.4
C=C
140.5
Si-O
105.4
C-F
115.2
Si-C,
69.8
C-Cl
76.9
C-H
97.6
C=O
190.0
C-N
63.6
O=O
117.5
O-O
32.9
H-F
134.9
H-Cl
101.9
N-H
91.9
253.7nm
113 kcal/mol
184.9nm
154.7kcal/mol