DUO-PLASMALINE 시스템이 지속 가능한 에너지 어플리케이션에 어떻게 전력을 공급하는지
모두는 건강한 행성에서 살길 원합니다! 모든 산업의 혁신가들은 더 깨끗한 미래를 위해 열심히 노력하고 있습니다. 무배출 자동차 배터리와 flexible 태양광 발전 패널 제조 관련 기술을 포함한 그린에너지의 효율성, 품질 및 확장성은 많은 발전 가능성이 있습니다. Muegge의 duo-plasma line 시스템은 개발자들이 표면 처리, 에너지 생산 및 저장 분야에서 적극적으로 수정, 및 개발할 수 있게 해줍니다. 본문에 전문가들의 설명이 duo-plasma line 시스템이 높은 radical 밀도, 높은 플라즈마 homogeneity를 취급하는 분야에서 어떻게 사용될 수 있는지 이해하게 도와줄 것입니다.
1. 균질한 혈장을 생성하는 중: 다른 시스템이
낮은 압력에 있는 마이크로 플라즈마 excitation은 마이크로파 내 전기장의 자유전자의 가속력에 의해 결정됩니다. 이상적으로, 가스가 이온화될 때 전자들은 서로 충돌하게 되고 중성 전자와 충전된 species는 눈사태 효과라는 것을 생성하는데 이는 결국에 플라즈마의 생성을 야기합니다. 이 과정에서 진공 챔버의 작동 압력은 매우 중요합니다: 저압에서 가속된 자유전자의 평균 자유 경로는 진공 챔버의 치수보다 상당히 짧고 주변 온도에서 중성자와 이온으로 특정 지어지는 비평형 플라즈마가 형성됩니다. 전자, 자유전자의 평균 자유경로가 진공 챔버의 치수 범위에 들어가도록 진공 챔버 내의 압력이 더욱 낮추면, 자유전자와 진공 챔버의 벽이 충돌할 확률이 많이 증가하며 플라즈마를 유지하고 변형하는데 필수적인 눈사태 효과를 억제합니다.
"잘못된 방식으로 압력을 감소시키거나 증가시키는 것은 혈장의 형성 또는 유지를 억제할 수 있다."
반면에 압력을 증가시키면 에너지가 중성자, 이온 같은 무거운 입자로 변하며 플라즈마가 열중성자화 되게 하고 그로 인해 플라즈마의 포용온도는 증가합니다. 반면에, 가스 흐름을 증가시켜 입자 밀도를 높이게 된다면 마이크로파 에너지를 일정하게 유지하면, excitation 에너지가 플라즈마를 유지하기에 충분하지 않게 될 것입니다.
일정한 압력에서 전자 밀도를 증가시키면 마이크로파 전달이 억제됩니다. 임계 밀도에서 마이크로파는 더 이상 플라즈마를 투과하지 못하고 반사되어 플라즈마가 전도성 벽과 같이 기능합니다.
N.B 임계 밀도는 전자파 주파수의 제곱에 비례합니다.
2. 생산성 향상 및 간편한 업스케일링 - Duo-Plasmaline이 해결책입니다.
위 내용의 원칙에 따르면, 많은 전자파 플라즈마 소스는 마이크로파 플라즈마에서 전형적으로 나타나는 높은 radical 밀도의 효율을 장점으로 사용한다 여겨졌습니다. 그러나 정제파의 형성 및 마이크로파의 진공 파장이 처리할 물질과 동일한 기하학적 치수를 가질 수 있다는 사실은 기판 표면의 불균일한 플라즈마 처리를 초래할 수 있습니다. 대형 기판에 대한 마이크로파 플라즈마 소스의 scaling-up은 중요한 과제입니다. Duo-plasma line 은 이러한 문제를 완벽하게 해결합니다.
3. 제품 품질 향상 - 동종 플라즈마를 위한 Duo-Plasmaline
Duo-plasma line은 저압 플라즈마 소스입니다. 플라즈마는 추가 자기장의 영향 없이 마이크로파 excitation에 의해서만 형성됩니다. 간단히 말하자면 Duo-plasma line은 마이크로파로부터 영향을 받은 역 형광성 튜브입니다: 동축선은 전공 배슬을 통해 장착됩니다. 즉 전자 전도 물질로 만들어지고 양쪽의 마이크로파에 의해 구동됩니다. 진공 배슬 안쪽에서, 외부 동축 도체는 유리, 석영, 세라믹으로 만들어진 유전관으로 교체됩니다. 유전관 안쪽은 대기압에 있고 외부 진공 배슬은10Pa 그리고 1000Pa 사이의 낮은 압력에 있습니다. 마이크로파는 유전관을 통과하여 진공 용기의 저압 영역으로 전파될 수 있습니다. 마이크로파의 전계 강도가 파괴 전계 강도를 초과하면 외부 동축 도체가 유전관으로 대체되는 Duo-plasma line의 양단 저압 영역에서 방전이 발화됩니다. Duo-Plasma line 양끝의 짧은 플라즈마 ’hoses’는 전기 전도성 매체이며 누락된 외부 동축 도체를 대체합니다. 마이크로파 출력이 증가함에 따라 플라즈마는 axially homogeneous가 형성될 때 까지 유전관을 따라 양쪽 끝에서 연장됩니다. -그림 1 참조
그림 1: Duo-Plasmaline 저압 마이크로파 플라즈마 소스[1] 주위에 형성된 축 동종 플라즈마
3 m 이상의 길이를 갖는 Duo-플라즈마린 주위에 축방향으로 균질한 저압 플라즈마의 형성은 단지 2.45 GHz 마이크로파 전력의 수 kW를 사용하는 응용에 대해 입증되었다.
