4th Industrial Revolution, Technology | May,2021
천의얼굴 PLASMA
기존에 있던 제품이라도 PLASMA가 들어가면 마술을 부린 듯 첨단기기로 바뀌는 양상이다.
PLASMA 기술을 이용한 제품들이 많이 쏟아져 나오며 일상의 편리함을 주도하고 있다.
디자이너들이 그 기능의 속성을 정확히 파악해야만 진정한 디자인을 할 수 있다.
PLASMA에 대해서 탐구해 보고자 한다!
본 자료는 한국핵융합에너지연구원 정보공개 자료에서 주로 참조하였습니다.
PLASMA WHAT?
일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체의 세 가지로 나뉜다. 거기에 덧붙여 PLASMA를 제 4의 물질 상태라고 부른다. 고체에 에너지를 가하면 액체. 기체로 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 원자속의 전자가 분리되어 플라스마 상태가 된다. PLASMA를 만들려면 흔히 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 PLASMA를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 이런 상태를 유지하도록 해야 하며, 인공적으로 만들기는 쉽지 않지만 우주 전체의 99퍼센트가 PLASMA 상태라고 할 수 있다.
[물질의 세 가지 상태와 플라즈마(출처:에듀넷)]
PLASMA의 역사
물리학에서는 플라즈마를 상호작용하는 하전입자의 집단이라고 정의한다.
플라즈마가 연구되기 시작한 것은 1808년 아크등을 개발한 영국의 화학자 험프리 데이비와 1830년대 전기 아크와 직류 방전을 연구한 영국의 물리 화학자 마이클 패러데이 등에 의해서이다. 아크등은 탄소 전극 사이에서 방전을 일으켜 주위의 공기가 이온과 전자로 분리되는 플라즈마 상태의 아크 방전을 사용해 빛을 내는 전등이다.
아크 방전은 기체 속에서 생기는 방전의 일종으로, 전극 사이에 비교적 낮은 전압과 큰 전류를 내보낼 때 전극이 가열되어 전자를 방출하며 강렬한 빛을 내는 현상이다. 음극과 양극 사이는 고온의 플라즈마로 연결되어 큰 전류가 흐르게 된다.
하전입자 _ 전기적으로 양성이나 음성 전하를 가진 이온입자. 이를 테면 이온, 양성자, 전자 등, 양 또는 음의 전하를 가진 입자이다. 전자, 양전자, 양음의 이온, 양음의 중간자 등이 있다.
이온 _ 원자핵 주위에 있는 전자 중에는 다른 원자로 쉽게 이동할 수 있는 것이 있다. 전자의 이러한 성질 때문에 어떤 원자는 전자를 다른 원자에게 주기도 하고, 다른 원자로부터 전자를 받기도 한다. 원자가 전자를 잃으면 (+)전자를 띠고, 전자를 얻으면 (-)전하를 띠게 됨으로써 이 입자를 이온이라고 한다.(+)전하를 띤 입자를 양이온, (-)전하를 띤 입자를 음이온이라고 한다.
플라즈마라는 용어가 처음 등장한 것은 1928년 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881-1957) 노벨상 수상자에 의해서이다.
원래 프라즈마라는 용어는 생물학이나 의학에서 먼저 널리 쓰이고 있었다. 랭뮤어는 글로우 방전으로 만들어지는 이온화된 기체가 특이한 성질을 나타내는 것에 착안하여 플라즈마라는 이름을 붙였다. 글로우 방전이란 매우 낮은 압력에서 기체를 채운 방전관에 전극을 놓고 높은 전압을 가하면, 전류가 흐름에 따라 희미한 빛이 발생하는 상태를 말한다. 플라즈마는 그리스어로 틀에 부어 만들어지는 상태를 뜻한다. 당시 그리스어에 능통한 랭뮤어가 방전으로 빛나는 부분의 모양이 방전관의 형태에 따라 변하는 것을 파악하고, 이를 표현하기 위해 플라즈마라는 용어를 선택한 것으로 예측된다. 우주나 자연에서만 관찰되던 플라즈마를 실행활에 응용하기 시작한 것은 19세기 전기 아크에서 발생하는 빛을 광원으로 사용하는 아크등이 등장하면서부터라고 할 수 있다. 그러나 효율성과 편리성을 갖춘 백열전구의 등장으로 높은 직류 전류를 수성하여 사용하는 아크등은 점점 사라지게 된다.
어빙 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881-1957) 노벨상 수상자_ 미국의 물리화학자. 컬럼비아 대학교에서 금속공학을 공부하였고, 괴팅겐 대학교의 발터 네른스트의 지도 아래 물리학을 공부하였다. 1906년에 박사학위를 받은 후 미국으로 돌아와 1909년까지 스티븐스 기술연구소에서 화학 관련 강의를 하였고, 1909부터 1950년까지 제너럴일렉트릭 사의 연구원으로 재직하였다. 기체 안에서의 방전현상, 전자방출과 텅스텐의 고온 표면화학에 관한 연구로 필라멘트 전구의 수명을 늘리는 데 기여하였다. 또한 독자적으로 원자구조와 화학결합 형성에 관한 이론을 발표하였고, 공유원자가 라는 용어를 만들었다.
출처 | https://handwiki.org/wiki/Biography:Irving_Langmuir
출처|한국과학영재학교_백열전구_형광등_LED는 어떻게 다를까?
https://www.ksakosmos.com/post/%EC%A7%80%EC%8B%9D%EB%8D%94%ED%95%98%EA %B8%B0-%EB%B0%B1%EC%97%B4%EC%A0%84%EA%B5%AC-%ED%98%95%EA%B4%91 %EB%93%B1-led%EB%8A%94-%EC%96%B4%EB%96%BB%EA%B2%8C-%EB%8B%A4%EB% A5%BC%EA%B9%8C
출처_STA화학노트_원자가결합이론 (Valence Bond Theory, VBT) https://stachemi.tistory.com/169
PLASMA 상태 | 제4의 물질 상태
PLASMA - 기체의 온도가 2000도쯤 올라가면 가스 분자가 쪼개져 원자 상태가 되고, 약 3,000도에서는 원자에서 전자가 떨어져 나가 이온화가 된다. 이런 상태의 가스를 PLASMA 라고 한다. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띄게 된다.
[우주] PLASMA 상태의 입자가 지구 자기장에 이끌려 대기 속으로 흘러 들어가는 과정에서 대기의 원소와 충돌 했을 때 발생하는 에너지가 빛으로 전환되는 현상.
[태양] 태양에서는 PLASMA 상태에서 수소 핵융합 반응이 일어난다. 수소와 수소가 합쳐지면서 많은 열을 낸다. 열이 빛으로 바뀌기 때문에 태양은 항상 빛이 나며, 지구로 오는 빛 에너지는 태양이 방출하는 빛 에너지 중 1/20억 밖에는 안 전달된다.
[오로라] PLASMA 상태의 입자가 지구 자기장에 이끌려 대기 속으로 흘러 들어가는 과정에서 대기의 원소와 충돌했을 때 발생하는 에너지가 빛으로 전환되는 형상이다.
[번개] 자연에서 볼 수 있는 대표적인 PLASMA 현상으로 대기 중에서 발생하는 방전 형상의 일종이다.
[혈장, 원형질] 피의 성분인 혈장도 PLASMA 라고 한다. 그리고 생물학에서도 원형질을 PLASMA라고한다.
PLASMA의 여러가지 성질
1. 고온이기 때문에 입자의 운동에너지가 크다.
2. 거대한 폭발력_우주의 높은 온도나 압력 상태에서 만들어진 PLASMA는 거대한 폭발력을 지님. 플라즈마의 놀라운 폭발력은 우주로 가는 길을 열 수 있다. 또한 핵융합 에너지를 만들어 내는 인공태양도 따지고 보면 우주의 PLASMA를 인공적으로 만들어내려는 것임
3. 전하를 갖는 입자들의 집단이기 때문에 전도성이 높아 금속처럼 전기를 잘 통한다.
4. 화학적으로 활성화시켜 반응성을 높일 수 있다.
5. 빛을 발하기 때문에 네온사인과 같이 광원으로도 활용할 수 있다.
[플라즈마가 내는 빛 _ 플라즈마 램프 / 태양의 모습 / 번개현상 / 오로라 현상 (출처:에듀넷)]
https://www.youtube.com/watch?v=AXXQa7_9aTA&t=381s
플라즈마(PLASMA)의 종류
PLASMA는 크게 세 종류로 나눔
태양이나 오로나 같이 지구 대기권 밖에 있는 우주 플라즈마, 공장이나 실험실에서 주로 쓰는 산업 플라즈마(저온·열플라즈마), 핵융합 반응을 유도하는 초고온 플라즈마. 이것들이 존재하는 영역은 온도가 1K에서 1010K까지, 밀도는 1개/cm3 에서 1030 개 /cm3 까지 범위가 아주 넓다. 플라즈마 엔지니어링을 하기 위해선 환경조건에 따라 달라지는 플라즈마의 특성을 잘 이해하는 것이 중요하다.
1. 우주플라즈마 : 극저온 또는 극 고온, 극 저밀도 또는 극 고밀도의 플라즈마. 99%를 채우고 있다.
2. 산업 (저온·열플라즈마) : 원자의 일부가 원자핵과 전자로 분리되고 일부는 중성입자 (라디칼)가 된다. 온도와 밀도에 따라 플라즈마 특성이 버라이어티하게 달라진다.
3. 핵융합(초고온 플라즈마) : 원자가 대부분 원자핵과 전자로 분리되 있어 전기 전도도가 무한대에 가깝다.
[플라즈마 어디에나 있다 (출처:국가핵융합연구소_과학동아_2016.5월호)]
OH라이칼_ 지구상에서 가장강한 살균력 http://samsungrtc.com/ohradical
네이버생화학백화_라디칼(RADICAL) https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5733281&cid=60266&categoryId=60266
산업적으로 이용이 활발한 플라즈마
산업적으로 사용되는 플라즈마는 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나눌 수 있다.
열 플라즈마는 금속의 절단 등에 응용하고 있다. 저온 글로우 방전 플라즈마로서 반도체 공정에서 플라즈마 식각 및 증착 (Plasma Etch) (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리 신물질의 합성 등에서 이용되고 있으며 공정의 미세화 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다.
열 플라즈마 (Thermal Plasma)
열 플라즈마 (Thermal Plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자로 구성된 기체로 구성입자가 1,000~20,000℃와 100~2,000m/s를 갖는 고속의 제트 불꽃형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고영용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열 플라즈마의 특성을 이용하여, 재래식 기술에서는 만들 수 없는 다양하고 효율적인 고온 열원이나 물리화학 Reactor(원자로)로 사용되어, 여러 산업분야에서 이용 되고 있다. 열 플라즈마의 대표적인 발생 법으로서는 직류 또는 교류 Arc 방전을 발생하는 플라즈마 장치와 고주파 (Radio Frequency) 자장에 의한 플라즈마가 주로 이용되고 있다.
열 플라즈마 발생방법 _ Arc 방전을 발생하는 플라즈마 장치
아크방전을 이용한 극간의 직류 또는 교류 또는 아크방전에 의해 기체를 플라즈마화 하는 방법은, 플라즈마를 노즐상의 전극으로부터 고속 고온의 제트로서 분사시키는 플라즈마 토치(Torch) 형식이 다양하게 고안되어 실용화되어 있다. 1950년대 초기에 현재 사용되고 있는 Torch의 기본적 구조가 거의 확립되었고, 이후 플라즈마 공정의 발전에 큰 공헌을 하고 있다. 가장 일반적인 형태는 제트 방식인 비이송(이행)식 (Non-Transferred Type)으로 텅스텐 음극봉과 동 양극 노즐 간의 직류 아크 방전을 이용하는 것과 관 형태의 동 전극간의 직전 또는 교류 아크방전을 이용하는 것이 있다. 자계를 인가해서 전극상의 아크 점을 회전 이동시켜서 전극의 손실을 방지하고 부수적으로 플라즈마를 회전시키는 것도 가능하며 메가와트급의 출력의 토치가 개발되고 있다. 대상물을 양극으로 만들고 토치의 음극에서 직접 아크를 집중하는 방식도 있으며, 이것, 이송(이행)식 (Transferred Type)이라 불린다.
[아크방전의 활용]
아크방전은 아래와 같이 산업에 많이 응용되고 있다.
금속용접 / 플라즈마 절단 / 영화상영기 등에 사용되는 고출력 아크등(arc lamp) / 전기 아크용광로 (electric arc furnaces)
[참조 _ 네이버 지식백과] 아크방전 [Arc discharge] (물리학백과)
각국의 가스화를 이용한 폐기물소각 및 바이오매스의 신규청정 용도 공략에 이용되는 플라즈마
[출처_영국의저탄소화를위한에너지기술연구소}
https://www.eti.co.uk/insights/targeting-new-and-cleaner-uses-for-wastes-and-biomass-using-gasification
[출처_TARGETING NEW AND CLEANER USES FOR WASTES AND BIOMASS USING GASIFICATION]
https://d2umxnkyjne36n.cloudfront.net/insightReports/Targeting-new-and-cleaner-uses-for-wastes-and-biomass-using-gasification.pdf?mtime=20170623145223
[출처_sagebrushpl_ 재생에너지회사 / 수소 및 가스 혼합 장비 / 유틸리티 백업장비]
https://sagebrushpl.com/aether-corporate/
[출처_IOP SCIENCE / 생물 물리학, 자기, 플라즈마, 반도체, 에너지 재료 및장치에서 물질의 구조와 특성에 이르기까지 응용물리학 연구 국제 저널]
https://iopscience.iop.org/journal/0022-3727
열 플라즈마 발생방법 _ 유도결합 플라즈마 장치
고주파 유도방전을 이용한 무전극형이고, 통상 바깥쪽에 코일을 감은 석영관 내에 방전부가 존재한다. 코일에 고주파전류를 흘리면, 같은 주기로 변화하는 유도자계와 함께 유도전류가 방전부에 흘러 저항열이 발생해서 열 플라즈마 상태가 정상적으로 유지된다. 이러한 고주파 열 플라즈마는 유도결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma)라고 하며, 고주파 유도 플라즈마를 발생시키는 석영관 토치의 원형은 1960년대 초기에 발표된 이후로 그 구조에는 기본적인 변화가 없으나 다양하게 개발되어 현재 정평이 있는 토치가 개발, 시판되고 있다. 최근에 질화 붕소관을 이용한 토치도 개발되고 전원도 진공관방식에 더해, 효율 좋은 트렌지스터 방식이 개발되고 있다.
