• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.445-445
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• 2010

전자빔 플라즈마는 전자 소스 부분, 전자 가속 부분, 전자빔 플라즈마 생성 부분으로 구성되어 있다. Hollow cathode형태의 전극과 anode역할을 하는 안쪽 그리드로 DC방전을 일으켜 전자를 발생시키고 안쪽 그리드와 바깥쪽 그리드 사이의 전압차이로 전자를 가속시킨다. 가속된 전자는 중성 가스와 비탄성 충돌을 하게 되어 플라즈마가 생성이 된다. 이러한 방식으로 생성된 전자빔 플라즈마는 플라즈마 형성 공간에 전기장이 없어 전자가 에너지를 얻을 수 없으며, 중성가스와 비탄성 충돌로 인해 에너지를 쉽게 잃기 때문에 전자 온도가 낮게 유지가 된다. 일반적으로 바깥쪽 그리드는 접지를 시켜 전자빔 플라즈마를 발생시키지만, DC 전원을 연결하여 양의 전압을 걸어주면 전자빔 플라즈마의 밀도는 크게 변하지 않고 전자 온도가 급격히 상승하게 된다. Ar 전자빔 플라즈마의 경우 바깥쪽 그리드가 접지에 연결되었을 경우 전자 온도는 0.5eV 정도인 것에 비해 바깥쪽 그리드에 20V DC전압을 걸어주면 전자 온도가 1eV 정도로 크게 증가를 한다. 그 이유는 바깥쪽 그리드 전압의 영향으로 전자빔 플라즈마 전위가 상승하게 되고 그 결과 높은 에너지를 가진 전자가 플라즈마 전위에 갇히게 되기 때문이다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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• 2014.11a
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• pp.294-295
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• 2014

스크린 플라즈마 기술은 저온에서 가열과 동시에 플라즈마에 의한 확산층을 형성할 수 있는 매우 큰 장점을 가진 기술이다. 특히 저합금강의 내부 경도 저하를 최소화 한 상태에서 표면경도를 올려 플라스틱 금형강 등에 이를 적용할 수 있는 연구를 진행하였고, 이에 대한 결과를 보고하고자 한다.

• Electrical & Electronic Materials
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• v.6 no.4
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• pp.361-365
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• 1993

플라즈마화상 계측 시스템에 있어서 단층화상의 화질이 떨어지는 문제점 중의 하나로서 시준기특성이 있다. 이것은 시준기가 길이를 가진 형태이기 때문에 생기는 것으로써 화상에서는 천이변형의 왜곡으로 나타난다. 본 논문에서 보정법으로 측정데이타를 공간주파수상에서 천이불변형태로 디콘볼루션하는 방법을 제시하고 시준기의 각도를 파라메타로 해서 플라즈마 계측에 의한 실제의 데이타에 그 보정법의 유효성을 검증하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.297-297
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• 2010

