1. 서 론

최근 플라즈마 기술은 반도체 제조 공정에서 필수적인 기술로 자리 잡고 있을 뿐만 아니라, 환경 개선, 농업 생산성 향상, 의료 기술 개발 등 다양한 산업 분야에 걸쳐 그 응용 범위가 확대되고 있다. 특히, 플라즈마의 물리적 특성과 발생 조건은 응용 분야에 따라 상이하게 요구된다. 예를 들어, 반도체 산업에서는 고정밀 공정을 위해 일정한 플라즈마 밀도와 낮은 온도가 필요하며, 환경 산업에서는 오염 물질을 제거하기 위한 활성종의 발생이 중요하다. 농업과 의료에서는 오존 발생량이나 플라즈마의 살균 효과와 같은 특성이 중시된다. 이러한 요구 조건들은 플라즈마를 생성하는 전극의 설계, 사용되는 가스의 종류, 그리고 전원 형태에 따라 크게 영향을 받는다^[1-4].

본 논문에서는 플라즈마 발생을 위한 펄스 전원을 새롭게 개발하고, 이를 다양한 형태의 전원과 비교 분석한다. 상용 신호 발생기와 증폭기를 이용하여 DC, AC, 그리고 펄스 전압 형태로 출력된 전원을 사용하여 실험을 수행하였고, 동일한 조건 하에서 플라즈마 발생 전압을 비교하였다. 개발된 펄스 전원은 에너지를 인덕터에 저장한 후, 오프닝 스위치를 통해 방전하는 구조를 가지며, 플라이백 컨버터 기반으로 설계되었다.

플라즈마 발생용 펄스전원 개발 및 전원(DC, AC, Pulse)에 따른 플라즈마 발생전압 비교실험에서는 동일한 전극을 사용하여 전극 간 거리를 미세하게 조정할 수 있는 지그를 제작하여, 1μm 단위로 정확한 거리 측정을 수행하였다. 전극 소재로는 알루미늄을 사용하였으며, 플라즈마 발생 시 유전체의 영향을 평가하기 위해 공기 중 실험과 유전체(Al₂O₃) 판을 삽입한 두 가지 조건에서 비교 실험을 진행하였다. 이러한 실험을 통해 각 전원 형태가 플라즈마 발생에 미치는 영향을 명확히 규명하고, 다양한 응용 분야에 적합한 플라즈마 시스템을 설계하는 데 필요한 기초 데이터를 제공하고자 한다.

2. 플라즈마 발생용 펄스전원 개발

2.1 펄스전원 설계

제안된 펄스 전원의 회로는 Fig. 1과 같다. 이 회로는 플라이백 컨버터를 기반으로 하며, 변압기(TR)와 스위치(Sflyback) 그리고 입력 커패시터(Cin)로 구성된다^{[5, 6]}. 구동 원리로는 스위치가 도통되는 동안 플라이백 회로와 동일하게 변압기의 인덕터에 에너지가 저장된다. 이후 스위치가 꺼지면, 저장된 에너지가 변압기를 통해 2차 측으로 전달된다. 이 과정에서 경로상의 인덕턴스와 커패시턴스의 공진에 의해 정현 반파 형태의 출력이 발생한다. 이때 출력 전압은 인덕터에 저장되는 에너지의 양에 비례하므로 스위치의 동작 시간에 의해 결정되며, 출력 전압의 반복률은 스위칭 반복률과 동일하다.

펄스전원의 설계 절차는 Fig. 2의 다이어그램과 같으며, 다음의 순서로 진행된다. 첫 번째로 전원의 용량에 맞는 변압기 코어를 선정한다. 이 때 코어의 단면적(Ae)에 대한 상세 계산은 이후 단계에서 이루어지며, 이 단계에서는 용량과 전원장치의 크기에 맞춰 코어를 선택한다. 이후 누설 인덕턴스(Llk)는 1차 권선의 길이에 따라 결정되며, 변압기의 효율을 고려하여 자화 인덕턴스(Lm)의 값은 그 값의 10배로 설계한다.