출처_유도결합플라즈마발생방법
https://www.emag.com/kr/machines/hardening-systems.html
https://www.emag.com/kr/machines/hardening-systems/vlc-100-ih.html
열 프라즈마 응용
저온 플라즈마 (Cold Plasma)
일반적으로 저온 플라즈마는 반도체 제조, 금속 및 세라믹 박막제조, 물질합성 등 다양한 활용성을 가지고 있는데, 대부분 저압에서 생성된다. 상압 비평형 플라즈마는 대기압에서 저온의 플라즈마를 얻음으로써 진공유지, 처리물 장입과 관련된 장비 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 배연가스 처리 및 공기청정과 같이 분야도 더 넓다. 상압 비평형 플라즈마는 펄스 코로나방전과 유전체 장벽방전으로 주로 발생된다.
상압 플라즈마의 발생은 대기압 하에서 다양한 방법의 전기방전을 이용하되, 전자 에너지의 세기가 이온 및 중성입자 등의 에너지 보다 높게 유지되도록, 즉, 플라즈마가 비평형 상태를 이루도록 한다. 전체적인 플라즈마의 온도는 상온~1,000K인데 반해, 전자의 온도는 10,000K-100,000K가 유지됨으로써 다양한 플라즈마 화학반응 및 표면처리의 응용에 적합한 방전이 가능하다.
상압플라즈마를 구현하는 방법으로는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD), 코로나 방전 (Corona Discharge), 마이크로웨이브 방전 (Microwave Discharge), 아크방전 (Arcdischarge)등의 기술이 있다. 이 중 유전체 장벽 방전은 기존의 진공플라즈마에 비해 100~1000배 이상 높은 반응 활성종 (Radical)의 농도를 구현할 수 있으면서도 온도가 상온 ~ 150℃로 낮아서 폴리머, Glass 및 저융점 금속의 표면처리에 적합합니다.
저온 플라즈마 (Cold Plasma) _ 대기압 플라즈마
정의 | 기체의 압력을 100Torr부터 대기압 (760 Torr) 이상 까지 유지하면서 저온 플라즈마를 발생하는 기술을 의미한다.
특징 | 대기압 플라즈마 시스템의 특징은 화학적 라디칼 생성에서 다른 종류의 발생 방식보다 월등히 높은 효율을 나타낸다.
구분 | 대기압 플라즈마 시스템은 발생 방식에 따라 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방전 시스템, Capillary 방전, Micro-Discharge 시스템, RF&MF 대기압 방전 시스템, U-Wave 방전 시스템, Induction & DC Torch 시스템
응용분야 | 대기압 플라즈마 시스템은 고가의 진공 장비를 필요로 하지 않기 때문에 경제적이며 펌핑(Pumping)없고, 인라인 형태로 공정이 가능하므로 생산성을 극대화할 수 있는 플라즈마 시스템을 개발 할 수 있다. 대기압 플라즈마 시스템을 사용하는 응용분야로는 초고속 에칭 & 코팅기술, 반도체 패키징, 디스플레이, 물질의 표면 개질 및 코팅 그리고 나노분말 생성, 유해가스 제거 및 산화성 기체의 생성 등 여러 응용분야가 있다.
저온 플라즈마 (Cold Plasma) _ 진공 플라즈마
정의 | 기체의 압력을 100Torr이하로 유지하여 저온 플라즈마를 발생시키는 시스템기술을 의미한다.
특징 | 정상 상태의 안정한 Glow Discharge 상태를 유지하여 모재 (Materials)에 하전입자의 손상을 최소화하여 공정을 수행한다.
구분 | 진공 플라즈마는 발생방식에 따라 CCP (capacitively Coupled Plasma) 시스템, ICP (Inductively Coupled Plasma) 시스템, ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 시스템, e-beam 플라즈마 시스템, Pulsed DC 시스템, 이중 주파수 (Dual Frequency)를 이용한 CCP 시스템 등으로 구분된다.
응용분야 | 100Torr 이하의 기체 압력에서 작동되는 플라즈마 시스템을 의미. 진공 플라즈마 시스템을 이용하는 응용분야로는 일반 반도체 공정에서 사용되는 건식 식각 공정, 증착 공정, 에싱(Ashing)공정, ALD(atomic Layer Deposition) 등이며 display Panel 제조공정, 탄소나노 튜브 (CNT)의 성장 등의 공정에서 사용된다.
저온 플라즈마 (Cold Plasma) _ 차세대 플라즈마
정의 | 기체의 압력을 100Torr이하로 유지하여 저온 플라즈마를 발생시키는 시스템기술을 의미한다.
특징 | 정상 상태의 안정한 Glow Discharge 상태를 유지하여 모재 (Materials)에 하전입자의 손상을 최소화하여 공정을 수행한다.
구분 | 진공 플라즈마는 발생방식에 따라 CCP (capacitively Coupled Plasma) 시스템, ICP (Inductively Coupled Plasma) 시스템, ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 시스템, e-beam 플라즈마 시스템, Pulsed DC 시스템, 이중 주파수 (Dual Frequency)를 이용한 CCP 시스템 등으로 구분된다.
응용분야 | 100Torr 이하의 기체 압력에서 작동되는 플라즈마 시스템을 의미. 진공 플라즈마 시스템을 이용하는 응용분야로는 일반 반도체 공정에서 사용되는 건식 식각 공정, 증착 공정, 에싱(Ashing)공정, ALD(atomic Layer Deposition) 등이며 display Panel 제조공정, 탄소나노 튜브 (CNT)의 성장 등의 공정에서 사용된다.
반도체 공정 플라즈마
플라즈마 에싱(Ashing)
반도체 제조공정에서 화공약품(H2SO4/H2O2 또는 알카리용액)을 사용하는 습식 제거 방법의 단점을 해결하기 위하여 제안되었으며, 화학적 에칭과 같은 원리를 이용한다.
PR은 C, H, O의 원자들로 구성되어 있는 폴리머이므로 에싱 공정에서는 주로 O2가스를 사용하여 CO, CO2 등의 휘발성 반응 생성물 생성을 통해 제거된다. 이러한 에싱 공정은 여러 가지 단점이 있으며 이중 가장 커다란 문제는 전하축적 손상이다. 에싱 중 일부의 축적전하 전류가 얇아진 PR을 뚫고, 하지 도체 막에 전달되어 쌓이면 그 밑에 있는 게이트 산화막을 파괴할 수 있다. 또한, PR을 뚫고, 하지 도체 막에 전달되어 쌓이며 그 밑에 있는 게이트 산화막을 파괴할 수 있다. 또한, PR없이 웨이퍼가 플라즈마에 노출되면 에싱으로부터 더 심각한 손상을 받을 수 있다.
또한 PR속에 미량으로 함유된 중금속 등이 플라즈마 에싱으로는 제거할 수 없어 에싱 후 남게 되므로 후속공정에서 하지막으로 확산되어 디바이스의 특성을 저하시키기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 PR제거공정은 100%플라즈마 에싱 공정만으로 구성되지 않고, 플라즈마 에싱과 습식방법을 9:1 정도의 비율로 적용, 잔유물을 완전히 제거한다. 최근 들어 디바이스 고집적화 (Submicron Device)로 게이트 산화막의 두께가 6nm 이하로 줄어들어, 플라즈마 손상은 디바이스의 신뢰성을 저하 시키는 중요문제로 다시 부각되고 있다.
[출처_포토공정_감광액(PR)도포하기) https://news.skhynix.co.kr/1859
반도체 공정 플라즈마 _ 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)
얇은 박막들은 현 VLSI회로 제조 공정에서 디바이스 내에서 도체, 금속배선 사이의 전기적 절연체 또는 주변과의 고립을 위하여 널리 사용되고 있다. 막 두께는 디바이스 전체 뿐만 아니라 웨이퍼 간에도 균일해야 하며, 박막의 구조와 조성은 재현성이 있어야 한다. 끝으로 박막 증착 방법은 안정성, 재현성, 쉬운 자동화와 가격경쟁력이 있어야 한다. 가장 널리 사용되고 있는 물질은 폴리 실리콘, 산화막, 질화막 등이 있다. 이러한 박막을 생성하는 방법들을 크게 APCVD(Atmospheric Pressure CVD), 그리고 PECVD (Plasma Enhanced CVD) 등이 있다. PECVD 기술은 SiN 과 SiO2 박막형성 뿐만 아니라 최근에는 천이금속이나 천이금속 실리사이드 형성에서도 널리 사용되고 있다.
- 플라즈마에서 이온과 라디칼 형성
- 라디칼 흡착
- 표면에 붙은 원자의 재 분포의 화학적 물리적 반응들로 이루어 진다
전형적인 PECVD 조건에서는 전자의 에너지가 충분히 작아 이온화 속도보다 라디칼의 형성속도가 빠르다. 또한 라디칼은 높은 협착계수를 갖고 있어 쉽게 표면에 흡착한 후 가장 안정된 site를 찾아 이동, 새로운 결합을 만들어 형성하게 된다. 때로는 외부 공정 변수에 따라 가스상태에서 핵 형성 반응이 일어나기도 하고, 플라즈마 내의 불순물은 핵 site로 작용, 불필요한 먼지 입자를 생성시킬 수도 있다. 일반적으로 PECVD 공정변수들은 기판온도, 가시조성비, 가스유량, 압력, 입력 파워 및 고주파수와 전극간격 등이다.
전형적인 PECPD 장치는 평형 평판형 구조를 갖고있으며, 웨이퍼는 접지 전근에 두어 이온 충돌에 의한 스퍼터링 효과를 최소화 시키고 있다. PECVD에 의한 박막특성은 증착 속도, 막막조성비, 밀도, 굴절률, 막 두께의 균일도, 응력 표면 Stepcoverage 과 에칭속도 등으로 평가한다.
[출처_SK Careers Journal 박막증착 공정] https://www.skcareersjournal.com/982
[출처_애노드_캐소드] https://m.blog.naver.com/PostView.naver?blogId=kore2758_&logNo=220287459144&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
[출처_플라즈마강화 CVD] https://www.firstnano.com/processes/plasma-enhanced-cvd-pecvd/
초고온 플라즈마 _ 핵융합에너지속 플라즈마
플라즈마(PLASMA)의 응용
실생활에서 활용되는 인공 PLASMA
[농식품 분야 활동] 플라즈마로 물을 처리하면 처리된 물이 살균 기능을 가진다. 농약으로도 사용가능, PLASMA를 이용해 토양 복원도 가능함.
[의료장비] 정밀해야할 수술기구의 변형을 막기위한 저온 플라즈마 멸균기술, 세포재생장비, 홈케어장비.
[인체의 세포에 영향] 플라즈마의 살균능력은 물체에만 국한되지 않고 인간 체내 세포들에게도 영향을 미친다. 아토피, 피부질환, 충치, 치아미백, 난치성 혈액암인 만성골수성백혈병의 치료제로 플라즈마 활용.(부작용없음)
[반도체 및 디스플레이 제조 기술] 이온 주입 공정, 식각 공정, 총 80프로 이상이 PLASMA를 사용함.
[코팅 절삭 기술] 이온 주입 공정을 통해 금속 표면의 강도를 획기적으로 증가 시킬 수 있어요. 또한 특수 기어, 절삭공구 등 내구성을 필요로 하는 금속재료의 표면강도를 증가하여 절삭력을 높일 수 있음.
[플라즈마 광원] LCD TV 그리고 PDP TV모두 PLASMA에서 발생되는 빛을 이용해서 TV로 사용 함.
[형광등, 네온사인] 방전에 따른 플라스마 상태에서 빛을 낸다. 고압 전류를 흘릴 때 PLASMA 상태에서 나오는 오존은 나쁜 냄새를 없애는 능력이 뛰어나 탈취제나 공기 청정기 등에 쓰임. 만일 쓰레기 소각장에 PLASMA를 이용한 장치를 설치한다면 굴뚝에서 나오는 해로운 가스를 없앨 수도 있음.
[PDP 텔레비젼] 핵심기술이 PLASMA, 유리 두 장을 포갠 틈새에 있는 작은 방에 네온과 아르곤 같은 가스를 채우고 전극에 전압을 가해 기체를 PLASMA 상태로 만든 다음 형광체가 원하는 색깔의 빛을 만든다.
[플라즈마 공기청정기] 공기를 살균한다. 살균과공기청정을동시에하는융복합제품.
[플라즈마를 이용한크리닝] 초미립자 플라스마 클리닝은 첨가제로 인해 처음 표면에 단단히 부착되는 가장 작은 먼지 입자까지도 플라스틱으로 부터 제거합니다. 도장 작업이나 코팅의 불합격률이 크게 감소함. 고품질의 정밀한 표면을 얻을 수 있음.
[플라즈마 처리 섬유] 섬유 코팅 시 접착성 증대, 소수성인 합성 섬유에 친수성 부여(폴리프로필렌), 발수,발유 및 방오 마무리 가공을 위한 전처리, 초소수성, 자가_세정 마무리 가공을 위한 전처리, 섬유의 염색성 향상, 섬유의 전기 전도도 개질.
[환경 개선] 플라즈마 기술을 해수 담수화, 폐수 처리, 악취 제거, 생활 폐기물 처리 등에 활용하여 우리의 환경을 개선할 수 있음, 또한 자동차 배기 가스를 정화 할 수 있다.
[핵융합] 인공태양, 핵융합장치는 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소를 플라즈마 상태로 만들고 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두고 유지, 제어하여 핵융합 반응이 지속적으로 일어나도록 만들어진 장치. 태양의 중심보다 더 뜨거운 1억도씨 이상 초고온 플라즈마를 만드는 기술이 핵심.
[실생활에 활용되는 인공플라즈마 (출처 | 국가핵융합연구소 _ 과학동아)]
플라즈마 표면처리_ 세정 https://www.plasmatreat.co.kr/plasma-treatment/plasma-pretreatment/plasma-cleaning.html
인쇄기 전처리용 플라즈마 표면처리 https://plusji.tistory.com/18
진보하는 플라즈마 처리 기술들 http://www.textilesol.kr/upload_file/T_TEXTILE_BOARD_NEW/S10000000619_0.pdf
[플라즈마 기술연구 사업]
플라즈마 기술연구 사업 _ 순수기초연구_ 용용개발, 신산업창출_ 목적기초 및 전략적 응용/원천연구 https://www.plasma.re.kr/submenu/board.php?bo_table=bo_63182
번개가 잦으면 풍년이 든다는 것이 사실일까?
