상압플라즈마방전원리 1. 서론 물질의상태는고체, 액체, 기체로나눌수있는데기체상태의물질에에너지를가해 주면원자나분자에서전자가분리되어전자와이온들이존재하는플라즈마상태가된다. 플라즈마는화학적으로반응성이큰매개체이다. 여기(activated) 되어지는방법과작동 에너지에따라낮거나혹은높은온도의환경을만들어낼수있으며, 각각저온플라즈마 또는열플라즈마로구분된다. 이러한넓은온도변화폭으로인해플라즈마기술은표면 코팅, 가스처리, 폐기물제거, 화학적인합성, 기계작업등의다양한분야에서응용이가 능하다. 열플라즈마, 특히아크플라즈마는주로항공분야에서광범위하게산업화되었다. 저온 플라즈마기술은마이크로전자분야에서발전했지만, 진공장비에의해서기술도입이제 한된다. 일반적으로플라즈마를방전시킬때에는대기압인 760 Torr 정도의압력에서발생시키 는것보다대기압보다낮은 1 mtorr ~ 100 Torr 정도의압력에서발생시키는것이더 쉬운데이때문에대부분의플라즈마는대기압보다낮은압력에서방전되고있다. 그런 데이렇게낮은압력에서플라즈마를발생시키려면진공용기를제작하고진공을유지하 기위해진공펌프를장착해야하는등여러가지제약조건이따르는데이러한이유로 진공이아닌대기압에서플라즈마를발생시키는방법에대한많은연구가이루어지고있 다. 상압플라즈마는진공플라즈마에서요구되는진공장비도필요치않으며, 장비값이 비교적쌀뿐만아니라장비관리비와작동비용도저렴하다. 또한, 최근에는대기압플라 즈마방전이많이발전하여옷감이나금속물질들의표면처리에실제로응용되는경우가 늘어나고있다. 지금까지는플라즈마를발생하는압력에따라대기압플라즈마와저압플라즈마로분류 하였는데한편으로는플라즈마를발생시키는방법에따라열적플라즈마방전과비-열적 플라즈마방전으로나눌수도있다. 열적방전은가스를 Joule heating 등을이용하여가 열하여이온화를하는방법이고비-열적플라즈마방법은가스의가열은최소화하고주 로전자를가열하여이온화를시키는방법이다. 2, 플라즈마의기본원리 2.1. 플라즈마의정의플라즈마는이온화된기체이다. 이는물질의 4번째상태이며우주전체의 99% 이상을구성한다. 플라즈마는기본상태혹은여기상태의전자, 이온및중성자로이루어진다. 거시적인관점에서볼대플라즈마는전기적으로중성이며, 플라즈마는자유대전정공을포함하며전기전도성이있다
그림 1 플라즈마의정의 2.2. 플라즈마발생플라즈마기체에에너지를가함으로서발생되는데, 화학종( 분자, 원자) 의전자구조를알아보기위해서또는여기화학종이나이온을만들기위해서사용된다. 가해지는에너지는열이나전류및전자기복사에의해서전달될수있다. 앞으로알아보게되는상압플라즈마는전기에너지에의해서발생된다. 전기장이기체의전자에의해서발생된다. 전기장이기체의전자에에너지를전달하여대전된화학종이되고, 충돌에의해중성화학종에에너지가전달된다. 플라즈마가발생하는과정을간단히설명하기위하여가장간단한플라즈마발생장치를생각해보면다음과같다. 먼저평면으로된두개의도체를일정한거리 d 만큼떨어트려놓은뒤도체에직류전압 V 를가해준다. 이렇게되면두개의도체사이에는일정한전기장이생성되게되는데이때생성되는전기장 E 는전압에비례하고거리에는반비례하는 E=V/d 인조건으로생성된다. 이때전압의세기가어느정도이상이되면음극이연결된도체판에작은수의전자가생성되기시작하고이전자들이전극을따라양극으로움직이게되면서두도체사이에존재하는가스들과충돌을일으키게되며결과적으로가스들은이온화시키게되면서방전이일어나게된다. 이러한과정을전자사태에의한방전개시라고부른다. 이때이온들은전기장을따라음극으로움직이게되고음극에연결된도체판에세게부딪치면서음극에서전자들이튀어나오게하면서플라즈마발생을가속화시키는데이러한과정을 2 차발산이라부른다. 2.3. 플라즈마의분류공급되는에너지의종류와플라즈마로전달되는에너지의양에따라전자밀도와전자온도로나타나는플라즈마의물성치는달라진다.
