Ion/Electron Temperature 산업용 플라즈마의 특성

2004.06.19 17:12

관리자 조회 수:15163 추천:288

질문하신 분이 사용하는 플라즈마을 산업용 플라즈마라 하여 일반적인 플라즈마와는 구분을 하고자 합니다. 그 이유는 이는 산업용 플라즈마에서는 다양한 입자들이 존재합니다. 우선 산업용 플라즈마 속에 존재하는 입자의 종류를 찾아보면, 전자, 이온, 원자, 분자 등입니다.(일반적으로 플라즈마라 하면 단지 이온과 전자만으로 구성되어 있습니다.) 이 때, 원자 분자, 즉 N2등에서는 N과 N2, e, N+, N2+등이 있을 수 있으며 음이온이 추가적으로 존재할 수 있습니다. 이들 모두 열운동을 하고 있으며 자신의 열평형 상태를 대표하는 온도를 갖고 있습니다. (플라즈마 발생과 온도를 설명한 항을 참고하기 바라며 여기서 온도으ㅟ 증가는 주로 충돌에 의해서 진행도니다고 생각하면 좋습니다. 따라서 충돌이 빈번하게 되면 입자들의 온도가 서로 비슷해 지고 충돌이 적으면 특정 입자의 온도가 다른 입자의 온도와 다르게 되는 서로 다른 열평형 상태가 됩니다. 따라서 대기압 혹은 높은 압력의 운전조건에서는 전자, 이온, 개스 입자들 간의 충돌이 빈번해 짐에 따라서 서로의 온도 차이가 거의 없어지는 평형상태를 갖기도 하며 이런 플라즈마를 thermal plasma라 하기도 합니다. 본 란에서는 저기압에서 발생하는 플라즈마에 대해서 언급하고 있습니다. 따라서 전자오도, 이온온도, 중성개스입자의 온도 등이 있어 일반적으로 산업용 플라즈마 내에서는 입자간의 열적 평형이 이뤄지지 않고 있습니다. 즉 비평형 상태로 낮은 압력의 운전조건, (대기압에서 발생되는 플라즈마을 제외한 대부분의 산업용 플라즈마)에선ㄴ 전자의 온도가 당연히 가장 높습니다. 여기에 질량비, 혹은 약 1/10이하를 갖는 이온 온도가 있으며 이온 온도와 엇 비슷한 정도의 중성 개스의 온도가 있습니다. 특히 이들 중성 개스의 온도에는 여러가지 온도로 구분이 가능하기도 합니다. 여기에 radial의 온도, 이원자 분자의 vibrational energy, 혹은 rotational energy등이 포함되게 되나 대표하여 중성개스의 온도라 합니다. 이들 중성 개스의 온도는 반응기 내에 주입되기 전에 가열되었던 온도를 의미하여 일반적으로 반응기 밖의 대기온도와 비슷하다고 생각할 수 있습니다만 일부 이온화 과정 후의 재결합 혹은 잦은 전자와의 충돌에 의해서 이 중성개스, 혹은 이온들의 에너지가 상승하여 온도가 높아지기도 합니다만 그 온도는 이미 언급한 바와 같이 1/10미만이 될 것 입니다. 하지만 플라즈마의 밀도가 증가하여, 즉 전자의 밀도가 주입 개스의 10%이상이 되어가는 경우(이온화 율이 높응ㄴ 경우)에서는 전자와 중성 입자간의 충돌이 빈번하게 됩니다. 따라서 이때 중성 입자의 온도가 상승하기도 하며 이온의 온도도 비슷하게 상승하게 됩니다만 이런 경우에도 산업용 플라즈마의 온도는 전자의 온도에 비교되게 높을 수는 없습니다. 하지만 분자의 온도의 변화는 반응기 내의 화학반응의 변화를 촉진하기 때문에 민감한 사항이 도리 수 있으며 이에 대한 연구는 화학분야에서 많은 기여를 하고 있습니다.
본인이 생각하기에 질문에서 사용한 Tr은 radical의 온도 혹은 ratational temp를 의미하는 것 같으며 이는 화학반응에서는 중요한 인자가 될 수 있으나 일반적으로 플라즈마를 정의하고 이야기 하는 영역에서는 전자의 온도가 가장 중요한 변수입니다. 아울러 저압력 산업용 플라즈마에서 이온의 온도가 낮고 개스 입자의 온도도 낮으나 전자의 온도는 비교적 높아 이를 cold plasma라고 소개하기도 합니다. 즉 이는 산업용 플라즈마가 cold plasma의 모델에 가깝기 때문이며 cold plasma란 이온의 온도를 무시할 정도로 작다고 생각하고 전자의 온도에 대해서만 고려하는 모델입니다. (참고로 우리가 전자의 에너지를 1eV라고 할 대 이를 온도로 환산하면 약11000K 혹은 11000C라고 생각하면 됩니다.)

나아가 플라즈마 내에서 전자온도, 즉 에너지 분포는 매우 중요합니다. 플라즈마 내에서 중성입자들이 이온화/해리/여기 등의 반응을 일으키는데는 전자와의 충돌에서 발생하고 이 때 전자의 온도에 따라서 각 반응들이 일어나기 때문입니다. 따라서 만일 전자의 에너지 분포를 잘 조절할 수만 있다면 원하는 반응을 이용한 플라즈마 처리가 가능하게 될 것입니다.
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