KSTAR 토카막의 두번째 실험 캠페인 동안 고속파 전자가열 (FWEH)을 위한 ICRF 고주파입사 실험을 실시하였다. 토로이달 자기장은 2 T, 플라즈마 전류는 200-300 kA, 주반경은 1.8 m, 부반경은 0.5 m의 원형 플라즈마가 가열 대상이 되었으며, 네개의 ICRF 안테나 전류띠 가운데 중심부의 두개의 전류띠를 최대 300 kW로 구동하기 위한 운전 주파수는 44.2 MHz가 선택 되었다. 이 주파수는 플라즈마의 모든 영역에서 이온 사이클로트론 공명을 일으키지 않으므로 플라즈마에 흡수되는 대부분의 출력은 전자에게 전달될 것으로 기대되었다. 낮은 고주파-플라즈마 결합으로 인하여 전송선의 최대 고주파 전압이 허용치를 초과하기 때문에 비교적 낮은 최대 출력만이 허용 되었으나, ECE에 의해 관측된 전자의 온도는 국지적으로 최대 150 % 까지 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 낮은 고주파-플라즈마 결합의 첫번째 원인은 FWEH의 효율이 이온을 가열할 때 보다 상대적으로 낮기 때문이다. 플라즈마 내에 이온 사이클로트론 공명층이 형성되면 높은 효율로 고주파를 입사 할 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 또다른 원인은 D 형상의 플라즈마에 맞도록 만들어진 안테나와, 원형 플라즈마간의 부조화로 인하여 고속파 차단층이 (Fast Wave Cutt-off Layer) 평균적으로 넓게 형성되기 때문이다. 플라즈마 외곽에 반드시 존재하는 낮은 플라즈마 밀도의 고속파 차단층 내부에서, 중심부로 향하는 고주파의 진폭은 지수함수로 감쇠하므로 가능하면 플라즈마 밀도를 높여 차단층 자체의 폭을 줄이거나, 안테나 전류띠를 플라즈마에 바짝 접근시켜야만 한다. 고주파 진단 장치로는 송출기의 출력과 반사파 측정 장치, 공명루프의 전압 측정 장치가 있는데, 이것들을 이용하여 안테나에 전달되는 출력 및 고주파-플라즈마 결합 효율을 나타내는 플라즈마에 대한 고주파 부하 저항을 구할 수 있다. 측정 결과, 부하 저항의 최소값은 진공시 또는 ICRF만의 방전시의 값 0.25 Ohm 보다 큰 0.5 Ohm을 나타냈으며, 최대값은 플라즈마의 상태에 따라 1 Ohm에서 2 Ohm 사이에서 매우 빠르게 요동하는 것을 확인했다. Mm 파 반사계의 측정에 의하면 플라즈마 언저리의 위치가 약 3 cm 정도의 크기로 요동하는 것으로 나타났는데, 부하 저항과 언저리 위치의 파형이 정확하게 일치하지 않지만 유사한 경향성을 가진 것으로 보인다. 따라서 플라즈마 언저리 위치의 제어를 통하여 가열 효율을 높게 유지할 수 있음을 알 수 있다. 본 발표에서는 실험의 소개와 함께 부하 저항의 관점에서 가열 효율을 높일 방안을 토론하도록 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.539-539
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• 2012

전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터는 교육과학기술부 기초연구사업 중 고가연구장비 구축사업의 일환으로, 고 엔탈피, 초음속 유동 환경을 모사하여, 항공우주, 군사기기, 핵융합 분야 등의 고온 재료 개발을 위한 기초 연구 장치로써, 0.4MW급 플라즈마 풍동 장치를 구축하고 있다. 0.4MW 플라즈마 풍동 장치의 플라즈마 발생부는 DC 전원 공급장치와 디스크 형태의 양극과 음극 사이에 동일 형태의 간극을 삽입한 0.4MW급 분절형 아크 플라즈마 토치로 구성되었으며, 토치에서 발생된 아크 플라즈마는 노즐을 통과하며 마하 2~4의 초음속을 나타내도록 설계 제작되었다. 시험 챔버는 노즐에서 나온 초음속 플라즈마의 특성 및 재료 시험을 위한 3차원 이송식 기판이 장착되어 있으며, 고 엔탈피 유동을 관측하기 위한 광학창을 구비하였다. 시험 챔버 하류에는 유동 안정을 위한 디퓨저(diffuser)가 설치되어 있으며, 디퓨저(diffuser)로부터 배출되는 고온가스는 열교환기를 통해 냉각된 후 진공펌프를 통해 대기로 배출되게 된다. 장치의 압력조절을 위하여 $1,000m^3/min$의 용량의 진공펌프 시스템이 설치될 예정이며 가스공급장치, 냉각수 공급장치, 디퓨져, 열교환기는 1MW급 용량으로 설계 제작되었다. 본 장치는 400kW의 전원 공급, 15 g/s의 공기유량 주입 시 약 13 MJ/kg의 고엔탈피를 가진, mach 2~4의 초음속 유동을 나타내는 것을 특징으로 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.265-267
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• 2011

