The Optimization of RF Atmospheric Pressure Plasma Treatment Process for Improving the Surface Free Energy of Polymethylmethacrylate (PMMA)

Polymethylmethacrylate (PMMA) 표면개질을 위한 RF 대기압 플라즈마 처리공정의 최적화

This study investigated the influence of atmospheric plasma factors such as RF power, treatment time, the gap distance between discharge and sample, and the gas flow rate of Ar on the surface property by using the design of experiment (DOE) method. The plasma treatment time (s), plasma power (W), gap distance (mm) between discharge and sample, and flow rate of Ar gas were in order of important factors for changing the surface free energy of PMMA plates. As a result, the most effective factor for improving the surface free energy of PMMA plates is the distance (mm) from discharge glow to sample plate. Because of the interaction between plasma power (W) and treatment time (s), the power dose (J) factor which multiply plasma power (W) by treatment time (s) should be significantly considered. The optimum condition for maximizing the surface free energy of PMMA plate was found at 1500J of power dose. Through XPS and AFM analysis, we also observed the change of chemical composition, surface morphology and roughness before and after plasma treatment. It is considered that the change of surface free energy of PMMA plate with plasma treatment is influenced by the introduction of polar functional group as well as the increase of surface roughness.

본 연구에서는 대기압 플라스마 공정으로 표면 처리 시 PMMA 시편의 표면 자유 에너지에 영향을 주는 인자인 radio frequency (RF) 플라즈마 전압(W), 처리시간(s), 방전 글로우와 시료와의 간격(mm) 그리고 아르곤 가스의 유량(LPM)에 대해 실험 계획법(Design of Experiment, DOE)을 적용한 최적화 실험을 실시하였다. 실험 결과, PMMA의 표면 자유 에너지 증가에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 플라즈마 방전 글로우와 시료와의 간격(mm), 처리시간(t), 플라즈마 전압(W) 순으로 확인되었다. 또한 표면에 상호 영향을 미치는 플라즈마 전압과 처리시간에 대한 복합매개변수 형태의 power dose (J)에 따른 의존성을 확인했을 때 1500 J에서 최대의 표면 에너지 증가를 보임을 확인하였다. XPS, AFM 분석을 통해 플라즈마 처리 후 PMMA 표면에 새로운 관능기의 도입과 표면 거칠기 변화를 관찰하였다. 플라즈마 처리에 의한 PMMA plate의 표면 자유 에너지의 변화는 플라즈마 처리에 의한 관능기의 도입과 표면적의 변화에 영향을 받는 것으로 생각된다.