• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.204-204
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• 2016

다양한 형태의 대기압 저온 플라즈마 장치를 개발하고 특성을 연구하였다. 최근 대기압 저온 플라즈마를 의료 및 미용 분야에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 대기압 플라즈마 장치의 생체 적용을 위해 전기적, 열적 피해가 없는 플라즈마 발생 장치를 개발하였다. 대기압 플라즈마 발생 장치는 크게 플라즈마 제트와 유전 격벽 방전(DBD) 플라즈마의 형태로 나눌 수 있다. 대기압 플라즈마 제트는 고압 전극의 역할을 하는 주사 바늘과 바늘을 감싸고 있는 유리관, 유리관의 외부에 위치하는 접지 전극의 구조로 되어 있다. 방전 기체는 방전이 용이한 불활성 가스가 주로 사용되지만, 필요에 따라 $N_2$나 Air같이 방전이 어려운 분자 및 혼합 기체도 사용 한다. 방전 기체에 따라 대기압 플라즈마 제트의 전극 구조를 다르게 적용하였으며, 각 구조에서의 플라즈마 방전 특성을 연구 하였다. 유전 격벽 방전 플라즈마 장치는 고압 전극과 접지 전극 사이에 유전체가 위치하는 구조이다. 방전 가스를 불어주지 않아도 대기중에서 방전이 가능하고, 구조가 간단하여 용도에 맞는 다양한 형태로 방전이 가능하다. 이러한 대기압 저온 플라즈마의 특성 연구를 바탕으로 전기적, 열적 피해가 없으며 사용자 편의성을 갖춘 다양한 형태의 대기압 플라즈마 장치를 개발 하였다. 본 연구를 통하여 대기압 저온 플라즈마 발생 장치의 개발과 활용 연구에 도움이 될 것으로 기대한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.539-539
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• 2012

전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터는 교육과학기술부 기초연구사업 중 고가연구장비 구축사업의 일환으로, 고 엔탈피, 초음속 유동 환경을 모사하여, 항공우주, 군사기기, 핵융합 분야 등의 고온 재료 개발을 위한 기초 연구 장치로써, 0.4MW급 플라즈마 풍동 장치를 구축하고 있다. 0.4MW 플라즈마 풍동 장치의 플라즈마 발생부는 DC 전원 공급장치와 디스크 형태의 양극과 음극 사이에 동일 형태의 간극을 삽입한 0.4MW급 분절형 아크 플라즈마 토치로 구성되었으며, 토치에서 발생된 아크 플라즈마는 노즐을 통과하며 마하 2~4의 초음속을 나타내도록 설계 제작되었다. 시험 챔버는 노즐에서 나온 초음속 플라즈마의 특성 및 재료 시험을 위한 3차원 이송식 기판이 장착되어 있으며, 고 엔탈피 유동을 관측하기 위한 광학창을 구비하였다. 시험 챔버 하류에는 유동 안정을 위한 디퓨저(diffuser)가 설치되어 있으며, 디퓨저(diffuser)로부터 배출되는 고온가스는 열교환기를 통해 냉각된 후 진공펌프를 통해 대기로 배출되게 된다. 장치의 압력조절을 위하여 $1,000m^3/min$의 용량의 진공펌프 시스템이 설치될 예정이며 가스공급장치, 냉각수 공급장치, 디퓨져, 열교환기는 1MW급 용량으로 설계 제작되었다. 본 장치는 400kW의 전원 공급, 15 g/s의 공기유량 주입 시 약 13 MJ/kg의 고엔탈피를 가진, mach 2~4의 초음속 유동을 나타내는 것을 특징으로 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.506-506
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• 2012

플라즈마 제트 장치를 이용하여 두 개의 플라즈마 plume을 평행하게 발생시킨다. 두 개의 플라즈마 plume의 전위차를 전극에서부터 plume 끝단까지 위치별로 측정한다. 두 개의 플라즈마 제트 장치에 인가하는 전압의 위상이 서로 반대일 경우, 두 개의 플라즈마 plume의 전위차로 인하여 plume사이에 streamer가 발생한다. 대기압에서 streamer가 발생하려면 십여 kV 이상의 전위차가 있어야 한다. 반대로 동일한 위상의 전압을 인가할 경우, 두 개의 플라즈마 plume의 전위차는 없기 때문에 plume사이에 streamer가 발생하지 않는다. 두 개의 플라즈마 제트 장치를 등가회로로 구성하고 위상차로 인한 streamer 발생여부를 확인한다. 그리고 두 개의 플라즈마 plume 사이에 발생한 streamer와 플라즈마 제트 장치를 등가회로로 구성하여 발생시킨 streamer 양을 비교한다. 이를 통해 플라즈마 plume의 전위차를 확인한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제44회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.553-553
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• 2013

