atomic structure rutherford model of atom : ~largely empty space : nucleus & electrons electron...
TRANSCRIPT
Atomic Structure
• Rutherford model of atom : ~largely empty space : nucleus & electrons• Electron orbits - distance of closest approach : r=Ze2/4πεoK
- condition for a dynamically stable electron orbit - total energy of atom must be negative E=-e2/8πεor
- atomic spectra & discrete energy level : each orbit corresponds to a different electron
energy : is characterized by quantum number n• Bohr’s atom - condition for orbit stability• Periodic table
Excitation & ionization phenomena
• Excitation by collision Electric field → electron + atom atom : absorbing kinetic energy & oscillating : excited to energy level above ground state : return to ground state in around 10-8sec : emitting one or more photons E2-E1=hγ
ex.) luminous discharge, neon signs, mercury-vapor lamps
• Excitation or Ionization by absorption of radiation ex.) lasers
Some important terms
• Electric Charge - electron, positive ion, negative ion• Quantity of electricity• Coulomb’s Force & Electric Field Intensity• Potential & Energy• Polarization & permittivity(dielectric constant) - vacuum & air : r=1, plastic r=2~3,
- glass : r=5~10, BaTiO3 r =1200, mica r =6
• Transverse Electromagnetic wave• Excitation & Ionization phenomena• Work function
Bond types
• Ionic bonds : electrostatic energy, ionic crystal NaCl• Metallic bonds : electrostatic energy : difference in positions of charges with ionic bonds : electrons are highly mobile• Covalent bonds : more than two protons are kept together by two electrons : to appeal to the atom’s desire to have fill its shell• Van der Waals bond : attractions between two atoms : average attractive force with two different directions of dipole moment
• Hydrogen bonds : difference in the attracting power between H2
& other atoms
The essentials of electron
• Electron as a wave - time independent Schrodinger’s equation - wave length λ - frequency γ• Electron as a particle - mass of 9.1x10-31[kg] - electric charge of -1.602x10-19[C]
Collision cross section & Mean free path(1)
• Thermal velocity of particle 1 & 2 : vT1, vT2
• Relative velocity • Collision frequency of particle 1 with particle 2 : radius and velocity of particle 1 → r1+r2, v12
: radius of particle 2 → 0
= number of particle 2 per unit volume
• Collision cross section Q12=π(r1+r2)2
• Collision frequency f12=Q12v12n2
• Moving distance of particle 1 during unit second : vT1
22
2112 TT vvv
222
21
221
1
21212
1
12
112
1
)( nvvrr
v
nvQ
v
f
v
TT
TTT
Collision cross section & Mean free path(2)
22212
112
212222121212
22
22112
122
2112
1
)(
nrf
v
nvrnvQf
rrrQ
vvvv TTT
If, r1≪r2, v1≫v2
2424
242424
24
2
,4
12
1121
1
11
111
112
2211
21212111111
111
2111
nvr
v
f
v
vv
fnrv
nvrnvQf
vv
rQ
T
TT
T
if, the same gases & velocity
Elastic Collision(1)• Law of conservation of energy
• Law of conservation of momentum
• From above two equations
• If the energy of particle 1 before collision E1, the energy of particle 2 after collision can be expressed as follows.
Elastic Collision(2)
• Velocity of particle 1 after collision
• Energy transfer rate : increases with increase in m1
: role of ion at sputtering
m1>m2 Particle 1, 2 : same direction & different direction
m1<m2 Particle 1, 2 : different direction : sharing of kinetic energy & mometum
m1≪m2 V1 ≒ -v1, V2 ≒ 0
m1=m2 V1 = 0, V2 = v1
Inelastic Collision(1)
• The kinetic energy can not be conserved before and after collision.
