대기압 플라즈마 제트 장치의 유량 변화에 대한 플라즈마 방전 특성을 실험적으로 조사하고 이를 유체역학적으로 해석하였다. 유리관에 주입되는 아르곤 기체의 유량 변화에 대한 레이놀즈 수(Re)로 결정되는 기체 흐름의 형태 변화와 베르누이 정리에 의한 압력 변화가 플라즈마 발생에 영향을 준다. 유리관 내부에 발생하는 플라즈마의 길이 변화의 실험을 통하여, 아르곤 기체에 대한 레이놀즈 수가 Re<2,000이면 층류이고, Re>4,000이면 난류가 형성된다. 이는 일반 유체에서 알려진 결과와 일치한다. 층류에서 유량의 증가로 플라즈마의 길이가 증가한다. 층류와 난류의 전환 영역에서 플라즈마의 길이는 줄어든다. 난류 영역에서는 방전 기체의 흐름이 불규칙함으로서 방전 경로가 흐트러져 플라즈마 칼럼의 길이가 매우 짧아지고 급기야 플라즈마가 소멸된다. 층류에서 주입 유량의 증가로 유리관 내의 유속이 증가하면, 베르누이 정리에 의하여 유리관 내부의 압력이 낮아진다. 관내의 압력이 낮아지면, 파센 법칙에 의하여 관내의 전기장의 세기가 증가하여 방전 전압이 낮아진다. 따라서 주입 유량이 증가하면, 동일한 구동 전압에서 유리관에 발생하는 플라즈마의 길이는 길어진다. 층류의 방전은 유리관 밖에서도 층류의 흐름이 일정 길이로 유지되므로 시료 표면에 조사되는 플라즈마 빔의 직경은 유리관의 직경 이하로 유지된다.
대기압 플라즈마 제트 장치의 유량 변화에 대한 플라즈마 방전 특성을 실험적으로 조사하고 이를 유체역학적으로 해석하였다. 유리관에 주입되는 아르곤 기체의 유량 변화에 대한 레이놀즈 수(Re)로 결정되는 기체 흐름의 형태 변화와 베르누이 정리에 의한 압력 변화가 플라즈마 발생에 영향을 준다. 유리관 내부에 발생하는 플라즈마의 길이 변화의 실험을 통하여, 아르곤 기체에 대한 레이놀즈 수가 Re<2,000이면 층류이고, Re>4,000이면 난류가 형성된다. 이는 일반 유체에서 알려진 결과와 일치한다. 층류에서 유량의 증가로 플라즈마의 길이가 증가한다. 층류와 난류의 전환 영역에서 플라즈마의 길이는 줄어든다. 난류 영역에서는 방전 기체의 흐름이 불규칙함으로서 방전 경로가 흐트러져 플라즈마 칼럼의 길이가 매우 짧아지고 급기야 플라즈마가 소멸된다. 층류에서 주입 유량의 증가로 유리관 내의 유속이 증가하면, 베르누이 정리에 의하여 유리관 내부의 압력이 낮아진다. 관내의 압력이 낮아지면, 파센 법칙에 의하여 관내의 전기장의 세기가 증가하여 방전 전압이 낮아진다. 따라서 주입 유량이 증가하면, 동일한 구동 전압에서 유리관에 발생하는 플라즈마의 길이는 길어진다. 층류의 방전은 유리관 밖에서도 층류의 흐름이 일정 길이로 유지되므로 시료 표면에 조사되는 플라즈마 빔의 직경은 유리관의 직경 이하로 유지된다.
The influence of gas flow on the plasma generation in the atmospheric plasma jet is described with the theory of hydrodynamics. The plasma discharge is affected by the gas-flow streams with Reynolds number (Re) as well as the gas pressure with Bernoulli's theorem according to the gas flow rate inser...
The influence of gas flow on the plasma generation in the atmospheric plasma jet is described with the theory of hydrodynamics. The plasma discharge is affected by the gas-flow streams with Reynolds number (Re) as well as the gas pressure with Bernoulli's theorem according to the gas flow rate inserted into the glass tube. The length of plasma column is varied with the flow types such as the laminar flow of Re4,000 as it has been known in a general fluid experiments. In the laminar flow, the plasma column length is increased as the increase of flow rate. Since the pressure in the glass tube becomes low as the increase of flow velocity by the Bernoulli's theorem, the breakdown voltage of plasma discharge is reduced by the Paschen's law. Therefore, the plasma length is increased as the increasing flow rate with the fixed operation voltage. In the transition of laminar and turbulent flows, the plasma length is decreased. When the flow becomes turbulent as the flow rate is increasing, the plasma length becomes short and the discharge is shut down ultimately. In the discharge of laminar flow, the diameter of plasma beam exposed on the substrate surface is kept less than the glass diameter, since the gas flow is kept to the distinct distance from the nozzle of glass tube.
