형광등에서 전자 궤도와 가스의 상호작용 분석

물질은 일반적으로 고체, 액체, 기체로 분류되지만, 기체를 더 가열하면 플라즈마를 만들 수 있습니다.

따라서 플라즈마는 물질의 ‘제4의 상태’라고도 표현됩니다.

플라즈마는 물질이 이온화된 상태입니다. 이온화란 분자나 원자가 분해되어 전자와 이온으로 나뉘는 현상을 말합니다。

플라즈마는 이온, 전자, 원자와 같은 입자들이 서로 충돌하면서 생성됩니다.

그럼 플라즈마는 어떤 조건에서 생기나요?

주로 태양처럼 극도로 고온인 영역에서 발생하거나, 기체에 고전압을 인가할 때 플라즈마가 형성됩니다.

이번에는 플라즈마를 활용하는 산업 제품인 형광등을 분석해 보겠습니다.

형광등은 유리관, 소량의 수은, 아르곤과 같은 불활성 기체, 양 끝의 전극, 그리고 관 내부를 코팅한 형광체로 구성됩니다.
형광체는 방전으로 생성된 자외선을 흡수해 가시광을 방출합니다.

형광등은 ‘가정/생활 공간’뿐 아니라, 다음과 같은 산업 분야에서도 활용됩니다.

자외선 형광램프(UV 램프)

블랙라이트

형광등의 발광 과정은 다음과 같습니다.

전극 가열 및 전자 방출: 전류가 흐르면 양 끝의 전극(필라멘트)이 가열되어 열전자 방출(열전자 방출)이 일어납니다.
자외선 생성: 방전된 전자들이 관 내부에 봉입된 소량의 수은 원자와 충돌합니다. 충돌로 수은 원자가 여기되어, 눈에 보이지 않는 자외선(UV)을 방출합니다.
자외선 → 가시광 변환: 자외선은 유리관 내부에 코팅된 형광체(포스포)에 흡수됩니다. 이 흡수 과정에서 형광체가 가시광을 방출합니다.

형광등의 발광 효율은 주로 방출되는 열전자 수와 수은 원자와의 충돌 효율에 의해 결정됩니다.

이 과정을 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어)로 계산해 보겠습니다.

PIC PLASMA3D를 사용해 형광등 내부 방전을 시뮬레이션해 봅시다.

해석 모델은 아래와 같습니다. (FreeCAD로 제작)

위와 같은 형광등 해석 모델을 만들고, 음극에서 방출되는 열전자(플라즈마 생성의 시작이 되는 입자)의 궤도 해석을 수행했습니다.

플라즈마 생성 메커니즘은 다음과 같습니다:

그림 2: 플라즈마 생성 과정

이번에는 플라즈마 생성의 출발점인, 음극에서 방출되는 전자를 시뮬레이션합니다!

그러면 위 그림에서 ‘맨 처음’ 전자를 말하는 거군요?

맞아요! PIC-PLASMA3D는 이온화된 플라즈마(이온과 전자)도 계산할 수 있으니, 시간 날 때 한번 해보세요.

알겠습니다!

해석 조건

해석 조건은 다음과 같습니다.

표 1: 해석 조건

이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-PLASMA3D)에서 설정할 수 있습니다.

그림 3: 형광등 내부에서 음극에서 방출된 열전자의 해석 결과

그림 4: 전자와 가스의 충돌 위치

위 자료는 PIC-PLASMA3D로 실제 계산한 해석 결과입니다.

이는 플라즈마 생성의 출발점인, 음극에서 방출된 자유 전자의 궤도를 시뮬레이션한 것입니다.

또한 영상에 표시된 “data”는 전자 수밀도 [particles/m³]를 의미합니다.

음극에서 방출된 전자가 양극을 향해 이동하는 것을 볼 수 있습니다.

이 전자들은 형광등 내부의 가스와 충돌해 자외선을 생성합니다. 그 자외선이 형광체에 닿아 빛이 방출됩니다.

여기서 사용한 CAD 모델은 단순화하여 제작했기 때문에, 전자 수 등 조건도 단순화되어 있습니다.

또한 PIC-PLASMA3D는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다.

*위 내용은 예시입니다.

플라즈마 제품 개발에는 PIC-PLASMA 3D 사용을 적극 권장합니다. 활용해 보세요.