안녕하세요 플라즈마응용연구실 박지훈, 권지원입니다.

말씀해주신 Particle Balance Equation를 보면 Total Gas Density가 Ground state density와 Ar n1sx 들의 density 그리고 ni(~ne) 의 총 합으로 Balance Equation이 구성되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 여기서 1s state보다 높은 state 들이 balance equation에서 빠져있으나 이들의 density는 매우 작아 무시할 수 있어 합리적인 가정으로 보입니다. Ground  state의 경우 바닥상태에 있는 particle들을 의미합니다. 반면 n1sx density들은 Ar의 전자가 excitation을 통해 바닥 상태보다 더 높은 에너지를 가지고 있는 상태를 의미하고 plasma의 quasi-neutral 조건으로 Ar 이온의 밀도는 전자 밀도로 생각할 수 있으며 Ar 이온 역시 바닥 상태보다 더 높은 에너지를 가지고 있는 상태입니다. 즉 이를 통해 방전이 off 일때는 입자들이 높은 에너지 상태를 가지게 하는 source가 없으므로 n1sx density와 ni(~ne) density를 0이라고 볼 수 있어 Total gas denisty와 Ground state density가 같은 n0=n1 이라고 할 수 있습니다. 반면 방전이 on인 상태에서는 Ar 기체에 ground state뿐만 아니라 에너지를 가지는 n1sx density와 ni density가 존재하므로 n0>n1 임을 알 수 있습니다. 이를 바탕으로 질문하실 내용을 정리해 드리면 다음과 같습니다.

1. 여기서 n1과 n0는 모두 이상기체방정식으로 구하는게 맞나요 ?? (n=P/kT)

- 방전이 off인 상태에서는 n1과 n0가 같고 이는 기체의 압력과 온도를 이용하여 이상기체 상태 방정식에 적용하여 구할 수 있습니다.

- 방전이 on인 상태에서는 플라즈마가 있어 압력과 온도를 면밀하게 고려해야할 필요가 있습니다. Chamber 내에 있는 기체의 압력을 측정할 때, convection 또는 ion gauge등을 이용하여 측정합니다. Argon 플라즈마에는 1s state와 Ar ion 등이 존재하지만 chamber와 gauge 사이에 mesh를 설치한다면 대부분의 입자들이 wall recombination에 의해 ground state로 천이되기 때문에 측정하는 압력은 ground state들이라고 가정할 수 있을 것입니다. 온도의 경우 플라즈마 상태임을 고려하여 neutral, electron, ion들의 온도를 구분해야 할 필요가 있습니다. 일반적으로 neutral과 ion의 온도는 다르기때문에 이상기체 상태 방정식으로 입자의 밀도를 계산하는 것은 어려울 것으로 생각됩니다. 하지만 low temperature 플라즈마에서 neutral과 ion 온도를 같다고 가정하고 입자가 새로 생겨나거나 사라지지 않는다면 n0(Total Gas denisty)를 이상기체 상태 방정식으로 예상해 볼 수 있을 것입니다.

2. 혹시 맞다면 방전이 Off일때 기체온도, On일때 기체온도의 차이로 인해 구분될 수 있는건가요 ?

-source에 의해서 방전이 되고 에너지를 가진 전자와 이온들에 의해 더욱 많은 충돌을 겪게 되어 일반적으로 Gas의 온도가 올라갈 수 있으나 source로 부터 에너지를 받고 플라즈마가 존재하는 상태에서는 이상기체 상태 방정식을 단순 적용하는 것은 어려울 것으로 생각됩니다. 

-OES 분석에서는 정량적 분석을 위해 source에 의해 excitation 및 ionization되는 정도와 이들이 ground 혹은 lower state로 천이하는 정도를 이용하여 balance model을 구성합니다. 얼마 만큼의 많은 reaction들을 고려하는지에 따라 Corona Equilibrium(CE) model과 Collisional Radiative(CR) model 등 다양하게 구분되어지고 OES 분석에 사용됩니다.

위 답변이 질문에 대한 충분한 답이 되었으면 좋겠습니다. 감사합니다.