• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제5회(2016년)
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• pp.135-139
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• 2016

본 연구에서는 동역학적 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법을 이용하여 모델 이온채널 내에서 KCl과 HCl의 이온 전류를 시간의 함수로 구하였다. KLGCMC 모의실험 계산 결과로부터 이온채널의 양이온 선택성이 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 또한 모의실험 결과를 통해 각 이온의 확산계수가 전류에 미치는 영향을 확인 할 수 있었다. $H^+$ 이온은 농도가 매우 작음에도 확산계수가 커 전체 전류에 큰 영향을 미쳤다. 반면에 확산계수가 작은 $K^+$ 이온은 이온채널 안에서 쉽게 흐르지 못하고 정체 되며, $H^+$ 이온의 전류흐름을 방해하는 것을 확인 할 수 있었고, 이로 인해 이온전류의 패턴이 시간에 따라 변화함을 알 수 있었다.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제4회(2015년)
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• pp.83-90
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• 2015

본 연구에서는 Poisson-Nernst-Plank (PNP) 식의 해를 구할 수 있는 Edison web-based Poisson-Nernst-Plank (EPNP) Solver를 이용하여 나노포어의 이온선택성 및 박막의 유전율, 그리고 이온 농도가 이온 전류와 이온전도도에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 계산 결과로부터 나노포어의 이온선택성에 의해 양이온이 이온전류에 미치는 영향이 매우 크며, top buffer와 bottom buffer의 농도가 증가할수록 이온 전도도 (ion conductance)가 비선형적으로 증가함을 알 수 있었다. top buffer와 bottom buffer 간에 농도 차가 있을 때는 농도 차와 나노포어의 이온선택성에 의해 형성되는 Nernst 전위의 영향으로 I-V 곡선이 비대칭적 형태임을 알 수 있었다. 또한, 나노포어의 상대 유전율을 증가시킬 때 I-V 곡선에서의 양이온 전류는 감소했지만 음이온의 전류는 증가하는 경향을 보였다. 이는 나노포어 내에 배열된 쌍극자에 의한 영향과 전하를 가진 입자가 유전경계 (dielectric boundary)에 접근하면서 형성되는 상전하에 의한 영향이 동시에 존재하기 때문임을 알 수 있었다.

• 대한전기학회:학술대회논문집
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• 대한전기학회 2008년도 제39회 하계학술대회
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• pp.1366-1367
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• 2008

구형 집속 빔 핵융합 장치에서 발생되는 중성자 생성률은 이온전류의 크기에 크게 의존한다. 본 논문에서는 이온전류의 크기를 증가시키기 위해 구조 설계에 주로 이용되는 다구찌 실험계획법을 이용하여 최적의 설계 조건을 계산하였다. 최적화를 위해 그리드 음극 형상의 결정인자 및 압력을 설계 변수로 선택하였고, 설계변수가 이온전류의 크기에 미치는 영향력을 분석하여 최적의 조건을 도출하였으며, 예측된 최적 조건 변수값을 적용하여 효과를 검증하였다. 최적 모델로부터 더 큰 이온전류를 얻을 수 있었으며, 이는 더 깊은 포텐셜 우물에서 측정되었다.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제23권4호
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• pp.438-443
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• 1991

각확산도가 작은 $He^+$ 이온빔 인출전류를 최대로 얻기 위하여 Duoplasmatron 이온원의 동작특성을 조사하였다. 이온원의 기체압력, 아크전류. 전자석 전류, 인출전압등을 변화시키면서 인출되는 $He^+$ 이온빔 전류의 변화를 관찰하였다. 열음극으로는 Ni망위에 BaO와 SrO의 혼합물을 코팅한 산화물 필라멘트를 사용하였으며, 그것의 평균수명은 약 100시간이었다. 인출전류는 아크전류에 선형적으로 비례했다 이온원 전자석전류를 증가시킴에 따라 인출전류는 증가하였지만 빔의 각확산도가 커졌다. 최대의 인출전류는 0.084 Torr의 이온원 압력에서 얻어졌다. 인출전류는 이론에서와 마찬가지로 인출전압의 3/2승에 비례하였다. 5.72 kV의 인출전압에서는 최적인출조건하에서 50 $\mu$A의 인출전류가 얻어졌다.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제6회(2017년)
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• pp.64-74
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• 2017