그림 2 전자온도와밀도에따른플라즈마의분류 이러한구분을통해서국소열평형플라즈마 (local thermodynamic equilibrium plasma) 와비국소열평형플라즈마(non-local thermodynamic equilibrium plasma) 로나눌수있 다. 국소열평형플라즈마는전이(transition) 와화학반응이복사과정이아닌충돌에의해 서지배되는경우이다. 그리고충돌현상은미소- 가역적(micro-reversible) 이어야한다. 즉모든종류의충돌을그역반응과균형을이루어야한다는것이다. 뿐만아니라국소열평형에서는온도, 밀도및열전도로나타나는플라즈마물성치들의 국소구배가플라즈마내의입자가평형에도달할수있을정도로충분히작아야한다. 즉 확산시간이입자가평형에도달하는시간이입자가평형에도달하는시간보다크거나비 슷해야만한다. 국소열평형플라즈마에서무거운입자의온도는전자의온도에가깝다. 비국소열평형플라즈마는전자들과무거운입자들의질량차이에서야기된다. 전자들은 매우빠르게움직이는반면무거운입자들은정지했다고생각할수있다. 때문에전자가 충돌과전이를지배하고있다. 국소열평형에서벗어나는또다른이유로는플라즈마내에 서의강한구배와관련된확산효과때문이다. 비국소열평형플라즈마는 2- 온도모델로설명될수있다. 두온도는전자온도(T e ) 와무 거운입자온도 (T h ) 를의미한다. 전자와무거운입자간의엄청난질량차를고려할때, 플 라즈마온도( 또는기체온도) 는 T h 로고정된다. 국소열평형에서벗어날수록 T e 와 T h 의차 이는커진다. 표 1 은국소열평형플라즈마와비국소열평형플라즈마의주요한특성을정 리한것이다.
표 1 LTE와 non-lte의특성 3. 상압플라즈마발생 플라즈마를생성하기위해공급되는에너지의밀도는국소열평형이든아니든간에플라즈마의상태에많은영향을준다. 전반적으로는밀도가높은에너지가공급되면전기아크와같은국소열평형플라즈마가생성되고, 보다낮은공급에너지밀도를가지거나펄스형태로에너지가공급되는경우에는비국소열평형플라즈마가생성된다. 상압플라즈마는다음과같은두영역으로구분된다. - 국소열평형상태인중앙혹은플라즈마코어영역 - 비국소열평형상태인주변영역 상압플라즈마발생원들은여기모드에따라다음의세그룹으로구분된다. - 직류및저주파수 - 라디오주파수파장으로점화되는플라즈마 - 마이크로파방전 3.1. 직류및저주파방전직류및저주파수방전은디자인에따라서연속모드또는펄스모드로작동할수있다.
펄스작동모드는큰에너지를방전에주입할수있게하지만시스템의위밍업은제한된다. 달리말하면, 펄스전원은기술적으로직류전원보다더복잡하고공정의재생산성을저해시킨다. 연속작동모드 : 아크플라즈마토치 아크 플라즈마 토치는 직류 전원을 공급 받는다. 아크 플라즈마 토치는 전류보유 (current-carrying) 와전류전달(transferred) 아크의두카테고리로나눌수있다. 이들은 다음으로구성되어있다. - 전자가방출되는음극(cathode) - 플라즈마가스주입시스템 - 플라즈마영역을한정하는노즐 전류보유아크토치에서는양으로극성화된노즐이양극이된다. 전류전달아크토치의 경우에는다루어지는물질이양극이되고, 노즐은유동포텐셜(floating potential) 에있게 된다. 아크는음극과양극사이에서점화되고, 플라즈마가스를이온화한다. 플라즈마응용을 가능하게하는중심부는 15000K 까지변화한다. 아크플라즈마는매우전도성이뛰어난 매체이며, 가스는이온화정도가매우높고전자밀도는약 3*10 23 m -3 이다. 전류보유(current-carrying) 전류전달(transferred) 그림 4 아크플라즈마의구조 펄스작동모드 : 코로나방전코로나는약한빛을내는방전인데일반적으로대기압에서전기장이충분히큰뾰족한점, 모서리, 또는얇은전선등에서나타난다. 따라서, 코로나방전은항상불균일하며, 일반적으로강한전기장, 이온화그리고발광은전극근처에서나타난다. 코로나방전은낮은전류밀도를갖는비국소열평형방전이다. 코로나방전장치는음극선과직류전원이펄스로들어오는양극( 처리할표면) 으로구성되어있다. 선에음의고압이인가되면방전은음의코로나가된다. 이차적인전자들이플라즈마내로방출되고선