The influence of gas flow on the plasma generation in the atmospheric plasma jet is described with the theory of hydrodynamics. The plasma discharge is affected by the gas-flow streams with Reynolds number (Re) as well as the gas pressure with Bernoulli's theorem according to the gas flow rate inserted into the glass tube. The length of plasma column is varied with the flow types such as the laminar flow of Re4,000 as it has been known in a general fluid experiments. In the laminar flow, the plasma column length is increased as the increase of flow rate. Since the pressure in the glass tube becomes low as the increase of flow velocity by the Bernoulli's theorem, the breakdown voltage of plasma discharge is reduced by the Paschen's law. Therefore, the plasma length is increased as the increasing flow rate with the fixed operation voltage. In the transition of laminar and turbulent flows, the plasma length is decreased. When the flow becomes turbulent as the flow rate is increasing, the plasma length becomes short and the discharge is shut down ultimately. In the discharge of laminar flow, the diameter of plasma beam exposed on the substrate surface is kept less than the glass diameter, since the gas flow is kept to the distinct distance from the nozzle of glass tube.
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문제 정의
베르누이의 정리에서 유력이 증가하면 유리관 내부의 압력이 낮아지고, 유속이 감소하면 내부 압력이 높아진다. 대기압 플라즈마 제트의 유리관 내부의 압력 변화가 플라즈마 방전에 미치는 영향을 살펴본다.
본 논문에서 대기압 플라즈마 제트의 주입 기체의 유량 변화에 대한 플라즈마 방전 특성을 규명하였다. 유량 변화에 대한 레이놀즈 수로 주어지는 종래의 유체 흐름의 변화인 층류와 난류의 흐름 변화가 플라즈마 발생에 영향을 준다.
그러나 일반적인 유체에서 층류의 임계값은 Re=(2,000∼2,300)의 범위에서 통용되고 있다 [11-16]. 본 논문에서는 유체 흐름의 형태 변화에 대한 대기압 플라즈마 제트의 방전에 미치는 영향을 실험적으로 조사한다.
인버터의 출력은 최대 5 kV이며, 주파수는 수십 kHz인 사인파형의 전압이다. 본 실험에서는 플라즈마 방전 전압과 플라즈마 방출 전류의 관계를 얻기 위하여 제트 장치 끝의 일정한 거리에 수직 하게 시료대를 설치하였다. 시료대는 석영판 위에 금속 시트를 부착하여 접지하고 전류를 계측한다.
특히, 유량 변화에 대한 제트 장치의 영향에 대한 분석 없이 실험적으로 적절한 값을 선택하고 있다. 본 연구는 유량 변화에 대한 플라즈마 제트의 방전을 유체역학적으로 이해하고자 한다. 레이놀즈 수(Reynolds number)로 주어지는 유체 흐름의 변화를 적용한다 [9].
본문의 1절에서는 주입 기체 유량에 따른 유체의 흐름의 형태 변화와 플라즈마 제트 방전과의 관계를 조사한다. 유량 변화에 대한 플라즈마 제트의 튜브 내에서의 플라즈마 방출 길이 변화를 레이놀즈 상수와 관련된 유체 흐름으로 해석하고자 한다.
이 절에서는 시료 표면에서의 플라즈마 제트의 조사 반경의 변화를 살펴본다. 앞 절에서 플라즈마 제트 장치에 주입하는 유량의 범위는 유리관 내부에 주입 기체의 안정된 흐름인 층류가 되는 값을 선택한다.
이러한 층류의 범위에서 플라즈마 제트의 방출 길이의 조절이 용이하다. 이 절에서는 주입 기체의 유량 변화에 대한 플라즈마 제트의 시료 표면에서의 조사 직경 변화를 측정한다. 실험 장치는 Fig.