본 연구에서는 동역학 격자기반 대정준 Monte Carlo (Kinetic Lattice Grand Canonical Monte Carlo, KLGCMC) 모의실험 방법과 Poisson-Nernst-Planck (PNP) 계산 방법을 이용하여 이온채널의 전하분포, 채널 반지름, 그리고 이온의 농도와 이온의 크기가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향과, 이온 간 상관관계 (correlation)가 이온전류와 이온전도도에 미치는 영향을 조사하였다. 이로부터 이온 간 상호작용에 의해 이온 이동에 제약이 가해지는 이온 간 상관관계 효과는 채널 내 이온 수가 증가할수록 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, 평균장 이론에 기반한 PNP 이론은 이온 간 상관관계 효과를 적절하게 기술하지 못하며, 이온 간 상관관계 효과가 중요해지는 이온 채널 관련 결맞음 공명 (coherence resonance) 등 특이 현상을 연구하기 위해서는 이온 간 상관관계를 기술할 수 있는 KLGCMC 모의실험 방법이 필요함을 알 수 있었다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2014년도 제46회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.226.1-226.1
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• 2014

이온빔 소스는 반도체 및 디스플레이 공정에 있어, 표면 에칭 및 증착 등 여러 응용 분야에 활발히 이용되고 있다. 본 연구에 사용된 원형 이온빔 소스는 선형 이온빔 소스의 가장자리에서의 특성 분석을 위해 제작되었으며, 높은 직류전압과 자기장 공간에서 플라즈마를 방전시키고 발생된 이온들을 가속시켜 높은 에너지의 이온빔을 발생시킨다. 이온빔 특성 분석을 위해 전위지연 탐침과 패러데이 탐침을 개발하였다. 전위지연 탐침은 격자판에 전압을 인가하여 선택적으로 이온을 수집하고, 이온의 에너지분포함수를 측정한다. 패러데이 탐침은 이온 수집기와 가드링으로 구성되어 수집기 표면에 일정한 플라즈마 쉬스를 형성하여 정확한 이온전류밀도를 측정한다. 본 연구에서는, 아르곤 기체를 이용하여 기체유량(8~12 sccm) 및 방전전압(1~2 kV)에 따라 방전전류 16~54 mA, 소모전력 16~108 mW의 특성을 보였다. 운전압력은 0.4~0.54 mTorr이며, 이온소스로부터 18 cm 거리에서 이온전류밀도와 이온에너지분포를 측정하였다. 또한, 중공음극선을 이용하여 인위적으로 전자를 이온 소스에서 발생된 플라즈마에 공급하고 이온빔 및 플라즈마의 특성 변화를 위 시스템에서 분석하였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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• pp.463-463
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• 2011

집속이온빔장치(Foucused Ion Beam)에서 사용하는 액체금속이온원(Liquid Metal Ion Source)은 고 전류밀도, 고 휘도, 낮은 에너지퍼짐 등 많은 장점이 있다. 대부분의 집속이온빔 장치에서 플라즈마 이온소스에 비해 빔의 직경이 작고 GFIS 보다 다루기 쉬워 액체금속이온원을 많이 사용하고 있다. 기존에 사용하던 액체금속이온원에 서프레셔라는 새로운 전극을 추가시켜 팁과 갈륨저장소, 서프레셔, 추출극 구조로 만들었다. 이 연구를 위해 RPA(Retarding Potential Analyser)를 제작 하였다. RPA는 두 개의 메쉬와 하나의 컬렉터로 이루어져 있으며, 액체금속이온과 플로팅 되어있는 RPA에 전압의 차이를 주기위해 베터리로 제작한 파워로 액체금속이온에 인가되는 전압에 + 90V, -90V까지 제어가 가능하게 만들었다. 본 연구에서는 서프레셔의 유무에 따른 액체금속이온원의 에너지 퍼짐에 대해 연구하였다. 추출극에 전압 변화를 주어 방출되는 전류를 5uA, 10uA, 15uA, 20uA로 변화시켜가며 RPA에서 측정되는 전류를 가지고 전류-전압의 관계를 보았고, 에너지 퍼짐정도를 알았다. 마찬가지로 서프레셔에 전압 변화를 주어 전류-전압 관계, 에너지 퍼짐정도를 알았다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제43회 하계 정기 학술대회 초록집
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• pp.132-132
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• 2012

