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플라즈마 CVD에서의 플라즈마 해석

motsu16 — Mon, 06 Apr 2026 09:19:23 +0000

플라즈마 CVD란?

박막 형성에서는 재료를 기판 위에 균일하게 쌓아 올리는 것이 중요합니다. 플라즈마 CVD는 원료 가스를 플라즈마로 활성화하고, 기판 표면에서 화학 반응을 일으켜 박막을 형성하는 방법입니다.

반응을 주로 열로 진행시키는 일반적인 CVD와 비교하면, 플라즈마 CVD는 비교적 낮은 온도에서도 반응을 진행시키기 쉽습니다. 이 때문에 반도체막, 절연막, 보호막 등의 형성에 널리 사용됩니다.

플라즈마 CVD는 원료 가스를 플라즈마로 분해·여기시키고, 이를 기판 표면에서 반응시켜 박막을 형성하는 증착 공정입니다.

에칭이 “깎는” 기술이라면, CVD는 “쌓는” 기술이군요.

플라즈마를 사용하면 왜 낮은 온도에서도 증착이 쉬워지나요?

플라즈마 안의 전자가 가스 분자에 에너지를 전달해 반응성이 높은 활성종을 만들기 때문입니다. 그래서 기판 온도를 지나치게 높이지 않아도 표면 반응을 진행시키기 쉬워집니다.

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어)를 사용하여 산업용 플라즈마 CVD 장치 내부의 플라즈마 분포와 기판 근방으로의 입자 도달 경향을 해석해 보겠습니다.

플라즈마 CVD 장치의 기본 원리

플라즈마 CVD 장치는 반응성 가스를 플라즈마로 활성화하여 기판 표면에 박막을 성장시키는 장치입니다. 예를 들어 SiH₄, NH₃, O₂ 등의 원료 가스를 도입하고 RF 전력을 인가하여 방전을 일으키면 이온, 전자, 라디칼이 생성됩니다.

기본 원리는 다음과 같습니다.

진공 챔버 내부에 원료 가스와 희석 가스를 도입한다
상부 전극 또는 샤워헤드와 하부 스테이지 사이에 고주파 전력을 인가한다
전자가 가스 분자와 충돌하여 이온화, 여기, 해리를 일으키고 플라즈마를 형성한다
생성된 라디칼과 이온이 기판 근방으로 수송된다
기판 표면에서 흡착, 반응, 재결합이 일어나 박막이 형성된다

라디칼의 역할: 플라즈마 중에서 생성된 중성 라디칼은 기판 표면의 화학 반응에 크게 관여합니다. 막 형성에 필요한 전구체로 작용하며, 조성과 증착 속도에 영향을 줍니다.

이온의 역할: 이온은 기판 근방의 쉬스 전계에서 가속되어 표면에 도달합니다. 지나치게 강한 이온 충격은 막 손상이나 결함 증가로 이어질 수 있는 반면, 적절한 이온 어시스트는 막질 향상과 치밀화에 기여합니다.

즉, 플라즈마 CVD에서는 화학 반응을 담당하는 라디칼 수송과 표면 상태에 영향을 주는 이온 입사를 모두 적절히 제어하는 것이 중요합니다.

플라즈마 CVD 해석에서 무엇을 보아야 하는가

플라즈마 CVD 장치에서는 증착 속도뿐 아니라 막 두께 분포, 막질, 기판 손상, 장치 내부의 반응 균일성도 중요합니다. 따라서 시뮬레이션에서는 다음과 같은 점을 파악할 가치가 있습니다.

챔버 내부의 플라즈마 밀도 분포
기판 상부의 전위 및 전기장 분포
이온의 도달 방향과 에너지 경향
가스 유입구에서 기판까지의 입자 수송 편차
증착 균일성에 영향을 주는 공간 분포

특히 기판 전체에 균일하게 박막을 형성하고자 할 경우, 방전 영역의 퍼짐, 샤워헤드 형상, 스테이지 위치, 챔버 치수의 균형이 중요해집니다.

플라즈마 CVD 장치 내부의 플라즈마 분포 해석

PIC-PLASMA 3D를 사용하여 플라즈마 CVD 장치 내부의 방전 영역과 기판 근방으로의 입자 수송 경향을 확인해 보겠습니다.

해석 모델

이번 해석에서는 상부에 가스 도입 기능을 겸하는 샤워헤드 전극, 하부에 기판 스테이지를 갖는 단순화된 플라즈마 CVD 반응기를 대상으로 했습니다. 제조용 상세 CAD가 아니라, 플라즈마 생성 영역, 쉬스 형성 영역, 기판 근방 영역을 파악하기 쉬운 해석용 모델을 우선했습니다.

