• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.08a
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• pp.125-126
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• 2010

플라즈마 아킹은 PECVD, 플라즈마 식각 그리고 토카막과 같은 플라즈마를 이용하는 여러 공정과 연구 분야에서 문제점을 야기시켜왔다. 하지만, 이에 대한 연구는 아킹 현상의 불규칙성과 과도적인 행동으로 인해 미비한 상태이다. 특히, RF 방전에서의 아킹 연구는 DC 방전에서의 아킹 연구에 비해 많이 부족한 것이 현실이다. 플라즈마 아킹은 집단전자방출(collective electron emission)에 의한 스파크 방전(spark discharge)현상이다. 집단전자방출은 전계방출(field emission)이나 플라즈마와 쉬스를 두고 인접한 표면위에서의 유전분극(dielec emission)에 의해 발생한다. 이렇게 방출된 집단 전자들은 쉬스에서 가속되어 에너지를 얻게 되고 원자와의 충돌로 전자 아발란체를 일으킨다. 이렇게 배가된 전자들은 아킹 스트리머(arcing streamer)를 형성하게 되고 아킹 발생 시 높은 전류와 공정 실패의 원인이 된다. 우리는 $30cm{\times}20cm$ 크기의 사각 전극을 위 아래로 가진 챔버에서 Ar 가스를 RF(13.56 MHz)파워를 이용해 방전시켰다. 방전 전압과 전류는 파워 전극 압단에서 High voltage probe (Tektronix P6015A)와 Current probe (TCPA300 + TCP312)를 이용해 측정했다. 플라즈마 아킹시 변하는 플라즈마 플로팅 포텐셜은 챔버 중앙에 위치한 랑뮈프 프로브에 의해 측정되고 챔버 옆의 뷰포트 앞에 위치한 PM-tube를 이용해 아킹시 변하는 광량을 측정한다. RF 방전에서의 플라즈마 아킹은 아킹시 플로팅 포텐셜의 변화에 의해 크게 세부분으로 나눌 수 있다. 아킹 발생과 동시에 급격히 감소하는 감소부분 (약 2us) 그리고 감소한 포텐셜이 유지되는 유지부분 (약 0~10ms) 그리고 감소했던 포텐셜이 서서히 원래 상태로 회복되는 회복부분(약 100 us)이다. 아킹 초기시 방출된 집단 전자들과 원자들간의 충돌에 의해 형성된 아킹 스트리머는 플라즈마 전체를 단락시키게 되고 이로 인해 플로팅 포텐셜은 급격히 감소하게 된다. 이렇게 감소한 플로팅 포텐셜은 아킹 스트리머가 유지되는 한 계속 감소한 상태를 유지하게 된다. 그리고 플라즈마를 섭동했던 아킹 스트리머가 중단되면 플라즈마는 섭동전의 원래 상태로 돌아가려 하기 때문에 플로팅 포텐셜은 서서히 증가하면서 원래 상태로 회복된다. 플라즈마 아킹 발생시 생성되는 아킹 스트리머는 순간적으로 많은 전자들을 국소적으로 생성하게 되고 이 전자들에 의해 광량이 순간적으로 증가하게 된다. PM-tube (750.4 nm)에 의해 측정된 아킹시 광량은 정상방전 상태의 두배 가량이 된다. 그리고 이 순간적으로 증가된 광량은 시간이 지남에 따라 감소하게 되고 정상방전 일때의 광량이 된다. 광량이 증가한 후 정상방전 상태의 광량에 이르는 부분은 플로팅 포텐셜이 감소한 상태에서 유지되는 부분과 일치하고 이는 플로팅 포텐셜의 유지부분동안 아킹 스트리머가 발생하고 있다는 간접적인 증거가 된다. 그리고 정상 방전 상태 일때의 광량이 되면 아킹 스트리머가 중단되었다는 것이므로 그 시점부터 플로팅 포텐셜은 정산 방전상태 일 때의 포텐셜로 복구되기 시작한다. 이처럼 PM-tube를 이용한 아킹 광량 측정은 아킹 스트리머를 간접적으로 측정하게 하고 아킹 스트리머를 이용해 아킹시의 플로팅 포텐셜의 변화를 설명하게 해 준다. 응용적인 측면에서 아킹 광량 측정을 이용한 아킹 판독은 방전 전류와 방전 전압과 같은 전기적 신호를 이용한 아킹 판독에 비해 여러가지 장점을 가진다. 우선, 전기적 신호를 이용한 아킹 판독처럼 매칭 회로나 플라즈마를 섭동시키지 않는다. 그리고 원하는 부분의 아킹만을 판독하는 것도 가능하며 photo-diode를 이용할 경우 전기적 신호를 이용하는 것에 비해 경제적으로 유리하다.