압력 $10^{-9}$ Torr 이하의 초고진공(ultrahigh vacuum) 영역에서의 압력 측정에는 수 mA의 열전자로 잔류 가스를 이온화시켜 그 이온 전류를 측정하는 이온게이지를 주로 사용한다. 압력이 $10^{-12}$ Torr영역 이하인 극고진공(extreme high vacuum: XHV) 영역에 진입하면, ESD (electron stimulated desorption) 효과 등에 의한 이온 게이지 자체의 가스방출률이 커져 정확한 압력 측정이 곤란해 진다. 극고진공 영역에서 이온 게이지는 수 와트(W) 이상의 전력을 사용하여 수 mA의 열전자를 방출시키나, 신호인 이온 전류의 양은 1pA 이하이기 때문에 열전자에 의해 발생되는 백그라운드 전류에 묻혀 신호 전류가 측정되지 않는다고 할 수 있다. 100 nm 이하의 곡률을 가진 뾰족한 금속 탐침에 강한 전기장을 걸어주면 고체 내부의 전자가 터널링 효과에 의해 진공 중으로 방출되며, 이를 전계방출(Field Electron Emission) 효과라 부른다. 전계 방출 전류량은 탐침 표면의 일함수에 의존하며, 일함수가 클수록 지수함수 적으로 감소한다. 금속 표면에 진공 중의 잔류 가스가 부착하면 일함수가 증가한다. 가열에 의해 전계방출 탐침의 표면을 세정한 후에 전자 빔을 방출 시키면, 표면에 가스 분자가 흡착하여 방출 전류량은 점점 감소한다. 감소 속도는 압력에 비례하며, W(310) 탐침의 경우 $10^{-10}$ Torr 영역에서는 수분만에 최초 전류값의 1% 이하로 감소한다. 전계방출 전류의 감소속도가 압력에 비례하는 현상을 이용하여 압력을 측정하였다. Extractor Ionization Gauge 측정값 $5{\times}10^{-12}-3{\times}10^{-10}$ Torr의 범위에서 (111) 방향으로 정렬된 텅스텐 단결정 탐침을 사용하여 방출전류의 로그값을 시간의 함수로 semilog그래프를 그리면, 그래프는 직선을 그리며 그 기울기가 압력에 비례함을 알 수 있었다. 기울기 값과 게이지 측정값은 $10^{-11}{\sim}10^{-10}$ Torr 영역에서 거의 완벽한 비례관계를 보여주었으나, $10^{-12}$ Torr 영역에서 게이지 측정값은 기울기 값에서 추출한 압력치보다 높은 값을 보여주었으며, 이는 게이지 백그라운드 전류에 의한 차이라고 생각된다. W (310) 탐침의 방출전류는 그 감소속도가 W (111) 탐침과 마찬가지로 압력에 비례하였으나, 전류-시간 그래프는 가열 세정 직후에 전류가 거의 감소하지 않는 $2{\times}10^{-10}$ Torr에서 약 10분간 지속되는 '안정 영역'이 존재함을 보여주었다. '안정 영역'은 $10^{-11}$ Torr 영역에서는 수십분, $10^{-12}$ Torr 영역에서는 수시간 이상으로 증가하였다. 초-극고진공 영역에서의 잔류가스 주성분인 수소에서 물, 일산화탄소등의 가스로 바뀌면 '안정 영역'은 사라졌고, 이는 '안정 영역'이 수소 흡착에 의해서만 나타나는 고유 현상임을 말해준다.

• 멤브레인
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• 제12권3호
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• pp.171-181
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• 2002

