• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.564-564
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• 2013

홀 추력기는 플라즈마를 이용하는 전기추력기 중 하나로, 인공위성의 자세제어, 궤도수정, 궤도천이 뿐만아니라 행성간 임무수행을 위한 우주선의 엔진으로 사용된다. 홀 추력기 채널 내부에 발생된 Xe 이온들은 양극과 음극 사이에 존재하는 전기장에 의해 가속되어 추력을 발생시킨다. 이때 Xe 이온들은 자기장에 의해 감금된 전자와 중성 Xe 원자 사이의 충돌에 의해 발생하며, 실험적 및 이론적 연구를 통해 단일 전하를 띤 이온(Xe II)뿐만 아니라 다중 전하(Xe III 등)를 띤 이온도 생성되는 것으로 알려져 있다. 이온의 전하량 비율은 홀 추력기의 추력효율 및 연료효율에 영향을 미치며, 다중 전하를 띤 이온의 높은 에너지는 채널벽의 침식문제를 야기하는 등 홀 추력기 이온빔의 전하량 분석 연구는 물리적 연구측면 뿐만아니라 실용적인 측면에서도 매우 중요하다. 본 연구에서는 자기장과 그에 수직한 방향의 전기장에서 발생하는 로렌츠 힘을 이용하여 이온의 전하량을 분석할 수 있는 $E{\times}B$ 탐침을 설계 및 개발하였다. 개발된 $E{\times}B$ 탐침은 70 mm 길이의 집속기와 $148{\times}138{\times}90mm$의 본체, 40 mm길이의 콜렉터로 구성된다. $E{\times}B$ 탐침 설계에 가장 중요한 균일한 자기장 설계를 위해 전산모사를 통해 최적화 작업을 진행하였으며, 실험을 위한 진단계의 최적화와 초기 실험결과가 발표될 예정이다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.226.1-226.1
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• 2014

이온빔 소스는 반도체 및 디스플레이 공정에 있어, 표면 에칭 및 증착 등 여러 응용 분야에 활발히 이용되고 있다. 본 연구에 사용된 원형 이온빔 소스는 선형 이온빔 소스의 가장자리에서의 특성 분석을 위해 제작되었으며, 높은 직류전압과 자기장 공간에서 플라즈마를 방전시키고 발생된 이온들을 가속시켜 높은 에너지의 이온빔을 발생시킨다. 이온빔 특성 분석을 위해 전위지연 탐침과 패러데이 탐침을 개발하였다. 전위지연 탐침은 격자판에 전압을 인가하여 선택적으로 이온을 수집하고, 이온의 에너지분포함수를 측정한다. 패러데이 탐침은 이온 수집기와 가드링으로 구성되어 수집기 표면에 일정한 플라즈마 쉬스를 형성하여 정확한 이온전류밀도를 측정한다. 본 연구에서는, 아르곤 기체를 이용하여 기체유량(8~12 sccm) 및 방전전압(1~2 kV)에 따라 방전전류 16~54 mA, 소모전력 16~108 mW의 특성을 보였다. 운전압력은 0.4~0.54 mTorr이며, 이온소스로부터 18 cm 거리에서 이온전류밀도와 이온에너지분포를 측정하였다. 또한, 중공음극선을 이용하여 인위적으로 전자를 이온 소스에서 발생된 플라즈마에 공급하고 이온빔 및 플라즈마의 특성 변화를 위 시스템에서 분석하였다.

• 한국산학기술학회:학술대회논문집
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• 한국산학기술학회 2004년도 춘계학술대회
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• pp.258-260
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• 2004