상압 플라즈마 기술은 표면처리, 온존 발생장치, VOC (Volatile Organic compound) 제거등 다양한 산업분야에서 응용되고 있다. 상압플라즈마 기술 또한 DBD (Dielectric barrier discharge), Griding Arc, SDIP (Surface Discharge Induced Plasma) 등 다양한 기술들이 개발되어져 왔다. VOC를 제거하기 위한 다양한 플라즈마 기술중 특히 BDB 방법과 SDIP 기술들은 플라즈마에 의한 VOC 분해 뿐만 아니라 오존 발생을 통하여 VOC성분을 분해하는 것으로 알려져 있으며 효율이 매우 뛰어난 것으로 보고 되고 있다. 그러나 BDB 방전의 경우 방전이 발생하는 간격이 매우 작아 공기를 정화시키기 위해 좁은 유로를 통하여 일정넓이를 이동하여하 하기 때문에 압력감소가 심하며 이를 개선하기위해 다단으로 설계할 경우 구조가 복잡하고 가격이 고가인 단점이 있다. 본 연구에서는 두 개의 면 전극이 마주보는 형태로 된 DBD 구조의 단점을 보완하기 위하여 빗살무늬 모양의 다층구조의 선형전극으로 구조를 변화시켜 전극에 의한 압력감소를 방지하고 효율적으로 플라즈마 및 오존을 발생시킬 수 있는 VOC제거용 상압 플라즈마 발생장치를 개발하였다. 또한 플라즈마 발생 및 오존발생량이 우수한 것으로 알려져 있는 SDIP 장치 또한 제작하여 비교 평가를 하였다. 제작된 플라즈마 발생장치는 60 Hz와 20kHz의 교류 고압파워 서플라이를 이용하여 플라즈마 발생실험을 진행하였다. 선행 연구에서는 60 Hz의 고압 파워 서플라이를 이용하여도 플라즈마 방전이 잘 된다고 보고되었는데 본 실험에서 60 Hz 파워 서플라이를 사용할 경우 15 kV 이상이 인가될 때 아주 약하게 오존이 발생하는 현상이 관찰되었으나 육안으로 구분이 될 만큼의 플라즈마 방전은 발생하지 않았다. 20kHz의 고압파워 서플라이를 사용한 경우에는 비교적 낮은 전압인 7 kV에서 방전이 관찰되었으며 분당 22 mg의 오존이 발생하였다. SDIP를 이용한 경우 플라즈마가 발생하는 조건은 SDIP의 기하학적 형상에 많이 의존하게 된다. 본 실험에 SDIP 장치는 매우 낮은 전압에서 방전을 시작하였다. 기존의 DBD와는 다르게 1.7 kV에서 플라즈마 발생하였으며 1.8 kV에서 정상적인 플라즈마 방전이 발생하였다. 이때 분당 3.1 mg의 오존이 발생하였다. 오존 발생양은 앞에 빗살형 플라즈마 방전장치에 비하여 낮은데 인가되는 전력을 고려하면 입력된 전기 에너지당 오존발생양은 비슷한 수준이였다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2011년도 제40회 동계학술대회 초록집
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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.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2016년도 제50회 동계 정기학술대회 초록집
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• pp.91.2-91.2
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• 2016

반도체 및 디스플레이 등과 같은 전자산업분야에 플라즈마를 이용한 생산공정이 폭넓게 활용됨에 따라서 공정 결과를 예측하고 조절할 수 있는 플라즈마 변수 측정 및 진단기술의 중요성은 더욱 증가되고 있다. 플라즈마 진단을 위해 가장 많이 사용되고 있는 량뮤어 탐침(Langmuir Probe)은 수십 볼트(V)의 전압을 탐침에 인가하여 들어오는 전류(I)를 측정한 I-V curve의 해석을 바탕으로 플라즈마 변수들(전자밀도, 전자온도, 플라즈마 전위, ${\cdots}$)을 측정하는 방법으로 탐침에 인가한 전압으로 인하여 플라즈마가 영향을 받고 이로인하여 공정 결과에 변화를 줄 수 있다. 또한, 증착공정과 같이 공정과정 중에 탐침의 증착으로 인해 탐침으로 들어와야하는 전자 및 이온의 양이 감소하여 측정에 오차가 발생할 수 있어 공정 플라즈마 진단에 적합하지 않다. 따라서 공정 플라즈마의 정확한 측정을 위해서는 플라즈마에 대한 영향을 최소화하고 증착으로 인하여 탐침이 오염 되는 환경에서도 플라즈마 변수를 정확히 측정할 수 있는 진단 장치가 요구된다. 마이크로웨이브를 이용한 진단장치들은 1 mW 이하의 매우 작은 파워를 사용하기 때문에 플라즈마에 영향을 최소화하여 보다 정확한 플라즈마 진단이 가능하다. 또, 유전체 투과특성이 있는 마이크로웨이브를 이용하기 때문에 탐침이 유전체로 증착되었다 하더라도 측정에는 문제가 없어 공정 플라즈마 진단에 용이하다. 이런 장점들로 인하여 헤어핀 탐침(Hairpin probe), 컷오프 탐침(cutoff probe), 임피던스 탐침(Impedance probe) 등과 같이 마이크로웨이브를 이용하여 다양한 형태의 진단 장치들이 개발되었다. 본 발표에서는 마이크로웨이브를 이용한 다양한 형태의 진단 장치들을 소개하고 각각이 가지는 장단점을 정리하여 각 진단장치들이 측정이 적합한 영역을 소개할 예정이다.

