• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.297-297
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• 2010

KSTAR 토카막의 두번째 실험 캠페인 동안 고속파 전자가열 (FWEH)을 위한 ICRF 고주파입사 실험을 실시하였다. 토로이달 자기장은 2 T, 플라즈마 전류는 200-300 kA, 주반경은 1.8 m, 부반경은 0.5 m의 원형 플라즈마가 가열 대상이 되었으며, 네개의 ICRF 안테나 전류띠 가운데 중심부의 두개의 전류띠를 최대 300 kW로 구동하기 위한 운전 주파수는 44.2 MHz가 선택 되었다. 이 주파수는 플라즈마의 모든 영역에서 이온 사이클로트론 공명을 일으키지 않으므로 플라즈마에 흡수되는 대부분의 출력은 전자에게 전달될 것으로 기대되었다. 낮은 고주파-플라즈마 결합으로 인하여 전송선의 최대 고주파 전압이 허용치를 초과하기 때문에 비교적 낮은 최대 출력만이 허용 되었으나, ECE에 의해 관측된 전자의 온도는 국지적으로 최대 150 % 까지 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 낮은 고주파-플라즈마 결합의 첫번째 원인은 FWEH의 효율이 이온을 가열할 때 보다 상대적으로 낮기 때문이다. 플라즈마 내에 이온 사이클로트론 공명층이 형성되면 높은 효율로 고주파를 입사 할 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 또다른 원인은 D 형상의 플라즈마에 맞도록 만들어진 안테나와, 원형 플라즈마간의 부조화로 인하여 고속파 차단층이 (Fast Wave Cutt-off Layer) 평균적으로 넓게 형성되기 때문이다. 플라즈마 외곽에 반드시 존재하는 낮은 플라즈마 밀도의 고속파 차단층 내부에서, 중심부로 향하는 고주파의 진폭은 지수함수로 감쇠하므로 가능하면 플라즈마 밀도를 높여 차단층 자체의 폭을 줄이거나, 안테나 전류띠를 플라즈마에 바짝 접근시켜야만 한다. 고주파 진단 장치로는 송출기의 출력과 반사파 측정 장치, 공명루프의 전압 측정 장치가 있는데, 이것들을 이용하여 안테나에 전달되는 출력 및 고주파-플라즈마 결합 효율을 나타내는 플라즈마에 대한 고주파 부하 저항을 구할 수 있다. 측정 결과, 부하 저항의 최소값은 진공시 또는 ICRF만의 방전시의 값 0.25 Ohm 보다 큰 0.5 Ohm을 나타냈으며, 최대값은 플라즈마의 상태에 따라 1 Ohm에서 2 Ohm 사이에서 매우 빠르게 요동하는 것을 확인했다. Mm 파 반사계의 측정에 의하면 플라즈마 언저리의 위치가 약 3 cm 정도의 크기로 요동하는 것으로 나타났는데, 부하 저항과 언저리 위치의 파형이 정확하게 일치하지 않지만 유사한 경향성을 가진 것으로 보인다. 따라서 플라즈마 언저리 위치의 제어를 통하여 가열 효율을 높게 유지할 수 있음을 알 수 있다. 본 발표에서는 실험의 소개와 함께 부하 저항의 관점에서 가열 효율을 높일 방안을 토론하도록 한다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2014.02a
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• pp.263.1-263.1
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• 2014

현재 대기압 플라즈마는 신재생 에너지, 반도체, 표면처리, 바이오산업 등에서 다양하게 활용되고 있으며, 그에 대한 연구들이 진행되고 있다. 바이오산업에서의 플라즈마는 살균, 제독, 세포재생 등으로 연구되고 있으며, 이런 대기압 플라즈마의 응용은 꾸준히 증가하는 추세이다. 선행연구에 따라 멀티 플라즈마 젯 소스의 필요성이 제기되었으며, 플라즈마의 균일한 방전조건이 화두되어 왔다. 먼저 각 소스별 방전개시전압과 가스 유량에 따른 플라즈마의 전류와 전압 변화를 알아보았고, 이에 대한 문제점들을 보안하기 위해 앞서 연구한 멀티소스를 개선하여 플라즈마 방전 특성 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 기체유입방식이 다른 두 종류의 멀티 플라즈마 젯 소스를 이용하여 각 소스 채널별 유량변화에 따른 방전개시전압과 전류, OES (Optical Emission Spectroscopy)로 각 소스의 플라즈마 방전 특성을 측정하여 각 소스의 채널별 방전 균일도를 비교 분석하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.227-227
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• 2011

