균일한 positive column의 상세한 이론이 충돌 단면적 곡선과 공진 방사 그리고 다단계 여기(multistage)와 이온화 과정을 고려하여 0.5에서 5mmHg 압력에서 수은과 희유가스(rare-gas)가 혼합되어 있는 D.C.형광 램프 방전에 대해 전개된다. 온도와 이온, 비여기원자, 여기원자의 밀도가 수치해석에 의하여 계산된다.
본 논문은 대기압 펄스 배리어 방전을 이용하여 NO 가스를 무해한 물질로 환원시키기 위하여 방전공간에서의 NO 분자의 생성 및 제거과정에 대하여 레이져 유기형광법을 이용하여 시 공간적인 밀도변화를 측정 및 분석하였다. 사용된 펄스 배리어 방전리액터는 진전속도가 $2.7{\times}10^6$[m/s] 인 1차 스트리머가 음극표면에 도착한 이후에 2차 스트리머가 양극 부근에 발생되었다. 그리고, 펄스 레이져에 의하여 NO 분자만을 효율적으로 상위준위로 여기시키기 위하여 Nd:Yag 및 염료 레이져를 복합하여 226[nm]의 자외광을 방전공간으로 도입하였으며, NO 분자만을 $A^2{\Sigma}^+{\leftarrow}X^2{\prod}$(0,0)으로 여기시키고, 여기된 분자들이 낮은 준위 $A^2{\Sigma}^+{\rightarrow}X^2{\prod}$(0,2), (0,3)로 복귀됨에 따라 방출되는 주요한 형광신호를 측정하였다. NO 분자의 시 공간적 변화 측정결과로부터 NO 가스를 효율적으로 제거하기 위해서는 산소농도를 가능한 2 [%]이하로 낮추고, 2차 스트리머 진전에 의해서 충분하게 방전공간에서 NO 환원반응을 유발할 수 있도록 제어하는 것이 필요하다고 판단된다.
지금까지 알려진 방전반응은 이외로 수가 많지만 이들을 정연하게 분리해본다는 것은 쉽지않다. 일반적으로 방전으로 인하여 화학반응은 물질에 전기에너지를 흡수시키면서 행하는 기술이고 전기적입력량을 화학적입력량으로 변환할때 복잡한 조작 파라미터를 솜씨좋게 조절해야한다. 대부분의 반응을 보면 어떠한 방전형식으로 그의 반응물질을 방전처리 하고 혹은 그중에서 방전을 행하게 하고 생성물을 분석한 것이다. 반응의 단순화 혹은 생성물이 1차 혹은 부착적으로 이루어진 것인가에 대한 검토는 적고 어떤계는 방전처리하면 이와같이 되었다고 한 예에 지나지 않는다고 본다. 방전형식에 의한 차이, 방전조건 가령 전극의 성질, 구조 및 배치, 가스압력, 조성온도, 유속 및 방전전류에 의해서도 물론 반응내용에 다소 차이가 있다고 생각된다. 특히 방전반응의 큰 결점은 소요의 소과정만을 일으키게 하는 에너지를 선택적으로 투입할 수 없는점 예를 들면 방전을 행하기 위하여는 전자가 전계내에서 가속되어 분자를 이온화하는 경우 동시에 분자의 여기 해리도 일으키는 상태가 있음으로 분자의 해리 과정만을 단일로 일으키게 하는 것은 곤란하다. 따라서 반응의 단순화가 얻을 수 없다.
전기공학에서 방전현상 즉 절연파괴문제는 복잡하고 미해결의 문제가 아직도 않아 극히 증요한 Thema로 되여있다. 더구나 이 plasma, laser등의 방전응용분야의 발전과 더불어 방전현상은 항상 흥미있는 문제들을 제공하여 주고 있으나 관계하는 인자가 너무나도 많고 순수한 형태로 현상을 파악하는 것이 곤란하여 마치 수렁에 발을 넣는것과 같다고까지 말하여 왔다. 그러나 전자, X선의 발견등 근대물리학발전의 단서를 이룬것은 방전이라고 하여도 과언은 아니다. 또 현재 세계의 많은 학자가 다투어 연구하고 있는 핵융합 plasma의 연구에 대해서도 그 원류는 방전이라 할 수 있다. 이와 같이 방전의 연구에 시작하여 빛나는 많은 성과를 올렸으며 더욱이 최근 방전현상에 관한 연구가 발전함에 따라 많은 변화를 가져왔다. 즉 plasma의 이론 및 실험의 전개, gas절연, 고분자고체절연, 극저온액체절연 등의 신절연기술의 발달, 500-1,000KV의 초고전압절연이나 직류고전압절연등의 기술개발, laser, 기타 방전가공등 방전응용기술의 발달은 괄목하다 하겠다. 여기에 수반하여 방전현상에 관한 이론이나 실험 Data도 여러 면에서 크게 일신되였지만 아직도 개발되지 못한 미해결의 문제가 너무나도 많으며 그 중에서도 특히 고체, 액체절연물에 있어서는 더욱 그러하다.
AC PDP(Plasma Display Panel)는 상압에 가까운 압력에서 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방전을 이용한 디스플레이다. AC PDP는 보통 면 방전을 이용하기 때문에 대향 방전과는 다른 방전 현상을 보인다. 본 연구에서는 4인치 test 패널 제작하여 격벽 높이 변화에 따른 방전 현상을 연구하였다. PDP 셀은 $1mm^3$ 보다 작은 크기를 가지고 있기 때문에 방전 현상을 분석하는 것은 쉽지 않다. 그래서 이 연구에서는 2, 3차원 유체 시뮬레이션을 이용하여 실험 결과에 대한 방전 현상을 연구하였다. 테스트 패널을 통하여 정적 마진, 휘도, 소비전력, 발광효율 등을 구하였고, Fluid 시뮬레이션을 통하여 전기장 분포, 하전입자 및 여기종 입자들의 개수 및 밀도 분포, 벽전하 분포 등을 통하여 방전 특성의 경향성을 분석하였다. 격벽 높이가 높아질수록 방전 공간이 넓어지면서 효율이 증가하였으나 $140\;{\mu}m$ 이상의 높이에서는 광 변환 효율이 감소하면서 효율이 오히려 감소하였다.
