대기압 플라즈마와 응용

엄환섭,Uhm Han-Sup 한국진공학회 2006 Applied Science and Convergence Technology Vol.15 No.2

지표면에서 플라즈마는 전기방전에 의하여 만들어낸다. 그래서 대부분의 플라즈마 발생은 1백만분의 1기압보다 더 낮은 기압에서 발생하고 있었다. 그러나 많은 플라즈마 응용은 고기압에서 발생한 플라즈마를 요구하고 있다. 진공펌프와 같은 고가의 장비를 피하기 위하여 과학자들은 1기압이나 그이상의 압력에서 플라즈마를 발생하는 연구를 하기 시작했다. 많은 량의 제료 공정, 환경보호와 개선, 그리고 고효율 에너지 창출과 이용 등의 분야에 플라즈마를 사용할 때에는 오직 더 많은 량의 플라즈마를 더욱 값싸게 만들 때에만 가능한 것이다. 우리는 따라서 고기압에서 플라즈마를 만들어내는 새로운 방법을 개발하고 이러한 플라즈마가 21세기 산업에 적용될 수 있는 새로운 기반을 구축하는 연구를 수행하고 있다. 이러한 기술은 미래의 재료 공정이나, 환경 그리고 에너지 분야에 지대한 영향을 미칠 것으로 생각한다. Plasmas can be made by electrical discharge on earth. Most of the plasmas on earth have been generated in low pressure environments where the pressure is less than one millionth of the atmospheric pressure. However, there are many plasma applications which require high pressure plasmas. Therefore, scientists start research on plasma generation at high pressure to avoid use of expensive vacuum equipments. Large-volume inexpensive plasmas are needed in the areas of material processing, environmental protection and improvement, efficient energy source and applications, etc. We therefore developed new methods of plasma generations at high pressure and carried out research of applying these plasmas to high tech industries representing 21 century. These research fields will play pivotal roles in material, environmental and energy science and technology in future.

Physical Mechanism of Light emission from Discharge Cells in the Plasma Display Panel

엄환섭,최은하,Uhm, Han-S.,Choi, Eun-H. The Korean Vacuum Society 2006 Applied Science and Convergence Technology Vol.15 No.6

플라즈마 디스플레이 패널은 양극과 음극사이의 방전공간을 가진 많은 방전 셀로 구성되어 있다. 네온과 제논가스로 채워진 이 방전공간에서 전기방전이 일어난다. 전자온도가 방전조건에 의하여 정해지며 이온도를 통하여 제논의 함량에 따른 방전전압을 이론적으로 계산할 수 있다. 방전 셀 내의 플라즈마가 147 nm와 173 nm의 극자외선을 방출하고 이 자외선들은 형광물질을 여기하여 가시광선을 방출한다. 이러한 모든 과정에 대한 물리적인 메커니즘의 모델을 만들고 실험에서 측정된 데이터와 모델이 예시하는 결과를 비교한다. 실험 데이터는 이론 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 관찰할 수 있다. PDP의 방전과 동작을 더욱 개선하기 위하여 새로운 물질이 필요하고 더 좋은 셀 구조가 요구된다. The plasma display panel is made of many small discharge cells, which consist of a discharge space between the cathode and anode. An electrical discharge occurs in the discharge space filled by neon and xenon gases. The electron temperature is determined from the sparking criterion, which theoretically estimates the electrical breakdown voltage in terms of the xenon mole fraction. The plasma in the cell emits vacuum ultraviolet lights of 147 nm and 173 nm, exciting fluorescent material and converting VUV lights to visible lights. The physical mechanisms of all these processes have been theoretically modeled and experimentally measured. The theory and experimental data agree reasonably well. However, new materials and better configuration of cells are needed to enhance discharge and light emission efficiency and to improve the PDP performance.

