사일레인 플라즈마 내 나노입자의 성장 및 거동 분석과 자외선 조사를 통한 입자 제어

Abstract

본 논문에서는 플라즈마 내 티끌입자의 거동이해를 바탕으로, 실제 반응성 플라즈마 내 나노입자의 성장과 거동제어를 위한 연구를 수행하였다. 본 논문에서 구현한 나노입자의 진단법은 기존의 진단법에 비해 그 측정한게와 공간적인 측정범위가 개선된 것이었다. 이를 바탕으로 성장하는 나노입자에 자외선을 조사하여 입자 전하량 및 성장 속도가 제어될 수 있음을 보였다. 또한 나노입자들의 거동은 다양한 플라즈마 변수와 매우 밀접한 상관관계에 있음을 알 수 있었다. 먼저 직류(DC) 플라즈마 내 외부에서 크기를 알고 있는 티끌입자(직경 3.09μm)를 삽입하고, 입자의 진동운동이 플라즈마 내 전자온도, 전자밀도 등과 어떠한 상관관계가 있는 지를 조사하였다. 높은 방전전압의 경우 전자온도가 높았으며, 이 때 진동 스펙트럼의 비선형성이 매우 잘 나타났다. 수 μm입자에 대한 연구결과를 바탕으로 사일레인 플라즈마 내 발생돈 나노입자의 성장과 거동에 대한 연구를 수행하였다. 입자들의 성장은 고속 성장단계와 성장 둔화단계의 두 단계를 보였으며, 입자들이 정지해 있는 것이 아니라, 입자들의 위치가 시간에 따라 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이온끌이힘에 의해 입자들은 챔버벽으로 빠져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 이를 이론적으로 설명하기 위해 쌍극확산(ambipolar diffusion)모델을 적용하여 입자가 빠져나가는 부유 속도(drift velocity)를 계산할 수 있었고, 실험결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 사일레인 플라즈마 내 성장 입자에 자외선 조사 실험을 수행하였다. 렌즈를 이용하여 포커싱된 자외선 빛을 입자에 조사하여 입자의 광전효과를 유도하였으며, 이로 인한 입자의 전하량 변화와 성장 속도 증가를 확인할 수 있었다. 이를 통해 자외선 조사가 입자 성장 제어에 있어서 좋은 수단이 될 수 있음을 알 수 있었다. 자외선 조사에 의한 입자 성장속도 증가는 Lemons의 입자 엉김 현상 모델에 의해 잘 기술할 수 있었다. 엉김 현상 모델은 작은 초기 입자가 성장하는 입자에 붙으면서 입자가 성장하는 모델로, 본 논문에서는 엉김현상모델에 입자 전하량을 고려하여 수정된 엉김 현상 모델을 사용하였다.