[논문]이온 플레이팅용 장수명 플라즈마 건 장치의 개발

최영욱

[국내논문] 이온 플레이팅용 장수명 플라즈마 건 장치의 개발
Development of a Plasma Gun System for Ion Plating with Long Lifetime 원문보기

A hollow cathode which has extremely stable discharge characteristic has been developed. This is composed of the two separated lanthanum hexaboride(LaB6) of a disk type in the tube as the electron emitters. The way of design is of great advantage to extend the surface discharge area of the LaB6, which is also useful for optimal fixing of the LaB6. The hollow cathode is capable of producing 30 kW(100 V, 300 A) of power continuously. Because the generated plasma beam with the high temperature(above $3000^{\circ}C$) from the hollow cathode passes through the center hole of the two intermediate electrodes, it is designed with the high temperature material of the tungsten and the suitable structure of the water cooling. The combinations of the hollow cathode and the two intermediate electrodes are practically useful for the ion plating plasma beam source.

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러므로 본 연구에서는 LaB6 부분의 음극의 내구성 설계기술과 중간전극의 설계도 동시에 고려하여 장시간 안정적으로 운전할 수 있는 플라즈마 빔 발생장치의 개발에 역점을 두었다. 구체적으로는 탄소 대신 텅스텐을 사용하여 중간전극의 내구성 기술문제를 해결하는 데 많은 역점을 두었다.
본 연구에서는 대면적 고속 증착이 가능한 이온 플레이팅 장치에 적용하기 위해 중공 음극형 플라즈마 건과 중간전극을 30 kW급에서 사용할 수 있도록 관련기술 재료의 기초적 자료를 활용하여 설계 및 제작하고 500 시간을 운전 후 상태를 점검한 결과 거의 손상이 없는 결과를 얻었다. 그러므로 본 개발연구에서는 기존의 탄소를 사용한 플라즈마 건 시스템의 수명의 한계를 극복하고 기존보다 최소한 20배의 수명이 향상된 이온 플레이팅 장치의 기술 발전에 일조를 하였다고 사료된다.

제안 방법

있어서 외부 자장의 영향을 받게된다. 이 자장은 LaB6 표면에 수직방향으로 작용하고 이는 LaB에서 발생하는 전장의 방향과 일치하므로 방전의 발생과 유지에 방해가 되는 마그네트론 컷오프 (magnetron cutoff)의⑼ 영향을 받지 않도록 하였다.
이 부분의 기술은 종래에는 주로 탄소(흑연)을 사용하였는데 흑연을 사용하면 수명이 현저히 제한을 받아 1 달 정도의 장시간 운전에 사용할 수 없다. 특히 중간전극 1 부분의 입구는 가장 온도가 높아서 텅스텐 재료를 사용하고 수냉각을 적용하였다. 이 부분의 텅스텐 재료는 두께 1 mm, 길이 35mm이다.
중간전극의 설계시 장수명화를 위해 고려한 내용을 자세히 설명하기위해 그림 3에 탄소(흑연)와 텅스텐 재료의 증발률을 비교한 것을 보였다. 전반적으로 텅스텐의 증발률이 탄소보다 매우 적은 것을 알 수 있다.
본 플라즈마 건은 이온 플레이팅 장치에 적용하여 500 시간 이상 연속 운전을 하였다. 500 시간 연속운전 후 중공 음극과 중간전극에 거의 손상이 발생하지 않았다.

