Fundamentals of Dielectric-Barrier Discharge 번역

※ 본 번역은 구글 번역기의 도움을 많이 받았으며, 원문은 생략하고 의역한 부분이 존재합니다.

※ 원서는 "Non-equilibrium air plasmas at atmospheric pressure - K. H. Becker , U Kogelchatz , K. H. Schoenbach , R. J. Barker" 입니다

2.6 Fundamentals of Dielectric-Barrier Discharge

2.6.1. Early investigations

1857 년 독일의 지멘스(Siemens)는 '공기를 오존으로 바꾸기 위한(Ozonizing)’ 전기 방전을 제안했다. 이들이 제안한 전기방전의 새로운 특징은 금속 소재의 전극이 방전 중인 플라즈마와 접촉하지 않는다는 점이다. 대기압의 공기 또는 산소가 유리관벽 사이로 흐르게 되면 유리관으로 둘러쌓인 전극에 인가되는 AC 전원에 의해 전기적인 방전이 일어나게 된다. 

유리관 내 대기압 공기 또는 산소가 플라즈마 방전으로 인해 오존으로 변화한다. 공기를 공급한다면 NO(Nitrogen oxides) 또한 발생한다. 유전체 장벽의 역할을 하는 유리 유전체는 플라즈마 방전특성에 강한 영향을 미치기 때문에 이런 방전을 유전장벽방전 (DBD) 또는 장벽방전(BD)이라고 한다. Andrews 와 Tait (1860)이 명명한 "silent discharge" 이라는 용어도 쓰인다. 지맨스의 튜브는 플라즈마 화학 반응기로서 다양한 종류의 가스들을 뜨거운 열 에너지 없이 분해할 수 있는 이상적인 반응기였다. [원서에는 연구자들이 굉장히 많은데 생략했습니다. Silent discharge라고 하지만 실험을 해본 입장에선 시계초침 소리정도의 소리는 납니다]

두 유리장벽사이의 틈새에서 대기압 공기의 절연파괴(플라즈마 방전)에 대한 중요한 관찰은 전기 공학자인 버스(Buss 1932년)에 의해 이루어졌다. 그는 플라즈마 방전이 유전장벽사이 공간에서 균일하게 발생하기 보다 짧은 시간동안만 존재하는 수많은 전류 필라멘트(원문 : many short-lived luminous current filaments) 에 의해 발생한다는 것을 관찰했다. 그는 또한 필라멘트 전류의 흔적을 보여주는 사진인 Lichtenberg figure와 고전압 펄스의 오실로스코프를 기록했다. 버스(Buss)는 단위 면적당 전류 필라멘트의 수, 전류 필라멘트의 일반적인 지속 시간 그리고 전류 필라멘트가 전달하는 전하에 대한 정보를 얻었다. 오늘날 이런 전류 필라멘트는 microdischarges 라고도 한다. microdischarge는 고체 유전체에서의 아크 발생이나 DBD 응용에서 중요한 역할을 한다. [뒷부분의 응용연구 부분은 생략함]

Lichtenberg figure captured in an acrylic block [출처 : 위키피디아]

2.6.2 Electrode configurations and discharge properties

Siemens의 오존방전관에 더해서 다양한 전극구조들이 제안되었다. 다양한 구조들은 최소한 한개 이상의 유전체를 가지고 있다.

다양한 형태의 유전장벽방전 전극구조들은 volume discharge (a,b,c,d) 의 형태, surface discharge (e, f)의 형태가 존재한다. 유전장벽의 존재로 인해 dc 동작은 일어날 수 없다. 유전장벽으로 사용되는 유전체가 dc 전류가 흐르는 것을 막기 때문이다. [유전체 또는 절연체의 본래 용도는 전기가 흐르지 않도록 막는 것임을 생각하면 당연하다] 따라서 DBD방전을 위해서는 AC 또는 펄스형태의 동작만이 가능하다. 어떤 형태든 전압이 시간에 따라 변하기만 하면 (dU/dt) 변위전류(displacement current)가 유전체에 생겨나기 때문이다. DBD에서 전극사이 간격은 0.1 mm 에서 수 cm까지 가능하며 주파수는 line frequency 부터 microwave frequency까지 가능하다. 인가 전압은 100 V 부터 수 kV 까지 가진다.

