α-and γ-mode discharge characteristics were studied in the helium capacitively-coupled plasma source. Previous studies mainly focused on low pressure cases, and only recently, the atmospheric pressure was considered. In this work, the plasma mode characteristics and the mode transition were examined from low pressure (100 Torr) to atmospheric pressure. The I-V characteristic curve was obtained from electric diagnostics, and excitation and rotation temperatures were measured from optical diagnostics. Furthermore, a dielectric material, alumina, was placed on the powered electrode, and its effects were investigated.
Under 300 Torr, the α-γ mode transition occurred smooth, and the two discharge modes coexisted after the transition. The hysteresis of the I-V characteristic curve was relatively small. On the contrary, above 500 Torr, the α-γ transition occurred abruptly, and only the γ -mode was remained after the transition. The excitation temperature, measured from optical diagnostics, increased from 1300 K to 2700 K at 300 Torr. From the temperature distribution for each mode, both excitation and rotation temperatures were high at the center and low at the sides for the α -mode and vice versa for the γ -mode. By inserting a dielectric material, the α -mode was sustained up to a higher voltage, and the mode transition was smooth even at the atmospheric pressure. Also, the α-mode did not disappear after the transition. After the transition, at the upper grounded electrode without the dielectric material, the plasma was same as the γ-mode, but at the bottom powered electrode with the dielectric material, the plasma was more like the α-mode.
본 연구는 대기압 플라즈마 방전에 많이 이용되고 있는 축전결합 방전장치를 이용하여 플라즈마에서 발생하는 두 가지 모드, 즉 알파-모드와 감마-모드의 특성을 살펴 보았다. 알파, 감마 모드는 오래 전에 연구되었으나 저압에서 방전된 경우였다. 최근에 대기압에서 알파-, 감마-모드에 대한 연구가 이루어졌다. 본 연구는 이러한 연구의 연장이며, 각각 모드의 정확한 플라즈마 특성을 연구하기 위하여 낮은 압력(100 Torr)에서 대기압까지 압력은 변화시키며 플라즈마 모드의 특성 및 알파-감마 전이 현상을 살펴보았다. 측정에는 전기적 측정을 통한 전류-전압 특성 곡선, 광학적 측정을 통한 여기온도와 회전온도를 측정하였다. 또한, 전극 사이에 유전체를 삽입함으로써 플라즈마의 변화를 관찰하였다.
압력의 변화에 따라 300 Torr이하에서는 알파-감마 전이가 부드럽게 일어나며, 감마-모드 전이 후에도 알파-모드 플라즈마가 같이 존재 하였다. 전류-전압 특성곡선에서도 상대적으로 작은 히스테리시스를 보였다. 그와 반대로 500 Torr이상의 영역에서는 알파-감마 전이가 급격하게 일어나며 전이 후에는 알파-모드 플라즈마는 완전히 사라지고 감마-모드 플라즈마만이 존재한다. 광학적 측정으로 구해진 여기온도에서도 300 Torr를 기준으로 1300 K에서 2700 K로 증가를 보였다. 각 모드의 온도분포를 구해본 결과 알파모드는 여기온도, 회전온도 모두 가운데가 높고 바깥부분이 낮은 분포를 보였으며, 감마-모드는 반대로 바깥쪽이 높은 반대의 분포를 보였다. 전극 사이에 유전체를 삽입함으로써 알파-모드는 좀 더 높은 전압에서도 유지되었으며, 대기압에서도 알파-감마 전이가 부드럽게 일어났다. 그리고, 감도 전이 후에도 알파-모드 플라즈마는 사라지지 않았다. 감마-모드에서 전극부분은 유전체가 없을 때와 같았지만 유전체 부분은 알파-모드와 같은 형태의 플라즈마가 형성되었다.