저온 대기압 플라즈마는 21세기에 들어 생의학 분야에 이용될 수 있는 새로운 도구로서 많은 관심을 받고 있다. 대기압 플라즈마는 고가의 진공 장비를 필요로 하지 않고 저전력 구동이 가능하기 때문에 저비용 구동이 가능하고 방전 장치와 전력공급 장치의 소형화에 매우 유리하다. 특히 저온 대기압 플라즈마는 고온의 전자와 저온의 이온 입자가 공존하는 열적 불평형(thermal non-equilibrium) 상태에 있기 때문에 플라즈마의 저온 특성은 유지하면서도 (${\sim}30^{\circ}C$) 물리/화학적 반응성은 매우 높아 그 응용 분야가 매우 넓다. 플라즈마의 다양한 생의학 분야 응용 가운데 세포의 사멸 유발 또는 생장 촉진, 살균/멸균, 지혈, 상처 치유 등에 저온 대기압 플라즈마가 매우 뛰어난 효능을 보인다는 것이 국내외의 다양한 연구를 통해 밝혀지고 있다 [1]. 20 kHz 정현파로 구동되는 플라즈마 장치를 이용한 암 세포 제거 실험에서 플라즈마 처리 효과를 증대시키기 위해 항체-금나노입자 중합체를 암 세포에 주입시켰다 (그림 1(a)). 그 결과 세포의 사멸율은 74%로서 플라즈마 또는 플라즈마-금나노입자만을 처리한 경우에 비하여 사멸율이 매우 높게 나타났다 (그림 1(b)). 이를 통해 암세포 선택성을 가진 항체-금나노입자 중합체와 플라즈마 처리 기술을 융합한 암 세포의 선택적 사멸 유발 기술의 개발 가능성이 열렸다. 또한 플라즈마 처리를 통해 일어나는 세포의 자멸사 기작이 Cytochrome C의 방출 이후 이어지는 Caspase-3의 활성화 경로와 관계가 있음이 밝혀졌다 (그림 1(c)). 치아 미백은 최근 부상하고 있는 저온 대기압 플라즈마의 새로운 응용 분야이다 [5-6]. 대기압에서 동작하는 헬륨 플라즈마 제트를 미백제(과산화수소)와 함께 발치된 치아에 적용하였을 때 (그림 2(a)) 미백제만을 사용하였을 경우에 비해 치아의 색상 변화가 2배 이상 크게 나타나는 것을 확인하였다 (그림 2(b)). 이처럼 최근 그 범위가 크게 넓어지고 있는 저온 대기압 플라즈마의 생의학 응용 기술의 최적화를 위해서는, 다양한 생의학 응용 분야에 따라 요구되는 플라즈마의 특성 및 응용별 기저 기 작에 대한 이해와 연구가 필요하다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2015.08a
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• pp.134-134
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• 2015