2.6.3 Overall discharge parameters

모든 DBD 방전현태에서는 공통적인 특성이 있다. 대부분의 DBD에서 전류와 에너지의 소모는 수많은 microdischarges에 의해서 발생한다. 소모되는 에너지와 전류값은 [각각의 microdischarges에서 소모되는 에너지와 전류를 따지기도 하지만] 보통은 여러목적에서 평균적인 양을 고려한다. AC 전압이 DBD에 인가되는 경우 플라즈마 방전이 발생하는 구간과 (Gas gap 내부 전압이 가스를 방전시키기에 충분한 경우) 플라즈마 방전이 멈추는 구간(내부 전압이 가스를 방전시킬 수 없을때)이 순차적으로 반복된다.

그림을 보면 플라즈마 방전구간(2-> 3)과 방전이 멈추는 구간(3 -> 4)이 교대해서 발생한다. 주파수가 매우 큰 경우에는 전하 캐리어(Charge carriers)가 재결합하거나 반대전극으로 가기까지 충분한 시간이 없을 수 있다. 이 경우 전기 전도도는 전압의 모든 구간에서 유지된다. [플라즈마가 계속 켜진다는 의미] 전류전압 그래프 아래의 전압-전하 Lissajous 그림은 일반적으로 DBD 속성을 연구하는데 유용한 도구이다. 리사주 기법은 아주 큰 오존발생기부터 아주 작은 PDP cell에서 까지 유용한 분석법이다.

인가전압의 피크값이 (Vpp) 2Umin [Umin은 방전최소 전압]보다 작다면 가스갭사이에서 방전은 일어나지 않고 한줄의 충반전 직선이 나타난다. [플라즈마가 생기지 않을때 DBD는 커패시터와 동일하다] 방전이 생기지 않을때의 직선의 기울기는 전체 커패시턴스와 일치한다 : C_total = 1/tanα. 방전이 일어난 후에 기울기가 변화하게 되며 이때의 기울기는 dielectric barriers의 커패시턴스와 일치한다 : C_D = 1 / tanγ. 이런 전기적인 특성은 간단한 등가회로로서 묘사될 수 있다. 플라즈마의 방전은 제너다이오드로 묘사되며 이는 방전전압을 U_Dis로 제한한다. 방전전압 U_Dis는 플라즈마 방전이 일어날때의 평균적인 gap voltage이다.

방전전압은 가상의 값이지만 유용하며 이 값은 Lissajous 곡선에서 얻을 수있다. [실제 방전전압은 여러요소에 의해 바뀔 수 있으므로, 평균적이고 이상적인 값이라 fictitious라고 표현한거 같다.]

U_Dis = U_min / ( 1 + β )

β = C_G / C_D , C_G는 가스갭의 커패시턴스이고, C_D는 유전체의 커패시턴스이다. 커패시터는 직렬연결되어있으므로 1/C_total = 1/C_G + 1/C_D 으로 계산된다.

그림 2.6.4의 왼쪽그림과 같이 평행사변형의 예각이 잘 그려진다는 것은 모든 microdischarges들이 비슷한 특성을 가지고 있음을 나타낸다. 갭사이 전압이 U_Dis보다 작을때 microdischarges가 생기지 않는다. 인가전압이 U_Dis보다 크면 방전이 일어나다가 인가전압의 최대치(Vpp)에서 방전이 멈추게 된다. 그 이유는 Vpp에서는 dU/dt = 0 이므로 displacement current가 흐르지 않기 때문이다.

[에너지 구하는 식 생략]

Up = 2U_min 인 조건에서 유도를 진행하면 (방전이 일어나기 직전의 전압만 인가)

U_Dis = Up / 2(1+β) [어떻게 유도가 진행되는지 아직 이해가 안됨]

방전전압을 정확하게 진단하기 위해서 공부한 부분인데 왜 U_min = 1/2 Vp 일때를 생각하는지 잘 이해가 되지않아서 반쪽짜리 공부였다.