BEq와 MCS 技法을 이용한 混合氣體에서 電子의 輸送係數에 대한 시뮬레이션

유회영 東國大學校 大學院 2000 국내박사

Electron swarm parameters in pure CH_(4), CF_(4) and mixtures of CF_(4) and Ar, have been analyzed over a range of the reduced electric field strength between 0.1 and 350[Td] by the two-term approximation of the Boltzmann equation (BEq.) method and the Monte Carlo simulation (MCS). The transport coefficients for electrons, i.e., the drift velocity, the production of the longitudinal and transverse diffusion coefficients and the gas number density, the ratio of the diffusion coefficient to the mobility, the ionization coefficients, the mean energy, and the mean energy distribution function have been theoretically evaluated. Also coefficients of the ionization and attachment coefficients have been calculated. The calculations of electron swarm parameters require the knowledge of several collision cross-sections of electron beam. Thus, published momentum transfer, ionization, vibration, attachment, electronic excitation, and dissociation cross-sections of electrons for CH_(4), CF_(4) and Ar, were used. The differences of the transport coefficients of electrons in CH_(4), mixtures of CH_(4) and Ar, have been explained by the deduced energy distribution functions for electrons and the complete collision cross-sections for electrons. The results of the Boltzmann equation and the Monte Carlo simulation have been compared with the data presented by several workers. The deduced transport coefficients for electrons agree reasonably well with the experimental and simulation data obtained by Nakamura and Hayashi. The energy distribution function of electrons in CF_(4)-Ar mixtures shows the Maxwellian distribution for energy. That is, f(ε) has the symmetrical shape whose axis of symmetry is a most probably energy. The proposed theoretical simulation techniques in this work will be useful to predict the fundamental process of charged particles and the breakdown properties of gas mixtures.

SF_(6)-Ar 混合氣體에서의 電離와 附着係數

김상남 東國大學校 大學院 2000 국내박사

In this dissertation the results of the combined experimental and theoretical studies designed to understand and predict the spatial growth and transport coefficients for electrons in SF_(6) and SF_(6) - Ar mixtures have described. The ionization and attachment coefficients in pure SF6 and SF_(6) - Ar mixtures have been calculated over the range of 10<E/N<600[Td] by the two term Boltzmann equation and by the Monte Carlo Simulation using a set of electron collision cross sections for SF_(6) molecule and for Ar atom proposed by other authors. The transport coefficients for electrons in (0.2[%])SF_(6) - Ar and (0.5[%])SF_(6) - Ar mixtures were measured by time - of - flight method, and the electron energy distribution function and the parameters of the velocity and the diffusion were determined by the variation of the collision cross-sections with energy. The deduced electron drift velocities, the ionization and attachment coefficients, the longitudinal and the transverse diffusion coefficients and the mean energy agreed reasonably well with the data reported by other workers. Also the results calculated by Boltzmann equation method were in good agreement with those by Monte Calo simulation. The limiting reduced electric field intensity (E/N)_(lim), which is the value of E/ N (ratio of electric field to gas number density) at which the apparent ionization coefficient, (α-η)/N, in Zero, is drastically increased with increasing the addition rate of SF_(6) gas. The drift velocity of electrons in SF_(6) - Ar mixtures increased rapidly as a function of E/N and the characteristic energy of electrons increased slightly with increasing E/N. As a consequence, it was known that the spatial growth rates and the dielectric behaviors in SF_(6) - Ar mixtures are strongly dependent on the addition rate of SF_(6) gas but the transport coefficients of electrons are insensitive to the addition rate of SF_(6) gas. In particular, a little, dependency of the mean energy of electrons on the addition rate of SF_(6) gas was observed. The results obtained in this work will provide valuable information on the fundamental behaviors of electrons in weakly ionized gases and the role of electron attachment in the choice of better gases and unitary gas dielectrics or electronegative components in dielectric gas mixtures.

