[논문]비이송식 플라즈마 토치 구조에 따른 열 플라즈마 특성 시험

정안목; 전의식

비이송식 플라즈마 토치 구조에 따른 열 플라즈마 특성 시험
An Experimental Analysis on the Thermal Plasma Characteristics to the Geometry in Non-Transferred Torch 원문보기

반도체및디스플레이장비학회지 = Journal of the semiconductor & display equipment technology, v.8 no.4, 2009년, pp.89 - 94

정안목 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 전의식 (공주대학교 기계자동차 공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The influence on a stability of thermal plasma has been investigated in an electrode structure of non-transferred plasma torch. The variations of dynamic characteristic of the arc voltage was analyzed and compared in terms of voltage character and nozzle types for both the step-shaped nozzles and magnetic-approved cylindrical nozzle. From the experimental results, an electrode gap, flow rate of arc gas, and currents are considered as major operational parameters. As conclusion, it was assured that a torch with step-shaped nozzles of magnetic-approved type produce the stable plasma jet.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문에서는 노즐의 형상에 따른 아크 안정화에 대한 연구를 통해 설계 파라미터를 도출하여 보다 안정된 플라즈마 제트를 생성하고자 한다. 이를 위하여 노즐 형상을 설계 파라미터로 정하고, 도출된 설계 파라미터에 의해 제작된 자장인가방식의 다단형 노즐과 원통형 노즐을 대상으로 세 가지 운전변수인 전극 간격, 아크 기체의 유량, 전류량에 따른 전압 특성과 노즐 형태에 따라 아크 전압의 동적 특성 변화를 분석하고, 토치의 설계 변수와 공정 변수간의 관계를 실험을 통해 정량적으로 규명하고자 한다.
이 고유한 주파수와 진폭을 갖는 아크 전압의 요동은 플라즈마 제트를 시간 및 공간적으로 매우 균일하지 못하게 만드는 요인으로 작용하게 된다. 이를 해결하기 위해 전술한 바와 같이 안정한 플라즈마 제트를 발생시켜 공정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 수립하기 위하여, 본 연구에서는 자장인가방식의 다단형 구조의 노즐을 갖는 비이송식 플라즈마 토치를 제작하였다. 양극 노즐을 다단 전극형태로 채용한 것은 플라즈마 외부영역 가스의 이온화율과 전기전도도를 낮게 하여 플라즈마 기둥의 센터영역에 방전전류가 집중하게 되도록 하기 위해서이다.

