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플라즈마절단과 레이저 절단의 원리

 

1. 플라즈마 및 레이저 발생원리

 

◈플라즈마 발생원리

플라즈마란 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 의미하며 또는 아크 방전의 전극간 기체, 방전관(형광등 등)내의 발광부분, 전리층 등의 대기층, 태양의 코로나 등과 같이 고도로 전리된 기체를 말하기도 하며 물질의 제4태라고도 불린다.

 

◈발생원리

플라즈마를 만들기 위해서는 자연 상태의 원자나 분자를 이온화 시켜야 한다. 그러기 위해서는 높은 열을 가해주어여 한다. 즉 수십 만도에서 수백만도의 고온이 필요하다. 그러나 높은 전계를 가해주면 낮은 온도에서도 원자나 분자를 이온화 시킬 수 있게 된다. 예를 들면 아르곤(Ar)가스의 경우 1torr - 100Torr사이의 압력에서는 1Cm당 100V이상의 전계만 있어도 플라즈마를 생성시킬 수 있다.

원자나 분자가 이온화하기 위해서는 전기장에 의해 가속된 자유전자나 이온과 충돌해야하는데 이때 3가지의 상태를 갖게 된다. 첫 번째가 반발(Atom elastic collision)이다. 이것은 그림 1과 같이 충분히 가속되지 못한 전자나 이온이 충돌했을 때인데 이때에는 아무런 변화가 없게 된다.

 

 

두 번째가 이온화(Ionization)이다. 그림 2와 같이 가속된 자유전자나 이온과 충돌하여 새로운 이온을 만들고 또 하나의 자유전자를 만들게 된다.

 

 

 

세 번째가 여기(Excitation)와 발광(Relaxation)이다. 그림3과 같이 가속된 자유전자나 이온이 이온화에는 충분하지 않지만 충돌된 원자에 에너지를 공급하여 최외각전자를 페르미 준위보다는 낮은 궤도 올려놓게 된다. 그러나 이 궤도는 불안정하기 때문에 다시 원래의 궤도로 돌아오면서 빛에너지를 발산하게 된다. 이때 발산하는 빛은 원자마다 최외각 전자가 올라갈 수 있는 궤도가 정해져 있기 때문에 일정한 색을 지니게 된다.

 

 

 

위의 세 가지의 충돌현상을 보면 이온화되기 적절한 조건을 찾을 수 있다. 즉 첫 번째의 경우에서와 같이 가속이 덜된 상태에서의 충돌은 이온화에 영향을 주지 못하며, 또 충돌할 확률이 낮아도 이온화하는데 더 어렵게 된다. 즉 이온화를 쉽게 하기 위해서는 적당한 압력과 적당한 전압이 필요하게 된다. 압력이 높아서 입자가 많이 지면 평균행정거리(Mean Free Pass)가 짧아지기 때문에 전압이 높더라도 이온화하기 어렵고, 압력이 너무 낮으면 충돌…(생략)

 

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