대상 데이터

있다. 이를 위한 대전류를 발생시키기 위해 사용하는 핵심 소자로는 이차전자 방줄계수가 큰 LaBe (lanthanum hexaboride) 를 사용한다[1-8]. 이 소자를 사용하면 1800°C 에서 40A/cm² 의 전류밀도를 발생하는 특성을 가지므로 직경 3~5 cm 의 원형 표면적으로도 수백 암페어의 전류를 쉽게 발생시킬 수 있어서 방출하는 고출력의 용량으로 재료를 증발시켜 높은 증착률을 얻을 수 있다.
그림 1 에는 2개를 적용한 예를 보였다. 사용한 LaB6는 외경 50 mm, 내경 10 mm, 두께 5 mm이다. 고온재료인 몰리브덴 워통은 내경 50 mm, 외경 56 mm, 두께 3 mm, 길이 140 mm로 하였고 직경 60 mm의 몰리브덴 봉재료를 선반으로 가공하여 제작하였다.
사용한 LaB6는 외경 50 mm, 내경 10 mm, 두께 5 mm이다. 고온재료인 몰리브덴 워통은 내경 50 mm, 외경 56 mm, 두께 3 mm, 길이 140 mm로 하였고 직경 60 mm의 몰리브덴 봉재료를 선반으로 가공하여 제작하였다.
LaB6재료는 디스크 형태로 제작하여 내부에 몰리브덴 원통형 지지장치로 고정하였다. 이렇게 고정하면 사용중 LaB6 가 열스트레스에 의해 균열이 생겨도 서로 맞물려 있는 상태로 유지하여 장시간 문제없이 사용할 수 있는 장점이 있다.
이렇게 고정하면 사용중 LaB6 가 열스트레스에 의해 균열이 생겨도 서로 맞물려 있는 상태로 유지하여 장시간 문제없이 사용할 수 있는 장점이 있다. 플라즈마 빔이 발생하여 나가는 구멍의 크기는 10 mm 로하고 이 부분은 온도가 매우 높기 때문에 융점이 3300°C 의 재료인 텅스텐을 사용하였다.
특히 중간전극 1 부분의 입구는 가장 온도가 높아서 텅스텐 재료를 사용하고 수냉각을 적용하였다. 이 부분의 텅스텐 재료는 두께 1 mm, 길이 35mm이다. 그리고 냉각수는 131/min로 하였다.
2 m이다. 권선은 두께 1 mm, 폭 10 mm의 동으로 309번 권선하였다. 코일에 흐르는 전류는 각각 최대 100 암페어를 흘릴 수 있도록 하였다.
플라즈마 건을 가동하기 위해 먼저 텅스텐 열 필라멘트에 70 암페어를 흘리면서 LaB6를 1800°C로 가열 후 아르곤 가스를 흘리며 400 V의 트리거 전압을 인가하면서 그 후 주 전원을 투입하여 플라즈마 빔을 발생시켰다. 주 전원으로 실험 전류는 최대 300 암페어까지 인가하였다.

성능/효과

이러한 연구결과는 실제로 대면적 고속증착용 이온 플레이팅 장치에 적용하는 것을 목표로 하였으며, 실제로 구상하고 설계한 것을 제작하여 연구실험 한 결과 장수명을 위한 기술적 문제를 상당히 해결하였음을 알 수 있었다.
그러므로 실험 결과는 이상과 같은 근거[1]로 계산한 결과와 일치함을 알 수 있다. 실험은 500 시간까지 진행하였지만 더 이상도 연속운전이 가능하고 1달도 (720시간) 가능함을 주정 할 수 있다.
그림 4로부터는 온도가 1500 〜 3000°C에서 재료의 증발비가 약 20-100 배로 나타난 것이 실제의 실험에서 타당함을 알 수 있었다. 그러므로 텅스텐을 사용한 결과 최소한 탄소를 사용할 때보다 20 배 이상의 수명을 가지는 것을 알 수 있다.
이상의 실험 결과로부터 중공 음극과 중간전극은 고온에서 잘 사용할 수 있도록 설계 및 제작되었음을 알 수 있었으며 바이어스 전압 loo V, 출력전류 300 암페어 즉, 30 kW의 출력을 가지는 반 영구적인 플라즈마 건 시스템을 이온플레이팅 장치로 적용이 가능한 것을 알 수 있었다.
그러므로 본 개발연구에서는 기존의 탄소를 사용한 플라즈마 건 시스템의 수명의 한계를 극복하고 기존보다 최소한 20배의 수명이 향상된 이온 플레이팅 장치의 기술 발전에 일조를 하였다고 사료된다.

후속연구

500 시간 연속운전 후 중공 음극과 중간전극에 거의 손상이 발생하지 않았다. 이러한 결과로부터 본 장치는 장시간 연속사용하는 이온 플레이팅 장치에 적용할 수 있다고 판단된다. 연속운전에 대해 자세히 설명하면 일단 LaB6가 1개 일 때보다 2 개일때 초기 방전에서 훨씬 안정되었고 이는 분리된 방전 공간과 LaB6의 표면적이 커진 영향 때문으로 사료된다.

원문 URL 링크

DBPia : 저널
AccessON : 저널

*원문 PDF 파일 및 링크정보가 존재하지 않을 경우 KISTI DDS 시스템에서 제공하는 원문복사서비스를 사용할 수 있습니다.

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

저작권 관리 안내

내보내기 메뉴

내보내기 구분

파일저장
인쇄
메일전송

구성항목

기본정보
상세정보

관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관

저장형식

Text(ASCII format)
Excel format
RefWorks Direct Export
RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley

메일정보

받는사람 (필수): @
보내는사람 (선택): @
제목
내용: KISTI 검색결과 이메일 서비스

안내

총 건의 자료가 검색되었습니다.

다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000)

검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다.

데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요)

다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다.
파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오.

Text(ASCII format)
Excel format

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

AI-Helper ※ AI-Helper는 을 사용합니다.

AI-Helper

안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

연합인증

[국내논문] 이온 플레이팅용 장수명 플라즈마 건 장치의 개발
Development of a Plasma Gun System for Ion Plating with Long Lifetime 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword