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레이저 흡수 분광법을 이용한 He-Ne-Xe 상종가스의 외부전곡 램프의 $1s_4$ 공명준위와 $1s_5$ 준안정준위의 제논 원자 밀도에 대한 연구
Laser absorption spectroscopy of ternary gas mixture of He-Ne-Xe in External Electrode Fluorescent Lamp (EEFL) 원문보기

韓國眞空學會誌 = Journal of the Korean Vacuum Society, v.15 no.6, 2006년, pp.576 - 580  

정세훈 (광운대학교 전자물리학과) ,  오필용 (광운대학교 전자물리학과) ,  이준호 (광운대학교 전자물리학과) ,  조광섭 (광운대학교 전자물리학과) ,  최은하 (광운대학교 전자물리학과)

초록
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본 논문에서는 수은 램프를 대체하기 위하여 제논 기체를 사용한 무수은 램프를 제작하여 제논 여기종 밀도에 대한 연구를 진행하였다. 진공자외선을 방사할 수 있는 $1s_4$ 공명준위의 제논 원자 밀도와 $1s_5$ 준안정준위의 제논 원자 밀도를 레이저 흡수 분광법을 사용하여 다양한 기체조건 및 방전전류에 따라서 측정하였다. 우리는 주어진 압력에서 방전전류에 따른 $1s_4$ 공명준위의 제논 원자 밀도와 $1s_5$ 준안정준위의 제논 원자 밀도를 측정하였으며 이러한 기본적인 방전 특성의 이해는 EEFL뿐만 아니라 플라스마 디스플레이에서도 발광 효율을 높이는데 매우 큰 기여를 할 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Mercury-free lamp, external electrode fluorescent lamp (EEFL) which includes the xenon gas, is now going on the research for the replacement of mercury lamp. The densities of excited xenon atom in the $1s_4$ resonance state and the $1s_5$ metastable state are investigated in th...

주제어

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제안 방법

  • 2 %)의 혼합기체가 각각 10, 30, 50, 80, 130 및 155 Torr의 압력으로 채워져 있다. EEFL의 구동은 LCD(Liquid Crystal Display)에 이용되는 인버터(inverter)를 사용하였으며 전압과 전류의 확인을 위해 인버터의 직류 전원부에 전압 및 전류계를 연결하여 실험간 확인하였다. 또한 실험간 구동 주파수는 60 kHz의 동일조건으로 구동되었다.
  • He-Ne-Xe의 혼합기체가 10 Torr에서 155 Torr까지 다양한 압력으로 채워져 있는 EEFL에서 ls4 공명준위의 제논 원자 밀도와 1S5 준안정준위의 제논 원자 밀도를 레이저 흡수 분광법을 이용하여 측정하였다. 다음 그림 3과 4는 각기 다른 램프에서 방전 전류가 가장 적게 흐르는 지역에서의 흡수율을 관측한 그래프이다.
  • 에너지 차이를 가진다. 또한 173 nm의 진공 자외선을 내비칠 수 있는 여기 상태의 제논 분자(excimer) 는 준안정준위인 1S5 상태의 제논 원자가 3체 충돌을 통하여 형성되며 이러한 준안정준위의 1S5상태의 제논 원자는 그보다 상위 준위와 823.1 nm에 해당되는 에너지 차이를 가진다 [1, 2, 3], 이 실험에서는 레이저 흡수 분광법을 사용하여 1S4, 1S5상태의 제논 원자의 밀도를 관측하기 위하여 820 nm에서 830 nm까지 파장을 자유롭게 가변 할 수 있는 파장 가변 반도체 레이저를 사용하였다. 또한 레이저 조사빔의 최대 흡수파장을 실시간으로 관측하기 위해 0.
  • 1 nm에 해당되는 에너지 차이를 가진다 [1, 2, 3], 이 실험에서는 레이저 흡수 분광법을 사용하여 1S4, 1S5상태의 제논 원자의 밀도를 관측하기 위하여 820 nm에서 830 nm까지 파장을 자유롭게 가변 할 수 있는 파장 가변 반도체 레이저를 사용하였다. 또한 레이저 조사빔의 최대 흡수파장을 실시간으로 관측하기 위해 0.01 nm의 분해능을 가지는 광 스펙트럼 분석기(OSA ; Agilent 86142B)를 사용하였다. 하준위 밀도의 계산은 식(1)을 이용하였다.
  • 우리는 진공자외선의 근원이 되는 제논의 여기 종을 레이저 흡수 분광법을 이용하여 연구하였다. 논문에서는 제논 플라스마에서 방출되는 진공자외선인 147 nm, 173 nm와 상관성을 가지는 828 nm 및 823 nm의 근적외선을 이용하여 제논의 하준위에서의 흡수 신호를 관측하여 밀도를 계산하였다.
  • 또한 실험간 구동 주파수는 60 kHz의 동일조건으로 구동되었다. 실험에서 사용된 근적외선 레이저 조사빔은 그림 1과 같이 EEFL의 중앙을 통과하여 여기종 밀도를 측정하였다. 그림 2는 제논 여기종 밀도 측정을 위한 레이저 흡수 분광 실험 장치도이다.
  • [1, 2, 3]. 우리는 진공자외선의 근원이 되는 제논의 여기 종을 레이저 흡수 분광법을 이용하여 연구하였다. 본 논문에서는 제논 플라스마에서 방출되는 진공자외선인 147 nm, 173 nm와 상관성을 가지는 828 nm 및 823 nm의 근적외선을 이용하여 제논의 하준위에서의 흡수 신호를 관측하여 밀도를 계산하였다.
  • 우리는 차세대 무수은 램프를 개발하기 위하여 현재 PDP(Plasma Display Panel)에서 사용되는 제논 기체를 EEFL에 적용하여 레이저 흡수 분광법으로 1S4 공명준위 의 제 논 원자 밀 도와 1S5 준안정준위의 제논 원자 밀도를 측정하였다. 압력이 높아짐에 따라 충돌 주파수가 증가하여 FWHMe 1S4 공명준위와 ls5 준 안정 준위 모두에서 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
  • 플라스마를 이용한 디스플레이 장치에서는 플라스마를 통하여 생성되는 진공자외선이 형광체를 여기시켜 가시광선을 방사하기 때문에 방전을 통하여 형성되는 진공자외선의 강도는 발광 효율과 직접적인 관계를 가지고 있다. 제논에 있어서의 진공자외선의 방출은 공명준위의 제논이 바닥상태로 천이하면서 147 nm의 진공자외선을 방사하고 준안정준위의 제논은 3체 중돌(3-body collision)을 통하여 형성되는 Xea 이 바닥 상태로 천이하면서 173 nm의 진공자외선을 방사한다. [1, 2, 3].