• Proceedings of the KIEE Conference
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• 2002.07c
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• pp.1840-1842
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• 2002

고전압 대 전류를 필요로 하는 펄스 파워 시스템에서 스위치는 중요한 소자중의 하나이다. 펄스 트랜스포머를 이용하여 고전압 펄스를 만드는 회로에서 대전류 스위칭에는 대부분 스파크 갭 스위치나 싸이라트론을 사용하는데 높은 펄스 반복 율과 긴 수명을 제공하기 위해서는 반도체 스위치를 사용해야한다. 고전압 대전류 펄스파워 시스템에 적합한 반도체 스위치의 스위칭 특성과 제어방식에 관한 연구를 수행하였다 실험에 사용한 스위치는 20 kV, 12.6 kA, 12 ${\mu}s$의 펄스 스위칭이 가능한 ABB사의 반도체스위치 스택 (5SPR-26L4508-8-WC)이다. 실험회로는 콘덴서에 충전을 완료한 다음 스위치와 인덕터를 통하여 방전하도록 구성하였다. 8개의 직렬 연결된 스위치는 광케이블을 사용하여 병렬구동하고, 고주파 스위칭 전류전원을 사용하여 고전압 절연을 하면서 게이트 구동전력을 전달하도록 하였다. 본 논문에서는 스위치 전압과 방전전류를 관측하여 반도체 스위치의 특성을 조사하였다.

• Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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• v.9 no.6
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• pp.40-46
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• 2001

An experimental investigation is proceeded to study on the relationship between spark ignition characteristics and the performances of an S. I. engine. The ignition parameters examined in this study are the ignition energy and discharging duration. The combustion pressure and exhaust gas are measured during the experiment. From the measured data of cylinder pressure, the heat release rate, the mass fraction burned, and the COV of IMEP are calculated. The dwell time and the injection time are varied. A single cylinder engine and a 30kW dynamometer are employed. Four different kinds of ignition systems are assembled, and one commercial ignition system is adopted. The experimental results show that the ignition energy is increased as the dwell time extended until the ignition energy is saturated. The higher ignition energy is effective in achieving the laster burning velocity and less producing HC emission. However, when the amount of ignition energy is similar, while the discharge duration becomes longer, the burning velocity is reduced but the engine operation becomes stable in terms of the COV of IMEP.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.21 no.1
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• pp.36-48
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• 1997

In order to establish the ignition system for lean burn, the influence of the number of spark plug, spark times and spark intervals on discharge pattern of spark energy on ignitability and combustion characteristics were evaluated. It showed that, ignitability remarkably increased with the case of multiple spark ignition system than with the case of single spark and the lean limit extended fuel/air equivalence ratio by 0.1, the increase of magnitude and lasting time of capacity component and inductance component was multi spark discharge in a row.

