유도 플라즈마

1960년대는 열 플라즈마 기술의 초기 시기로 항공우주 프로그램의 필요성에 자극되었다. 열 플라즈마 생성의 다양한 방법 중 유도 플라즈마(또는 유도 결합 플라즈마)가 중요한 역할을 담당한다.

가스 흐름에서 유도 결합 플라즈마를 유지하려는 초기 시도는 1947년 바바트와^[1] 1961년 리드까지^[2] 거슬러 올라간다. 노력은 에너지 커플링 메커니즘의 기초 연구와 혈장 방출에서의 흐름, 온도 및 농도 장의 특성에 집중되었다. 1980년대에는 고성능 소재 등 과학적인 이슈와 폐기물 처리 등 산업용 규모의 응용을 위한 유도 플라즈마에 대한 관심이 높아지고 있었다. 실험실 기기와 산업 통합 사이의 격차를 해소하기 위해 수많은 연구개발이 투입되었다. 수십 년의 노력 끝에 유도 플라즈마 기술은 현대 선진 산업에서 확고한 입지를 굳혔다.

유도 플라즈마 생성

유도 난방은 수세기 역사를 가진 성숙한 기술이다. 고주파 코일 안에 있는 전도성 금속 조각은 "유인"되어 빨갛게 달아오른 상태로 가열될 것이다. 유도 가열이나 "유도 결합 플라즈마"에 대한 기본적인 원리는 차이가 없으며, 다만 후자의 경우 유도할 매질이 흐르는 가스로 대체되고, "제4의 물질 상태"인 플라즈마에 도달하기 때문에 얻는 온도는 극히 높다.

유도결합플라즈마(ICP) 토치는 본질적으로 몇 바퀴 도는 구리 코일로, 작동 중 발생하는 열을 발산하기 위해 냉각수가 흐른다. ICP는 플라즈마 밀도가 낮은 정전(E) 모드와 플라즈마 밀도가 높은 유도(H) 모드라는 두 가지 작동 모드를 가지며, 외부 입력과 함께 E-H 난방 모드 전환이 일어난다.^[3] 코일은 인덕션(H 모드) 플라즈마가 생성되는 고정 튜브를 감싼다. 구속관의 한쪽 끝은 열려 있다; 혈장은 실제로 연속 가스 흐름으로 유지된다. 유도 플라즈마 작동 중에 발전기는 토치 코일에 교류(ac)의 무선 주파수(r.f.)를 공급한다. 이 AC는 암페어의 법칙(오일 코일의 경우) 이후 코일 내부에 교류 자기장을 유도한다.

$\phi _{B}=(\mu _{0}\,I_{c}\,N)(\pi \,r_{0}^{2}}\quad(1)}$

where, ${\displaystyle \phi _{B}}$ is the flux of magnetic field, ${\displaystyle \mu _{0}}$ is permeability constant ${\displaystyle 4\pi \,10^{-7}\,{\textrm {Wb/A.m}}}$, ${\displaystyle I_{c}}$ is the coil current, ${\displaystyle N}$ is the number of coil turns per 단위 길이, $r{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$는 코일이 회전하는 평균 반지름이다.

패러데이 법칙에 따르면 자기장 유량의 변화는 전압 또는 전자기력을 유발한다.

${\displaystyle E=-N(\Delta \phi _{B}/\Delta t)\quad (2)}$

여기서, $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle N}$은(는) 코일 회전 수이고 괄호 안의 항목은 플럭스가 변화하는 속도다. 플라즈마는 전도성이 있다(토치에 플라즈마가 이미 존재한다고 가정한다). 이 전자기력 E는 폐쇄 루프에서 밀도 j의 전류를 구동할 것이다. 이 상황은 유도 코일에서 금속 막대를 가열하는 것과 매우 유사하다: 혈장으로 전달되는 에너지는 옴의 법칙에서 줄 가열 jR을² 통해 소멸된다. 여기서 R은 혈장의 저항이다.

플라즈마는 전기 전도도가 비교적 높기 때문에 교대 자기장이 침투하기 어렵고, 특히 매우 높은 주파수에서는 더욱 그러하다. 이 현상은 보통 "피부 효과"로 묘사된다. 직관적인 시나리오는 각 자기선을 둘러싼 유도 전류가 서로 상충하여 순유도 전류가 플라즈마 주변에만 집중된다는 것이다. 혈장의 가장 뜨거운 부분이 축을 벗어난다는 뜻이다. 그러므로 유도 플라즈마는 "환각"과 같은 것이다. 플라즈마 축을 관찰하면 밝은 「베이글」처럼 보인다.