그림 1: 플라즈마 CVD 장치의 해석 모델

모델 내에서는 가스 유입구로부터 공급된 원료 가스가 상부 영역에서 방전되고, 생성된 이온, 전자, 라디칼이 기판 방향으로 수송되는 것으로 가정했습니다.

증착 해석에서는 기판 바로 근처의 전기장과 입자 흐름이 특히 중요하네요.

해석 조건

해석 조건은 다음과 같습니다.

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA 3D
해석 유형	플라즈마 해석
해석 오브젝트	plasma_cvd_reactor.obj
대상 공정	플라즈마 CVD
대표 가스종	O₂
플라즈마 밀도	1.0×10⁶ [개/m³]
인가 조건	상부 전극 RF 인가를 모사한 전위차 조건
시간 간격	1.0×10^-8 [s]
총 시뮬레이션 시간	2.0×10^-5 [s]
주요 확인 항목	플라즈마 분포, 전기장 분포, 기판 근방 입자 도달 경향

실제 증착에서는 가스 반응과 표면 반응의 상세 모델링도 중요하지만, 이번 모델에서는 우선 장치 내부의 방전 구조와 입자 수송 경향을 파악하는 것에 중점을 두고 있습니다.

우선 장치 형상에 따라 어디에서 플라즈마가 발생하고, 어느 방향으로 입자가 흐르기 쉬운지를 파악하는 것이 중요합니다.

해석 결과

해석 결과의 한 예로, 챔버 내부에서는 상부 샤워헤드 근방에서 기판 상부에 이르기까지 방전 영역이 형성되며, 전극 사이에 비교적 넓은 플라즈마 생성 공간이 확보되는 것을 확인할 수 있습니다.

그림 2: 플라즈마 CVD 장치 내부의 이온 밀도와 전기장

또한 기판 근방에서는 쉬스 형성으로 인해 전기장이 강해지고, 이온이 기판 방향으로 더 쉽게 수송됩니다. 한편 챔버 가장자리에서는 전기장 분포와 입자 밀도에 편차가 생기기 쉬워 막 두께 균일성에 영향을 줄 가능성이 있습니다.

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/04/202604061709.mp4

그림 3: 플라즈마 이온의 거동과 전기장 분포

그림 4: 타깃에 대한 누적 입자 충돌 에너지

이러한 해석을 통해 다음과 같은 설계 검토로 이어질 수 있습니다.

샤워헤드 위치 및 개구 분포 재검토
스테이지 높이 및 전극 간 거리 최적화
챔버 치수와 방전 공간의 균형 검토
기판 전체 면적에서의 증착 균일성 향상
과도한 이온 충격 억제를 통한 막 손상 저감

증착 공정에서는 라디칼을 충분히 전달하면서도 이온 충격이 필요 이상으로 강해지지 않도록 하는 설계가 중요하군요.

이번 모델은 단순화된 해석용 CAD이기 때문에 실제 장비의 가스 유로, 고주파 급전부, 표면 반응의 상세까지는 생략되어 있습니다. 하지만 PIC-PLASMA 3D를 사용하면 장치 형상이 플라즈마 분포와 기판 근방의 입자 거동에 미치는 영향을 사전에 확인할 수 있습니다.

정리

플라즈마 CVD는 플라즈마에서 생성된 활성종과 이온을 이용해 비교적 낮은 온도에서 고기능 박막을 형성할 수 있는 중요한 공정입니다. 한편, 증착 균일성과 막질은 장치 내부의 플라즈마 분포와 기판 근방의 전기장 구조에 크게 좌우됩니다.

PIC-PLASMA 3D를 활용하면 플라즈마 CVD 장치 내부의 방전 영역, 입자 수송, 전기장 분포를 시각화하여 장치 설계와 조건 최적화 검토에 도움이 됩니다.

플라즈마 밀도의 공간 분포 확인
전기장 벡터 시각화
입자 궤적 확인
기판 근방 도달 경향 평가
장치 형상 변경 시 비교 검토

플라즈마 CVD 장치의 초기 설계와 증착 조건 검토에 PIC-PLASMA 3D를 꼭 활용해 보세요.

전자현미경에서의 전자 궤도 해석

motsu16 — Wed, 01 Apr 2026 14:25:22 +0000

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어) 또는 PIC-ELECTRON 3D(전자 궤도 해석 소프트웨어)를 사용하여 SEM(주사전자현미경) 내부의 전자 궤도를 해석해 보겠습니다. SEM(주사전자현미경)은 가늘게 집속한 전자빔으로 시료 표면을 주사하여 미세한 형상과 구조를 관찰하는 장치입니다. 광학현미경으로는 관찰하기 어려운 미세 영역도 전자빔을 사용하면 고해상도로 관찰할 수 있습니다.

