RF 글로우 방전

 

    여태 이야기 했던 글로우 방전은 모두 직류(DC) 글로우 방전을 기준으로 이야기 한 것이다. 그런데 글로우 방전의 종류 중에 RF(Radio Frequency) 방전이라고 하는 것이 있다. RF는 흔히 고주파를 말하는데, DC 글로우 방전과는 어떤 차이가 있나를 살펴보면 단지 전극에 인가되는 파워의 종류가 다를 뿐이다. DC는 직류를, RF 는 고주파 교류전압을 사용하고 있다. 

   중요한건 교류 자체가 아니라 '왜' 교류를 사용하게 되었냐 하는 점이다. 그것은 전극의 종류와 전극 표면에서 일어나는 현상과 관련이 있다. 전극이 금속 등의 도체인 경우에는 앞서 설명한대로 음극쪽으로 가속된 양이온들의 충돌에 의해 전극에서 2차 전자들이 튀어나와 사태를 일으키고 그로 인해 방전 플라즈마가 지속될 수 있다. 그러나, 전극이 도체가 아니라 세라믹이나 비금속등의 부도체라면 이야기가 달라진다. 초기에는 방전이 발생하지만 부도체인 음극 표면에 양이온들이 달라붙게 되고 전극과 플라즈마 사이의 전기적 평형 상태가 깨져 방전을 지속시킬 수가 없는 문제가 나타났기 때문이다. 전극을 금속 같은 도체만 사용하는 것이 아니라, 경우에 따라서 전극의 종류를 다양하게 선택하여 사용해야 할 경우도 있다. 때문에 연구자들은 전극의 종류에 상관없이 방전을 일으킬 수 있는 방법은 없을까 고민을 하다가 전극의 극성을 매우 빠르게 바꿔줌으로써 이 문제를 해결해 냈다. 항상 일정한 전압을 유지시키는 직류와 달리 교류는 일정한 시간을 두고 음극과 양극을 매우 빠른 속도로 바꿔주는 역할을 하는데, 그래서 전극 표면에 양이온들이 축적될 시간적 여유를 주지 않고 방전을 지속시킬 수 있게 되었다.

 

 

 

기본적인 RF 혹은 교류 방전.

음극과 양극이 번갈아 가며 바뀌기 때문에 전자도 그에따라 왕복운동을 하게 된다.

 

 

    우리 가정에서 사용하는 전기도 60Hz의 교류를 사용하고 있지만 유감스럽게도 교류 글로우 방전에서 이 60Hz의 주파수를 사용하기엔 역부족이다. 초당 60Hz 라는 주파수는 우리에게 느끼지도 못할 대단히 빠른 속도임에도 불구하고, 전자와 이온이 움직이는 속도를 생각해 본다면 너무도 느린 시간이다. 양이온들이 충분히 음극에 축적되고도 남는 시간이라서 방전이 유지되지 못하므로 더 높은 주파수가 필요하게 된다. 현재 산업용 교류 방전에 사용하는 주파수는 일반적으로 13.56MHz가 가장 많이 사용된다. 이렇게 정해진 것은 통신용 주파수와 혼동하여 사용하는 일이 없도록 하기 위하여 산업용으로 허가된 주파수이기 때문이지 다른 특별한 이유가 있는 것은 아니다. 그리고 이 교류 주파수 영역이 고주파(Radio Frequency) 영역이기 때문에 RF 글로우 방전 이라고 부르고 있다. 

   DC 글로우 방전에서는 전극의 재료가 반드시 도체이어야 하지만, RF 글로우 방전에서는 전극이 금속이든 세라믹이든 상관하지 않는다는 훌륭한 장점이 있다. 또한 이온화율이 높아져서 방전이 더 쉬워지기도 한다. RF 글로우 방전의 원리와 장점에 관하여서는 뒤에 스퍼터링 법을 이야기 하면서 그림과 함께 다시 한번 자세히 설명이 나올것이니, 매우 기대 -_- 하도록 하자.  

 

여기서 또 질문 ;

Q : 그러면 RF 가 아닌 DC 글로우 방전에서는 오로지 전극이 금속을 사용해야만 가능한 것인가요?
 

A : 그렇지 않습니다. 꼭 금속이어야 할 필요는 없습니다. 전극이 '도체'이어야 한다고 했지 '금속'이어야 한다고 하지 않았습니다. 세라믹 중에서도 전기가 잘 통하는 재료들이 있죠. 예를 들어보자면 LCD 나 PDP TV 를 만들 때 투명전극으로 이용하는 ITO 같은 재료가 바로 그렇습니다. ITO는 인듐산화물(In₂O₃)에 주석(Tin)을 섞은 재료로, 기본 성분은 분명히 세라믹 입니다. 그러나 In₂O₃는 전기가 아예 안통하는 부도체가 아닙니다. 게다가 주석(Tin)의 역할로 전기전도를 더욱 높였기 때문에 방전용 전극으로 사용이 가능합니다. ITO 타겟을 DC 방전을 이용하여 스퍼터링을 하는 것은 흔한 일이죠. 



...by 개날연..