실제로 저압 조건(<300 torr)에서 플라즈마의 발화는 코일에 가해지는 r.f. 동력이 일정한 임계값을 달성하면 거의 자발적이다(토치 구성, 가스 유량 등에 따라 달라짐). 플라즈마 가스(일반적으로 아르곤)의 상태는 예열 방전에서 아크 차단으로 신속하게 전달되며 안정적인 유도 플라즈마가 생성된다. 대기압 조건의 경우 테슬라 코일의 도움으로 점화되는 경우가 많은데, 이 경우 토치 내부에서 국소 아크차단을 유도하고 플라즈마 가스의 이온화를 자극하는 고주파 고전압 전기 스파크가 발생하여 궁극적으로 안정된 플라즈마가 된다.

유도 플라스마 토치

유도 플라즈마 토치는 유도 플라즈마 기술의 핵심이다. 수백 가지의 다른 설계가 존재함에도 불구하고 유도 플라즈마 토치는 기본적으로 세 가지 요소로 구성된다.

코일

유도 코일은 r.f. 동력원 특성에 따라 몇 개의 나선형으로 구성된다. 코일 직경, 코일 회전수, 각 회전 반경을 포함한 코일 매개변수는 적절한 전기 임피던스를 가진 전기 "탱크 회로"를 만드는 방식으로 지정된다. 코일은 일반적으로 원통형 축을 따라 속이 비어 있으며, 작동 중 필요한 높은 전류에서 발생하는 코일의 높은 작동 온도를 완화하기 위해 내부 액체 냉각(예: 탈이온수)으로 채워져 있다.

감금관

이 관은 혈장을 제한하는 역할을 한다. 쿼츠 튜브는 일반적인 구현이다. 튜브는 종종 압축 공기(<10 kW)나 냉각수로 냉각된다. 많은 실험실 용도(스펙트럼 진단 등)에서 석영관의 투명성이 요구되지만, 상대적으로 기계적 및 열적 특성은 고온 플라즈마의 강도 높은 방사선에 의해 손상될 수 있는 다른 부품(예: o-링 씰)에 위험을 초래한다. 이러한 제약조건은 쿼츠 튜브의 사용을 저전력 토치(<30 kW)로만 제한한다. 산업용 고출력 플라즈마 애플리케이션(30~250kW)의 경우 일반적으로 세라믹 소재로 만든 튜브가 사용된다.^[4] 이상적인 후보물질은 열전도도가 우수하고 열충격성이 우수할 것이다. 당분간 질화규소(SiN₃₄)가 우선이다. 훨씬 더 큰 전력의 횃불은 낮은 전력 커플링 효율성과 플라즈마 기체와 화학적 상호작용의 위험 증가라는 엔지니어링 절충과 함께 플라즈마 구속 튜브에 금속 벽 케이지를 사용한다.

가스배급기

흔히 토치헤드라고 불리는 이 부분은 방전 구역에 서로 다른 가스 흐름을 도입하는 역할을 담당한다. 일반적으로 토치헤드로 통하는 가스선은 3개다. 이들의 원 중심까지의 거리에 따라 이들 세 개의 가스 흐름도 임의로 Q₁, Q, Q로₂₃ 명명된다.

Q는₁ 보통 토치헤드 중앙에 있는 인젝터를 통해 플라즈마 토치에 유입되는 캐리어 가스다. 이름이 나타내듯이 Q의₁ 기능은 전구체(분말이나 액체)를 플라즈마로 전달하는 것이다. 아르곤은 일반적인 운반 가스지만, 처리 요건에 따라 많은 다른 활성 가스(산소, NH₃, CH₄ 등)가 운반 가스에 관여하는 경우가 많다.

Q는₂ 플라즈마 형성 기체로, 흔히 "중앙 가스"라고 부른다. 오늘날의 유도 플라즈마 토치 설계에서는 중심 가스가 접선적으로 소용돌이치면서 토치실에 유입되는 것은 거의 예사롭지 않다. 소용돌이치는 가스 흐름은 내부 튜브에 의해 유지되며, 내부 튜브는 소용돌이를 유도 코일의 첫 번째 턴 레벨까지 돌린다. 이러한 모든 공학적 개념은 코일 영역 중앙에서 가스 방전의 안정성을 보장하는 데 필요한 적절한 흐름 패턴을 만드는 것을 목표로 하고 있다.

Q는₃ 일반적으로 위에서 언급한 내부 튜브 외부에 도입되는 '시스트 가스'라고 한다. Q의₃ 흐름 패턴은 소용돌이 또는 직선일 수 있다. 피복 가스의 기능은 두 가지다. 그것은 혈장 방출을 안정시키는데 도움을 준다; 가장 중요한 것은, 그것은 냉각 매체로서, 구속관을 보호한다.

