질문 ::

안녕하십니까? 교수님 문의 드릴 것이 있어서 몇가지 여쭙니다.
먼저 plasma system에서 sheath 영역의 형성에 관해서 쉽게 설명을 해주시면 감사하겠습니다. 그리고 데바이 차폐(debye shilding)에 대해서도 궁금합니다.

답변 ::

플라즈마는 하전입자:음전하를 띄는 전자와 양전하를 띄는 이온으로 구성되어 있습니다. 이들은 전기적으로 반대 극성을
갖으나 하전량은 대부분 같습니다. 하지만 이온과 전자의 질량차이는
어마어마하지요. 이온이 무척 무겁습니다.
가벼운 전자는 쉽게 움직이고 무거운 이온은 상대적으로 움직임이
둔하지요. 따라서 전자는 외부 전기장으로 부터 에너지를 얻어
가속되기도 하여 자신의 온도가 이온의 온도에 비해서 높습니다.
자신의 열적 평형 온도가 높다는 말은 전자가 열운동이 활발하다는
말도 됩니다. 따라서 플라즈마 내에는 비슷한 수의 이온과 전자가
있어 전기적으로 준 중성상태를 이루고 있습니다. 하지만 이온과 전자는
각각 자신을 열적 평형상태를 만들고 있으나 서로는 열적평형상태가
아닌, 전자의 온도가 이온의 온도에 비해서 높은, 비 평형상태 유지하고 있습니다.

플라즈마 내에 하나의 이온을 떨어뜨렸다고 합시다. 이 이온 근방으로
전자의 움직임이 있을 것 입니다. 이들 전자들의 움직임의 정도는
혹은 이온에 의한 전자의 반응 정도는 전자의 밀도와 온도에 따라
다를 것입니다. 이온 주변으로 전자가 이동함으로써 이온에 의해서
형성되는 정전위의 크기는 작아지게 될 것 입니다. 이온의 위치로 부터
전위는 거리에 반비례해서 감소하는데 전자가 모여드니 전위의 감소는
보다더 크데 줄어들게 됩니다. 이때 전위가 1/exp로 감소하는 e folding
되는 거리, 특성 거리를 디바이 차폐거리라 합니다.

추가 답변 ::

이 Debye sheilding length는 전자밀도가 크면 클 수록 짧아질 것이며
전자의 온도가 높아지면 질수록 길어지게 됩니다. 대략 그 크기는
700 sqrt(전자온도(eV)/전자밀도(cm-3)) 이며 단위는 cm입니다.

Sheath의 개념은 플라즈마와 물체가 만나는 지점에서 형성되는 현상으로
그 지점의 플라즈마 내에서 유동도가 큰 전자는 이온에 비해서 벽으로
많이 빠져나가게 되어 상대적으로 이온이 많은 영역을 형성하게 됩니다.
따라서 벽의 전위에 비해서 플라즈마 몸체의 전위는 높습니다.
즉, 플라즈마 전위의 분포는 벽으로 갈 수록 점점 떨어지게 되고
특히 이온의 밀도가 전자의 밀도보다 많이 커서 몸체 전위에서
전자온도의 반에 해당하는 크기의 전위가 낮아지는 지점, 이 지점에서
이온의 속도는 Bohm 속도를 갖게 되며 이 지점을 쉬스의 경계면이라
합니다. 정리하면 플라즈마 내의 전자와 이온의 흐름에 의해서
플라즈마와 벽사이의 경계면에서 전위 분포가 크게 형성되는 지점을
쉬스라 하며 쉬스 내에는 이온의 양이 전자의 양보다 많으며 쉬스내의
이온들은 속도가 Bohm 속도의 초기 속도를 갖고 점점 가속되어
벽으로 입사하게 됩니다. 따라서 plasma processing의 대부분의
경우 쉬스 플라즈마의 특성이 processing의 성격에 지대한 영향을 미치게 되빈다.
쉬스의 크기는 위의 디바이 차폐의 길이에 5-10배에 달하며 만일
벽 전위가 낮아지게 되면 될 수록 쉬스의 크기는 커지게 됩니다.

디바이 차폐 길이는 플라즈마 특성을 기술하는 하나의 중요한 인자입니다. 또한 쉬스에는  전자와 이온의 운동이 고려된 현상이며 쉬스는
플라즈마와 만나는 모든 물체, 즉, 반응기 벽, 타겟 표면, 혹은 만일
우리의 손을 플라즈마에 넣었다면 손 주위에 형성되게 됩니다.