1. 서론

고비용의 진공장치 없이 플라즈마를 발생시킬 수 있는 대기압 플라즈마 발생 기술은 최근 들어 플라즈마 메디슨(Plasma Medicine)과 플라즈마 엑츄에이터(Plasma Actuator) 같은 새로운 분야에 적용 가능성으로 많은 주목을 받고 있다^(1,2). 저온 대기압 플라즈마 이온은 병원균 살균 방법 또는 비행 물체 표면 부근 기체의 물리적인 특성을 변화시켜 비행 효율 개선에 적용될 수 있음이 보고된 바 있으나 높은 항복 전압 및 플라즈마의 불안정성은 대기압 플라즈마 기술 실현에 장애물이 되어왔다. 이러한 대기압 플라즈마 기술의 한계를 극복하기 위해 최근 방전 개시 전 씨드 캐리어 주입으로 항복 전압의 저감 연구⁽³⁾ 또는 수십 나노 초 상승시간(Rise Time)⁽⁴⁾을 갖는 전압을 인가하여 균일하고 안정적인 글로우 방전 구현 같은 폭 넓은 대기압 플라즈마 실현 기술에 대한 연구가 이루어져 왔다. 특히 방전 개시 전 자외선⁽⁵⁾ 또는 전기적⁽⁶⁾ 자극을 이용한 씨드 캐리어 주입을 통해 플라즈마 발생 전압이 감소 될 수 있는 결과가 보고되어 대기압 플라즈마 기술의 실용화 가능성을 제시하고 있으나 신뢰성 높은 씨드 캐리어 주입 기반 저 전압 플라즈마 발생 기술은 아직 초보적인 수준에 머무르고 있다. 본 논문에서는 저전압 대기압 플라즈마 소자를 위한 DBD 씨드 캐리어 주입 방법을 제시하고 있으며 씨드 캐리어 밀도가 대기압 방전 항복 전압에 미치는 영향을 실험적으로 확인하였다.

2. 본론

유전체 장벽 방전(DBD)은 그림. 1과 같이 유연한 폴리이미드 기판에 집적된 25μm 두께의 구리 전극에 30kHz의 주파수를 가진 1kV AC 전압을 인가하여 대기압 아르곤에서 발생하였다. 그림. 2는 측정된 DBD의 전압-전류 특성을 나타내고 있는데 동작 전류는 DBD 소자와 직렬로 연결된 저항 R1=1kΩ을 이용하여 측정하였다(그림. 2(b)). 그림. 2(c)는 측정된 전류가 변위 전류(Displacement Current)와 DBD 전류가 혼합된 형태를 띠고 있음을 보여주고 있으며 DBD 전류는 변위 전류와 현저히 구별되고 최대 20 mA 크기를 갖고 있음을 알 수 있다. DBD를 통해 생성된 이온을 후속 방전의 씨드 캐리어로 사용하기 위해 주 방전 전극을 DBD 전극의 수 백 μm 위에 설치하였다. DBD 에 의해 생성된 전자와 이온 중 일부가 확산되어 양극과 음극 간 방전을 위한 씨드 캐리어의 역할을 할 수 있을 것으로 기대할 수 있는데 대기압 아르곤 플라즈마 내에서 이온과 전자 간의 재결합으로 인한 이온의 평균 수명은 약 100μsec으로 보고된 바 있다⁽⁴⁾. 대기압에서 아르곤 이온의 이동도(mobility)는 약 2.4cm²/ V·sec⁽⁵⁾이며 DBD 발생으로 생성된 전자 및 이온들의 확산 이동과 이온사이의 정전 반발력(Repulsive Electrostatic Force)에 의한 산란을 고려해볼 때 DBD 에프터글로우(afterglow)에 의한 씨드 캐리어의 주입은 현실적으로 가능할 것으로 예측된다.