VDS를 이용한 AC-PDP의 구동파형 분석 및 혼합기체에 따른 Paschen 방전 특성

김성수 광운대학교 대학원 2001 국내석사

The main problem of AC-PDP is a luminosity, efficiency and cost. To improve electrical characteristics and luminosity of AC-PDP, driving pulse shape is very important. To make the driving pulse shape for AC-PDP, It is of great importance to investigate the influence of pulse width, frequency, rising & falling time, voltage level on the luminosity and stability in AC-PDP. There are 4 main driving periods in AC-PDP. They are the reset, address(writing), sustain and erasing period. Between them sustain period take the responsibility for luminosity and efficiency. The light emission mechanisms of AC-PDPs are essentially classified into four processes including the VUV emission, the VUV transmission to phosphor, the visible light conversion on phosphor and the visible light output process[1]. In the sustain period one of important factors is the 1st sustain pulse width. In this experiment the electrical and optical influence on AC-PDP The luminosity and stability in AC-PDP has been experimentally investigated by a versatile driving simulator (VDS) system with various of the 1st and last second sustain pulse width. This system is a kind of a arbitrary wave form generator. The wave form is easily drawn by PC(Personal Computer) and this wave form could be changed into high voltage waveform by DAC(Digital to Analog Convert) and high voltage amplifier for PDP driving. In surface discharge AC-PDP, Paschen breakdown characteristics is one of the most important factors to determine the operating region in AC PDP. The breakdown and sustain voltage in the PDP cell filled with pure Ne gas, mixture of Ne - Xe(1%, 2%, 4%, 7%, 10%) and He-Ne(27%)-Xe(3%) have been investigated for the various electrode gap of 80㎛, 110㎛ and 140㎛, respectively. AC-PDP(Plasma Display Panel)에 사용되는 혼합기체의 파센 곡선(Paschen curve) 과 발광효율 측정을 통하여 기초방전 특성을 이해하고자 하였다. PDP에 있어서 셀구조와 구동방법의 최적화 못지 않게 중요한 것이 방전기체의 선택 및 혼합비의 최적화이다. 현재 AC-PDP에서의 기체 조성은 실제 형광체를 여기시키는 진공자외선의 생성에 효과적인 Xe기체에 Ne, He 과 같은 바탕기체를 혼합해서 사용하고 있다. 즉 Xe 기체는 바탕기체의 준안정상태 (metastable state) 에너지보다 더 낮은 이온화 에너지를 갖기 때문에 페닝 효과 (Penning effect)에 의한 방전개시 전압의 감소와 스퍼터링에 의한 유전층의 손상 방지 등의 효과를 얻을 수 있다. 여기서 원자의 준안정 상태란 원자안의 전자가 가질수 있는 여러 에너지 준위 중에서, 비교적 수명이 긴 에너지 준위에 전자가 머무는 상태를 말한다. 이 상태의 원자는 외부로부터 에너지를 받게 되면 들뜨게 되며, 이와같은 들뜬 상태로 공간안에 머물러 있으면서 다른 입자 또는 전극의 표면과 충돌하게 된다. 이때 들뜬 준안정 상태의 원자는 들뜬 에너지를 충돌한 입자 및 전극 표면에 넘겨주고 자기 자신은 다른 준위나 안정한 바닥 상태로 돌아간다. 이러한 다양한 페닝기체에 대한 전기적, 광학적 특성 연구를 통한 페닝기체의 선택과 그 압력 및 조성비의 최적화는 저전압구동을 통한 저전력화 및 고휘도 고효율화로 가는 또 하나의 열쇠라고 할 수 있다. AC-PDP의 구동에 있어서 초기화 단계의 초기화 펄스는 그 모양과 전압에 따라 방전 현상에 차이가 있고, 이는 뒤에 오는 쓰기단계 및 표시단계에 큰 영향을 미친다. 또한 초기화 단계에서의 방전에 의한 발광은 화면을 표시하기 위한 방전이 아니므로 오히려 화면 구성에 있어서 대조비 (contrast) 저하 등의 문제를 발생시킨다. 현 AC PDP의 구조인 면방전 구조의 최적화 및 휘도 및 효율향상을 획기적으로 기약할 수 있는 혁신적인 새로운 PDP 방전 셀의 구조창안 연구는 모두 AC PDP 벽걸이 TV의 실현을 위하여 꼭 해결되어야 할 과제이며, 여기에는 파센 방전해석에 기초한 방전효율의 향상, MgO 보호막의 이차전자 발생계수의 향상, 저전압화 방전혼합기체 및 동작 압력의 최적화를 통한 진공자외선의 발광효율 및 가시광 변환․인출 효율의 향상, PDP 패널의 전기용량 최소화 및 이를 통한 에너지 회수회로의 수율 향상, 구동 IC 개수의 최소화 및 구동 펄스의 최적화를 통한 구동전압의 저감화 및 동작 여유의 극대화 실현이 포함된다. 본논문은 그중 구동펄스를 최적화 시키기 위하여 다용도 구동 모사장치 VDS(Versatile Driving Simulator)를 이용하여 유지펄스 기간의 첫 번째펄스및 last second sustain pulse 그리고 Reset 영역의 변화에 따른 전하 및 방전응답특성, IR(Infrared) 특성을 측정하여 효율을 증대시킬 수 있는 파형에 대한 기초 연구가 이루어 졌다.