으로양의이온들이가속된다. 약 1eV 의상대적으로낮은에너지를가지는전자들이후미를따르는 10eV 정도의높은에너지를가지는전자들의이동선단부를스트리머라고한다. 이러한고에너지전자와무거운입자들사이에서비탄성충돌이발생하며, 화학적으로반응성이있는화학종을생성한다. 그림 5 코로나방전의구조 코로나방전은표면처리나가스및액체분출세정등의다양한분야에응용되고있는매우유용한도구이다. 이방전은고밀도의반응성원자와활성종을상압상태에서가스를가열하지않고만들어낼수있는데이러한특성으로인해일반가스상태에서는얻을수없는여려유용한성질을가질수있다. 플라즈마의체적이매우작기때문에표면처리와관련한코로나방전의단점으로는처리할수있는면적의크기가작다는것이다. 처리표면을늘리기위하여음극선은평면형의전극으로대체될수있다. 이러한시스템은전극사이의간격에수직한스트리머인마이크로아크를생성한다. 스트리머는물질표면에비균질처리를야기하면서항상같은장소인표면에서시작된다. 이러한문제를피하기위하여유전체장벽방전(dielectric barrier discharge) 이발전되었다. 유전체장벽방전 (dielectric barrier discharge) 유전체장벽은대기압에서아주큰비- 평형조건에서동작하고, 고출력방전을할수있으며복잡한펄스전력공급기가없어도되기때문에산업체에서널리이용되고있는데, 오존발생, 이산화탄소레이저, 자외선광원, 오염물질처리등에널리응용되고있다. 특히, 유전체장벽은물질표면을처리하는데널리이용되고있으며이러한표면처리를통해서인쇄나접착특성이더좋은표면을만들수있다. 유전체장벽은대기압과상온에서방전가능하기때문에물질표면처리의경우거의모든처리가유전체장벽방전을
통해이루어지고있다. 그림 6 과같이 DBD(dielectric barrier discharge) 장치는두개의평행한금속전극으로구성되어있다. 최소한전극중하나는유전체층으로덮여있다. 절연체를사용하게되면직류전력의경우전극을통한전류의흐름이불가능하므로교류(AC) 전력을이용하여플라즈마를발생한다. 안정적인플라즈마작동을보장하기위하여전극을분리하는간격은수밀리미터로제한되며플라즈마가스는이간격사이로흘러간다. 유전체장벽방전은국부적으로파동이나잡음을일으키는불꽃이존재하지않기때문에조용한방전이라고부르기도한다. 방전은사인함수혹은펄스형의전원으로점화된다. 작동가스의조성, 전압그리고여기주파수에따라방전은필라멘트형태혹은글로우형태가된다. 필라멘트형태의방전은유전체층의표면에서발달하는마이크로방전또는스트리머에의해만들어진다. 플라즈마가스로헬륨을사용하면고에너지의준안정성헬륨화학종으로인해글로우방전으로발전된다. 유전체층은다음에의해중요한역할을하게된다. - 반전전류를차단하고아크로의전이를피할수있게하여연속도는펄스모드에서작업이가능하게함 - 전극표면에무작위로스트리머를배분하고균질한표면처리를보장하다. 스트리머의생성은유전체표면에전자의축적으로인해서발생한다. 그림 6 DBD(dielectric barrier discharge) 의구조 3.2. RF 방전구조를고려할때, RF 전원은고에너지혹은저에너지공급과함께작동가능하다. 이는플라즈마물성치에영향을주며응용가능성에도영향을준다.
고에너지방전 :RF플라즈마토치그림 7 와같이설계될수있다. 플라즈마는 RF 전원이공급되는나선형의코일에의해시작되고유지된다. 이러한종류의토치는현재매우잘발달되어있으며, 분광분석이나독성폐기물처리등에사용될수있다. 그림 7 RF plasma tourch 저에너지방전 : 상압플라즈마제트 APPJ(atmospheric pressure plasma jet) 는길이작은 RF 플라즈마이다. 20cm 이하로서저에너지에작동하는 그림 8 APPJ(atmospheric pressure plasma jet)
저온플라즈마토치저온플라즈마토치는 DBD와 APPJ 구조사이에놓여있다. 그림 9 저온플라즈마토치 중공음극시스템 RF 연필(pencil) 은저온플라즈마토치에매우근접한다. 그림 10 RF pencil design