글로우 방전(Glow Discharge)의 여러 영역들

카페 하느라 정신이 팔려서 이게 대체 얼마만의 업데이트 입니까 ㅠㅠ

우선방향 2편도 아직 못올렸는데.. ㅠㅠ

 

  저 한참 앞쪽에서 글로우 방전(glow discharge)과 음극전압강하(cathode fall) 에 관한 기초적인 내용을 올렸었는데요, 글로우 방전에 관한 추가 설명입니다. 본래는 글로우 방전을 시작하면서 같이 이야기를 했었어야 하는데, 당시에는 스퍼터링에 중심을 두고 이야기를 진행 했기 때문에 이것까지 할 필요는 느끼지 못했었습니다. 그러나 방전의 기초와 현상을 이해하는데에는 그래도 넣으면 좋지 않나 싶어서 언젠가는 추가해야지 하고 생각하고 있던 것들 입니다. 그러니 앞쪽에 있는 글로우 방전 관련 내용들을 먼저 읽고 보시면 쉽게 이해되지 않을까 싶습니다.
 

  글로우 방전이 나타나는 이유는 이미 앞쪽에서 충분히 설명이 되었습니다. 더이상 설명이 필요없겠죠. 그런데, 우리가 흔히 보는 형광등 같은 방전 형태는 거의 모든 부분의 밝기가 균일합니다만, 실제 DC 글로우 방전은 그렇지 않습니다. 방전관의 부위마다 밝기가 다르며, 발광이 없는 부분도 있습니다. AC 냐 DC 냐에 따라서도 그 형태가 다릅니다. 문제는 실제로 글로우 방전관을 만들어 방전 실험이나 연구 하는 분들이 아니면 그런 구분이 생기는것 조차 확인하기가 쉽지 않다는 겁니다. 일단 볼 기회가 흔지 않으니까요 ㅠㅠ  그래서 여기서 말씀드릴 내용은 실제의 글로우 방전에서 방전관 전체가 골고루 빛나지 않고 어느 부분은 발광이 없어 어둡고, 또 어느 부분은 밝게 빛나고 하면서 영역이 나눠지게 되는 이유를 이야기 해보겠습니다. 오늘의 주제를 한마디로 표현하면 '음극에서 양극까지 전자의 험난한 여정' 입니다. -_ -

 

  자, 그럼 충분한 길이의 방전관내에 Ar 을 적당량 넣고, 충분한 전기장을 가해서 방전을 시켰다고 해봅시다. 그러면 아래와 같은 그림처럼 방전영역이 종류별로 나타나게 될 겁니다.

 

 

뚜구둥~ 기억나십니까? 예전에 2시간 동안 그렸다는 바로 그 그림.. ㅠㅠ

 

 

  발광이 나타나는 조건을 다시한번 상기해 봅시다. 전자와 Ar이 충돌해서 Ar을 여기시키고, 여기된 Ar이 다시 안정화 되면서 에너지를 빛의 형태로 방출하는 것이 플라즈마에서 볼 수 있는 발광이라고 했습니다. 그런데 만약 전자가 Ar과 충돌했는데 충돌에너지가 너무 적어서 Ar을 여기시키지 못한다던가, 아니면 충돌에너지가 너무 커서 아예 이온화를 시켜버리면 발광은 나타나지 않습니다.  즉, '여기'만 시킬 정도의 적당한 에너지가 필요합니다. 그보다 에너지가 적거나 크면 발광이 나타나지 않는다는거죠.

 

  그렇다면 일단 발광이 나타나는 부분과 어두운 부분이 나오는 이유는 의외로 간단합니다. 전자가 Ar과 충돌하는 에너지가 너무 약하거나 너무 강한 영역은 어둡고, Ar을 여기 시킬 적당한 에너지를 가진 곳에서는 발광이 나타난다는 것. 간단하죠? 그러면 이제 다음 문제는 왜 밝고-어둡고-밝고-어둡고 하면서 번갈아 가며 영역이 변화하는가 하는 점 입니다. 그 이유가 지금 이곳에서 이야기할 주제 이기도 하죠.    