• If the increment of internal energy : u • equations to the energy and momentum before and after
collision are
• the velocity of particle 2 after collision
• Substituting this equation into the equation for momentum
• maximum value of U is
Inelastic Collision(2)
V1 satisfying this equation equals 0
and then,
Maximum of U
changes by the factor of m2/m1+m2 to the energy of particle 1 before collision
Elastic collision Um<Minimum internal energy of particle 2Ex.) sputter : elastic collision of ion to atom : maximum transfer rate of energy
m1≪m2 : electron vs. atom
Kinetic energy → internal energy of molecule → excitation & ionization
Ionization Realization of Um of atom
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
E∞E4
E3
E2
E1 : ground state
Paschen (infrared)
Balmer series (visible)
Ryman series (ultraviolat) Absorbed energy u > E2 – E1 : E1 → E2 u > E3 – E1 : E1 → E3 u > E∞ – E1 : ionization
• atom in excited state → ground state : Ryman, Balmer, Paschen ∙∙∙
: lost energy △ w =hν → a single photon of light ν : frequency
• resonance voltage/ or. radiation voltage : minimum value of gas molecule or atom which can absorbe by internal energy
• metastable atom
Free electron theory of metals
• Generation mechanisms of electrons - Ionization by electron collision with neutral atoms and
ions - Ionization by ion collision with neutral atoms - Collision ionization of photon irradiation
- Ionization of metastable atom
• Electron Emission Processes - Thermionic emission : Rechardson-Dushmann Equation J=AT2exp(-eΦ/kT) - Photoelectric effect - Secondary Electron Emission - Schottky effect(by strong electric field) : reduction in the effective value of the work function - Cold cathode emission → tunnel effect
Basic phenomena of gas discharge(1)
Basic phenomena of gas discharge(2)
Various Discharges
• Gas discharge
• Non-self-sustaining discharge : dark current
• Self-sustaining discharge
- partial discharge(corona discharge)
- electrical spark : a transition from non-self-sustaining discharge
to self-sustaining discharge
: produces a sudden high conductivity
: electronic, atomic, ionic collision processes
: two types of Townsend & streamer mechanisms
- flashover : glow & arc discharges
Electrical spark
• Townsend : relatively small gap distance & low pressure
: α, β, γ, θ, ή-actions
• Streamer : relatively large gap distance & high gas pressure
- time lag : 10-7[sec] : ion immovable
- zig-zag discharge path
- independent on cathode material
: generation and propagation of first avalanche
→ formation of photo-electron by excitation of electron : photo-electron → formation of a new avalanche
: Electric field by space charge = external electric field
→ combination of electron avalanche
→ formation of plasma path
Townsend- relatively low gas pressure - short gap distance- negligible effect of space charge
I
VVB
0
a b
c
d
Saturationcurrent
• In a gas : very small number of electrons and positive or negative ions
• 0 ~ a (low voltage range) : V↑→ drift velocity↑ : recombination by attachment or diffusion↓ : increase in current (dark current)
• a ~ b : constant ratio of ionization : constant number of electron & ion per unit second : saturation current by generation ratio of carriers
• b ~ c (high voltage range) : sudden increase of discharge current with several mechanisms of electron multiplication : non-self sustaining discharge : transition region
• d ~ (breakdown region) : self sustaining discharge without any initial electron : breakdown voltage(VB), electric breakdown strength(EB) → gas pressure, voltage polarity, gap distance, applied voltage waveforms, geometry of electrode degree of impurity of insulating material degree of non-uniformity of electric field
Townsend’s Discharge Theory
- uniform electric field- no action of electron diffusion effect- negligible effect of space charge
• α & γ - actions α : coefficient of ionization by electron collision : constant in a gap due to uniform field only α – action (electron avalanche)
no
ne
ne+ αnedχ
1m2
cathod anode
χ=0
χ χ+dχ
d
• electron number arriving at anode per unit second : ne = noeαd ∴ Ie = ne ∙e = noeeαd = I0eαd , I0 = noe
xe
e
xe
ee
e
enn
nCnnx
Cen
dxndndxxx
nnxxnnx
0
00
0
:0
:~
::0
• generation of positive ion : electron number at anode = electron number at the x surface per unit second + positive ion number n+ n+ + noeαχ = noeαd n+ = no (eαd - eαχ) : x=0 (ion number at cathode) n+ = no (eαd – 1) γ – action : electron emission by ion collision with cathode