실리콘막에 의한 산소-탄산가스 혼합기체의 분리

김현우 全南大學校 1990 국내석사

실리콘막을 통한 산소, 탄산가스의 투과실험을 온도범위 10-70℃에서 실시하였으며 O₂- CO₂ 혼합기체에 대한 O₂의 분리실험을 30℃에서 수행하였다. 실험결과 실리콘막에 있어서 O₂는 CO₂ 보다 확산계수는 크고 용해도 계수와 투과계수는 작았다. O₂의 투과계수는 온도의 증가에 따라 증가하였다. 그러나 CO₂의 투과계수는 온도의 증가에 따라 거의 일정하였으며 이는 온도의 증가에 따라 확산계수는 증가하나 용해도계수가 감소하기 때문이다. 분리계수는 온도가 증가하면 감소하였다. O₂- CO₂ 혼합기체의 투과실험에서 실측된 투과기체의 농도는 압력비와 분리계수로부터 계산한 이론값과 거의 일치하였다. Permeation experiments of O_2 and CO_2 through a silicone membrane were conducted at the temperature range of 10 ? 70℃. Separation experiments of O_2 from O_2 ? CO_2 mixtures were also carried out at 30℃. It was found that the diffusion coefficient of O_2 in the membrane was larger than that of CO_2. However, the solubility and permeability coefficients of O_2 were smaller than those of CO_2. The permeability coefficient of O_2 increased with temperature. On the other hand, the permeaility coefficient of CO_2 was almost unchanged with temperature unexpectedly. This might be come from the decrease in solubility and the increase in diffusion coefficient with temperature. The ideal separation factor decreased with temperature. The measured concentrations of permeates were in good accord with theoretical values calculated frog the pressure ratio and the ideal separation factor.