인공 번개인 PLASMA FARMING 이용한 농업 기술
코로나19로 인한 식량안보 문제 _ 코로나19로 국가 간 이동이 제한되면서 다양한 분야에서는 글로벌 밸류체인(Value Chain, 가치사슬)이 붕괴될 수 있다는 우려가 현실로 다가오고 있다. 그 중에서도 가장 심각한 화두로 떠오르고 있는 것이 바로 식량안보에 대한 문제이다. 코로나 19로 곡물 수출 제한 조치가 각국에서 발동되고 있는 탓인데 이를 두고 글로벌 식량 전쟁이 급속화 될 것이라고 예견하는 전문가들도 많다. 안타깝게도 우리나라는 식량자급률이 아주 낮다. 한국농촌경제연구원 자료(2018년 기준)에 따르면 한국은 22.5%에 불과하다. 재난 발생시 식량 공급에 문제가 생기면 10명 중 2~3명 분량만 자급자족할 수 있다는 의미다.
여기에 구원투수로 떠오르고 있는 기술이 바로 플라즈마 파밍(Plasma Farming)_ 핵융합 발전 등 첨단산업에 주로 적용되던 플라즈마 기술이 농업 및 식품 분야에서도 활용도를 높이고 있다. 미래 혁신기술로도 주목받고 있는 ‘플라즈마 파밍(Plasma Farming)’에 대해 알아본다.
‘번개가 많이 치는 해에는 농사가 풍년이 든다’는 속담 _ 구전되는 옛말이지만 옛 선조들의 지혜가 엿보이는 과학적인 표현이다. 대기가 격렬하게 움직이면 그 속에서 얼음 알갱이들이 서로 부딪히며 정전기가 만들어지는데, 이때 위와 아래에 각각 양전하와 음전하가 몰리게 된다. 위, 아래의 서로 다른 전하가 부딪혀서 엄청난 에너지의 불꽃을 만들어내는 것을 번개라고 한다. 번개가 치면 공기 중의 질소가 이온화되어 빗방울에 녹아들고, 그 빗물이 땅에 스며들어 천연 질소 비료가 된다. 번개와 풍년의 등식이 성립되는 이유이기도 하다.
플라즈마와 번개의 연관성은 바로 전하의 분리에서 찾을 수 있다. 번개는 기체에 열을 가해 음전하와 양전하로 분리된 상태를 일컫는 플라즈마의 대표적 현상으로 볼 수 있다. 이 플라즈마를 농장에서 식탁에 이르는 농식품 전주기에서 적용할 수 있는 포괄적으로 응용하는 것을 두고 ‘플라스마 파밍’ 기술이라고 한다. 이를테면 번개를 인위적으로 생성해 농식품 산업 분야 연구에 활용한다고도 볼 수 있다.
종자 발아율 촉진은 물론 곰팡이 방지까지
농산품의 생산, 저장, 유통 뿐 아니라, 식품안전, 농식품 폐기물 처리 _ 다양한 산업에서 활용되고 있는 저온 플라즈마는 이온, 전자, 래디칼, 자외선(UV) 등 여러 가지 구성 요소들이 혼재 되어있는 상태로 각각의 특성을 활용하면 농식품 분야에서 다양하게 활용될 수 있다. 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터에서 바로 이 저온 플라즈마를 이용한 농식품 산업 기술 개발을 이끌고 있다. 현재 센터에서는 농산품의 생산, 저장, 유통 뿐 아니라, 식품안전, 농식품 폐기물 처리 등 농식품 산업 분야 고부가가치를 실현할 수 있는 다양한 플라즈마-농식품 융합 기술 개발을 위한 연구를 활발히 진행하고 있다.
‘플라즈마 기술 기반 스마트 저장 시스템’의 개발과 실증_ 유해미생물 살균, 숙성 억제 등 신선 농·축·수산·식품의 저장성 향상을 위한 통합솔루션 시스템으로, 실제 농가에서 실증이 완료되면 국내 농산품의 저장 및 수출에 유용하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 상하기 쉬운 농산품의 저장 유통 기한을 늘릴 수 있는 획기적인 시스템이기 때문에 식량 자원 측면에서나 환경오염 측면에서도 좋은 사례가 될 것으로 보고 있다.
플라즈마 수 처리 종자 실험실에서는 플라즈마 적용한 종자의 발아와 생육을 돕는 연구를 진행 중_ 지난 2017년에는 플라즈마를 이용해 새싹인삼 생장 증진 실험을 진행, 새싹인삼 씨앗을 플라즈마로 처리한 결과 초기 출아율이 일반 새싹보다 두 배 이상 높게 나온 것을 확인할 수 있었다. 초기 생장률도 50% 가량 향상됐으니 플라즈마의 효용성이 입증된 셈이었죠. 무엇보다 플라즈마로 처리한 새싹인삼은 일반 대조군에 비해 진세노사이드 등 인삼의 유용 대사체 함량이 1.6~2.5배 높았다. 이는 플라즈마를 통한 새싹인삼의 생장 증진이 실험적으로 확인된 세계 최초의 사례로 꼽히기도 했다.
의료 현장에서 돋보이는 PLASMA의 능력
PLASMA의 살균능력 _ 멈추지 않는 코로나19 바이러스 확산으로 여전히 많은 이들이 힘겨운 시간을 보내고 있다. 코로나19 사태를 계기로 마스크 착용, 손 소독제 활용 등 개개인의 위생 의식과 함께 공공장소나 의료 현장에서 바이러스 확산을 막기 위한 살균의 중요성도 높아지고, 여러 살균 방법이 있는 가운데 의외로 PLASMA의 원리를 활용하면 탁월한 살균 능력을 확인할 수 있다고 한다.
고온의 멸균기구를 쓰면 정밀해야 할 기구가 변형이 일어난다 _ 병원은 장소 특성상 병균이 존재하기 쉬운 곳이다. 하지만 면역력이 약한 환자들도 많아서 2차 감염을 막기 위한 예방이 필수적이다. 특히 인체 내부를 들락날락하는 수술기구는 멸균이 안되어 있으면 사용 자체가 불가능하다. 멸균이 제대로 되지 않는 수술기구를 사용할 경우 수술기구가 매개체가 되어 치명적인 감명 위험을 초래할 수 있기 때문이다. 이때 모든 균은 고온에 취약하여, 멸균은 통상 높은 온도에서 시행한다고 알려져 있지만, 수술 기구의 경우에는 고온의 멸균 기구를 쓰면 정밀해야 할 기구가 틀어지고 변형이 일어나기 쉽다.
저온 PLASMA 멸균기 _ 이를 막기 위해 개발된 저온 멸균법 중 가장 대표적인 것이 바로 플라즈마 상태를 활용한 저온 플라즈마 멸균기다. 저온 플라즈마 멸균기술은 플라즈마 내부에서 물질의 반응성이 극대화되는 원리를 이용한 것인데 50도를 넘지 않는 멸균 챔버 내부에 과산화수소 증기를 주입하여 과산화수소를 플라즈마화 하는 공정을 거친다. 이 과정에서 산화력이 매우 뛰어난 음이온인 수산기를 발생시켜 미생물의 세포막을 구성하고 있는 수소이온과 결합해 물로 되려는 성질을 가지는데 이때 수소를 잃어버린 미생물은 세포막이 파괴되어 결국 사멸돼 멸균 처리가 되는 것이다.
[국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터의 기술 이전으로 제작된 저온 플라즈마 멸균기 (출처:(주)헬스웰메디칼)]
전제제품속플라즈마기능어떤원리일까_ https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1127
인간의 체내 세포들에도 영향을 미치는 PLASMA
플라즈마의 살균 능력은 물체에만 국한되지 않는다. 놀랍게도 인간의 체내 세포들 에도 영향을 미친다.
아토피 _ 아토피와 같은 피부 질환을 치료하는 데 큰 도움을 주고 있다. 저온 플라즈마에 존재하는 활성 라디칼이 아토피의 주범인 황색 포도상구균의 세포벽과 작용을 해, 세포벽의 제기능을 잃어버리게끔 한다. 세포벽의 기능상실로 인해 황색 포도상구균인 박테리아가 점차 사멸하게 되어, 피부 질환이 완화되는 것이다.
기미제거_레이저로 하던 시술을 최근에는 플라즈마가 대신하고 있다. 수소와 탄소로 이뤄져 있는 피부 속 기미에 플라즈마를 쪼이면, 플라즈마 내부의 반응성이 큰 중성입자가 수소와 결합하는 원리를 이용한 결과이다. 수소의 결합으로 홀로 남게 된 탄소는 공기 중의 산소와 결합해 이산화탄소 형태로 날아가 버리고 결과적으로 기미를 분해하는 효과를 나타내기도 한다.
안전성 확보_ 하지만 이런 인체에 직접 사용하는 플라즈마 기기는 안전성 확보도 중요한 이슈로 꼽히고 있다. 플라즈마 발생 시 생성되는 오존 수치가 높을 경우 인체에 유해할 수 있어 이를 예방하기 위한 기준 설정과 준수가 필요하다는 의견도 있다.
여드름_살균 _ 플라즈마가 세균을 살균하는 효과가 있다고 알려져 있다. 큐티박테리아 여드름(Cutibacterium acne)균, 그 외에도, 남성 호르몬 과다, 피지과다, 염증과다, 각화증과다 등 플라즈마의 작은 번개를 활용하여 박멸할 수 있고, 여드름균 등이 사라지면 여드름을 쉽게 치료할 수 있다고 한다.
TDDS (Transdermal Drug Delivery System) _피부 세포를 연결하는 세포막을 일시적으로 흐트러지게 해서 피부재생 물질의 침투력을 높여줌.
토닝효과 _ 색소를 분해 멜라닌 색소 억제 및 색소침착 방지, 유효성분을 전달하여 색소를 예방.
피부재생 _ 콜라겐 및 섬유질 세포의 생성을 촉진, 피부 노화방지, 화장품 피부 침투력을 극대화 시켜 피부 재생에 도움.
[출처_ 신산업혁명플라즈마_YTN사이언스] https://www.youtube.com/watch?v=Q_QSVnje7PE
[오존이란]
오존은 무엇이며 어떻게 생성되는가? 일반적으로 산소 분자는 두 개의 산소원자로 구성되어 있는데 반해 오존분자는 세 개의 산소원자로 구성되어 있다. 오존은 무색무미의 자국성 있는 기체로서 공기보다는 약간 무겁고 물에는 잘 녹지 않는 성질을 가지고 있으며 자동차 배기가스 및 공장 배출가스 증에 함유된 질소산화물(NOx), 한화수소류(HCs)등이 강한 태양광선중 자외선에 의해 광화학 반응을 일으켜 생성되며, 햇빛이 강하고 맑은 여름철 오후 2-5시경에 많이 발생하고, 특히 바람이 불지 않을 때 더욱 높게 나타난다.
[생명을 지켜주는 오존]
지구에 존재한 전체 오존의 90프로는 지상 약 10-50 km 사이에 있는 성층권내의 오존층에 밀집되어 존재하고 있다. 이 오존층은 태양광선 중 생물체에 해로운 자외선을 95-99프로정도 흡수하여 지구상의 인간과 동식물의 생명을 보호하는 경이로운 보호막 역할을 하고 있어, 이러한 현상은 자연의 오묘한 신비중 하나라고 하겠다. 만약, 이 오존층이 없다면 태양으로부터 강력한 자외선이 직접 지표에 도달하여 우리 피부에 닿음으로써 피부암을 일으키고, 자연생태계에 중대한 영향을 미칠 것이다.
그러나 문제는 1970년 이후부터 오존층의 오존함량이 계속 감소하고 있는데, 그 원인은 냉장고나 에어컨의 냉매제, 헤어스프레이용 분무제 등으로 쓰이는 프레온가스류에 의해 파괴되고 있기 때문이다. 이제 우리 모두 보이지 않는 보호막 오존층의 고마움을 깨우쳐 프레온가스 사용을 자제하고, 긴규대체물질 개발등을 적극추진하여 오존층 보호에 노력하여야 하겠다.
[피해를 주는 오존]
지표로부터 10 km 이내의 대류권에는 나머지 오존 10프로가 존재하고 있으며, 오존은 강력한 산화력이 있기 때문에 적당량이 존재할 때는 살균, 탈취 등의 작용으로 인간에게 이롭게 사용됩니다. 그러나 오존농도가 일정기준이상 높아질 경우 호흡기나 눈이 자극을 받아 기침이 나고 눈이 따끔거리거나 심할 경우 폐기능 저하를 가져오는 등 인체에 피해를 주기도 하고, 농작물의 수확량 감소를 가져오기도 합니다. 이러한 오존으로부터 피해를 줄이기 위해서는 가급적 자동차 운행을 줄이고, 대중교통시설을 이용하며 장기적으로는 무공해 자동차 개발을 서두르는것이 필요하다.
출처|보건환경연구원_오존이란? https://www.incheon.go.kr/ecopia/EC040303
PLASMA기능 + LED 등 융복합 미용기기 제품 다수 등장
[플라닉 플라즈마+갈바닉 하나로 진동 화장품 흡수율 상승 피부관리기 미용기기 홈 뷰티디바이스용 (출처:attibe)]
[피부고민에 맞는 LED광선찾기 | LED 마스크는 광이 피부 내에서 생화학적 반응을 촉진하는 원리를 이용해 손상된 피부를 치료하는 광선요법을 사용한 제품이다. 특정 파장의 LED 광원을 피부에 쬐면 조직이나 눈손상 없이 소염, 진통, 항알레르기, 국소부위 혈액순환 촉진 등 다양한 효과를 낸다. 또한 콜라겐과 엘라스틴의 생성을 촉진해 피부 탄력을 살리고 주름이 생기는 것을 막아준다]
동안피부 도우미 LED 마스크 http://dpg.danawa.com/mobile/news/view?boardSeq=63&listSeq=3654479
[출처 _UVA 진피까지 침투해 피부노화 촉진 _UVB는 표피세포 공격 피부암 일으켜] https://www.hankookilbo.com/News/Read/201805241301336526
[출처 _ 한국일보_ 그렇구나 생생과학 UVA/UVB관련 빛의 스펙트럼 ]
치의학 분야에서도 활용되는 PLASMA
저온의 플라즈마를 활용해 충치를 치료 _ 박테리아가 상아질이라 알려진 치아 안쪽 부분으로 들어오며 생기는 게 바로 충치이다. 이때 저온의 플라즈마를 활용해 충치를 치료하면, 상아질을 보존하는 동시에 세균성 생물막을 파괴할 수 있도록 한다. 무엇보다 가장 큰 장점을 통증 없이 박테리아를 제거해, 환자들의 공포를 줄여준다는 점이다.
치아 미백 시술 활용되는 플라즈마 _ 플라즈마-유도 자외선 광분해과정에서 발생한 활성산소의 산화력은 치아 변색물질을 안전하게 제거해주어, 치아 미백 시술에도 활용되고 있다.
