플라즈마 청소

Plasma cleaning
그림 1. MEMS 기기의 표면은 탄소 오염물질을 제거하기 위해 플라즈마 등에 밝은 파란색 산소 플라즈마로 청소한다.(100mTorr, 50W RF)

플라즈마 세정이란 기체종에서 생성된 정력적인 플라즈마 또는 유전 장벽 방전(DBD) 플라즈마를 이용하여 표면에서 불순물과 오염물질을 제거하는 것을 말한다.아르곤, 산소 등의 기체와 공기와 수소/질소 등의 혼합물이 사용된다.플라즈마는 현재 대기압 플라스마도 흔하지만, 저압 가스(일반적으로 kHz ~ >MHz)를 사용하여 저압 가스(일반적으로 1/1000기압)를 이온화함으로써 생성된다.[1]

방법들

플라즈마에서 가스 원자는 더 높은 에너지 상태에 흥분하고 또한 이온화된다.원자와 분자가 정상적이고 낮은 에너지로 '완화'되면서 빛의 광자를 방출하게 되고, 이는 플라즈마와 관련된 특성인 "광선" 또는 빛을 발생시킨다.가스가 다르면 색이 달라진다.예를 들어, 산소 플라즈마는 옅은 청색을 방출한다.

플라즈마의 활성화 종에는 단파 자외선(진공 UV 또는 단파용 VUV) 범위에 있는 원자, 분자, 이온, 전자, 유리기, 전극기, 광자가 포함된다.이 혼합물은 플라즈마 안에 놓인 어떤 표면과도 상호작용한다.

만약 사용되는 가스가 산소라면, 플라즈마는 중요한 청소를 위한 효과적이고 경제적이며 환경적으로 안전한 방법이다.VUV 에너지는 표면 오염물질의 대부분의 유기 결합(즉, C-H, C–C, C=C, C–O, C–N)을 파괴하는 데 매우 효과적이다.이것은 고분자량 오염물질을 분해하는 데 도움이 된다.두2+ 번째 세척 작용은 플라즈마에서 생성된 산소 종(O2−3, O, O+, O−, 이온화 오존, 전이성 흥분 산소, 자유 전자)[2]에 의해 수행된다.이 종들은 유기 오염물질과 반응하여 HO2, CO, CO2, 그리고 낮은 분자량 탄화수소를 형성한다.이러한 화합물은 상대적으로 높은 증기 압력을 가지고 있으며 가공 중에 챔버에서 배출된다.그 결과 표면은 매우 깨끗하다.그림 2에서, 물질 깊이에 대한 탄소의 상대적 함량은 흥분된 산소로 청소하기 전과 후에 보여진다.

그림 2. 재료 깊이에 대한 탄소 함량 z: 표본 처리 전 - 다이아몬드 포인트 및 1초 제곱 포인트 동안 처리 후

부품이 은이나 구리 등 쉽게 산화되는 물질로 구성되면 대신 아르곤이나 헬륨 등 불활성 가스를 사용한다.플라즈마 활성 원자와 이온은 분자 샌드블래스트처럼 작용하며 유기 오염물질을 분해할 수 있다.이러한 오염물질은 처리 중에 기화하여 챔버에서 배출된다.

이러한 부산물의 대부분은 이산화탄소와 수증기와 같은 소량의 가스인데, 일산화탄소 및 기타 탄화수소가 미량이다.

유기 제거 완료 여부는 접촉 각도 측정으로 평가할 수 있다.유기 오염물질이 존재할 경우 기기와의 물의 접촉각도가 높다.오염물질 제거는 순수한 기질과의 접촉 특성에 대한 접촉 각도를 감소시킨다.또한 XPS와 AFM은 표면 세척 및 멸균 용도를 검증하는 데 자주 사용된다.[3]

처리될 표면을 패턴 있는 전도성층(금속, ITO)으로 코팅할 경우 플라즈마와의 직접 접촉에 의한 치료(마이크로아크로 수축 가능)는 파괴적일 수 있다.이 경우 플라즈마에서 흥분한 중성 원자에 의한 세척을 측정 가능한 상태로 적용할 수 있다.[4]Cr 및 ITO 층으로 코팅된 유리 시료 표면에 동일한 용도의 결과는 그림 3에 나타나 있다.

그림 3. 다른 재료로 코팅된 유리에 5 μl의 물방울 접촉 각도

처리 후 물방울의 접촉 각도가 처리되지 않은 표면의 값보다 작아진다.그림 4에서 유리 표본에 대한 방울 발자국 완화 곡선이 표시된다.처리되지 않은 표면에 있는 동일한 방울의 사진은 그림 4 inset에 나타나 있다.그림 4에 나타낸 데이터에 해당하는 표면 이완 시간은 약 4시간이다.