최근 ECR (Electron Cyclotron Resonance) 가열에 의한 플라즈마 소스는 고밀도 플라즈마를 유지하면서 고진공 운전을 동시에 만족시켜 다양한 플라즈마 응용 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 그 중 HNB (Hyperthermal Neutral Beam)를 이용한 플라즈마 소스에 있어서 ECR 플라즈마 소스는 고진공에서도 높은 플라즈마 밀도를 유지할 수 있기 때문에 기존의 HNB 플라즈마 소스인 ICP (Inductive Coupled Plasma)의 운전압력의 한계점을 해결하여 높은 HNB 방향성(~1mTorr이하)을 가진 고밀도플라즈마를 발생시킬 수 있을 것이라 제안되었다. ECR 플라즈마가 HNB 소스로서 적합하기 위해서는 플라즈마 소스의 대면적화와 균일화가 동시에 이루어져야 한다. 본 연구에서는 이러한 요구에 부합하여 Lisitano coil를 이용한 균일한 대면적 ECR 플라즈마 소스를 설계하였다. 최적의 설계와 진단을 위한 Lisitano Coil antenna 내의 B-field 분포 시뮬레이션과 Langmuir Probe 진단이 이루어졌다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.516-516
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• 2012

약한 자기장 (~20 G)이 인가된 유도 결합 플라즈마 장치는 고효율, 높은 균일도의 플라즈마를 생성할 수 있다. 그러므로 이 장치에 대한 변수 제어뿐만 아니라, 전자 싸이클로트론 공명(Electron cyclotron resonance) 현상에 의한 방전 특성에 대한 연구는 매우 중요하다. 그에 연관된 여러 연구가 있었지만, 대부분의 연구는 평판형 유도 결합 플라즈마에서 진행되었다. 그에 따라서, 본 연구는 솔레노이드 형태의 유도 결합 플라즈마 장치에서 플라즈마 변수에 대한 약한 자기장의 영향을 살펴보았다. 실험에 사용된 인가주파수는 13.56 MHz에서 27.12 MHz였으며, 다양한 압력과 전력에서 실험이 진행되었다. 이러한 솔레노이드 형태의 유도 결합 플라즈마에서의 플라즈마 변수는 국부적인 특성을 보였으며, 평판형 유도 결합 플라즈마와 비교/분석을 진행하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.585-585
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• 2013

유도 결합 플라즈마는 비교적 간단한 방전 구조와 고밀도 플라즈마 생성에 유리하기 때문에 산업 플라즈마 공정 장비로 널리 사용되고 있으며, 안테나에 의한 전력 전달 특성 및 방전 특성이 공정 결과에 큰 영향을 주게 된다. 이러한 유도 결합 플라즈마는 변압기 모델을 통하여 전력 전달 특성을 해석할 수 있으며, 안테나의 감은 수가 증가할수록 플라즈마로의 전력 전달 효율 및 플라즈마 밀도 상승이 기대된다. 반면에, 안테나 양단 또는 챔버 벽면과의 원치 않는 용량성 결합에 의하여, 실제로 안테나 감은 수가 증가함에 따라서 플라즈마로의 전력 전달 효율 및 방전 특성이 향상되지 않을 수도 있다. 본 연구는 이러한 안테나 감은 수 효과에 의한 전력 전달 효율 및 플라즈마 변수 변화에 대한 내용을 다루고 있으며, 플라즈마 변수 진단을 통하여 방전 특성을 연구하였다. 용량성결합을 최소화하기 위하여, 평형 전력 안테나를 사용하여 실험을 진행하였으며, 평형 전력이 인가되지 않은 안테나 구조에서의 안테나 감은 수에 따른 방전 특성과 결과를 비교하였다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.02a
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• pp.202-202
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• 2013

유도결합 플라즈마 방전 시 사용되는 L형 임피던스 정합기(impedance matcher)의 경우 일반적으로 직렬 및 병렬 콘데서가 연결되어있으며, 임피던스 정합조건이 되었을때 전원과 안테나 사이에 있는 임피던스 정합기의 소자값이 특정 값을 가지게 된다. 유도결합 플라즈마를 진단하기 위한 여러 방법들이 연구되어 왔지만, 이러한 임피던스 정합조건과 플라즈마 내부 변수들의 상관 관계에 대한 연구는 보고된 바 없다. 본 연구에서는 유도결합 플라즈마의 임피던스 정합조건과 유도결합 플라즈마의 변압기 회로모델를 이용하여 플라즈마 저항 및 플라즈마 인덕턴스를 구하기 위한 관계식을 도출하고 임피던스 정합기의 직렬 및 병렬 콘덴서 용량값 측정하여 플라즈마 저항 및 플라즈마 인덕턴스값을 계산하였다. 결과 검증을 위해 다양한 압력 및 전력 조건에서 부유랑뮤어 탐침법을 이용하여 플라즈마 밀도를 측정해 비교해 보았으며, 두 결과의 경향성은 잘 일치함을 확인하였다.

