플라즈마란?
그림 1: 물질의 4가지 상태
물질은 보통 고체, 액체, 기체로 구분되지만, 기체를 더 가열하면 플라즈마를 생성할 수 있습니다.
따라서 플라즈마는 물질의 ‘제4의 상태’라고 표현됩니다.
이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어)를 사용하여 플라즈마 방전을 해석해 보겠습니다.
앞서 설명한 것처럼, 전기적으로 중성인 기체가 이온화되어 자유전자와 이온을 많이 포함하는 상태가 된 것을 플라즈마라고 합니다.
즉, 플라즈마는 “전기가 잘 통하게 된 고에너지 상태의 기체”로 생각할 수 있습니다.
아크 방전이 발생하는 원리
그림 2: 플라즈마에서의 아크 방전 개념도
아크 방전이란
일반적으로 공기와 같은 기체는 전기가 잘 통하지 않는 절연체입니다.
하지만 전극 사이에 충분히 높은 전압이 걸리면, 기체 분자가 이온화되어 전자와 이온으로 나뉘게 됩니다.
이때 기체는 도전성을 가지게 되고 전류가 흐르기 시작합니다. 이것이 방전의 시작입니다.
아크 방전 발생 과정
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고전압이 가해진다: 전극 사이에 강한 전기장이 형성됩니다.
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초기 전자가 가속된다: 기체 중에 소량 존재하는 자유전자가 전기장에 의해 가속됩니다.
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충돌 이온화가 발생한다: 가속된 전자가 기체 분자와 충돌하여 더 많은 전자와 이온을 생성합니다. 이것이 연쇄적으로 증가하면서 전극 사이에 전도 경로가 형성됩니다.
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전류가 급증하고 발광 및 고온화가 일어난다: 큰 전류가 흐르면 방전 경로의 온도가 매우 높아지고, 기체는 강하게 이온화된 플라즈마 상태가 됩니다. 이러한 고온·고휘도의 방전이 아크 방전입니다.
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아크 방전 해석
PIC PLASMA 3D를 사용하여 아크 방전을 시뮬레이션해 보겠습니다.
해석 모델은 아래와 같습니다.
해석 모델
그림 3: 아크 방전 해석 모델
위와 같은 아크 방전 해석 모델을 작성하고, 전자 궤도와 대기(중성 입자)의 충돌에 의한 플라즈마 생성 과정을 시뮬레이션했습니다.
또한 플라즈마의 발생 메커니즘은 아래와 같습니다.
그림 4: 플라즈마 생성 과정
해석 조건
해석 조건은 다음과 같습니다.
| 해석 소프트웨어 | PIC-PLASMA 3D |
| 해석 유형 | 플라즈마 해석 |
| 해석 객체 | plasma_arc.obj |
|---|---|
| 플라즈마 입자종 | O₂ |
| 가스 압력(대기압) | 1.01325 × 105[Pa] |
| 온도 | 300[K] |
| 전압 | electrode1：0[V] , electrode2：500[V] |
| 1ns당 생성 전자 수 | 10000개 |
| 생성 전자의 속도 | 1.0× 104[m/s] |
| 시간 간격 | 1.0×10-11[s] |
| 총 시뮬레이션 시간 | 2.0×10-8[s] |
아래 그림은 PIC-PLASMA 3D에서 이번 해석 조건을 입력한 화면입니다.
그림 5: PIC-PLASMA 3D에서의 해석 조건 설정
해석 결과
그림 6: 전극 간 전자 분석 결과
그림 7: 전자와 가스의 충돌 위치
위 자료는 실제로 PIC-PLASMA3D로 계산한 실제 해석 결과입니다.
그림 6은 플라즈마 내부 전자의 거동을 애니메이션으로 시각화한 것입니다.
그림 7은 전자와 산소 가스의 상호작용으로 발생한 산소 이온을 보여줍니다.
이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작한 것이므로, 전극 전압 및 기타 조건 설정도 단순화되어 있습니다.
또한 PIC-PLASMA 3D에서는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다.
- 전자 밀도
- 전류 밀도 벡터
- 전기장 벡터
- 속도 벡터
- 배경 가스 및 제트 가스에서의 플라즈마 충돌
※ 위 내용은 예시입니다. 플라즈마 제품 개발에 PIC-PLASMA 3D를 적극 활용해 보시기 바랍니다.