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문제 정의
- 특히 방전 개시 전자외선[5] 또는 전기적[6] 자극을 이용한 씨드 캐리어 주입을 통해 플라즈마 발생 전압이 감소 될 수 있는 결과가 보고되어 대기압 플라즈마 기술의 실용화 가능성을 제시하고 있으나 신뢰성 높은 씨드 캐리어 주입 기반 저 전압 플라즈마 발생 기술은 아직 초보적인 수준에 머무르고 있다. 본 논문에서는 저전압 대기압 플라즈마 소자를 위한 DBD 씨드 캐리어 주입 방법을 제시하고 있으며 씨드 캐리어 밀도가 대기압 방전 항복 전압에 미치는 영향을 실험적으로 확인하였다.
제안 방법
- 본 실험에서는 일정한 DBD의 전류를 흐르게 하면서, DBD 기판을 10 μm 정밀도를 갖는 매니플레이터(Manipulator) 위에 설치하여 그림 3(a)의 Z 방향으로 움직이며 주 방전의 항복 전압을 측정하였다.
- 음극에 직렬로 연결된 바이폴라 트랜지스터(Q1, Fairchild 2N3904) 베이스(Base)에 4 kHz 펄스 전압을 인가하여 펄스 방전을 구현하였으며 펄스 전압의 선택 비(Duty Ratio)를 변화시켜 방전 온-오프를 조절하였다(그림 1
- 본 연구에서는 DBD 씨드 캐리어 주입을 통해 대기압 플라즈마 발생 전압을 획기적으로 저감할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 주 방전에 필요한 씨드 캐리어를 DBD 에프터글로우를 통해 공급함으로써 방전 항복 전압을 낮추었으며, 씨드 캐리어 밀도와 항복 전압의 상관관계에 대해 연구하였다. 씨드 캐리어 주입 거리에 따른 항복 전압 감소 현상을 확인 하였으며 기존 타운젠드 항복 전압에 비해 절반 이하의 전압에서도 대기압 플라즈마 발생이 가능함을 실증하였다.
대상 데이터
- DBD를 통해 생성된 이온을 후속 방전의 씨드 캐리어로 사용하기 위해 주 방전 전극을 DBD 전극의 수 백 μm 위에 설치하였다.
- 전극은 DBD 소자 위 200 μm에 위치하고 그림 3의 X 방향으로 DBD 소자를 이동하였다.
- 주 방전 전극으로는 텅스텐 프로브(Tungsten Probe)가 사용되었으며 양극과 음극간 거리는 그림 3에서와 같이 300 μm로 고정되었다.
성능/효과
- 본 실험에서는 일정한 DBD의 전류를 흐르게 하면서, DBD 기판을 10 μm 정밀도를 갖는 매니플레이터(Manipulator) 위에 설치하여 그림 3(a)의 Z 방향으로 움직이며 주 방전의 항복 전압을 측정하였다. DBD 소자와 주 방전 전극간 거리가 가까워질수록, 주 방전의 항복 전압이 선형적으로 감소되었는데, 주 방전의 항복 전압은 DBD 전류가 없는 경우의 항복 전압에 비해 절반에 불과한 600 V까지 감소함을 알 수 있었다(그림 5). 또한 DBD의 전류를 20 mA로 증가시킬 경우 주입된 씨드 캐리어의 밀도가 높아지고 항복 전압은 더욱 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 음극에 직렬로 연결된 바이폴라 트랜지스터(Q1, Fairchild 2N3904) 베이스(Base)에 4 kHz 펄스 전압을 인가하여 펄스 방전을 구현하였으며 펄스 전압의 선택 비(Duty Ratio)를 변화시켜 방전 온-오프를 조절하였다(그림 1(a)). DBD 전극과 주 방전 전극 사이의 전기적 간섭을 피하기 위해 2개의 분리된 전압원이 사용되었으며, 이를 통해 DBD 전압에 관계없이 주 방전 전극 간 독립적인 전압 제어가 가능하였다. 그림 3(a)는 DBD 턴-온 시 발생된 대기압 플라즈마 이미지를 보여주고 있으며 그림 3(b)는 DBD 에프터글로우 주입을 기반으로 10% 선택 비를 갖는 800V 펄스 전압을 주 방전 전극에 인가하여 형성된 글로우 방전을 보여주고 있다.
- DBD 소자와 주 방전 전극간 거리가 가까워질수록, 주 방전의 항복 전압이 선형적으로 감소되었는데, 주 방전의 항복 전압은 DBD 전류가 없는 경우의 항복 전압에 비해 절반에 불과한 600 V까지 감소함을 알 수 있었다(그림 5). 또한 DBD의 전류를 20 mA로 증가시킬 경우 주입된 씨드 캐리어의 밀도가 높아지고 항복 전압은 더욱 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 거리가 500 μm보다 커지면 주 방전의 항복 전압은 1 kV 이상으로 증가하게 되며, 이는 DBD 전류가 없는 경우의 항복 전압과 유사한 값을 갖게 된다.