γ : electron number emitting from the cathode by ion collision
• n+ of positive ion collides with cathode → electron number emitting from the cathode
• repeating γ-action by γMn0eαd
1
,)1( 00
d
d
eM
Mnen
nonoe
αd
no (eαd –
1) = noM
γMno
γMnoeα
d
γno (eαd –
1) = γMno(γM)2
no
(γM)2no
eαd
t
electron flowIon flow
• electron number arriving at anode n = noeαd + γMnoeαd +(γM)2no e
αd + ∙∙∙ when γM < 1 ; = ion number at cathode + no = ion number at x + electron number
∴ I = ne = , , noe = I0
Breakdown criterion : Shumann’s criterion
• α, γ – actions :
: number of secondary electrons from cathode by positive ion : secondary electron number = 1 : discharge can be self-sustained without initial electron
)1(1
)1(1
d
d
do
e
e
eII
Paschen’s Law(1)
• Electron energy under electric field W = eEλ• ionization energy Z= eVi, where ionization voltage is Vi• From Boltzmann distribution, number of electrons n having energy more than eVi, n = N exp(-Vi/Eλ) • 1/λ : number of collisions per centimeter of drift • α : mean number of ionizing collisions by one electron per unit length• α = (total numbers of collisions per unit sec) × (ionizing probability at collision)
• → α is function of E/P, that is
•
))/(exp())/(exp(P
EAVA
AP
EVA
pii
)exp(1
E
Vi
AP1
))/(exp(P
EBA
Paschen’s Law(2)
1)1( de )1
1ln(
d
)1
1ln()/
exp(
pE
BApd
From the Breakdown criterion
• Breakdown voltage : function of only Pd
• Similarity law - Pd : constant → show the same discharge mode - P ↓ → λ ↑ → eEλ ↑ → need low voltage to breakdown - d ↑ → E ↓ → eEλ ↓ → need high voltage to breakdown
ex.) PDP : d=100μm → P ↑ → normal operation
)1
1ln(ln
)1
1ln()exp()1
1ln(1)1(
)exp()exp(
ApdBpd
V
V
BpdApdde
V
BpdAp
V
BpdA
p
B
B
d
BB
Paschen’s Law(3)
From Paschen’s Law
• Point P : Paschen minimum
pdK
BpdV f ln
)1
1ln()( min
A
epd
pd(pd)min
(Vf)min
Vf
P
Pd →小 충돌회수小→Vf↑
Pd → →大 충돌과다 Vf↑
)1
1ln()( min
A
BeV f
Corona discharge
• non-uniform electric field : point-to-plane electrode system• hysterisis phenomenon of V-I characteristics• very week pulsed discharge current(~μA)• conditions for corona stablization• ozone generation• communication-interference• application of corona discharge : environmental application → reduction of air
pollutants : air cleaner → reduction of ozone/or micro-dust/or
VOCs → generation of negative ion
Silent Discharge
• one or two dielectrics between electrodes• ions traverse the gas space in a pulse and are stored in the surface of dielectrics → space charges• space charges → reverse electric field : corona discharge terminates : sparkless high electron temp./low gas temp. reactive plasma• few kHz power supplies → enhance internal electric field → low voltage mode of operation
Some other discharges
• Surface Flashover
• Impulse Breakdown Phenomenon
• Vacuum Breakdown Phenomenon
• High Pressure Breakdown - pressure vs. mean free path
• Tree & Tracking
Some factors
• gas pressure : mean free path• gap distance : effect of space charge• polarity effect : point to plane electrode system• voltage waveform : dc, ac, impulse• frequency : deviation from the Paschen’s curve • medium effect• conditioning effect • impurity : particularly in the liquid dielectrics - liquid dielectric serves as insulator and coolant
Electrical breakdown of solid dielectrics
• Intrinsic breakdown theory
• Electron avalanche
• Thermal breakdown : E → joule heat → R↓→ more intense heating → breakdown at weak point(hot spot) • Electro-mechanical breakdown : Maxwell stress : void, craze & micro-crack
What Is Plasma?
• H2O molecule : below 0oC → solid state,
at 0oC~ 100oC → liquid state,
above 100oC → gaseous state(vapor)
• dissociation : H2O → H+OH/2H+O (above 2000oC)
• ionization : atoms of hydrogen and oxygen → electrons
+ ions
: ionized gas is called Plasma
→ Solid, liquid, gas,
and plasma states
(the fourth state of matter) are
identified by difference of
its kinetic energy
Various kinds of plasmas
• Natural plasma : most of solar space/ or outer space, sun spot, aurora at the pole, thunder, lightning, solar wind, ionosphere etc.• Thermal plasma : by highly heated atom/ or molecule of gas : is generated by chemical reaction with
combustion : plasma torch (1,000~ 3,000oK)• Discharge plasma : ionized gas by electrical discharge : glow discharge/ arc discharge/ corona
discharge/ high frequency discharge plasmas, etc.