[저온 플라즈마 활용한 충치 치료로 통증없이 박테리아 제거, 치아미백시술 활용]
일상 속 모르고 지나쳤던 PLASMA의 재발견 미세먼지의 습격 이후로 필수 가전제품으로 떠오른 공기청정기에서도 플라즈마 기능 _ 우리 생활에서 사용되는 플라즈마는 대부분 직류 방전을 이용해 만들어 진다. 직류 방전은 양극과 음극, 두 판을 만들고 이 사이에 전압을 가해주어 일으키는 방전으로 플라즈마를 발생시키는 방식이다. 직류 방전을 전류-전압 관계에 따라 암방전, 글로우 방전, 아크 방전으로 나뉜다. 암방전 중에서도 상대적으로 전류가 높은 영역을 코로나 방전이라 부른다.
공기청정기 내부의 집진 장치는 이 코로나 방전 현상을 이용해 공기를 정화하는데, 전자가 공기 중의 입자에 부착되면 입자들이 음전하를 띠게 되고, 전하를 띤 먼지 입자는 정전기적 인력에 의해 반대 전하가 걸려있는 집진판으로 이동하여 들러붙어 유해 물질을 제거한다.
의류관리기 | 플라즈마 이온이 발생하고, 의류에 흡착하여 유해물질과 결합하여 제거 _ 최근 옷장에 간단히 걸기만 해도 살균과 탈취를 해주는, 의류 관리기도 이와 비슷한 원리를 갖고 있다. 오염된 옷을 의류 관리기에 넣고 작동시키면 안에서 반응성 높은 플라즈마 이온이 발생하고, 의류에 흡착하여 유해물질과 결합하여 제거하는 것이다.
여기서 핵심 원리는 간단한다. 바로 큰 에너지를 가지고 있는 플라즈마 입자가 대기 중이나 옷에 붙어 있는 유해물질을 분해한다. 이렇게 플라즈마를 이용해 유해물질을 분해하면 옷에 묻은 인플루엔자 바이러스, 코로나바이러스, 휘발성 유기화합물까지 제거돼 톡톡한 살균 효과를 누릴 수 있다. 또한 의류 과리에서 방출되는 플라즈마가 정전기를 완화시키는 효과가 있어 의류의 손상 예방에도 도움을 준다.
[의류관리기, 공기청정기, 공기살균기, 신발살균기]
얇게 더 얇게_ 플라즈마로 만드는 얇은 세상
얇고 가늘고 가벼운 게 대세인 세상이다. 신형 스마트폰이나 TV, 노트북이 나오면 얼마나 얇고 가벼운가부터 자랑한다. 반도체는 특히 그렇습니다. 밀리미터(mm)에서 마이크로미터(μm), 심지어 나노미터(nm)의 두께로 경쟁한다.
마이크로미터(1μm=100만분의 1m) 이하의 ‘박막’을 넘어 나노미터(1nm=10억분의 1m) 두께의 ‘초박막’이 세상을 바꾸고 있다. 관건은 표면을 얇게 하면서도 소재와 제품의 성질을 그대로 유지한다. 그 중심에 플라즈마가 있다. 얇고 가늘고 가벼우면서도 고성능의 소재와 제품을 가능하게 하는 플라즈마, 얇은 표면 위에서 펼쳐지는 플라즈마의 활약상을 만나보자.
[더 얇고 가늘게 만드는 초박막의 세계에서 플라즈마는 필수적인 기술이다. (사진 출처=SAMCO, Inc.)]
반도체 웨이퍼·식각 등의 박막 가공
얇고 가는 것이 경쟁력을 좌우하는 대표적인 분야는 반도체 _ 반도체 제조 필수 공정 가운데 하나인 식각(Etching)은 반도체 집적회로의 핵심 소재인 웨이퍼에 불필요한 부분을 제거해 반도체 회로 패턴을 만드는 공정입니다. 여러 층의 얇은 막에 반도체 회로 패턴을 형성하게 된다.
미세한 작업을 가능하게 하는 것이 바로 플라즈마 기술 _ 얇고 작은 기판에 얼마나 많은 회로를 집적화 할 수 있느냐가 제품의 품질과 경쟁력을 좌우한다. 최근 반도체 기술은 나노 스케일로 집적화 되고 있다. 미세한 가공을 통해 수율 (결함이 없는 합격품의 비율)을 높이기 위한 대표적인 방법이 플라즈마 식각이다. 웨이퍼 상의 얇은 막에서 이루어지는 만큼 식각은 균일도와 속도가 중요하다.
웨이퍼 | 최근에는 이 두께를 수십μm 단위로 얇게 해 여러 층 쌓아 올리는 방식이 시도되고 있다 _ 이에 앞서 반도체 기판이라고 할 수 있는 웨이퍼 제조 공정도 얇은 박막의 세계에서 이루어지는 일이다. 과거에는 웨이퍼의 두께가 밀리미터 단위였지만, 나노급 반도체가 등장하면서 마이크로미터, 나노미터 단위로 얇아졌다. 직경 300mm 웨이퍼의 두께는 0.8mm 정도였는데 최근데는 이 두께를 수십μm 단위로 얇게 해 여러 층 쌓아 올리는 방식이 시도되고 있다.
웨이퍼를 정밀하게 자를 때 플라즈마 기술을 이용 _ 웨이퍼는 실리콘 등의 소재로 만든 단결정 기둥(잉곳. Ingot)을 얇게 자른 원판이다. 잉곳을 얼마나 얇고 매끄럽게 원판형의 웨이퍼로 자르냐 역시 반도체의 품질을 좌우한다. 당연히 일반 칼이나 톱은 사용할 수 없겠죠?ㅋㅋ 그래서 다이아몬드 톱이나 레이저, 최근에는 플라즈마 기술을 이용한다.
[반도체는 플라즈마를 이용한 공정이 70%에 달함]
10nm 수준의 나노반도체 공정 | 초정밀, 초박막공정
반도체나 디스플레이 등에서 플라즈마를 활용한 공정은 보통 10nm 수준 - 이렇게 작은 크기에 얼마나 많은 집적회로를 넣느냐가 반도체의 경쟁력을 좌우함 _ 플라즈마를 비롯해 장비 내부의 가스와 물질이 어떤 상태이고, 어떤 상황에서 최적의 성능을 발휘하는지 정확한 측정과 해석이 중요하다. 또 얇은 기판을 여러 겹 겹쳐 만들기도 한다. 대부분 머리카락 굵기의 100~1,000분의 1에 해당하는 나노미터 단위의 미세공정으로 이루어진다.
그런데 나노급 반도체 칩을 연결하는 구멍(Contact hole)은 조금이라도 삐뚤어지거나 오차가 발생해도 제대로 성능을 발휘하기 어렵다. 이러한 구멍을 뚫는 작업은 플라즈마 외에는 다른 방법이 없다. 이런 반도체 공정에 쓰이는 장비는 플라즈마의 물성을 정확하게 분석하고 제어할 수 있어야 한다.
플라즈마 기술연구센터에서는 산학연협력연구를 통해 반도체 핵심 제조공정에 필요한 3차원 공정 해석 시뮬레이터와 플라즈마 물성 데이터베이스(DB) 국산화에 성공 _ 과거에는 계산 시간의 한계로 실제 공정 예측이 불가능 했지만, 다년간의 공동 연구를 통해 이를 극복할 수 있는 기술을 확보하였습니다. 현재도 여러 반도체 칩 제조 회사에서 핵심 공정 해석에 개발된 시뮬레이터가 활용되고 있으며, 칩 개발에서 발생하는 난제를 해결하기 위한 도구로 활발히 활용하고 있다.
[작은 크기에 얼마나 많은 집적회로를 넣느냐가 반도체의 경쟁력을 좌우한다. (사진 출처=삼성반도체)]
얇은 표면 도포하는 증착 기술 갈수록 중요
이와 함께 반도체 집적소자의 크기가 점점 작아지고 형상이 복잡해지면서 균일하고 얇은 두께의 박막을 도포할 수 있는 증착 기술이 중요해지고 있다. 얇은 박막에는 구조가 복잡해도 균일하게 증착 되는 도포성 뿐만 아니라 반도체 소자에서 요구되는 전기적 특성이 요구된다. 기존의 물리적·화학적 증착 기술로는 이렇게 까다로운 요구 조건을 충족하기 어렵다.
- 플라즈마 화학증착(PECVD. Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)
- 플라즈마 원자층증착(PEALD. Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition)
방식 등을 최근에는 주로 사용한다.
두 방식 모두 사용하고자 하는 기판에 다양한 막을 만드는 기술로 PECVD의 경우 태양전지와 액정 디스플레이 등에 응용되고 있다. 이와 함께 여러 종의 막을 제작하거나 다이아몬드 막, 나노튜브 등의 신소재 제조에도 사용된다. PEALD 공정 기술 역시 반도체 소자의 패커시터 절연막 공정에서 좋은 결과를 얻고 있다. 디스플레이 소자 등의 절연막, 금속 배선의 금속 확산 방지막, 접착 박막 등에도 적용된다.
플라즈마를 이용해 고체 표면에 막을 형성하는 공정은 액체를 이용하는 습식 공정에 비해 많은 장점이 있다. 무엇보다 기체를 이용하는 만큼 약품 처리가 필요하지 않고 배기가스 처리 등의 공기오염 문제가 적다. 또 저온에서도 높은 화학반응을 얻을 수 있다. 이와 함께 이온을 쏘는 방향에 따라 원하는 모양으로 식각을 할 수 있다. 이것은 특히 높은 정밀도의 가공을 필요로 하는 전자 장치 제작에 적합하다.
[플라스마 화학증착(PECVD, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 이라고 불리는 기술은 사용하고자 하는 기판에 다양한 막을 만드는 기술로서 태양전지와 액정 디스플레이에 응용되고 있다. (사진 출처=NANO-MASTER, Inc.)]
갈수록 얇고 정밀해지는 플라즈마 표면처리
플라즈마 표면처리 기술 _ 을 이용해 국가핵융합연구소에서도 다양한 연구 결과를 도출하고 있다. 연구진은 고품질·고수명의 OLED 소자를 제조할 수 있는 플라즈마 결합 증착 장치를 개발했다. 이 장치는 박막 밀도와 표면 특성이 우수해 OLED 제조 공정에서 고순도·고품질의 음극용 박막을 생성할 때 사용할 수 있다. 무엇보다 OLED 소자의 품질과 성능을 향상시킬 수 있는 것이 강점으로 꼽힌다.
플라즈마 발생 과정에서 사용하는 중성입자빔을 이용해 저온 LED 제조 장비 및 공정을 개발했다 _ LED는 에너지 소모가 적으면서도 가볍고 수명이 길어 조명은 물론 신호등, 반도체, 디스플레이 등에서 널리 활용되고 있다. 일반적으로 LED는 기판 위 단결정 박막 형성을 위해 고온 공정에서 기판을 제조한다. 하지만 기존의 단결정 박막 형성은 1,000℃ 이상의 고온이 필요하므로 기판이 구부러지거나 박막이 손상되는 문제가 발생하기도 했다.
이때 플라즈마 발생 시 사용하는 중성 빔을 이용하면 기판을 손상하지 않고도 LED 소자를 비교적 간편하게 제작할 수 있다. 플라즈마기술연구센터 연구진이 개발한 저온 LED 제조 장비 및 공정 기술을 사용하면 기판 온도를 충분히 낮춤으로써 기판과 박막의 손상을 막고 불필요한 원소의 확산을 막을 수 있다.
[LED·OLED 등의 가공 공정에도 플라즈마 기술이 필수적이다.]
900t 초대형 장치 표면에 5μm 두께 은도금
이처럼 플라즈마는 박막, 초박막 등 얇은 표면 작업이 필요한 산업 분야에서 효자 노릇을 톡톡히 하고 있다. 반도체를 비롯해 LCD, LED 등 첨단 IT 산업부터 의료, 섬유 등 다양한 분야에서 된다. 특히 반도체 제조의 70% 이상의 공정에서 플라즈마를 직·간접적으로 사용하고 있다.
물론 작은 세상에서만 얇고 가는 게 중요한 것은 아니다. 900t의 대형 구조물에 마이크로미터 두께의 도금을 입히기도 한다. 우리 나라는 7개국이 공동 건설하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 열차폐체(Thermal Shield)를 100% 독점 공급 한다.
열차폐체는 이름에서 알 수 있듯 핵융합 장치 구조물로부터 초전도자석으로 전달되는 열을 최소화하는 역할을 담당한다. 높이와 직경이 각각 25m, 전체 표면적 1만㎡, 무게 약 900t에 달하는 초대형 구조물이다. 열차폐체의 표면에는 열전달을 막기 위해 은을 얇게 입히게 된다. 은도금 두께는 5μm 정도에 불과하다.
“얇게, 더 얇게!” 최근 우리 생활에 파고드는 첨단 제품들의 구이다. 그 구호를 가능하게 하는 일등공신은 플라즈마이다. 반도체와 디스플레이를 비롯해 나노, 환경, 농·식품 등으로 활용 범위를 넓히고 있는 팔방미인이다. 눈에 보이지 않는 얇은 막이 제품의 성능과 품질을 변화시키듯 세상을 변화시키는 플라즈마의 더 큰 활약을 기대한다.
[국가별 ITER 조달 품목. 열차폐체(Thermal shield)는 한국이 전량 독점 공급한다.(사진 출처=ITER)]
참조 | 네이버 지식백과 | 재미있는 미래과학이야기 - 플라스마 https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2842415&cid=47309&categoryId=47309
전기가 통하는 기체 플라즈마는 무엇일까 https://if-blog.tistory.com/5169
자연이 만든 플라즈마 발생장치 포도알 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=28029
번개가 잦으면 풍년이 든다는 것이 사실일까 https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1138
신소재 경제 http://amenews.kr/m/view.php?idx=16660
플라즈마의 응용 https://www.cheric.org/files/research/ip/p200805/p200805-301.pdf
플라즈마 기술의 농식품 분야 활용 http://www.kvs.or.kr/file/story/2015_12_02.pdf
실생활에서 활용되는 플라즈마 https://www.plasma.re.kr/submenu/board.php?bo_table=bo_
58801&sca=%EC%8B%A4%EC%83%9D%ED%99%9C%EC%97%90%E
C%84%9C+%ED%99%9C%EC%9A%A9%EB%90%98%EB%8A%94+%
ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%A6%88%EB%A7%88
피부에 사용하는 플라즈마 발생 의료기기에 대한 허가심사 가이드라인[민원인안내서]
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.khidi.or.k
r%2FfileDownload%3FtitleId%3D449706%26fileId%3D2%26fileDownType%3DC%
26paramMenuId%3DMENU01499&psig=AOvVaw3SmYq7VBR4bbE3iCHWmjYM&
ust=1621594481608000&source=images&cd=vfe&ved=0CAMQjB1qFwoTCP
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4th Industrial Revolution, Technology | May,2021
천의얼굴 PLASMA
기존에 있던 제품이라도 PLASMA가 들어가면 마술을 부린 듯 첨단기기로 바뀌는 양상이다.
