엑시머 램프

Excimer lamp

excimer lamp(또는 excilamp)는 excimer(exciplex) 분자의 자발적 배출에 의해 생성되는 자외선의 원천이다.[1][2][3]

소개

엑시머 램프는 자외선(UV)과 진공 자외선(VUV) 스펙트럼 영역에서 광범위한 파장을 통해 작동하는 준동색광 광원이다. 익사이머 램프 작동은 흥분 상태에서 지상으로 자연적으로 전이되어 UV-포톤이 방출되는 흥분 조광기(익시머)의 형성에 기초한다. excimer 램프 방사선의 스펙트럼 최대치는 작동 excimer 분자에 의해 지정된다(아래 표 참조).

excimer 램프 방사선의 파장과 광자 에너지.

작용 excimer 분자 파장(nm) 광자 에너지(eV)
NEF* 108 11.48
아2* 126 9.84
크르2* 146 8.49
F2* 158 7.85
아르브르* 165 7.52
XE2* 172 7.21
ArCl* 175 7.08
크라이* 190 6.49
ARF* 193 6.42
KrBr* 207 5.99
KrCl* 222 5.58
KRF* 248 5.01
XEI* 253 4.91
CL2* 259 4.79
XeBr* 282 4.41
BR2* 289 4.29
XeCl* 308 4.03
I2* 342 3.63
XEF* 351 3.53

엑시머는 안정적인 흥분 전자 상태와 결합되지 않았거나 약하게 결합(열적으로 불안정한) 지상 상태를 가진 이원자 분자(다이머) 또는 다원자 분자다. 초기에는 안정적 흥분 상태지만 혐오스러운 지상 상태를 가진 동핵 분자만 엑시머(배출된 조광기)라고 불렸다. "신체"라는 용어는 나중에 반발하거나 약하게 결합된 지면 상태를 가진 다원자 분자를 지칭하기 위해 확장되었다. 흥분된 콤플렉스라는 뜻의 'explix'라는 말도 떠오를 수 있다. 그것은 또한 흥분제 분자일 뿐 동핵 조광기는 아니다. 예를 들어 Xe2*, Kr2*, Ar2*는 excimer 분자로, XeCl*, KrCl*, XeBr*, ArCl*, XeCl2*은 exciplex 분자로 언급된다. 희소 가스의 조광기와 희소 가스 할로겐 조광기가 가장 많이 퍼지고 연구된 흥분제다. 희귀 가스 할리드 트리머, 금속 엑시머, 금속 레이어 가스 엑시머, 금속 할리드 엑시머, 희귀 가스 산화 엑시머 등도 알려져 있지만 거의 사용되지 않는다.[4]

흥분되는 전자적 상태에서는 흥분되는 분자가 몇 십 나노초에서 몇 십 나노초까지의 법칙처럼 제한된 시간 동안 존재할 수 있다. 그 후 엑시머 분자는 광자의 형태로 내부 전자적 흥분 에너지를 방출하면서 지상 전자 상태로 전이된다. excimer 분자의 특정 전자 구조 때문에, excimer 분자의 종류에 따라 가장 낮은 경계 흥분 전자 상태와 지면 상태 사이의 에너지 갭은 3.5 - 10 eV이며, UV와 VUV 스펙트럼 영역에서 빛 배출을 제공한다. excimer 램프 방사선의 대표적인 스펙트럼 특성은 주로 하나의 강렬한 좁은 방출 대역으로 구성된다.[5] 엑시머 램프의 전체 방사선 출력의 약 70-80%가 이 방출 대역에 집중되어 있다. 방출 대역의 반 최대값에서 전체 폭은 흥분제 분자의 종류와 흥분 조건에 따라 달라지며 2 ~ 15 nm 이내의 범위. 사실 엑시머 램프는 콰시몬색광의 원천이다. 따라서 그러한 선원은 스펙트럼 선택적 조사에 적합하며 경우에 따라서는 레이저를 대체할 수도 있다.[6][7][8]

자외선 생산

방사선은 흥분된 전자상태에서 흥분된 전자상태로 흥분된 분자의 자발적인 전환으로 인해 생성된다. 엑시머와 엑시믹스 분자는 장수하는 형질이 아니다. 그것들은 일반적으로 몇 나노초 이내에 빠르게 분해되어 UV 광자의 형태로 흥분 에너지를 방출한다.

excimer 분자의 방출:

exciplex 분자의 방출:

여기서 Rg2*는 excimer 분자, RgX*는 exciplex 분자, Rg는 희귀 가스의 원자, X는 할로겐의 원자.