방전 플라즈마열 플라즈마자연계 플라즈마
Some properties of glow discharge plasma
• Low temperature plasma : electron temp. ~50,000oK : very low temp. compared with thermal plasma
• Non-equilibrium plasma : electron temp.(~50,000oK ) ≫ion temp.(~500oK) ≒ atom
temp. : different role of plasma particles ex.) sputtering
• Weekly ionized plasma : rate of ionization ~10% : negligible : electron density ~109~10/cm3
Generation of Discharge Plasma
• a ~ b : as an insulator : V ↑ → active ionization & electron emission → formation of plasma in front of the anode → increase in number of electrons & ions : self-sustaining
• b ~ c : (Pd)>(Pd)min : d↓→ discharge voltage↓→
discharge current↑→ electrical breakdown
• c ∼ d : in the (Pd)min range → discharge can be sustained at the
VB min
• d ∼ e : V ↑→ (Pd) 〈 (Pd)min : high voltage is needed to sustain
discharge• e ~ f : current ↑→ transition to the arc(by secondary electron emission & thermionic emission)
Electron and ion temperatures in discharge plasmas
• From the motional equation
• So, the energy can be expressed as follows:
• If electron and ion energy in the plasma are We and Wi, respectively
dt
dxt
m
eEveE
dt
dvmma
m
eEttdt
m
eEx
t
2
2
0
m
eEteExxFW
2
)( 2
ii
ee
m
eEtW
m
eEtW
2
)(
2
)(
2
2
Debye length and condition for plasma(1)
플라즈마에 국부적 전위변화 발생 ,If velocity of particle → Maxwelldistribution : 공간의 전자 및 이온밀도 및 는
이다 . Ne : electron density at V=0.
If, 라면 ,
한편 , 전위발생 이전의 입자밀도는
이므로 전위변화에 의한 밀도 ρ 는
가 된다 . 한편 , by Poisson’s eq.
이므로
Debye length and condition for plasma(2)
이다 . 또한 , 전위의 공간적 변화가 r
방향이라 가정하면
이므로
가 된다 . 경계조건 V=0 에서 r → ∞
을 적용하면
가 되며 , 이 때
이 다 . ion 의 경 우 , 전 자 운 동 에 준하여
생각하면
가 된다 .
Debye length and condition for plasma(3)
Vo
63.2%
37%
λ Dr
● V : r↑→decrease exponentially
after λ D → decrease by 63.2%
: Debye length λ D : 전하집중에 의한 전위 영향의
범위 측도● geometrical dimension L 》 λD
→ 전위의 영향 : λD 거리에서 차폐
→ 전위 영향 없이 plasma 유지
● λD 보다 먼 거리에서 : 전하집중의
영향은 무시 : 전하집중을 유발하는 Ne 와 Ni 의 차는 거의 무시
→ 플라즈마 : 준 중성 (quasi-neutral)
● 플라즈마의 조건 : λD 의 범위내에
충분한 하전입자 존재
If,
→
전리층플라즈마 : 수 m
핵융합플라즈마 : 수 십 mm
Plasma oscillation and frequency
x
E
A B
E
A B
(a) 전자군이 우측으로 변위한 경우
(b) 전자군이 좌측으로 변위한 경우
• If electrons shift by ξ, surface charge density ρs is . Electric field
intensity by ρs can be expressed as follows.
• Motional equation of electron is
• This means harmonic oscillation of electrons.
The angle frequency is
So, the plasma frequency fp is
• Electron density of ionizing layer plasma is about 1012/m3 → frequency range of over 10MHz is needed in the satallite communication.
