[논문]평면형 대기압 유전장벽방전장치의 제작 및 동작특성분석

이기융; 김동현; 이호준

doi:10.5370/kiee.2014.63.1.080

평면형 대기압 유전장벽방전장치의 제작 및 동작특성분석
Fabrication of Atmospheric Coplanar Dielectric Barrier Discharge and Analysis of its Driving Characteristics 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.1, 2014년, pp.80 - 84

이기융 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 김동현 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University) , 이호준 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The discharge characteristics of Surface Dielectric Barrier Discharge (SDBD) reactor are investigated to find optimal driving condition with adjusting various parameter. When the high voltage with sine wave form is applied to SDBD source, successive pulsed current waveforms are observed owing to multiple ignitions through the long discharge channel and wall charge accumulation on the dielectric surface. The discharge voltage, total charge between dielectrics, mean energy and power are calculated from measured current and voltage according to electrode gap and dielectric thickness. Discharge mode transition from filamentary to diffusive glow is observed for narrow gap and high applied voltage case. However, when the diffusive discharge is occurred with high applied voltage, the actual firing voltage is always lower than that with low driving voltage. The $Si_3N_4$, $MgF_2$, $Al_2O_3$ and $TiO_2$ are considered for dielectric protection and high secondary electron emission coefficient. SDBD with $MgF_2$ shows the lowest breakdown voltage. $MgF_2$ thin film is proposed as a protection layer for low voltage atmospheric dielectric barrier discharge devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 응용 면에서의 중요함 때문에 어떠한 과정으로 필라멘트 방전과 글로우 방전이 일어나는지, 그리고 어떻게 이를 제어할 수 있는지에 대한 연구가 진행되어 왔다[5-7]. 본 실험에서는 평면형 대기압 유전장벽방전장치의 전극간격, 유전체두께 그리고 유전체 보호층의 조건들을 변경하여 방전특성을 분석하고 이를 바탕으로 균일한 플라즈마를 얻고자 하였다.
본 연구에서는 12kHz의 고전압 정현파를 이용하여 평면형 대기압 유전장벽 방전장치의 형태, 전극간격, 유전체 두께 그리고 4종류의 유전체 보호막 재료에 따른 전기적 특성을 비교 연구함으로써 평면형 대기압 유전장벽 방전장치를 이용한 대기압 플라즈마에 대한 이해를 높이고 응용을 할 수 있는 발판을 마련했다.
그리고 기체의 밀도가 높아 평균 자유행정이 진공의 경우보다 매우 짧아 진공의 경우처럼 플라즈마가 잘 확산되지 못하고 특정 부분에서만 방전이 일어나는 특성이 있어 대기압 대면적 플라즈마 생성에 어려움이 있다[1]. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 평면형 대기압 유전장벽방전장치를 제작하여 방전특성을 분석하고, 이를 바탕으로 안정되고 균일한 플라즈마 소스 제작을 목표로 한다.
공정순서는 70×90 mm²의 유리 기판 윗면에 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 두께 1㎛로 알루미늄 전극을 형성하였고, 그 윗면에 유전체 두께에 따른 특성을 보기 위하여 프린트 방식으로 도포 높이를 달리하여 유전체를 도포하였다. 여기서 유전체의 목적은 방전 시 정해진 전하의 양을 제한하여 아크 방전으로의 전이를 막고 방전이 전극 전체로 퍼지도록 하는 것이다. 이 유전체 위에 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 Al₂O₃, MgF₂, Si₃N₄, TiO₂를 각각 코팅하였다.

제안 방법

공정순서는 70×90 mm2의 유리 기판 윗면에 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 두께 1㎛로 알루미늄 전극을 형성하였고, 그 윗면에 유전체 두께에 따른 특성을 보기 위하여 프린트 방식으로 도포 높이를 달리하여 유전체를 도포하였다.
전기적 특성 중에 중요한 파라미터인 전압, 전류 및 주파수를 측정하기 위해서 오실로스코프(LeCroy434, 350MHz)를 사용하였다. 실험과정은 먼저 장치의 기본구조를 표 1과 같이 설계하고 이를 바탕으로 장치를 제작하여 방전특성을 측정하고 분석하였다.
유전체 보호 및 2차전자방출계수를 고려하여 유전체 보호막으로, Al₂O₃, MgF₂, Si₃N₄, TiO₂를 증착해서 방전특성을 관찰하였다. MgF₂가 가장 낮은 방전전압을 보였다.
제작된 플라즈마 장치를 전극 간격 및 유전체 두께를 조절하여 특성을 관찰하였다. 전극 간격이 좁고, 유전체 두께가 낮아질수록 전기장의 세기가 강해 방전전류의 형성이 빠르고 강한 펄스들이 발생하였다.
측정된 전류 및 전압 신호로부터 방전전압, 유전체 사이를 이동하는 전하량, 한 주기 동안 소모되는 에너지와 파워를 계산하였다. 초기 방전에서는 필라멘트 방전이 발생되다가 인가되는 전압이 증가하면서 글로우 방전으로 방전이 균일하게 일어났다.
플라즈마 반응기의 전극 간격에 따른 전기적인 특성을 관찰하기 위해서 전극 간격을 1, 2, 3mm로 달리하여 실험을 하였다. 그림 3은 전극 간격에 따른 실험 결과이다.