엑시머 분자 형성

플라즈마에서 흥분 분자를 생성하는 것은 편리하다. 전자는 플라즈마에서, 특히 흥분제 분자의 형성에 중요한 역할을 한다. 효율적인 excimer 분자를 생성할 수 있으려면 working medium(플라스마)은 excimer 분자의 전구체를 생성할 수 있을 만큼 충분히 높은 에너지로 충분한 전자의 농도를 포함해야 하며, 이는 주로 흥분되고 이온화된 희귀 가스 원자가 된다. 기체 혼합물에 힘을 도입하면 다음과 같이 흥분되고 이온화된 희귀 가스 원자가 형성된다.

전자 배설

Rg + e− → Rg* + e−,

직접 전자 이온화

Rg + e− → Rg+ + 2e−,

단계적 이온화

Rg* + e− → Rg+ + 2e−,

여기서 Rg*는 흥분된 전자 상태의 희귀 가스 원자, Rg는+ 희귀 가스 이온, e는− 전자다.

흥분한 희소 가스 원자가 플라즈마에 충분히 축적되면 흥분된 희소 가스 분자는 다음과 같은 반응에 의해 형성된다.

Rg* + Rg + M → Rg2* + M,

여기서 Rg2*는 excimer 분자이고, M은 excimer 분자를 안정화하기 위해 초과 에너지를 운반하는 세 번째 입자다. 일반적으로, 그것은 작동 매체의 희귀 가스 원자다.

이 3체 반응을 분석해 보면 흥분한 희소가스 원자의 농도와 지상 상태의 희소가스 원자의 농도의 제곱에 비례한다는 것을 알 수 있다. 이런 관점에서 볼 때 워킹 매체에 희소가스의 농도는 최대한 높아야 한다. 희소 가스의 고농도는 가스 압력을 증가시킴으로써 달성된다. 그러나 희귀 가스 농도의 증가는 또한 흥분 분자의 충돌 진동을 강화하여 방사능이 없는 붕괴를 초래한다.

Rg2* + Rg → Rg* + 2Rg.

흥분된 전자 상태에서 충돌 사이의 평균 시간은 흥분된 전자 상태에서 흥분된 자극 분자의 수명보다 훨씬 더 높은 반면, 흥분된 자극 분자의 충돌 진동은 무시할 수 있다. 실제로 작동 매체의 최적 압력은 실험적으로 발견되며, 대략 하나의 대기에 달한다.

exciplex 분자(rare gas halides)의 형성에 기초하는 메커니즘은 excimer 분자 형성의 메커니즘보다 조금 더 복잡하다. 엑시플렉스 분자의 형성은 크게 두 가지 방법으로 일어난다. 첫 번째 방법은 이온 재조합의 반응, 즉 양성 희귀 가스 이온과 음의 할로겐 이온의 재결합 때문이다.

Rg+ + X− + M → RgX* + M,

여기서 RgX*는 exciplex 분자이고, M은 충돌하는 제3의 파트너로, 보통 기체 혼합물이나 완충 가스의 원자나 분자다. 세 번째 입자는 과도한 에너지를 흡수하고 흥분된 분자를 안정시킨다.

음의 할로겐 이온의 형성은 소위 분열 전자 부착의 프로세스에서 저 에너지 전자와 할로겐 분자의 상호작용에서 비롯된다.

X2 + e− → X + X−,

여기서 X는 할로겐 원자다.

기체 혼합물의 압력은 이온 재조합의 반응으로 인한 exciplex 분자의 효율적인 생성을 위해 매우 중요하다. 사실은 이온 재조합의 반응은 3체 충돌의 과정이며, 압력에 따라 3체 충돌 확률이 높아진다. 기체 혼합물의 낮은 압력(수십 torr)에서 이온 재조합의 반응은 효율성이 거의 없는 반면 100 Torr 이상의 압력에서는 상당히 생산적이다.

