[논문]DBD 전극구조에서의 He 가스 글로우방전 특성연구

소순열

doi:10.5370/kieep.2018.67.4.214

DBD 전극구조에서의 He 가스 글로우방전 특성연구
The Study on the Properties of He Glow discharge in a Dielectric Barrier Discharge (DBD) Model 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.67 no.4, 2018년, pp.214 - 220

소순열 (Dept. of Electrical and Control Engineering, Mokpo National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Light sources induced by gas discharge using rare gases have been widely used in the thin film deposition, the surface modification and the polymer etching. A dielectric barrier discharge (DBD) has been developed in order to consistently emit light and control the wavelength of the emission light. However, much research on the characteristics of the movement of discharge particles is required to improve the efficiency of the light lamp and the life-time of the light apparatus in detail. In this paper, we developed a He DBD discharge simulation tool and investigated the characteristics of discharge particles which were electrons, two positive ions ($He^+$, $He_2^+$) and 5 excited particles ($He^*(1S)$, $He^*(3S)$, $He^*$, $He^{**}$, $He^{***}$). The discharge currents showed the transition from pulse mode to continuous mode with the increase of power. With the accumulated charges on the barrier walls, the discharge current was rapidly increased and caused oscillation of the discharge voltage. As the gas pressure increased, $He_2^+$ and $He^*(3S)$ became the dominant activated particles. The input power was mostly consumed by electrons and $He_2^+$ ion. And the change curve showed that power consumption by electrons increased more with gas pressure than with source voltage or frequency.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1 유전체장벽 방전구조의 모델 Fig. 1 A schematic diagram for a Dielectric Barrier Discharge (DBD) model
표 표 1 본 연구에 사용된 시뮬레이션 조건 Table 1 Simulation conditions considered in this paper
표 표 2 He 가스의 충돌반응 및 반응계수 Table 2 The reactions and rate coefficients of He gas.
그림 그림 2 유전체장벽 구조에서 전압증가에 따른 방전전류 특성 Fig. 2 The characteristics of discharge current with the increase of applied voltage in DBD model
그림 그림 3 DBD 방전 공간내에서의 (a) 하전입자, (b) 여기 입자, (c) 공간전계와 전자에너지의 시간평균 공간분포 및 (d) 유전체 장벽에 축적된 전하 (V_s=5.5[kV], f=200[kHz], P=300[Torr]) Fig. 3 The time-averaged spacial distribution of (a) charged particles, (b) excited particles and (c) electric field and electron temperature, and (d) the charges accumulated on the both sides of the barrier at V_s=5.5[kV], f=200[kHz] and P=300[Torr].
그림 그림 4 전원전압 V_s =2.2[kV], 전원주파수 f=200[kHz], 기체압력 P=300[Torr]에서의 전류 및 전압의 시간변화 Fig. 4 The temporal variation of current and voltage at V_s=2.2[kV], f=200[kHz] and P=300[Torr]
그림 그림 5 전원전압 증가에 따른 (a) He^*(3S)와 (b) He2^* 입자의 공간 분포 (f=200[kHz], P=300[Torr]) Fig. 5 The spatial distributions of (a) He^*(3S) and (b) He2^* with the increase of source voltage at f=200[kHz] and P=300[Torr]
그림 그림 5 전원전압 증가에 따른 (a) He^*(3S)와 (b) He2^* 입자의 공간 분포 (f=200[kHz], P=300[Torr]) Fig. 5 The spatial distributions of (a) He^*(3S) and (b) He2^* with the increase of source voltage at f=200[kHz] and P=300[Torr]
그림 그림 6 기체압력 증가에 따른 (a) He^*(3S) 여기입자와 (b) 전계의 공간 분포 (V_s=2.2[kV], f=200[kHz]) Fig. 6 The spatial distribution of (a) He^*(3S) and (b) electric field with the increase of He gas pressure at V_s=2.2[kV], f=200[kHz]
그림 그림 7 전원주파수 증가에 따른 (a) 전자에너지와 (b) He^*(3S) 여기입자의 공간 분포 (V_s=2.2[kV], P=300[Torr]) Fig. 7 The spatial distribution of (a) He^*(3S) and (b) electron temperature with the increase of applied frequency at V_s=2.2[kV], P=300[Torr]
그림 그림 8 투입 전력의 증가에 따른 He^*(1S)와 He^*(3S) 여기입자 밀도의 변화율 Fig. 8 The variation ratios of He^*(1S) and He^*(3S) densities with the increase of input power
그림 그림 9 기체 압력의 증가에 따른 하전입자들에 의한 총 전력소비의 변화 Fig. 9 The variation of total power consumption by charged particles with the increase of gas pressure
그림 그림 10 전압, 주파수 및 기체압력 변화에 따른 전자에 의한 전력소비의 변화 Fig. 10 The variation of power consumption by electrons according to the variation of source voltage, frequency and gas pressure