플라즈마를 이용한 물 분해 및 수소 제조

엄환섭(Uhm Han Sup),강정구(Kang Jung Goo),홍용철(Hong Yong Cheol) 한국에너지학회 2003 한국에너지공학회 학술발표회 Vol.2003 No.-

Physical Mechanism of Light emission from Discharge Cells in the Plasma Display Panel

Han S. UHM(엄환섭),Eun H. CHOI(최은하) 한국진공학회(ASCT) 2006 Applied Science and Convergence Technology Vol.15 No.6

플라즈마 디스플레이 패널은 양극과 음극사이의 방전공간을 가진 많은 방전 셀로 구성되어 있다. 네온과 제논가스로 채워진 이 방전공간에서 전기방전이 일어난다. 전자온도가 방전조건에 의하여 정해지며 이온도를 통하여 제논의 함량에 따른 방전전압을 이론적으로 계산할 수 있다. 방전 셀 내의 플라즈마가 147㎚와 173㎚의 극자외선을 방출하고 이 자외선들은 형광물질을 여기하여 가시광선을 방출한다. 이러한 모든 과정에 대한 물리적인 메커니즘의 모델을 만들고 실험에서 측정된 데이터와 모델이 예시하는 결과를 비교한다. 실험 데이터는 이론 결과와 비교적 잘 일치하는 것을 관찰할 수 있다. PDP의 방전과 동작을 더욱 개선하기 위하여 새로운 물질이 필요하고 더 좋은 셀 구조가 요구된다. The plasma display panel is made of many small discharge cells, which consist of a discharge space between the cathode and anode. An electrical discharge occurs in the discharge space filled by neon and xenon gases. The electron temperature is determined from the sparking criterion, which theoretically estimates the electrical breakdown voltage in terms of the xenon mole fraction. The plasma in the cell emits vacuum ultraviolet lights of 147 ㎚ and 173 ㎚, exciting fluorescent material and converting VUV lights to visible lights. The physical mechanisms of all these processes have been theoretically modeled and experimentally measured. The theory and experimental data agree reasonably well. However, new materials and better configuration of cells are needed to enhance discharge and light emission efficiency and to improve the PDP performance.

유전체장벽 방전구조의 비접촉식 저온 대기압 면방전 플라즈마를 이용한 빵곰팡이의 살균효과

유영효,엄환섭,박경순,최은하,Ryu, Young Hyo,Uhm, Han Sup,Park, Gyung Soon,Choi, Eun Ha 한국진공학회 2013 Applied Science and Convergence Technology Vol.22 No.2

본 연구에서는, 동시에 넓은 면적을 조사할 수 있는 형태의 유전체 장벽 방전을 이용한 대기압 면방전 플라즈마 발생장치를 이용하여 곰팡이의 살균 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 면방전 플라즈마 발생장치의 파워는 사인파 교류전원을 이용하였으며, 1.4~2.3 kV의 방전전압을 가진다. 또한, 유전체 전기용량의 특성으로 인하여 전압과 전류의 위상차는 약 80도를 갖는다. 생물시료에 미치는 온도의 영향은 공랭식 쿨러를 사용하여 유전체의 열을 배출함으로써 최소화 하였으며, 시료의 온도는 온도측정장치를 사용하여 쿨러(Cooler) 작동 시 최대 10분간 플라즈마를 발생시켜도 37도가 넘지 않음을 확인하였다. 플라즈마에서 생성되는 활성종중 오존($O_3$)의 양은 플라즈마 발생부로부터 1 cm 이내에서 약 25~30 ppm이 측정되었으며, 150 cm 떨어진 지점에서도 5 ppm 정도 측정되었다. 그에 비해 일산화질소(NO)나 이산화질소($NO_2$)는 거의 검지되지 않음을 확인하였다. 증류수 속에 담긴 빵 곰팡이 포자를 면방전 플라즈마 발생장치로 처리하였을 때, 포자의 발아율은 처리시간 및 출력파워가 증가함에 따라 급격히 감소하였으며, MTT (3-(4,5-dimethy lthiazol-2yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) 측정법을 통해 분석한 미토콘드리아 활성도도 처리시간과 출력파워에 비례하여 감소함을 보았다. 반면 포자를 Vogel's minimal 배양액에 넣고 플라즈마 처리를 하면, 앞의 실험과 달리 살균효과가 미비함을 보였는데, 이를 통해 포자를 둘러싸고 있는 환경이 플라즈마의 살균효과에 영향을 미치는 것으로 보여진다. 본 연구를 통하여 유전체 장벽을 이용한 면방전 플라즈마 발생장치는 플라즈마 제트(jet)와는 달리 직접적인 접촉 없이도 미생물 살균이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이는 면방전 플라즈마 발생장치로부터 발생하는 활성종들이 곰팡이와 같은 미생물의 비활성화에 주요역할을 하기 때문이라고 본다. Sterilization of Neurospora crassa has been investigated in this research by using a surface air plasma with dielectric barrier discharged (DBD) structure under atmospheric pressure. The sinusoidal alternating current has been used in this experiment with discharge voltage of 1.4~2.3 kV. The phase difference between the voltage and current signals are found to be almost 80 degree due to the capacitive property of dielectric barrier. Temperature on the biomaterials has been minimized by radiating the heat with the air cooling system. It is noted that the substrate temperature remains under 37 degree for plasma exposure time of 10 minutes with operation of cooler system. It is found that the ozone, $O_3$, has been measured to be about 25~30 ppm within 1 cm region and to be about 5 ppm at the 150 cm downstream region away from the suface plasma. It is also noted that the nitric oxide, NO, and nitric dioxide, $NO_2$, are not nearly detected. Germination rate and mitochodrial activity of Neurospora crassa immersed in the deionized water have been found to be drastically decreased as the plasma treatment time and its electrical power are increased in this experiment. Here, the mitochondrial activity has been analyzed by MTT (3-(4,5-dimethy lthiazol-2yl)-2,5-diphenyl-2H-tetrazolium bromide) assay. However, sterilization of Neurospora crassa immersed in the Vogel's minimal media has been found to be low by plasma treatment, which is caused by surrounding background solution. This research shows the sterilization possibility of Neurospora crassa by using the noncontated surface DBD plasma, which is different from the plasma jet. This is mainly attibuted to the reactive species generated by the surface plasma, since they play a major role for inhibition of micobes such as Neurospora crassa.

