운전압력 변화에 따른 마이크로파 공기 플라즈마의 특성연구

Abstract

본 연구에서는 운전압력을 1 mTorr~760 Torr까지 변화시키며 발생되는 마이크로파 공기 플라즈마의 특성을 관찰하였다. 마이크로파 공기 플라즈마 발생을 위하여 마이크로파의 전송선로인 도파관은 TE_(01) mode로 설계 및 제작하였으며, 가정용 전자렌지에 사용되는 마그네트론을 이용하여 AC-type microwave source를 제작하였다. 입력 전력은 370 W로 일정하게 유지하였으며, 이때 발생하는 플라즈마의 특성 관찰은 고속주사 정전탐침과 OES(Optical Emission Spectroscopy)를 이용하였다. 최소 절연파괴 전기장의 세기(breakdown E-field)를 가지는 압력인 500 mTorr를 기준으로 발생 플라즈마의 특성은 많은 변화를 보였으며 이 압력은 입력주파수(ω)와 충돌주파수(ν_c)가 일치하는 조건이었다. 이때 공기의 유효충돌 단면적은 9.23×10^(-16) ㎠으로 계산되었다. 운전압력 500 mTorr이하의 영역에서 절연파괴 전기장의 세기는 약 5.7×10⁴ V/m-Torr의 값을 갖으며 압력에 반비례하여 감소하였고, 500 mTorr에서 전기장은 12.5 ㎸/m로 최저 값을 갖고, 500 mTorr 이상의 영역에서는 약 43 V/m-Torr로 압력에 비례하여 증가하였다. OES 측정결과 마이크로파 공기 플라즈마에서 발생되는 주요 이온의 성분은 산소, 아르곤, 질소였으며, 특히 500 mTorr 이하의 영역에서는 산소와 아르곤 이온의 발생이 지배적이었다. 공기내의 산소(O(Ⅱ))의 이온온도는 압력이 증가함에 따라 약 1.2 eV에서 0.5 eV로 감소하는 경향을 보였다. 정전 탐침 측정 결과는 500 mTorr 이하의 영역에서 플라즈마 밀도가 증가하는 경향을 보였으며 500 mTorr 이상의 영역에서 플라즈마 밀도는 비교적 낮았다.

It is observed the characteristic of the microwave air plasma in the wide range of the operating pressure, 1 mTorr~760 Torr. The microwave air plasma was generated by an AC-type microwave source manufactured with a magnetron taken from a commertial microwave oven and the input power was fixed at 370 W. Characteristics of the plasmas were observed by an injection Langmuir probe and an OES(Optical Emission Spectroscopy). The breakdown electric field is drastically changed at 500 mTorr. For < 500 mTorr, the ratio of the breakdown electric field and the pressure decreased inversely to the pressure, 5.7×10⁴ V/m-Torr. However, the ratio increased linearly as 43 V/m-Torr for the operating pressure, > 500 mTorr. The minimum breakdown electric field was observed about 12.5 ㎸/m at 500 mTorr. It corresponds that the input frequency equals to the collision frequency. The effective collision cross section of the air at this pressure was calculated as 9.23×10^(-16) ㎠. The results of the OES measurement revealed that the ain ions were composed of the oxygen, argon, and nitrogen for > 500 mTorr. In contrast, only oxygen and argon ions were dominated for < 500 mTorr. Ion temperature of oxygen (O(Ⅱ)) in the air was decreased from about 1.2 eV to 0.5 eV as the pressure increased. Langmuir probe data shows that the plasma density for < 500 mTorr was higher that for > 500 mTorr.