엑시플렉스 분자를 형성하는 두 번째 방법은 작살 반응이다. 이 경우 할로겐 분자나 할로겐 함유 화합물은 흥분한 희귀 가스 원자의 약하게 결합한 전자를 포착하고 흥분된 전자 상태에서 다음과 같은 엑시플렉스 분자가 형성된다.

Rg* + X2 → RgX* + X.

작살 반응은 2체 충돌의 과정이기 때문에 3체 반응에 필요한 압력보다 훨씬 낮은 압력으로 생산적으로 진행할 수 있다. 따라서, 작살 반응은 가스 혼합물의 낮은 압력에서 흥분등 작동의 효율적인 작동을 가능하게 한다. 기체 혼합물의 낮은 압력에서 발생하는 흥분성 분자의 충돌 quenching은 이온 재조합의 반응을 생산적으로 진행하는데 필요한 압력보다 훨씬 낮다. 이 때문에 저압 익시머 램프는 펌핑에너지를 UV방사선으로 전환하는데 있어 최대의 효율을 보장한다.

작살 반응과 이온 재조합 반응이 동시에 진행된다는 점을 언급해야 한다. 첫 번째 또는 두 번째 반응의 우위는 주로 기체 혼합물의 압력에 의해 결정된다. 작살 반응은 낮은 압력(50 Torr 미만)에서 우세하지만, 이온 재조합의 반응은 높은 압력(100 Torr 이상)에서 우세하다.

플라즈마에서 진행 중인 반응의 운동성은 다양하며 위에서 고려한 과정에만 국한되지 않는다. 엑시플렉스 분자를 생산하는 효율은 기체 혼합물의 구성과 그 엑시션의 조건에 달려 있다. 할로겐 기증자의 유형이 중요한 역할을 한다. 가장 효과적이고 널리 사용되는 할로겐 캐리어는 동핵 이원자 할로겐 분자다. 수소 할로겐화합물, 금속 할로겐화합물, 인터 할로겐화합물 등 보다 복잡한 할로겐화합물도 할로겐화합물로 사용되지만 그 정도는 덜하다.

주목할 만한 할로겐 캐리어는 알칼리 할로겐화물이다. 알칼리 할로겐화물의 특징은 흥분된 전자 상태에서 그들의 화학적 결합과 이산화 분자의 화학적 결합의 유사성이다. 흥분된 전자 상태의 엑시플렉스 분자는 지상의 알칼리 할로겐화물과 함께 이온 결합이 특징이다. 그것은 exciplex 분자의 형성을 위한 대체 메커니즘, 즉 대체 반응들을 개방한다.

Rg* + AX → RgX* + A,
Rg+ + AX → RgX* + A+,

여기서 AX는 알칼리 할리드 분자, A는 알칼리 금속 원자, A는+ 알칼리 금속 이온이다.

엑시플렉스 분자 형성의 이러한 메커니즘은 이온 재조합과 작살 반응의 반응과는 근본적으로 다르다.[9] 흥분된 기체의 원자/이온에 의해 알칼리 할리드 분자에서 알칼리 금속의 원자/이온을 교체하는 것만으로 exciplex 분자가 형성된다.

알칼리 할로겐화물을 사용하는 장점은 두 대체 반응이 동시에 유사한 생산성으로 저압에서 진행될 수 있다는 것이다.[10] 더욱이 희소 가스의 흥분된 원자와 이온 모두 다른 할로겐 캐리어를 사용하는 엑시머 램프와는 대조적으로 엑시믹스 분자의 생산에 효과적으로 사용된다. 희소 가스의 이온화와 배출이 유입된 에너지의 대부분을 소비하기 때문에 중요하다. 기체 혼합물의 압력에 따라 이온 재조합과 작살반응의 반응이 지배적이기 때문에, 저압에서는 희귀 가스 이온의 생성이 수익성이 없는 반면, 고압에서는 희소 가스의 배출이 불합리하다. 알칼리 할리드 사용의 단점은 기체 혼합물에 알칼리 할리드 분자의 필요한 농도를 제공하기 위해 필요한 고온이다. 그럼에도 불구하고 알칼리 할로겐 캐리어로 알칼리 할로겐화물을 사용하는 것은 특히 저압에서 작동하는 엑시플렉스 레이저의 개발에 유망하다.[10]