Particle’s motion in the presence of electric and magnetic fields
• If we ignore the gravitational force, the coulomb’s
force is F=qE, and motional equation is
: 전계하의 하전입자 → 등가속도운동
: energy of particle increases with time → increment of kinetic
energy
• Lorenz's force by magnetic field is
• 운동방정식은
• Taking dot product
: no variation of kinetic energy with time
Thin film fabrication in a vacuum
● 에너지 ( 전자기 , 광 , 열 ) → 박막 물질 : 원자 (or. 집합체 ) 를
다른 장소에
결합 혹은 응축
• If, 대기가 기화한 물질과 같이 존재하면
(1) 박막물질의 직진이 방해 , 공간 중의 미립자 형성 → 박막 특성 저해
(2) 공기분자의 불순물 작용
(3) 공기 활성 분자의 화합물 형성
(4) 가열장치나 증발물질과 공기분자가 반응 → 화합물을 형성
: 진공조의 필요성 ,
박막작성을 위한 진공장치의 예
• ● RP 와 DP 사이의 밸브 잠금→ roughing line 으로 배기 (RP : 약 10-3 torr )
• ● DP 의 오일 가열 → roughing line의 밸브 close → DP 와 foreline valve open : 약 10-6 torr 까지 배기
• ● 콜드 트랩 : 액체질소 이용 → 관벽 냉각 → 수증기 응결 → 고진공도 달성
• RP 의 압력 : 1 기압 : Pump 기름의 배기계 내부로의 역류 방지
• DP : 고진공 상태 유지 • 배플 : DP Oil 의 진공조로의 역류 방지
진공증착법
● Vaporization : 증발원자의 응축 현상
: 에너지→높은 온도의 원자의 증발 → 온도가 낮은 면에 응축
● 진공 증착법 : 박막 물질 가열 → 증발 → 부착
● 전구의 유리관 벽 : 백열필라멘트의 증발 ( 텅스텐 ) → 유리벽에 증착
● 진 공 증 착 장 치 의 구 성 : 진 공 장 치 , 가열장치 ( 증발원 ), 부착면 ( 기판면 )
● 가열방법 → 저항가열법 , 전자충격법
• ● 증착율 : 평균자유행정이 문제
• Ex.) 1 Pa → λ : 6.5mm 정도
• ∴ 10-2 Pa : 65cm 이하의 거리→분자 직진
진공증착법의 장단점
● 저항가열법 : 증발원 (W, Mo, Ta)+
증착재료←전류인가 →가열→ 증발
재 료 의 증 발 온 도 : 1000∼2000oK 정도
∴ 증 발 원 재 료 의 융 점 ≫ 2000oK
: 증발원재료와 박막재료가 직접 접촉
● 전자충격법 : 직접 충돌 가열
: 고융점의 금속 /화합물도 증발 가능
: 여기원 → 레이저 /ion beam 가열
● 장점
• ① 장치의 구성이 간단
② 많은 물질에 쉽게 적용 가능
• ③mechanism 이 비교적 간단 → 핵 생성 및 성장 이론 간단
• ④화합물 용이 : 결정구조 및 성분비
● 단점
• ① 기판 사이의 접착이 나쁘다 .
• ②재현성이 나쁘다 ( 구조민감성 ) → 소자 등의 신뢰성에 문제
• ③증기압 낮은 물질 곤란 : Pt, Ta, Ti, W 등
• ④heater 재 료 증 발 → 불 순 물 로 작용
Concepts of sputtering method
• ● Sputtering Phenomenon • Electric Field→ accelerate the
ion → collide solid surface • : energy exchange between
atom & ion → atom emission
• ● Vacuum chamber• Target(cathode),
Substrate(anode)• Discharge gas(mainly Ar)• Power supply(RF/DC)• Gas inlet & MFC• Cooling system• Vacuum
gauges(Pirani/Ionization)
Main factors in thin film characteristics• Sputtering yields• Deposition rate• Plasma parameters• - electron density• - electron temperatures
• Sputter systems• : to make higher electron • density and temperature
• Electrode distance
• : to make glow discharge
• : not to be hindered by• discharge gas• Substrate temperature
→ Gas pressure & Magnetron mode of operation
Structures of target and substrate
• Target : collision of positive ion → to be too high temperature
• : possibility of dissolution of target material → cooling
• Ground shield : to protect the
• unnecessary discharge
• Careful consideration on the distance between HV & shield electrodes : Paschen’s Law
Concept of magnetron sputtering
1) 2 극 직류 스퍼터링법의 단점
● too high pressure at discharge
• : ion generation efficiency
• : scattering by atoms of
• discharge gas
● Temperature increase at target
and substrate
: by secondary electron emission
● difficulty in sputtering of
insulting materials
● Use of RF(13.56MHz) • : confinement of electron in
discharge region• Ex.)
