기체 분해용 유도 결합 플라즈마에서의 전자 에너지 분포 함수 측정 및 물성 분석

Abstract

본 논문에서는 플라즈마를 이용한 기체 분해에 관한 기초 연구로서 유도 결합 이산화탄소 플라즈마에서의 전자 에너지 분포 함수를 측정하고 분포 함수로부터 물성을 분석하였다. 전자 에너지 분포 함수는 저온 플라즈마내 전자와 중성 기체와의 화학반응에 관한 가장 중요한 변수이다. 전자 에너지 분포 함수를 측정하기 위해 랭뮤어 탐침법을 사용하였고 이산화탄소 플라즈마내 중성 기체의 조성 변화를 관찰하기 위해 광 방출 분광법을 이용하였다. 그리고 실험으로 측정한 전자 에너지 분포 함수를 이론적 결과와 전자 볼츠만 운동 방정식의 solver 중 하나인 BOLSIG+로 구한 전자 에너지 분포 함수와 비교를 하였다. 일반적으로 유도 결합 플라즈마에선 E mode 방전과 H-mode 방전이 존재하는데 인가하는 전력을 증가시킴에 따라 전자 밀도가 올라가며, 특정 밀도 이상에서 E-mode에서 H-mode로 전이된다. 방전 mode가 달라지기 때문에 전자 에너지 분포 함수도 변하게 된다. 하지만 본 연구에선 인가 전력이 증가해도 전자 밀도가 거의 증가하지 않는 구간이 관찰되었다. 이때 중성 기체의 조성이 극적으로 변하였고 전자 에너지 분포 함수도 달라지는 것을 확인했다. 이는 플라즈마내 이산화탄소의 해리 반응이 극적으로 높아져 기체 조성과 전자 에너지 분포 함수에 큰 영향을 준 것을 나타내고 이를 BOLSIG+를 통해서 기체 조성비에 따른 전자 에너지 분포 함수의 변화를 이론적으로도 확인했다.