4. 고성능 - Duo Plasmaline과 Plasma Array를 결합하여 매우 효율적인 표면 처리
2차원 plasma array 소스는 두 개 이상의 병렬 Duo-plasma line을 같은 거리에 배열할 때 생깁니다. Duo-plasma line이 축방향 균질 플라즈마를 제공하는 반면, 플라즈마 어레이는 크고 균질한 플라즈마를 생성합니다. 따라서, Duo-plasma line은 연속적인 인라인 공정에서 플라즈마 표면 처리에 바람직하게 사용되는 반면, Plasma Array는 연속 및 배치 공정에 적합합니다.
Duo-plasma line과 plasma Array는 비양성 마이크로파 플라즈마의 낮은 이온 에너지에서 높은 radical 밀도를 유지하기에 온도변화에 민감한 물질에도 매우 효율적인 표면 처리가 가능하게 해줍니다.
그림 2: 낮은 압력에서 플라즈마 어레이 마이크로파 플라즈마 소스에 의해 형성된 2차원 균질 플라즈마 [2].
5. 서피스 치수 사용자 정의 - 플라즈마 영역의 너비와 길이 확장성
기준척도 설계 덕분에 Plasma Array는 plasma array에서 duo-plasma line의 수와 길이를 구성할 때 보다 쉽게 기질의 차원에 적응합니다. 따라서 활성 플라즈마 면적은 폭과 길이로 크기를 조정할 수 있습니다.
그림 3: 표면의 저압 플라즈마 처리를 위한 4개의 Duo-Plasmalins로 구성된 플라즈마 어레이의 모식도(녹색으로 표시됨)
저압에서 플라즈마 표면 처리를 진행하는 공정 챔버에서 4개의 Duo-plasma lines들로 구성된 Plasma Array의 Schematic 은 그림3에 나와있습니다. 4개의 Duo-plasma lines들은 왼쪽과 오른쪽에서 마이크로파 에너지가 공급됩니다. 마이크로파 에너지는 양쪽에 있는 두개의 Magnetron-head에 의해 생성됩니다. 각 Magnetron-head는 power splitter를 통해 두개의 duo-plasma lines에 마이크로파 에너지를 공급합니다. 그림4는 6개의 Duo-plasma line을 포함한 plasma array이며 길이는 160cm입니다.
따라서 Silicon-Nitride로 태양 전지를 코팅하기 위해 150cm x 200cm의 plasma 활성 영역을 형성합니다.
그림 4: 6개의 Duo-Plasmalins로 구성된 플라즈마 어레이(Plasma Array)는 예를 들어 태양 전지의 생산에 사용되는 박막의 저압 플라즈마 증착(Low-pressure plasma deposition)을 위해 공정 챔버에 통합된다(Meyer Burger Germany의 제공)
6. 혁신적인 어플리케이션을 위한 개방형 가능성 - Duo-Plasmalines 및 플라즈마 어레이
박막의 증착 외에도, Muegge의 Duo-plasma line과 plasma arrays 소스는 표면 활성화, 식각, 세척 및 멸균과 같은 플라즈마 보조 표면 처리에도 사용됩니다. 현재 그리고 미래에도 이 흥미로운 기술은 지속 가능한 에너지 생산 및 저장을 위한 광범위하고 혁신적인 프로세스를 제공합니다.
저압에서의 비평형 마이크로파 플라즈마 공정에 대한 예시들로는 신규 리튬이온, 배터리용 실리콘 나노와이어의 증착, 글고 연료전지 기술에서의 표면 개조가 있습니다.
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참조
[1] A. Schulz, P. Büchele, E. Ramisch, O. Janzen, F. Jimenez, C. Kamm, J. Kopecki, M. Leins, S. Merli, H. Petto, F. R. Mendez, J. Schneider, U. Schumacher, M. Walker, U. Stroth, Contrib. Plasma Phys., 2012, 52, 607-614.
[2] M. Walker, A. Schulz: Duo-Plasmaline. [online] Homepage: University of Stuttgart, Institute of Interfacial Process Engineering and Plasma Technology (IGVP)
URL: https://www.igvp.uni-stuttgart.de/en/research/plasma-technology/sources/plasmaline/ [status: June 16, 2021].
