Experimental Studies on the Structure of the Cathode layer Forming at the Exposed Elelectrode in Atmospheric Surface Dielectric Barrier Discharge

Abstract

표면 유전체 장벽 방전(SDBD)은 기류제어, 살균, 재료 공정, 농업으로의 응용을 위하여 폭넓게 연구되고 있다. SDBD의 성능을 개선시키기 위하여 음전압 위상 동안 노출전극에서 음극층의 형성의 이해는 매우 중요한데, 대부분의 반응이 높은 원자와 분자들, 그리고, 음이온들이 음젂압 위상 동안에 생성되기 때문이다. Gibalov의 컴퓨터 시뮬레이션을 기반으로 SDBD에서 음극층 존재의 가설을 가지고, Soloviev는 음극층의 특성을 수치해석적으로 연구하였고, 그는 대기압 SDBD에서 노출전극에서의 전기 절연파괴에 관핚 수학적 모델을 제안하였다. 본 연구에서 대기압 SDBD의 노출전극에서 형성되는 음극층의 구조에 대힌 최초의 실험적 연구를 수행하였다. 화학 동역학, 분자 확산, 표면 과학을 Soloviev의 AC 대기압 SDBD의 마이크로 방전들의 수학적 모델과 조합 활용되고, 대기압 SDBD에서 이온과 중성 입자들과 유전체 표면의 공간 선택적 상호작용이 고려된 해석모델을 본 실험의 배경 이론으로 유도하였다. 음극층의 구조를 실험적으로 시각화하기 위하여, 표면조도가 매우 낮은 (Ra < 0.1 μm) 폴리이미드 (디스플레이에 사용되는 COF의 원재료과 같은 재료) 의 특수 SDBD를 적용하였다. 방전된 SDBD의 표면 형상은 FESEM을 사용하여 분석되었다. 우리 실험으로부터 다음 사항들이 확인, 관찰되었다. (1) Soloviev에 의하여 제안된 음전위 위상에서 노출전극으로의 표면 양전하들의 표류 - 이는 노출전극의 하부모퉁이를 제외한 음전위 위상에서 음극층 이내는 전하에 의한 표면 반응이 없다는 것을 나타낸다. (2) 노출전극 옆의 시각되지 않은 유전체 표면은 SDBD의 음극층을 나타내고, 음극층의 두께 (길이)는 Paschen의 법칙에 따라 약 22 μm이다. (3) 음전위 위상동안 SDBD의 음극 글로우의 형성. 본 실험 결과들은 SDBD의 음극층은 DC 글로우의 음극과 같이 Ashton 암공간, 음극 글로우, 음극 암공간과 같은 동일 구조를 가짐을 보여준다.; Surface dielectric barrier discharges (SDBDs) have been widely researched for the applications of flow control, sterilization, material processing, agriculture, etc. To improve performance of the SDBD it is important to understand the formation of cathode layer at the exposed electrode during negative voltage phase because most reactive species and negative ions are generated during this phase. With the hypothesis of the existence of the cathode layer in SDBD based on the computer simulation by Gibalov, Soloviev numerically investigated the properties of the cathode layer, and he proposed a mathematical model on an electrical breakdown at the exposed electrode in atmospheric SDBD with simulations. However, experimental confirmation on the atmospheric SDBD has not been reported due to difficulties of measurement. This work conducted the first experimental studies on the structure of the cathode layer formed at the exposed electrode in atmospheric SDBD. As the theory of the proposed experiments, an analytic solution has been derived by utilizing the mathematical models of micro-discharges in AC atmospheric SDBD proposed by Soloviev combined with chemical kinetics, molecular diffusion, surface science, and considering spatially selective interactions of ionic and neutral species with the dielectric surface in atmospheric SDBD. In order to experimentally visualize the structure of the cathode layer, a specific SDBD with polyimide of ultra-fine surface roughness (Ra < 0.1 μm) was adopted, which is the same raw material of chip on film (COF) as used for displays. The surface morphologies of the operated SDBD were analyzed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). The followings are either confirmed or observed from our experiments : (1) The drift of surface positive charges to the exposed electrode during negative voltage phase, which was proposed by Soloviev, implying that there are no surface reactions caused by charges within the cathode layer during negative voltage phase except for the bottom edge of the exposed electrode; (2) it would indicate the non-etched dielectric surface near the exposed electrode, the cathode layer of SDBD, and its thickness (length) would be approximately 22 μm according to Paschen`s law; (3) The formation of the cathode glow of SDBD during negative voltage phase. These results have shown that the cathode layer of SDBD has the same structure such as Ashton dark space, cathode glow, and cathode dark space as the cathode layer of DC glow.