플라즈마 발생 장치는 굉장히 중요하기 때문에 그 자체로 학문이다.
직류전원 같은 경우 DC 글로우 장치 혹은 Arc 장치등이 있으며
일반적으로는 AC를 많이 사용한다.
DC는 스퍼터링이나 라디에이션처럼 특별한 분야에만 사용하는 경우가 많고
RF 플라즈마를 널리 사용한다.
DC를 걸면 DC 발생장치가 되고
RF를 걸면 RF 발생 장치가 된다.
CCP ICP로 나뉘며
자기장 도움 여부에 따라서도 플라즈마 장치를 구분할 수 있다.
중성 기체 온도와 전자온도가 거의 같으면 열플라즈마라고 부르며
일반적으로는 Non-thermal plasma
이렇게 여러가지 플라즈마 장치로 나뉜다.
전기장이 변하는 시간이 이온이 극판 사이를 움직이는 시간보다 짧게 되면 이온이 극판 내에서 진동하게 되는데
이온 손실이 작아지고 전자의 손실도 작아진다. 교류를 이용한 플라즈마 발생장치가 선호된다.
유전체를 삽입했을 때 DC를 이용하면 insulator의 space charge가 외부 전기장을
상쇄하여 연속적인 플라즈마 발생이 어렵다.
charge up하는것 보다 RF 주기가 작아지게 되면 연속적인 플라즈마를 생성할 수 있다.
유전체가 삽입되어야 한다. 전극의 한면 혹은 양면 혹은 그 사이에 삽입되거나
실리더 형태의 방전도 존재한다. + Low Frequency
DBD라는 이름은 구조와 발생 메카니즘에서 온것이다.
Memory charge effect가 일어나야 DBD다.
Memory charge effect란?
순간적으로 내부와 외부 전기장이 합쳐졌을 때
순간적으로 플라즈마가 발생된다.
==>차지들이 이동해서 다시 외부 전기장을 상쇄하여
플라즈마를 꺼버린다.
RF DBD라는 말은 사용하지 않도록한다.
우리는 전류의 모양을 보고 DBD의 특성을 알 수 있다.
인가 전압 증가율에 따라서 방전모드가 달라질 수 있다.
RF 주파수를 사용하게 되는데 CCP ICP로 나눌 수 있다.
ICP는 planar와 cylindrical 타입으로 나뉜다.
MB는 matching box를 의미한다.
(임피던스 매칭을 위한 소자이며 RF에서는 무조건 필요하다.)
ICP에서 코일에 흐르는 전류의 변화에 의해서 자기장이 형성되고
자기장의 시간의 변화에 의한 전기장을 통해서 플라즈마를 발생시킨다.
CCP같은 경우 ICP보다 밀도가 낮다.
RF 영역은 플라즈마의 이온주파수보다 크고 전자 주파수보다는 작다.
DBD는 이온주파수보다도 작아서 이온이 필드를 느낄 수 있어서 트래픽 효과가 생긴다.
반면에 RF에서는 이온이 필드가 바뀌는것을 따라갈 수 없다.
전자기학을 배우지 않았다면
ghebook.blogspot.com/2010/09/maxwells-equations.html
맥스웰 방정식(Maxwell's Equations)
물리학, 수학, 전자파, RF, 초고주파, 안테나, 통신 이론, 정보 이론
ghebook.blogspot.com
ⓐ전기장은 전하 때문에 발산한다.(홀극이 존재)
전기장의 근원이 존재한다.
ⓑ자기장의 근원이 되는 홀극은 존재하지 않는다.
자기장은 홀로 존재할 수 없다.
ⓒ자기장의 근원은 전류와 시변 전기장이며 회전성 자기장을 만든다.
우리는 맥스웰 방정식과 로렌츠힘 법칙을 이용하여 플라즈마를 설명하게 된다.
가우스 법칙과 앙페르-맥스웰 법칙을 결합하면 전하 보존 법칙을 유도할 수 있다.
ⓐ 푸아송 방정식을 이용하여 전기장과 포텐셜의 관계를 얻을 수 있다.
ⓑ 자기장에 대한 시간의 변화가 전기장을 만들 수 있다.
스톡스 이론을 이용하면
시간에 따라서 자기장이 변화할 때 A라는 영역을 둘러싼 길이는 l인데
지나가는 자기장의 세기가 달라지는것이다.
그렇다면 자기장을 둘러싼 l에 전기장을 유도한다는것이다.
ⓒ위치에 상관없이 current density가 일정하다(미분값이 상수값이므로)
쉬스에서는 변위전류가 플라즈마에서는 전도전류가 흐르며 전체전류는 모든곳에서 동일하다.
유전율은 절연체나 물질의 전자기적 성질을 결정하는것이다.
유전체에서 얼마나 분극이 잘 일어나서 전기장을 상쇄시킬 수 있는가?
플라즈마는 도체냐? 유전체냐?
결정하는것은 charged particle들이다.
이친구들이 플라즈마 안에 바운드 되어있긴 하지만
이 안에서 자유롭게 움직여서 conduction current 역할도 하지만
자유롭기 때문에 이온과 전자과 space charge를 형성해서 유전체 처럼
내부에 외부의 전기장을 상쇄시키는 전기장이 형성되기도 해서
그래서 유전율을 갖게 되는것이다.
플라즈마 유전율은 진공의 유전율에 대해서
플라즈마 밀도와 외부 주파수와의 비에 의한 차이만큼이다.
유전율을 음값으로 갖는다.
전류 밀도는 일정하다고 했고
유전율이 음값이므로 전기장이 반대로 걸린다는 것이다.
쉬스 전기장의 1/1000 정도만 플라즈마에 인가되나 전자를 가속 시키고 이온화 시키기에는 충분하다.
플라즈마의 conductivity와 dielectric constant도 다뤘는데
conductivity가 있다는것은 플라즈마가 도체로 사용할 수 있다는 것이며
등가회로로 그릴 수 있다.
임피던스
DC에서는 저항만 존재하며
C는 오픈서킷이고 L은 도체이거나 저항을 가진놈이 되버리지만
AC에서는
C는 전기장을 축적하고 L은 자기장으로서 에너지를 축적한다.
둘다 전류의 흐름을 방해한다.
큰 의미의 저항인 임피던스로 나뒀다.
플라즈마를 등가 회로로 쓸 수 있게 된다.
플라즈마를 소자로 취급하면서 파워를 구하는것과 똑같다.
무슨 얘기냐? 플라즈마 내에서는 충돌에 의해서 에너지가 흡수된다는 것이다.
외부 주파수가 충돌 주파수랑 같을 때
전기장에서 흡수 전력이 최대가 되며
collision이 0이 되고 히팅이 안되는 것이다.
하지만 실제 저압 RF 플라즈마의 경우 흡수전력이 충돌가열보다 많다(비충돌 가열 메카니즘도 존재하긴 한다.)
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