[논문]상압 플라즈마의 광 방출 스펙트럼 특성조사에 관한 연구

박성진

doi:10.5207/jieie.2013.27.2.077

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In this study, we aimed to determine the optical properties of the plasma used for the dry cleaning method. The optical properties of the atmospheric pressure plasma device were measured through the degree of ionization of hydrogen or nitrogen gas by ionized atmospheric gas. The degree of ionization...

In this study, we aimed to determine the optical properties of the plasma used for the dry cleaning method. The optical properties of the atmospheric pressure plasma device were measured through the degree of ionization of hydrogen or nitrogen gas by ionized atmospheric gas. The degree of ionization of hydrogen or nitrogen is closely associated with surface modification. We observed through our experiments that argon gas, an atmospheric gas, caused an increase in the ionization of nitrogen gas, which has similar ionization energy. This type of increase in nitrogen gas ions is believed to affect surface modification. The results of our study show that the pressure of argon gas and the partial pressure of argon and nitrogen gases lead to different results. This important result shows that argon ions can affect the ionization of nitrogen gas.

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문제 정의

최근에는 교류전원을 이용한 DBD(Dielectic Barrier Discharge)방식[9]의 대기압 플라즈마 생성에 대한 연구가 이루어지고 있으며 본 연구에서도 이러한 기술을 바탕으로 교류전원(13.56MHz)을 이용한 DBD 플라즈마 헤더를 제작하여 그 광특성을 연구하였다.
실험은 공급되는 아르곤 가스의 압력에 대하여, 아르곤 가스와 질소가스의 분압에 대하여, 그리고 입력되는 에너지에 따라서 실험하였다. 이것은 아르곤이 온에 의하여 전리되는 질소이온의 양과 공급되는 아르곤기체의 양이 질소이온화에 미치는 영향 등에 대해서 연구하기 위함이다.
본 연구에서는 재작된 플라즈마 장치에 대한 광 방출 특성을 조사하였다. 공급되는 분위기 가스인 아르곤 가스에 의하여 질소가스가 이온화되며, 이때 이온화되는 정도를 방출되는 광의 세기와 비례한다고 생각한다.

제안 방법

본 연구를 위하여 제작된 플라즈마 발생장치는 다음 그림 1과 같다. 실험을 위하여 기존의 플라즈마 장치를 사용하지 않고 전극 간격의 조정이 용이한 새로운 형태의 플라즈마 장치를 개발하였다.
그림 1에서 보는바와 같이 1차전극(3)과 2차전극 사이에 가스 공급 홀(2)을 만들어 1차전극과 2차전극 사이에 공급되는 교류 에너지를 받아 공급되는 아르곤 가스가 이온화되도록 구성하였다. 사용된 전극들은 알루미늄을 사용하였으며, 1차전극과 2차전극의 절연체로는 테플론과 세라믹을 사용하였다.
사용된 전극들은 알루미늄을 사용하였으며, 1차전극과 2차전극의 절연체로는 테플론과 세라믹을 사용하였다. 두 절연체에 의한 차이는 미미하였으며, 두 전극의 간격을 2.5mm 로 고정하였으며, 3차전극과의 간격은 4mm로 고정하여 실험을 진행하였다.
앞의 실험 장치들을 이용하여 제작된 대기압 플라즈마 장치의 특성에 대하여 조사하였다. 그림 6은 제작한 대기압 플라즈마에서 방출되는 광 스펙트럼 사진이다.
실험은 공급되는 아르곤 가스의 압력에 대하여, 아르곤 가스와 질소가스의 분압에 대하여, 그리고 입력되는 에너지에 따라서 실험하였다. 이것은 아르곤이 온에 의하여 전리되는 질소이온의 양과 공급되는 아르곤기체의 양이 질소이온화에 미치는 영향 등에 대해서 연구하기 위함이다.
그래서 공급되는 아르곤 가스의 양에 대하여, 공급 되는 질소가스의 분압에 대하여, 그리고 입력 에너지에 대하여 각각 방출되는 광 스펙트럼의 세기를 조사 하였다.