AI 본문요약
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문제 정의

1차원 유체모델을 이용한 He 기체방전의 미시적, 공간적 특성을 비교 및 분석하였다. 그리고, 유전체에 의한 방전 공간내의 전류-전압 특성과 유전체에 축적되는 전하의 형성과정을 세부적으로 이해하고자 하였다. 또한, 램프나 엑시머와 같이 빛의 활용을 극대화하는데 이용되는 여기입자들의 특성을 분석하고자 전원전압, 전원주파수 및 기체 압력의 변화조건에 따른 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 1차원 유체모델을 이용한 유전체장벽 방전모델을 개발하여 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.

가설 설정

양 전극에 삽입된 유전체 표면에서는 양이온들의 입사로 인한 2차 전자를 방출하는 것으로 경계조건을 설정하였고, 그 방출계수는 0.01, 초기 전자에너지는 0.5[eV]로 각각 가정하였다. 또한, 유전체의 표면에 축전된 전하는 전극 주변의 유속을 이용하여 다음과 같이 계산하였다.

제안 방법

본 논문에서는 DBD 방전모델을 개발하였고, He 기체의 충돌단면적과 반응계수를 활용한 수치해석 기법을 통하여 시뮬레이션을 수행하였다. 1차원 유체모델을 이용한 He 기체방전의 미시적, 공간적 특성을 비교 및 분석하였다. 그리고, 유전체에 의한 방전 공간내의 전류-전압 특성과 유전체에 축적되는 전하의 형성과정을 세부적으로 이해하고자 하였다.
그리고, 유전체에 의한 방전 공간내의 전류-전압 특성과 유전체에 축적되는 전하의 형성과정을 세부적으로 이해하고자 하였다. 또한, 램프나 엑시머와 같이 빛의 활용을 극대화하는데 이용되는 여기입자들의 특성을 분석하고자 전원전압, 전원주파수 및 기체 압력의 변화조건에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 마지막으로 각 변화조건에 따른 방전에 투입되는 전력을 분석하여, 각 하전입자들에 의한 방전 가열구조를 이해하고 전력의 증가에 따라 투입전력이 어느 입자들에 의해 소비되는 지에 대해서 검토하였다.
5[eV]로 각각 가정하였다. 또한, 유전체의 표면에 축전된 전하는 전극 주변의 유속을 이용하여 다음과 같이 계산하였다.
또한, 램프나 엑시머와 같이 빛의 활용을 극대화하는데 이용되는 여기입자들의 특성을 분석하고자 전원전압, 전원주파수 및 기체 압력의 변화조건에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 마지막으로 각 변화조건에 따른 방전에 투입되는 전력을 분석하여, 각 하전입자들에 의한 방전 가열구조를 이해하고 전력의 증가에 따라 투입전력이 어느 입자들에 의해 소비되는 지에 대해서 검토하였다.
본 논문에서는 DBD 방전모델을 개발하였고, He 기체의 충돌단면적과 반응계수를 활용한 수치해석 기법을 통하여 시뮬레이션을 수행하였다. 1차원 유체모델을 이용한 He 기체방전의 미시적, 공간적 특성을 비교 및 분석하였다.