대상 데이터

본 연구에서는 2차전자방출계수가 큰 값을 가지는 보호막을 선정하였다. 2차전자방출계수가 큰 경우, 방전전압이 낮아진다.
유전체를 이온 포격으로 부터 보호하고 방전전압을 낮추기 위해서 2차전자방출계수가 높은 Al₂O₃, MgF₂, Si₃N₄, TiO₂를 유전체 표면에 증착하여 실험을 하였다. 이는 플라즈마 디스플레이 패널(PDP)에서 사용되는 MgO처럼 균일하고 안정적인 방전에 도움을 준다.
여기서 유전체의 목적은 방전 시 정해진 전하의 양을 제한하여 아크 방전으로의 전이를 막고 방전이 전극 전체로 퍼지도록 하는 것이다. 이 유전체 위에 RF 마그네트론 스퍼터를 사용하여 Al₂O₃, MgF₂, Si₃N₄, TiO₂를 각각 코팅하였다. 이들은 2차전자방출계수가 높은 물질로 방전개시전압을 낮추고 플라즈마 형성에 도움을 줄 뿐만 아니라 유전체 보호막 역할을 한다.
모든 실험은 대기압에서 이뤄졌다. 전기적 특성 중에 중요한 파라미터인 전압, 전류 및 주파수를 측정하기 위해서 오실로스코프(LeCroy434, 350MHz)를 사용하였다. 실험과정은 먼저 장치의 기본구조를 표 1과 같이 설계하고 이를 바탕으로 장치를 제작하여 방전특성을 측정하고 분석하였다.

성능/효과

2kV에서도 마찬가지로 필라멘트 형태의 펄스들이 생성되었고 인가전압이 증가함에 따라 펄스들의 개수도 증가하였다. 4.6kV에서 펄스들의 개수가 급증하고 단일 펄스의 전하 이동량은 줄어들었다. 이 때 필라멘트 방전에서 글로우 방전으로 방전모드의 변화가 발생하였다.
그림 9는 Al₂O₃, MgF₂, Si₃N₄, TiO₂의 전기적인 특성을 나타낸다. 4종류 모두 인가전압을 증가할수록 전류 펄스의 개수가 증가하는 것을 볼 수 있다. TiO₂가 방전지속시간은 가장 길면서 방전전압은 가장 낮게 측정되었다.
실험결과 초기 방전개시전압은 MgF₂가 가장 낮았다. 4종류의 보호막 재료 중에서 MgF₂가 가장 많은 2차전자를 방출함으로서 가장 낮은 전압에서 방전이 발생되었다. 그림 9는 Al₂O₃, MgF₂, Si₃N₄, TiO₂의 전기적인 특성을 나타낸다.
한 주기 동안 플라즈마에서 소비되는 에너지와 파워를 구하면 그림 5(b)와 같다. 결과에서 유전체 두께가 증가하면 커패시턴스의 증가로 소비되는 에너지와 파워가 증가하였다.
이는 인가전압의 증가로 방전 공간내의 필라멘트의 개수가 증가하고 이온 확산의 영향으로 방전모드가 전이됨을 알 수 있다. 그리고 방전모드와는 상관없이 인가되는 전압이 증가할수록 소모되는 에너지와 파워는 증가하였다.
유전체 위에 대략 5000Å 두께로 코팅하였고 전극 간격은 1㎜, 유전체 두께는 300㎛이다. 실험결과 초기 방전개시전압은 MgF₂가 가장 낮았다. 4종류의 보호막 재료 중에서 MgF₂가 가장 많은 2차전자를 방출함으로서 가장 낮은 전압에서 방전이 발생되었다.
전극간격 2㎜와 3㎜에서는 인가전압을 증가시켜도 필라멘트 방전만 확인되었다. 실험에서 최대전압까지 인가하였지만 전극 간격이 멀어지면서 전기장의 감소로 플라즈마가 확산되지 못하고 필라멘트 방전이 유지되었다.
유전체 두께 200㎛에서 인가전압이 증가함에 따라 전류 펄스의 개수가 약간 증가하였으나 균일한 방전은 형성되지 못하였다. 유전체 두께 400㎛에서 초기 방전은 필라멘트 방전의 형태를 보이다가 인가전압이 상승하면서 전류펄스의 개수가 증가하고 강도는 감소되면서 균일한 글로우 방전형태를 나타냈다. 유전체 두께 200㎛에서는 낮은 두께로 인해서 플라즈마 확산이 일어나지 않기 때문에 균일한 방전이 되지 못하였다.
전류펄스는 전하의 이동에 의한 전류신호를 나타내는 것으로 한번 생성되었던 필라멘트들은 계속 일정한 시점에서 발생되고 있다. 인가되는 전압이 증가함에 따라 전류펄스의 개수는 증가하지만 세기는 감소하였다. 이는 전기장이 강해짐에 따라서 초기에 방전이 발생하지 않은 곳에서도 방전이 일어날 확률이 증가함에 따른 현상으로 해석할 수 있다.
이 때 필라멘트 방전에서 글로우 방전으로 방전모드의 변화가 발생하였다. 필라멘트 방전과 글로우 방전에 상관없이 총 전하량은 인가전압이 증가할수록 증가하였다. 전류신호에서 펄스의 수가 많아지더라도 기존에 있던 펄스들의 시간적 위치는 고정된다.