폴리이미드막의 개질을 통한 이산화탄소/질소 혼합기체에 대한 투과선택도 향상에 관한 연구

김정란 韓南大學校 大學院 2001 국내석사

이산화탄소가 다른 기체들 (메탄, 아산화질소, 프레온 및 대체프레온)에 비해 지구온난화에 대한 기여도는 64%로서 매우 높다는 것은 잘 알려진 사실이다. 향후 2008년 경 시행될 가능성이 있는 기후협약에 따른 이산화탄소의 방출 규제가 이루어지면 우리 나라와 같이 화석연료 의존도가 매우 높은 국가의 경우 물가상승, 국민 경제 활동의 위축 등을 가져와 국가의 경제에 심각한 부담을 초래할 우려가 있다. 예를 들어 1 TOE 당 10$의 탄소세를 부과할 경우 시멘트, 석유제품 및 제철·제강 제품은 각각 15%, 40%, 20%의 가격상승 효과를 가져올 수 있다. 따라서 이에 대한 대비로서 이산화탄소 배출 원으로부터 원천적으로 분리·회수해야만 한다. 이산화탄소의 분리에는 현재 흡수법, 흡착법, 막분리법, 심냉법 등의 4가지 공정이 있으며, 이 중 흡수 법이 사용화 가능성에 가장 근접한 공정이라 할 수 있으나, 배출 원의 농도, 온도 등이 다르기 때문에 다른 공정들에 의한 개발도 필요하다 할 수 있다. 본 연구에서는 막분리법을 이용하여 이산화탄소를 분리하기 위하여 막소 재개발에 역점을 두고 있다. 막소 재개발에는 국내·외에서 많은 연구자들이 참여하고 있으나 아직 상용화되지 못하고 있는 실정이다. 기존 특허 및 전문학술지에 공개 및 발표된 많은 막소재의 경우 선택도가 높으면 투과도가 낮고 또는 이와 반대의 결과를 보이고 있어 상용화 가능성이 아직 희박하며, 이들의 결과를 토대로 하여 상용화 가능한 투과도 및 선택도는 균질막을 기준으로 했을 때 각각 100 barrers와 > 50일 경우라 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 고분자 소재의 표면개질을 통하여 투과선택도 향상에 대한 연구를 다음과 같이 수행하였다. 1. 구입이 용이한 폴리설폰 소재를 이용하여 표면개질을 하고자 하였고, 표면개질된 폴리설폰 막은 다시 여러 금속이온 등을 이용하여 치환한 후 이들의 막을 이산화탄소/질소, 산소/질소에 대한 투과선택도를 측정하고자 하였다. 또한 본 연구의 궁극적 소재인 폴리이미드는 상용화되지 못한 관계로 이의 합성 및 분석·특성평가를 계획하였다. 2. 폴리이미드의 한 종류인 폴리이서이미드막을 이용하여 표면개질 한 후 폴리설폰과 유사하게 여러 금속이온을 치환하여 각 기체의 투과특성 실험을 수행하고자 하였다. 그리고 본 실험실에서 합성된 폴리이미드를 이용하여 표면개질 한 후 이들에 대한 투과특성 실험을 수행하고자 하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 중요한 결과를 얻을 수 있었다. 1. 개질 화된 폴리설폰막은 접촉각 측정, FT-IR 등의 분석기 기를 통하여 물리화학적 구조를 확인하였으며, 모든 치환된 금속이온 폴리설폰막은 및 이 치환되지 않은 막에 비해 증가하였다. Li의 경우 는 22.4에서 30.54로 그리고 는 5.6에서 7.38로 각각 증가하였다. 따라서 이로부터 본 연구자의 아이디어를 검증할 수있었다. 2. 폴리이서설폰 또한 막 제조 후 표면개질을 시도하였으며, 이는 접촉각 측정 등을 통하여 간접적으로 확인하여 치환반응이 이루어졌음을 확인하였다. 금속이온 치환반응을 통해 6가지의 금속이온을 치환시킨 후 이에 대한 투과선택도 실험 및 확산계수와 용해도계수 측정실험을 수행하였다. 대개의 경우 질소에 대한 투과도, 확산계수 및 용해도계수는 감소율이 다른 기체들에 비해 컸으며, 이로부터 선택도가 증가하는 결과를 얻었다. 따라서 금속이온의 치환 효과가 선택도 향상에 영향이 있었음을 알 수 있었다. Mg의 경우 는 27.3에서 31.2로 그리고 는 8.4에서 9.4로 각각 증가하였다. 3. 폴리이미드를 합성하였으며, GPC, FT-IR, TGA 등의 분석기 기를 이용하여 물성치인 분자량, 점도, 유리전이온도, d-spacing 등을 측정하였다. 합성된 폴리이미드를 이용하여 각 기체에 대하여 투과도 및 선택도를 측정하였다. 이 경우 P(CO2)/P(N2)=14.5 (P(CO2)=467, P(N2)=32.3)을 얻었다. 4. 개질화 반응시간에 따른 폴리이미드 막(Mod-1-PI-X series)에 대한 각 기체의 투과도, 확산계수, 용해도계수 등을 측정하였다. 반응시간이 증가함에 따라 질소에 대한 투과도가 다른 기체의 투과도 감소율보다 컸으며 또한 선택도는 증가함을 얻었다. 및 경우 큰 증가율이 보이지 않은 반면에 및 경우 큰 증가율을 나타내어 용해도계수의 영향이 큼을 알 수 있었다. 5. 다른 개질법에 의한 폴리이미드(Mod-2-PI-S series)의 투과선택도에 대한 영향을 조사하였다. 의 값은 2.4~2.5 범위에서 그리고 의 값은 2.95~3.05 범위에서 변하였으나, 의 값은 5.17~4.59 그리고 의 값은 10.56~11.22에서 변하여 여기서도 확산계수의 영향보다는 용해도계수의 영향이 큼을 알 수 있었다. Mod-2-PI-S1막의 경우 선택도를 나타내는 =32.17 및 =12.90과 Mod-2-PI-S2막의 경우 =33.08 및 =11.01의 아주 높은 결과를 얻었다. 