- 본 연구에서는 DBD 씨드 캐리어 주입을 통해 대기압 플라즈마 발생 전압을 획기적으로 저감할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 주 방전에 필요한 씨드 캐리어를 DBD 에프터글로우를 통해 공급함으로써 방전 항복 전압을 낮추었으며, 씨드 캐리어 밀도와 항복 전압의 상관관계에 대해 연구하였다.
- 기존 3전극(triode) 구조[6]에서는 씨드 캐리어 생성과 주 방전 모두 펄스 전원이 사용되었으며 플라즈마 발생 시 이온들의 전극 스퍼터링(Sputtering)에 의한 전극 마모 및 전극 간 단락이 문제점으로 보고되었다. 본 연구에서는 DBD를 이용한 씨드 캐리어 생성을 제안하고 있는데 이러한 방법은 전극을 유전체 층으로 보호함으로써 플라즈마 스퍼터링에 의한 전극 마모와 단락을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 미세 방전 소자의 불량은 스퍼터링에 의한 전극 단락/마모에 의해 대부분 유발되므로 전극을 유전체층으로 보호하여 소자의 신뢰성을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대한다.
- 주 방전에 필요한 씨드 캐리어를 DBD 에프터글로우를 통해 공급함으로써 방전 항복 전압을 낮추었으며, 씨드 캐리어 밀도와 항복 전압의 상관관계에 대해 연구하였다. 씨드 캐리어 주입 거리에 따른 항복 전압 감소 현상을 확인 하였으며 기존 타운젠드 항복 전압에 비해 절반 이하의 전압에서도 대기압 플라즈마 발생이 가능함을 실증하였다. 또한 유전체 장벽 방전을 이용 하여 플라즈마 스퍼터링으로부터 전극을 보호함으로써 소자의 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.
- 이러한 결과로 DBD 전극 바깥 쪽 경계에 생성된 에프터글로우 이온 밀도가 전극 안쪽에 생성된 에프터글로우 이온 밀도보다 적을 것으로 추정되며, 측정된 두 가지 경우 결과를 통해 대기압 아르곤 환경에서 플라즈마 에프터글로우의 확산 범위는 300~500 μm 정도인 것으로 유추해 볼 수 있다.
- 이러한 결과로 미루어 보아 대기압 아르곤 환경에서 DBD 씨드 캐리어의 최대 확산 거리(Diffusion Length)는 500 μm로 추측할 수 있으며, 최대 확산 거리 이내에서는 플라즈마 이온들의 확산 이동과 이온 간의 정전 반발력에 의해 상당수의 DBD 에프터글로우가 이온과 전자 간의 재결합으로 소멸되기 전에 주 방전 전극까지 도달하고 있는 것으로 추정된다.
- 충분한 씨드 캐리어 주입을 위해 20 mA DBD 전류를 사용하였으며 X 방향 0~600 μm에서 항복 전압은 650 V로 일정하게 유지 되었지만 주 방전 전극이 DBD 소자에서 멀어 짐에 따라 항복 전압은 급격하게 증가하여 300 μm 떨어진 곳에서는 1 kV에 가까워짐을 알 수 있다.
후속연구
- 씨드 캐리어 주입 거리에 따른 항복 전압 감소 현상을 확인 하였으며 기존 타운젠드 항복 전압에 비해 절반 이하의 전압에서도 대기압 플라즈마 발생이 가능함을 실증하였다. 또한 유전체 장벽 방전을 이용 하여 플라즈마 스퍼터링으로부터 전극을 보호함으로써 소자의 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.
- 본 연구에서는 DBD를 이용한 씨드 캐리어 생성을 제안하고 있는데 이러한 방법은 전극을 유전체 층으로 보호함으로써 플라즈마 스퍼터링에 의한 전극 마모와 단락을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 미세 방전 소자의 불량은 스퍼터링에 의한 전극 단락/마모에 의해 대부분 유발되므로 전극을 유전체층으로 보호하여 소자의 신뢰성을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대한다. 또한 그림 3(b)에서와 같이 음극 주변 넓은 영역에서 강한 빛 방출이 관찰되었는데 이는 여기 된 이온 (Excited Ions)들에 의한 광 방출로 음극 쉬스(Sheath) 근처에 고밀도의 여기 된 이온들이 형성되어 있음을 추측할 수 있다.
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