본 연구에서는 유전체장벽(DBD) 방전구조에서 1차원 유체모델을 이용한 He 기체 방전의 시뮬레이션을 수행하여, 미시적 및 공간적 특성을 비교⦁분석하였다. 전류-전압 특성 및 유전체에 축적되는 전하의 형성과정을 이해하였고, 외부회로 및 기체압력 변화조건에 따른 여기입자들의 분포와 방전에 투입되는 전력의 소비구조를 분석하였다.
식 (8)에 나타낸 에너지보존 방정식으로부터 전자 에너지의 시간적 변화를 계산하였으며, 포아송 방정식을 식 (6∼8) 방정식과 연립하여 DBD 방전의 공간 전계 및 전위 분포를 분석하였다.
여기서, QC와 QA는 각각 양전극과 음전극에서 축적되는 전하를 의미하며, 본 논문에서는 외부회로에 별도의 콘덴서를 연결하지 않고(Cb→∞) 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 유전체장벽(DBD) 방전구조에서 1차원 유체모델을 이용한 He 기체 방전의 시뮬레이션을 수행하여, 미시적 및 공간적 특성을 비교⦁분석하였다. 전류-전압 특성 및 유전체에 축적되는 전하의 형성과정을 이해하였고, 외부회로 및 기체압력 변화조건에 따른 여기입자들의 분포와 방전에 투입되는 전력의 소비구조를 분석하였다.
전원전압의 위상이 ωt= π/6, 7π/6인 곳에서 양전극의 유전체 장벽에 양이온의 영향으로 전하가 축적되고, 그 후 전자의 확산과 이동 과정을 통하여 전류가 순간적으로 펄스에 가까운 파형을 형성하였다.
본 연구에서 채택한 전극 형상과 외부 회로도를 그림 1에 나타내었다. 평형평판 원형 전극으로 구성된 방전 챔버를 모식하였으며, 양 전극에 유전체를 삽입하고 전압을 인가하여 유전체장벽 방전이 형성되도록 시뮬레이션을 수행하였다. 방전공간에 흐르는 총 전류는 전도전류 (IC)와 변위전류(ID)의 합으로 구할 수 있으며, 식(1)과 식(2)에 나타내었다.
0 [cm²]로 설정하였다. 표 1에 시뮬레이션을 위해 고려된 방전구조와 인가전압(V_s) 및 주파수(f) 그리고 압력(P) 조건에 대해서 나타내었으며[10], 다양한 전압, 주파수 그리고 압력 조건에서 형성되는 DBD 방전특성을 비교 및 분석하였다.
전자(e) 및 이온입자 (He⁺, He₂⁺) 그리고 5종의 여기 입자들 (He^* (1S), He^* (3S), He^*, He^**, He^***)이 시뮬레이션에 사용되었으며, 볼츠만 방정식으로부터 전자충돌 반응계수를 구하였다. 표 2에서 주어진 반응과정과 반응계수를 이용하여 1차원 유체모델의 시뮬레이션을 수행하였다.

이론/모형

본 연구에 사용된 He 가스의 반응과정이 표 2에 나열되어 있다[11]. 전자(e) 및 이온입자 (He⁺, He₂⁺) 그리고 5종의 여기 입자들 (He^* (1S), He^* (3S), He^*, He^**, He^***)이 시뮬레이션에 사용되었으며, 볼츠만 방정식으로부터 전자충돌 반응계수를 구하였다. 표 2에서 주어진 반응과정과 반응계수를 이용하여 1차원 유체모델의 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