(1)

$A_{e}=\dfrac{L_{m}\times I_{Lm,\: peak}}{B_{sat}\times n_{p}}\Rightarrow I_{Lm,\: peak}=\dfrac{A_{e}\times B_{sat}\times n_{p}}{L_{m}}$

(2)

$E_{pulse}= E_{L}=\dfrac{1}{2}\times L_{m}\times I_{Lm,\: peak}^{2}$

(3)

$E_{pulse}=P_{avg}\times f_{\max}$

(4)

$N=\dfrac{V_{pulse}}{(V_{SW}\times 0.9-V_{"\in "})}=\dfrac{n_{s}}{n_{p}}$

자화 인덕턴스를 결정한 후, 수식 (1)을 통해 인덕턴스의 최대 전류값(ILm,peak)을 계산한다. 이때 자속밀도 포화값(Bset)은 일반적으로 사용되는 페라이트 코어 기준으로 0.35로 하며, 1차측 턴수(np)는 누설 인덕턴스를 최소화 하기 위해 1로 한다. 이후 스위칭 온 타임(Tg)과 자화인덕턴스 값을 이용해서 수식 (2)을 통해 변압기에 저장되는 에너지(Epulse)를 계산한다. 또한 입력 커패시터는 자화 인덕턴스에 저장된 에너지보다 커야 하므로 이를 기준으로 설계한다.

펄스 당 에너지를 구한 후 부하에서 요구되는 최대 주파수(fmax)의 곱인 식 (3)를 통해 평균 전력(Pavg)을 계산하며, 코어의 부피 당 손실을 데이터시트에서 확인한 뒤 코어의 손실이 평균 전력의 10% 이하가 되는 최적의 코어를 선택한다. 그 후 1차, 2차 권선을 선정 시 1차 측은 전류에 맞는 도체 두께, 2차 측은 전압에 맞는 절연을 고려하여 결정한다.

변압기의 턴 수는 수식 (4)을 통해 계산되며, 입출력 전압과 스위치의 정격 전압(VSW)에 의해 결정된다. 이는 스위치의 정격 전압이 높을수록 적은 턴 수로 높은 출력 전압을 만들 수 있다. 마지막으로 변압기의 권선이 코어에 맞게 제작 가능한지 확인한 후, 제어 회로와 연결하여 전체 설계를 완료한다.

Fig. 1. Circuit of the proposed pulse power supply

Fig. 2. Design flow chart of proposed pulse power supply

2.2 펄스전원 제작

설계절차에 따라 플라즈마 실험에서 요구되는 펄스전원을 제작하였다. 본 논문에서는 각 전원 별 0 ~ 10kV의 전압, 10kHz의 조건에서 플라즈마 발생 조건을 비교하기 위해 최대전압 10kV에서 10kHz 반복률 동작이 가능한 전원을 개발하였다. Fig. 3는 실제로 제작된 펄스 전원의 사진이며, 전원의 사이즈는 가로·세로·높이 62mm 이하로 제작되었다. Table 1을 통해 개발된 전원의 사양을 확인 할 수 있다. 이러한 사양은 실험에 필요한 고전압 및 고주파 특성을 충족시키며, 다양한 플라즈마 발생 실험에서 활용될 수 있다. Fig. 4는 개발된 펄스전원의 정격 파형이며, Fig. 5는 Pspice 프로그램을 통한 시뮬레이션 파형이다. 두 파형에서 볼 수 있듯이 출력전압은 동일한 동작으로 출력을 만들어냄을 확인 할 수 있었고, 펄스의 폭과 공진파형의 차이는 변압기 내부의 기생 성분(인덕턴스, 커패시턴스)에 의한 차이이다.