플라즈마 제트 장치에 주입하는 기체의 유량에 따라서 방전공간에서 기체 흐름의 형태가 결정된다. 이러한 기체의 흐름이 방전에 미치는 영향을 분석하고, 그 결과와 유체역학적인 연관성을 조사한다. 유체의 흐름은 층류(Laminar flow)와 난류(Turbulent flow)로 구분된다.
제안 방법
그리고 베르누이 정리(Bernoulli's theorem)와 관련하여 유속에 대한 튜브 내의 압력 변화 [10]가 방전에 미치는 영향을 조사한다.
이 절에서는 유량 변화에 대한 유리관 내부의 압력 변화를 베르누이 정리에 의하여 살펴본다. 그리고 유리관 내부의 압력 변화에 따라서 방전 전압의 변화를 계측한다. 실험 결과의 방전전압의 변화를 파센 법칙을 적용하여 해석한다.
대기압 플라즈마 제트에서 유량 및 유속의 변화에 대한 방전 특성을 조사하였다. 주입 기체의 유량에 대한 유속의 변화와 이에 대한 레이놀즈 수로 구분되는 기체 흐름의 형태 변화가 방전에 영향을 준다.
본 실험에서는 플라즈마 방전 전압과 플라즈마 방출 전류의 관계를 얻기 위하여 제트 장치 끝의 일정한 거리에 수직 하게 시료대를 설치하였다. 시료대는 석영판 위에 금속 시트를 부착하여 접지하고 전류를 계측한다. 인버터 출력단에 안전 캐패시터 33 pF을 부착한다.
6은 방전 개시 전압의 측정 결과이다. 실온 25℃에서, 아르곤 가스 유량을 0에서 5 lpm으로 조절하여 플라즈마 제트 점화 전압을 측정하였다. 그래프의 점들은 실험 데이터이고, 이들 실험값의 평균치를 실선으로 나타내었다.
본문의 1절에서는 주입 기체 유량에 따른 유체의 흐름의 형태 변화와 플라즈마 제트 방전과의 관계를 조사한다. 유량 변화에 대한 플라즈마 제트의 튜브 내에서의 플라즈마 방출 길이 변화를 레이놀즈 상수와 관련된 유체 흐름으로 해석하고자 한다. 2절에서는 플라즈마 제트의 실린더형 튜브 내에서 유체 속도에 대한 압력 변화와 방전 전압의 관계를 조사한다.
직경 2 mm인 유리관 밖으로 조사되는 플라즈마 제트의 시료대에서의 플라즈마 빔의 조사 직경의 변화를 관측하였다. 층류 영역에서 유량과 전류량의 증가에 대하여 시료대에서의 조사 면적이 다소 증가한다.
대상 데이터
플라즈마 제트 장치의 전극은 원통형 금속 재질의 주사기용 바늘을 사용한다 [17,18]. 바늘 전극은 외경 1.47 mm, 내경 1.07 mm, 그리고 길이 30 mm이다. 바늘 전극을 유리관에 삽입한다.
2와 유사 하다. 바늘 전극은 외경 1.47 mm, 내경 1.07 mm, 길이 30 mm이다. 바늘 전극을 유리관에 삽입한다.
유리관은 외경 4 mm, 내경 2 mm이다. 유리관 내부의 플라즈마 발생 길이 관측하기 위하여 길이 43 cm인 유리관을 사용한다. 바늘 끝으로부터 유리관의 길이는 40 cm이다.
바늘 전극을 유리관에 삽입한다. 유리관은 외경 4 mm, 내경 2 mm이다. 유리관 내부의 플라즈마 발생 길이 관측하기 위하여 길이 43 cm인 유리관을 사용한다.
바늘 전극을 유리관에 삽입한다. 유리관은 외경4 mm, 내경 2 mm, 그리고 길이 35 mm을 사용한다. 바늘 전극의 뒤쪽 끝은 테프론 튜브를 삽입하여 방전 기체를 주입한다.
이론/모형
그리고 유리관 내부의 압력 변화에 따라서 방전 전압의 변화를 계측한다. 실험 결과의 방전전압의 변화를 파센 법칙을 적용하여 해석한다.
층류 영역에서 플라즈마의 길이 변화는 유체에 대한 베르누이 정리와 압력과 방전 전압의 관계인 파센 법칙으로 해석된다. 층류에서 유속 증가는 베르누이 정리에 의하여 유리관 내부의 압력이 낮아진다.
