The atmospheric pressure corona plasma has been widely applied to various fields over the last century, and it is probably one of the most important discharge types in the industry. Yet, its physical and chemical properties have not been fully understood. Especially, the driving frequency effects on the corona discharge characteristics have seldom been investigated despite the fact that the driving frequency is one of the key parameters governing the plasma characteristics. Hence, in this thesis, dependence of the plasma characteristics on the driving frequency was explored from low frequency (LF: several tens of kHz) to radio frequency (RF: MHz) in a simple corona system of single pin electrode structure.
LF (5 - 75 kHz) corona jet plasmas were cylindrical shape of several tens of mm`s long when observed with naked eyes, but when viewed through time-resolved images, they exhibited positive streamer and negative glow for each half period. Interestingly, multi-streamers consisting of two streamer heads were observed unlike the previous reports. The initial streamer appeared when the input voltage was as low as 0 V, and we suggest that the space charge accumulated during the discharge of the previous period results in the appearance of the initial streamer in the next period based on various experimental measurements. The atmospheric pressure corona jet plasmas were also generated by RF (2 - 13.56 MHz). They showed several distinctive discharge characteristics compared to LF; first, the plasma length became shortened as the driving frequency was increased. Second, while the plasmas generated by the frequency under 2 MHz have different discharge modes for each half period, the negative glow and the positive streamer, the discharge was more continuous in time for the 13.56 MHz plasma. Third, it was inferred from the measured I-V curves that the higher driving frequency induced the higher discharge current. Finally, the gas temperature was increased as the driving frequency was increased.
Furthermore, upon considering the real circumstance, where actual plasma applications involve some kinds of target objects in front of the pin electrode, the pin to plane corona plasma properties were investigated with various targets. In addition, some application feasibility studies using the corona plasma were performed. To begin with, 50 kHz LF and 13.56 MHz RF plasmas were compared to assess the plasma bio-material surface treatments using a dielectric plate and a pork sample. It was found that the LF plasma is more appropriate for treating the electrically and thermally sensitive bio-materials due to its lower current and temperature and the longer plasma length. Hence, at 50 kHz LF, the plasma characteristics were investigated further by changing the plane electrode material and controlling two different kinds of experimental parameters. Then, a feasibility study for the plasma surface modification was performed.
From the experiments, it was concluded that each driving frequency regime has its own characteristics. Thus, the frequency mixing was attempted to generate a plasma having good features originated from each frequency. The mixing of two RF`s (2 MHz and 13.56 MHz) made the single pin electrode atmospheric pressure corona jet plasma longer in length and higher in the current density and the electron excitation temperature while keeping the gas temperature about the same when compared to the single frequency plasmas. Moreover, it was found that the dual frequency plasma has discharge modes of 2 MHz positive streamer, 2 MHz negative glow, and 13.56 MHz continuous glow. Summing up, the dual frequency resulted in a better corona plasma.
대기압에서 방전되는 코로나 플라즈마는 여러 분야에 광범위하게 응용되고 있는 중요한 플라즈마 종류 중 하나이다. 코로나 플라즈마는 기존에는 DC, 수십 kHz 이하의 LF (low frequency), 펄스 등을 이용하여 주로 발생되었으며, 최근 들어서는 생물 또는 의학 분야의 응용과 관련하여 13.56 MHz 등의 RF (radio frequency)에서도 발생되고 있다. 코로나 플라즈마는 활발한 응용에비해 물리적 특성 등에 대한 기초연구는 아직 많이 부족한 실정이다. 특히 플라즈마 발생을 위한 구동 주파수는 발생된 플라즈마의 특성을 결정 짓는 중요한 변수 중의 하나임에도 불구하고 현재 기본 플라즈마 특성을 구동 주파수에 따라 비교, 연구하여 특정 응용에 있어 어떤 주파수 영역이 더 효과적인지 제시하는 기본적인 조사가 충분히 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 학위논문에서는 동일 플라즈마 발생장치를 이용하여 여러 주파수 조건에서 발생된 대기압 코로나 플라즈마의 특성을 연구하였다. 먼저, 기존 방식의 LF 코로나 특성 연구를 바탕으로 구동 주파수 효과를 RF 영역까지 확대하여 조사하였다. 다음으로 실제 응용을 고려하여 다양한 표적 대상을 두고 플라즈마 특성 조사, 폴리머 표면 처리, 생체 적용 가능성 등에 관한 타당성을 조사하였다. 그리고 각 주파수의 장점을 극대화하기 위해 서로 다른 두 주파수를 섞어 플라즈마를 발생시킨 이중주파수 연구를 수행하였다. 실험에 이용한 플라즈마 발생장치는 타 연구에서와 비교하여 더욱 간단한 것으로 접지 전극이 없는 단일 핀 전극과 기체공급을 유도하기 위한 파이렉스 유리관으로 구성되어 있으며, 파이렉스 관의 반지름은 3 mm 그리고 구리 핀 전극의 반지름은 약 $360 \mum$ 로 발생된 플라즈마의 반경 또는 이와 비슷한 마이크로 제트 플라즈마 장치이다.