흥분 방법

흥분제 분자의 배출을 촉진하는 널리 사용되는 방법 중 하나는 전기 방전이다. 익사이머 램프 펌핑에 사용되는 배출 유형은 매우 많다. 예로는 예열 방전, 펄스 방전, 용량성 방전, 세로 및 가로 방전, 볼륨 방전, 스파크 방전, 마이크로홀로우 방전이 있다. 2013년 현재 상용 램프에서 가장 많이 사용되는 유형은 용량성 방전의 일종인 유전장벽 방전(DBD)이다.[11][12] DBD excimer 램프의 장점은 전극이 활성 매체(플라즈마)와 직접 접촉하지 않는다는 것이다. 전극과 방전 사이의 상호작용이 없으면 전극 부식은 물론 가래된 전극 물질에 의한 활성 매체의 오염을 제거하여 DBD 익사 램프의 수명이 다른 것에 비해 상당히 증가한다. 또한 유전 장벽 방출을 통해 몇 개의 토르에서 두 개 이상의 대기까지 광범위한 작업 압력에서 가스 혼합물을 효과적으로 배출할 수 있다. 엑시머 램프는 복사 표면의 원하는 모양으로 만들어 특정 작업의 요건을 충족할 수 있다.

excimer 램프의 이점

자외선 및 VUV 방사선의 다른 선원에 비해 엑시머 램프의 주요 장점은 다음과 같다.

  • UV 방사선의 높은 평균 특정 전력(활성 매체의 입방 센티미터 당 최대 1와트)
  • 방출된 광자의 높은 에너지(3.5 ~ 11.5 eV)
  • 2 ~ 15nm의 절반 최대 폭에서 스펙트럼 전체 폭을 가진 퀘이몬 색색 방사.
  • UV 방사선의 고출력 스펙트럼 밀도
  • 특정 목적을 위한 UV 방사선의 스펙트럼 최대 파장 선택(표 참조)
  • 여러 종류의 작동 흥분제 분자의 동시 발생으로 인한 다파 UV 방사선의 가용성
  • 가시 및 IR 방사선의 부재
  • 작동 모드의 즉각적인 달성.
  • 복사 표면의 낮은 가열
  • 수은의 결핍

적용들

인쇄 산업용으로 상업적으로 사용되는 172nm 엑시머 램프

UV 스펙트럼 영역에서 발광하는 광원은 잉크, 접착제, 바리쉬 및 코팅의 경화, 광석학, UV 유도 유전체의 성장,[13] UV 유도 표면 수정, 세척 또는 재료 침적과 같은 광화학 공정을 포함하는 기법에 널리 사용된다. 자외선의 일관성 없는 선원은 레이저 선원에 비해 특히 대규모 산업 공정을 예상할 때 비용이 저렴하고 조사 영역이 크며 사용이 용이하기 때문에 이점이 있다.

수은등(λλ=253.7nm)은 자외선이 광범위하게 퍼져 있지만, 오래된 램프의 생산, 사용, 폐기 등은 인간의 건강과 환경오염에 위협이 된다. 일반적으로 사용되는 수은등과 비교했을 때, 엑시머 램프는 많은 장점을 가지고 있다. excimer 분자의 특정한 특징은 지상 전자 상태에 강한 결합이 없다는 것이다. 덕분에 자기 흡수력이 크지 않은 플라즈마에서 고강도의 자외선을 추출할 수 있다. 이를 통해 활성 매체에 축적된 에너지를 효율적으로 UV 방사선으로 변환할 수 있다.

엑시머 램프는 엑시머 램프의 복사 표면이 수은등과 같은 기존 UV 램프와 대조적으로 상대적으로 낮은 온도에 머물러 있기 때문에 UV 복사의 차가운 근원으로 언급된다. 매체를 가열할 필요가 없기 때문에 익사성 램프는 전원을 켠 후 거의 즉시 최대 출력에 도달한다.