플라즈마 가스 및 플라즈마 성능

유도 플라즈마를 유지하기 위한 최소 동력은 압력, 주파수 및 가스 조성에 따라 달라진다. 낮은 유지력 설정은 높은 r.f. 주파수, 저압 및 아르곤과 같은 단원자 기체로 달성된다. 일단 이원자 가스가 플라즈마에 도입되면, 유지력이 급격히 증가하게 되는데, 왜냐하면 기체 분자 결합을 먼저 깨기 위해 추가적인 분리에너지가 필요하기 때문이다. 따라서 플라즈마 상태에 대한 추가적인 배출이 가능하다. 플라즈마 가공에 이원자 가스를 사용하는 주요 이유는 (1) 에너지 함량이 높고 열전도율이 좋은 플라즈마를 얻기 위해서(아래 표 참조), (2) 가공 화학에 적합하기 위해서(아래 표 참조).

가스	특정 중력[5]	열적 분열의 에너지(eV)	이온화 에너지(eV)	열적 전도성[6] (W/m·K)	엔탈피[6] (MJ/mol)
아르	1.380	해당 없음	15.76	0.644	0.24
그	0.138	해당 없음	24.28	2.453	0.21
H2	0.069	4.59	13.69	3.736	0.91
N2	0.967	9.76	14.53	1.675	1.49
O2	1.105	5.17	13.62	1.370	0.99
공기	1.000	해당 없음	해당 없음	1.709	1.39

실제로 유도 플라즈마 처리에서 플라즈마 가스의 선택은 우선 처리 화학, 즉 환원 또는 산화 처리를 필요로 하는 처리 또는 기타 환경에 의해 결정된다. 그런 다음 적절한 두 번째 가스를 선택하여 아르곤에 첨가하여 플라즈마와 치료할 물질 사이의 열 전달을 개선할 수 있다. Ar-He, Ar-H₂, Ar-N₂, Ar-O₂, Air 등의 혼합물은 매우 일반적으로 사용되는 유도 플라스마 입니다. 방전에서의 에너지 소산은 근본적으로 플라즈마의 바깥쪽 환형 껍질에서 발생하기 때문에, 두 번째 가스는 중심 가스 라인이 아닌 피복 가스 라인과 함께 보통 도입된다.

유도 플라즈마 기술의 산업적 응용

실험실 인덕션 플라즈마 기술의 진화에 따라 인덕션 플라즈마의 주요 이점은 다음과 같이 구분되었다.

• 다른 플라즈마 방법(예: 직류 비전달 아크(dc) 플라즈마)과 비교하여 다른 플라즈마 생성 메커니즘으로 인해 전극의 침식 및 오염 문제가 발생하지 않는 경우.
• 전구체의 축 급유 가능성, 고체 분말 또는 정지 액체가 될 가능성. 고점도의 플라즈마 플라즈마에서 고점도의 플라즈마 고온에 소재를 노출하는 어려움을 극복한 것이 특징이다.
• 비 전극 문제 때문에 광범위한 다용도 화학 선택이 가능하다. 즉, 토치는 환원성 또는 산화성, 심지어 부식성 조건에서 작동할 수 있다. 이 기능을 통해 유도 플라즈마 토치는 고온 엔탈피 열원뿐만 아니라 화학 반응 용기로도 작용하는 경우가 많다.
• 혈장 플룸에서 DC 혈장과 비교하여 전구체의 비교적 긴 거주 시간(최대 수백 밀리초)
• 상대적으로 큰 혈장 부피.

이러한 유도 플라즈마 기술의 특징은 지난 10년 동안 산업 규모 운영에서 틈새 응용 분야를 찾아냈다. 유도 플라즈마 공정의 성공적인 산업 적용은 많은 기본적인 공학 지원에 크게 의존한다. 예를 들어, 높은 출력 수준(50~600kW)과 긴 지속 시간(일 3교대 8시간/일)이 가능한 산업용 플라즈마 토치 설계가 그것이다. 또 다른 예로는 신뢰성 있고 정확한 전달 성능을 가지고 다량의 고체 전구체(1~30 kg/h)를 전달하는 분말 공급기가 있다.

요즘, 우리는 위치에 유도 플라즈마 기술의 가루 spheroidisation,nanosized 파우더를 합성, 유도 플라즈마 분사는, 폐기물 대처 방법 하지만 etc.,[7][8], 유도 플라즈마 기술의 가장 인상적인 성공이 들판에서 의심할 필요 없다 등의 산업 제품의 많은 예들 numerate 수 있어 왔다.류의영웅화 및 나노입자합성.

