Information on electrons is particularly valuable in atmospheric pressure plasmas because most of the chemical reactions and discharge characteristics are governed by electron kinetics. Thus, in contrast to the heuristic approach by trial-and-error, accurate and sufficient data on electrons enable one to better understand and utilize the produced plasma. Despite the importance of electron information, diagnostics of electron properties, particularly electron density ($n_e$) and electron temperature ($T_e$) of low-temperature atmospheric pressure plasmas, e.g. capacitive glow discharge, is still challenging although there are some well-established diagnostics available such as laser Thomson scattering or other spectroscopic methods combined with complex plasma equilibrium models. For this reason, unexplained discharge phenomena and mechanisms still exist. Due to the lack of electron diagnostics, many authors who research atmospheric pressure plasma physics investigated basic principles using numerical models with relevant approximations. In this thesis, using electron diagnostics based on electron-neutral atom ($e-a$) bremsstrahlung in the ultraviolet and visible range, characteristics of atmospheric pressure capacitive discharge associated with electron properties is investigated. Since the spectral emissivity of the $e-a$ bremsstrahlung is determined by $n_e$ and mean electron energy representing Maxwellian electron energy distribution, their diagnostics is possible. Among the amount of different configuration for producing plasmas, radio-frequency (rf) capacitive discharge that is most widely used discharge type is selected because its simple geometry regarding as the one-dimensional problem make easy to interpret experimental results. In this plasma source, the influence of external parameters such as supplying gas, geometric parameters, driving frequency, and the background pressure on the electron properties are investigated, and then these parameters are categorized into two groups in terms of $n_e$ and $T_e$.
First of all, the gas dependence on plasma emission is figured out by supplying helium and argon. From emission spectra, it is noticed that $T_e$ in both cases are the same at 2.5 eV while $n_e$ in argon discharge is much larger than that in helium discharge. Spatiotemporally resolved measurements provide the fundamental electron properties of argon capacitive discharge. According to nanosecond-resolved spectra, $T_e$ is varied in the range 2.3 - 3.0 eV during one rf cycle whereas $n_e$ is not. Two-dimensional distribution of the time-averaged $T_e$ is demonstrated by using the combination of imaging devices and optical interference filters, and this result shows the electron heating structure in high collisional capacitive discharges. As expected, $n_e$ is linearly proportional to the discharge current and input power in abnormal $\alpha$-mode discharges, while $T_e$ is not affected; the rf input power is dissipated mainly for ionization for neutrals in high-collisional plasmas. It is also found that the dielectric material is not a decisive factor in determining electron properties in $\alpha$-mode discharge.
Two representative operation parameters in strong relevance to $T_e$ are the driving frequency (also called excitation frequency) and the gas pressure. Driving frequency is one of the most important parameters in low-temperature plasma operation due to its strong influence on reactivity and applicability of the plasma in processes such as etching or deposition. In comparison to the low-pressure plasma, the role of driving frequency, particularly dual-frequency, in electron and ion kinetics has not been much addressed in atmospheric pressure plasmas. The electrical characteristics and electron information of single- (4.52 MHz and 13.56 MHz) and dual-frequency (4.52$+$13.56 MHz) atmospheric pressure argon capacitive discharges were experimentally studied within the abnormal $\alpha$-mode regime. The results show that $n_e$ linearly increases with rf input power while $T_e$ is not influenced substantially in the single-frequency plasma. In contrast, independent control of time-averaged $n_e$ and $T_e$ was achieved in the dual-frequency plasma. As the low-frequency voltage increases with the constant high-frequency input power, $T_e$ decreases from 2.5 eV to 1.8 eV, whereas $n_e$ increases from $7.7\times 10^{11} cm^{-3}$ to $1.4 \times 10^{12} cm^{-3}$. In addition, the spatiotemporal evolutions of $e-a$ bremsstrahlung and $T_e$ are observed and clearlt show that the electron heating is noticeably diminished by the low-frequency voltage at certain phases. Another external factor that affect to electron properties significantly is the gas pressure. As the gas pressure deceases from 760 Torr to 200 Torr, the time-averaged $n_e$ increases from $7.5 \times 10^{11} cm^{-3} to 1.2 \times 10^{13} cm^{-3}$ while $T_e$ decreases from 2.5 eV to 1.2 eV at the same current density. As a spatiotemporal evolution of $n_e$ and $T_e$, the electron heating structure is changed with the gas pressure; $T_e$ increases uniformly throughout the plasma bulk region during sheath expansion and collapse at 760 Torr, but the electron heating with the sheath collapse weakens as the gas pressure decreases.