PLASMA 기술을 이용한 제품들이 많이 쏟아져 나오며 일상의 편리함을 주도하고 있다.
디자이너들이 그 기능의 속성을 정확히 파악해야만 진정한 디자인을 할 수 있다.
PLASMA에 대해서 탐구해 보고자 한다!
본 자료는 한국핵융합에너지연구원 정보공개 자료에서 주로 참조하였습니다.
PLASMA WHAT?
일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체의 세 가지로 나뉜다. 거기에 덧붙여 PLASMA를 제 4의 물질 상태라고 부른다. 고체에 에너지를 가하면 액체. 기체로 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 원자속의 전자가 분리되어 플라스마 상태가 된다. PLASMA를 만들려면 흔히 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 PLASMA를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 이런 상태를 유지하도록 해야 하며, 인공적으로 만들기는 쉽지 않지만 우주 전체의 99퍼센트가 PLASMA 상태라고 할 수 있다.
[물질의 세 가지 상태와 플라즈마(출처:에듀넷)]
PLASMA의 역사
물리학에서는 플라즈마를 상호작용하는 하전입자의 집단이라고 정의한다.
플라즈마가 연구되기 시작한 것은 1808년 아크등을 개발한 영국의 화학자 험프리 데이비와 1830년대 전기 아크와 직류 방전을 연구한 영국의 물리 화학자 마이클 패러데이 등에 의해서이다. 아크등은 탄소 전극 사이에서 방전을 일으켜 주위의 공기가 이온과 전자로 분리되는 플라즈마 상태의 아크 방전을 사용해 빛을 내는 전등이다.
아크 방전은 기체 속에서 생기는 방전의 일종으로, 전극 사이에 비교적 낮은 전압과 큰 전류를 내보낼 때 전극이 가열되어 전자를 방출하며 강렬한 빛을 내는 현상이다. 음극과 양극 사이는 고온의 플라즈마로 연결되어 큰 전류가 흐르게 된다.
하전입자 _ 전기적으로 양성이나 음성 전하를 가진 이온입자. 이를 테면 이온, 양성자, 전자 등, 양 또는 음의 전하를 가진 입자이다. 전자, 양전자, 양음의 이온, 양음의 중간자 등이 있다.
이온 _ 원자핵 주위에 있는 전자 중에는 다른 원자로 쉽게 이동할 수 있는 것이 있다. 전자의 이러한 성질 때문에 어떤 원자는 전자를 다른 원자에게 주기도 하고, 다른 원자로부터 전자를 받기도 한다. 원자가 전자를 잃으면 (+)전자를 띠고, 전자를 얻으면 (-)전하를 띠게 됨으로써 이 입자를 이온이라고 한다.(+)전하를 띤 입자를 양이온, (-)전하를 띤 입자를 음이온이라고 한다.
플라즈마라는 용어가 처음 등장한 것은 1928년 어빙 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881-1957) 노벨상 수상자에 의해서이다.
원래 프라즈마라는 용어는 생물학이나 의학에서 먼저 널리 쓰이고 있었다. 랭뮤어는 글로우 방전으로 만들어지는 이온화된 기체가 특이한 성질을 나타내는 것에 착안하여 플라즈마라는 이름을 붙였다. 글로우 방전이란 매우 낮은 압력에서 기체를 채운 방전관에 전극을 놓고 높은 전압을 가하면, 전류가 흐름에 따라 희미한 빛이 발생하는 상태를 말한다. 플라즈마는 그리스어로 틀에 부어 만들어지는 상태를 뜻한다. 당시 그리스어에 능통한 랭뮤어가 방전으로 빛나는 부분의 모양이 방전관의 형태에 따라 변하는 것을 파악하고, 이를 표현하기 위해 플라즈마라는 용어를 선택한 것으로 예측된다. 우주나 자연에서만 관찰되던 플라즈마를 실행활에 응용하기 시작한 것은 19세기 전기 아크에서 발생하는 빛을 광원으로 사용하는 아크등이 등장하면서부터라고 할 수 있다. 그러나 효율성과 편리성을 갖춘 백열전구의 등장으로 높은 직류 전류를 수성하여 사용하는 아크등은 점점 사라지게 된다.
어빙 랭뮤어(Irving Langmuir, 1881-1957) 노벨상 수상자_ 미국의 물리화학자. 컬럼비아 대학교에서 금속공학을 공부하였고, 괴팅겐 대학교의 발터 네른스트의 지도 아래 물리학을 공부하였다. 1906년에 박사학위를 받은 후 미국으로 돌아와 1909년까지 스티븐스 기술연구소에서 화학 관련 강의를 하였고, 1909부터 1950년까지 제너럴일렉트릭 사의 연구원으로 재직하였다. 기체 안에서의 방전현상, 전자방출과 텅스텐의 고온 표면화학에 관한 연구로 필라멘트 전구의 수명을 늘리는 데 기여하였다. 또한 독자적으로 원자구조와 화학결합 형성에 관한 이론을 발표하였고, 공유원자가 라는 용어를 만들었다.
출처 | https://handwiki.org/wiki/Biography:Irving_Langmuir
출처|한국과학영재학교_백열전구_형광등_LED는 어떻게 다를까?
https://www.ksakosmos.com/post/%EC%A7%80%EC%8B%9D%EB%8D%94%ED%95%98%EA %B8%B0-%EB%B0%B1%EC%97%B4%EC%A0%84%EA%B5%AC-%ED%98%95%EA%B4%91 %EB%93%B1-led%EB%8A%94-%EC%96%B4%EB%96%BB%EA%B2%8C-%EB%8B%A4%EB% A5%BC%EA%B9%8C
출처_STA화학노트_원자가결합이론 (Valence Bond Theory, VBT) https://stachemi.tistory.com/169
PLASMA 상태 | 제4의 물질 상태
PLASMA - 기체의 온도가 2000도쯤 올라가면 가스 분자가 쪼개져 원자 상태가 되고, 약 3,000도에서는 원자에서 전자가 떨어져 나가 이온화가 된다. 이런 상태의 가스를 PLASMA 라고 한다. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띄게 된다.
[우주] PLASMA 상태의 입자가 지구 자기장에 이끌려 대기 속으로 흘러 들어가는 과정에서 대기의 원소와 충돌 했을 때 발생하는 에너지가 빛으로 전환되는 현상.
[태양] 태양에서는 PLASMA 상태에서 수소 핵융합 반응이 일어난다. 수소와 수소가 합쳐지면서 많은 열을 낸다. 열이 빛으로 바뀌기 때문에 태양은 항상 빛이 나며, 지구로 오는 빛 에너지는 태양이 방출하는 빛 에너지 중 1/20억 밖에는 안 전달된다.
[오로라] PLASMA 상태의 입자가 지구 자기장에 이끌려 대기 속으로 흘러 들어가는 과정에서 대기의 원소와 충돌했을 때 발생하는 에너지가 빛으로 전환되는 형상이다.
[번개] 자연에서 볼 수 있는 대표적인 PLASMA 현상으로 대기 중에서 발생하는 방전 형상의 일종이다.
[혈장, 원형질] 피의 성분인 혈장도 PLASMA 라고 한다. 그리고 생물학에서도 원형질을 PLASMA라고한다.
PLASMA의 여러가지 성질
1. 고온이기 때문에 입자의 운동에너지가 크다.
2. 거대한 폭발력_우주의 높은 온도나 압력 상태에서 만들어진 PLASMA는 거대한 폭발력을 지님. 플라즈마의 놀라운 폭발력은 우주로 가는 길을 열 수 있다. 또한 핵융합 에너지를 만들어 내는 인공태양도 따지고 보면 우주의 PLASMA를 인공적으로 만들어내려는 것임
3. 전하를 갖는 입자들의 집단이기 때문에 전도성이 높아 금속처럼 전기를 잘 통한다.
4. 화학적으로 활성화시켜 반응성을 높일 수 있다.
5. 빛을 발하기 때문에 네온사인과 같이 광원으로도 활용할 수 있다.
[플라즈마가 내는 빛 _ 플라즈마 램프 / 태양의 모습 / 번개현상 / 오로라 현상 (출처:에듀넷)]
https://www.youtube.com/watch?v=AXXQa7_9aTA&t=381s
PLASMA는 크게 세 종류로 나눔
태양이나 오로나 같이 지구 대기권 밖에 있는 우주 플라즈마, 공장이나 실험실에서 주로 쓰는 산업 플라즈마(저온·열플라즈마), 핵융합 반응을 유도하는 초고온 플라즈마. 이것들이 존재하는 영역은 온도가 1K에서 1010K까지, 밀도는 1개/cm3 에서 1030 개 /cm3 까지 범위가 아주 넓다. 플라즈마 엔지니어링을 하기 위해선 환경조건에 따라 달라지는 플라즈마의 특성을 잘 이해하는 것이 중요하다.
1. 우주플라즈마 : 극저온 또는 극 고온, 극 저밀도 또는 극 고밀도의 플라즈마. 99%를 채우고 있다.
2. 산업 (저온·열플라즈마) : 원자의 일부가 원자핵과 전자로 분리되고 일부는 중성입자 (라디칼)가 된다. 온도와 밀도에 따라 플라즈마 특성이 버라이어티하게 달라진다.
3. 핵융합(초고온 플라즈마) : 원자가 대부분 원자핵과 전자로 분리되 있어 전기 전도도가 무한대에 가깝다.
[플라즈마 어디에나 있다 (출처:국가핵융합연구소_과학동아_2016.5월호)]
OH라이칼_ 지구상에서 가장강한 살균력 http://samsungrtc.com/ohradical
네이버생화학백화_라디칼(RADICAL) https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5733281&cid=60266&categoryId=60266
산업적으로 이용이 활발한 플라즈마
산업적으로 사용되는 플라즈마는 저온 플라즈마와 열 플라즈마로 나눌 수 있다.
열 플라즈마는 금속의 절단 등에 응용하고 있다. 저온 글로우 방전 플라즈마로서 반도체 공정에서 플라즈마 식각 및 증착 (Plasma Etch) (PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리 신물질의 합성 등에서 이용되고 있으며 공정의 미세화 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다.
열 플라즈마 (Thermal Plasma)
열 플라즈마 (Thermal Plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자로 구성된 기체로 구성입자가 1,000~20,000℃와 100~2,000m/s를 갖는 고속의 제트 불꽃형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고영용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열 플라즈마의 특성을 이용하여, 재래식 기술에서는 만들 수 없는 다양하고 효율적인 고온 열원이나 물리화학 Reactor(원자로)로 사용되어, 여러 산업분야에서 이용 되고 있다. 열 플라즈마의 대표적인 발생 법으로서는 직류 또는 교류 Arc 방전을 발생하는 플라즈마 장치와 고주파 (Radio Frequency) 자장에 의한 플라즈마가 주로 이용되고 있다.
열 플라즈마 발생방법 _ Arc 방전을 발생하는 플라즈마 장치
아크방전을 이용한 극간의 직류 또는 교류 또는 아크방전에 의해 기체를 플라즈마화 하는 방법은, 플라즈마를 노즐상의 전극으로부터 고속 고온의 제트로서 분사시키는 플라즈마 토치(Torch) 형식이 다양하게 고안되어 실용화되어 있다. 1950년대 초기에 현재 사용되고 있는 Torch의 기본적 구조가 거의 확립되었고, 이후 플라즈마 공정의 발전에 큰 공헌을 하고 있다. 가장 일반적인 형태는 제트 방식인 비이송(이행)식 (Non-Transferred Type)으로 텅스텐 음극봉과 동 양극 노즐 간의 직류 아크 방전을 이용하는 것과 관 형태의 동 전극간의 직전 또는 교류 아크방전을 이용하는 것이 있다. 자계를 인가해서 전극상의 아크 점을 회전 이동시켜서 전극의 손실을 방지하고 부수적으로 플라즈마를 회전시키는 것도 가능하며 메가와트급의 출력의 토치가 개발되고 있다. 대상물을 양극으로 만들고 토치의 음극에서 직접 아크를 집중하는 방식도 있으며, 이것, 이송(이행)식 (Transferred Type)이라 불린다.
[아크방전의 활용]
아크방전은 아래와 같이 산업에 많이 응용되고 있다.
금속용접 / 플라즈마 절단 / 영화상영기 등에 사용되는 고출력 아크등(arc lamp) / 전기 아크용광로 (electric arc furnaces)
[참조 _ 네이버 지식백과] 아크방전 [Arc discharge] (물리학백과)
각국의 가스화를 이용한 폐기물소각 및 바이오매스의 신규청정 용도 공략에 이용되는 플라즈마
[출처_영국의저탄소화를위한에너지기술연구소}
https://www.eti.co.uk/insights/targeting-new-and-cleaner-uses-for-wastes-and-biomass-using-gasification
[출처_TARGETING NEW AND CLEANER USES FOR WASTES AND BIOMASS USING GASIFICATION]
https://d2umxnkyjne36n.cloudfront.net/insightReports/Targeting-new-and-cleaner-uses-for-wastes-and-biomass-using-gasification.pdf?mtime=20170623145223
[출처_sagebrushpl_ 재생에너지회사 / 수소 및 가스 혼합 장비 / 유틸리티 백업장비]
https://sagebrushpl.com/aether-corporate/
[출처_IOP SCIENCE / 생물 물리학, 자기, 플라즈마, 반도체, 에너지 재료 및장치에서 물질의 구조와 특성에 이르기까지 응용물리학 연구 국제 저널]
https://iopscience.iop.org/journal/0022-3727
열 플라즈마 발생방법 _ 유도결합 플라즈마 장치
고주파 유도방전을 이용한 무전극형이고, 통상 바깥쪽에 코일을 감은 석영관 내에 방전부가 존재한다. 코일에 고주파전류를 흘리면, 같은 주기로 변화하는 유도자계와 함께 유도전류가 방전부에 흘러 저항열이 발생해서 열 플라즈마 상태가 정상적으로 유지된다. 이러한 고주파 열 플라즈마는 유도결합 플라즈마 (Inductively Coupled Plasma)라고 하며, 고주파 유도 플라즈마를 발생시키는 석영관 토치의 원형은 1960년대 초기에 발표된 이후로 그 구조에는 기본적인 변화가 없으나 다양하게 개발되어 현재 정평이 있는 토치가 개발, 시판되고 있다. 최근에 질화 붕소관을 이용한 토치도 개발되고 전원도 진공관방식에 더해, 효율 좋은 트렌지스터 방식이 개발되고 있다.
