DC 글로우 방전의 과정

 

 

플라즈마 방전 발생 준비!!! 

 

  앞의 형광등 이야기를 할 때 나온 방전의 과정을 자세히 살펴보자. 방전은 플라즈마를 만드는 방법 중 가장 흔하게 사용되는 방법이다. 먼저 위 그림과 같은 장치를 생각해 보자. 밀폐된 유리관으로 만든 방전관 안에 적당한 압력의 기체를 채워넣고, 양쪽에는 전극을 장착한 뒤 밀봉한다. 그리고 전극에 직류인 DC(Direct Current)를 걸어준다.

 

 

 

DC 글로우 방전의 비탄성 충돌과 이온화

 보통 기체 내에는 자연상태에서도 이온화되어 생성된 전자(background electron)들이 일부 존재하며 전극표면에도 전자들이 존재할 수 있는데, 이들을 초기 전자 또는 씨앗 전자 라고 부른다(경우에 따라서는 음극 자체에서 아예 전자를 방출해서 초기 전자를 만들기도 한다). 양단에 있는 전극에 전기장이 가해지기 시작하면 방전관 내부의 초기 전자들은 전기장에 의해 힘을 받아 가속되며 전극쪽으로 이동하며, 도중에 기체원자와 만나서 충돌하게된다. 그러나 전자가 가속된 처음에는 낮은 속도 때문에 충분한 에너지가 없어 기체원자와 충돌해도 기체를 이온화 시키지 못하고, 원자내 전자를 여기 시키지도 못한다. 단순히 충돌로 인한 운동량만 전달되어 기체들은 방향만 바꿀 뿐인데 이때를 탄성충돌 영역이라 한다. 전자가 충돌없이 오랜 시간 가속되거나, 전기장의 세기가 높아 짧은 시간에도 전자가 충분한 가속력을 얻게 되면, 높은 에너지를 가지고 기체원자와 충돌하여 이온화를 시키는 비탄성충돌이 발생할 수 있다.  

 

 

 

 

 

2차 전자의 발생과 타운젠트 방전

    전자들의 충돌로 인해 기체원자가 이온화 되어 양이온과 전자로 나뉘어지면 양이온도 전자와 마찬가지로 전기장의 영향으로 움직일수 있으며, 전극에는 직류가 걸려있기 때문에 전기장을 따라 양이온은 음극쪽으로, 전자는 양극쪽으로 이끌려 가속된다. 음극쪽으로 가속되며 이동한 양이온은 결국에는 음극과 충돌하게 되는데, 이 충격으로 음극에서 다량의 전자들이 방출된다. 이렇게 충돌로 인해 발생한 전자들이 바로 2차 전자 이며, 플라즈마를 만들고 유지하는데 가장 핵심적인 역할을 담당하게 된다. 양이온이 음극과 충돌하여 많은 양의 2차 전자가 일시에 튀어나옴으로 인해서 다량의 기체원자를 동시에 이온화 시킬 수 있게 되는 것이다. 이때 전극에서 많은 전하가 순간적으로 빠져나가는 현상을 전하를 방출한다는 의미로 '방전' 이라고 부른다. 방출된 2차 전자들은 전기장에 이끌려 양극으로 가속되고, 가속중에 만나는 기체원자와 충돌하여 이온화 시키며 전자를 생성한다. 이렇게 이온화로 생성된 전자들은 또다시 주위의 기체원자와 연쇄적으로 충돌하며 지속적으로 이온화를 시켜 이온과 전자의 수가 급격하게 증가하게 되는데, 이 현상을 사태(avalanche) 라고 한다. 사태로 인한 다량의 전자들의 발생으로 이온화가 충분하게 이루어지면 방전이 지속적으로 유지될수 있게된다. 이렇게 방전을 일으키는데 필요한 전압의 최소크기를 문턱전압(threshold) 이라 하고, 이때의 방전을 타운젠트 방전(townsend discharge)이라고 부른다. 그리고 이온화 에너지를 넘지 못한 일부 기체원자는 이온화 되지 못하고 전자가 높은 궤도로 여기했다가 다시 낮은 궤도로 내려오면서 안정화 되고, 이 과정에서 빛이 방출된다. 우리는 보통 이 빛을 보고 플라즈마가 발생했다고 말하는 것이다. 

 

 

순서를 뭐... 걍 대충 정리하자면 이렇다.

엄밀히 말하자면 플라즈마는 '이온화(전리)' 부분이며, 나머지는 플라즈마와 같이 나타나는 현상이다. 

 

 

 

플라즈마 내부의 양이온과 전자의 이동

   플라즈마 내부에 존재하는 이온들과 전자들은 전기장에 의해 각각 음극과 양극으로 이동하게 되는데, 전자는 작고 가볍기 때문에 빠른 속도로 양극으로 이동해버리는 반면, 크고 무거운 양이온의 이동속도는 매우 느리다.  이런 이유로 플라즈마 내의 물체는 빠르고 많이 들어오는 전자로 인해 (-)의 값을 갖게되며, 그 결과 플라즈마는 주위 어떤 전극이나 물체보다도 높은 (+) 전위를 나타내게 된다.

 

   여기서부터는 아래 그림의 전압-전류 특성곡선을 같이 보면서 이야기 하자. 전압이 문턱전압에 도달 한 후 나타나는 타운젠트 방전영역은 사태로 인해 방전을 지속시킬 수는 있지만 아직은 충돌 및 이온화가 충분하지 않아 전자의 수는 매우 부족하다. 방전에서 빛은 기체의 이온화 과정중에 같이 나타나는 여기(excitation) 및 안정화(relaxation)로 인해 방출되게 되는데, 타운젠트 영역에서는 이온화가 적기 때문에 발광을 볼 수 없거나 아주 희미한 빛만 관찰되어 암방전(dark discharge)이라고 부르기도 한다. 전류가 증가하여 이차전자와 이온이 충분히 많아지게 되면 어느 순간 플라즈마의 저항이 감소하면서 전압도 급격하게 강하한 뒤 다시 안정화 되는 영역이 나타난다. 이 영역에서는 이온이 생성되는 양과 없어지는 양의 비율이 같으며, 방전에 필요한 전자와 이온이 충분하기 때문에 안정하게 방전이 유지되고 불이 타오르는 것 같은 밝은 빛의 발광인 글로우(glow)가 음극에서 나타나게 된다. 여기를 정상 글로우 방전(normal glow discharge) 영역이라 한다. 
 

 

 

 

  그림. DC 글로우 방전의 전압-전류 특성 곡선 그래프
(수치는 절대값이 아니다)

  여기서 파워를 더욱 증가시켜 보면 전압은 변화가 없지만 전류가 증가하면서 방전영역이 점차 커지게 된다. 처음에는 음극 일부에서만 방전이 나타났으나 전류 증가와 함께 방전영역이 음극 표면을 모두 덮을 때까지 넓어지게 된다. 이때 일정한 값을 유지하던 전압이 어느 순간 급격히 증가하는 영역이 나타나게 되는데, 여기가 비정상 글로우 방전(abnormal glow discharge) 영역이다. 그리고 우리는 바로 이 비정상 글로우 방전 영역에 더욱 관심을 가져야 할 필요가 있다. 이곳이 앞으로 나올 스퍼터링 박막 공정에서 사용하는 방전 영역이기 때문이다. 

...by 개날연..



오랜만에 파워포인트 그림과 함께 한 하루 -_-
글도 많아 더욱 멋진 하루 - _- 
비가 주룩주룩 옵니다.
여행가고 싶어 뒈지겧어연.. ;ㅁ;