그림. 1

주 방전 전극으로는 텅스텐 프로브(Tungsten Probe)가 사용되었으며 양극과 음극간 거리는 그림. 3에서와 같이 300 μm로 고정되었다. 음극에 직렬로 연결된 바이폴라 트랜지스터(Q1, Fairchild 2N3904) 베이스(Base)에 4kHz 펄스 전압을 인가하여 펄스 방전을 구현하였으며 펄스 전압의 선택 비(Duty Ratio)를 변화시켜 방전 온-오프를 조절하였다(그림. 1(a)). DBD 전극과 주 방전 전극 사이의 전기적 간섭을 피하기 위해 2개의 분리된 전압원이 사용되었으며, 이를 통해 DBD 전압에 관계없이 주 방전 전극 간 독립적인 전압 제어가 가능하였다. 그림. 3(a)는 DBD 턴-온 시 발생된 대기압 플라즈마 이미지를 보여주고 있으며 그림. 3(b)는 DBD 에프터글로우 주입을 기반으로 10% 선택 비를 갖는 800V 펄스 전압을 주 방전 전극에 인가하여 형성된 글로우 방전을 보여주고 있다. 기존 3전극(triode) 구조⁽⁶⁾에서는 씨드 캐리어 생성과 주 방전 모두 펄스 전원이 사용되었으며 플라즈마 발생 시 이온들의 전극 스퍼터링(Sputtering)에 의한 전극 마모 및 전극 간 단락이 문제점으로 보고되었다. 본 연구에서는 DBD를 이용한 씨드 캐리어 생성을 제안하고 있는데 이러한 방법은 전극을 유전체 층으로 보호함으로써 플라즈마 스퍼터링에 의한 전극 마모와 단락을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 미세 방전 소자의 불량은 스퍼터링에 의한 전극 단락/마모에 의해 대부분 유발 되므로 전극을 유전체층으로 보호하여 소자의 신뢰성을 향상 시킬 수 있을 것으로 기대한다. 또한 그림. 3(b)에서와 같이 음극 주변 넓은 영역에서 강한 빛 방출이 관찰되었는데 이는 여기 된 이온(Excited Ions)들에 의한 광 방출로 음극 쉬스(Sheath) 근처에 고밀도의 여기 된 이온들이 형성되어 있음을 추측할 수 있다.

그림. 4는 4kHz의 800V 펄스 전압이 인가되었을 때 주 방전의 전압-전류 특성을 나타낸다. 바이폴라 트랜지스터 베이스에 펄스 전압을 인가하여 주 방전을 온-오프 하였으며 주 방전이 온 되었을 때, 방전 유지 전압(Sustaining Voltage)은 300V로 유지 되었다. 씨드 캐리어 중 아르곤 이온은 전기장에 의해 음극으로 드리프트(Drift)되어 음극 표면과 충돌하게 되고 이 과정에서 2차 전자 방출(Secondary Electron Emission)을 유발하고 발생된 2차 전자들은 전기장에 의해 가속되어 애벌런치 항복(Avalanche Breakdown)을 야기한다. 일단 방전이 개시 되면 2차 전자로 인한 충돌 전리(Impact Ionization)로 많은 수의 이온과 전자가 발생되어 낮은 전기장에서도 포지티브 피드백 애벌런치(Positive Feedback Avalanche)가 유지될 수 있으며 이로 인해 항복 전압보다 낮은 전압으로도 플라즈마 발생이 지속될 수 있다. 본 연구에서 측정된 펄스 방전 전류(Discharge Current)는 약 50mA로 음극 쉬스의 면적(0.6mm²)을 고려하면 전류 밀도는 약 83mA/mm²인데 방전 중 생성된 전자 밀도(ne)는 아래와 같은 드리프트 식을 통해 계산될 수 있다.

여기서 J는 펄스 방전의 전류 밀도이며 μe는 아르곤 대기압에서의 전자 이동도(430cm²/V·sec)⁽⁷⁾, E는 주 방전 전극 간 전기장(10kV/cm)으로 전자 밀도는 약 1.2x1013cm^-3으로 추정된다.