최근 액체 플라즈마에 대한 주된 이슈는 방전에 의해 발생하는 히드록실라디칼(OH-)과 버블이다. 액체 플라즈마를 이용한 다양한 응용분야에서는 히드록실라디칼에 주목하고 있다. 액체 플라즈마는 그래핀 파생물의 용액 친화도 향상을 위해 이용될 수 있다. 흑연이 포함된 과산화수소(H2O2) 용액에서 전기적인 방전으로 만들어진 히드록실라디칼로 그래핀 파생물의 용액 친화도를 향상시킨다. 이는 잠재적인 프린팅(printing) 기술 발전에 기대된다. 그리고 이 라디칼은 폐수에서 발암성의 트라이클로로아세트산(CCl3COOH)을 탈 염소하고 분해하는 역할을 하여 액체 플라즈마가 새로운 수처리 기술로 부상되고 있다. 또한 인체에서는 살균 작용을 하는 것 뿐만 아니라 단백질 고리를 끊는 역할을 하여 전립선 수술과 같은 인체수술에 적용될 수 있다. 최근 액체 플라즈마를 이용한 돼지 각막 임상수술에서 레이저와 필적할 정도로 매우 정밀하게 수술된 연구결과가 발표되어 인체 각막수술 적용에 기대된다. 이처럼 액체 플라즈마를 이용한 대부분의 응용분야에서 히드록실라디칼의 역할이 중요하다. 액체 플라즈마의 또 다른 이슈인 버블은 2가지의 역할을 한다. 첫 번째로 방전소스의 역할이다. 액체 속에 담긴 얇은 전극에 전압을 인가하면 전극 주변에서 강한 전기장의 발생으로 줄열(joule heating)에 의해 버블이 생성된다. 전극에서 버블이 생성되었을 때, 서로 다른 유전율을 가진 두 물질로 나누어진다. (버블 안은 공기로 상대 유전율 ${\varepsilon}r{\fallingdotseq}=1$, 용액은 ${\varepsilon}r{\fallingdotseq}=80$이다.) 시스템에 인가된 전압이 항복 전압(breakdown voltage)을 넘어서면 유전율이 상대적으로 낮은 버블내부에 강한 전기장이 걸리게 되어 방전이 일어난다. 만약 버블이 존재하지 않는다면 방전을 위해서 매우 높은 전압이 필요하다. 따라서 버블은 플라즈마 방전의 소스역할을 한다. 두번째로 버블은 전극의 부식을 방지하는 역할을 한다. 전극 부식은 주로 전기분해로 인한 산화반응에 의해 발생하는데 버블을 전극에 오래 머무르게 하면 부식을 방지할 수 있다. 이처럼 액체 플라즈마 시스템에서 버블의 역할들은 상당히 중요하다. 일반적으로 버블은 시스템에 인가하는 전원, 전극 극성 그리고 전압크기에 따라 거동이 달라진다. 시스템에 AC파워를 인가하면 버블은 주파수가 높을수록 전극에서 떨어지는 속도가 빨라지는 특성을 보인다. 핀 전극 극성이 음극일 때는 양극일 때보다 버블이 더 잘 생성된다. 또한 인가전압크기에 따라 거동이 달라지며 시스템에 같은 전압을 인가하여도 크기가 항상 같지 않고, 거동도 일관성을 보이지 않은 랜덤적인 모습을 보인다. 본 연구에서는 이 랜덤적인 버블의 거동을 정리하고 응용분야에서 중요하게 여기는 히드록실라디칼 생성에 대해 공부하기 위해 염류 용액(saline solution)에 핀(pin)-면(plane) 전극 구조를 설치하여 10Hz 주파수(1% duty cycle)를 가진 0-600V 구형펄스로 실험하였다. 실험을 통한 결과로서 랜덤적인 버블의 거동을 전극에서 버블이 떨어지는 속도와 플라즈마 특성에 따라 슈팅모드(shooting mode)와 유지모드(keeping mode) 2가지 모드로 분류하였다. 슈팅모드에서는 버블이 핀 전극에서 성장하지 못하고 빠른 속도로 떨어지는 모드로 플라즈마 방전이 잘 이루어지지 않는다. 반면 유지모드에서는 버블이 핀 전극에서 떨어지지 않고 지속적으로 성장한다. 이 모드에서는 펄스 시간 동안 하나의 버블로 연속적인 방전이 가능하다. 방전이 일어날 때 발생하는 히드록실라디칼의 생성은 버블 내부의 쉬스와 관련이 있다. 이 라디칼을 만들기 위해서는 높은 에너지가 요구되기 때문에 버블 내부의 쉬스(sheath)에서 만들어진다. 펄스 동안 쉬스는 주로 핀 전극 주변에서 유지되며 히드록실라디칼은 이곳에서 주로 만들어진다. 따라서 버블과 함께 쉬스도 성장하는 버블유지모드에서 슈팅모드보다 히드록실라디칼이 더 많이 생성된다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.402-402
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• 2012