희귀 가스 및 희귀 가스 할리드 엑시머 램프는 일반적으로 자외선(UV)과 진공-초자외선(VUV) 스펙트럼 영역에서 방사한다(표 참조). 그들의 독특한 협대역 방출 특성, 높은 양자 효율, 고에너지 광자는 흡착 분광학, UV 양생, 자외선 코팅, 소독, 오존 생성, 기체 유기 폐기물 파괴, 광 에칭 및 광 투과와 같은 용도에 적합하다.[14]

3.5–10 eV의 에너지 범위에서 광자를 방출하는 광원은 대부분의 화학적 결합을 분쇄하고 미생물을 죽이는 고에너지 광자의 능력 때문에 많은 분야에서 응용을 찾는다. 엑시머 램프 적용의 예로는 음용수의 정화 및 소독, 풀장수, 공기, 하수 정화, 산업폐기물의 제염, 연도 가스 및 물속의 유기화합물의 광화학합성 및 분해, 유기 코팅 및 페인트의 광합성, 광증강화 화학증기 퇴적 등이 있다.이온.[15][16] 모든 경우에 UV 광자는 종을 자극하거나 화학적 결합을 분해하여 활성산소나 다른 화학 시약이 형성되어 필요한 반응을 일으킨다.

엑시머 램프는 선택적 작용을 한다. 주어진 파장의 자외선은 종을 선택적으로 흥분시키거나 필요한 활성산소를 발생시킬 수 있다. 이러한 램프는 페인트, 바리쉬 및 접착제의 UV 양생, 표면 특성 세척 및 수정, 라커 및 페인트의 중합, 다양한 오염 물질의 광분해 등 광물리학적 및 광화학 처리에 유용할 수 있다. 폴리머의 광 에칭은 제논 엑시머에 의한 172 nm, 크립톤 염화물에 의한 222 nm, 염화 제논에 의한 308 nm 등 다양한 파장에 의해 가능하다. 엑시머 UV 선원은 대면적 중합체 표면을 미세하게 구성하는 데 사용될 수 있다. 특히 XeCl-exclimer 램프(308nm)는 그을리기에 적합하다.

형광 분광학은 생체 분자를 검출하는 가장 일반적인 방법 중 하나이다. 생체 분자는 불소 가운으로 라벨을 붙일 수 있으며, 이는 자외선의 짧은 맥박에 흥분하여 가시 스펙트럼 부위에서 재배출로 이어진다. 이 재발광된 빛을 감지하면 라벨이 부착된 분자의 밀도를 판단할 수 있다. 란타니드 콤플렉스는 흔히 플루오프로브 로비로 사용된다. 이들은 수명이 길기 때문에 FRET(Forster Community Energy Transfer) 분석에 중요한 역할을 한다.

현재 엑시머 램프는 생태학, 광화학, 광생물학, 의학, 범죄학, 석유화학, 물리학, 마이크로전자학, 다양한 공학 과제, 광범한 기술, 과학, 식품 산업을 포함한 다양한 산업 분야, 그리고 그 외 많은 분야에서 사용되고 있다.

환경오염

수은등은 높은 효율로 인해 자외선의 가장 흔한 발생원이다. 그러나 이러한 램프에 수은을 사용하는 것은 폐기 및 환경 문제를 야기한다. 반대로 희소 가스를 기반으로 한 엑시머 램프는 절대적으로 위험하지 않으며 할로겐을 함유한 엑시머 램프는 수은 램프보다 환경적으로 더 양호하다.[citation needed]

참조

  1. ^ "What is an Excimer Lamp?". Resonance Ltd.
  2. ^ M.I. Lomaev; V.S. Skakun; E.A. Sosnin; V.F. Tarasenko; D.V. Shitts & M.V. Erofeev (2003). "Excilamps: efficient sources of spontaneous UV and VUV radiation". Phys.-Usp. 46 (2): 193–209. Bibcode:2003PhyU...46..193L. doi:10.1070/PU2003v046n02ABEH001308.
  3. ^ Ulrich Kogelschatz (2004). Tarasenko, Victor F (ed.). "Excimer lamps: history, discharge physics, and industrial applications". Proceedings of the SPIE. SPIE Proceedings. 5483: 272–286. Bibcode:2004SPIE.5483..272K. doi:10.1117/12.563006.
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  7. ^ Saburoh Satoh; Takao Tanaka; Satoshi Ihara; Chobei Yamabe (2000). Helvajian, Henry; Sugioka, Koji; Gower, Malcolm C; et al. (eds.). "Excimer lamp stereolithography". Proceedings of the SPIE. Laser Applications in Microelectronic and Optoelectronic Manufacturing V. 3933: 272–279. Bibcode:2000SPIE.3933..272S. doi:10.1117/12.387563.
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외부 링크