• If, △ V≒103V , I = 10-2∼10-3 A , C=10-11~10-12 F → △t = 10-5∼10-
7s
• ∴ 100kHz ∼10MHz → 103 V
●Use of magnetic field : confinement of particle : control of gas pressure
On the sputtering of insulting materials
• rmfla
S
++++
----
++++
----
++
B A
Vs
+++
< 1>그림
++++
----
B A
Vs S
----
A
++++
방전영역 절연물영역
+++++
-----
++++
E
-
---
+
+++
+++++
-----
----
E
< 2>그림 < 3>그림
Matching box in the RF magnetron sputtering
• Condition for maximum power transmission :
• MB is needed to control the internal impedance of power supply ZG = R + j XL
• → to reduce the reflected signal
Thin film fabrication with Ion Plating method
Collision of ion to the cathode : sputter, reflected ion &
neutrals secondary electron emission … ion implantation phenomenon Ion plating : sputtering + vacuum evaporation H.V → cathode(substrate) , heating/or. Electron beam→
Evaporation source : evaporated atoms, ionized ion
→ substrate : high mechanical resistance →TiC, CCr, TiN2 Resputtering & cleaning effect
Principle of Ion Plating
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
56
- +
- +
- +
- +
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
c d e f
- +
- +
- +
- +
그림 3 에서 인가전압 극성을 바꾼 순간 방전이 일어나지만 cd는 같은 전하로서 d 의 가 반발에 의해 벽면을 떠나간다 . 떠나가는 순간 방전이 일어나며 방전에서 생긴 전하가 그림 4 와 같이 되면 방전은 꺼진다 . 그림 2 의 좌우를 바꾼 것과 같다 . 그러므로 다시 인가전압의 부호를 바꾸면 그림 3 의 좌우를 바꾼 것과 같아지면서 방전이 일어남을 알 수 있다 .
그림 4
_ _ _ _ + + + +
- + + -- + + -- + + -- + + -
a b dc e
방전공간
MgO유전층전극
만일 그림 3 의 경우 아주 약한 방전이 발생하도록 하면 방전에서 발생된 3 개 3 개와 재결합하거나 Cell 벽으로 흩어져서 더 이상 벽전하는 형성되지 않는다 . 이 과정을 Erasing 과정이라 하고 인가전압의 진폭과 rising time 을 제어하거나 인가전압의 펄스폭을 극히 짧게 하여 Erasing하고 있다 . 결국 Erasing 과정은 벽전하를 완전히 제거하는 과정이다 .
표면 방전형 AC PDP
표면 방전형과 대향 방전형의 차이
표면 방전형은
(1) 방전공간의 전극간 간격이 일정치 않다 .
(2) bcd에 전계가 집중한다 . 그러므로 bold barbcd~ 부분이 가장 밝다 .
(3) bcd 부분에 있는 다른 부호의 벽전하는 가까워 인력에 의해 재결합 해 버리기 위해 방전 전압이 높아질 가능성이 있다 . 이러한 현상은 전극 간격이 좁아질 수록 심하게 된다 .
이상과 같이 AC PDP의 실제 전극은 MgO라고 볼 수 있으며 연속 방전을 하기 위해서는 연속적으로 부호가 바뀌는 Pulse 전원을 필요로 하고 있다 . 특히 AC PDP의 방전 특성을 깊게 이해하기 위해서는 전극에 해당하는 MgO의 특성과 벽전하 형성과정 및 벽전하 계측기술 확립이 필요함을 알 수 있다 . 그 후 Cell 구조와 벽전하의 상관관계를 파악할 필요가 있다 .
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
_
_
_
_
+
+
+
+
MgO 표면유전분극 유전분극전하전극전하
a b c d e f g h
R V 0
AC PDP에는 면방전 구조와 대향전극 구조가 있으나 원리상으로는 같으므로 대향전극형으로 설명하기로 한다 .
우선 직류전압을 걸면 전극전하가 형성되고 (콘덴서 작용 ) 유전층은 유전분극 전하가 그림과 같이 형성된다 . 이 경우 겉보기상으로 a 의 (-)와 b 의 (+)전하가 중화되고 g,h도 중화된다 .(속박전하 ) 그 결과 남은 전하는 c의 (-)와 f 의 (+)뿐이다 . 이 전하는 각각 a 와 h 의 전하와 같으므로 방전공간에는 전압 V0가 모두 가해진다 . 만일 V0가 방전개시 전압 이상이면 방전공간에 방전이 개시된다 . 이 1 회 방전으로 충돌전리하여 생긴 ion과 전자는 c 와 f 의 전하에 이끌려 가서 다음 그림과 같이 된다 .
