2.1 염류용액 방전의 전기적 특성

액체방전은 구동전압 인가 시 전극 근처에서의 강한 전기장이 발생하여 기포가 발생하는 초기 단계와 유전율이 상대적으로 작은 기포 내부에서 큰 전압강하에 의해 기포 근방의 액체 분자가 해리되고 전자가 증식되는 강한 방전 단계로 나누어지는 것으로 알려져

있다^(6,7). 그러므로 매 회 구동 펄스가 인가될 때 형성되는 기포의 위치와 크기에 따라 방전의 강도 및 형성 시간이 변화하게 되고, 또 방전의 물성을 실험적으로 측정하는 것을 어렵게 만드는 원인이 된다.

본 연구에서는 방전의 특성이 어느 정도의 범위에서 무작위로 나타난다고 가정하여 실험적인 측정값을 얻기 위해 평균값 (256회)을 취하여 전압과 전류 파형을 취하고 긴 노출 시간을 통해 방출광의 평균값을 측정하였다.

그림 2의 전측정된 측정파형을 보면, 저항이 없는 경우의 방전은 (각 그래프의 하부) 강한 방전이 형성된 후에도 작은 방전이 수 회 반복되는 것을 알 수 있다. 그러나 저항을 연결한 경우에는 방전 전류가 제한됨으로써 방전의 강도는 작아지지만 길게 지속되는 방전 형태로 바뀌는 것을 예상할 수 있다.

방전 매질에 관계 없이 방전 전압과 방전 전류의 형성 시간은 음극 물질의 이차전자 방출 특성에 크게 영향을 받게 되는데, 침대평판형 액체방전 구조에서는 침전극에 음의 펄스가 인가하는 것이 낮은 구동전압을 얻을 수 있다⁽⁸⁾. 표 1은 전원부 전단에 연결된 저항값을 0, 500, 1K [Ω]으로 조절하면서 침전극에 인가하는 펄스 전압의 극성을 변화시킬 경우, 본 연구에 사용한 실험장치에서 기포발생 단계를 지나서 광방출이 일어나는 안정적인 방전이 가능한 전압영역을 나타낸 것이다. 침전극에 인가하는 전압의 극성에 관계 없이 전원부 전단에 저항을 연결하면 방전전압은 증가하는데 방전의 특성을 측정하기 위한 방출광 관찰 조건은 표 1에 정리된 전압영역으로 하였다.

2.2 염류용액 방전의 온도 특성

그림 3은 150 [grooves/mm]의 회절격자 (grating)를 사용하여 측정한 염류용액 방전에서 방출되는 광을 측정한 것이다. 방전에서의 발생하는 주된 방출광의 파장은 그림에 표시된 것과 같이 310 [nm] 근처의 OH 분자선 (hydroxyl molecular lines), 468.13 [nm] 근처의 수소 발머 계열의 Hβ선, 그리고 589 [nm] 근처의 Na 원자선(atomic spectral line)이었다. 이 중에서 310 [nm] 근처에서 관찰되는 수산화기 분자선은 수산화기 라디칼(OH radical)의 회전온도(rotational temperature)에 사용하였다.

입자 회전 에너지의 증감은 전자들 간 또는 전자와 분자들 간의 충돌로 발생하는데, 비교적 높은 압력의 방전인 경우의 충돌주파수는 대단히 높아 회전-회전 에너지 간 또는 회전-병진에너지 간의 에너지 전달이 매우 활발하다. 즉, 압력이 높은 경우 자유전자로부터의 에너지나 진동 에너지가 회전 에너지나 병진 에너지로 분산되어 평형을 이루게 되므로 회전 온도를 측정할 수 있다면 방전 매질의 온도를 근사적으로 알 수 있다⁽⁹⁾.

분자의 경우에는 원자에 비해 에너지 준위가 복잡하여 각 에너지 준위간의 천이에서 방출되는 스펙트럼이 매우 복잡하지만, 에너지 준위 간의 천이 확률은 온도의 함수이기 때문에 주요 에너지 준위 간의 천이에서 방출되는 방출광의 비율을 계산함으로써 분자의 온도를 예측하는 방법은 잘 알려져 있다. 또한 방전 중에서 방출되는 광의 절대값은 동일한 실험장비에서도 매 회 다르게 측정되는데, 절대값이 아닌 여러 방출광 강도의 비율을 이용한 측정은 많은 경우에 유용하게 사용될 수 있다.

그림 4는 전원부 전단에 저항을 연결하지 않은 경우와 1K[Ω]의 저항을 연결한 경우, 침전극에 음의 펄스를 인가하여 방전시키면서 2400 [grooves/mm]의 회절격자를 사용하여 얻은 308 [nm] 근처의 수산화기 분자선 방출광을 예시한 것이다. 방출되는 분자선은 매우 복잡하고 저항이나 방전의 전압에 따라 크기가 달라지지만 주요한 방출광의 파장은 일정한 것을 알 수 있다. 그림에서 방출광은 전압별로 옵셋(offset)을 달리하여 보기 쉽게 도시한 것으로 본 연구에서 그 절대값은 의미가 없으며 상대값이 중요하다.

수산화기 분자선 방출광을 이용하여 온도를 구하는 문제는 이미 이론적으로 잘 알려져 있으며 상용 프로그램으로도 손쉽게 그 값을 구할 수 있다⁽⁸⁾. 본 연구에서는 OH 분자의 [$A^{2}\Sigma ,\: v=0\to X^{2}\Pi ,\: v’=0$] 천이에 의한 방출 스팩트럼을 이용하여 온도를 구하는 상용 프로그램인 LIFBASE를 사용했다⁽¹⁰⁾.