(a)), He*(3S)의 입자가 다른 여기입자보다 방전공간에서 지배적으로 높은 분포를 형성하고 있음을 확인하였다(그림 3
여기입자들의 방전공간 밀도분포도 높게 형성되었다. He^*(1S)와 He^*(3S) 입자의 밀도분포는 투입전력의 증가율에 비해 70% 정도의 낮은 비율로 형성되는 것을 확인하였으며, 광원의 효율은 투입전력에 비례하여 증가하지 않는 것을 알 수 있었다. 또한, 전원주파수와 기체압력의 변화와 함께 전극주변에서의 충돌반응이 더욱 활성화되면서, 양이온이 지배적으로 분포하는 쉬스의 폭이 감소하는 것도 확인하였다.
그림 8에서는 P=50[Torr]에서 분포하는 He*(1S)와 He*(3S)를 기준으로 하여, 투입 전력을 증가시킴에 따라 각 입자들의 밀도가 어떠한 변화를 보이는지 나타내고 있다. He₂*는 투입전력의 증가 비율에 일치하여 선형적으로 증가하였으나, He*(1S)와 He*(3S) 입자들은 증가 폭이 투입전력의 증가율에 비해 감소하였음을 확인하였다.
그 다음 전계의 극성이 반전되면서 유전체 부근의 양이온들이 방전공간의 플라즈마 영역(bulk)으로 운동을 시작하고(L), Q_C는 전자에 의한 전하 축적을 시작하면서 부의 전하량을 가지게 된다. 그리고 양전극 유전체 방향으로 전계가 가속되어 양이온의 의해 전하가 축적이 되면서 Q_A가 서서히 증가하는 것을 확인할 수 있었다(M). 그 후 유전체 장벽으로 전하들이 쌓이면서 Q_A의 피크값이 1.
2[kV], 전원 주파수 f=200[kHz]에서 기체의 압력을 50~500[Torr]로 변화시키면서 형성되는 He*(3S) 여기입자와 공간전계 분포를 보여주고 있다. 기체 압력의 증가와 함께 전자의 충돌반응도 상대적으로 활발해지면서, He*(3S) 여기입자의 피크값 위치가 점진적으로 양쪽 전극방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그림 5에서와 같이 입자 밀도의 증가도 확인하였다.
그림 9에 He DBD 방전의 투입전력이 하전입자들에 의해 어떻게 소비되는 지에 대한 전력소비 분배를 도시하였다. 기체압력이 낮을수록 전자보다는 이온에 의해 전력의 약 80% 정도를 소비하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기체압력이 증가하면서 전자의 비탄성 및 탄성충돌이 증가하게 되고, P=500[Torr]에서는 거의 50% 정도의 전력이 전자에 의해 소비되는 것을 알 수 있었다.
따라서, π/2의 위상이 경과할 때까지 음전극 (Cathode) 유전체 방향으로 양이온이 이동하여 지속적으로 전하가 축적이 되고, 그 후에 전계가 약해지면서 전자의 확산과정이 전극주변에서 지배적으로 이루어지면서 전하 축적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다(K).
기체압력이 낮을수록 전자보다는 이온에 의해 전력의 약 80% 정도를 소비하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기체압력이 증가하면서 전자의 비탄성 및 탄성충돌이 증가하게 되고, P=500[Torr]에서는 거의 50% 정도의 전력이 전자에 의해 소비되는 것을 알 수 있었다. 이온에 의한 전력소비 특성도 기체압력이 증가할수록 He⁺ 보다 He₂⁺가 전력소비에 더 많은 영향을 끼치고 있음을 확인할 수 있었다.
He^*(1S)와 He^*(3S) 입자의 밀도분포는 투입전력의 증가율에 비해 70% 정도의 낮은 비율로 형성되는 것을 확인하였으며, 광원의 효율은 투입전력에 비례하여 증가하지 않는 것을 알 수 있었다. 또한, 전원주파수와 기체압력의 변화와 함께 전극주변에서의 충돌반응이 더욱 활성화되면서, 양이온이 지배적으로 분포하는 쉬스의 폭이 감소하는 것도 확인하였다. 다양한 외부회로 조건에서의 여기입자 발생과 공간분포는 광원개발 및 조건에 부합되는 광원기구 제작에 활용 가능할 것으로 사료된다.
또한, 기체압력이 증가하면서 전자의 비탄성 및 탄성충돌이 증가하게 되고, P=500[Torr]에서는 거의 50% 정도의 전력이 전자에 의해 소비되는 것을 알 수 있었다. 이온에 의한 전력소비 특성도 기체압력이 증가할수록 He⁺ 보다 He₂⁺가 전력소비에 더 많은 영향을 끼치고 있음을 확인할 수 있었다.
이는 전류가 유전체 장벽의 영향으로 그림 3(d)에서 설명한 것과 같이, 순간적으로 펄스에 가까운 파형을 형성하면서 방전전압 V_g에 불안정한 진동을 야기하는 것으로 설명할 수 있다. 전류의 위상이 전원전압 V_s 보다 빠른 것으로부터 본 방전은 용량성 회로임을 확인할 수 있었다.
He₂^*는 다른 입자들에 비해 대략 1/10 정도의 낮은 분포로 형성되는 것을 알 수 있다. 전반적으로 전원전압의 증가와 함께, 양쪽 전극주변(sheath)에서 여기입자들이 높은 분포를 형성하고 있음을 확인할 수 있다. 전자는 전극주변에서의 높은 탄성 및 비탄성 충돌에 의해 에너지를 소실하게 되고 전극의 중심부(bulk)로 갈수록 낮은 전자 에너지가 분포하게 된다.
전원전압을 증가시키면 높은 전자 에너지로 인해 충돌반응이 보다 활성화되고, He^*(3S), He^*(1S) 및 He₂^* 여기입자들의 방전공간 밀도분포도 높게 형성되었다. He^*(1S)와 He^*(3S) 입자의 밀도분포는 투입전력의 증가율에 비해 70% 정도의 낮은 비율로 형성되는 것을 확인하였으며, 광원의 효율은 투입전력에 비례하여 증가하지 않는 것을 알 수 있었다.
이온에 의해 소비되었다. 전자에 의한 소비전력은 전원전압과 전원주파수에 의한 변화보다는 주로 기체압력이 높아지면서 전자의 충돌 반응이 더욱 활성화되면서 두드러진 변화를 보였다.

