저온 플라즈마에 의한 Cotton의 표면 개질에 관한 연구

이우섭, 류대선, 배성렬, 히데히로 구마자와*

한양대학교 화학공학과, 토야마 대학교*

Surface Modification of Cotton by Cold Plasma

Woo-Sup Lee, Dae-Sun Rew, Seong-Youl Bae, H. Kumazawa*

Dept. of Chemical Engineering, Hanyang University

Dept. of Chemical and Bio Chemical Eng. Toyama Univ. Japan*

서론

저온-저압 플라즈마는 주로 물리, 화학적으로 표면을 개질 하거나 활성면을 만드는데 사용된다. 플라즈마는 bulk properties에는 영향을 주지 않고, 500∼1000Å 깊이까지만 침투하므로, 적절한 플라즈마로 처리된 polymer는 그 표면층에 물리, 화학적인 변화를 가져온다. 이런 변화는 Polymer를 흡수율, 접착성, 선택성 등의 필요목적에 알맞은 성질들로 개질 할 수 있다.[1]

저온 플라즈마의 섬유에의 응용은 1960년대부터 연구가 활발히 시작되었고, oxygen 플라즈마를 이용한 폴리에틸렌 섬유표면의 오염물제거와 hydroxyl그룹의 형성으로 인한 표면산화도 증가 등의 연구가 보고되었다. 초기 연구결과들은 커다란 차이점을 보이지 않았지만 10mmHg정도의 반응기 압력하에서 여러실험들이 행하여 졌으며, wool의 경우 shrinkage 감소에 oxygen플라즈마가  매우 효과적이라고 보고되었다.[2][3]

섬유의 습식가공 공정에 의한 폐수 등의 환경오염 문제를 해소하기 위한 환경적 측면에서도 플라즈마 처리기술이 응용되고 있다.

따라서 본 연구에서는 저온플라즈마를 이용하여 우리 주위에서 널리 이용되고있는 cotton을 시료로 면 자체가 갖는 특성은 유지하며 흡습성, 건조속도, strength등의 물리적 특성 향상과 표면변화를 조사하기 위하여 0.1mbar 의 압력하에 cotton의 표면처리를 행하였다. 이때의 플라즈마 조사시간, 출력세기, 또한 주입가스의 종류 등이 cotton의 물리적 성질 변화와 표면산화 등에 미치는 영향을 관찰하였다.

실험

1.실험방법 및 장치

실험은 2.45GHz의 주파수를 갖는 microwave발생 장치를 내장한 PLASMA SYSTEM440/T2000(Tepla사)을 사용하였고, chamber내의 압력은  진공펌프를 이용하여 0.1mbar를 유지하였으며, 가스유량은 MFC로 50∼100ml/min으로 제어하였다. 실험장치의 개략도를 Fig.1에 나타내었다.  chamber에 주입되는 가스는 고순도 아르곤, 산소, 질소를 각각 사용하였고, 마이크로파 조사시간은 10분 간격으로 60분 동안 실험하였으며, 마이크로파의 세기는 100W, 200W로 달리하여 표면의 변화를 조사하였다.

잔존수분과 오염물제거로 인한 weight loss를 feed gas와 조사시간을 달리 하여 변화를 관찰하였고, 플라즈마 처리 후 일정 시간동안 각각 시료에 흡수되는 수분의 양으로 흡수율(%)을 측정하였다. 또한 시료를 각각 1시간동안 물에 담근 후에 다시 꺼내어 공기중에서 건조시켜 수분증발로 인한 질량감소를 2시간 간격으로 측정하여 시료의 건조속도를 관찰하였다. shrinkage측정은 플라즈마 처리한 시료를 처리 전 시료와 함께 40℃를 넘지 않는 물 40l에 중성세제 20g로 40분간 가정용세탁기로 세탁한 후 건조하여 shrinkage의 변화를 측정하였다.[4]

2.시료 및 분석

실험에 사용된 시료는 cottton100%(warp rib, 40g/yd, CM40×CM40/2 :방림방적사)의 desizing 이전의 greige 상태의 것을 사용하였다. 우선 시료를 초음파 세척기(BRANSON 3200)로 증류수를 사용하여 2∼3분 정도 세척하여 공기 중에 건조시킨 후 사용하였다. 또한 고순도 Ar(99.99%), O2(99.99%), N2(99.99%)가스를 실험에 사용하였다.