이온교환막의 전압-전류곡선의 plateau length를 결정하는 변수를 다양한 NaCl 농도와 유속 하에서 연구하였다. 또한, 한계전류밀도 이상의 전류에서 전기투석공정 운전의 타당성을 검토하기 위해 다양한 전류밀도의 전원을 공급하면서 0.1 M NaCl 용액의 탈염실험을 실시하여 이온의 제거효율, 전류효율, 에너지소비량, 물 분해 현상을 측정하였다. NaCl 용액의 농도와 유속이 감소하면서 확산경계층의 두께도 함께 감소하였으며, 본 확산경계층의 두께는 plateau length와도 밀접한 관련이 있는 것으로 나타났다. 탈염실험에서 측정된 이온 제거 효율 및 전류효율은 한계전류밀도 이상에서도 한계전류밀도 이하에서의 탈염실험과 크게 차이 나지 않은 것으로 보아 한계전류밀도 이상에서도 대부분의 전류는 이온교환막 표면의 물분해에 의한 것이 아니라 막을 통한 이온의 이동에 의한 것으로 사료된다. 한계전류밀도 이상에서의 탈염운전에 대한 에너지소비량은 plateau length의 영향으로 한계전류밀도 이하에서의 탈염운전 보다 다소 높지만, 한계전류밀도 이상에서는 전류밀도의 증가에도 에너지소비량이 증가하지 않았다. 이러한 결과들은 물분해 현상이 심각하게 일어나지 않는 한 한계전류밀도 이상에서도 매우 경제적으로 전기투석 공정을 운전찬 수 있다는 것을 제시해 주는 것이다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.234-234
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• 2012

Saddle field ion source는 구조가 간단하고 영구자석을 사용하지 않아 소형화에 유리하고 구조가 간단한 DC 파워서플라이를 이용하기 때문에 장치 가격이 저렴하여 다양한 분야에서 응용되고 있으며 특히 이온빔 밀링 분야에 많이 사용된다. 초기 saddle field ion source 는 대칭형의 구형이었으나 지속적인 연구 개발로 와이어형, 원판형, 원통형 등 다양한 형태의 saddle field ion source가 개발되었다. 본 연구에서는 비교적 제작이 용이하고, 구조적으로 외부간섭에 대하여 덜 민감한 원통형 saddle field ion source를 제작하였다. 초기 saddle field ion source는 이온원 내부에 saddle field를 형성하기 위하여 대칭 구조를 가지 형태로 제작되었으나, 비대칭 구조에서도 saddle field가 형성될 수 있고 비대칭 구조를 채택할 경우 한쪽으로 더 많은 이온빔을 인출할 수 있기 때문에 실제 응용면에서는 비대칭 구조가 더 유리하다. 따라서 본 연구에서는 원통형 비대칭 saddle field ion source를 제작하였으며, 제작된 이온소스는 높이가 62 mm 지름이 55 mm의 소형 이온소스였다. 제작된 원통형 saddle field ion source는 진공도와 가속전압에 따라 방전 모드 변화하였다. Saddle field ion source는 전극과 extractor의 구조에 따라 조금씩 다르지만 대체로 5x10-5 Torr ~ 5x10-4 Torr 영역에서 안정적으로 작동하였다. 이온소스 내부의 압력이 높을 경우 수십 mA 의 방전 전류가 흐르는 고전류 방전 모드로 작동하였으며 압력이 낮을 경우에는 동일한 전압에서 수 mA 의 방전 전류만 흐르는 저전류 방전 모드로 작동하였다. 압력이 더 높아질 경우 아크 방전이 발생하여 이온소스의 작동이 불안정하여 연속적인 작동이 어려웠다. 고전류 방전 모드에서는 이온빔 전류가 Child-Langmuir 방정식에 따라 Vi3/2에 비례하여 증가하는 경향을 보여주었으며 저전류 방전 모드에서는 Vi에 선형적으로 증가하였다. 가속 전압이 동일한 경우 고전류 방전 모드가 저전류 방전 모드에 비하여 더 많은 이온빔 인출이 가능하지만, 고전류 방전 모드의 경우 이온의 방출 각도가 매우 넓은 반면 저전류 방전 모드에서는 이온빔의 퍼짐이 현저히 줄어듦을 관찰할 수 있었다. 원통형 saddle field ion source는 내부 구조가 간단하기 때문에 내부 전극의 구조 변화에 따라 방전 특성 및 이온빔 인출 특성이 심하게 변동하였다. Saddle field ion source에서는 Anode에 인가되는 방전 전압이 가속 전압과 같은 역할을 하는데 가속 전압은 2~10 kV 사이에서 인가가 가능하였다. 일반적으로 동일한 방전 모드에서 진공도가 높아질수록 방전 전류의 양과 인출되는 이온의 양이 증가하는 것이 관찰되었다. 제작된 이온소스는 최적 조건에서 5 mm 인출구를 통하여 0.7 mA의 이온빔 인출이 가능하였으며, 9 mm 인출구를 사용한 경우 1 mA까지 이온빔 인출이 가능하였다.