대상 데이터

사용된 스펙트로미터는 Avantes사의 장비를 사용하였으며, 파장분석 영역은 200nm∼1100nm이다.
그림 1에서 보는바와 같이 1차전극(3)과 2차전극 사이에 가스 공급 홀(2)을 만들어 1차전극과 2차전극 사이에 공급되는 교류 에너지를 받아 공급되는 아르곤 가스가 이온화되도록 구성하였다. 사용된 전극들은 알루미늄을 사용하였으며, 1차전극과 2차전극의 절연체로는 테플론과 세라믹을 사용하였다. 두 절연체에 의한 차이는 미미하였으며, 두 전극의 간격을 2.
그림 2에서는 플라즈마 헤더에 가스를 공급하기 위한 가스공급시스템을 보인 것이다. 사용된 MFC (Mass Flow Controller)는 Kofloc사의 3660모델을 사용하였으며, 이 MFC는 1sccm에서 5slm의 가스량을 조절할 수 있는 장치이다.
그림 3에서 보는바와 같이 플라즈마 장치에 교류전원을 인가하기 위하여 교류전원장치(YSR-06MF, 600W, 13.56MHz)를 사용하였으며, 이 전원의 입력전원을 400W까지의 변화시키면서 실험을 진행하였다.

성능/효과

그림 7에서 나타난 바와 같이 309nm와 337nm 그리고 357nm에 광 발출 스펙트럼이 선명하게 나타나 있다. 이러한 광 방출 특성은 입력되는 에너지에 따라 점차 크게 나타나는 것을 실험을 통하여 알 수 있었다.
우선 이르곤 가스를 5slm 정도 공급하면서 100W에서 아르곤이온과 질소이온이 발생되는 것을 확인하였다. 아르곤이온의 특성 스펙트럼 라인인 309nm와 337nm 그리고 357nm이 나타났다.
그리고 질소이온의 광 방출 스펙트럼인 309nm와 337nm 그리고 357nm도같이 나타났다. 위의 결과로 볼 때 아르곤 기체가 이온화되면서 비슷한 전리에너지를 가지고 있는 질소를 이온화시켰다는 것을 알 수 있었다. 분위기 가스인 아르곤 가스의 공급량을 2.
위의 결과로 볼 때 아르곤 기체가 이온화되면서 비슷한 전리에너지를 가지고 있는 질소를 이온화시켰다는 것을 알 수 있었다. 분위기 가스인 아르곤 가스의 공급량을 2.5slm에서 5slm까지 변화하면서 아르곤이온의 광 방출 스펙트럼을 측정한 결과 아르곤 가스의 양이 커질수록 전리되는 아르곤기체의 양이 커짐을 알 수 있었다. 아르곤 기체에 혼합하여 공급한 질소기체의 양을 변화해 가면서 조사한 질소이온의 광 방출 스펙트럼의 강도 조사에서는 공급되는 질소가스의 양이 커질수록 전리되는 질소이온의 양이 많아짐을 방출되는 질소이온의 광 스펙트럼의 세기를 통하여 알 수 있었다.
5slm에서 5slm까지 변화하면서 아르곤이온의 광 방출 스펙트럼을 측정한 결과 아르곤 가스의 양이 커질수록 전리되는 아르곤기체의 양이 커짐을 알 수 있었다. 아르곤 기체에 혼합하여 공급한 질소기체의 양을 변화해 가면서 조사한 질소이온의 광 방출 스펙트럼의 강도 조사에서는 공급되는 질소가스의 양이 커질수록 전리되는 질소이온의 양이 많아짐을 방출되는 질소이온의 광 스펙트럼의 세기를 통하여 알 수 있었다.
본 연구를 통하여 공급되는 아르곤 가스의 양과 혼합되는 질소가스의 양이 이온화되는 정도에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 앞으로 제작된 플라즈마 장치를 활용하기 위하여 처리된 시료에 대한 접촉각을 조사함으로써 시용하는 혼합가스의 종류에 따른 친수화와 소수화의 특성이 조사되어야 한다.