플라즈마 아싱은 플라즈마 세정만을 이용해 탄소를 제거하는 공정이다.플라즈마 아세싱은 항상2 O 가스로 한다.[5]

그림 4. 유리 표면의 5μl 부피 크기의 물방울 표면 면적 대 처리 후 시간 t.처리되지 않은 유리의 방울은 삽으로 표시되어 있다.

적용들

그림 5. 금속 표면을 청소하는 플라즈마 빔

플라즈마 세척은 종종 표면에서 오염물질을 제거하기 위해 필요한데, 그 오염물질을 제조 공정에서 사용할 수 있기 때문이다.플라즈마 청소는 복잡한 기하학적 구조를 가진 표면과 함께 여러 재료에 적용될 수 있다.플라즈마 세척은 화학반응(공기 혈장)이나 물리절제(Argon 혈장/Argon 혈장) 과정을 통해 표면의 모든 유기 오염을 효과적으로 제거할 수 있는 기능이 있다.처리되지 않은 금속 표면의 플라즈마 빔 사진은 그림 5와 같다.[6]

세척 및 멸균

플라즈마 청소는 처리된 표면의 탄화수소의 화학 반응이나 물리적 절제를 통해 유기물 오염을 제거한다.[3]화학적으로 반응하는 프로세스 가스(공기, 산소)는 탄화수소 단열체와 반응하여 플라즈마 클리너 챔버의 지속적인 가스 흐름에 휩쓸려 나가는 기체 제품을 형성한다.[7]플라즈마 세척은 위험한 화학물질을 함유한 피라냐 식각과 같이 습식 화학적 과정 대신 사용될 수 있으며, 시약 오염의 위험을 증가시키고 처리된 표면을 식각할 수 있다.[7]

생명과학

세포의 생존성, 기능, 증식 및 분화는 그 미세 환경에 대한 유착에 의해 결정된다.[9]플라즈마는 종종 물질 표면에 생물학적으로 관련된 기능 그룹(카르보닐, 카복실, 히드록실, 아민 등)을 추가하는 화학적 자유 수단으로 사용된다.[10]그 결과 플라즈마 세척은 물질의 생체적합성이나 생체활동을 개선하고 오염 단백질과 미생물을 제거한다.혈장 세척제는 세포 배양,[11] 조직 공학,[12] 임플란트 등을 위한 표면을 활성화하는 데 사용되는 생명 과학의 일반적인 도구다.

  • 조직 공학 기질[12]
  • 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 세포 접착[11]
  • 임플란트의 생체적합성 향상: 혈관 이식,[13] 스테인레스강 나사[14]
  • 장기세포감금연구[15]
  • 패터닝 세포 배양 기판을[16] 위한 플라즈마 리토그래피
  • 접착[17] 강도에 의한 셀 정렬
  • 플라즈마 활성화 강판[18] 쉐이빙에 의한 항생제 제거
  • 단일 셀 시퀀싱[19]

재료 과학

표면 습윤 및 수정은 대량 특성에 영향을 주지 않고 재료 특성을 향상시키기 위한 재료 과학의 기본 도구다.Plasma Cleaning은 극지방 기능 그룹의 도입을 통해 재료 표면 화학물질을 변화시키는 데 사용된다.플라즈마 시술 후 표면 친수성(웨팅)이 증가하여 수용성 코팅, 접착제, 잉크 및 에폭시 접착력이 향상됨:

  • 그래핀 필름의[20] 향상된 열전원
  • 폴리머 반도체 헤테로구조의[21] 작업기능 향상
  • Ultra-high modulus Polyethylene (Spectra) 섬유 및 아라미드 섬유의[22] 접착력 향상
  • 나노 크기 표면 구조 및 양자 점용[23] 플라즈마 리토그래피
  • 박막의[24] 마이크로파터닝

미세유체학

마이크로 또는 나노 크기의 유체 흐름의 고유한 특성은 다양한 연구 용도를 위해 마이크로 유체 장치에 의해 활용된다.미세유체 소자 시제품 제작에 가장 널리 사용되는 재료는 PDMS(Polydimethylsiloxane)로, 빠른 개발과 조절 가능한 재료 특성이다.플라즈마 청소는 PDMS Microfluidic 칩을 유리 슬라이드 또는 PDMS 슬래브와 영구적으로 결합하여 방수 마이크로채널을 만드는 데 사용된다.[25]

  • 혈장 분리[26]
  • 단일 세포 RNA 시퀀싱[19]
  • 전기유동밸브[27]
  • 미세유체 장치의[28] 습식성 패터닝
  • 미세유체 소자 친수성[29] 장기보존재

태양전지 & 광전지

Plasma는 태양광 발전 장치 내에서 태양 전지의 성능 및 에너지 변환을 향상시키기 위해 사용되어 왔다.