암모니아 대신 에탄올아민은 원자력 발전소 2차계통수에서 pH를 증가시켜 철 부식을 억제하고, 중기 발생기 전열관의 건전성을 제고하기 위해 사용하고 있다. 에탄올아민은 암모니아와 물리화학적 성질이 다르므로, 증기발생기에 유입되는 부식생성물의 용해와 흡착, 이온성 불순물의 잠복현상에 미치는 영향이 다르다. 본 연구에서는 온도가 증가함에 따라 암모니아와 에탄올아민이 부식생성물에 대한 용해와 흡착, 이온성 불순물의 잠복현상에 미치는 영향을 조사하였다. 2차 계통수의 pH 제어제로서 에탄올 아민은 암모니아보다 증기발생기 슬러지의 철산화물에 많이 흡착되어 철산화물의 용해도를 증가시키므로 퇴적된 슬러지의 양을 감소시키며, 또한 슬러지에 흡착된 불순물의 양을 감소시켜 잠복 현상을 억제할 것으로 판단된다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2000년도 제18회 학술발표회 논문개요집
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• pp.185-185
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• 2000

플라즈마 연구 및 응용에서 플라즈마를 구성하는 이온에 대한 정보를 얻는 것은 중요하다. 특히 플라즈마 진단, 박막 증착, 플라즈마 코팅, 플라즈마 이온주입 등과 같은 플라즈마 프로세싱에서 이온들의 종류 구성비율 및 분포는 매우 중요하다. 질량분석기는 대개 큰 규모로 복잡하고 값비싼 경향이 있다. 플라즈마 교란을 최소화하면서 충분한 질량분해능을 갖고 국소적으로 이온들을 분석할 수 있는 간단하고 작은 규모의 값싼 질량분석기가 필요하다. 본 연구에서는 플라즈마 내에 존재하는 이온을 분석하기 위하여 간단하고 작은 규모의 값싼 프라즈마 이온 질량분석기를 설계, 제작하였다. 이온 질량분석기는 ion extraction part, double focusing sector magnet, ion collector로 구성되어 있다. 플라즈마에 잠기는 ion extraction part의 외부 전극에 Al2O3를 코팅하여 플라즈마 교란을 최소화하였다. 이온들의 공간적 분포를 측정하기 쉽게 하기 위하여 ion extraction part를 이동하여도 질량여과기를 통과한 후에 접속되는 초점의 위치가 Faraday ion collector 에 고정되도록 ion optical system을 설계하였다. Extracting electrode에 의하여 가속된 이온들이 sector magnet에 들어갈 때 평행이 되게 하기 위하여 여러 개의 미세구조를 갖는 Mo grids를 사용하고 immersion lens를 넣어서 이온 광학 시스템을 구성하였다. extraction electrode와 sector magnet 사이에 보조 electrode를 하나 더 넣어서 extracting electrode와 보조 electrode 사이에 immersion lens를 만들었다. 질량여과기로는 permanent magnet sector와 time-varying electrical field를 결합하여 사용하였다. Extracting electrode에 1kV 정도의 전압을 인가하여 이온들을 가속시키고 sector magnet에 톱니파 형태의 전압을 인가하여 mass spectrum을 얻었다. 이온 질량분석기를 플라즈마 장치에 적용하여 질량분해능 등의 특성을 연구하였다. Hot cathode discharge와 inductively coupled RF discharge에서 발생된 질소 플라즈마를 구성하는 이온들의 종류와 그 구성비율을 연구하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.263-263
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• 2012

핵융합 플라즈마에서의 고속이온은 NBI 및 ICRF에 의한 이온 가열과 핵융합 반응에 의하여 발생하며, 핵융합 반응률을 크게 하고 일차적으로 그 에너지를 전자에게 전달하는 특성을 갖는다. 따라서 핵융합을 지향하는 플라즈마에서는 그 성능을 나타내는 지표이기도 하면서, 맥스웰 분포를 갖는 열화 플라즈마의 수송특성을 크게 변화 시킨다. 또한 알펜파 등의 파동 또는 불안정성을 유발시키며 이로 인한 플라즈마 손실은 국지적인 일차벽의 가열을 유발할 수 있는 것으로 여겨진다. 본 연구에서는 일반적인 기하학적 구조를 갖는 토카막에서의 NBI 가열에 의한 고속이온 발생과 위상공간에서의 수송 및 손실을 시간 의존적인 Fokker-Planck 방정식을 수치적으로 풀어서, 위치에 따른 고속이온 분포의 변화를 계산한다. NBI 입사의 기하학적 모델에서는 각 계산 위치에서의 피치각 변화와 stagnation point의 변화에 의한 영향을 고려하며, 일반적인 고속이온의 각종 모멘트 뿐 아니라 즉발 이온 손실률을 계산에 포함한다. 해석된 고속이온 분포는 중성입자 검출기에서 측정한 KSTAR 플라즈마의 고속이온 에너지 분포와 비교한다. 차후에는 본 연구에서 사용한 Fokker-Planck 출동연산자에 고주파 가열에 의한 고속이온발생 항을 추가하여 ICRF 가열에 의한 효과를 예측할 수 있도록 할 것이다.