분자선 방출 파장 간의 비율을 통해 온도를 모사하는 경우, 실험적으로 얻어진 스펙트럼의 파장 별 감도에 대한 보정이 필요하다. 그러므로 LIFBASE를 이용한 온도 모사 전에, 측정된 방출광에서 염류용액을 담은 테플론 용기와 측정장비의 파장별 양자효율을 고려한 보정을 실시하여 방출광의 파장별 실제값을 구하였다⁽⁸⁾.

그림 5은 저항이 없이 침전극에 음의 펄스를 인가한 방전에서 얻어진 수산화기 분자선 스펙트럼을 이용하여 온도를 모사한 결과를 예시한 것이다.

침전극에 가해지는 펄스의 극성, 방전 전압, 전원 전단부의 저항을 변화시키며 얻어진 방출광에 대해 이 과정을 반복하면 그림 7과 같은 결과를 얻을 수 있다.

결과에서 주목할만한 것은 침전극에 음의 펄스가 가해진 경우에는 전원 전단부에 저항을 연결함으로써 방전부의 온도를 조절하는 것이 가능하지만 양의 펄스가 인가되는 경우에는 온도의 변화가 용이하지 않음을 알 수 있다. 본 연구에서 검토한 저항 변화 범위에서는 약 15% 정도의 온도 변화가 가능하며 저항의 삽입은 온도를 낮추는 효과를 준다.

2.3 염류용액 방전의 전자 밀도 특성

방전으로부터 얻어진 방출광은 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로의 천이에 의해서 나타나므로 에너지 준위를 정확하게 알면 그 파장은 정확히 계산할 수 있다. 그러나 실제 관찰되는 스펙트럼은 한 파장에서만 선 형태로 관찰되는 것이 아니고 광이 방출되는 환경을 반영하여 확장 (broadening) 되어 나타나게 된다^(11-12). 관찰된 스펙트럼에 나타나는 확장 현상에는 자연적인 선 확장 (Natural line broadening), 도플러 확장 (Doppler broadening), 스타크 확장 (Stark broadening) 등이 있다. 자연적인 선 확장은 여기종들의 유한한 수명에 기인하며 로렌쯔 형태 (Lorentz profile)를 가지지만 상용의 플라즈마에서는 항상 무시할 수 있는 요소이다. 그리고 도플러 확장은 (입자의 운동속도/광속)에 비례하여 가우스 형태 (Gauss profile)로 나타나므로 본 연구에서는 무시할만한 값이다. 스타크 확장은 입자의 밀도에 영향을 받아 나타나게 되는데 이온에 비해 상대적으로 속도가 큰 전자의 경우에서 교란을 받는 주파수 (perturbed frequency)가 크므로 주로 전자의 상태를 유추하는데 활용된다⁽¹¹⁾. 수소 원자선에서 주양자수가 2인 준위로 천이하면서 방출되는 발머 계열의 광은 가시광 영역에 존재하여 광학적 측정에 많이 활용되는데 천이 전 전자의 주양자수가 3, 4, 5인 경우를 각각 Hα, Hβ, Hγ 선이라고 하며 이들을 이용한 전자의 밀도의 측정은 많은 연구가 진행되었다. 본 연구에서는 Hβ 선의 스타크 확장을 이용하여 전자의 밀도를 유추하였는데 로렌쯔 형태로 나타나며 전자의 밀도가 $10^{18}[/cm^{3}]$ 이하의 플라즈마에서 적용되는 경우 계산에서 발생하는 오차는 5% 이하인 것으로 알려져 있다⁽¹²⁾.

스타크 확장을 이용하여 전자의 밀도를 측정할 때 실험적으로 얻어진 스펙트럼의 처리와 관련하여 주의할 점은, 얻어진 스펙트럼이 위에서 제시된 이론적인 확장만을 포함한 것이 아니라 실험장치의 구성 요소들이 미치는 기기 확장 (instrumental broadening)이 존재하며 이 값은 전자의 밀도와 무관한 값이므로 이를 제외한 값을 스타크 확장 값으로 취급해야 한다는 것이다.

본 연구에서는 그림 7에서와 같이 확장폭이 0.0001 [nm] 이하인 레이져 (DL-488-020-S, CrystaLaser, USA)를 사용하여 기기 확장값을 0.0636 [nm]로 결정하였다. 구해진 기기 확장에 의한 가우스 형태의 반치폭 (FWHM, Full Width at Half Maximum) $\alpha_{1/2,\:i n st}[nm]$과 함께 그림 8에서와 같이 구동 조건을 변화시키며 얻은 Hβ 방출광의 로렌쯔 근사 (Lorentz Fit)로 구한 반치폭 $\alpha_{1/2}[nm]$을 이용하면 도플러 확장을 무시한 경우 전자의 밀도를 아래와 같이 계산할 수 있다⁽¹³⁾.

스타크 확장으로부터 구한 전자의 밀도 그래프 그림 9로부터 액체 방전의 방전부에 존재하는 전자의 밀도는 침전극에 음의 펄스를 인가한 경우 $2.7\times 10^{16}\sim 4.1\times 10^{16}[/cm^{3}]$ 정도임을 알 수 있다. 침전극에 음의 펄스를 인가하는 경우에는 양의 펄스를 인가한 경우에 비해 전자의 밀도가 높게 나타났다. 또한 전원부 전단에 저항을 연결하면 본 연구에 사용한 조건에서는 약 20 %정도의 전자의 밀도 변화가 나타나는 것을 알 수 있다.