주입된 씨드 캐리어에 의한 항복 전압(Breakdown Voltage)의 변화는 DBD 전극과 주 전극 간 거리에 따른 항복 전압을 측정함으로써 알 수 있다. 본 실험에서는 일정한 DBD의 전류를 흐르게 하면서, DBD 기판을 10μm 정밀도를 갖는 매니플레이터(Manipulator) 위에 설치하여 그림. 3(a)의 Z 방향으로 움직이며 주 방전의 항복 전압을 측정하였다. DBD 소자와 주 방전 전극간 거리가 가까워질수록, 주 방전의 항복 전압이 선형적으로 감소되었는데, 주 방전의 항복 전압은 DBD 전류가 없는 경우의 항복 전압에 비해 절반에 불과한 600V까지 감소함을 알 수 있었다(그림. 5). 또한 DBD의 전류를 20 mA로 증가시킬 경우 주입된 씨드 캐리어의 밀도가 높아지고 항복 전압은 더욱 감소하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 거리가 500μm보다 커지면 주 방전의 항복 전압은 1kV 이상으로 증가하게 되며, 이는 DBD 전류가 없는 경우의 항복 전압과 유사한 값을 갖게 된다. 이러한 결과로 미루어 보아 대기압 아르곤 환경에서 DBD 씨드 캐리어의 최대 확산 거리(Diffusion Length)는 500μm로 추측할 수 있으며, 최대 확산 거리 이내에서는 플라즈마 이온들의 확산 이동과 이온간의 정전 반발력에 의해 상당수의 DBD 에프터글로우가 이온과 전자 간의 재결합으로 소멸되기 전에 주 방전 전극까지 도달하고 있는 것으로 추정된다. 두 개 전극 간 방전 시 반드시 통과해야 하는 타운젠드(Townsend) 영역을 씨드 캐리어를 외부에서 주입해줌으로써 고 전압 타운젠드 영역으로 진행하지 않고 저 전압 글로우 방전 영역으로 직접 진행함으로써 항복 전압을 저감할 수 있게 된다. 양극-음극 간 전계에 의해 가속된 씨드 캐리어는 음극 표면과 충돌하여 이차 전자를 (Secondary Electron) 방출하게 되며 방출된 전자들과 가스 분자들 간의 충돌로 더 많은 이온들이 생성되고 이로 인해 포지티브 피드백 애벌런치 항복(Positive Feedback Avalanche Breakdown)이 유기된다. 하지만 DBD 에프터글로우 밀도는 500μm 거리에서는 급격하게 감소하여 씨드 캐리어 주입 효과를 볼 수 없음을 알 수 있다.

그림. 6은 주 방전 전극보다 200μm 아래에 위치한 DBD 소자가 X 방향으로 움직이는 동안 주 방전의 항복 전압을 보여주고 있다. 충분한 씨드 캐리어 주입을 위해 20 mA DBD 전류를 사용하였으며 X 방향 0~600μm에서 항복 전압은 650V로 일정하게 유지 되었지만 주 방전 전극이 DBD 소자에서 멀어 짐에 따라 항복 전압은 급격하게 증가하여 300μm 떨어진 곳에서는 1 kV에 가까워짐을 알 수 있다. 이러한 결과로 DBD 전극 바깥 쪽 경계에 생성된 에프터글로우 이온 밀도가 전극 안쪽에 생성된 에프터글로우 이온 밀도보다 적을 것으로 추정되며, 측정된 두 가지 경우 결과를 통해 대기압 아르곤 환경에서 플라즈마 에프터글로우의 확산 범위는 300~500μm 정도인 것으로 유추해 볼 수 있다.

3. 결 론

본 연구에서는 DBD 씨드 캐리어 주입을 통해 대기압 플라즈마 발생 전압을 획기적으로 저감할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 주 방전에 필요한 씨드 캐리어를 DBD 에프터글로우를 통해 공급함으로써 방전 항복 전압을 낮추었으며, 씨드 캐리어 밀도와 항복 전압의 상관관계에 대해 연구하였다. 씨드 캐리어 주입 거리에 따른 항복 전압 감소 현상을 확인 하였으며 기존 타운젠드 항복 전압에 비해 절반 이하의 전압에서도 대기압 플라즈마 발생이 가능함을 실증하였다. 또한 유전체 장벽 방전을 이용하여 플라즈마 스퍼터링으로부터 전극을 보호함으로써 소자의 신뢰성 향상을 기대할 수 있다.