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
방전plasma
c d e f
방전 plasma에 있던 ion 와 전자 가 차츰 이끌려 가면 (Coulomb force) c, f의 전하가 차츰 중화되어 ( 겉보기상 cd, ef 전하중화 ) 방전공간 전압이 저하하게 된다 .이 전압이 방전 유지전압 이하로 되면 방전은 정지한다 . 그 이상 STOP 상태임방전 지속 시간은 0.1∼수 μs정도이다 .일반적으로 d 와 e 에 모이는 전하를 벽전하 , 벽전하에 의해 생기는 전압을 벽전압이라 한다 . 이 벽전하는 전극전압이 가해져 있으면 며칠이든 없어지지 않는다 .
그림 1
그림 2
Q=CV
- +
- +
- +
- +
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
c d e f
- +
- +
- +
- +
a b g h
이 때 인가전압 V0 의 극성을 바꾸어 연결하면 그림과 같다 . 이 경우 ab 및 gh 는 중화되고 그 외 중화되지 못한 전하는 cd 의 (+) 전하와 ef 의 (-) 전하이다 . 그림 1 에 비하여 방전공간에는 많은 전하가 남게 되어 V0 이상의 방전공간 전압이 가해져 다시 방전이 개시되며 이러한 과정이 반복된다 . 한번 벽전하가 생기면 낮은 역전압을 가해도 방전될 수 있음을 알 수 있다 .
그림 3
역극성 인가 순간 (a=c) 의 전압
이벽전압 +Vw 는 잠시후 -Vw 로 바뀐다 .
[-Vw 가 형성되어도 인가전압 (C 전하 )을
완전히 중화시킬 수 없다 .]
58
4-6 AC PDP 에 직류전압으로 구동하면 어떤 현상이 나타나는가
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
_
_
_
_
+
+
+
+
MgO 표면유전분극 유전분극전하전극전하
a b c d e f g h
R V 0
AC PDP에는 면방전 구조와 대향전극 구조가 있으나 원리상으로는 같으므로 대향전극형으로 설명하기로 한다 .
우선 직류전압을 걸면 전극전하가 형성되고 ( 콘덴서 작용 ) 유전층은 유전분극 전하가 그림과 같이 형성된다 . 이 경우 겉보기상으로 a 의 (-)와 b 의 (+)전하가 중화되고 g,h도 중화된다 .(속박전하 ) 그 결과 남은 전하는 c 의 (-)와 f 의 (+)뿐이다 . 이 전하는 각각 a 와 h 의 전하와 같으므로 방전공간에는 전압 V0가 모두 가해진다 . 만일 V0가 방전개시 전압 이상이면 방전공간에 방전이 개시된다 . 이 1 회 방전으로 충돌전리하여 생긴 ion과 전자는 c 와 f 의 전하에 이끌려 가서 다음 그림과 같이 된다 .
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
방전plasma
c d e f
방전 plasma에 있던 ion 와 전자 가 차츰 이끌려 가면(Coulomb force) c, f의 전하가 차츰 중화되어 ( 겉보기상 cd, ef 전하중화 ) 방전공간 전압이 저하하게 된다 .이 전압이 방전 유지전압 이하로 되면 방전은 정지한다 . 그 이상 STOP 상태임방전 지속 시간은 0.1∼수 μs정도이다 .일반적으로 d 와 e 에 모이는 전하를 벽전하 , 벽전하에 의해 생기는 전압을 벽전압이라 한다 . 이 벽전하는 전극전압이 가해져 있으면 며칠이든 없어지지 않는다 .
그림 1
그림 2
Q=CV
- +
- +
- +
- +
_
_
_
_
+
+
+
+
+
+
+
_
_
_
c d e f
- +
- +
- +
- +
a b g h
이 때 인가전압 V0 의 극성을 바꾸어 연결하면 그림과 같다 . 이 경우 ab 및 gh 는 중화되고 그 외 중화되지 못한 전하는 cd 의 (+)전하와 ef 의 (-) 전하이다 . 그림 1 에 비하여 방전공간에는 많은 전하가 남게 되어 V0 이상의 방전공간 전압이 가해져 다시 방전이 개시되며 이러한 과정이 반복된다 . 한번 벽전하가 생기면 낮은 역전압을 가해도 방전될 수 있음을 알 수 있다 .
그림 3 역극성 인가 순간 (a=c) 의 전압
공간전압 = 역극성인가순간의 전압 + 벽전압
이벽전압 +Vw 는 잠시후 -Vw 로 바뀐다 .
[-Vw 가 형성되어도 인가전압 (C 전하 ) 을
완전히 중화시킬 수 없다 .] 총벽전압 변화량 = 2Vw
( 정상동작하에의 벽전하 ( 압 ) 변화량 )
참고