대기압 플라즈마 제트의 기체 유량에 대한 방전 특성

Abstract

대기압 플라즈마 제트 장치의 유량 변화에 대한 플라즈마 방전 특성을 실험적으로 조사하고 이를 유체역학적으로 해석하였다. 유리관에 주입되는 아르곤 기체의 유량 변화에 대한 레이놀즈 수(Re)로 결정되는 기체 흐름의 형태 변화와 베르누이 정리에 의한 압력 변화가 플라즈마 발생에 영향을 준다. 유리관 내부에 발생하는 플라즈마의 길이 변화의 실험을 통하여, 아르곤 기체에 대한 레이놀즈 수가 Re<2,000이면 층류이고, Re>4,000이면 난류가 형성된다. 이는 일반 유체에서 알려진 결과와 일치한다. 층류에서 유량의 증가로 플라즈마의 길이가 증가한다. 층류와 난류의 전환 영역에서 플라즈마의 길이는 줄어든다. 난류 영역에서는 방전 기체의 흐름이 불규칙함으로서 방전 경로가 흐트러져 플라즈마 칼럼의 길이가 매우 짧아지고 급기야 플라즈마가 소멸된다. 층류에서 주입 유량의 증가로 유리관 내의 유속이 증가하면, 베르누이 정리에 의하여 유리관 내부의 압력이 낮아진다. 관내의 압력이 낮아지면, 파센 법칙에 의하여 관내의 전기장의 세기가 증가하여 방전 전압이 낮아진다. 따라서 주입 유량이 증가하면, 동일한 구동 전압에서 유리관에 발생하는 플라즈마의 길이는 길어진다. 층류의 방전은 유리관 밖에서도 층류의 흐름이 일정 길이로 유지되므로 시료 표면에 조사되는 플라즈마 빔의 직경은 유리관의 직경 이하로 유지된다. The influence of gas flow on the plasma generation in the atmospheric plasma jet is described with the theory of hydrodynamics. The plasma discharge is affected by the gas-flow streams with Reynolds number (Re) as well as the gas pressure with Bernoulli's theorem according to the gas flow rate inserted into the glass tube. The length of plasma column is varied with the flow types such as the laminar flow of Re<2,000 and the turbulent flow of Re>4,000 as it has been known in a general fluid experiments. In the laminar flow, the plasma column length is increased as the increase of flow rate. Since the pressure in the glass tube becomes low as the increase of flow velocity by the Bernoulli's theorem, the breakdown voltage of plasma discharge is reduced by the Paschen's law. Therefore, the plasma length is increased as the increasing flow rate with the fixed operation voltage. In the transition of laminar and turbulent flows, the plasma length is decreased. When the flow becomes turbulent as the flow rate is increasing, the plasma length becomes short and the discharge is shut down ultimately. In the discharge of laminar flow, the diameter of plasma beam exposed on the substrate surface is kept less than the glass diameter, since the gas flow is kept to the distinct distance from the nozzle of glass tube.