출처_유도결합플라즈마발생방법
https://www.emag.com/kr/machines/hardening-systems.html
https://www.emag.com/kr/machines/hardening-systems/vlc-100-ih.html
열 프라즈마 응용
저온 플라즈마 (Cold Plasma)
일반적으로 저온 플라즈마는 반도체 제조, 금속 및 세라믹 박막제조, 물질합성 등 다양한 활용성을 가지고 있는데, 대부분 저압에서 생성된다. 상압 비평형 플라즈마는 대기압에서 저온의 플라즈마를 얻음으로써 진공유지, 처리물 장입과 관련된 장비 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 배연가스 처리 및 공기청정과 같이 분야도 더 넓다. 상압 비평형 플라즈마는 펄스 코로나방전과 유전체 장벽방전으로 주로 발생된다.
상압 플라즈마의 발생은 대기압 하에서 다양한 방법의 전기방전을 이용하되, 전자 에너지의 세기가 이온 및 중성입자 등의 에너지 보다 높게 유지되도록, 즉, 플라즈마가 비평형 상태를 이루도록 한다. 전체적인 플라즈마의 온도는 상온~1,000K인데 반해, 전자의 온도는 10,000K-100,000K가 유지됨으로써 다양한 플라즈마 화학반응 및 표면처리의 응용에 적합한 방전이 가능하다.
상압플라즈마를 구현하는 방법으로는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD), 코로나 방전 (Corona Discharge), 마이크로웨이브 방전 (Microwave Discharge), 아크방전 (Arcdischarge)등의 기술이 있다. 이 중 유전체 장벽 방전은 기존의 진공플라즈마에 비해 100~1000배 이상 높은 반응 활성종 (Radical)의 농도를 구현할 수 있으면서도 온도가 상온 ~ 150℃로 낮아서 폴리머, Glass 및 저융점 금속의 표면처리에 적합합니다.
저온 플라즈마 (Cold Plasma) _ 대기압 플라즈마
정의 | 기체의 압력을 100Torr부터 대기압 (760 Torr) 이상 까지 유지하면서 저온 플라즈마를 발생하는 기술을 의미한다.
특징 | 대기압 플라즈마 시스템의 특징은 화학적 라디칼 생성에서 다른 종류의 발생 방식보다 월등히 높은 효율을 나타낸다.
구분 | 대기압 플라즈마 시스템은 발생 방식에 따라 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 방전 시스템, Capillary 방전, Micro-Discharge 시스템, RF&MF 대기압 방전 시스템, U-Wave 방전 시스템, Induction & DC Torch 시스템
응용분야 | 대기압 플라즈마 시스템은 고가의 진공 장비를 필요로 하지 않기 때문에 경제적이며 펌핑(Pumping)없고, 인라인 형태로 공정이 가능하므로 생산성을 극대화할 수 있는 플라즈마 시스템을 개발 할 수 있다. 대기압 플라즈마 시스템을 사용하는 응용분야로는 초고속 에칭 & 코팅기술, 반도체 패키징, 디스플레이, 물질의 표면 개질 및 코팅 그리고 나노분말 생성, 유해가스 제거 및 산화성 기체의 생성 등 여러 응용분야가 있다.
저온 플라즈마 (Cold Plasma) _ 진공 플라즈마
정의 | 기체의 압력을 100Torr이하로 유지하여 저온 플라즈마를 발생시키는 시스템기술을 의미한다.
특징 | 정상 상태의 안정한 Glow Discharge 상태를 유지하여 모재 (Materials)에 하전입자의 손상을 최소화하여 공정을 수행한다.
구분 | 진공 플라즈마는 발생방식에 따라 CCP (capacitively Coupled Plasma) 시스템, ICP (Inductively Coupled Plasma) 시스템, ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 시스템, e-beam 플라즈마 시스템, Pulsed DC 시스템, 이중 주파수 (Dual Frequency)를 이용한 CCP 시스템 등으로 구분된다.
응용분야 | 100Torr 이하의 기체 압력에서 작동되는 플라즈마 시스템을 의미. 진공 플라즈마 시스템을 이용하는 응용분야로는 일반 반도체 공정에서 사용되는 건식 식각 공정, 증착 공정, 에싱(Ashing)공정, ALD(atomic Layer Deposition) 등이며 display Panel 제조공정, 탄소나노 튜브 (CNT)의 성장 등의 공정에서 사용된다.
저온 플라즈마 (Cold Plasma) _ 차세대 플라즈마
정의 | 기체의 압력을 100Torr이하로 유지하여 저온 플라즈마를 발생시키는 시스템기술을 의미한다.
특징 | 정상 상태의 안정한 Glow Discharge 상태를 유지하여 모재 (Materials)에 하전입자의 손상을 최소화하여 공정을 수행한다.
구분 | 진공 플라즈마는 발생방식에 따라 CCP (capacitively Coupled Plasma) 시스템, ICP (Inductively Coupled Plasma) 시스템, ECR (Electron Cyclotron Resonance) 플라즈마 시스템, e-beam 플라즈마 시스템, Pulsed DC 시스템, 이중 주파수 (Dual Frequency)를 이용한 CCP 시스템 등으로 구분된다.
응용분야 | 100Torr 이하의 기체 압력에서 작동되는 플라즈마 시스템을 의미. 진공 플라즈마 시스템을 이용하는 응용분야로는 일반 반도체 공정에서 사용되는 건식 식각 공정, 증착 공정, 에싱(Ashing)공정, ALD(atomic Layer Deposition) 등이며 display Panel 제조공정, 탄소나노 튜브 (CNT)의 성장 등의 공정에서 사용된다.
플라즈마 에싱(Ashing)
반도체 제조공정에서 화공약품(H2SO4/H2O2 또는 알카리용액)을 사용하는 습식 제거 방법의 단점을 해결하기 위하여 제안되었으며, 화학적 에칭과 같은 원리를 이용한다.
PR은 C, H, O의 원자들로 구성되어 있는 폴리머이므로 에싱 공정에서는 주로 O2가스를 사용하여 CO, CO2 등의 휘발성 반응 생성물 생성을 통해 제거된다. 이러한 에싱 공정은 여러 가지 단점이 있으며 이중 가장 커다란 문제는 전하축적 손상이다. 에싱 중 일부의 축적전하 전류가 얇아진 PR을 뚫고, 하지 도체 막에 전달되어 쌓이면 그 밑에 있는 게이트 산화막을 파괴할 수 있다. 또한, PR을 뚫고, 하지 도체 막에 전달되어 쌓이며 그 밑에 있는 게이트 산화막을 파괴할 수 있다. 또한, PR없이 웨이퍼가 플라즈마에 노출되면 에싱으로부터 더 심각한 손상을 받을 수 있다.
또한 PR속에 미량으로 함유된 중금속 등이 플라즈마 에싱으로는 제거할 수 없어 에싱 후 남게 되므로 후속공정에서 하지막으로 확산되어 디바이스의 특성을 저하시키기도 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 PR제거공정은 100%플라즈마 에싱 공정만으로 구성되지 않고, 플라즈마 에싱과 습식방법을 9:1 정도의 비율로 적용, 잔유물을 완전히 제거한다. 최근 들어 디바이스 고집적화 (Submicron Device)로 게이트 산화막의 두께가 6nm 이하로 줄어들어, 플라즈마 손상은 디바이스의 신뢰성을 저하 시키는 중요문제로 다시 부각되고 있다.
[출처_포토공정_감광액(PR)도포하기) https://news.skhynix.co.kr/1859
반도체 공정 플라즈마 _ 플라즈마 CVD(Chemical Vapor Deposition)
얇은 박막들은 현 VLSI회로 제조 공정에서 디바이스 내에서 도체, 금속배선 사이의 전기적 절연체 또는 주변과의 고립을 위하여 널리 사용되고 있다. 막 두께는 디바이스 전체 뿐만 아니라 웨이퍼 간에도 균일해야 하며, 박막의 구조와 조성은 재현성이 있어야 한다. 끝으로 박막 증착 방법은 안정성, 재현성, 쉬운 자동화와 가격경쟁력이 있어야 한다. 가장 널리 사용되고 있는 물질은 폴리 실리콘, 산화막, 질화막 등이 있다. 이러한 박막을 생성하는 방법들을 크게 APCVD(Atmospheric Pressure CVD), 그리고 PECVD (Plasma Enhanced CVD) 등이 있다. PECVD 기술은 SiN 과 SiO2 박막형성 뿐만 아니라 최근에는 천이금속이나 천이금속 실리사이드 형성에서도 널리 사용되고 있다.
- 플라즈마에서 이온과 라디칼 형성
- 라디칼 흡착
- 표면에 붙은 원자의 재 분포의 화학적 물리적 반응들로 이루어 진다
전형적인 PECVD 조건에서는 전자의 에너지가 충분히 작아 이온화 속도보다 라디칼의 형성속도가 빠르다. 또한 라디칼은 높은 협착계수를 갖고 있어 쉽게 표면에 흡착한 후 가장 안정된 site를 찾아 이동, 새로운 결합을 만들어 형성하게 된다. 때로는 외부 공정 변수에 따라 가스상태에서 핵 형성 반응이 일어나기도 하고, 플라즈마 내의 불순물은 핵 site로 작용, 불필요한 먼지 입자를 생성시킬 수도 있다. 일반적으로 PECVD 공정변수들은 기판온도, 가시조성비, 가스유량, 압력, 입력 파워 및 고주파수와 전극간격 등이다.
전형적인 PECPD 장치는 평형 평판형 구조를 갖고있으며, 웨이퍼는 접지 전근에 두어 이온 충돌에 의한 스퍼터링 효과를 최소화 시키고 있다. PECVD에 의한 박막특성은 증착 속도, 막막조성비, 밀도, 굴절률, 막 두께의 균일도, 응력 표면 Stepcoverage 과 에칭속도 등으로 평가한다.
[출처_SK Careers Journal 박막증착 공정] https://www.skcareersjournal.com/982
[출처_애노드_캐소드] https://m.blog.naver.com/PostView.naver?blogId=kore2758_&logNo=220287459144&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F
[출처_플라즈마강화 CVD] https://www.firstnano.com/processes/plasma-enhanced-cvd-pecvd/
초고온 플라즈마 _ 핵융합에너지속 플라즈마
실생활에서 활용되는 인공 PLASMA
[농식품 분야 활동] 플라즈마로 물을 처리하면 처리된 물이 살균 기능을 가진다. 농약으로도 사용가능, PLASMA를 이용해 토양 복원도 가능함.
[의료장비] 정밀해야할 수술기구의 변형을 막기위한 저온 플라즈마 멸균기술, 세포재생장비, 홈케어장비.
[인체의 세포에 영향] 플라즈마의 살균능력은 물체에만 국한되지 않고 인간 체내 세포들에게도 영향을 미친다. 아토피, 피부질환, 충치, 치아미백, 난치성 혈액암인 만성골수성백혈병의 치료제로 플라즈마 활용.(부작용없음)
[반도체 및 디스플레이 제조 기술] 이온 주입 공정, 식각 공정, 총 80프로 이상이 PLASMA를 사용함.
[코팅 절삭 기술] 이온 주입 공정을 통해 금속 표면의 강도를 획기적으로 증가 시킬 수 있어요. 또한 특수 기어, 절삭공구 등 내구성을 필요로 하는 금속재료의 표면강도를 증가하여 절삭력을 높일 수 있음.
[플라즈마 광원] LCD TV 그리고 PDP TV모두 PLASMA에서 발생되는 빛을 이용해서 TV로 사용 함.
[형광등, 네온사인] 방전에 따른 플라스마 상태에서 빛을 낸다. 고압 전류를 흘릴 때 PLASMA 상태에서 나오는 오존은 나쁜 냄새를 없애는 능력이 뛰어나 탈취제나 공기 청정기 등에 쓰임. 만일 쓰레기 소각장에 PLASMA를 이용한 장치를 설치한다면 굴뚝에서 나오는 해로운 가스를 없앨 수도 있음.
[PDP 텔레비젼] 핵심기술이 PLASMA, 유리 두 장을 포갠 틈새에 있는 작은 방에 네온과 아르곤 같은 가스를 채우고 전극에 전압을 가해 기체를 PLASMA 상태로 만든 다음 형광체가 원하는 색깔의 빛을 만든다.
[플라즈마 공기청정기] 공기를 살균한다. 살균과공기청정을동시에하는융복합제품.
[플라즈마를 이용한크리닝] 초미립자 플라스마 클리닝은 첨가제로 인해 처음 표면에 단단히 부착되는 가장 작은 먼지 입자까지도 플라스틱으로 부터 제거합니다. 도장 작업이나 코팅의 불합격률이 크게 감소함. 고품질의 정밀한 표면을 얻을 수 있음.
[플라즈마 처리 섬유] 섬유 코팅 시 접착성 증대, 소수성인 합성 섬유에 친수성 부여(폴리프로필렌), 발수,발유 및 방오 마무리 가공을 위한 전처리, 초소수성, 자가_세정 마무리 가공을 위한 전처리, 섬유의 염색성 향상, 섬유의 전기 전도도 개질.
[환경 개선] 플라즈마 기술을 해수 담수화, 폐수 처리, 악취 제거, 생활 폐기물 처리 등에 활용하여 우리의 환경을 개선할 수 있음, 또한 자동차 배기 가스를 정화 할 수 있다.
[핵융합] 인공태양, 핵융합장치는 핵융합 연료인 중수소와 삼중수소를 플라즈마 상태로 만들고 자기장을 이용해 초고온의 플라즈마가 벽에 닿지 않게 가두고 유지, 제어하여 핵융합 반응이 지속적으로 일어나도록 만들어진 장치. 태양의 중심보다 더 뜨거운 1억도씨 이상 초고온 플라즈마를 만드는 기술이 핵심.
[실생활에 활용되는 인공플라즈마 (출처 | 국가핵융합연구소 _ 과학동아)]
플라즈마 표면처리_ 세정 https://www.plasmatreat.co.kr/plasma-treatment/plasma-pretreatment/plasma-cleaning.html
인쇄기 전처리용 플라즈마 표면처리 https://plusji.tistory.com/18
진보하는 플라즈마 처리 기술들 http://www.textilesol.kr/upload_file/T_TEXTILE_BOARD_NEW/S10000000619_0.pdf
[플라즈마 기술연구 사업]
플라즈마 기술연구 사업 _ 순수기초연구_ 용용개발, 신산업창출_ 목적기초 및 전략적 응용/원천연구 https://www.plasma.re.kr/submenu/board.php?bo_table=bo_63182
번개가 잦으면 풍년이 든다는 것이 사실일까?