SEM 내부의 전자 궤도

그림 1: SEM에서의 전자 궤도 개념도

SEM이란? SEM에서는 전자원에서 방출된 전자를 가속하고, 전자기 렌즈와 조리개를 이용해 가늘게 정렬한 뒤 시료에 조사합니다. 시료 표면에서 발생하는 2차 전자와 반사 전자를 검출하여 표면 형상과 조성의 차이를 관찰할 수 있습니다.

- - 전자 방출 전자원(캐소드)에서 전자를 방출합니다.
  - 전자 가속 애노드 전압에 의해 전자에 운동 에너지를 부여합니다.
  - 전자빔 집속 전자기 렌즈 또는 정전 렌즈에 의해 전자빔을 가늘게 집속합니다.
  - 시료 조사 집속된 전자빔을 시료 표면에 조사합니다.
  - 신호 검출 2차 전자와 반사 전자를 검출하여 영상을 형성합니다.

전자 에너지 전자가 얻는 운동 에너지는 가속 전압

[V]에 대해 대략 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

E = eV ・e: 전자의 전하 ・V: 전압

SEM에서는 이 가속 전압과 렌즈 조건에 따라 전자빔의 직경, 도달성, 시료 입사 조건이 크게 달라집니다. 이번에는 PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 SEM 내부에서 전자가 인출되고, 가속되고, 집속되는 과정을 시각화해 보겠습니다.

SEM 해석

PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 SEM 내부의 전자 궤도를 해석해 보겠습니다. 해석 모델은 아래와 같습니다. 해석 모델

그림 2: SEM 해석 모델

위와 같은 SEM 내부의 간이 해석 모델을 작성하고, 전자빔 생성부터 시료 도달까지의 과정을 시뮬레이션합니다. SEM에서 각 부품의 역할은 다음과 같습니다.

- - - Electron Source 전자를 방출하는 부분입니다. SEM의 빔 품질을 결정하는 중요한 요소입니다.
    - Wehnelt Electrode 전자의 인출량과 초기 집속 상태를 조절하는 전극입니다. 전자빔 형성을 돕습니다.
    - Anode 전자를 가속하여 하류로 보내는 전극입니다. 가속 전압을 제공하는 중심부입니다.
    - Electromagnetic Lens 전자빔을 더 가늘게 집속하기 위한 렌즈입니다. 초점 위치와 빔 직경에 큰 영향을 줍니다.
    - Aperture 통과하는 전자의 범위를 제한하여 불필요한 확산을 억제하는 부품입니다.
    - Sample 전자빔이 조사되는 관찰 대상입니다. 여기서 2차 전자와 반사 전자가 발생합니다.
    - Vacuum Chamber 전자가 공기 분자와 충돌하지 않도록 진공을 유지하는 공간입니다.
    - Insulator 각 전극과 구조물을 전기적으로 절연하고 위치 관계를 유지하는 부품입니다.

해석 조건 해석 조건은 다음과 같습니다.

해석 소프트웨어	PIC-ELECTRON 3D
해석 타입	전자 궤도 해석
해석 오브젝트	sem.obj
전압	Cathode: -3000[V]　Anode: 0[V]　Sample: 0[V]
비유전율(유전체)	Insulator: 9.5
자기장 조건	Electromagnetic Lens: 해석 조건에 따라 설정
1ns당 생성 전자 수	10000개
생성 전자의 초기 속도	1.0×10³ [m/s]
시간 간격	1.0×10^-11 [s]
총 시뮬레이션 시간	2.0×10^-8 [s]

이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-ELECTRON 3D) 내에서 설정할 수 있습니다.

아래 그림은 PIC-ELECTRON 3D에서 이번 SEM 해석 조건을 입력한 화면입니다.

그림 3: PIC-ELECTRON 3D에서의 SEM 해석 조건 설정

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/04/202604012307.mp4

그림 4: SEM 내부의 전자 궤도 해석

위 자료는 실제로 PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 계산한 SEM 내부 전자 궤도 해석 결과의 한 예입니다. 그림 4에서는 전자원에서 방출된 전자가 가속 전압과 렌즈 작용에 의해 점점 더 가늘게 집속되면서 시료 방향으로 수송되는 모습을 확인할 수 있습니다. SEM에서는 전자빔의 발산과 수렴 상태가 관찰 해상도에 영향을 미치므로, 이러한 전자 궤도 해석은 장비 설계와 조건 최적화에 매우 유용합니다. 이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작된 것이므로, 렌즈 조건과 부품 형상은 설명용으로 단순화되어 있습니다. 또한 PIC-ELECTRON 3D에서는 위 계산 결과 외에도 다양한 데이터를 출력할 수 있습니다.

