플라즈마 이온원·플라즈마 전자원의 해석

물질은 보통 고체·액체·기체로 구분하지만, 기체를 더 가열하면 플라즈마를 만들어낼 수 있습니다.

그래서 플라즈마는 흔히 물질의 ‘제4의 상태’라고 불립니다.

플라즈마란, 물질이 전리(電離)된 상태를 말합니다.

전리란 분자나 원자가 분해되어 전자와 이온으로 나뉘는 현상을 의미합니다.

이온·전자·원자 같은 입자들이 서로 충돌하면서 플라즈마가 만들어지기도 해.

어떤 환경에서 플라즈마가 발생하나요?

주로 태양 같은 초고온 영역에서, 또는 기체에 높은 전압이 인가될 때 플라즈마가 발생한단다.

이번에는 플라즈마를 이용한 산업용 제품인 플라즈마 이온원과 플라즈마 전자원을 해석해 보겠습니다.

플라즈마 이온원이란 내부에서 플라즈마를 생성하고, 그 플라즈마에 고전압을 인가하여 하전입자를 외부로 추출하는 장치를 말합니다.

플라즈마 이온원·전자원은 핵융합 연구, 반도체 제조, 질량분석 장치 등 다양한 연구·산업 분야에서 활용되고 있습니다.

그림 1: 플라즈마 이온원의 개념도

당사가 제공하는 PIC PLASMA3D를 사용하여 플라즈마 이온과 플라즈마 전자를 시뮬레이션해 보겠습니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

플라즈마 생성실의 ‘플라즈마’를 인출 전극으로 끌어내어 이온 또는 전자만을 추출하는 구조입니다.

위와 같은 CAD 파일을 작성하고, 플라즈마 생성실의 플라즈마로부터 각 입자(전자·이온)가 인출되는 과정을 해석했습니다.

플라즈마 이온원 해석 조건

표 1: 해석 조건

플라즈마 전자원 해석 조건

그림 2: 플라즈마 이온원 해석 결과

그림 3: 플라즈마 전자원 해석 결과

위 영상은 PIC PLASMA3D()로 실제 계산한 결과를 시각화한 것입니다.

또한 영상 속 데이터는 전자(좌)·이온(우)의 수밀도[개/m³]를 나타냅니다.

초기에 플라즈마 생성실에 존재하던 플라즈마에서, 인출 전극을 통해 전자·이온을 추출해 나가는 과정을 시뮬레이션했습니다.

플라즈마 전자원과 플라즈마 이온원 모두, 플라즈마에서 각 입자를 추출하는 데 성공했네.

이번에 사용한 CAD 모델은 단순화하여 제작했기 때문에, 많은 플라즈마가 벽면에 충돌하면서 손실되는 모습도 확인할 수 있습니다.

이와 같은 시뮬레이션을 여러 번 반복하면 플라즈마 제품의 성능 향상을 기대할 수 있습니다.

최적의 플라즈마 이온원·전자원 설계를 위해 PIC PLASMA3D를 꼭 활용해 보세요.