  • MoO(Molybdenum3 Oxide) 감소로 단락 전류 밀도[30] 향상
  • 수소 발생 개선을2 위한 TiO 나노시트[31] 수정
  • PEDOT의 전도도 향상:ITO 프리 페로브스카이트 태양전지의[32] 효율 향상을 위한 PSS

참조

  1. ^ Evgeny V. Shun’ko & Veniamin V. Belkin (2007). "Cleaning Properties of atomic oxygen excited to metastable state 2s22p4(1S0)". J. Appl. Phys. 102 (8): 083304–1–14. Bibcode:2007JAP...102h3304S. doi:10.1063/1.2794857.
  2. ^ A. Pizzi; K. L. Mittal (2003). Handbook of Adhesive Technology, Revised and Expanded (2, illustrated, revised ed.). CRC Press. p. 1036. ISBN 978-0824709860.
  3. ^ a b c Banerjee, K. K.; Kumar, S.; Bremmell, K. E.; Griesser, H. J. (2010-11-01). "Molecular-level removal of proteinaceous contamination from model surfaces and biomedical device materials by air plasma treatment". Journal of Hospital Infection. 76 (3): 234–242. doi:10.1016/j.jhin.2010.07.001. ISSN 0195-6701. PMID 20850199.
  4. ^ Evgeny V. Shun’ko & Veniamin V. Belkin (2012). "Treatment Surfaces with Atomic Oxygen Excited in Dielectric Barrier Discharge Plasma of O2 Admixed to N2". AIP Advances. 2 (2): 022157–24. Bibcode:2012AIPA....2b2157S. doi:10.1063/1.4732120.
  5. ^ Plasma Treating Basics - http://www.plasmaetch.com/plasma-treatment-basics.php
  6. ^ Plasma Cleaning의 용도는? - https://tantec.com/what-is-plasma-cleaning-used-for.html
  7. ^ a b c Raiber, Kevin; Terfort, Andreas; Benndorf, Carsten; Krings, Norman; Strehblow, Hans-Henning (2005-12-05). "Removal of self-assembled monolayers of alkanethiolates on gold by plasma cleaning". Surface Science. 595 (1): 56–63. Bibcode:2005SurSc.595...56R. doi:10.1016/j.susc.2005.07.038. ISSN 0039-6028.
  8. ^ Sun, Tong; Blanchard, Pierre-Yves; Mirkin, Michael V. (2015-04-21). "Cleaning Nanoelectrodes with Air Plasma". Analytical Chemistry. 87 (8): 4092–4095. doi:10.1021/acs.analchem.5b00488. ISSN 0003-2700. PMID 25839963.
  9. ^ Khalili, Amelia Ahmad; Ahmad, Mohd Ridzuan (2015-08-05). "A Review of Cell Adhesion Studies for Biomedical and Biological Applications". International Journal of Molecular Sciences. 16 (8): 18149–18184. doi:10.3390/ijms160818149. ISSN 1422-0067. PMC 4581240. PMID 26251901.
  10. ^ Lerman, Max J.; Lembong, Josephine; Muramoto, Shin; Gillen, Greg; Fisher, John P. (October 2018). "The Evolution of Polystyrene as a Cell Culture Material". Tissue Engineering. Part B, Reviews. 24 (5): 359–372. doi:10.1089/ten.TEB.2018.0056. ISSN 1937-3376. PMC 6199621. PMID 29631491.
  11. ^ a b Pratt, Kerri J.; Williams, Stuart K.; Jarrell, Bruce E. (1989). "Enhanced adherence of human adult endothelial cells to plasma discharge modified polyethylene terephthalate". Journal of Biomedical Materials Research. 23 (10): 1131–1147. doi:10.1002/jbm.820231004. ISSN 1097-4636. PMID 2530233.
  12. ^ a b Beardslee, Luke A.; Stolwijk, Judith; Khaladj, Dimitrius A.; Trebak, Mohamed; Halman, Justin; Torrejon, Karen Y.; Niamsiri, Nuttawee; Bergkvist, Magnus (August 2016). "A sacrificial process for fabrication of biodegradable polymer membranes with submicron thickness: A SACRIFICIAL PROCESS FOR FABRICATION OF BIODEGRADABLE POLYMER MEMBRANES". Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. 104 (6): 1192–1201. doi:10.1002/jbm.b.33464. PMID 26079689.