전자 밀도
전류 밀도 벡터
전기장 벡터
자기장 벡터
속도 벡터
도달 에너지 분포

※ 위 내용은 예시 중 하나입니다. SEM 및 전자빔을 이용한 제품 개발과 장비 설계에 PIC-ELECTRON 3D를 꼭 활용해 보시기 바랍니다.

반도체 내 실리콘 커패시터의 전기장 분석

motsu16 — Sat, 21 Mar 2026 11:21:13 +0000

이번에는 ELECTRIC-FIELD 3D(전기장 해석)를 사용하여 반도체 소자 내부의 전기장을 해석해 보겠습니다.

반도체에서의 전기장 해석에 대하여

그림 2: 실리콘 캐패시터의 개념도

반도체 내부에서는 전자와 정공이 전기장에 의해 가속되고 이동합니다.

즉, 전기장 분포를 알지 못하면 전류의 흐름, 전하의 축적 방식, 절연 파괴가 일어나기 쉬운 위치, 스위칭 특성 등을 정확히 파악할 수 없습니다.

주요 이유는 아래와 같습니다.

1. 전자와 정공의 움직임을 결정하기 위해
반도체 내의 캐리어는 전기장에 의해 움직이므로, 전기장 분포를 조사하면 전류 경로와 전하 수송 양상을 예측할 수 있습니다. MOSFET, 다이오드, IGBT 등에서는 특히 중요합니다.

2. 고전계에 의한 파괴와 누설을 방지하기 위해
국부적으로 전기장이 너무 강해지면 절연막 파괴, pn 접합의 애벌랜치 파괴, 터널 전류 증가, 누설 증가가 발생할 수 있습니다.
따라서 어디에서 전기장 집중이 일어나는지 해석할 필요가 있습니다.

3. 소자 성능을 최적화하기 위해
전기장 분포는 문턱전압, 온저항, 내전압, 스위칭 속도, 기생 커패시턴스 등에 영향을 줍니다.
해석을 통해 전극 형상, 도핑 분포, 절연막 두께, 가드 링 배치 등을 최적화할 수 있습니다.

4. 미세화될수록 문제가 더 뚜렷해지기 때문에
반도체가 미세해질수록 좁은 영역에 전기장이 집중되기 쉬워집니다.
예전에는 무시할 수 있었던 효과도 미세 소자에서는 단채널 효과나 핫 캐리어 열화처럼 심각해질 수 있습니다.

5. 전력 반도체에서는 내전압 설계와 직접 연결되기 때문에
SiC, IGBT, MOSFET 같은 전력 소자에서는 최대 전기장이 어디에 형성되는지가 내전압을 좌우합니다.
종단 구조나 에지부 설계에서는 전기장 해석이 거의 필수입니다.

6. 시제품 제작 횟수를 줄일 수 있기 때문에
실제로 만들어서 측정하는 방식만으로는 시간과 비용이 많이 듭니다.
전기장 해석을 사용하면 시제품 제작 전에 문제점을 예측하고 설계 방향을 잡을 수 있습니다.

이번에는 반도체의 대표적인 소자인 캐패시터 내부와 그 주변의 전기장에 대해 해석해 보겠습니다.

실리콘 캐패시터의 전기장 해석

ELECTRIC-FIELD 3D를 사용하여 실리콘 캐패시터의 전기장 해석을 수행합니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

그림 2: 실리콘 캐패시터의 해석 모델

위와 같은 실리콘 캐패시터의 해석 모델을 작성하고, 캐패시터 내부와 그 주변의 전기장 분포 해석을 수행했습니다. 각 부품의 역할은 아래와 같습니다.

