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글로 방전

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목차

1. 개요

글로 방전은 기체 내에서 전하 운반자를 통해 전기 전도가 일어나는 현상으로, 암흑 방전과 아크 방전의 중간 단계에 위치한다. 글로 방전은 음극에서 방출된 전자가 다른 전자를 방출시키는 과정을 통해 유지되며, 전압이 증가함에 따라 정상 글로, 비정상 글로 단계를 거쳐 아크 방전으로 전환된다. 글로 방전은 윌리엄 크룩스에 의해 처음 만들어졌으며, 직류 방전이 가장 기본적인 형태이다. 글로 방전의 메커니즘은 음극에서 2차 전자 방출을 통해 발생하며, 여기된 원자의 빛 방출 현상을 이용한다. 글로 방전은 음극층, 양극층, 줄무늬 등의 영역으로 구분되며, 스퍼터링 현상을 통해 물질의 입자를 방출시키기도 한다. 분석 화학 분야에서 글로 방전 발광 분광법(GD-OES) 및 질량 분석법(GD-MS) 등으로 활용되며, 전원 공급 방식에 따라 직류, 고주파, 펄스 모드로 작동할 수 있다. 또한 아날로그 컴퓨팅, 전압 조정 등 다양한 분야에 응용된다.

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글로 방전

2. 가스 중의 전기 전도

기체 내 전도에는 전자나 이온과 같은 전하 운반자가 필요하다. 이러한 전하 운반자는 기체 분자의 일부를 이온화하여 생성된다. 전류 흐름의 관점에서 글로 방전은 암흑 방전과 아크 방전 사이에 위치한다.


  • 암흑 방전: 기체가 자외선 또는 우주선과 같은 방사선원에 의해 이온화되어 운반자가 생성된다. 양극과 음극 사이의 전압이 높아지면, 방출된 운반자가 충분한 에너지를 얻어 충돌 시 추가 운반자를 방출하는데, 이 과정은 타운센드 애벌랜치 또는 증폭이라고 한다.
  • 글로 방전: 음극을 떠나는 평균 전자가 또 다른 전자가 음극을 떠나도록 하는 지점에 도달한다. 예를 들어, 평균 전자는 타운센드 애벌랜치를 통해 수십 번의 이온화 충돌을 일으킬 수 있으며, 그 결과로 생성된 양이온은 음극으로 향하고 음극과의 충돌을 유발하는 이온의 일부는 2차 전자 방출을 통해 전자를 방출한다.
  • 아크 방전: 전자가 열전자 방출 및 전계 방출에 의해 음극을 떠나고 기체는 열적 수단에 의해 이온화된다.[1]


절연 파괴 전압 이하에서는 빛이 거의 또는 전혀 없고 전기장이 균일하다. 전기장이 이온화를 일으킬 만큼 증가하면 타운센드 방전이 시작된다. 글로 방전이 발생하면 전기장은 양이온의 존재에 의해 상당히 변형되며, 전기장은 음극 근처에 집중된다. 글로 방전은 정상 글로로 시작하며, 전류가 증가함에 따라 음극 표면의 더 많은 부분이 빛을 낸다. 전류가 전체 음극 표면이 관여하는 수준 이상으로 증가하면 방전을 비정상 글로라고 한다. 전류가 더 증가하면 다른 요인이 작용하여 아크 방전이 시작된다.[2]

2. 1. 암흑 방전 (Dark Discharge)

기체 내 전도에는 전자 또는 이온과 같은 전하 운반자가 필요하다. 전하 운반자는 기체 분자 중 일부를 이온화하여 생성된다. 전류 흐름의 관점에서 글로 방전은 암흑 방전과 아크 방전 사이에 위치한다.

암흑 방전에서 기체는 자외선 또는 우주선과 같은 방사선원에 의해 이온화된다(운반자가 생성됨). 양극과 음극 사이의 전압이 높아지면, 해방된 운반자가 충분한 에너지를 얻어 충돌 시 추가 운반자를 해방시킬 수 있다. 이 과정은 타운센드 애벌랜치 또는 증폭이다.