• Journal of the korean Society of Automotive Engineers
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• v.11 no.5
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• pp.55-64
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• 1989

The effect of discharge have been investigated for condition of spark in a multiple spark ignition engine, as the spark duration, capacitive and inductive discharge energy were calculated for condition of spark by ignition wave and energy formula. The useful portion of spark discharge is divided into capacitance portion and inductance portion. It was found that capacitive discharge energy and spark duration were increased according to increasing number of spark, and inductive discharge energy was increased according to increasing spark interval. Therefore engine torque was increase and lean misfire limit was extended comparing with the standard ignition system. It found that spark energy was discharged within ignition delay period availability acted on the formation and growth of flame kernel, and total spark energy was increased according to increasing number of spark times, but discharged spark energy after ignition delay became unavailable energy. And the capacitive discharge energy has the dominant effect for stoichiomeric or not very rich air-fuel mixture but inductive discharge energy has the dominant effect for lean air-fuel mixture.

• Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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• v.11 no.7
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• pp.571-580
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• 1998

The numerical model that can describe the ignition of pseudospark discharge using hybrid fluid-particle(Monte Carlo )method has been developed. This model consists of the fluid expression for transport of electrons and ions and Poisson's equation in the electric field. The fluid equation determines the spatiotemporal dependence of charged particle densities and the ionization source term is computed using the Monte carlo method. This model has been used to study the evolution of a discharge in Argon at 0.5 torr, with an applied voltage if 1kV. The evolution process of the discharge has been divided into four phases along the potential distribution : (1) Townsend discharge, (2) plasma formation, (3) onset of hollow cathode effect, (4) plasma expansion. From the numerical results, the physical mechanisms that lead to the rapid rise in current associated with the onset of pseudospark could be identified.

• Proceedings of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers Conference
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• 1997.11a
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• pp.270-274
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• 1997

The numerical model that can describe the ignition of the pseudospark discharge using hybrid fluid-particle method has been developed. The evolution process of the discharge has been divided into four phases along the potential distribution. After the plasma enters in the hollow cathode, the confining effect which is one of hollow cathode properties occurs and the electron current on anode rises rapidly. As the plasma expands successively, the sheath contracts and as the electric field in the sheath increases, the field-enhanced thermionic emission(Schottky emission) occurs. From numerical results, the physical mechanism that causes the rapid current rise in the ignition of the pseudospark discharge could be identified.

• Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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• v.14 no.1
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• pp.100-108
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• 2006

Time-resolved current and voltage measurements for an inductive automotive spark system were made. Also presented are measurements of the total energy delivered to the spark gap. The measurements were made in air for a range of pressures from 1-18atm, at ambient temperatures. The measured voltage and current characteristics were found to be a function of many ignition parameters; some of these include: spark gap distance, internal resistance of the spark plug and high tension wire, and pressure. The voltages presented were measured either at the top of the spark plug or at the spark gap. The measurements were made at different time resolutions to more accurately resolve the voltage and current behavior throughout the discharge process. This was necessary because the breakdown event occurs on a time scale much shorter than the arc and glow phases. The breakdown, are, and glow voltages were found to be functions of spark plug resistance, gas density, and spark plug gap as expected from the literature. Spark duration was found to decrease as either pressure or gap was increased. The transition from the arc to glow phase is usually distinguished by a sudden rise in the voltage across the gap. At pressures above about 7atm this transition was not observed suggesting that a glow phase was not present. Energy delivered to the gap increased with increasing pressure. The effective resistance of the spark gap during discharge was about twice as large for the glow phase as the arc phase.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.211-212
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• 2011