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

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2010년도 제39회 하계학술대회 초록집
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• pp.138-138
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• 2010

이중 주파수를 이용한 고주파 용량성 결합 플라즈마 장치는 반도체 및 디스플레이 생산 공정에서 널리 사용되는 장치 형태이며 일반적으로 이온 플라즈마 주파수보다 높은 주파수의 고주파 전력과 이온 플라즈마 주파수보다 낮은 주파수의 저주파 전력을 인가하여 플라즈마 발생 밀도 및 입사 이온 에너지를 독립적으로 조절할 수 있다. 용량성 결합 플라즈마 장치에서는 전극의 쉬스 임피던스가 비선형적으로 변화함에 따라 전극의 전압, 전류 및 플라즈마 전위는 수많은 고조파를 포함하게 되며, 이중 주파수가 인가된 경우 이러한 고주파와 저주파 신호의 고조파가 상호 변조된 형태로 나타나게 된다. 본 연구에서는 주파수에 따른 이온의 거동 특성 차이를 이용하여 변조된 형태의 Lieberman의 비균일 RF쉬스 모델을 가정한 고주파 쉬스를 단순한 저주파 쉬스로 모사하였다. 단순화된 저주파 쉬스 임피던스를 이용한 회로 모델을 구성하여 100MHz와 2MHz RF전력을 사용하는 용량성 결합 플라즈마 장치에서 측정된 전극 전압, 전류 및 플라즈마 전위 신호의 위상차 및 고조파 발생 특성을 분석하였다.

• 전력전자학회:학술대회논문집
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• 전력전자학회 2011년도 전력전자학술대회
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• pp.384-385
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• 2011

산업기술이 고도화됨에 따라 다양한 계열의 박막이 필요하게 되었고 고밀도의 플라즈마를 공급하고 안정된 공정의 진행을 위해 순시적인 플라즈마 제어가 가능한 임펄스 전원장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 플라즈마를 이용한 박막증착에서 요구되어지는 고품질의 박막특성을 구현하기 위해 다양한 공정기술이 개발되어 사용되고 있으며, 여기에는 박막을 구현하기 위한 증착 시스템 개발과 공정기술, 그리고 플라즈마를 형성, 유지시키는 고성능의 전원장치가 필요하다. 최근 박막증착 공정이 다양화되고 박막의 고품질화와 고속화 추세에 대응하기 위해서 고밀도의 플라즈마 제어가 가능한 고출력 임펄스 전원 개발이 요구된다. 또한, 에너지 밀도 증가를 위해 고속 임펄스 전원 장치의 필요성이 제기되고 있다. 본 연구에서는 앞서 연구되어진 저압회로를 부가한 임펄스 전원장치[1]를 수정, 보완한 후속연구로써, 증착율 개선을 위한 고주파 임펄스 플라즈마 전원 장치를 제안한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2012년도 제42회 동계 정기 학술대회 초록집
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• pp.190-190
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• 2012

전북대학교 고온 플라즈마 응용 연구 센터는 교육과학기술부 기초연구사업 중 고가연구장비 구축사업의 일환으로 소재공정용 다목적 100 kW 플라즈마 발생장치를 구축하고 있다. 100kW급 ICP (RF)형 플라즈마 발생장치는 RF 전력 인출이 이중으로 되어있어 한쪽에서는 수~수십 um 크기의 금속, 세라믹 등 고융점 원료분말을 순간적으로 용해, 기화 및 분해시키고 이들 기화 또는 분해된 증기를 급랭시키는 과정에서 초미분(<1 um)을 합성하는 플라즈마 합성법 연구가 가능하도록 RF 플라즈마 분말 합성 시스템이 연결되어 있고 다른 한쪽으로는 진공 챔버 내에서 고온 고속의 RF 플라즈마 불꽃을 형성 한 후 RF 플라즈마의 축 방향으로 반응성 가스 및 코팅 대상 물질을 주입하여 코팅 할 수 있는 열플라즈마 용사코팅 시스템이 연결되어 있는 다목적 연구 장치이다. 본 장치는 100 kW급 RF 전원 공급기와 유도결합형 플라즈마 토치, 플라즈마 분말 합성 부, 플라즈마 코팅 및 반응성 증착부, 가스 공급부, 냉각수 공급부, 전기 계장/제어부로 구성되어 있다.