 

  먼저 시작은 그림 왼쪽의 음극 바로 앞에서 나타나는 아스톤 암부(Aston Dark Space) 라 불리우는 곳 입니다. 일단 이곳은 발광이 거의 없어서 어둡게 보이는 영역 입니다. 모두 아시겠지만 DC 글로우 방전에서 전자는 음극으로 부터 방출됩니다. 그리고 전기장에 의해 가속되죠. 그런데, 음극에서 막 튀어나온 전자들은 전기장의 영역에 들어왔지만 아직 충분히 가속되기 전 입니다. 충분한 속도를 얻지 못해서 에너지가 적은 상태인거죠. 그렇다면 Ar과 충돌해도 Ar을 여기시킬 충분한 에너지가 없다는 뜻이 됩니다. 게다가 이곳에서는 전자의 수도 충분하지 않습니다. Ar과 충돌하여 이온화 시켜야 추가 전자를 더 얻을 수 있는데 아직 그러지 못하니까요. 그래서 발광이 나타나지 않습니다. 어때요, 참 쉽죠?

 

  그 다음에 나오는 부분이 음극 글로우(Cathode Glow) 입니다. 아주 좁은 영역에서 발광이 나타나게 되는데요, 아스톤 암부를 지난 전자들이 이제는 충분히 가속이 되어 에너지를 갖추게 되죠. 그래서 여기서는 Ar과 충돌하면 Ar을 여기시키며 발광을 시킬 수 있게됩니다.

 

  음극 글로우 영역에서 Ar과 충돌하지 않고 지나친 전자들은 더더욱 가속되어 에너지가 높아집니다. 그런 상태에서 Ar과 충돌을 하면 높은 에너지로 인해 Ar을 아예 '이온화'를 시켜버려 Ar 양이온과 전자를 생성하게 됩니다. 그러면 역시 발광은 나타나지 않아 어두운 영역이 생겨버리는데, 바로 이 부분이 음극암부(Cathode Dark Space)입니다. 음극선을 연구한 크룩스의 이름을 따서 크룩스암부(Crooke's Dark Space)라고도 하며, 아주 드물지만 히토프(Hittorf)암부 라고 부르는 경우도 있습니다. 그리고 우리는 여기서 중요한것 하나를 빼놓으면 안됩니다. 스퍼터링에서는 양이온이 음극으로 가속되어 타겟과 충돌하는데, 그 양이온이 가장 많이 발생하고 모이는 곳이 바로 이곳 음극암부 라는 것을 말이죠. 그래서 음극전압강하(cathode fall) 영역은 바로 음극암부와 타겟 사이가 됩니다. 그림 아래의 가운데 그래프를 보시면 양이온의 밀도가 가장 높은곳과 맨 아래 그래프에서 음극전압강하가 시작되는 부분과 일치합니다. 이와 함께 이곳은 전자의 수가 증가하는 영역 입니다. 전자가 중성 Ar 과 충돌하여 양이온이 생성되면서 그와 동시에 전자 하나가 추가로 생성되죠. 여기서 생성된 전자들은 전극에서 나온 전자와 함께 양극을 향해 가속됩니다.    

 

  전자들은 음극암부를 지나서 계속 양극쪽을 향해 갑니다. 그런데 음극에서 가속되기 시작한 전자들은 음극암부를 지나며 Ar과 충돌하여 Ar을 이온화 시키는 바람에 에너지를 많이 잃어버립니다. 아직 에너지가 높은 전자들은 Ar을 이온화 시키겠지만, 상당수 전자들은 이온화 시킬만큼의 에너지는 없고 다시 '여기'시킬만큼의 에너지로 줄어들죠. 그래서 또다시 발광영역이 나타나며, 이곳을 부 글로우(Negative glow) 혹은 음 글로우 영역이라고 부릅니다. 이곳은 양이온과 전자들의 밀도가 높아서 무척 활동적이지만, 전자들은 점차 에너지를 잃어가기 때문에 음극암부와 가까운쪽이 제일 밝고, 멀수록 어두워지는 특징을 가졌습니다.

