Atmospheric Pressure Plasma Jet(APPJ) is a type of plasma source, which operates at atmospheric pressure and jets relatively low temperature effluent. Owing to its simple operational setup without vacuum system, it is regarded as a promising plasma source which can replace conventional low-pressure plasma sources for surface treatment. Many studies have investigated the operating parameters of APPJ. Most of them, however, pay little attention to the working distance(the distance between the jet exit and a target), because short working distance is desirable to minimize the de-excitation of the reactive species in the jet effluent; nevertheless, distant operation of APPJ is necessary in case that close operation is restricted by geometry. In this paper, effects of fluid dynamical characteristics of the plasma jet, especially on the jet length, are investigated. It is found that high flow rate of the feeding gas results in short jet length due to laminar-to-turbulent transition of the plasma jet; therefore, laminar plasma jet is suitable for distant operation. The laminar jet length is remarkably extended by even small modification of the nozzle exit geometry; short hollow cylinder is attached to the nozzle exit. A method, ‘injection of assisting gas’, is proposed in order to extend the laminar jet length, and it shows good result. The improved reactivity of extended laminar plasma jet is verified by measurement of contact angle after plasma surface treatment.
대기압 플라즈마 제트는 플라즈마원의 한 종류로서, 대기압에서 작동하며 비교적 저온의 제트를 분출한다. 진공 설비가 필요없는 단순한 작동 여건 덕택에, 표면처리에 사용되어왔던 기존의 저압 플라즈마원들을 대체할 것으로 기대되고 있다. 대기압 플라즈마 제트의 공정 변수에 관한 많은 연구가 있어 왔으나, 작동거리(제트 출구와 대상물과의 거리)에 대한 연구는 드물다. 이는 제트에 포함된 활성종의 비활성화를 최소화하기 위해 대기압 플라즈마 제트의 작동 거리는 짧을수록 좋다는 사실에 기인하지만, 그럼에도 불구하고 기하학적인 형상 등의 제한으로 지근거리에서의 작동이 어려울 때에는 원거리에서의 작동이 필요하다. 본 연구에서는 특히 제트의 길이에 초점을 맞추어, 유체역학적인 특성이 대기압 플라즈마 제트에 미치는 영향을 알아보았다. 플라즈마 가스의 유량이 높으면 층류-난류 천이에 의해 플라즈마 제트의 길이가 짧아지는 현상이 관찰되었는데, 이는 원거리에서의 작동에는 층류 플라즈마 제트가 적절함을 시사한다. 노즐 출구에 짧은 길이의 속이 빈 원통을 부착하는, 작은 기하학적 형상 변경에 의해서도 층류 플라즈마 제트의 길이는 현저하게 신장됨을 관찰하였다. 층류 플라즈마 제트의 길이를 더욱 신장시키기 위해 보조 가스를 주입하는 방안을 제안하였으며, 만족할 만한 결과를 얻었다. 신장된 층류 플라즈마 제트의 길이에 따른 반응성의 향상은 플라즈마 표면 처리 후에 접촉각을 측정하여 검증하였다.