분말 스피로이드화^[9]

분말 경화(밀도화뿐만 아니라) 요건은 분말 금속에서 전자 포장까지 매우 다른 산업 분야에서 나온다. 일반적으로 구면 가루로 전환하기 위해 산업 공정이 절실히 필요한 것은 회전화 과정에서 발생하는 다음 이점 중 적어도 하나를 추구하는 것이다.

1. 분말의 유동성을 개선하십시오.
2. 분말 포장 밀도를 높이십시오.
3. 분말 내부 충치와 골절을 제거하십시오.
4. 입자의 표면 형태학을 변경한다.
5. 그 밖에 광학반사, 화학순도 등 독특한 동기

스피로이드제이션은 비행 중에 녹는 과정이다. 각형상의 분말 전구체가 유도 플라즈마에 유입되어 고온의 플라즈마에서 즉시 용해된다. 용해된 분말 입자들은 액체 상태의 표면 장력에 의해 구형 형태를 가정하고 있다. 이 물방울들은 플라즈마 플룸 밖으로 날아가면 급격히 냉각될 것이다. 왜냐하면 플라즈마 안에서 흥분되는 큰 온도 변화 때문이다. 따라서 응축된 구들은 경구화 생산물로 수집된다.

다양한 세라믹, 금속 및 금속 합금이 유도 플라즈마 회전력을 사용하여 성공적으로 회전/분해되었다. 다음은 상업적 규모로 경화되는 대표적인 재료들이다.

• 산화물 세라믹스: SiO₂, ZrO₂, YSZ, AlTiO₂₅, 유리
• 비산소: WC, WC–Co, CaF₂, TiN
• 금속: 레, 타, 모, W
• 합금: Cr-Fe-C, Re-Mo, Re-W

나노소재합성

나노분말을 위한 다양한 기법의 광범위한 연구 개발을 촉진하는 것은 나노분자에 대한 수요 증가다. 산업용 애플리케이션 기술의 도전과제는 생산성, 품질 관리 가능성 및 합리적인 가격이다. 유도 플라즈마 기술은 가장 비등점이 높은 원재료라도 전구체의 비행 중 증발을 구현한다; 다양한 대기에서 작동하며, 다양한 나노포더의 합성을 허용하며, 따라서 실험실과 산업용 sca에서 나노포더의 합성을 위한 훨씬 더 신뢰할 수 있고 효율적인 기술이 된다.les. 나노포더 합성에 사용되는 유도 플라즈마는 고순도, 고 유연성, 스케일업, 조작 및 공정 제어와 같은 대체 기법에 비해 많은 장점을 가지고 있다.

나노합성 공정에서 물질은 먼저 유도 플라즈마에서 증발까지 가열되고, 그 후 증기는 취침/반응 영역에서 매우 빠른 침윤을 받게 된다. 취출 가스는 합성할 나노포저의 종류에 따라 AR, N과₂ 같은 불활성 기체나 CH₄, NH와₃ 같은 반응성 기체일 수 있다. 생산되는 나노계 분말은 보통 다공성 필터에 의해 수집되는데, 이는 플라즈마 원자로 구간에서 떨어져서 설치된다. 금속 분말의 반응도가 높기 때문에 공정의 여과 부분에서 채취한 분말을 제거하기 전에 분말의 진정성에 각별한 주의를 기울여야 한다.

유도 플라즈마 시스템은 합성 나노 소자에 성공적으로 사용되어 왔다. 생산되는 나노 입자의 일반적인 크기 범위는 사용되는 응축 조건에 따라 20 ~ 100 nm이다. 생산성은 재료의 물리적 특성에 따라 몇 백 g/h에서 3~4 kg/h까지 다양하다. 산업용 응용을 위한 대표적인 유도 플라즈마 나노-신스사이즈 시스템은 다음과 같다. 같은 장비에서 나온 일부 나노 제품의 사진이 포함되어 있다.

갤러리

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  얇은 연동 레늄 분말은 유도 플라즈마 회전화 처리 후 밀도가 높은 별도 구가 된다.

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  유도 플라즈마(공기 플라즈마), 출력 15~20 kg/h에 의해 회전된 SiO₂ 분말

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  나노 소자 합성을 위한 유도 플라즈마 설치

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  유도 플라즈마 공정에 의해 제조된 나노입자의 일부 샘플

요약

유도 플라즈마 기술은 앞서 언급한 고부가가치 공정을 주로 달성한다. "소성화"와 "나노물질 합성" 이외에도 고위험 폐기물 처리, 내화물질 퇴적물, 고귀한 물질 합성 등이 유도 플라즈마 기술의 차세대 산업 분야일 수 있다.

참고 항목

• 플라즈마 추진 엔진
• 플라스마(물리학) 물품 목록

메모들