플라즈마를 제어하기 위해서는 플라즈마의 온도, 밀도, 에너지 분포등과 같은 플라즈마의 특성을 정확히 측정할 수 있어야한다. 핵융합발전에서는 플라즈마를 발생하기 위하여 플라즈마의 온도, 밀도 등 각종 변수들을 시공간적으로 계측, 분석할 수 있는 진달설비를 사용하고 있으며, 정확한 플라즈마 제어와 측정을 위한 새로운 진단기술을 개발하고 있다. 그리고 중요한 변수중에 하나인 플라즈마 이온온도를 측정하기 위해 중성입자 검출법이 잘 알려져 있다. 이 실험은 수소 중성입자가 토카막 내부의 플라즈마 이온과 충돌하면서 생성된 고속 중성입자의 에너지를 분석하는 실험이다. 본 연구의 실험방법은 수소 중성입자를 이온빔 장치에서 이온화 시킨 후 자체 제작한 가속기를 통하여 가속시켜 에너지 특성을 분석을 하는 것이다. 본 연구의 실험장치로 에너지 교정용 100 keV 이온빔 소스를 제작 하였고 이온빔 장치 내부에 수소기체를 주입하고 기체방전을 일으켜 플라즈마를 발생시켰다. 이온빔 외부에는 팬을 설치하고 전도성이 강한 물 대신 전도성이 약한 오일을 사용하여 냉각 하였다. 이온빔 장치와 결합될 이온 가속장치는 지름 300 mm, 두께 2 mm의 원형 구리판을 여러층으로 쌓아 전극으로 제작하였고 전극과 전극 사이에서 코로나 방전과 스파크를 방지하기 위해 전극 둘레에 코로나링을 설치 하였다. 또한 전극 사이마다 1G${\Omega}$의 저항을 설치한 후 고전압을 생성하여 이온 가속 효율을 증대시켰다. 진공시스템으로는 Alcatel사의 CFF100 터보분자 펌프와 우성진공사의 MVP24 진공로타리펌프를 결합하여 사용하였으며, 진공도측정은 Alcatel사의 ACS1000 장치를 사용하였다. 고진공후 고속 중성입자의 이온화와 에너지 측정을 위한 전하교환기를 설치하였다. 전하교환기로는 진공시스템을 별도로 설치하고 비용이 비교적 많이 드는 기체형 전하교환기 대신 소형화가 가능하고 유지보수가 좋은 고체형 전하교환기 제작하여 실험 하였다. 전하교환기에서 이온화된 고속 중성입자가 전기장이나 자장에 영향을 받았을때 에너지분포를 디텍터를 통해 측정하였다. 즉, 이온화된 중성입자의 에너지가 실리콘 다이오드를 통해 전압 펄스 신호로 변환되고 이차 증폭기를 통해 전압 펄스 신호들이 증폭한다. 에너지 측정을 위한 디텍터는 소형화가 가능하고 비용이 비교적 적게 드는 실리콘 다이오드를 설치하였다. 본 연구결과 중성입자 에너지 분석 장치가 실제 핵융합 장치의 플라즈마 이온온도와 특성 측정에 적용할 수 있으며, 앞으로 개발될 여러 형태의 응용 플라즈마 발생장치의 플라즈마 진단에 이용될 것으로 기대한다.

• Journal of the Korean Ceramic Society
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• v.39 no.12
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• pp.1197-1202
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• 2002

In order to develope the porous $K_2Ti_6O_13$ whisker preform with good strength, the pore characteristics and compressive strength were investigated as a function of spark plasma sintering temperature. As a result, high porous whisker preform were successfully fabricated by sintering at 900∼950${\circ}C$ for 10 min under a pressure of 40 MPa, heating rate of 50${\circ}C$/min and on-off pulse type of 12:2. The whisker preform prepared under above optimum condition showed relatively high compressive strength of 174∼266 MPa, despite of high porosity ranging from 15% to 37%. This improvement in strength was considered to be mainly due to the spark-plasma discharges and the self-heating action between whiskers. The compressive strength of whisker preform, fabricated at sintering temperature less than 900${\circ}C$, showed 80∼100 MPa. This is low strength level less than one half times compared with whisker preform fabricated at 900∼950${\circ}C$. The whisker preform fabricated at 1000${\circ}C$ showed the highest compressive strength of 523 MPa, but resulted in low porosity of ∼5%. Based on above results, it was considered that spark plasma sintering was an effective method for developing high strength and porosity of whisker preform.