  13. ^ Valence, Sarra de; Tille, Jean-Christophe; Chaabane, Chiraz; Gurny, Robert; Bochaton-Piallat, Marie-Luce; Walpoth, Beat H.; Möller, Michael (2013-09-01). "Plasma treatment for improving cell biocompatibility of a biodegradable polymer scaffold for vascular graft applications". European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 85 (1): 78–86. doi:10.1016/j.ejpb.2013.06.012. ISSN 0939-6411. PMID 23958319.
  14. ^ Kumar, Sunil; Simpson, Darren; Smart, Roger St. C. (2007-12-15). "Plasma processing for inducing bioactivity in stainless steel orthopaedic screws". Surface and Coatings Technology. ICMCTF 2007. 202 (4): 1242–1246. doi:10.1016/j.surfcoat.2007.07.075. ISSN 0257-8972.
  15. ^ Junkin, Michael; Wong, Pak Kin (2011-03-01). "Probing cell migration in confined environments by plasma lithography". Biomaterials. 32 (7): 1848–1855. doi:10.1016/j.biomaterials.2010.11.009. ISSN 0142-9612. PMC 3023939. PMID 21134692.
  16. ^ Nam, Ki-Hwan; Jamilpour, Nima; Mfoumou, Etienne; Wang, Fei-Yue; Zhang, Donna D.; Wong, Pak Kin (2014-11-07). "Probing Mechanoregulation of Neuronal Differentiation by Plasma Lithography Patterned Elastomeric Substrates". Scientific Reports. 4 (1): 6965. Bibcode:2014NatSR...4E6965N. doi:10.1038/srep06965. ISSN 2045-2322. PMC 4223667. PMID 25376886.
  17. ^ Blackstone, B. N.; Willard, J. J.; Lee, C. H.; Nelson, M. T.; Hart, R. T.; Lannutti, J. J.; Powell, H. M. (2012-08-21). "Plasma surface modification of electrospun fibers for adhesion-based cancer cell sorting". Integrative Biology. 4 (9): 1112–1121. doi:10.1039/c2ib20025b. PMID 22832548.
  18. ^ Tran, Van Son; Ngo, Huu Hao; Guo, Wenshan; Ton-That, Cuong; Li, Jianxin; Li, Jixiang; Liu, Yi (2017-12-01). "Removal of antibiotics (sulfamethazine, tetracycline and chloramphenicol) from aqueous solution by raw and nitrogen plasma modified steel shavings". Science of the Total Environment. 601–602: 845–856. Bibcode:2017ScTEn.601..845T. doi:10.1016/j.scitotenv.2017.05.164. hdl:10453/114587. ISSN 0048-9697. PMID 28578242.
  19. ^ a b Gierahn, Todd M.; Wadsworth, Marc H.; Hughes, Travis K.; Bryson, Bryan D.; Butler, Andrew; Satija, Rahul; Fortune, Sarah; Love, J. Christopher; Shalek, Alex K. (April 2017). "Seq-Well: portable, low-cost RNA sequencing of single cells at high throughput". Nature Methods. 14 (4): 395–398. doi:10.1038/nmeth.4179. hdl:1721.1/113430. ISSN 1548-7105. PMC 5376227. PMID 28192419.
  20. ^ Xiao, Ni; Dong, Xiaochen; Song, Li; Liu, Dayong; Tay, YeeYan; Wu, Shixin; Li, Lain-Jong; Zhao, Yang; Yu, Ting; Zhang, Hua; Huang, Wei (2011-04-26). "Enhanced Thermopower of Graphene Films with Oxygen Plasma Treatment". ACS Nano. 5 (4): 2749–2755. doi:10.1021/nn2001849. ISSN 1936-0851. PMID 21417404.
  21. ^ Brown, Thomas M.; Lazzerini, G. Mattia; Parrott, Lisa J.; Bodrozic, V.; Bürgi, Lukas; Cacialli, Franco (2011-04-01). "Time dependence and freezing-in of the electrode oxygen plasma-induced work function enhancement in polymer semiconductor heterostructures". Organic Electronics. 12 (4): 623–633. doi:10.1016/j.orgel.2011.01.015. ISSN 1566-1199.
  22. ^ Biro, David A.; Pleizier, Gerald; Deslandes, Yves (1993). "Application of the microbond technique. IV. Improved fiber–matrix adhesion by RF plasma treatment of organic fibers". Journal of Applied Polymer Science. 47 (5): 883–894. doi:10.1002/app.1993.070470516. ISSN 1097-4628.