• 천문학회보
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• 제37권2호
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• pp.126.2-126.2
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• 2012

최근 태양 극대기를 맞아 우주기상의 변화에 대처하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서도 저 중위도 이온권 모델인 SAMI2와 SAMI3를 이용하여 solar flare 발생에 따른 이온권의 변화를 지켜보고자 하였다. 하지만 SAMI 모델에서는 F74113 Solar EUV reference spectrum을 이용하여 EUV flux에 의한 이온화만 고려되었을 뿐, X-ray flux에 의한 이온화는 고려되지 않았다. 태양 극대기동안 solar flare가 발생하였을 때, solar X-ray가 전리층에 미치는 영향이 매우 중요한만큼 solar X-ray에 의한 이온권의 변화를 적용시킬 필요가 있었다. 따라서 우리는 보다 정확한 solar flare 발생에 따른 이온권의 변화를 보기 위해 $1{\AA}{\sim}8{\AA}$범위의 X-ray관측자료를 제공하는 GOES 위성의 데이터를 직접 이용하고, 해당하는 파장의 cross section을 추가하여 SAMI 모델에 적용시켰다. solar flare 효과를 선택적으로 활용하는 개정된 SAMI 모델을 통해 각 flare 등급과 지속시간에 따른 이온권의 변화를 모델로써 확인하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.502-502
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• 2012

반도체 공정 중 플라즈마를 이용하는 식각 공정의 경우, 실제 식각률이나 profile의 특성은 RF Bias power에 의해 기판에 당겨지는 이온 선속에 의해 큰 영향을 받는다. 때문에 플라즈마 발생장치 내에서 기판에서의 이온에너지 분석이 중요해지고 있다. 이온에너지 분석을 위해 다양한 형태의 이온에너지 분석기가 나와있으나 기판 위에 얹혀있는 양상이었다. 이에 본 발표에서는 실제 기판 안에 이온에너지 분석기를 설치함으로써 실제 기판에서 wafer가 받는 이온들의 양상에 더 가깝게 접근했다. 이렇게 제작 된 이온에너지 분석기를 이용해 대면적 M-ICP(Magnetized-Induced Coupled Plasma)에서 아르곤 가스를 이용한 플라즈마에서 기판 이온 에너지 분포를 확인해 보았다. 압력의 변화, ICP Source power의 변화, 일정한 Source power에서 기판에 가해지는 Bias power의 변화에 대해 측정함으로써 각각의 조건 변화에 따른 이온들의 변화양상에 대한 이해를 할 수 있었다.

• 한국원자력학회:학술대회논문집
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• 한국원자력학회 1998년도 춘계학술발표회논문집(2)
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• pp.941-945
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• 1998

헬리콘 플라즈마는 낮은 입력전력에서 높은 플라즈마 밀도를 얻을 수 있는, 지금까지 알려진 가장 효율적인 플라즈마 발생방법이다. 이러한 헬리콘 플라즈마의 특성을 이용하여 대전류의 이온원이 요구되는 원자력용 가속기의 이온원으로의 적용을 위한 연구를 수행하였다. 원자력용 가속기의 이온원으로서 요구되는 소형화된 헬리콘 플라즈마원을 개발하고, 플라즈마의 특성을 분석하였으며, 모의로 제작된 빔인출부를 통하여 이온 및 전자의 인출특성을 분석하였다.