대상 데이터

  • 그림 1은 본 실험을 위해 직접 제작되어 사용된 EEFL (External Electrode Fluorescent Lamp)을 보여준다 EEFL의 안쪽 직경은 2 mm 이며, 바깥쪽 직경은 2.6 mm이다. EEFL의 길이는 11 cm이며, 외부전극의 너비는 15 mm이다.

이론/모형

  • 한쪽 경로는 최대흡수파장 관즉을 위해 OSA(Optical Spectrum Analyzer)로 입사하며, 다른 빔의 경로는 직진하여 측정 대상인 EEFL을 지나 PD(Photo Diode)로 입사하며 EEFL 내에 생성된 제논 플라스마의 준 안정 준위, 또는 공명준위에 흡수된 빔의 변화를 관측하게 된다. 이러한 빔의 주파수 튜닝(tuning)에 의한 흡수의 변화는 Beer의 법칙을 기본으로 한다.
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참고문헌 (7)

  1. J. C. Ahn, T. Y. Kim, J. J. Ko, Y. Seo, G. S. Cho, and E. H. Choi, J. Appl. Phys. 87, 8045 (2000) 

  2. E. H. Choi, J. C. Ahn, M. W. Moon, Y. Jung, M. C. Choi, Y. H. Seo, G. S. Cho, H. S. Uhm, K. Tachibana, K. W. Whang, and Kristiansen, Appl. Phys. Lett. 81, 3341 (2002) 

  3. P. Y. Oh, J. H. Lee, S. H. Jeong, H. S. Moon, S. B. Lee, K. B. Song, Y. Jung, Y. K. Kim, G. S. Cho, H. S. Uhm, and E. H. Choi, IEEE transactions on plasma science, 34, (2006) 

  4. K. C. Harvey and C. J. Myatt, Appl. Phys. Lett. 65, 935 (1994) 

  5. Hans R. Griem, Principles of Plasma Spectroscopy (Cambridge University Press, 1997) 

  6. H. Doyeux and J. J. Deschamps, SID '97 Digest. 213 (1997) 

  7. S. Mikoshiba and S. Murayama, Appl. Phys. Lett. 37, 529 (1980) 

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