아음속 풍동을 이용한 구조물 형상 변화에 따른 살리실산메틸 확산 유동 연구

홍창기(Chang-Ki Hong),엄환섭(Han-Sup Uhm),최승기(Seung-Ki Choi),김윤제(Youn-Jea Kim) 한국유체기계학회 2014 한국유체기계학회 논문집 Vol.17 No.6

AC-PDP에서 저압의 높은 Xe함량 방전기체의 진공자외선 발광특성

손창길,김성환,정승호,한용규,엄환섭,최은하,Son, C.G.,Kim, S.H.,Jung, S.H.,Han, Y.G.,Uhm, H.S.,Choi, E. H. 한국진공학회 2009 Applied Science and Convergence Technology Vol.18 No.2

Nowadays, many research groups try to achieve the high Xe mole fraction discharge gas for high efficiency in AC-PDPs. However, the high Xe mole fraction discharge gas causes the high discharge voltage, which is a serious problem in AC-PDP's for high efficiency. In this study, the discharge gas with high Xe mole fraction and the low pressures has been applied and it's discharge voltage and vacuum ultraviolet emission characteristics have also been measured. It is shown that the discharge voltage is 354V and 389V at Ne+Xe (15%) with 400 Torr and Ne+Xe (30%) with 200 Torr, respectively. Their vacuum ultraviolet emission characteristics have similar characteristics to each other, in which their wavelengths are ranged from 140 nm to 200 nm. It is found in this experiment that the luminous efficiency for the discharge gas of Ne+Xe (30%) with 200 Torr is drastically increased by about 30%. 최근 3전극 면방전형 AC-PDP 효율 향상을 위해 높은 Xe 함량비의 방전기체에 대한 연구가 수행되고 있으나, Xe 함량의 증가로 인한 방전전압의 상승 문제는 여전히 해결되지 못한 실정이다. 본 연구에서는 높은 Xe 함량을 가지는 저압의 방전기체를 사용하여 기존 고압(400 Torr 이상)의 방전기체와 방전특성을 비교분석하고, 특히 진공자외선 발광특성을 분석하였다. 실험결과 Ne+Xe (30%) 200 Torr 방전기체와 Ne+Xe (15%) 400 Torr 방전기체의 방전 개시전압은 각각 354V 와 389V 로서, 방전 개시전압은 35V 정도 낮아졌으나, 140nm$\sim$200nm 영역의 진공자외선의 방출량은 유사한 경향을 보임으로써 결과적으로 Ne+Xe (30%) 200 Torr 방전기체의 진공자외선 발광효율이 약 30%, 증가됨을 확인할 수 있었다.