  23. ^ Junkin, Michael; Watson, Jennifer; Geest, Jonathan P. Vande; Wong, Pak Kin (2009). "Template-Guided Self-Assembly of Colloidal Quantum Dots Using Plasma Lithography". Advanced Materials. 21 (12): 1247–1251. doi:10.1002/adma.200802122. ISSN 1521-4095.
  24. ^ Kim, Hyejin; Yoon, Bokyung; Sung, Jinwoo; Choi, Dae-Geun; Park, Cheolmin (2008-07-15). "Micropatterning of thin P3HT films via plasma enhanced polymer transfer printing". Journal of Materials Chemistry. 18 (29): 3489–3495. doi:10.1039/B807285J. ISSN 1364-5501.
  25. ^ Chen, Cheng-fu (2018-06-03). "Characterization of fracture energy and toughness of air plasma PDMS–PDMS bonding by T-peel testing". Journal of Adhesion Science and Technology. 32 (11): 1239–1252. doi:10.1080/01694243.2017.1406877. ISSN 0169-4243. S2CID 139954334.
  26. ^ Rafeie, Mehdi; Zhang, Jun; Asadnia, Mohsen; Li, Weihua; Warkiani, Majid Ebrahimi (2016-07-19). "Multiplexing slanted spiral microchannels for ultra-fast blood plasma separation". Lab on a Chip. 16 (15): 2791–2802. doi:10.1039/C6LC00713A. ISSN 1473-0189. PMID 27377196.
  27. ^ Martin, Ina T.; Dressen, Brian; Boggs, Mark; Liu, Yan; Henry, Charles S.; Fisher, Ellen R. (2007). "Plasma Modification of PDMS Microfluidic Devices for Control of Electroosmotic Flow". Plasma Processes and Polymers. 4 (4): 414–424. doi:10.1002/ppap.200600197. ISSN 1612-8869.
  28. ^ Kim, Samuel C.; Sukovich, David J.; Abate, Adam R. (2015-07-14). "Patterning microfluidic device wettability with spatially-controlled plasma oxidation". Lab on a Chip. 15 (15): 3163–3169. doi:10.1039/C5LC00626K. ISSN 1473-0189. PMC 5531047. PMID 26105774.
  29. ^ Zhao, Li Hong; Lee, Jennifer; Sen, Pabitra N. (2012-07-01). "Long-term retention of hydrophilic behavior of plasma treated polydimethylsiloxane (PDMS) surfaces stored under water and Luria-Bertani broth". Sensors and Actuators A: Physical. 181: 33–42. doi:10.1016/j.sna.2012.04.038. ISSN 0924-4247.
  30. ^ Sun, Jen-Yu; Tseng, Wei-Hsuan; Lan, Shiang; Lin, Shang-Hong; Yang, Po-Ching; Wu, Chih-I; Lin, Ching-Fuh (2013-02-01). "Performance enhancement in inverted polymer photovoltaics with solution-processed MoOX and air-plasma treatment for anode modification". Solar Energy Materials and Solar Cells. 109: 178–184. doi:10.1016/j.solmat.2012.10.026. ISSN 0927-0248.
  31. ^ Kong, Xiangchen; Xu, Yiming; Cui, Zhenduo; Li, Zhaoyang; Liang, Yanqin; Gao, Zhonghui; Zhu, Shengli; Yang, Xianjin (2018-08-15). "Defect enhances photocatalytic activity of ultrathin TiO2 (B) nanosheets for hydrogen production by plasma engraving method". Applied Catalysis B: Environmental. 230: 11–17. doi:10.1016/j.apcatb.2018.02.019. ISSN 0926-3373. S2CID 103280998.
  32. ^ Vaagensmith, Bjorn; Reza, Khan Mamun; Hasan, MD Nazmul; Elbohy, Hytham; Adhikari, Nirmal; Dubey, Ashish; Kantack, Nick; Gaml, Eman; Qiao, Qiquan (2017-10-18). "Environmentally Friendly Plasma-Treated PEDOT:PSS as Electrodes for ITO-Free Perovskite Solar Cells". ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (41): 35861–35870. doi:10.1021/acsami.7b10987. ISSN 1944-8244. PMID 28901734.