인공 번개인 PLASMA FARMING 이용한 농업 기술
코로나19로 인한 식량안보 문제 _ 코로나19로 국가 간 이동이 제한되면서 다양한 분야에서는 글로벌 밸류체인(Value Chain, 가치사슬)이 붕괴될 수 있다는 우려가 현실로 다가오고 있다. 그 중에서도 가장 심각한 화두로 떠오르고 있는 것이 바로 식량안보에 대한 문제이다. 코로나 19로 곡물 수출 제한 조치가 각국에서 발동되고 있는 탓인데 이를 두고 글로벌 식량 전쟁이 급속화 될 것이라고 예견하는 전문가들도 많다. 안타깝게도 우리나라는 식량자급률이 아주 낮다. 한국농촌경제연구원 자료(2018년 기준)에 따르면 한국은 22.5%에 불과하다. 재난 발생시 식량 공급에 문제가 생기면 10명 중 2~3명 분량만 자급자족할 수 있다는 의미다.
여기에 구원투수로 떠오르고 있는 기술이 바로 플라즈마 파밍(Plasma Farming)_ 핵융합 발전 등 첨단산업에 주로 적용되던 플라즈마 기술이 농업 및 식품 분야에서도 활용도를 높이고 있다. 미래 혁신기술로도 주목받고 있는 ‘플라즈마 파밍(Plasma Farming)’에 대해 알아본다.
‘번개가 많이 치는 해에는 농사가 풍년이 든다’는 속담 _ 구전되는 옛말이지만 옛 선조들의 지혜가 엿보이는 과학적인 표현이다. 대기가 격렬하게 움직이면 그 속에서 얼음 알갱이들이 서로 부딪히며 정전기가 만들어지는데, 이때 위와 아래에 각각 양전하와 음전하가 몰리게 된다. 위, 아래의 서로 다른 전하가 부딪혀서 엄청난 에너지의 불꽃을 만들어내는 것을 번개라고 한다. 번개가 치면 공기 중의 질소가 이온화되어 빗방울에 녹아들고, 그 빗물이 땅에 스며들어 천연 질소 비료가 된다. 번개와 풍년의 등식이 성립되는 이유이기도 하다.
플라즈마와 번개의 연관성은 바로 전하의 분리에서 찾을 수 있다. 번개는 기체에 열을 가해 음전하와 양전하로 분리된 상태를 일컫는 플라즈마의 대표적 현상으로 볼 수 있다. 이 플라즈마를 농장에서 식탁에 이르는 농식품 전주기에서 적용할 수 있는 포괄적으로 응용하는 것을 두고 ‘플라스마 파밍’ 기술이라고 한다. 이를테면 번개를 인위적으로 생성해 농식품 산업 분야 연구에 활용한다고도 볼 수 있다.
종자 발아율 촉진은 물론 곰팡이 방지까지
농산품의 생산, 저장, 유통 뿐 아니라, 식품안전, 농식품 폐기물 처리 _ 다양한 산업에서 활용되고 있는 저온 플라즈마는 이온, 전자, 래디칼, 자외선(UV) 등 여러 가지 구성 요소들이 혼재 되어있는 상태로 각각의 특성을 활용하면 농식품 분야에서 다양하게 활용될 수 있다. 국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터에서 바로 이 저온 플라즈마를 이용한 농식품 산업 기술 개발을 이끌고 있다. 현재 센터에서는 농산품의 생산, 저장, 유통 뿐 아니라, 식품안전, 농식품 폐기물 처리 등 농식품 산업 분야 고부가가치를 실현할 수 있는 다양한 플라즈마-농식품 융합 기술 개발을 위한 연구를 활발히 진행하고 있다.
‘플라즈마 기술 기반 스마트 저장 시스템’의 개발과 실증_ 유해미생물 살균, 숙성 억제 등 신선 농·축·수산·식품의 저장성 향상을 위한 통합솔루션 시스템으로, 실제 농가에서 실증이 완료되면 국내 농산품의 저장 및 수출에 유용하게 활용될 것으로 기대되고 있다. 상하기 쉬운 농산품의 저장 유통 기한을 늘릴 수 있는 획기적인 시스템이기 때문에 식량 자원 측면에서나 환경오염 측면에서도 좋은 사례가 될 것으로 보고 있다.
플라즈마 수 처리 종자 실험실에서는 플라즈마 적용한 종자의 발아와 생육을 돕는 연구를 진행 중_ 지난 2017년에는 플라즈마를 이용해 새싹인삼 생장 증진 실험을 진행, 새싹인삼 씨앗을 플라즈마로 처리한 결과 초기 출아율이 일반 새싹보다 두 배 이상 높게 나온 것을 확인할 수 있었다. 초기 생장률도 50% 가량 향상됐으니 플라즈마의 효용성이 입증된 셈이었죠. 무엇보다 플라즈마로 처리한 새싹인삼은 일반 대조군에 비해 진세노사이드 등 인삼의 유용 대사체 함량이 1.6~2.5배 높았다. 이는 플라즈마를 통한 새싹인삼의 생장 증진이 실험적으로 확인된 세계 최초의 사례로 꼽히기도 했다.
의료 현장에서 돋보이는 PLASMA의 능력
PLASMA의 살균능력 _ 멈추지 않는 코로나19 바이러스 확산으로 여전히 많은 이들이 힘겨운 시간을 보내고 있다. 코로나19 사태를 계기로 마스크 착용, 손 소독제 활용 등 개개인의 위생 의식과 함께 공공장소나 의료 현장에서 바이러스 확산을 막기 위한 살균의 중요성도 높아지고, 여러 살균 방법이 있는 가운데 의외로 PLASMA의 원리를 활용하면 탁월한 살균 능력을 확인할 수 있다고 한다.
고온의 멸균기구를 쓰면 정밀해야 할 기구가 변형이 일어난다 _ 병원은 장소 특성상 병균이 존재하기 쉬운 곳이다. 하지만 면역력이 약한 환자들도 많아서 2차 감염을 막기 위한 예방이 필수적이다. 특히 인체 내부를 들락날락하는 수술기구는 멸균이 안되어 있으면 사용 자체가 불가능하다. 멸균이 제대로 되지 않는 수술기구를 사용할 경우 수술기구가 매개체가 되어 치명적인 감명 위험을 초래할 수 있기 때문이다. 이때 모든 균은 고온에 취약하여, 멸균은 통상 높은 온도에서 시행한다고 알려져 있지만, 수술 기구의 경우에는 고온의 멸균 기구를 쓰면 정밀해야 할 기구가 틀어지고 변형이 일어나기 쉽다.
저온 PLASMA 멸균기 _ 이를 막기 위해 개발된 저온 멸균법 중 가장 대표적인 것이 바로 플라즈마 상태를 활용한 저온 플라즈마 멸균기다. 저온 플라즈마 멸균기술은 플라즈마 내부에서 물질의 반응성이 극대화되는 원리를 이용한 것인데 50도를 넘지 않는 멸균 챔버 내부에 과산화수소 증기를 주입하여 과산화수소를 플라즈마화 하는 공정을 거친다. 이 과정에서 산화력이 매우 뛰어난 음이온인 수산기를 발생시켜 미생물의 세포막을 구성하고 있는 수소이온과 결합해 물로 되려는 성질을 가지는데 이때 수소를 잃어버린 미생물은 세포막이 파괴되어 결국 사멸돼 멸균 처리가 되는 것이다.
[국가핵융합연구소 플라즈마기술연구센터의 기술 이전으로 제작된 저온 플라즈마 멸균기 (출처:(주)헬스웰메디칼)]
전제제품속플라즈마기능어떤원리일까_ https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1127
인간의 체내 세포들에도 영향을 미치는 PLASMA
플라즈마의 살균 능력은 물체에만 국한되지 않는다. 놀랍게도 인간의 체내 세포들 에도 영향을 미친다.
아토피 _ 아토피와 같은 피부 질환을 치료하는 데 큰 도움을 주고 있다. 저온 플라즈마에 존재하는 활성 라디칼이 아토피의 주범인 황색 포도상구균의 세포벽과 작용을 해, 세포벽의 제기능을 잃어버리게끔 한다. 세포벽의 기능상실로 인해 황색 포도상구균인 박테리아가 점차 사멸하게 되어, 피부 질환이 완화되는 것이다.
기미제거_레이저로 하던 시술을 최근에는 플라즈마가 대신하고 있다. 수소와 탄소로 이뤄져 있는 피부 속 기미에 플라즈마를 쪼이면, 플라즈마 내부의 반응성이 큰 중성입자가 수소와 결합하는 원리를 이용한 결과이다. 수소의 결합으로 홀로 남게 된 탄소는 공기 중의 산소와 결합해 이산화탄소 형태로 날아가 버리고 결과적으로 기미를 분해하는 효과를 나타내기도 한다.
안전성 확보_ 하지만 이런 인체에 직접 사용하는 플라즈마 기기는 안전성 확보도 중요한 이슈로 꼽히고 있다. 플라즈마 발생 시 생성되는 오존 수치가 높을 경우 인체에 유해할 수 있어 이를 예방하기 위한 기준 설정과 준수가 필요하다는 의견도 있다.
여드름_살균 _ 플라즈마가 세균을 살균하는 효과가 있다고 알려져 있다. 큐티박테리아 여드름(Cutibacterium acne)균, 그 외에도, 남성 호르몬 과다, 피지과다, 염증과다, 각화증과다 등 플라즈마의 작은 번개를 활용하여 박멸할 수 있고, 여드름균 등이 사라지면 여드름을 쉽게 치료할 수 있다고 한다.
TDDS (Transdermal Drug Delivery System) _피부 세포를 연결하는 세포막을 일시적으로 흐트러지게 해서 피부재생 물질의 침투력을 높여줌.
토닝효과 _ 색소를 분해 멜라닌 색소 억제 및 색소침착 방지, 유효성분을 전달하여 색소를 예방.
피부재생 _ 콜라겐 및 섬유질 세포의 생성을 촉진, 피부 노화방지, 화장품 피부 침투력을 극대화 시켜 피부 재생에 도움.
[출처_ 신산업혁명플라즈마_YTN사이언스] https://www.youtube.com/watch?v=Q_QSVnje7PE
[오존이란]
오존은 무엇이며 어떻게 생성되는가? 일반적으로 산소 분자는 두 개의 산소원자로 구성되어 있는데 반해 오존분자는 세 개의 산소원자로 구성되어 있다. 오존은 무색무미의 자국성 있는 기체로서 공기보다는 약간 무겁고 물에는 잘 녹지 않는 성질을 가지고 있으며 자동차 배기가스 및 공장 배출가스 증에 함유된 질소산화물(NOx), 한화수소류(HCs)등이 강한 태양광선중 자외선에 의해 광화학 반응을 일으켜 생성되며, 햇빛이 강하고 맑은 여름철 오후 2-5시경에 많이 발생하고, 특히 바람이 불지 않을 때 더욱 높게 나타난다.
[생명을 지켜주는 오존]
지구에 존재한 전체 오존의 90프로는 지상 약 10-50 km 사이에 있는 성층권내의 오존층에 밀집되어 존재하고 있다. 이 오존층은 태양광선 중 생물체에 해로운 자외선을 95-99프로정도 흡수하여 지구상의 인간과 동식물의 생명을 보호하는 경이로운 보호막 역할을 하고 있어, 이러한 현상은 자연의 오묘한 신비중 하나라고 하겠다. 만약, 이 오존층이 없다면 태양으로부터 강력한 자외선이 직접 지표에 도달하여 우리 피부에 닿음으로써 피부암을 일으키고, 자연생태계에 중대한 영향을 미칠 것이다.
그러나 문제는 1970년 이후부터 오존층의 오존함량이 계속 감소하고 있는데, 그 원인은 냉장고나 에어컨의 냉매제, 헤어스프레이용 분무제 등으로 쓰이는 프레온가스류에 의해 파괴되고 있기 때문이다. 이제 우리 모두 보이지 않는 보호막 오존층의 고마움을 깨우쳐 프레온가스 사용을 자제하고, 긴규대체물질 개발등을 적극추진하여 오존층 보호에 노력하여야 하겠다.
[피해를 주는 오존]
지표로부터 10 km 이내의 대류권에는 나머지 오존 10프로가 존재하고 있으며, 오존은 강력한 산화력이 있기 때문에 적당량이 존재할 때는 살균, 탈취 등의 작용으로 인간에게 이롭게 사용됩니다. 그러나 오존농도가 일정기준이상 높아질 경우 호흡기나 눈이 자극을 받아 기침이 나고 눈이 따끔거리거나 심할 경우 폐기능 저하를 가져오는 등 인체에 피해를 주기도 하고, 농작물의 수확량 감소를 가져오기도 합니다. 이러한 오존으로부터 피해를 줄이기 위해서는 가급적 자동차 운행을 줄이고, 대중교통시설을 이용하며 장기적으로는 무공해 자동차 개발을 서두르는것이 필요하다.
출처|보건환경연구원_오존이란? https://www.incheon.go.kr/ecopia/EC040303
PLASMA기능 + LED 등 융복합 미용기기 제품 다수 등장
[플라닉 플라즈마+갈바닉 하나로 진동 화장품 흡수율 상승 피부관리기 미용기기 홈 뷰티디바이스용 (출처:attibe)]
[피부고민에 맞는 LED광선찾기 | LED 마스크는 광이 피부 내에서 생화학적 반응을 촉진하는 원리를 이용해 손상된 피부를 치료하는 광선요법을 사용한 제품이다. 특정 파장의 LED 광원을 피부에 쬐면 조직이나 눈손상 없이 소염, 진통, 항알레르기, 국소부위 혈액순환 촉진 등 다양한 효과를 낸다. 또한 콜라겐과 엘라스틴의 생성을 촉진해 피부 탄력을 살리고 주름이 생기는 것을 막아준다]
동안피부 도우미 LED 마스크 http://dpg.danawa.com/mobile/news/view?boardSeq=63&listSeq=3654479
[출처 _UVA 진피까지 침투해 피부노화 촉진 _UVB는 표피세포 공격 피부암 일으켜] https://www.hankookilbo.com/News/Read/201805241301336526
[출처 _ 한국일보_ 그렇구나 생생과학 UVA/UVB관련 빛의 스펙트럼 ]
치의학 분야에서도 활용되는 PLASMA
저온의 플라즈마를 활용해 충치를 치료 _ 박테리아가 상아질이라 알려진 치아 안쪽 부분으로 들어오며 생기는 게 바로 충치이다. 이때 저온의 플라즈마를 활용해 충치를 치료하면, 상아질을 보존하는 동시에 세균성 생물막을 파괴할 수 있도록 한다. 무엇보다 가장 큰 장점을 통증 없이 박테리아를 제거해, 환자들의 공포를 줄여준다는 점이다.
치아 미백 시술 활용되는 플라즈마 _ 플라즈마-유도 자외선 광분해과정에서 발생한 활성산소의 산화력은 치아 변색물질을 안전하게 제거해주어, 치아 미백 시술에도 활용되고 있다.