기존의 저압 플라즈마에 비해 여러 장점을 가지는 중간압력 플라즈마 및 대기압 플라즈마는 수년 전부터 다양한 형태로 이미 산업에서 많이 사용되고 있으며, 새로운 응용분야에 적용을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 모든 플라즈마 응용 연구들은 플라즈마가 가지고 있는 기본적인 특성에 따라서 좌우되고 나타나므로 예전부터 플라즈마 진단은 필수적으로 진행되어 왔고, 현재까지도 플라즈마 연구에 있어서 중요한 부분을 차지하고 있다. 일반적으로 플라즈마 내의 이온, 전자, 중성종 및 라디칼 등에 의한 여러 화학적 반응 및 물리적 반응은 전자로부터 시작되기 때문에 전자의 밀도와 온도는 아주 중요한 정보이다. 그러므로, 시행착오를 통한 발견적 해결방법과 달리 전자의 특성을 진단하여 플라즈마를 이해함으로써 이를 적절하게 최적화 및 응용할 수 있다. 하지만 보다 단순하면서 경제적인 전자진단법의 부재로 대기압 저온 플라즈마의 전자 특성에 대한 심도 있는 연구가 수행되지 못하였다. 따라서 본 학위논문에서는 전자-중성원자 제동복사(bremsstrahlung)의 측정을 통한 전자밀도 및 온도의 진단법을 소개하고, 대기압 축전 결합 플라즈마에서 관찰한 여러 가지 외부변수의 전자에 대한 영향을 분석하였다. 외부 변수에 따른 플라즈마 특성 비교/분석 연구는 선행되어 발표된 바 있으나, 정확한 전자 밀도 및 온도에 관한 이해는 아직 미흡하다. 제동복사 측정에 앞서 대기압 플라즈마에서 발생하는 여러 연속 방출광을 조사하였으며, 이들을 고려하여 측정된 방사율과 이론적으로 계산된 방사율을 정확히 비교하여 전자 밀도와 전자 온도를 추정하였다. 또한 2차원 전자 밀도 및 온도 분포를 측정 할 수 있는 측정법을 개발하여 본 학위논문을 위한 실험에 사용하였다. 이론상으로 전자-중성원자 제동복사의 분광 분포는 전자온도에 의해서만 결정되므로 정확한 두 파장의 제동복사 세기의 비는 전자 온도를 의미한다. 2차원 전자온도 분포를 측정하기 위해 촬상장치와 광학 필터를 사용하여 두 파장의 연속 방출광 세기와 그 비율로부터 전자 밀도 및 온도의 시공간적 분포를 정확히 측정할 수 있다.
방전 기체에 따른 플라즈마 특성을 비교하고, 다른 외부 변수 실험을 위한 방전 기체를 선결하고자 헬륨과 아르곤 플라즈마에서의 전자 온도 및 밀도를 얻은 결과, 전자 온도는 약 2.5 eV로 같았으며, 전자 밀도는 각각 $8.7 \times 10^{10} cm^{-3}$와 $6.3 \times 10^{11} cm^{-3}$ 로 나타났다. 기본적으로 헬륨 플라즈마의 경우 에너지 준위가 높은 준안정 원자 및 들뜬 이합체 ($He_2^{\ast}$) 로 인해 불순물 기체들이 쉽게 여기되거나 이온화되기 때문에 정확한 전자 온도 및 밀도 측정에 방해가 되는 다양한 불순물 방출광이 전 파장영역에서 관찰되며, 전자 밀도가 아르곤 플라즈마에 비해 상대적으로 낮게 나타난다. 또한 이로 인해 낮은 제동복사 방사율이 측정되므로 상대적으로 측정의 정확도가 낮다. 이러한 이유로 아르곤 플라즈마에서 외부 요인에 대한 전자특성 실험을 진행하였다.