제안된 전원의 출력전압 및 펄스폭은 수식 (5)과 수식 (6)를 통해 계산할 수 있으며, 이는 Fig. 1에 나타난 회로의 기생 인덕턴스(Lm), 기생 커패시턴스(Cp), 그리고 부하의 커패시턴스(Cload)에 의해 결정된다. 또한 Isw,peak는 변압기에 저장되는 전류의 최대값인 ILm,peak과 같으며, 이는 플라이백 컨버터의 최대 전류와 같이 수식 (7)로도 계산 할 수 있다.

수식 (5)와 (6)에서 확인 할 수 있듯이, 출력 펄스전압의 크기와 펄스폭은 변압기의 자화 인덕턴스와 기생 커패시턴스, 그리고 부하의 커패시턴스에 의해 결정된다. 하지만 변압기의 자화 인덕턴스는 전원 제작 시 고정되는 값이며, 기생 커패시턴스는 수 pF이하의 작은 값으로 무시 할 수 있다. 따라서 출력 펄스전압의 크기는 부하의 커패시턴스가 작을수록 커지고, 펄스의 폭은 부하의 커패시턴스가 클수록 크다는 것을 알 수 있다.

본 논문에서는 상용 신호 발생기와 증폭기를 통해 만들어진 50μs의 펄스폭을 갖는 전원과 비교하기 위한 짧은 폭의 펄스전압이 요구된다. 따라서 변압기의 1차 측 권선을 단일 턴으로 제작하여 자화 인덕턴스를 최소화 후 제작된 지그의 커패시턴스와의 계산을 통해 500ns 이하의 펄스 폭을 유지하며 실험을 진행하였다. 펄스전압의 크기는 스위칭 온 타임을 이용하여 조절하였다.

(5)

$V_{pulse,\: peak}= Z_{r}\dfrac{I_{sw,\: peak}}{N}=\sqrt{\dfrac{L_{m}}{C_{p}+C_{load}}}\times I_{sw,\: peak}$

(6)

$T_{pulse}=\dfrac{T_{r}}{2}=\pi N\sqrt{L_{m}\times(C_{p}+ C_{load})}$

(7)

$I_{sw,\: peak}=\dfrac{V_{"\in "}}{L_{m}}\times T_{g}$

Fig. 3. Picture of the proposed pulse power supply

Fig. 4. Waveform of the proposed pulse power supply

Fig. 5. Simulation waveform of the proposed pulse power supply

Table 1. Secification of proposed pulse power supply

Specification	Value
Input voltage, Vin	5 ~ 15V
Output voltage, Vpulse	~ 10kV
Maximum power	50W
Pulse frequency	~ 30kHz
Switch, SW	C3M0065090J
Core of TR	PQ 107
TR Turns Ratio, N(np:ns)	60(1:60)

3. 플라즈마 실험용 지그 제작

플라즈마 생성 전압과 전극 간 거리의 상관관계를 분석하기 위해, 1μm 단위로 정밀하게 조정이 가능한 지그를 제작하였다. 전극은 전도성이 높고 내식성이 좋은 알루미늄 재질로 제작되었으며, 위쪽 전극에는 나사를 삽입할 수 있도록 나사선을 갖는 구멍을 뚫어 주었다. 나사는 마모를 최소화하면서 플라즈마 방전이 효율적으로 발생 할 수 있도록 둥근 형태의 캡너트를 체결하였다. 이를 통해 플라즈마가 원하는 위치에 집중될 수 있도록 하였으며, 필요시에는 여러 개의 캡너트를 동시에 연결할 수 있게 하였다..

전극 간의 거리 측정을 위해 전극과 캡너트의 접촉 지점을 영점으로 하고, 이로부터 떨어진 거리를 μm 단위로 측정하기 위한 거리 측정기(MITUTOYO, ID-C0550NXB)를 사용하였다. 유전체 사용 시에는 바닥 면의 전극 위에 유전체를 올려 두고 영점을 재측정하였다.