• 한국산학기술학회:학술대회논문집
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• 한국산학기술학회 2008년도 추계학술발표논문집
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• pp.267-269
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• 2008

본 연구는 이온주입(Ion Implanter)장비의 성능향상과 재현성 있는 Source Head를 개발하기 위한 방법이다. 본 개발은 이온주입설비가 가지고 있는 Cathode 열전자를 이용하여 원자라는 Source Positive의 극성을 생성하여 보다 높은 이온화를 발생하여 많은 시간 동안 사용 가능하도록 하였다. 기존에는 Gas의 손실이 많아 원자의 이온화에 대한 열전자의 소모성을 증가하는 원인을 제공하였으나, 본 개발에서는 원자의 유입방식을 공중 분산방식으로 적용함으로써 열전자의 손실로 발생하는 부분을 억제하는 효과와 Arc Chamber의 압력을 낮게 가지고 갈 수 있고 Chamber의 오염을 억제하는 효과를 얻을 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.211-212
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• 2011

플라즈마를 제어하기 위해서는 플라즈마의 온도, 밀도, 에너지 분포등과 같은 플라즈마의 특성을 정확히 측정할 수 있어야한다. 핵융합발전에서는 플라즈마를 발생하기 위하여 플라즈마의 온도, 밀도 등 각종 변수들을 시공간적으로 계측, 분석할 수 있는 진달설비를 사용하고 있으며, 정확한 플라즈마 제어와 측정을 위한 새로운 진단기술을 개발하고 있다. 그리고 중요한 변수중에 하나인 플라즈마 이온온도를 측정하기 위해 중성입자 검출법이 잘 알려져 있다. 이 실험은 수소 중성입자가 토카막 내부의 플라즈마 이온과 충돌하면서 생성된 고속 중성입자의 에너지를 분석하는 실험이다. 본 연구의 실험방법은 수소 중성입자를 이온빔 장치에서 이온화 시킨 후 자체 제작한 가속기를 통하여 가속시켜 에너지 특성을 분석을 하는 것이다. 본 연구의 실험장치로 에너지 교정용 100 keV 이온빔 소스를 제작 하였고 이온빔 장치 내부에 수소기체를 주입하고 기체방전을 일으켜 플라즈마를 발생시켰다. 이온빔 외부에는 팬을 설치하고 전도성이 강한 물 대신 전도성이 약한 오일을 사용하여 냉각 하였다. 이온빔 장치와 결합될 이온 가속장치는 지름 300 mm, 두께 2 mm의 원형 구리판을 여러층으로 쌓아 전극으로 제작하였고 전극과 전극 사이에서 코로나 방전과 스파크를 방지하기 위해 전극 둘레에 코로나링을 설치 하였다. 또한 전극 사이마다 1G${\Omega}$의 저항을 설치한 후 고전압을 생성하여 이온 가속 효율을 증대시켰다. 진공시스템으로는 Alcatel사의 CFF100 터보분자 펌프와 우성진공사의 MVP24 진공로타리펌프를 결합하여 사용하였으며, 진공도측정은 Alcatel사의 ACS1000 장치를 사용하였다. 고진공후 고속 중성입자의 이온화와 에너지 측정을 위한 전하교환기를 설치하였다. 전하교환기로는 진공시스템을 별도로 설치하고 비용이 비교적 많이 드는 기체형 전하교환기 대신 소형화가 가능하고 유지보수가 좋은 고체형 전하교환기 제작하여 실험 하였다. 전하교환기에서 이온화된 고속 중성입자가 전기장이나 자장에 영향을 받았을때 에너지분포를 디텍터를 통해 측정하였다. 즉, 이온화된 중성입자의 에너지가 실리콘 다이오드를 통해 전압 펄스 신호로 변환되고 이차 증폭기를 통해 전압 펄스 신호들이 증폭한다. 에너지 측정을 위한 디텍터는 소형화가 가능하고 비용이 비교적 적게 드는 실리콘 다이오드를 설치하였다. 본 연구결과 중성입자 에너지 분석 장치가 실제 핵융합 장치의 플라즈마 이온온도와 특성 측정에 적용할 수 있으며, 앞으로 개발될 여러 형태의 응용 플라즈마 발생장치의 플라즈마 진단에 이용될 것으로 기대한다.