제안 방법

본 연구에서는 우선 세 가지의 운전 변수에 따른 방전특성 실험을 한 후, 설계 변수인 노즐의 형태에 따른 아크의 동적 특성 실험을 수행하였다.
4와 같은 구조를 가지며 구체적인 설계변수는 Table 2와 같다. 아크 플라즈마 발생 장치는 토치 내에서 조절이 가능한 음극과 양극노즐의 전극 간격, 사용되는 아크 기체의 유량, 그리고 정전류 방식의 전원장치로부터 공급되는 전류량의 세 가지 운전 변수를 가지고 서로 독립적으로 조절이 가능하도록 하였다.
열 플라즈마 제트의 요동을 줄이고 안정한 열 플라즈마 제트를 발생시키기 위하여, 제작한 자장인가방식의 다단형 노즐을 장착한 비이송식 플라즈마 토치를 대상으로 방전 특성 실험을 하고, 원통형 노즐의 구조를 갖는 원통형 토치와 아크의 동적 거동에 관하여 상호 비교 분석하였다.
원통형 노즐과 자장인가방식의 다단형 노즐에 대하여 유량 변화, 전극 간격을 조절하면서 방전 특성 실험을 하였다. Fig.
토치 내부에서는 지속적인 아크 방전의 변화가 일어나며 이러한 아크 방전 고유의 동적 변화는 열 플라즈마 제트 특성을 시간과 공간적으로 변화시켜 토치를 이용하는 공정의 신뢰도와 균일성을 저하시키는 요인으로 작용한다. 이러한 아크의 동적 변화를 측정하기 위해 전극 구조에 따라 아크 흔들림이 어떻게 발생하는지를 알아보기 위하여 10 msec 동안 아크의 전압을 디지털스토리지 오실로스코프로 측정하였다.
본 논문에서는 노즐의 형상에 따른 아크 안정화에 대한 연구를 통해 설계 파라미터를 도출하여 보다 안정된 플라즈마 제트를 생성하고자 한다. 이를 위하여 노즐 형상을 설계 파라미터로 정하고, 도출된 설계 파라미터에 의해 제작된 자장인가방식의 다단형 노즐과 원통형 노즐을 대상으로 세 가지 운전변수인 전극 간격, 아크 기체의 유량, 전류량에 따른 전압 특성과 노즐 형태에 따라 아크 전압의 동적 특성 변화를 분석하고, 토치의 설계 변수와 공정 변수간의 관계를 실험을 통해 정량적으로 규명하고자 한다.
또한, 다단 형태의 양극노즐을 형성함으로써 계단 후방 영역의 유체 역학적 특성으로 노즐 내벽을 따라 외부에서 주입된 차가운 기체가 균일한 절연 층을 형성하는 것을 방해하게 되어, 결과적으로 아크와 양극 노즐 내벽간의 절연 전압을 생성시킨다[11]. 이를 통해 평균 아크 기둥방향으로의 아크점 운동 영역을 제한함으로써 아크 끊어짐에 의한 아크 전압의 요동 폭을 줄여 안정한 플라즈마 제트를 발생시킬 수 있어 플라즈마 공정의 신뢰도와 재현성을 향상시킬 수 있도록 설계 하였다.

성능/효과

플라즈마 발생장치의 주요 운전 변수인 전극 간격, 전류량, 아크 기체의 유량율의 변화에 따른 아크 전압 특성은 세 가지 운전 변수 중 전극 간격과 아크 기체 유량율에 관련이 있으며, 이 중 전극 간격의 영향이 더 크다는 것을 확인하였다. 그리고 세 가지 운전 변수의 동일한 조건하에서는 자장인가방식의 다단형 토치가 원통형 토치보다 더 높은 전압을 나타내어 저전류-고전압 운전이 가능함을 확인하였다. 또한, 아크의 동적 변동을 진단하기 위해 수행된 실험을 통해 자장인가방식의 다단형 구조의 노즐을 갖는 토치의 전극 간격이 가까울수록 아크 요동 폭을 줄일 수 있음을 확인하였다.
따라서, 플라즈마 안정화를 위한 토치 설계변수와 공정변수간의 관계를 규명하였으며, 자장인가 방식의 다단형 노즐 구조의 토치가 원통형 노즐 구조의 토치에 비해 안정한 플라즈마 제트를 생성시킴을 확인하였다.
그리고 세 가지 운전 변수의 동일한 조건하에서는 자장인가방식의 다단형 토치가 원통형 토치보다 더 높은 전압을 나타내어 저전류-고전압 운전이 가능함을 확인하였다. 또한, 아크의 동적 변동을 진단하기 위해 수행된 실험을 통해 자장인가방식의 다단형 구조의 노즐을 갖는 토치의 전극 간격이 가까울수록 아크 요동 폭을 줄일 수 있음을 확인하였다.
즉, 전류의 증가는 옴의 법칙에 의해 직접적으로 전압을 증가시키는 요인이 되지만 그와 동시에 아크 기둥의 단면적을 확장시키고, 플라즈마의 온도상승에 기여하여 전기 전도도 및 전류 밀도를 증가시키는 결과를 가져온다. 본 실험에서는 아크 전류의 증가에 의한 아크 전압의 증감 요인이 서로 상쇄되어 그 변화가 미약하게 나타난 것으로 판단된다. Fig.
이는 아크 전류의 변화가 다른 운전 변수에 비해 조금 더 복잡한 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 즉, 전류의 증가는 옴의 법칙에 의해 직접적으로 전압을 증가시키는 요인이 되지만 그와 동시에 아크 기둥의 단면적을 확장시키고, 플라즈마의 온도상승에 기여하여 전기 전도도 및 전류 밀도를 증가시키는 결과를 가져온다. 본 실험에서는 아크 전류의 증가에 의한 아크 전압의 증감 요인이 서로 상쇄되어 그 변화가 미약하게 나타난 것으로 판단된다.
플라즈마 발생장치의 주요 운전 변수인 전극 간격, 전류량, 아크 기체의 유량율의 변화에 따른 아크 전압 특성은 세 가지 운전 변수 중 전극 간격과 아크 기체 유량율에 관련이 있으며, 이 중 전극 간격의 영향이 더 크다는 것을 확인하였다. 그리고 세 가지 운전 변수의 동일한 조건하에서는 자장인가방식의 다단형 토치가 원통형 토치보다 더 높은 전압을 나타내어 저전류-고전압 운전이 가능함을 확인하였다.