플라즈마 처리 전후의 표면 morphology는 SEM(AKASHI사:WB6)을 이용하여 변화를 살펴보았고, tear strength는 UTM(UNITED CAL.사:STM-10E)를 이용하여 측정하였으며, test speed는 50mm/min으로 하였다. 그리고 플라즈마 처리 후 표면 결합상태 와 oxidation은 XPS(X-ray Photoelectron Spectroscope)와 FT-IR 로 분석하였다.

Fig.1. Schematic diagram of experimental apparatus

결과 및 토론

마이크로파의 출력 세기를 100W, 200W로 조절하고, 압력은 0.1mbar로 제어한 후 조사시간에 따른 시료의 물성 변화와 표면의 변화를 관찰한 결과 Table 1에 보인 것처럼  플라즈마 처리 후에 tear strength와 shrinkage가 출력에는 크게 영향을 받지 않았지만 조사시간에 따라 다소 향상됨을 알 수 있었다. feed gas의 종류와 출력세기에 대한 weight loss와 drying rate는 Fig.2, Fig.3에 나타내었다.  Ar의 경우 질량감소가 출력세기에 크게 영향을 받지 않았고, O2의 경우는 출력세기와 조사시간에 따라 크게 감소함을 알 수 있는데, 이것은 사용된 시료가  desizing 공정을 거치지 않은 greige 상태의 cotton으로 실험했으므로 시료에 sizing제로 사용되었던 PVA등의 잔존solvent 와 표면오염물의 제거 효과 때문  이라고 생각된다. 특히 질량감소율이 O2가 Ar에 비해 큰 것을 볼 때 solvent에 대한 에칭 효과는 O2가 월등함을 알 수 있었다. 플라즈마에 의한 PVA의 처리는 이미 보고된 바도 있다.[6]

Ar의 경우 플라즈마의 에칭효과에 의한 질량 감소라기보다 과잉수분이나 표면 오염물의 제거에 의한 효과라 여겨진다. 시료의 플라즈마 처리 후 흡수율 또한 solvent의 제거로 10∼15%향상됨을 알 수 있었고, Ar보다는 O2처리가  흡수율 향상에 더욱 효과적이었다.

SEM에 의한 처리 전후의 표면morphology는 Fig.4에 보였듯이 시료 자체의 표면에는 처리전과 거의 변화가 없게 나타났고, 처리전후의 O, N, C 등의 조성변화는 XPS로 측정한 결과 표면산화가 진행되었음을 알 수 있었으며, FT-IR에 의한 구조분석결과 시료자체의 기본구조에는 큰 변화가 없음을 알 수 있었다.

전체적인 플라즈마처리 결과 feed gas와 조사시간, 출력세기가 시료에 지배적인 영향을 미침을 알 수 있었다.

Table1.Tear strength and shrinkage result(at 200W)

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Residence          O2 treated                        Ar treated

time          tear                              tear

(min)      strength(kgf)    shrinkage(%)     strength(kgf)    shrinkage(%)

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Untreated      2.35532          14.2             2.35532          14.2

10          2.52626          11.2             2.99345          10.2

20          2.38789          10.2             2.66465           9.8

30          2.75121           9.4             2.54898          10.0

40          2.68769           9.4             2.64739           9.6

50          2.57878           9.4             2.73390           9.6

60          2.87774           9.0             2.68887           9.2

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참고문헌

1. Alfred Grill. : Cold plasma in materials Fabrication, IEEE Press, 1994

2. K.S.Gregorski and A.E.Pavlath,Textile research J.,50,42-46,1980

3. Truman L.Ward, Hilda Z.Jung, Oscar Hinojosa Ruth R.Benerito. : Surface      Science,76,257-273(1978)

4.. Attila E.Pavlath and Richard F. Slater:Applied polymer symposim No.18,

5. A. Majid Sarmadi,T.H.Ying,and Ferencz:Textile Res.J, 63,(12),697-705(1993)

6. Riccobono,P.X.,Textile Chem.Color.,5,(11),239-248,1973

Fig.2.Drying rate             Fig.3.Effect of residence time

on weight loss

(a) untreated                       (b) O2 treated

Fig.4. SEM of Plasma treated and untreated cotton