- - - Top Pad
      외부에서 상부 전극으로 전기적으로 연결하기 위한 단자입니다. 측정기기나 배선으로부터 신호와 전압이 들어오는 입구가 됩니다.
    - Top Bus
      Top Pad와 Top Electrode를 연결하는 배선입니다. 상부 전극까지 전위를 전달하는 도체 패턴입니다.
    - Top Electrode
      캐패시터의 상부 전극입니다. Bottom Electrode와 마주 보며 전기장을 형성하고, 정전용량 형성에 주요하게 관여합니다.
    - Bottom Pad
      외부에서 하부 전극 측으로 연결하기 위한 단자입니다. GND 측 또는 기준 전위 측의 인출 단자로 사용되는 경우가 많습니다.
    - Bottom Bus
      Bottom Pad와 Bottom Electrode를 연결하는 배선입니다. 하부 전극에 전위를 전달하는 역할을 합니다.
    - Bottom Electrode
      캐패시터의 하부 전극입니다. Top Electrode와 한 쌍을 이루며 실제로 전하를 저장하는 상대 전극이 됩니다.
    - Dielectric Layer
      상부 전극과 하부 전극 사이에 들어가는 절연층입니다. 전류가 직접 흐르지 않도록 하면서 전기장만 통과시켜 캐패시터로 기능하게 합니다.
      이 층의 두께와 상대 유전율이 정전용량 값에 크게 영향을 줍니다.
    - Guard Ring
      주 전극 주변에 배치되는 보조 도체입니다. 가장자리의 프린지 전기장, 누설 전류, 기생 커패시턴스의 영향을 억제하여 측정 안정성과 해석 정확도를 높이기 위해 사용됩니다.
    - Silicon Substrate
      전체 구조를 지지하는 기판 재료입니다. 기계적 지지체일 뿐 아니라 실제로는 기생 커패시턴스와 전기장 분포에도 영향을 줍니다. 반도체 기판의 경우 전도율과 유전율 설정이 해석 결과에 영향을 미칩니다.

해석 조건

해석 조건은 아래와 같습니다.

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D or ELECTRIC-FIELD 3D
해석 유형	전기장 해석
해석 오브젝트	semiconductor.obj

Before

전극, GND, 재료 상수 설정이 불충분한 모델

부품	전압	상대 유전율 εr
Top_Pad	+5 V	1.0*
Top_Bus	+5 V	1.0*
Top_Electrode	고정하지 않음	1.0*
Bottom_Pad	0 V	1.0*
Bottom_Bus	0 V	1.0*
Bottom_Electrode	고정하지 않음	1.0*
Guard_Ring_W/E/S/N	고정하지 않음	1.0*
Ground_Tie	고정하지 않음	1.0*
GND_Via	고정하지 않음	1.0*
Backside_Ground	고정하지 않음	1.0*
Dielectric_Layer	고정하지 않음	1.0
Silicon_Substrate	0 V 고정	1.0

After

전극 전위, 접지 조건, 재료 상수를 적절히 반영한 모델

부품	전압	상대 유전율 εr
Top_Pad	+5 V	1.0*
Top_Bus	+5 V	1.0*
Top_Electrode	+5 V	1.0*
Bottom_Pad	0 V	1.0*
Bottom_Bus	0 V	1.0*
Bottom_Electrode	0 V	1.0*
Guard_Ring_W/E/S/N	0 V	1.0*
Ground_Tie	0 V	1.0*
GND_Via	0 V	1.0*
Backside_Ground	0 V	1.0*
Dielectric_Layer	고정하지 않음	3.9
Silicon_Substrate	고정하지 않음	11.7

이러한 초기 조건은 소프트웨어 내부(PIC-ELECTRON 3D)에서도 설정할 수 있습니다.

아래 그림은 이번 해석에 사용한 조건 입력 화면을 ELECTRIC-FIELD 3D에서 나타낸 것입니다.

해석 결과

Before

전체 단면

그림 3: 전극, GND, 재료 상수 설정이 불충분한 모델의 전기장 분포

After

전체

단면

그림 4: 전극 전위, 접지 조건, 재료 상수를 적절히 반영한 모델

위 자료는 실제로 ELECTRIC-FIELD 3D에서 계산한 실제 해석 결과입니다.

After 조건에서는 주 전극, 상대 전극, 가드 링, 후면 GND의 전위 조건을 적절히 설정함으로써 전기장의 닫힘 구조가 명확해졌고, Before 조건에서 보였던 부유 도체 유래의 불안정한 전기장 분포가 해소되는 결과를 얻을 수 있었습니다.

이번에 사용한 CAD 모델은 간이적으로 제작한 것이므로, 전극 전압과 기타 조건 설정도 간략화되어 있습니다.

※위 내용은 하나의 예시입니다. 제품 개발에 전기장 해석 소프트웨어 ELECTRIC-FIELD 3D를 적극 활용해 보시기 바랍니다.

전자총에서의 전자 추출 및 전자빔 분석

motsu16 — Fri, 20 Mar 2026 12:33:14 +0000

이번에는 PIC-PLASMA 3D(플라즈마 해석 소프트웨어) 또는 PIC-ELECTRON 3D(전자 궤적) 를 사용하여 전자총 내부의 전자 궤도를 해석해 보겠습니다.

전자총은 전자를 발생시키고, 가속시키며, 가늘게 정렬해 발사하는 장치입니다.

진공 중에서 전자빔을 만들기 위해 사용되며, 전자현미경, CRT, X선관, 일부 가속기 등에 활용됩니다.

