저번시간 복습
전자라는것은 공기중에도 존재하는데 보통 코스믹 레이에 의해 이온화가 이루어진 상태이다.
이러한 전자의 에너지가 낮은 경우 충돌을 통해서 에너지를 교환하기 어려워서 탄성 충돌만 하게 된다.
전자가속을 통해 비탄성 충돌을 할 수 있다.
플라즈마가 챔버 내에서 전기 에너지로 가속 되면서 충돌하게 된다.
일차 이온화를 알파 프로세스라고 부른다.
이온은 음극으로 가속되는데 음극에 있던 전자들과 부딧히면서
2차 방출이 일어난다. 이를 감마 프로세스라고 부른다.
실험적으로 얻어진 단위길이당 전자의 이온화 횟수 알파
이온화 충돌 횟수에 비례하는 값이다.
알파를 단위 길이당 전자의 이온화 횟수로 생각할 수 있다.
전자의 선속(flux)를 dz 거리를 이동할 때 이온화로 증가되는 선속과 전류밀도라고 할때
감마 프로세스는
이온이 금속을 충돌해서 전자가 튀어나오는것이다.
입사한 이온에 의해서 방출된 전자의 개수의 비 이다.
준안정 종이 음극을 때릴 때 이차 전자를 방출한다.
Townsend criterion은 알파,감마 과정을 적용한 방전 모델이다.
전기장에 의해서 가속한 후 이온화 되고 양극에 도달하게 되는데
도달하는 선속을 정의할 수 있다.(전자들에 대해서)
에노드로 향하는 전자의 선속에서 초기 백그라운드 선속과 이차 선속을 빼주면
이온이 음극으로 달려가는 선속을 구할 수 있다.
감마의 배수를 가지고 이차 전자 선속이 튀어 나온다.
전류밀도는 선속에 비례하므로
분모가 0으로 가는것은 전류가 무한대로 가는것이다.
즉 방전 개시를 의미한다.
그런 ead이 1+1/r이 된다.
이때의 Vb값을 압력과 간격과 여러가지 상수들의 함수로 표현할 수 있다.
파셴 커브는 pd의 함수이다.
미니멈이 존재하는데 미니멈 전압 이상을 줄때만 플라즈마를 생성할 수 있다.
pd 값이 커지면 높은 방전을 요구하게 된다.
간격이 커지게 되면 전기장이 동일 할 때
전압은 떨어질것이다.
동일한 전기장으로 가속시키려면 높은 방전을 요구하게 된다.
압력이 높아지면 이온들이 많아서
충분히 가속되어서 이온화 시켰는데
짧은 구간에서 가속되어야 하므로 높은 방전이 요구된다.
작은 pd일 때
분모가 거의 0에 접근해서 방전전압이 증가한다.
압력이 너무 낮으면 밀도가 너무 낮은것이다.
압력=밀도
그렇기 때문에 가속은 잘되지만 '충돌'이 없다.
에너지 전달을 못하게 되는것이다.
이러한 곡선을 파센 곡선이라고 부른다.
탄성충돌과 비탄성 충돌로 나눌 수 있다.
비탄성 충돌은 이온화와 여기를 일으킨다.
이온과 중성종간에도 탄성충돌과 전하 전이가 일어난다.
전기장으로부터 가속이 되서 온건데
전압 1V의 전자가 에너지를 얻어서 가속이 된것이죠
전자의 온도를 eV라는 단위로 더 많이 쓴다고 했었다.
가속을 통해 얻어진 전자의 에너지가 15.8 eV보다 크다면
(아르곤의 이온화 에너지 15.8eV)
이온화 과정이 일어난다.
충돌이 없으면 에너지를 전달할 수 없기에 플라즈마가 발생하지 않는다.
교류전원일 경우 전자가 한 주기당 얻는 power density를 얻을 수 있다.
평균을 구하면 J와 E의 곱의 리얼값을 얻을 수 있다.
이때 current density는 시그마*E
시간에 대해 변하기 때문에 Maxwell equation에서 4번째 식에서..
이렇게 대입해주게 되면 한주기당 플라즈마가 얻는 시간당 불룜당 파워를 정의할 수 있다.
