DC 글로우 방전의 음극 전압강하(cathode sheath)

글로우 방전과 전기장과의 관계

(나 이걸 파워포인트로 두시간 걸려 그렸다고 ... -_ - )

   위 그림은 직류 글로우 방전시, 방전관에서 나타나는 방전의 형태와 전하밀도, 그리고 전기장과의 관계를 나타낸 것이다. 방전관 내에서는 글로우 방전 하나의 방전형태만 나타나는 것이 아니라 음극에서 양극으로 가면서 아스톤암부, 음극 글로우방전, 크룩스 암부, 부의 글로우 방전, 패러데이 암부 등의 순서로 여러가지 형태가 같이 나타나게 된다. 그러나 여기서 이 모든 방전의 형태를 여기서 다 다뤄야 할 필요는 없을듯 하다. 방전이나 플라즈마 자체를 연구하는 사람에게 있어서는 각각의 부분에 관하여 자세히 알아야 하겠지만, 앞으로 여기서 언급하고자 하는 것은 글로우 방전을 이용한 박막으로의 응용이다. 그래서 우리에게 중요한 부분은 음극 글로우 방전 영역이 되므로 이 부분에 집중할 필요가 있다. 

 

 위 그림의 가운데 그래프에서 보는 것 처럼 음극 글로(cathode glow)가 시작되기 전의 음극암부(cathode dark space)에서 양전하들의 밀도는 최대가 되는 지점이 있다. 그리고, 그에따라 음극과의 전위차도 최대로 벌어지게 된다. 이 음극과의 전위차로 인해 음극전압강하(cathode sheath or cathode fall) 현상이 나타나는데, 방전과 앞으로 나올 스퍼터링법에서 대단히 중요한 역할을 담당한다. 

 

 

글로우 방전의 음극전압강하(sheath, 쉬스)

 '글로우 방전과 전기장과의 관계' 그림의 맨 아래 그림 형태가 된다.

 

 

 

   글로우 방전에서 방전관에 전기장을 걸어줄 때 나타나는 현상 중에 기체가 이온화된 후, 전자는 양극으로 빨리 이동하고 양이온은 크고 무겁기 때문에 음극으로 천천히 이동한다고 설명을 했었다. 전자는 음극과의 반발력으로 음극앞에서 존재하지 못하고 빠르게 양극 쪽으로 이동하는 반면, 속도가 느린 양이온들은 천천히 음극을 향해 계속해서 이동하기 때문에 음극 앞에는 전자보다 양이온의 밀도가 높은 지역이 형성되고(양이온 공간전하 space charge 라고도 한다) 이 양이온들은 글로우 방전에서 2차전자를 발생시키는 매우 중요한 역할을 담당하게 된다. 본래는 양쪽의 전극에 전기장을 인가했기 때문에 음극과 양극 사이에는 전위차가 일정한 기울기를 가지고 걸려있어야 한다. 그러나 음극과 플라즈마 사이에 음극전압강하라고 부르는 급격한 전위차가 발생하게 되고, 이 전위차로 인하여 음극전압강하 영역에서는 양이온이 음극으로 쉽게 가속되는 현상이 나타난다. 그러므로 실제 방전에 필요한 전압은 음극전압강하가 시작되는 음극암부(cathode dark space)에 걸린 전압이 되고, 음극에 충돌하는 이온의 에너지는 음극전압강하에 의해서 가속시킬 수 있는 에너지의 값과 같게 되는 것이다. 또한, 음극전압강하가 시작되는 곳 부터 음극까지 전압의 기울기가 나타나는 영역을 쉬스(sheath)라 부르고, 이때 쉬스에서 나타나는 전위차를 쉬스전위(sheath potential) 또는 쉬스전압(sheath voltage) 이라 한다. 

 

 

  사실 플라즈마가 갖고있는 전위는 플라즈마에 존재하는 어떠한 전극이나 물체보다도 더 높다. 만약 플라즈마 내부에 전기적으로 고립되어 있는 기판이 존재한다고 하면, 전자의 속도는 양이온보다 빠르므로 기판에는 양이온보다 많은 전자가 유입되게 된다. 그로인해 기판은 플라즈마에 비해서 (-) 전위를 갖게 되고, 반대로 플라즈마는 기판보다 높은 전위값을 가지기 때문이다. 이때 플라즈마가 갖는 전위를 플라즈마 전위(plasma potential), 기판이 갖는 전위를 '플로팅(floating) 전위'라고 하며, 그래서 쉬스전압은 플라즈마 전위(Vp)와 플로팅 전위(Vf)의 차이를 말하게 된다. 기판이 전기적 고립이 아니라 (-)의 음극이라면 가해준 음전위로 인해 전위는 강제로 낮아져 쉬스의 크기가 커진다. 쉬스영역은 전자의 수가 적어 전기적 중성이 깨져버린 곳이므로 플라즈마 상태가 아니며, 여기과정도 없어 빛을 방출하지 않기 때문에 암부(dark space)라고 부르는 어두운 영역이 나타난다.

 

그럼 여기서 또 질문 ? -_-Q : 플라즈마와 방전(glow discharge)의 차이를 잘 모르겠습니다.  같은 의미로 사용될 수도 있나요?   


A : 많이들 혼동하는 문제져-_ - 용어의 정의는 언제나 중요합니다. 플라즈마는 물질의 제 4의 상태 라는 이야기를 했었습니다. 그러나, 많은 경우에 플라즈마와 glow discharge을 혼용하여 쓰이는 경우가 있습니다. Glow discharge가 있으면 플라즈마도 같이 나타나기 때문에 굳이 구분을 하지 않아도 되는 경우가 있기 때문입니다. 하지만, 엄밀히 말하면 DC 또는 RF 에 의해 방전을 일으키는 것이 glow discharge고, 이 과정중에 만들어진 기체의 상태가 플라즈마 입니다. 플라즈마를 발생시키고 유지시키기 위해서 glow discharge를 일으켜야 하는 것이죠. 즉, 플라즈마는 glow discharge 라는 현상이 나타날때 존재하는 물질(기체)의 상태 입니다.






...by 개날연..