최근 반도체 공정 중 fluorocarbon (CxHyFz) 가스와 함께 플라즈마 밀도가 큰 유도결합형 플라즈마을 사용한 식각장비가 많이 사용되고 있다. 특히 저 유전상수 값을 가지는 박막을 밀도가 큰 플라즈마와 함께 fluorocarbon 가스를 이용하여 식각을 하게 되면 매우 복잡한 현상이 생긴다. 따라서 식각률에 대한 모델을 세우고 적용하는 일이 매우 어렵다. 본 연구에서는 CF4가스를 Ar가스와 함께 혼합하고 기판 플라즈마와 유도결합형 플라즈마를 동시에 가진 식각장비를 사용하여, 저 유전상수 값을 갖는 박막을 식각하였다. 또한, 간단한 식각모델인 Langmuir adsorption model를 이용하여 식각률(Etch rate)에 대한 합리적인 이해를 얻기 위해, 기판과 유도결합형 플라즈마의 파워에 따른 식각률을 계산하고, 식각모델에서 사용되는 매개변수인 이온플럭스(Ion Flux)와 식각수율(Etch yield)을 연구하였다. 기판의 플라즈마 파워가 20에서 100 W 증가하면서 식각률이 269에서 478 nm/min로 증가하였으며, 식각수율이 0.4에서 0.59로 증가하는 것을 관찰하였다. 반면에 기판의 플라즈마 파워 증가에 따라 이온 플럭스는 3.8에서 $4.7mA/cm^2$로 변화가 크지 않았다. 또한, 유도결합형 플라즈마의 파워가 100에서 500 W 증가하면서, 식각률이 117에서 563 nm/min로 증가하였으며, 이온플럭스가 1.5에서 $6.8mA/cm^2$으로 변화하였다. 그러나, 식각수율은 0.46에서 0.48로 거의 변화하지 않았다. 그러므로 저 유전상수 값을 가지는 박막 식각의 경우, 기판의 플라즈마는 식각수율을 증가시키며 유도결합형 플라즈마는 이온 플럭스를 증가시켜 박막 식각에 기여하는 것으로 사료된다.

• Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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• v.20 no.3
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• pp.54-62
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• 2016

Micro plasma thruster (${\mu}PT$) was studied experimentally with a dual-stage micro-hollow cathode discharge (MHCD) plasma. Electrostatic-like acceleration exhibiting more directional and elongated exhaust plume was achieved by a dual layer MHCD at the total input power less than 10 W with argon flow rate of 40 sccm. V-I characteristic indicated that there was an optimal regime for dual-stage operation where the acceleration voltage across the second stage remained constant. Estimated exhaust plume length showed a similar trend to the analytic estimate of exhaust velocity which scales with an acceleration voltage. ${\mu}PT$ with multiple holes exhibited similar performance with single-hole thruster indicating that higher power loading is possible owing to decreased power through each hole. Boltzmann plot of atomic argon spectral lines showed average electron excitation temperature of about 2.6 eV (~30,170 K) in the exhaust plume.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.527-527
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• 2013

현재 산업에서 상압플라즈마는 생물의학, 표면처리, 용접 및 절단, 화학적 오염제거 등 여러 분야에서 각광받고 있으며 그 잠재력 또한 매우 크다. 통상적으로 글로우 방전은 생물의학, 표면처리, 화학적 오염제거 등에 주로 쓰이고 아크 방전은 용접 및 절단에 응용된다. 이처럼 상압플라즈마는 여러 가지 방전으로 분류되고 그 특성에 맞게 응용되고 있는데 이러한 산업 여러 분야에 적절히 응용하기 위해서는 이에 대한 진단과 특성 분석이 선행적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서는 침 대 면 전극을 가진 상압방전장치에서 스트리머로부터 스파크방전으로의 전이과정이 연구되었다. 전극간격, 주파수, 전압, 구동회로의 전류제한 조건을 가변함에 따라 스파크방전으로 전이되는 방전조건과 안정적인 글로우 방전이 유지되는 조건이 어떻게 달라지는지 조사되었다. 또한 방전전류 측정 및 ICCD 영상분석을 통해 Transient spark의 self-pulsing 조건과 주파수변화 특성을 고찰하였다.