후속연구

DBD 방전은 전극면에 유전체를 삽입하여 방전을 형성하는 유전체장벽 방전구조로 UV 광원, 엑시머 레이저 및 다양한 램프 제작에 폭 넓게 활용되고 있다. 그러나, 광원기구의 향상을 위해서, DBD 방전에 대한 미시적 관점에서의 세밀한 연구가 더욱 필요하다. 특히, DBD 방전에 의한 여기입자들의 발생과 공간적 분포, 전자 및 이온의 하전입자들의 미시적 운동과 충돌반응의 특성을 세밀히 이해하는 것이 광원의 효율증대와 광원기구 제작에 매우 중요한 것으로 사료된다[8, 9].
또한, 전원주파수와 기체압력의 변화와 함께 전극주변에서의 충돌반응이 더욱 활성화되면서, 양이온이 지배적으로 분포하는 쉬스의 폭이 감소하는 것도 확인하였다. 다양한 외부회로 조건에서의 여기입자 발생과 공간분포는 광원개발 및 조건에 부합되는 광원기구 제작에 활용 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	빛 광원을 이용한 산업에서는 어떤 문제점이 있는가?	비활성 기체를 이용한 기체방전에서 발생된 빛 광원은 박막 필름 및 고농도 SiO2의 증착에 널리 사용되었고, 필름의 표면개선과 폴리머 에칭에도 이용되고 있다[1-3]. 그러나, 이러한 빛 광원을 이용한 산업에서는 광원의 효율이 낮고 높은 출력을 필요로 하는 등의 문제점을 안고 있고, 또한 수명이 긴 광원기구의 개발연구가 요구되었다. 이 문제점을 해결할 수 있는 방안 중의 하나로, 유전체장벽 방전 (DBD; Dielectric Barrier Discharge)을 이용한 연구가 활성화되었다[4-7].
	비활성 기체를 이용한 기체방전에서 발생된 빛 광원은 어디에 이용되고 있는가?	비활성 기체를 이용한 기체방전에서 발생된 빛 광원은 박막 필름 및 고농도 SiO2의 증착에 널리 사용되었고, 필름의 표면개선과 폴리머 에칭에도 이용되고 있다[1-3]. 그러나, 이러한 빛 광원을 이용한 산업에서는 광원의 효율이 낮고 높은 출력을 필요로 하는 등의 문제점을 안고 있고, 또한 수명이 긴 광원기구의 개발연구가 요구되었다.
	유전체장벽 방전으로 인한 어떤 특성을 세밀히 이해하는 것이 광원의 효율증대와 광원기구 제작에 매우 중요한 것으로 사료되는가?	그러나, 광원기구의 향상을 위해서, DBD 방전에 대한 미시적 관점에서의 세밀한 연구가 더욱 필요하다. 특히, DBD 방전에 의한 여기입자들의 발생과 공간적 분포, 전자 및 이온의 하전입자들의 미시적 운동과 충돌반응의 특성을 세밀히 이해하는 것이 광원의 효율증대와 광원기구 제작에 매우 중요한 것으로 사료된다[8, 9].

참고문헌 (13)

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상세보기
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용어 설명 출처 목록 (6)

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