플라즈마 절단기에서 플라즈마 이온의 타겟 충돌 분석

플라즈마란?

그림 1: 물질의 4가지 상태

물질은 일반적으로 고체, 액체, 기체로 구분되지만, 기체를 더 가열하면 플라즈마를 생성할 수 있습니다.

따라서 플라즈마는 물질의 ‘제4의 상태’라고 불립니다.

이온, 전자, 원자 같은 입자들이 서로 충돌하면서 플라즈마가 만들어지는 거예요.

어떤 환경에서 플라즈마가 발생하나요?

플라즈마는 주로 태양과 같은 초고온 영역이나, 기체에 높은 전압이 인가될 때 발생합니다.

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어)를 사용하여 산업용 플라즈마 절단기를 해석해 보겠습니다.

플라즈마 절단기는 전기 에너지로 가스를 플라즈마화하고, 그 초고온·고속의 분사류로 금속을 녹여 날려버림으로써 절단합니다.

그림 2: 플라즈마 절단기의 개념도

기본 원리는 아래와 같습니다.

플라즈마 절단은 철, 스테인리스, 알루미늄과 같은 전도성 재료에 사용되며, 압축 공기나 질소 등의 가스를 가는 노즐로 흘리면서 토치 내부의 전극과 모재 사이에 아크를 발생시킵니다.

이 아크에 의해 가스가 전리되어 전도성을 가진 고온의 플라즈마 흐름이 형성되고, 금속을 단순히 ‘녹이는’ 것뿐만 아니라 ‘불어내는’ 과정까지 포함하여 절단이 이루어집니다.

장치 내부에서는 기판을 놓는 전극에 고주파를 인가함으로써 자기 바이어스 전압이 발생하고, 이온이 기판에 거의 수직으로 입사하기 쉬워집니다. 그 결과 미세한 패턴을 옆으로 퍼뜨리지 않고 깊고 정확하게 가공할 수 있습니다.

플라즈마 에칭 장치의 특징은 다음과 같습니다.

이 점이 장점입니다.

반면에,

등의 과제가 있습니다.

즉, 플라즈마 에칭 장치는 진공 중에서 발생시킨 플라즈마의 화학적 반응성과 이온 충격을 이용해 재료 표면을 정밀하게 제거하는 장치입니다.

플라즈마 절단기에서 타깃에 가해지는 부하 해석

PIC PLASMA 3D를 사용하여 플라즈마 절단기에서 타깃에 대한 충돌 시뮬레이션을 수행해 보겠습니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

그림 3: 플라즈마 에칭 장치의 해석 모델

위와 같은 플라즈마 절단기 모델을 작성하고, 플라즈마의 궤도 해석과 타깃에 대한 충돌 시뮬레이션을 수행했습니다.

참고로, 플라즈마의 발생 메커니즘은 아래와 같습니다.

그림 4: 플라즈마 생성 과정

해석 조건

해석 조건은 아래와 같습니다.

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

그림 5: PIC-PLASMA 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

그림 6: 플라즈마 절단기에서의 플라즈마 이온 궤도 해석

 

 

그림 7: 타깃에서의 플라즈마 누적 충돌 에너지

위 자료는 실제로 PIC-PLASMA3D로 계산한 실제 해석 결과입니다.

그림 6은 플라즈마 내부 이온(O₂⁺)의 거동을 애니메이션으로 시각화한 것입니다. 그림 7은 타깃과 플라즈마의 누적 충돌 에너지(운동 에너지)를 보여줍니다.

가스 방전에 의해 생성된 플라즈마 내 이온이 타깃에 충돌하고 있음을 확인할 수 있네요.

이 충돌 에너지로 타깃 재료를 미세하게 깎아낼 수 있어요!

참고로, 이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작된 것이므로 전극 전압과 기타 조건 설정도 단순화되어 있습니다.

또한 PIC-PLASMA 3D에서는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다.

※ 위 내용은 예시입니다. 플라즈마 제품 개발에 PIC-PLASMA 3D를 꼭 활용해 보세요.