성능/효과
층류인 Re＜2,222에서는 전압의 감소율이 커지고, 난류로 전환되는 Re＞2,222에서는 전압의 감소율이 다소 둔화된다. 방전 개시 전압의 측정 실험을 통하여 층류와 난류가 방전에 영향을 미친다는 것이 확인된다.
주입 기체의 유량에 대한 유속의 변화와 이에 대한 레이놀즈 수로 구분되는 기체 흐름의 형태 변화가 방전에 영향을 준다. 방전 전압을 일정하게 유지하고 유량을 변화하여 유리관 내부에 발생된 플라즈마의 길이를 관측하는 실험을 통하여, 플라즈마의 길이 변화는 레이놀즈 수로 주어지는 층류와 난류의 변화에 의한 것임을 확인하였다. 유량의 증가에 대한 플라즈마의 길이가 증가하는 레이놀즈 수의 영역은 Re=(2,000∼2,300)이다.
그리고 Q=5 lpm 이상에서는 플라즈마 제트의 길이는 전극 끝부분에 국한되며, 그 이상에서는 방전이 정지된다. 본 실험에서 대개 2 lpm 이하의 낮은 유량에서 기체 흐름의 소음이 없고 플라즈마 제트의 방출도 안정적이다. 유량이 3 lpm 넘으면 기체 흐름에서 소음이 발생하고 플라즈마 제트의 방출이 불안정하여 길이 변화도 크다.
플라즈마 길이 변화의 실험 결과는 일반적인 유체 흐름의 레이놀즈 수의 영역인 Re＜2,000에서 층류, 전환영역 2,000∼4,000, 그리고 Re＞4,000에서 난류의 영향이 반영됨을 확인한다.
후속연구
유량 변화에 대한 레이놀즈 수로 주어지는 종래의 유체 흐름의 변화인 층류와 난류의 흐름 변화가 플라즈마 발생에 영향을 준다. 이 실험의 결과로 그동안 잘 알려지지 않은 유량 변화에 대한 방전 특성을 이해함으로서 대기압 플라즈마 제트 장치의 설계에 유용하게 활용될 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대기압 플라즈마 제트는 어디에 응용되고 있는가?
대기압 플라즈마 제트는 디스플레이 및 반도체 공정, 그리고 재료 표면 개질 등에 응용되고 있다. 최근에는 살균 및 멸균과 생체 응용에 대한 연구가 보고되고 있다 [1-4].
플라즈마 제트를 인체 조직에 조사하는 경우 무엇이 필요한가?
응용 대상에 따라서 플라즈마 제트의 특성에 대한 요구가 달라진다. 플라즈마 제트를 인체 조직에 조사하는 경우, 적절한 플라즈마 방출 길이가 요구되고 전기적 쇼크의 방지가 필요하다. 살균과 멸균에 적용하기 위하여 플라즈마 방출량의 조정이 요구된다.
종래의 도핑공정에 사용하는 고가의 진공 소성로나 레이저 장비를 대처하기 위하여 플라즈마 제트가 제안되고 있는 이유는?
종래의 도핑공정에 사용하는 고가의 진공 소성로나 레이저 장비를 대처하기 위하여 플라즈마 제트가 제안되고 있다. 이는 저비용의 공정으로 전면 도핑 및 부분 도핑이 모두 가능하기 때문이다[5-7]. 이와 같이 대기압 플라즈마 제트를 웨이퍼의 전면 도핑이나 혹은 국부적인 도핑에 적용하기 위하여 플라즈마의 방출량이나 전류량을 제어하는 기술이 중요하다 [8].
참고문헌 (19)
G. Cho, H. Lim, J. H. Kim, D. J. Jin, G. C. Kwon, E. H. Choi, and H. S. Uhm, IEEE Transactions on Plasma Science 39, 1234 (2011).
G. Fridman, M. Peddinghaus, H. Ayan, A. Fridman, M. Balasubramanian, A. Gutsol, A. Brooks, and G. Friedman, Plasma Chemistry and Plasma Processing 26, 425 (2006).
J. Hermann, M. Benfarah, S. Bruneau, E. Axente, G. Coustillier, T. Itina, J. F. Guillemoles, and P. Alloncle, Journal of Physics D: Applied Physics 39, 453 (2006).
J. Y. Jeong, Y. J. Kim, M. K. Lee, G. H. Han, H. C. Kim, D. J. Jin, J. H. Kim, E. H. Choi, H. S. Uhm, and G. S. Cho, Journal of the Korean Physical Society 61, 557 (2012).
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