• KIPE Magazine
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• v.18 no.3
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• pp.29-33
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• 2013

플라즈마는 전기적 성질을 띤 유체와 유사하며, 외부의 전기적 자극에 대해 스스로 답을 찾아 반응하는 살아있는 무생물과 같은 존재이다. 때문에 원하는 종류의 플라즈마를 생성하고 잘 이용하기 위해서는 플라즈마에 관한 기초적인 이해가 필요하다. 이러한 플라즈마 기초에 관한 이해와 더불어 플라즈마의 생성과 유지에 필수적인 전원 장치에 관한 이해가 곁들여 지면 플라즈마를 이용할 때에 최소의 시행착오로 원하는 목적을 달성할 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2011.02a
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• pp.265-267
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• 2011

저온 대기압 플라즈마는 21세기에 들어 생의학 분야에 이용될 수 있는 새로운 도구로서 많은 관심을 받고 있다. 대기압 플라즈마는 고가의 진공 장비를 필요로 하지 않고 저전력 구동이 가능하기 때문에 저비용 구동이 가능하고 방전 장치와 전력공급 장치의 소형화에 매우 유리하다. 특히 저온 대기압 플라즈마는 고온의 전자와 저온의 이온 입자가 공존하는 열적 불평형(thermal non-equilibrium) 상태에 있기 때문에 플라즈마의 저온 특성은 유지하면서도 (${\sim}30^{\circ}C$) 물리/화학적 반응성은 매우 높아 그 응용 분야가 매우 넓다. 플라즈마의 다양한 생의학 분야 응용 가운데 세포의 사멸 유발 또는 생장 촉진, 살균/멸균, 지혈, 상처 치유 등에 저온 대기압 플라즈마가 매우 뛰어난 효능을 보인다는 것이 국내외의 다양한 연구를 통해 밝혀지고 있다 [1]. 20 kHz 정현파로 구동되는 플라즈마 장치를 이용한 암 세포 제거 실험에서 플라즈마 처리 효과를 증대시키기 위해 항체-금나노입자 중합체를 암 세포에 주입시켰다 (그림 1(a)). 그 결과 세포의 사멸율은 74%로서 플라즈마 또는 플라즈마-금나노입자만을 처리한 경우에 비하여 사멸율이 매우 높게 나타났다 (그림 1(b)). 이를 통해 암세포 선택성을 가진 항체-금나노입자 중합체와 플라즈마 처리 기술을 융합한 암 세포의 선택적 사멸 유발 기술의 개발 가능성이 열렸다. 또한 플라즈마 처리를 통해 일어나는 세포의 자멸사 기작이 Cytochrome C의 방출 이후 이어지는 Caspase-3의 활성화 경로와 관계가 있음이 밝혀졌다 (그림 1(c)). 치아 미백은 최근 부상하고 있는 저온 대기압 플라즈마의 새로운 응용 분야이다 [5-6]. 대기압에서 동작하는 헬륨 플라즈마 제트를 미백제(과산화수소)와 함께 발치된 치아에 적용하였을 때 (그림 2(a)) 미백제만을 사용하였을 경우에 비해 치아의 색상 변화가 2배 이상 크게 나타나는 것을 확인하였다 (그림 2(b)). 이처럼 최근 그 범위가 크게 넓어지고 있는 저온 대기압 플라즈마의 생의학 응용 기술의 최적화를 위해서는, 다양한 생의학 응용 분야에 따라 요구되는 플라즈마의 특성 및 응용별 기저 기 작에 대한 이해와 연구가 필요하다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2010.02a
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• pp.474-474
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• 2010