절연 파괴 전압 이하에서는 빛이 거의 또는 전혀 없고 전기장이 균일하다. 전기장이 이온화를 일으킬 만큼 증가하면 타운센드 방전이 시작된다.

1 토르(torr)의 네온에서 50cm 간격으로 떨어진 두 개의 평판 전극의 전압-전류 특성.


'''A-D 영역: 암흑 방전'''; 이온화가 발생하며, 전류는 10 마이크로암페어 미만.[1]

2. 2. 글로 방전 (Glow Discharge)







이온화 전압 또는 항복 전압 아래에서는 발광이 없지만, 전압이 이온화 지점으로 올라감에 따라 타운센드 방전에서 글로 방전이 가시화되는 것처럼 나타난다. 이것은 정상 발광 범위의 시작이다. 전압이 정상적인 글로우 범위 이상으로 올라감에 따라, 이상 광선이 시작된다. 전압이 음극 글로우 전체를 덮는 지점까지 올라가면 음극 아크 방전이 시작된다.

이 시스템은 처음에 윌리엄 크룩스가 만들었다. 글로 방전의 가장 간단한 형태는 직류 글로 방전이다. 가장 간단한 형태에서, 그것은 낮은 압력(0.1토르:대기압의 약 1/10,000 ~ 1/100)에서 열린 셀에 두 개의 전극으로 구성되어 있다. 셀은 일반적으로 네온으로 가득하지만, 다른 가스가 사용될 수도 있다. 수백 볼트의 전위가 두 개의 전극 사이에 인가된다.

구간설명
A우주 방사선에 의한 무작위 펄스
B포화 전류
C애벌랜치 타운센드 방전
D자체 유지 타운센드 방전
E불안정한 영역: 코로나 방전
F아(亞)정상 글로 방전
G정상 글로 방전
H비정상 글로 방전
I불안정한 영역: 글로-아크 전이
J아크 방전
K아크 방전


  • '''A-D 영역''': 암흑 방전 (이온화가 발생하며, 전류는 10 마이크로암페어 미만.)
  • '''F-H 영역''': 글로 방전 (플라스마는 희미한 빛을 방출한다.)
  • '''I-K 영역''': 아크 방전 (다량의 방사선이 생성된다.)


기체 내 전도에는 전자 또는 이온의 전하 운반자가 필요하다. 전하 운반자는 기체 분자 중 일부를 이온화하여 생성된다. 전류 흐름 측면에서 글로 방전은 암흑 방전과 아크 방전 사이에 위치한다.

  • '''암흑 방전'''에서 기체는 자외선 또는 우주선과 같은 방사선원에 의해 이온화된다(운반자가 생성됨). 양극과 음극 사이의 전압이 높아지면 해방된 운반자가 충분한 에너지를 얻어 충돌 시 추가 운반자를 해방시킬 수 있다. 이 과정은 타운센드 애벌랜치 또는 증폭이다.
  • '''글로 방전'''에서 운반자 생성 과정은 음극을 떠나는 평균 전자가 또 다른 전자가 음극을 떠나도록 하는 지점에 도달한다. 예를 들어, 평균 전자는 타운센드 애벌랜치를 통해 수십 번의 이온화 충돌을 일으킬 수 있으며, 그 결과로 생성된 양이온은 음극으로 향하고 음극과의 충돌을 유발하는 이온의 일부는 2차 전자 방출을 통해 전자를 방출한다.
  • '''아크 방전'''에서 전자는 열전자 방출 및 전계 방출에 의해 음극을 떠나고 기체는 열적 수단에 의해 이온화된다.[1]


절연 파괴 전압 이하에서는 빛이 거의 또는 전혀 없고 전기장이 균일하다. 전기장이 이온화를 일으킬 만큼 증가하면 타운센드 방전이 시작된다. 글로 방전이 발생하면 전기장은 양이온의 존재에 의해 상당히 변형되며, 전기장은 음극 근처에 집중된다. 글로 방전은 정상 글로로 시작한다. 전류가 증가함에 따라 음극 표면의 더 많은 부분이 빛을 낸다. 전류가 전체 음극 표면이 관여하는 수준 이상으로 증가하면 방전을 비정상 글로라고 한다. 전류가 더 증가하면 다른 요인이 작용하여 아크 방전이 시작된다.[2]