후속연구

그러나 저전류-고전압 운전이 가능한 하나의 방법으로써 전극 침식의 효과를 줄일 수 있는 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열 플라즈마란?	열 플라즈마란 열평형 상태에 있는 플라즈마 를 말하지만 엄밀히 물리적으로 정의된 열평형을 의미하는 것이 아니고, 국소 열평형(local thermal equilibrium)상태의 플라즈마를 말한다[1]. 이러한 열 플라즈마는 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖으며, 열 플라즈마의 특성을 이용하면 재래식 기술에서는 얻을 수 없는 다양한 적용 특성과 효율적 에너지 순환이 가능하다.
	전극 간격의 길이가 증가함에 따라 플라즈마의 저항 성분이 증가하게 되어 전류를 고정 하여도, 전압이 증가하는 이유는?	6에서 나타낸 바와 같이 전극 간격의 변화가 유량변화보다 아크 전압에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 일반적으로 전도체의 저항치는 저항체의 단면적 A와 전기 전도도 σ에 반비례하고 길이 l에 비례한다. 이는 전극 간격의 길이가 증가함에 따라 플라즈마의 저항 성분이 증가하게 되어 전류를 고정 하여도, 전압이 증가하는 결과를 볼 수 있다.
	열 플라즈마의 특성은?	열 플라즈마란 열평형 상태에 있는 플라즈마 를 말하지만 엄밀히 물리적으로 정의된 열평형을 의미하는 것이 아니고, 국소 열평형(local thermal equilibrium)상태의 플라즈마를 말한다[1]. 이러한 열 플라즈마는 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖으며, 열 플라즈마의 특성을 이용하면 재래식 기술에서는 얻을 수 없는 다양한 적용 특성과 효율적 에너지 순환이 가능하다. 운전 조건의 미세한 조절이 용이하고, 환경오염이 적어서 고부가가치의 플라즈마 용사, 신소재 합성, 화학증착 등의 소재공정 분야에서 다양하게 적용할 수 있다.

참고문헌 (11)

S.-M. Oh, D.-W. Park, “Thermal Plasma Process for
B.-L. Choi, W.-T. Ju, “Development of a Plasma Torch
John Peters, “Effect of Torch Design and Operating
T.-J. Lho, S.-J. Lha, “Arc Efficiency and Kerf Width
Zheng Duan, “Investigations of Plasma Instabilities
Y.-W. Bang, D.-J. Choi, H.-S. Chang, J.-S. Yang,
J.-B. Kim, M.-S. Shin, J.-H. Kim, S.-Y. Kim, H.-J.
J. Zierhut, P. Haskbeck, K.D. Landes, G. Barkezat,
J.-H. Moon, Youn J, Kim J.-H. Han, Optimal Design
J.F. Coudert, M.P. Planche, P. Fauchais, Characterization

상세보기
M.F. Zhukov, Electric arc generators of thermal

상세보기

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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

연합인증