 

  부 글로우를 지나면서 Ar과 충돌하여 Ar을 여기시켰던 전자들은 에너지를 그만큼 또 잃어버렸습니다. 결국 이제는 Ar 을 여기시키지도 못할 정도로 약화되죠. 그래서 다시 발광이 나타나지 않아 어둡게 됩니다. 이곳을 패러데이 암부(Faraday dark space)라고 부릅니다. 고맙게도 패러데이 옹이 이름을 남겨주셨습니다. 어쨌거나 아주 험난한 전자의 여정입니다. ㅠㅠ

 

   자.. 전자는 양극으로 계속 늘늘늘.. 갑니다. (+)인 양극은 (-)인 전자를 끌어당기므로, 부글로우에서 힘을 잃었던 전자는 양극의 영향을 받아 다시 에너지를 얻고 가속이 시작됩니다. 그래서 Ar과 충돌하여 여기시키며 가장 넓은 발광 영역이 나타나는데 여기가 양광주(Positive Column) 입니다. 양광주는 우리가 일반적으로 '플라즈마' 라고 부르는 부분으로, 방전관 내에서 나타나는 플라즈마의 발광은 대부분 양광주에서 관찰됩니다. 그리고 양광주가 끝나는 부분에서 약간 밝아지기도 하는곳을 양극 글로우(Anode Glow)라고 부릅니다. 양극 글로우는 관찰하기가 쉽지 않습니다. 조건에 따라 아예 나타나지 않는 경우도 많죠.         

 

   양극과 가장 가까운 부분에 오면 전자들은 양극으로 급격하게 가속되어 들어갑니다. 그래서 전자의 밀도도 제일 적을 뿐 아니라 Ar과 충돌하면 이온화 시켜 버리므로 발광이 나타나기 어렵습니다. 그래서 어둡죠. 양극암부(Anode dark space)라 부릅니다. 음극이든 양극이든 전극과 가장 가까운 부분은 발광이 나타나지 않아 어두운데, 이건 집에서 형광등만 관찰해도 금방 아실 수 있습니다. 형광등 양쪽 끝이 제일 어둡죠.     

 

   지금까지 여러 부분으로 글로우 방전의 발광과 비발광 영역을 나눴습니다만, 글로우 방전에서 이것들이 모두 나타난다고 생각하시면 안됩니다. 이들을 한번에 모두 보기위해선 세밀한 세팅이 필요하죠. 방전기체의 종류, 방전관의 길이, 전기장, 압력 등에 의해 각각의 영역들이 서로 달라지고, 경우에 따라 안보이는 경우도 있습니다. PDP 같은 경우에는 보통 음극암부, 부 글로우, 페러데이암부 의 3부분만 나타나기도 합니다. 많은 글로우 방전 영역중 하나만 가지고 연구하는 분들도 계시지만, 스퍼터링의 기초로 익히는 글로우 방전은 이정도 까지만 알면 큰 무리는 없을 거라 생각합니다. 다시 말씀드리지만 스퍼터링에서 중요한 부분은 양이온이 음극과 충돌하는 음극반응과 이들 양이온이 가속되는 음극강하영역 이니까요. ^^

 

 

  정말 오랜만에 글을 올리다 보니 글도 왠지 산만해 보입니다. 정신이 좀 돌아와야 할텐데 아직은 넋이 나가있는듯 하네요. 커피라도 좀 팔고...ㅠㅠ

 

 

 

 

 

... by 개날연..

 

 

 

 

 

하루라도 쉬면 좋겠네...ㅠㅠ

 

 

 

 

 

글 : 개날라리연구원
그림 : 개날라리연구원
업로드 : 개날라리연구원
발행한곳 : 개날라리연구소

 

 

 

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