가장 단순한 형태의 글로 방전은 직류 글로 방전이다. 가장 단순한 형태로, 낮은 압력(0.1–10 토르; 대략 대기압의 1/10,000 ~ 1/100)에서 유지되는 셀 내의 두 전극으로 구성된다. 낮은 압력은 평균 자유 행로를 증가시키기 위해 사용된다. 고정된 전기장에서는, 더 긴 평균 자유 행로가 전하 입자가 다른 입자와 충돌하기 전에 더 많은 에너지를 얻을 수 있도록 한다. 셀은 일반적으로 네온으로 채워지지만, 다른 기체도 사용될 수 있다.

두 전극 사이에는 수백 볼트의 전위가 걸린다. 셀 내의 원자 집단의 극히 일부가 먼저 원자 간의 열 충돌이나 감마선 등과 같은 임의의 과정에 의해 이온화된다. 양이온은 전위에 의해 음극으로 이동하고, 전자는 같은 전위에 의해 양극으로 이동한다. 이온과 전자의 최초 집단은 다른 원자와 충돌하여, 이들을 들뜨게 하거나 이온화시킨다. 전위가 유지되는 한, 이온과 전자의 집단은 남아있다.

2. 3. 아크 방전 (Arc Discharge)

기체 내 전도에는 전자나 이온과 같은 전하 운반체가 필요하다. 이러한 전하 운반체는 기체 분자 일부를 이온화하여 생성된다. 전류 흐름의 관점에서 글로 방전은 암흑 방전과 아크 방전 사이에 위치한다. 아크 방전에서는 전자가 열전자 방출 및 전계 방출에 의해 음극을 떠나고, 기체는 열적 수단에 의해 이온화된다.[1]

절연 파괴 전압 이하에서는 빛이 거의 없거나 아예 없으며, 전기장은 균일하다. 전기장이 이온화를 일으킬 만큼 강해지면 타운센드 방전이 시작된다. 글로 방전이 발생하면 전기장은 양이온의 존재에 의해 상당히 변형되며, 음극 근처에 집중된다. 전류가 더욱 증가하면 다른 요인이 작용하여 아크 방전이 시작된다.[2]

  • '''A-D 영역: 암방전''' - 이온화가 발생하며, 전류는 10마이크로암페어 미만이다.
  • '''F-H 영역: 글로 방전''' - 플라스마는 희미한 빛(글로)을 낸다.
  • '''I-K 영역: 아크 방전''' - 대량의 방사가 생성된다.

3. 글로 방전의 메커니즘



글로 방전의 가장 간단한 형태는 직류 글로 방전이다. 이는 낮은 압력(0.1–10 토르; 대략 대기압의 1/10000 ~ 1/100)에서 유지되는 셀(작은 방) 내의 두 전극으로 구성된다. 낮은 압력은 평균 자유 행로를 증가시키기 위해 사용된다. 고정된 전기장에서는, 더 긴 평균 자유 행로가 전하 입자가 다른 입자와 충돌하기 전에 더 많은 에너지를 얻을 수 있도록 한다. 셀은 일반적으로 네온으로 채워지지만, 다른 기체도 사용될 수 있다.

두 전극 사이에는 수백 볼트의 전위가 가해진다. 셀 내의 원자 집단의 극히 일부가 먼저 원자 간의 열 충돌이나 감마선 등과 같은 무작위 과정을 통해 이온화된다. 양이온은 전위에 의해 음극으로 이동하고, 전자는 같은 전위에 의해 양극으로 이동한다. 이온과 전자의 최초 집단은 다른 원자와 충돌하여, 이들을 들뜨게 하거나 이온화시킨다. 전위가 유지되는 한, 이온과 전자의 집단은 남아있다.

