저주파 인가 대기압 유전체 격벽 헬륨 플라즈마의 방전 특성 연구

Abstract

헬륨 대기압 유전체 격벽 방전은 대표적인 대기압 플라즈마 방전으로서 진공 상태에서 적용될 수 없는 산업 분야에 흔히 사용되는 플라즈마이다. 특히 대면적에 균일하게 형성되는 유전체 격벽 방전은 식물 생산 수율 증가를 위한 파종 전처리 장치로서 각광을 받고 있으나 단순히 방전 조건, 처리 시간으로 분류되고 있어 플라즈마를 블랙 박스로서 활용하는 사례 연구에 머물고 있다. 따라서 처리 응용 시 플라즈마 인자를 제어할 수 있는 플라즈마 장치 개발을 위해 유전체 격벽 방전 특성 이해가 필요하다. 본 연구에서는 저주파 헬륨 대기압 유전체 격벽 방전의 플라즈마 내부 전기장과 처리 대상 표면 입사 전하량을 처리 응용 시의 플라즈마 인자로 정의하고 방전 특성 해석을 통해 두 인자의 제어 가능성을 확인 하였다. 인가 전압 파형에 동기화시킨 ICCD 카메라와 광진단계를 이용해 시간에 따라 방전의 변화 과정을 관찰하고 방전 시 전압, 전류 신호를 이용해 방전 개시 및 유지 특성을 분석하였다. 먼저, 저주파 헬륨 대기압 유전체 격벽 방전은 직류 방전과 유사함을 밝혔다. 직류 방전에서 인가 전력을 높이며 타운젠트 방전에서 글로우 방전으로 모드 전이가 일어나는 현상이 유전체 격벽 방전에 나타남을 확인하였고 유전체 격벽 글로우 방전의 음극 강하 영역에 직류 글로우 방전의 음극 강하 영역 모델을 적용해 음극 강하 영역 크기를 설명할 수 있음을 보였다. 이를 통해 유전체 격벽 방전은 직류 방전 특성을 가져 이온의 음극 유전체 입사가 음극 강하 영역을 형성 및 유지하는 역할을 하고 있음을 알 수 있었다. 그리고 저주파 헬륨 대기압 유전체 격벽 방전은 음극 강하 영역에서 생성되는 이온의 음극 유전체 표면 입사가 글로우 방전을 오랫동안 유지시키는 중요 현상임을 밝혔다. 이는 음극 강하 영역에서 생성된 이온의 음극 표면에 도달하기까지 시간이 존재해 인가 전압 변화와 메모리 전하 전압 변화 간 위상차가 발생하여 음극 강하 영역 내 절연 파괴 전기장이 유지되기 때문에 나타나는 현상이며 이 특성으로부터 플라즈마 처리 응용 시 대상체에 입사하는 전하량을 제어할 수 있다. 종자 파종 전 처리 후 생장 결과로부터 플라즈마는 전하 입사에 의한 표면 처리로서 생장에 기여하며, 글로우 방전 특성 및 유지 시간 제어를 통한 종자 입사 전하량 조절로서 파종 전 플라즈마 처리를 위한 정교한 제어 시스템의 개발 가능성을 확인하였다.