후속연구

본 연구를 통하여 공급되는 아르곤 가스의 양과 혼합되는 질소가스의 양이 이온화되는 정도에 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다. 앞으로 제작된 플라즈마 장치를 활용하기 위하여 처리된 시료에 대한 접촉각을 조사함으로써 시용하는 혼합가스의 종류에 따른 친수화와 소수화의 특성이 조사되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이온화된 산소분자들은 어떻게 오존이 되는가?	코로나 방전은 침 전극이나 선, 도체 등에 직류 전원을 가하여 불균일 방전을 일으켜 부분적으로 플라즈마를 발생하는 장치와는 다르게 교류전원을 사용하는 상압 플라즈마의 경우에는 서로 마주보고 있는 전극 사이에 교류전원을 인가하면 전기장에 의하여 공급되는 반응가스 내의 전자는 높은 에너지로 가속되며, 이렇게 가속된 전자는 주위의 산소나 질소 분자들과 충돌 하여 이들을 이온화시킨다. 이러한 이온화된 산소분자 들은 불안정하여 주위의 전자들과 결합하여 산소 라디컬이 되거나 산소분자와 결합하여 오존이 된다[12-13]. 초기반응에서 이런 산소 라디컬과 오존은 탄화수소고리 끝의 탄소와 수소원자간의 결합을 끊어 표면에 묻어 있는 유기물들을 분해 하는 작용을 한다.
	상압 방식의 플라즈마 발생장치는 어떠한 방법을 대체할 수 있는 유일한 대안으로 제시되는가?	특히 이러한 상압 방식의 플라즈마 발생장치는 세정 효과가 뛰어나 현재 사용되고 있는 습식방법을 대체할 수 있는 유일한 대안으로 제시되고 있다. 이러한 플라즈마 세정은 습식에서 제거하기 어려운 유기물세정에 탁월한 효과가 있는 것으로 보고되고 있다.
	대기압 플라즈마를 이용한 표면 개질 효과는 의료분야에서 어떠한 목적으로 사용되는가?	특히 산업분야에서 의료분야로 까지 확대되면서 살균, 지혈, 박테리아 제거 등의 목적으로 사용되고 있다[1-3]. 대기압 상태에서의 RF 전원을 이용한 플라즈마 장치는 분위기 가스의 이온화를 통하여 공정가스를 이온화 시키는 과정을 거치게 된다.

참고문헌 (13)

M. Laroussi, "Low temperature plasma-based sterilization: Overview and state-of-the-art." Plasma Process. Polym., 2, 391-400, 2005.

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R. Brandenburg, J. Ehlbeck, M. Stieber, Th. von Woedtke, J. Zeymer, O. Schluter, and K. D. Weltmann, "Antimicrobial treatment of heat sensitive materials by means of atmospheric pressure rf-driven plasma jet." Contrib. Plasma Phys., 47, 72-79, 2007.

상세보기
K. D. Weltmann, R. Brandenburg, Th. von Woedtke, J. Ehlbeck, R. Foest, M. Stieber, and E. Kindel, "Antimicrobial treatment of heat sensitive products by miniaturized atmospheric pressure plasma jets" J. Phys. D : Appl. Phys., 41, 194008, 2008.

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K. G. Michlewicz, J. J. Uth, J. W. Carnahan, "A Microwave Induced Plasma System for the Maintenance of Moderate Power Plasmas of Helium, Argon, Nitrogen and Air" 40B, 493-499, 1985.
E, Poussel, J. M. Mermet, D. Deruaz, C. Beaugrand, Anal. Chem., "Evaluation of a microwave-induced plasma as a soft ionization source in mass spectrometry" 60, 923-927, 1988.

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W. L. Shem, R. D. Satzger, Anal. Chem., 63, 1960.
L. B. Leob, J. M. Meek, 1941.
Cecchi J. H., In Handbook of Plasma TEchnology, eds. Stephen M. Rossnagel, Jerome J. Cuomo, and William D. Westwood, p.14 Park Ridge, NJ : Noyes publication, 1990.
Francis G., Ionization Phenomena in Gases. London : Butterworths, 1960.
MacDonald A. D., and S. J. "High Frequency and Microwave Discharges, Chapter 3 in Gaseous Electronics", Vol-1 (Academic Press), 1978.
J.W.Coburn, R.A.Gottscho, D.W.Hess, "On the balance between silylene and silyl radicals in rf glow discharges in silane: The effect on deposition rates of aSi:H" J. Appl. Phys., 62, 2803-2811, 1897.
H. Conrads and M. Schmidt, "Plasma generation and plasma sources" Plasma Sources Sci. Technol., 9, 441-454, 2000.

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