이와 같은 결과는 현재 문헌에서 발표된 결과 중 본 연구에서 수행된 투과도 ( : 200~240 barrers, : 80 ~82 barrers)를 유지하면서 이와 같은 높은 선택도를 나타내는 결과는 아직 발표되지 않은 것으로 사료된다. 위 결과 중 5번 결과는 3번의 반복 실험을 실시했는데 모두 유사한 결과를 얻을 수 있었으며, 이 결과는 다른 실험 장치(Time-lag 법)를 이용하여 현재 검증 중에 있다. 검증이 끝나면 이는 곧 국내·외로 특허출원을 할 예정에 있다. 또한 1번 및 2번 결과는 금년 5월에 있을 12th 북미막학회 (North American Membrane Society Meeting, May 15-20, Lexington, Kentucky)에서 논문을 발표할 예정이며, 발표가 끝나는 대로 SCI급 전문학술지 (Journal of Membrane Science, Journal of Applied Polymer Science 등)에 투고할 예정이다. 또한 본 보고서에는 향후 특허출원 등을 위해 자세한 결과의 언급이 어려웠음을 밝혀두고자 한다. 본 연구의 결과는 학술적 면에서 금속이온이 치환된 막은 투과도 감소율에 비해 선택도 증가율이 매우 커 막표면개질의 효과를 규명하고자 하였다. 또한 =32 및 투과도=200~240 barrers는 상용화 가능성이 있다고 사료되는 영역에 있어, 상용화 될 경우 우리 나라의 이산화탄소 분리기술에 세계적 선도 역할을 감당할 수 있으리라 사료된다. 또한 부수적으로 =11.01 ( 투과도=약 80 barrers)도 상용화 가능한 영역에 있는 기대효과를 가져다주었다. Sulfonated polysulfone (SPS(SPEI and SPI)) membrane was prepared and the gas-transport properties of the resulting ionic polymers were examined. Gas transport measurements were made on dense films of these polymers by using a continuous flow technique. The sulfonation of polysulfone (polyetherimide and polyimide) and metal cations exchange of sulfonated polysulfone (polyetherimide and polyimide) were confirmed by using FT-IR and ESCA. The SPS (SPEI and SPI) membranes exchanged with the monovalent-metal ions show higher permeability coefficients than the SPS (SPEI and SPI) membranes exchanged with the multivalent-metal ions. Whereas, the selectivities of all the metal cations exchanged SPS (SPEI and SPI) membranes for O2/N2 and CO2/N2 gas pairs were higher than those of SPS(SPEI and SPI) membranes. When the SPS (SPEI and SPI) membranes with metal cation having a similar ionic radius are compared, the ideal selectivities of O2/N2 and CO2/N2 through SPS(SPEI and SPI) membranes with divalent cations are higher than those through SPS(SPEI and SPI) membranes with monovalent cations. The surfaces of PS, PEI and PI membranes have been modified to increase the gas separation efficiencies. The modified membranes showed the better separation efficiencies. The solubilities affects the separation characteristics more than the diffusivities. For the modified PI membranes, M-2-PI-S1 gave the selectivities of PO2/PN2=12.9 and PCO2/PN2=32.17 with the permeabilities of PO2=80.8 and PCO2=201 barrers. And M-2-PI-S2 gave the selectivities of PO2/PN2=11.0 and PCO2/PN2=33.08 with the permeabilities of PO2=82.4 and PCO2=247.6 barrers. The objectives of this research were successfully achieved.