현재 반도체시장의 확장으로 인해서 기존의 300mm 웨이퍼에서 450mm의 웨이퍼를 사용하는 공정으로 변화하는 추세이다. 450mm 웨이퍼로 대면적 화되면서 기존 300mm 공정 때보다 훨씬 효율적인 플라즈마 소스 즉, 고밀도이고, 고균등화(high uniformity) 플라즈마 소스를 필요로 한다. 본 논문에서는 고밀도 플라즈마 소스인 유도 결합형 플라즈마(Inductively Coupled Plasma ; ICP)에 축 방향의 약한 자기장을 인가시킨 자화된 유도결합형 플라즈마(Magnetized Inductively Coupled Plasma : MICP)[1]를 제안하여 기존 ICP와의 차이점을 살펴보았다. 실험 방법으로 레이저 유기 형광법(Laser Induced Fluorescence : LIF)[2]을 이용하여 플라즈마 쉬스(Sheath) 내의 전기장을 외부 자기장의 변화에 따라 높이별로 측정하고 그 결과로부터 쉬스의 전기적 특성을 살펴보았다. 플라즈마의 특성상 탐침이나 전극에 전압을 인가하면 그 주위로 디바이 차폐(Debye Shielding)현상이 일어나서 플라즈마 왜곡이 일어난다. 그렇기에 플라즈마, 특히 플라즈마 쉬스의 특성을 파악하기 위해서 레이저라는 기술을 사용하였다. 레이저는 고가의 장비이고 그 사용에 많은 경험지식(know-how)를 필요로 하지만 플라즈마를 왜곡시키지 않고, 플라즈마의 밀도, 온도, 전기장 등 많은 상수(parameter)들을 얻어 낼 수 있다. 또한 3차원적으로 높은 분해능을 가지고 있는 장점이 있다. 강한 전기장이 있는 곳에서 입자들의 고에너지 준위가 전기장의 세기에 비례하여 분리되는 Stark effect[3] 이론을 이용하여 플라즈마 쉬스내의 전기장을 측정하였다. 실험은 헬륨가스 700mTorr 압력에서 이루어졌다. 기판의 파워를 50W에서 300W까지 변화시키면서 기판에 생기는 쉬스의 전기장의 변화를 살펴보았고, 자기장을 인가한 후 동일한 실험을 하여 자기장의 유무에 따른 플라즈마 쉬스의 전기장 변화를 살펴보았다. 실험결과 플라즈마 쉬스의 전기장의 변화는 기판의 파워와 플라즈마 밀도에 크게 의존함을 알았다. 기판의 파워가 커질수록 쉬스의 전기장은 커지고, 기판에 생기는 Self Bias Voltage역시 음의 방향으로 커짐을 확인 하였다. 또한 자기장을 걸어주었을 경우 쉬스의 두께가 얇아짐으로써 플라즈마의 밀도가 증가했음을 확인 할 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2012.02a
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• pp.493-493
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• 2012

평행평판 축전 결합 플라즈마는 증착이나 식각 등 많은 공정장비에서 사용된다. 이때 구동주파수를 높여주거나 리액터의 크기를 증가시킬 경우, 플라즈마 밀도가 불균일해진다. 플라즈마 밀도는 플라즈마 내 전기장 분포의 균일도와 관련이 있는 것으로 전기장 분포를 균일하게 만드는 것은 매우 중요하다. 이전 연구에서는 충돌 주파수(공정 압력)가 전기장의 분포에 미치는 영향에 대해 발표하였다 [1]. 본 연구에서는 구동 주파수, 충돌 주파수(공정 압력), 플라즈마 주파수(플라즈마 밀도)가 전기장 분포에 미치는 영향을 알아보았고, 이들의 상관관계를 분석하였다. 플라즈마 주파수(플라즈마 밀도)와 충돌 주파수(공정 압력)는 전기장 분포의 균일도에 영향을 주는 변수이지만 이 둘은 반대 영향을 미쳤다. 따라서 두 주파수가 전기장 분포에 미치는 영향이 균형을 이룰 때 균일한 전기장 분포를 얻을 수 있었다. 이 때 구동 주파수가 증가할수록 균일하게 하는 두 주파수의 영역이 줄어들어 높은 구동 주파수에서는 전기장 분포를 균일하게 하기 어려웠다. 이러한 관계를 이용하여 일정한 구동 주파수와 플라즈마 주파수에서 전기장 분포의 균일도를 10% 이내로 하기 위해 충돌 주파수를 결정할 수 있는 방정식을 구하고, 충돌 주파수와 플라즈마 주파수, 그리고 구동 주파수가 전기장 분포를 균일하게 하는 이들의 관계를 살펴 보았다.