(5 - 75)~kHz에서 발생된 LF 코로나의 경우 시간 분해된 플라즈마 이미지를 통해 관찰한 결과 전극의 전압이 양일 때의 스트리머와 음일 때의 글로우 모드로 구성되어 있다. 공급해 주는 기체의 흐름과 동일한 방향으로 진행하는 스트리머의 특성 상 LF 플라즈마는 수 십 mm의 긴 원기둥 모양으로 발생되었다. 기존 연구에서와 달리 흥미롭게도 특정 운전조건 하에서 양 전압 주기의 방전 초기에 멀티 스트리머가 관찰되었다. 첫 번째 스트리머 헤드가 전극의 극성이 음에서 양으로 바뀌는 순간에 나타나고 유사한 초기 방전이 음 플라즈마에서도 관찰되는 사실로부터 첫 번째 스트리머는 직전의 음주기 동안 공간에 축적된 양전하에서 비롯된 것으로 조사되었다. 공간 전하가 플라즈마 발생과 관련이 있다는 관찰 결과는 플라즈마 앞에 부유 평판과 유전체 평판을 두었을 때에도 나타났다. 그리고 구리 핀 전극에 사각파, 사인파, 삼각파 등 다양한 전압파형을 인가했을 때 역시 공간전하가 많은, 즉 전압의 변화가 적은 사인파와 삼각파에서 플라즈마가 더 빨리 발생되어 오래 유지되었다. 또한 2 MHz와 13.56 MHz의 RF 영역에서 코로나를 발생시켜 앞의 LF 영역에서 발생된 코로나 플라즈마와 비교해 본 결과, 주파수가 증가함에 따라 플라즈마의 길이가 짧아지고(40 mm $\rightarrow$ 4 mm), 방전전압이 감소하며 (1100 V $\rightarrow$ 350 V), 방전전류(1 mA $\rightarrow$ 30 mA)와 기체온도($20\degC \rightarrow 40\degC$)가 증가하였다. 그리고 2 MHz 이하의 주파수 영역에서는 플라즈마가 양 스트리머 모드와 음 글로우 모드가 분리되어 존재한 반면 13.56 MHz 플라즈마에서는 시간적으로 연속적인 단일모드로 존재하였다. 이렇게 3.56 MHz 플라즈마가 더 나은 시간연속성을 가져 활용에 유리한 점이 있지만, 높은 에너지의 전자와 이온을 포함하는 스트리머 모드 역시 특정 응용에 매우 효과적일 수 있다. 그리고 서로 다른 플라즈마 방출 길이와 플라즈마 밀도 및 온도는 다양한 응용 분야에서 각각 장단점으로 작용할 수 있다. 예를 들어 저주파수의 길이가 긴 플라즈마는 울퉁불퉁한 표면을 처리하는 데 유리할 뿐만 아니라 전극과 처리대상 사이의 간격을 크게 둘 수 있어 플라즈마가 아크로 전이되는 문턱전류 값이 높아 전기적으로도 더 안정적이다. 그러나 밀도와 온도가 상대적으로 높은 고주파의 균일한 플라즈마가 더 높은 효율을 낼 수도 있다. 다음으로, 응용을 염두에 두고 단일 전극 플라즈마 소스 앞에 전극 지는 표적 물체를 두고 각 주파수의 플라즈마 특성과 응용 가능성을 살펴보았다. 그리고 유전체 및 전기적으로나 열적으로 민감한 생체 재료 처리에 더 적합하다고 판단되는 LF 코로나 플라즈마의 특성을 핀-평판 구조에서 자세히 살펴보았다. 마지막으로 각 주파수 영역의 특징들 중 장점만을 활용하기 위해 두 개의 서로 다른 주파수를 동시에 전극에 인가하여 플라즈마를 발생시켰다. 여러 조합 중 2 MHz와 13.56 MHz 주파수를 이용한 결과, 같은 전력에서 플라즈마 길이가 길어졌고 각 주파수에 해당하는 플라즈마 모드가 모두 공존하였으며, 전류밀도와 전자여기온도가가 증가하고 기체온도는 거의 같은 값으로 유지되었다. 결과적으로 주파수 섞음을 통해 더 좋은 방전 특성을 갖는 플라즈마를 발생시킬 수 있었다.
