안녕하세요, 송송입니다. 이번에도 플라즈마내에서 발생하는 현상에 대해 공부해보겠습니다. 플라즈마는 사실 우리 눈에는 아름답게 빛나보이지만, 실제로는 많은 일을 하고 있다는 사실! 참 대단한 녀셕이에요.
그럼 오늘도 시작해 보시죠.
1. 디바이 쉴딩(Debye shieding)
- 플라즈마 내 전위 변화가 있을 떄, 이 전위의 변화를 지수적으로 감소시켜 전위의 변화를 차단하는 현상
만일 한 지역에 순간적인 potential 변화가 생길 경우에 Poisson's equatuin(푸아송 방정식)과 Boltzmann 식을 이용하여 거리에 따른 전위의 변화값에 대한 식을 구할 수 있습니다.
전하 위치로부터 멀어짐에 따라서 지수적으로 그 전위가 감소하게 되는데요, 어느 지역을 넘어서면 charge된 전하의 전위를 느낄 수 없습니다.
2. 디바이 길이
- 디바이 쉴딩의 차단 거리를 특정화 한 값입니다.
플라즈마 내 한 전하가 다른 전하들로부터 영향을 받는 거리는 1 ~ 2λD 에 해당되는 거리를 반지름으로 하는 구를 screening effect라고 합니다.
이 거리 내에만 정전기력이 작용하게 되고, 이 힘은 서로 상쇄되며 이 거리 밖에서는 전위 변화가 차단되므로 전자나 이온은 서로 간에 발생하는 정전기력에 영향이 없이 자유로운 입자로써 움직일 수 있습니다.
*간단하게 !! 플라즈마 내 전자밀도 ↑, 디바이 길이 ↓
전자온도 ↓, 디바이 길이 ↑
3. 플라즈마 진동(Plasma oscillation)
- 플라즈마 진동의 순서는 다음과 같습니다.
1) Plasma가 중성을 잃게 되었을 떄 복원력이 작용
2) 순전하가 0이 되었으나 복원력이 여전히 작용
3) Overshooting 발생
4) 이를 반복하여 플라즈마 진동이 발생함
* 어렵다구요? ... 그럼 더 어렵게 수식으로 표현해 보겠습니다^^
* 우린 수식 잘 몰라~ 간단히 설명해줘!!
알겠습니다.
플라즈마는 전기적으로 중성을 유지하려는 성질이 있다고 했습니다. 그런데 항상 플라즈마가 중성을 유지하고 있지 않고 국부적으로 중성이 아닌곳이 있기 떄문에 준중성 상태라고 합니다. 플라즈마 내 전자들은 위치를 예측하기 어려울 정도로 빠르게 움직이고 있겠죠. 외부로부터의 자극이 전해지게 된다면 순간순간 빠르게 이동하는 전자때문에 중성을 벗어나게 될것입니다. 그러나, 다시 유지하려고 하기 떄문에 발생하게 되는 현상인데요, 그림을 보시면 외부적인 힘에 의해 중성이 깨졌다가 다시 중성을 유지하기 위해 복원력이 작용하게 3번에 가서 중성상태가 됩니다. 그러나, 쉽게 말하면 관성이라고 할까요? 전자가 매우 빠르게 움직이다가 중성이 되자마자 딱 멈추지 못하고 다시 지나쳐 가게 됩니다. 그러면 다시 중성 상태가 깨지니 다시 이놈들은 중성상태로 만들기 위한 복원력이 작용하게 되는것이죠. 이러한 현상이 계속해서 반복되기 때문에 플라즈마가 진동한다.라고 할 수 있는것이죠!
4. 이극성 확산(Ambipolar Diffusion)
- 전자와 이온의 concentration 기울기가 존재할떄 Diffusion이 발생합니다.
Flux에 의한 자기장이 형성되게 되고, 이 자기장에 의해 전자와 이온은 같은 확산계수를 가지게 되는 현상입니다.
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여기까지 오느라 고생하셨습니다. 간단히 짚고 넘어가기엔 너무나도 어려운 플라즈마 녀석!!
멀리서 봤을떈 아름답지만 가까이서 보면 .. 지옥이다!
식각 공정에서 플라즈마는 필수적이면서도, 이를 잘 다룰줄 아는 엔지니어를 필요로 하고 있습니다.
좋은 레시피를 짤 수 있는 실력이 되어야만 살아남을 수 있다!!
좋은 식각 레시피를 짜기 위해서는 플라즈마 내 반응성 가스 및 종류에 따른 식각 형태 등 많은 지식이 필요할 것입니다.
나중에라도 한번 같이 알아보도록하죠.