마이크로과 방전 무전극 황전등은 마그네트온에서 발생된 마이크로파로 2-원자 황을 여기하여 방출되는 빛을 조명에 사용하는 차세대 조명기구이다. 1990년대 초반에 미국의 Fusion Lighting Inc에 의해 최초로 소개된 무전극 황전등은 방전구 회전에 의한 방전을 하였다. 기존의 방전기술은 선형편파를 이용, 필드가 중앙에 모이므로 램프를 회전시켜 방전을 유지하였다. 그에 따라 시스템 구성이 복잡해지고 램프회전 속도에 따라 방전에 영향을 주었다. 본 논문에서는 원편파를 이용하여 램프 회전에 따른 문제점을 해결하고, 원편파에 의해 발생된 회전 플라즈마 방전현상을 실험적으로 보인다. 또한 원편파 방전에 의판 분광분포 및 휘도 분석등 방전 현상을 관찰했다. 아울러 연색성이 80이상, 색온도 4900k ${\sim}$ 6827k 범위를 보였다.
진공 플라즈마와 달리 개방된 공간에서 방전되는 대기압 플라즈마는 진공상태에서 수행되는 에칭, 증착 등의 복잡한 플라즈마 공정을 경제적이고 신속하게 수행할 수 있어, 최근 들어 연구가 활발히 진행 중이다. 이와 관련하여 He, Ar, $N_2$, $O_2$, Air 등의 여러 종류의 기체를 50 kHz 고전압에서 방전하여 대기 중에서 저온 플라즈마 공정이 가능한 아크젯 타입의 플라즈마 소스를 개발하였다. 개발된 플라즈마 소스에서는 입력전압, 기체유량, 노즐의 구조와 크기 등의 여러 운전변수에 따라 플라즈마의 방전특성이 변화되었다. 특히 본 연구에서는 아크젯의 플라즈마 발생부의 물질성분(SUS, Aluminum, Cupper)에 따른 플라즈마의 기체온도 및 전자여기 온도의 변화를 광방출분광법(OES)를 이용한 Synthetic spectrum method와 Boltzmann plot method을 통해 살펴보았다. 전압-전류 특성곡선, 시간분해 이미지 촬영법, 기체온도 측정법 등을 이용하여 발생된 플라즈마의 물리적인 특성을 분석하였다. 특히 물질의 성분에 따라 발생되는 플라즈마의 기체 및 전자여기 온도가 이차 전자 방출계수 및 물질의 전도도와의 상관관계가 있는지 연구가 진행 중이다.
플라즈마 디스플레이 패널(PDP)는 미소체적의 dielectric barrier discharge (DBD)를 이용한 한 예로 볼 수 있다. PDP 셀은 실험을 통하여 방전 특성을 분석하기에 아주 작은 크기이기 때문에 시뮬레이션을 이용하는 것이 방전 특성을 분석하기에 유용하다. 시뮬레이션 방법 중 유체 시뮬레이션은 높은 압력에서 기체 방전을 분석하기에 아주 유용한 방법이다. PDP 전극 각도를 바꿈으로써 발광 효율을 높일 수 있음이 논문으로 발표 되었다. 이 발표에서는 2차원 유체 시뮬레이션을 사용하여 전극의 각도 변화뿐만 아니라 전극 간격과 압력 변화에 따른 방전 특성 변화를 연구하였다. 평판 전극의 각도 변화에 따라 전기장 세기, 방전 공간 내 전하 및 여기된 입자수 및 분포, 방전 개시 전압 등의 진단을 통하여 결과를 분석하였다. 전극 간격이 길어질수록 convex 구조의 효율 증가가 크게 나타났으며 압력이 커질수록 concave 구조의 효율 증가가 크게 나타났다.
이 논문에서는 관벽온도에 따른 방전램프의 동작전압과 전류를 예측할 수 있는 수식 모델이 전개된다. 저압 수은-아르곤 가스 방전을 이용하는 형광램프가 모델로 사용된다. 저압 수은-아르곤 가스 방전에서 여기 원자와 전자의 연속방정식, 전자의 에너지 보존식, 열전도도 방정식과 이상기체 상태 방정식이 방전의 물리량을 예측하는데 이용된다. 이들 방정식과 회로 방정식을 이용하여 방전램프의 관벽온도의 효과로 인한 D.C. 저압 방전의 전기적인 특성을 예측한다. 이러한 예측은 방전램프의 설계를 하는 데 있어서 많은 도움이 되리라고 생각된다.
여기에서는 최근에 방전가공과 전해가공의 원리와 동향에 대하여 개설하였다. 앞으로 진행되는 재료혁명과 더불어 가공연구를 거듭함에 따라 적용의 다양화, 생력화는 물론 정밀화와 APT 의 발달로 인하여 점차 NC system과 조화되면 인수부족에 대처할 무인화 plant도 가능할 것으로 믿는다. 우리 나라에서도 전기가공법 발달에 적극적인 연구의 필요시기가 왔다고 보며 이 조그만 글이 도움이 된다면 다행이로 믿는 바이다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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