전자총 내부의 전자

그림 1: 전자총에서의 전자 궤도 개념도

전자 방출

일반적인 전자총에서는 음극(캐소드)에서 전자가 방출됩니다.

전자 방출에는 다음과 같은 세 가지 방법이 있습니다.

- - 열전자 방출
    필라멘트나 음극을 가열하여 전자를 튀어나오게 하는 방법
  - 전계 방출
    매우 강한 전기장으로 전자를 끌어내는 방법
  - 광전자 방출
    빛을 비추어 전자를 방출시키는 방법

전자총에서는 위 방법 중 열전자 방출이 자주 사용됩니다.

전자 인출과 가속

음극에서 전자를 방출한다
양극 방향으로 끌어당긴다
가속시킨다

위 과정을 거쳐 전자빔이 형성됩니다. 또한 전자가 얻는 에너지는 아래와 같이 계산할 수 있습니다. 전위차를 [V]라고 하면, 전자가 얻는 운동에너지는 대략

E = e V ・e: 전자의 전하 ・V: 전압

로 나타낼 수 있습니다.

이번에는 PIC-ELECTRON 3D를 사용하여 전자총에서의 전자 인출 과정과 전자빔 생성 과정을 시각화해 보겠습니다.

전자총 해석

PIC-ELECTRON 3D를 이용해 전자총 내부의 전자를 해석해 보겠습니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

그림 2: 전자총의 해석 모델

위와 같은 전자총 해석 모델을 작성하고, 전자 인출과 전자빔 생성 과정을 시뮬레이션해 봅니다. 또한 전자총의 각 부품 역할은 다음과 같습니다.

- - - Mount Flange
      장치 전체를 진공 챔버나 외부 기구에 고정하는 부분입니다. 위치 결정, 지지, 접지 역할을 하는 경우가 많으며, 전자총 본체를 안정적으로 장착하는 기반이 됩니다.
    - Grid Electrode
      캐소드 근처에서 전자 인출량을 조절하는 전극입니다. 전자를 방출할지, 얼마나 흐르게 할지를 제어하는 역할을 하며, 전자빔의 “게이트”에 가까운 부품입니다.
    - Focus Electrode
      방출된 전자가 지나치게 퍼지지 않도록 전기장으로 빔 형상을 정리하는 부품입니다. 전자를 가늘게 모으고 발산을 억제하여 후단에서 다루기 쉬운 빔으로 만듭니다.
    - Ceramic Spacer
      전극들 사이를 전기적으로 절연하면서 기계적인 위치 관계를 유지하는 부품입니다. 고전압이 걸리는 부위에서 특히 중요하며, 단락 방지와 정밀한 전극 배치를 동시에 담당합니다.
    - Anode
      전자를 가속하여 전방으로 끌어내는 전극입니다. 빔에 운동에너지를 부여하고 하류 방향으로 보내며, 전자총의 가속부에서 중심적인 역할을 합니다.

해석 조건

해석 조건은 아래와 같습니다.

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA 3D or PIC-ELECTRON 3D
해석 유형	전자 궤도 해석
해석 객체	electron_gun.obj
전압	Cathode：-3000[V] GridElectrode：2950[V] FocusElectrode：2000[V] 기타：0[V]
비유전율(유전체)	CeramicSpacer：9.5
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]

이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-ELECTRON 3D) 내부에서 설정할 수 있습니다.

아래 그림은 PIC-ELECTRON 3D에서 이번 해석 조건을 입력한 화면입니다.

그림 3: PIC-ELECTRON 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603200115.mp4

그림 4: 전자총에서의 전자 궤도 해석

위 자료는 실제로 PIC-ELECTRON 3D에서 계산한 실제 해석 결과입니다.

그림 4는 전자총에서 전자가 인출되고, 가속 전압에 의해 전자빔이 생성되는 과정을 시뮬레이션한 것입니다.

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

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

전자 밀도
전류 밀도 벡터
전기장 벡터
속도 벡터

※위 내용은 하나의 예시입니다. 전자를 활용한 제품 개발에 PIC-ELECTRON 3D를 꼭 활용해 보세요.

플라즈마 아크 방전 분석

motsu16 — Tue, 17 Mar 2026 13:25:25 +0000

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.

플라즈마란 물질이 이온화된 상태를 말합니다. 이온화란 분자나 원자가 분해되어 전자와 이온으로 나뉘는 현상입니다.

입자들(이온, 전자, 원자)끼리 서로 충돌함으로써 플라즈마가 생성됩니다.

어떤 환경에서 플라즈마가 발생하나요?