[저온 플라즈마 활용한 충치 치료로 통증없이 박테리아 제거, 치아미백시술 활용]
일상 속 모르고 지나쳤던 PLASMA의 재발견 미세먼지의 습격 이후로 필수 가전제품으로 떠오른 공기청정기에서도 플라즈마 기능 _ 우리 생활에서 사용되는 플라즈마는 대부분 직류 방전을 이용해 만들어 진다. 직류 방전은 양극과 음극, 두 판을 만들고 이 사이에 전압을 가해주어 일으키는 방전으로 플라즈마를 발생시키는 방식이다. 직류 방전을 전류-전압 관계에 따라 암방전, 글로우 방전, 아크 방전으로 나뉜다. 암방전 중에서도 상대적으로 전류가 높은 영역을 코로나 방전이라 부른다.
공기청정기 내부의 집진 장치는 이 코로나 방전 현상을 이용해 공기를 정화하는데, 전자가 공기 중의 입자에 부착되면 입자들이 음전하를 띠게 되고, 전하를 띤 먼지 입자는 정전기적 인력에 의해 반대 전하가 걸려있는 집진판으로 이동하여 들러붙어 유해 물질을 제거한다.
의류관리기 | 플라즈마 이온이 발생하고, 의류에 흡착하여 유해물질과 결합하여 제거 _ 최근 옷장에 간단히 걸기만 해도 살균과 탈취를 해주는, 의류 관리기도 이와 비슷한 원리를 갖고 있다. 오염된 옷을 의류 관리기에 넣고 작동시키면 안에서 반응성 높은 플라즈마 이온이 발생하고, 의류에 흡착하여 유해물질과 결합하여 제거하는 것이다.
여기서 핵심 원리는 간단한다. 바로 큰 에너지를 가지고 있는 플라즈마 입자가 대기 중이나 옷에 붙어 있는 유해물질을 분해한다. 이렇게 플라즈마를 이용해 유해물질을 분해하면 옷에 묻은 인플루엔자 바이러스, 코로나바이러스, 휘발성 유기화합물까지 제거돼 톡톡한 살균 효과를 누릴 수 있다. 또한 의류 과리에서 방출되는 플라즈마가 정전기를 완화시키는 효과가 있어 의류의 손상 예방에도 도움을 준다.
[의류관리기, 공기청정기, 공기살균기, 신발살균기]
얇게 더 얇게_ 플라즈마로 만드는 얇은 세상
얇고 가늘고 가벼운 게 대세인 세상이다. 신형 스마트폰이나 TV, 노트북이 나오면 얼마나 얇고 가벼운가부터 자랑한다. 반도체는 특히 그렇습니다. 밀리미터(mm)에서 마이크로미터(μm), 심지어 나노미터(nm)의 두께로 경쟁한다.
마이크로미터(1μm=100만분의 1m) 이하의 ‘박막’을 넘어 나노미터(1nm=10억분의 1m) 두께의 ‘초박막’이 세상을 바꾸고 있다. 관건은 표면을 얇게 하면서도 소재와 제품의 성질을 그대로 유지한다. 그 중심에 플라즈마가 있다. 얇고 가늘고 가벼우면서도 고성능의 소재와 제품을 가능하게 하는 플라즈마, 얇은 표면 위에서 펼쳐지는 플라즈마의 활약상을 만나보자.
[더 얇고 가늘게 만드는 초박막의 세계에서 플라즈마는 필수적인 기술이다. (사진 출처=SAMCO, Inc.)]
반도체 웨이퍼·식각 등의 박막 가공
얇고 가는 것이 경쟁력을 좌우하는 대표적인 분야는 반도체 _ 반도체 제조 필수 공정 가운데 하나인 식각(Etching)은 반도체 집적회로의 핵심 소재인 웨이퍼에 불필요한 부분을 제거해 반도체 회로 패턴을 만드는 공정입니다. 여러 층의 얇은 막에 반도체 회로 패턴을 형성하게 된다.
미세한 작업을 가능하게 하는 것이 바로 플라즈마 기술 _ 얇고 작은 기판에 얼마나 많은 회로를 집적화 할 수 있느냐가 제품의 품질과 경쟁력을 좌우한다. 최근 반도체 기술은 나노 스케일로 집적화 되고 있다. 미세한 가공을 통해 수율 (결함이 없는 합격품의 비율)을 높이기 위한 대표적인 방법이 플라즈마 식각이다. 웨이퍼 상의 얇은 막에서 이루어지는 만큼 식각은 균일도와 속도가 중요하다.
웨이퍼 | 최근에는 이 두께를 수십μm 단위로 얇게 해 여러 층 쌓아 올리는 방식이 시도되고 있다 _ 이에 앞서 반도체 기판이라고 할 수 있는 웨이퍼 제조 공정도 얇은 박막의 세계에서 이루어지는 일이다. 과거에는 웨이퍼의 두께가 밀리미터 단위였지만, 나노급 반도체가 등장하면서 마이크로미터, 나노미터 단위로 얇아졌다. 직경 300mm 웨이퍼의 두께는 0.8mm 정도였는데 최근데는 이 두께를 수십μm 단위로 얇게 해 여러 층 쌓아 올리는 방식이 시도되고 있다.
웨이퍼를 정밀하게 자를 때 플라즈마 기술을 이용 _ 웨이퍼는 실리콘 등의 소재로 만든 단결정 기둥(잉곳. Ingot)을 얇게 자른 원판이다. 잉곳을 얼마나 얇고 매끄럽게 원판형의 웨이퍼로 자르냐 역시 반도체의 품질을 좌우한다. 당연히 일반 칼이나 톱은 사용할 수 없겠죠?ㅋㅋ 그래서 다이아몬드 톱이나 레이저, 최근에는 플라즈마 기술을 이용한다.
[반도체는 플라즈마를 이용한 공정이 70%에 달함]
10nm 수준의 나노반도체 공정 | 초정밀, 초박막공정
반도체나 디스플레이 등에서 플라즈마를 활용한 공정은 보통 10nm 수준 - 이렇게 작은 크기에 얼마나 많은 집적회로를 넣느냐가 반도체의 경쟁력을 좌우함 _ 플라즈마를 비롯해 장비 내부의 가스와 물질이 어떤 상태이고, 어떤 상황에서 최적의 성능을 발휘하는지 정확한 측정과 해석이 중요하다. 또 얇은 기판을 여러 겹 겹쳐 만들기도 한다. 대부분 머리카락 굵기의 100~1,000분의 1에 해당하는 나노미터 단위의 미세공정으로 이루어진다.
그런데 나노급 반도체 칩을 연결하는 구멍(Contact hole)은 조금이라도 삐뚤어지거나 오차가 발생해도 제대로 성능을 발휘하기 어렵다. 이러한 구멍을 뚫는 작업은 플라즈마 외에는 다른 방법이 없다. 이런 반도체 공정에 쓰이는 장비는 플라즈마의 물성을 정확하게 분석하고 제어할 수 있어야 한다.
플라즈마 기술연구센터에서는 산학연협력연구를 통해 반도체 핵심 제조공정에 필요한 3차원 공정 해석 시뮬레이터와 플라즈마 물성 데이터베이스(DB) 국산화에 성공 _ 과거에는 계산 시간의 한계로 실제 공정 예측이 불가능 했지만, 다년간의 공동 연구를 통해 이를 극복할 수 있는 기술을 확보하였습니다. 현재도 여러 반도체 칩 제조 회사에서 핵심 공정 해석에 개발된 시뮬레이터가 활용되고 있으며, 칩 개발에서 발생하는 난제를 해결하기 위한 도구로 활발히 활용하고 있다.
[작은 크기에 얼마나 많은 집적회로를 넣느냐가 반도체의 경쟁력을 좌우한다. (사진 출처=삼성반도체)]
얇은 표면 도포하는 증착 기술 갈수록 중요
이와 함께 반도체 집적소자의 크기가 점점 작아지고 형상이 복잡해지면서 균일하고 얇은 두께의 박막을 도포할 수 있는 증착 기술이 중요해지고 있다. 얇은 박막에는 구조가 복잡해도 균일하게 증착 되는 도포성 뿐만 아니라 반도체 소자에서 요구되는 전기적 특성이 요구된다. 기존의 물리적·화학적 증착 기술로는 이렇게 까다로운 요구 조건을 충족하기 어렵다.
- 플라즈마 화학증착(PECVD. Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition)
- 플라즈마 원자층증착(PEALD. Plasma-Enhanced Atomic Layer Deposition)
방식 등을 최근에는 주로 사용한다.
두 방식 모두 사용하고자 하는 기판에 다양한 막을 만드는 기술로 PECVD의 경우 태양전지와 액정 디스플레이 등에 응용되고 있다. 이와 함께 여러 종의 막을 제작하거나 다이아몬드 막, 나노튜브 등의 신소재 제조에도 사용된다. PEALD 공정 기술 역시 반도체 소자의 패커시터 절연막 공정에서 좋은 결과를 얻고 있다. 디스플레이 소자 등의 절연막, 금속 배선의 금속 확산 방지막, 접착 박막 등에도 적용된다.
플라즈마를 이용해 고체 표면에 막을 형성하는 공정은 액체를 이용하는 습식 공정에 비해 많은 장점이 있다. 무엇보다 기체를 이용하는 만큼 약품 처리가 필요하지 않고 배기가스 처리 등의 공기오염 문제가 적다. 또 저온에서도 높은 화학반응을 얻을 수 있다. 이와 함께 이온을 쏘는 방향에 따라 원하는 모양으로 식각을 할 수 있다. 이것은 특히 높은 정밀도의 가공을 필요로 하는 전자 장치 제작에 적합하다.
[플라스마 화학증착(PECVD, Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition) 이라고 불리는 기술은 사용하고자 하는 기판에 다양한 막을 만드는 기술로서 태양전지와 액정 디스플레이에 응용되고 있다. (사진 출처=NANO-MASTER, Inc.)]
갈수록 얇고 정밀해지는 플라즈마 표면처리
플라즈마 표면처리 기술 _ 을 이용해 국가핵융합연구소에서도 다양한 연구 결과를 도출하고 있다. 연구진은 고품질·고수명의 OLED 소자를 제조할 수 있는 플라즈마 결합 증착 장치를 개발했다. 이 장치는 박막 밀도와 표면 특성이 우수해 OLED 제조 공정에서 고순도·고품질의 음극용 박막을 생성할 때 사용할 수 있다. 무엇보다 OLED 소자의 품질과 성능을 향상시킬 수 있는 것이 강점으로 꼽힌다.
플라즈마 발생 과정에서 사용하는 중성입자빔을 이용해 저온 LED 제조 장비 및 공정을 개발했다 _ LED는 에너지 소모가 적으면서도 가볍고 수명이 길어 조명은 물론 신호등, 반도체, 디스플레이 등에서 널리 활용되고 있다. 일반적으로 LED는 기판 위 단결정 박막 형성을 위해 고온 공정에서 기판을 제조한다. 하지만 기존의 단결정 박막 형성은 1,000℃ 이상의 고온이 필요하므로 기판이 구부러지거나 박막이 손상되는 문제가 발생하기도 했다.
이때 플라즈마 발생 시 사용하는 중성 빔을 이용하면 기판을 손상하지 않고도 LED 소자를 비교적 간편하게 제작할 수 있다. 플라즈마기술연구센터 연구진이 개발한 저온 LED 제조 장비 및 공정 기술을 사용하면 기판 온도를 충분히 낮춤으로써 기판과 박막의 손상을 막고 불필요한 원소의 확산을 막을 수 있다.
[LED·OLED 등의 가공 공정에도 플라즈마 기술이 필수적이다.]
900t 초대형 장치 표면에 5μm 두께 은도금
이처럼 플라즈마는 박막, 초박막 등 얇은 표면 작업이 필요한 산업 분야에서 효자 노릇을 톡톡히 하고 있다. 반도체를 비롯해 LCD, LED 등 첨단 IT 산업부터 의료, 섬유 등 다양한 분야에서 된다. 특히 반도체 제조의 70% 이상의 공정에서 플라즈마를 직·간접적으로 사용하고 있다.
물론 작은 세상에서만 얇고 가는 게 중요한 것은 아니다. 900t의 대형 구조물에 마이크로미터 두께의 도금을 입히기도 한다. 우리 나라는 7개국이 공동 건설하고 있는 국제핵융합실험로(ITER)의 열차폐체(Thermal Shield)를 100% 독점 공급 한다.
열차폐체는 이름에서 알 수 있듯 핵융합 장치 구조물로부터 초전도자석으로 전달되는 열을 최소화하는 역할을 담당한다. 높이와 직경이 각각 25m, 전체 표면적 1만㎡, 무게 약 900t에 달하는 초대형 구조물이다. 열차폐체의 표면에는 열전달을 막기 위해 은을 얇게 입히게 된다. 은도금 두께는 5μm 정도에 불과하다.
“얇게, 더 얇게!” 최근 우리 생활에 파고드는 첨단 제품들의 구이다. 그 구호를 가능하게 하는 일등공신은 플라즈마이다. 반도체와 디스플레이를 비롯해 나노, 환경, 농·식품 등으로 활용 범위를 넓히고 있는 팔방미인이다. 눈에 보이지 않는 얇은 막이 제품의 성능과 품질을 변화시키듯 세상을 변화시키는 플라즈마의 더 큰 활약을 기대한다.
[국가별 ITER 조달 품목. 열차폐체(Thermal shield)는 한국이 전량 독점 공급한다.(사진 출처=ITER)]
참조 | 네이버 지식백과 | 재미있는 미래과학이야기 - 플라스마 https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2842415&cid=47309&categoryId=47309
전기가 통하는 기체 플라즈마는 무엇일까 https://if-blog.tistory.com/5169
자연이 만든 플라즈마 발생장치 포도알 http://dongascience.donga.com/news.php?idx=28029
번개가 잦으면 풍년이 든다는 것이 사실일까 https://fusionnow.kfe.re.kr/post/plasma/1138
신소재 경제 http://amenews.kr/m/view.php?idx=16660
플라즈마의 응용 https://www.cheric.org/files/research/ip/p200805/p200805-301.pdf
플라즈마 기술의 농식품 분야 활용 http://www.kvs.or.kr/file/story/2015_12_02.pdf
실생활에서 활용되는 플라즈마 https://www.plasma.re.kr/submenu/board.php?bo_table=bo_
58801&sca=%EC%8B%A4%EC%83%9D%ED%99%9C%EC%97%90%E
C%84%9C+%ED%99%9C%EC%9A%A9%EB%90%98%EB%8A%94+%
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피부에 사용하는 플라즈마 발생 의료기기에 대한 허가심사 가이드라인[민원인안내서]
https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.khidi.or.k
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