안녕하세요. 플라즈마응용연구실의 석사과정생 배병준입니다. 답변드리겠습니다.

1. 먼저 질문자분께서 그림에서 표기한 뾰족한 부분에서 ‘국부적으로 전류가 충분’하다는 표현은 잘못된 표현입니다. (전류는 전하의 방향성을 가진 흐름을 표현하는 것입니다. 단순히 하전된 도체는 표면 전하들의 운동에 방향성이 없으므로 전류가 나타나지 않습니다.) 곡률이 높은 뾰족한 도체를 사용하는 이유는 아시다시피 도체 표면은 등전위이므로 곡률이 높은 부분에서 표면 전하 밀도가 높아 전기장(전계)이 강하기 때문입니다. 강한 전기장이 존재하면 공간의 분자(또는 원자)가 절연파괴(파열극한)를 일으켜 플라즈마 상태로서 외부로 전류가 흐르게 됩니다.

2. 질문자분께서 도체에 A라고 표현하심은 양극(anode)을 나타내고자 하신 것으로 보이나 음의 전압(HV-)을 인가했으므로 보다 정확한 표현은 음극(cathode)이 맞습니다. 그리고 첫 두 개 슬라이드에서 전압이 아직 인가되지 않은 도체를 표현하신 것이라면 표면에 전하를 그려 놓는 것은 오해를 살 수 있습니다. (외부로부터 전압을 인가하지 않았으나 표면에 전하를 표현할 수 있는 경우는 외부로부터 고립된(floating) 도체가 하전되어 있는 경우입니다. 이 경우에도 도체 자체는 하전된 전하 종류 및 전하량에 의해 정해진 전기 포텐셜(전압)을 갖습니다.) 이후 음의 전압을 인가함으로써 표면에 전하가 분포하게 되며 이때 표면에 분포하는 전하는 외부 전압 인가 장치로부터 흘러 들어온 전자가 됩니다. (반대로 양의 전압을 인가할 때는 중성의 도체에 있던 자유 전자가 전압 인가 장치로 흘러 가게 되어 도체(전극)에는 상대적으로 양의 전하가 분포하게 됩니다.)

3. 질문자분께서 보여주시는 내용은 플라즈마 방전(코로나 방전)을 통해 생성된 전자가 공기 중 분자(또는 원자)에 부착(attachment)되며 음이온이 되고 음이온이 음극에서 양극 방향으로 전기장에 의해 밀려나는 이온풍 생성에 관한 내용입니다. 하지만 이 과정에는 전자가 공기 중 분자(또는 원자)에 부착(attachment)되는 반응이 포함되는데 이는 매우 드물게 일어나는 반응 중 하나입니다. 반응률(reaction rate) 계산을 통해 얼마나 빈번하게 일어나는 반응인지 확인할 수 있습니다. (반응률(reaction rate) r=n1*n2*<σv> 계산에 대해서는 따로 찾아보시는 것을 추천하며 반응률 식의 충돌 단면적 σ은 Lxcat 사이트를 참고하세요: http://nl.lxcat.net/data/set_type.php) 따라서 대부분의 이온풍은 뾰족한 도체에 양의 고전압(HV+)을 인가해 양극에서 코로나 방전을 일으켜 생성된 양이온을 음극 방향으로 밀어내는 방식을 사용합니다. 이때 양이온은 중성입자와 운동량(momentum) 전달 충돌로서 전체 흐름(이온풍)을 만들어 냅니다.

4. 오존의 생성은 이온풍 발생과는 별개의 이야기로서 플라즈마 방전을 통해 생성된 전자가 산소 분자(O2)와 충돌해 해리(dissociation)시켜 산소 원자(O)가 만들어지면 산소 원자가 두 개의 산소 분자와 만나 3체 충돌(three-body collision)로서 오존이 생성되는 반응(O+O2+O2→O3+O2)을 말합니다. 오존이 이온풍에 관여하는 부분을 굳이 찾는다면 생성된 오존을 통해 해리 부착(dissociative attachment) 반응이 일어나 음이온의 생성을 도울 수 있다는 것입니다. 해리 부착은 상대적으로 높은 반응 상수(reaction rate coefficient) k=<σv>를 가지나 오존 자체의 밀도가 낮아 여전히 반응률(reaction rate)은 낮은 편입니다.

5. 그림의 하단 작은 글씨로 표현된 용어 설명 중 이온화(ionization)에 대한 설명은 ‘이온화’가 아닌 ‘이온’에 대한 설명으로 보입니다.

참고하시기 바랍니다.