전자 온도 및 밀도의 시공간적 분포를 통해 13.56 MHz 아르곤 플라즈마의 기본적인 전자 특성을 밝히고자 단색광기와 ICCD를 이용하여 시간 분해된 연속 방출광 스펙트럼을 얻었으며, 디지털 카메라와 광학 필터를 이용하여 시간 적분된 전자 온도 분포를 얻었다. 플라즈마 벌크 영역의 전자 밀도는 한 주기 동안 크게 변하지 않았지만, 전자 온도는 쉬스(sheath)의 움직임에 따라 2.3 eV에서 3.0 eV까지 변동하였으며, 플라즈마-쉬스 경계에서 시간 적분된 전자온도는 약 3.0 eV로 벌크영역의 2.5 eV보다 높게 나타났다. 이 결과는 기존의 수치적 연구결과와 일치한다.
기본 운전변수인 전력, 그리고 정상 글로우 모드 방전 영역을 넓히고자 흔히 사용되는 유전 장벽의 유전율에 따른 전자특성을 평가하였다. 아르곤 13.56 MHz 방전에서 전자밀도는 전력에 비례하여 일정하게 증가하였으나, 전자 온도는 전력에 영향을 받지 않고 2.5 eV로 일정하였다. 또한 유전체의 특성이 플라즈마 특성에 영향을 미칠 것이라는 기대와는 다르게 500 - 760 Torr 압력 범위내의 모든 글로우 방전에서 전자의 특성은 알루미나와 석영 모두 같게 나타났다. 하지만 서로 다른 유전율로 인한 방전 전압의 차이로 전력 효율 측면에서는 알루미나를 사용하는 방향이 바람직하다.
단일 주파수의 영향을 밝히기 위해 4 - 20 MHz 주파수로 플라즈마를 생성하여 역시 전자 밀도와 온도를 진단하였으며, 주파수가 증가함에 따라 방전 전압은 감소하고, 방전 전류는 증가함을 확인하였다. 충돌 지배적인 플라즈마에서 방전 전류는 전자밀도에 비례한다는 기존 사실과 같이 측정된 전자 밀도는 전류 밀도에 비례하였고, 주파수의 증가에 따라 허용 가능한 최대 전자 밀도가 증가하였다. 이는 주파수가 높아질 수록 전자의 진동폭이 감소하여 전자의 손실이 줄어든다고 해석할 수 있다. 위의 외부 변수들과 달리 이중 주파수, 기체 압력, 그리고 전극 간 거리는 전자 온도에 큰 영향을 주는 결과를 확인하였다. 이중 주파수(4.52 MHz + 13.56 MHz) 구동 플라즈마에서는 낮은 주파수 전압의 증가와 함께 시간 평균된 전자 밀도의 증가, 전자 온도의 감소가 관찰되었으며, 기체 압력이 760 Torr에서 200 Torr로 감소함에 따라 마찬가지로 전자 밀도의 증가, 전자 온도의 감소 결과를 얻었다. 시간 분해된 전자온도 분포에서 위의 두 제어변수의 변화에 의해 rf 한 주기 내의 특정 영역에서 전자온도의 제어 가능성 확인하여 분석하였다. 이는 이중 주파수 구동과 기체 압력 변화를 통한 전자 온도와 전자 밀도의 독립적인 제어가 가능함을 의미한다.