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

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

- 1. 고전압이 가해진다: 전극 사이에 강한 전기장이 형성됩니다.
  2. 초기 전자가 가속된다: 기체 중에 소량 존재하는 자유전자가 전기장에 의해 가속됩니다.
  3. 충돌 이온화가 발생한다: 가속된 전자가 기체 분자와 충돌하여 더 많은 전자와 이온을 생성합니다. 이것이 연쇄적으로 증가하면서 전극 사이에 전도 경로가 형성됩니다.
  4. 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.

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]

이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-PLASMA 3D) 내부에서도 설정할 수 있습니다.

아래 그림은 PIC-PLASMA 3D에서 이번 해석 조건을 입력한 화면입니다.

그림 5: PIC-PLASMA 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603172153.mp4

그림 6: 전극 간 전자 분석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603172210.mp4

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.

플라즈마 절단기에서 플라즈마 이온의 타겟 충돌 분석

motsu16 — Mon, 16 Mar 2026 11:09:48 +0000

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.

플라즈마란 물질이 전리된 상태를 말합니다. 전리란 분자나 원자가 분해되어 전자와 이온으로 나뉘는 현상입니다.

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.

1. 가스 공급
2. 아크 발생
3. 가스의 전리 및 플라즈마화
4. 플라즈마 제트에 의한 금속 용융
5. 용융 금속 배출
6. 절단

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.

금속을 빠르게 절단할 수 있음
중후판에도 강함
비교적 높은 정밀도
설비의 범용성이 높음

이 점이 장점입니다.

반면에,

열 영향 및 소모품 관리가 필요함

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.

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA 3D
해석 타입	플라즈마 해석
해석 오브젝트	plasmacutting.obj
플라즈마 입자종	O₂
플라즈마 밀도	1.0×10¹¹ [개/m³]
누적 에너지 대상 오브젝트	target
전압	target: -500[V] , arc: 0[V] , electrode: 500[V]
시간 간격	1.0×10^-9[s]
총 시뮬레이션 시간	2.0×10^-6[s]

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

그림 5: PIC-PLASMA 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603162230.mp4

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.

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 꼭 활용해 보세요.

플라즈마 에칭 시스템에서의 플라즈마-이온-타겟 충돌 분석

motsu16 — Sun, 15 Mar 2026 06:31:22 +0000

플라즈마란?

그림 1: 물질의 4가지 상태

보통 물질은 고체, 액체, 기체로 구분되지만, 기체를 더욱 가열하면 플라즈마를 만들어낼 수 있습니다.

그래서 플라즈마는 물질의 “제4의 상태”라고 불립니다.

플라즈마란 물질이 이온화된 상태를 말합니다. 이온화란 분자나 원자가 분해되어 전자와 이온으로 나뉘는 현상을 의미합니다.

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

어떤 환경에서 플라즈마가 생성되나요?

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

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

플라즈마 식각 장치는 플라즈마 속의 활성종과 이온을 이용하여 재료 표면을 깎아내는 장치입니다. 반도체 제조에서는 실리콘, 절연막, 금속막을 미세 가공하기 위해 널리 사용됩니다.

그림 2: 플라즈마 식각의 개념도

기본 원리는 아래와 같습니다.

진공 용기 내부에 반응성 가스를 도입하고, 여기에 고주파 전력을 가합니다.
가스를 방전시켜 플라즈마를 발생시킵니다.
화학적 작용과 물리적 작용의 조합으로 타깃 재료를 제거합니다.

화학적 작용에서는 플라즈마 내에서 생성된 라디칼이 가공 재료 표면과 반응하여 휘발성 생성물을 만듭니다. 예를 들어, 실리콘에 플루오린계 라디칼이 반응하면 기체로 쉽게 배기될 수 있는 생성물이 되어 표면이 제거됩니다.

물리적 작용에서는 플라즈마 속의 양이온이 전기장에 의해 기판 쪽으로 가속되어 표면에 충돌합니다. 이러한 이온 충격으로 표면 원자가 튀어나가거나 반응이 촉진됩니다. 이로 인해 단순한 화학 반응만으로는 얻기 어려운 이방성 식각, 즉 수직 방향으로 파고드는 가공이 가능해집니다.

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

플라즈마 식각 장치의 특징은 다음과 같습니다.

미세 가공에 적합함
이방성 가공이 가능함
반응 가스를 선택하여 재료별 선택성을 부여할 수 있음

이와 같은 점이 특징입니다.

한편,

과도한 이온 충격에 의한 기판 손상
마스크의 마모
반응 생성물의 재부착

등이 과제가 됩니다.

즉, 플라즈마 식각 장치는 진공 중에서 발생시킨 플라즈마의 화학 반응성과 이온 충격을 이용하여 재료 표면을 정밀하게 제거하는 장치입니다.