실험에 사용된 유전체는 절연율이 높고 고온에서 안정적으로 실험이 가능한 Al₂O₃를 사용하였다. 유전체의 사이즈는 전극과 동일한 크기(100 x 100mm)로 제작되었으며, 두께는 1mm이다. 제작된 지그의 사진은 Fig. 5이다. 전극 간의 거리는 Fig. 6의 빨간색으로 표시된 부분을 통해 mm 단위로, 최소 1μm까지 확인 할 수 있다. 실험에 사용된 유전체는 Fig. 7이며 사양은 Table 2를 통해 확인할 수 있다.

Fig. 6. Manufactured plasma experiment jig

Fig. 7. Al₂O₃ dielectric sheet

4. 실험결과

전원에 따른 플라즈마 발생전압을 비교하기 위해 0 ~ 10kV의 출력을 내는 DC, AC(square), AC(sine), 펄스(펄스폭 50μs)를 상용 신호 발생기와 증폭기를 이용해서 만들어냈다, 그리고 펄스 전원에서의 펄스폭에 따른 플라즈마 발생전압 변화를 확인하기 위해 개발된 펄스 전원(펄스폭 500ns)을 사용하였다. 이때, DC를 제외한 모든 전원의 반복률은 10kHz로 고정하였다. 또한 유전체의 유무에 대한 비교를 위해 일반 공기 중에서의 실험과, 앞서 언급한 유전체(Al₂O₃)를 전극 사이에 삽입한 실험으로 나누어 진행하였다.

공기 중 실험에서는 출력 전압의 최대값을 기준으로 1 ~ 5kV, 10kHz의 조건에서 진행하였으며, 각 전압에 따른 플라즈마 발생 전극 간 거리를 측정하였다. 결과는 Fig. 8에 나타나 있으며 그래프에서 확인할 수 있듯이, 개발된 짧은 펄스폭(500ns)의 전원을 제외한 모든 전원은 유사한 거리에서 플라즈마가 발생한 것으로 나타났다. 이는 파센커브 공식과도 일치함을 확인하였다. 이를 통해 짧은 펄스폭 전원을 사용할 경우, 공기 중에서 플라즈마 생성 시 다른 전원보다 더 높은 전압이 필요함을 확인할 수 있었다^[2].

유전체를 사용한 실험에서는 유전체에 전하가 축적하기 때문에 DC 전압으로는 플라즈마가 발생하지 않았으며, 출력 전압의 피크-피크 값에 따라 발생 거리가 결정되는 것을 확인하였다. 이에 따라 출력 전압의 피크-피크값을 기준으로 4 ~ 10kV, 10kHz 조건에서 실험을 진행하였으며, 그 결과는 Fig. 9에 나타나 있다. 이 실험에서도 개발된 펄스 전원(500ns)을 제외한 다른 전원들은 유사한 결과를 보였다. 그러나 개발된 펄스 전원을 사용할 경우, 동일한 전극 거리에서 비교적 낮은 전압으로 플라즈마가 발생함을 확인할 수 있었다^[7].

Fig. 8. Plasma generation voltage as a function of distance in air

Fig. 9. Plasma generation voltage vs. distance with Al₂O₃dielectric between electrodes in air

5. 결 론

본 논문에서는 플라즈마 발생용 전원(AC, DC, Pulse)에 따른 플라즈마 발생 전압의 차이에 대한 실험을 진행하였다. 사용 전원은 1 ~ 10kV, 10kHz로 진행하였으며, 짧은 폭의 펄스전압을 위해 플라이백 형태의 펄스전원을 개발하였다(10kV, 30kHz 사양). 실험은 공기 중과 유전체(Al₂O₃)를 이용한 두 가지로 진행하였으며, 공기 중에서는 DC, AC, 긴 폭의 Pulse가 더 낮은 전압에서 플라즈마를 발생시켰고 유전체를 사용하였을 때는 짧은 폭의 Pulse가 더 낮은 전압에서 플라즈마를 발생시켰다. 향후 연구 내용으로는 플라즈마 전원에 따른 플라즈마의 특성(발생 활성종, 오존 발생량 등)에 대해 추가 연구를 진행할 예정이다.