10. DC Plasma에 대하여

 

방전 과정 및 Ⅰ-Ⅴ특성

 

Dark Discharge: 최소 전류에서 시작하여 눈에 띄지 않는 방전 상태를 보여줌.

Corona Discharge: 코로나 방전이 시작되는 지점으로 전압 증가에 따라 전류도 증가함.

Glow Discharge: 특정 분리 전압에 이르면 발광 방전으로 전환되며, 발광이 시작됨. 'Normal Glow'와 'Abnormal Glow'로 구분됨.

Arc Discharge: 높은 전류와 낮은 전압이 특징인 영역으로 강력한 발광과 전류가 특징임. 여기서는 열전자 방출, 비열적 아크, 열적 아크가 발생함.

Background Ionization to Saturation Regime: 초기 이온화부터 포화 상태에 이르는 과정을 보여줌. 전류는 전압 증가에 따라 증가하지만 포화 지점에 이르면 안정됨.

Breakdown Voltage: 전류가 급격히 증가하는 전압 지점임. 이 지점을 넘어서면 전기적으로 안정된 방전 상태로 넘어가 글로우 방전이 일어남.

Secondary electron emission: 이차 전자 방출이 일어나는 글로우 방전 상태임. 여기서 전류는 다시 증가하기 시작함.

Glow-to-Arc Transition: 글로우 방전에서 아크 방전으로의 전환 지점임. 이 지점을 넘어서면 방전은 아크 방전으로 바뀌며 높은 전류를 수반함.

Thermal Arcs: 전류가 매우 높아져 열적 아크가 형성되는 단계임. 이 상태에서 전극은 심하게 가열됨.

 

조금 더 자세히 알아 볼까요?

 

Dark Discharge: Townsand Discharge

 

전자의 발생

1.자유전자

2.빛의 조사에 의해 방출되는 광전자

3.높은 에너지 이온의 벽면 충돌에서

         방출되는 이차전자

 

이후 외부 인가된 전기장으로 부터 전자가속, 중성가스 입자와 가속전자 충돌로 이온화되어 Avalanche(전자사태) 발생.

 

생성률>손실률: 플라즈마 생성

 

Breakdown voltage(Paschen Curve)

 

 

1) Pd의 감소와 더불어 Vb가 커지는 것은 P (압력)가 작고, 진공상태에 접근하면 전자의 충돌 회수가 감소하기 때문이다. 또한 d가 작아지면 전자의 평균 자유 행로 이하가 되므로 전리에 필요한 에너지를 얻을 정도로 가속되지 않기 때문에 절연 파괴가 생기기 어렵다.

 

2) d가 커지면 전체 전기장 E = Vb/d의 관계에서 전기장 E가 작아져서 전리하기 어렵기 때문에 어떤 일정치 이상의 전계강도를 유지하기 위해서는 d에 비례하여 Vb를 크게 하지 않으면 안 된다.

 

3) 대부분 기체의 최소 Breakdown 전압은 100~500V 사이이며, pd는 10-1~10 Torr.cm 이다.

 

Region of Glow Discharges

 

 

 

 

1) Aston dark space는 음극 표면의 바로 앞에 있다. 강한 전장이 형성되고 음의 공간이 채워진다. 전자는 아직 여기 충돌을 생기게 하는 에너지를 얻기에는 충분히 가속되지 못하였다.

 

2) Cathode glow(음극 layer)는 약하고 상대적으로 미약한 layer로서 rear 가스 속에서만 똑똑히 관찰할 수 있다.

 

3) Cathode dark space : 상대적으로 어둡고 전자에너지 증가

 

4) Negative glow:밝은 빛의 강도는 제일 크지만 電場 E는 상대적으로 낮다. 전자는 음극  지역에서 가속되어 이온화되며, 강한 여기로 인하여 빛을 낸다.

 

5) Cathode region=Cathode glow + Cathode dark: 모든 전압 강하가 이 지역에 나타난다.

 

6) Faraday dark space: 전자는 속도가 늦어지는 영역에 만나게 되고 큰 밀도 변화 때문에 양극에 확산하려는 경향이 있다.

 

7) Positive column: 플라즈마 조건과 netspace charge를 만족한다.

 

8) Anode glow and fall(양극 시스)는 양극 가까이 양의 기둥 끝에 있다.

 

 

Obstructed Abnormal DC discharge 의 특성

 

 

일반적으로 이용되고 있는 DC/RF Glow discharge는 positive column (양광주)와 negative glow부분의 경계가 없는 Obstructed Abnormal Glow의 특성을 갖는다.

 

[ kinetic energy received by particles in a plasma due to an electric field and the potential within the plasma influenced by the motion of ions.]

 

1) VP-VC의 전위차에 의해 Ion이 가속됨, 가속된 Ion이 Cathode 에서 전자를 받아 다시 정상적인 Radical로 환원됨

 

2) Plasma 안에서 전계로 인하여 받는 운동 Energy: \( \frac{1}{2} m_e v_e^2 = \frac{1}{2} m_{\text{ion}} v_{\text{ion}}^2 \)

여기서 \( m_e \) 는 전자의 질량, \( v_e \) 는 전자의 속도, \( m_{\text{ion}} \) 은 이온의 질량, 그리고 \( v_{\text{ion}} \) 은 이온의 속도다. 그리고 \( m_e \ll m_{\text{ion}} \) 이므로 \( v_e \gg v_{\text{ion}} \). Plasma 내의 전위는: 느리게 움직이는 Ion의 의해 양의 전위를 갖게 된다..

 

 

Sheath 영역의 전기적 모형

 

 

Arc Discharge

 

 

Normal arc에서 thermal arc로 진행하면서 이온의 온도는 전자의 온도와 같아진다.