플라즈마 식각 장치 내 타깃에 대한 부하 해석

PIC PLASMA 3D를 사용하여 플라즈마 식각 장치 내부의 플라즈마가 타깃에 충돌하는 시뮬레이션을 수행해 보겠습니다.

해석 모델은 아래와 같습니다.

해석 모델

그림 3: 플라즈마 식각 장치의 해석 모델

위와 같은 플라즈마 식각 장치 모델을 작성하고, 챔버 내부 플라즈마의 궤적 해석을 수행했습니다.

또한 플라즈마의 발생 메커니즘은 아래와 같습니다.

그림 4: 플라즈마 생성 과정

해석 조건

해석 조건은 다음과 같습니다.

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA 3D
해석 타입	플라즈마 해석
해석 대상	plasma_etcher.step
플라즈마 입자 종	Ar
플라즈마 밀도	1.0×10⁷ [개/m³]
누적 에너지 대상 오브젝트	input004
전압	음극 전압: -50000 [V] 양극 전압: 100000 [V]
시간 간격	5.0×10^-10 [s]
총 시뮬레이션 시간	1.0×10^-6 [s]

이러한 초기 조건은 소프트웨어(PIC-PLASMA 3D) 내부에서 설정할 수 있습니다.

그림 5: PIC-PLASMA 3D에서의 해석 조건 설정

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2026/03/202603151236.mp4

그림 6: 플라즈마 식각 장치 내부의 플라즈마 해석 결과

그림 7: 타깃 플라즈마의 누적 충돌 에너지

위 자료는 실제로 PIC-PLASMA 3D로 계산한 실제 해석 결과입니다.

그림 6은 플라즈마 내 이온(Ar⁺)의 거동을 애니메이션으로 시각화한 것입니다.

그림 7은 타깃과 플라즈마의 누적 충돌 에너지(운동 에너지)를 보여줍니다.

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

이 충돌 에너지에 의해 타깃 재료를 미세하게 깎아낼 수 있는 거예요!

또한 이번에 사용한 CAD 모델은 간단하게 제작된 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 플라즈마와의 충돌

※ 위 내용은 예시 중 하나입니다. 플라즈마 제품 개발에 PIC-PLASMA 3D를 꼭 활용해 보시기 바랍니다.

형광등에서 전자 궤도와 가스의 상호작용 분석

motsu16 — Tue, 24 Feb 2026 14:02:48 +0000

플라즈마란

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)

살균 및 소독(의료 시설, 식품 가공 공장)
공기청정기
수처리 장비

블랙라이트

위조 지폐 & 문서 감별
형광 도료 검사
균열 검사

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.

형광등에서의 전자-가스 충돌 해석

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

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA 3D
해석 종류	정전장 내 플라즈마의 궤도(입자) 해석
새로 생성되는 입자	전자
생성 전자의 초기 속도	1.0×10⁶[m/s]
전자 생성 수 (ns당)	1.0×10³ [per ns]
전압	음극 전압: 0[V] 양극 전압: 1000[V]
시간 스텝 폭	8.0×10^-11[s]
총 시뮬레이션 시간	1.6×10^-7[s]

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

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/12/light.mp4

그림 3: 형광등 내부에서 음극에서 방출된 열전자의 해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/12/light_ion.mp4

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.

전위
자기장 분포
전자 밀도
전류 밀도
전하 밀도

*위 내용은 예시입니다.

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

플라즈마 이온원·플라즈마 전자원의 해석

motsu16 — Mon, 23 Feb 2026 00:19:18 +0000

플라즈마란

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

플라즈마 이온원·전자원의 해석

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

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA3D
해석 타입	정전장 공간에서의 플라즈마 거동 해석
초기 플라즈마 밀도	1.0×10¹¹[개/m³]
전압	인출 전극: -500k[V] 플라즈마 생성실: 40k[V]
시간 간격(시간 스텝)	1.0×10^-10[s]
총 시뮬레이션 시간	1.0×10^-7[s]

플라즈마 전자원 해석 조건

해석 소프트웨어	PIC-PLASMA3D
해석 타입	정전장 공간에서의 플라즈마 거동 해석
초기 플라즈마 밀도	1.0×10¹¹[개/m³]
전압	인출 전극: 50k[V] 플라즈마 생성실: -4k[V]
시간 간격(시간 스텝)	1.0×10^-10[s]
총 시뮬레이션 시간	1.0×10^-6[s]

해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/05/202505201446.mp4

그림 2: 플라즈마 이온원 해석 결과

https://pic-software.com/wp-content/uploads/2025/05/202505191942.mp4

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.