후속연구

이러한 장점 때문에 표면처리, 표면개질, 박막증착 등 많은 분야에서 광범위하게 사용된다[2-4]. 또한 유리 기판 대신 유연한 재료를 사용한다면 응용분야가 더욱 확대될 것이다.
하지만 전체적으로 높은 압력과 높은 전압으로 인해서 효과가 미미하게 나타났다. 연구결과들은 향후 평면형 대기압 유전장벽 방전장치를 응용한 여러 분야들에 적용되고 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	평면형 대기압 유전장벽방전장치란 무엇인가?	평면형 대기압 유전장벽방전장치는 쌍을 이루는 두 개의 전극에 유전체 장벽을 코팅하여 유전분극 현상을 이용하여 전하집적을 통한 역전위 형성으로 방전이 정지되는 펄스방전 때문에 아크방전으로 전환되는 것을 막는 방식이다. 이 방식은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있고 장치를 구동하기 위한 회로 구성이 비교적 간단하다.
	오늘날 기체방전에 필요한 전압이 높은 이유는 무엇인가?	오늘날 대기압에서는 기체 압력이 높으므로 기체방전에 필요한 전압이 높다. 그리고 기체의 밀도가 높아 평균 자유 행정이 진공의 경우보다 매우 짧아 진공의 경우처럼 플라즈마가 잘 확산되지 못하고 특정 부분에서만 방전이 일어나는 특성이 있어 대기압 대면적 플라즈마 생성에 어려움이 있다[1].
	평면형 대기압 유전장벽방전장치의 장점은 무엇인가?	이 방식은 균일한 플라즈마를 얻을 수 있고 장치를 구동하기 위한 회로 구성이 비교적 간단하다. 이러한 플라즈마 반응기의 장점은 현재 많이 이용되는 Jet 또는 Pencil 형태와는 다르게 대면적이 가능하고, 헬륨이나 아르곤가스를 사용하지 않아 플라즈마 발생 유지비용을 절감할 수 있다. 이러한 장점 때문에 표면처리, 표면개질, 박막증착 등 많은 분야에서 광범위하게 사용된다[2-4].

참고문헌 (7)

Valentin I Giblov, Gerhard J Piestch, J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 2082 (2004)

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Salge J, Surface and Coatings Technol. 80, 1 (1996)

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Borcia G, Anderson C A and Brown N M D, Plasma Sources of Sci. Technol. 12, 335 (2003)

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N. Gherardi, G. Gouda, E. Gat, A. Ricard, and F. Massines, Plasma Source of Sci. Technol. 9, 340 (2000)

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I. Bruer, C. Punset, H-G. Purwins, and J. P. Boeuf, Journal of Applied Physics. 85, 7569 (1999)

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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].

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