γ-FIB 시스템을 이용한 산소 유량 변화에 따른 산화인듐주석 박막의 특성 연구

김동해,손찬희,윤명수,이경애,조태훈,서일원,엄환섭,김인태,최은하,조광섭,권기청,Kim, D.H.,Son, C.H.,Yun, M.S.,Lee, K.A.,Jo, T.H.,Seo, I.W.,Uhm, H.S.,Kim, I.T.,Choi, E.H.,Cho, G.S.,Kwon, G.C. 한국진공학회 2012 Applied Science and Convergence Technology Vol.21 No.6

본 연구는 RF 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 산소유량 변화에 따라 증착된 ITO 박막 구조적, 전기적, 광학적 특성을 분석하였다. ITO (Indium Tin Oxide) 박막은 $1.0{\times}10^{-3}$ Torr의 공정 압력과 2 kW 및 13.56 MHz의 RF 전력, 1,000 sccm의 Ar 가스 조건하에 0~12 sccm의 $O_2$ 가스 유량을 변경하면서 증착하였다. 광투과율 측정은 적분구를 이용하였으며, 측정 파장 범위는 300~1,100 nm이다. 4-point probe를 이용하여 면저항을 측정하였으며, Hall Measurement System을 이용하여 비저항, 캐리어 농도 및 전자이동도를 측정하였다. Scanning electron microscope 장비를 이용하여 ITO 박막 표면을 분석하였고, 박막의 거칠기는 Atomic force microscope을 이용하여 측정하였다. ${\gamma}$-Focused ion beam system을 이용하여 ITO 박막의 이차전자방출계수를 측정하였으며, 이차전자방출계수 값으로 Auger neutralization mechanism 분석법을 이용해 ITO 박막의 일함수를 결정하였다. 3 sccm의 산소 유량에서 증착된 ITO 박막의 비저항은 약 $2.4{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$로 가장 좋았으며, 광학적 특성 또한 84.93% (Weighted average)로 가장 좋은 것을 확인할 수 있었다. 이 조건에서 이차전자방출 계수가 가장 높았고 일함수는 가장 낮은 경향의 일치함을 확인하였다. Indium Tin Oxide (ITO) thin films were prepared by RF magnetron sputtering with different flow rates of $O_2$ gas from 0 to 12 sccm. Electrical and optical properties of these films were characterized and analyzed. ITO deposited on soda lime glass and RF power was 2 kW, frequency was 13.56 MHz, and working pressure was $1.0{\times}10^{-3}$ Torr, Ar gas was fixed at 1,000 sccm. The transmittance was measured at 300~1,100 nm ranges by using Photovoltaic analysis system. Electrical properties were measured by Hall measurement system. ITO thin films surface were measured by Scanning electron microscope. Atomic force microscope surface roughness scan for ITO thin films. ITO thin films secondary electron emission coefficient(${\gamma}$) was measured by ${\gamma}$-Focused ion beam. The resistivity is about $2.4{\times}10^{-4}{\Omega}{\cdot}cm$ and the weighted average transmittance is about 84.93% at 3 sccm oxygen flow rate. Also, we investigated Work-function of ITO thin films by using Auger neutralization mechanism according to secondary electron emission coefficient(${\gamma}$) values. We confirmed secondary electron emission peak at 3 sccm oxygen flow rate.

A Study on the Methyl Salicylate Dispersion in the Vicinity of Obstacles by Wind Tunnel Test

Chang-Ki Hong(홍창기),Han-Sup Uhm(엄환섭),Seung-Ki Choi(최승기),Youn-Jea Kim(김윤제) 한국유체기계학회 2013 한국유체기계학회 학술대회 논문집 Vol.2013 No.11

전자파 플라즈마 토치를 이용한 이산화탄소와 메탄의 Syngas 합성

신동훈(Dong Hun Shin),홍용철(Yong Cheol Hong),엄환섭(Han Sup Uhm) 한국에너지학회 2004 한국에너지공학회 학술발표회 Vol.2004 No.-

Carbon dioxide (CO₂) and methane (CH₄) are two major greenhouse gases. CO₂is a stack gas of many industrial processes and the main product of the hydrocarbon combustion. There is recent research interest on the synthesis gas (syngas) formation from CO₂and CH₄via the following reaction: CH₄+ CO₂-> 2H₂+ CO, in order to reduce the greenhouse effects and to synthesize various chemicals, Preliminary experiments were conducted on the conversion of CO₂and CH₄to syngas by making use of a microwave plasma torch at atmospheric pressure. Conversion rates of CO₂and CH₄to hydrogen (H₂), carbon monoxide (CO) and higher hydrocarbons were investigated using Gas Chromatography (GC) and Fourier Transform Infrared (FTIR). The experimental data indicate that the main products were H₂, CO and small amount of higher hydrocarbons, such as ethylene (C₂H₄).