질소와 질소-산소 혼합기체방전에서 전극표면 상태에 따른 전류성장과정에 관한 연구

조성욱 광운대학교 1988 국내박사

본 연구는 질소와 질소-산소 혼합기체방전에서 전극표면상태에 공간전류성장과정 (空間電流成長過程)에 관하여 연구하였다. 저기압의 질소가스와 질소-산소 혼합가스중에서 니켈전극의 표면상태가 기체방전의 전류성장과정과 파괴전압에 미치는 영향을 암류 (暗流)에서 Townsend방전을 거쳐 글로우 (Glow)방전개시까지의 영역에 대하여 실험하였다. 또한 방전전류성장기구를 정량적 (定量的)으로 해석하기 위하여 저기압의 질소가스중에서 순수전극 (純粹電極)과 오손전극 (汚損電極)상태로 Townsend의 전리계수 (電離係數)를 산출하였다. 전극표면상태를 변화시켜 공간전류성장에 관하여 실험한 결과 질소가스중의 순수전극상태에서는 압력과 전극간 거리의 곱인 Pd가 8[Torr·cm] 이상에서는 안정 Townsend방전이 형성되었으며, 공간전류성장은 압류에서 안정 Townsend방전을 거쳐 글로우방전으로 되었다. 또한 방전회수에 따른 파괴전압은 그다지 변화가 없었다. 그러니 오손전극상태에서는 Pd의 모든 범위에 걸쳐 안정 Townsend방전은 일어나지 않았으며, 공간전류성장은 암류에서 과도적 Townsend방전을 거쳐 글로우방전으로 이행되었다. 또한 방전회수에 따른 파괴전압은 변동이 큰 불안정한 특성으로 나타났으며, 오손전극상태에서의 파괴전압은 순수전극상태에서의 파괴전압보다 약 20[%] 높게 나타났다. 질소-산소 혼합가스중에서 공간전류성장과 파괴전압특성은 산소의 혼입량에 따라 매우 변동이 심하게 나타났다. Townsend의 전리계수 측정의 실험결과로부터 Townsend의 제1전리계수 α/P는 전자가 인가전계로부터 얻게 되는 평균 에너지를 결정하는 파라메터인 상태전계의 세기 E/P에 거의 선형적 (線形的)으로 증가하였다. E/P<150[V/cm·Torr] 범위에서는 이것과 반대의 경향이 나타났다. 특히 전극표면상태에 따라 Townsend의 제2전리계수값의 차이는 현저하였으며, 이것은 전극표면의 일함수에 의하여 기인되어진 것임을 알았다. 결과적으로 기체방전에 있어서 전극의 표면상태는 공간전류성장과정과 파괴전압에 대하여 중요한 역할을 하고 있음을 알았다.

Na/Ar 混合氣體에서 電子群의 에너지 分布函數와 輸送係數의 特性에 관한 硏究

박원석 東國大學校 1991 국내석사

A study on the formation of water cluster ions in expanding gas mixture : 팽창하는 혼합기체에서 형성하는 클러스터 이온에 대한 연구

이종훈 Graduate school, Seoul National University 1993 국내박사

SF6와 空氣의 混合氣體中에서의 浴面Corona 放電

조기선 인하대학교 1977 국내석사

H₂/CO 혼합기체의 PSA 분리공정 해석에 관한 연구

한상섭 연세대학교 1994 국내박사