시그마라는것은 컨덕티비티 형태이다.
한 주기당 얻는 에너지가 1/2J^2 1/오메가dc
저항이 있을 때 소모되는 파워=I^2R
교류전원의 경우에 플라즈마가 얻는 시간당 얻는 에너지는
결국 옴의 법칙과 똑같다.
충돌을 통해서 에너지가 소모된다는것이다.
충돌에 의한 에너지흡수->전자기 열을 가해주는것 -> 충돌 가열 (collisional heating or Ohmic heating)
저압에서는 충돌 가열보다 높은 경우도 많다(충돌 외의 가열 메카니즘이 존재하긴 한다.)
전자의 에너지가 15.8eV보다 낮은데 플라즈마가 생성되는 경우가 있다?
단 하나의 수십 eV를 가진 전자가 존재하더라도 플라즈마가 생성될 수 있다.
플라즈마가 없다면 일직선 포텐셜을 갖겠지만
플라즈마가 발생되면 전기장은 균일하지만 전위가 선형적으로 증가하게 된다.
왜?
플라즈마 안에서는 이온과 전자의 밀도가 동수이기 때문이다.
밝게 빛나서 'glow'라는 말을 했었다.
방전이 일어난 후에 전류가 증가하게 되는데
전류가 증가했다는것은 저항이 낮아진것이다.
즉, voltage drop이 일어났다는것이다.
'Break down' 영역이라고 부른다.
전류가 증가하지만 플라즈마 면적이 계속 커지는데
전류가 증가하지만 면적이 증가하면서
전류밀도가 일정한 영역이 생긴다.
빛이 발생하지만 전류밀도가 일정하고 유지 전압도 일정한
normal glow 영역이 나오고
그 이후에 abnormal 영역에서 전압이 증가한다.
그 이후에 더 큰 전압이 가해지기 시작하면
다크 리전 사이에 높은 전압이 인가되게 된다.
쉬스 영역이 브레이크 다운이 일어나면서
쉬스 영역이 없어지며 플라즈마가 전부 연결되어서
갑자기 많은 전류가 흐르게 되고 전압이 뚝 떨어지면서
열이 발생하는 arc region이 발생한다.
코로나 방전은 글로우 방전이 진행되기 전 단계에서 주로 발생하는데
비균일 전기장에 의해 발생하는 암 방전으로 잘 보이지 않으며 전류도 낮다.
음 글로우가 가장 강한 빛을 내며 (밀도가 높으니까?) 상대적으로 가장 낮은 전기장을 가진다.
높은 전압이 인가 되었을 때
감마 프로세스와 상관없이
스파크 같은 경우 채널이 훨씬 빨리 발생하는것이다.
스트리머라는것은 강한 초기 전자 사태에 의해 생성된 이온화 채널이 빠르게 생성되는것이다.
공간전하 축적 ==>전자들이 달려와서 충돌
채널이 cathod를 향해서 달려가는것 처럼 보인다.
벌크 내에서 강한 이온화가 일어난다.
negative는 전자들이 움직이는것
장시간 유지 되지 않고 charge seperation에 의해서 플라즈마가 꺼지고
다시 플라즈마가 켜진다.
==>Lamp 등으로 활용한다고 합니다(?)
사실 교류 전압을 이용한 방전을 많이 사용한다.
왜?
1.부도체를 사용할 수 있다.
유전체가 삽입된 경우에 플라즈마가 생김과 동시에 전하들의 이동에 의해서
생성된 전기장을 상쇄시켜서 플라즈마가 꺼져 버린다.
2. 저압에서 플라즈마 유지 가능!
Insulator를 charge up 하는데 걸리는 시간이 RF 주기보다 길어지면
플라즈마를 계속 유지시킬 수 있다.(연속적인 방전)
DBD는 스트리머성이 많이 생기고 꺼지고 켜지고를 반복한다.
다음 시간에는..
플라즈마 소스에 대해서 배운답니다!!
www.youtube.com/watch?v=I9fIYUuuW50&list=PLJnw7q_gjMgnHfuiMLUZWueft-yUrrnUV&index=5
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