3. 1. 이차 전자 방출 (Secondary Emission)

이온의 운동 에너지 일부는 음극으로 전달된다. 이는 부분적으로 이온이 음극에 직접 충돌하면서 발생한다. 하지만 주요 메커니즘은 덜 직접적이다. 이온은 더 많은 중성 기체 원자와 충돌하여 에너지를 일부 전달한다. 그런 다음 이 중성 원자가 음극에 충돌한다. 이온이나 원자 중 어느 종이든 음극에 충돌하면 음극 내부의 충돌로 인해 에너지가 재분배되어 음극에서 전자가 방출된다. 이 과정을 이차 전자 방출이라고 한다. 음극에서 자유로워진 전자는 전기장에 의해 글로 방전의 본체로 가속된다. 그 후, 원자는 이온, 전자 또는 이전에 충돌로 인해 여기된 다른 원자와의 충돌을 통해 여기될 수 있다.[1]

3. 2. 빛 생성 (Light Production)

흥분된 원자는 비교적 빠르게 에너지를 잃는다. 에너지를 잃는 다양한 방법 중에서 가장 중요한 것은 방사선인데, 이는 광자를 방출하여 에너지를 전달하는 것을 의미한다. 원자 분광법에서 이 광자의 파장은 원자가 어떤 화학 원소인지, 즉 원자의 정체성을 결정하는 데 사용될 수 있으며, 광자의 수는 시료 내 해당 원소의 농도에 정비례한다. 에너지가 충분히 높은 일부 충돌은 이온화를 유발한다. 원자 질량 분석법에서는 이러한 이온이 감지된다. 이온의 질량은 원자의 종류를 식별하고, 이온의 양은 시료 내 해당 원소의 양을 나타낸다.

4. 글로 방전의 영역



글로 방전은 크게 음극층과 양극층으로 나뉘며, 각 층은 다시 여러 영역으로 구성된다. "글로우"라고 표시된 영역은 빛을 방출하고, "암흑 공간"으로 표시된 영역은 빛을 방출하지 않는다. 전류 흐름 측면에서 글로 방전은 암흑 방전과 아크 방전 사이에 위치한다. 글로 방전에서는 음극을 떠나는 전자가 다른 전자를 방출시키는 연쇄 반응을 통해 전류가 유지된다.

방전이 길어짐에 따라 (그림에서 수평 방향으로 늘어남) 양극주는 밝고 어두운 영역이 번갈아 나타나는 줄무늬를 형성할 수 있다. 반대로 방전을 압축하면 영역 수가 줄어들고, 좁은 간격에서는 양극주가 완전히 사라질 수도 있다.

영역설명
음극층애스턴 암부에서 시작하여 음극 글로 영역에서 끝난다. 기체 압력이 증가하면 짧아진다. 양의 공간 전하와 강한 전기장을 가진다.
양극층양광주에서 시작하여 양극에서 끝난다. 음의 공간 전하와 완만한 전기장을 가진다.



절연 파괴 전압 이하에서는 빛이 거의 없고 전기장은 균일하다. 전기장이 이온화를 일으킬 만큼 강해지면 타운센드 방전이 시작된다. 글로 방전이 발생하면, 양이온의 존재로 인해 전기장이 크게 변화하며 음극 근처에 집중된다. 글로 방전은 정상 글로로 시작하며, 전류가 증가함에 따라 더 많은 음극 표면이 빛을 낸다. 전류가 전체 음극 표면을 덮는 수준을 넘어서면 비정상 글로가 되고, 전류가 더 증가하면 아크 방전이 시작된다.[2]

4. 1. 음극층 (Cathode Layer)

음극층은 애스턴 암부에서 시작하여 음극 글로 영역에서 끝난다. 음극층은 기체 압력이 증가함에 따라 짧아지며, 양의 공간 전하와 강한 전기장을 갖는다.[4][3]

전자가 더 많은 에너지를 얻으면 원자를 들뜬상태로 만드는 대신 이온화하는 경향이 있다. 이온화되면 반대 전하가 분리되어 바로 재결합하지 않지만, 들뜬상태가 된 원자는 즉시 바닥 상태로 돌아가 발광한다. 이로 인해 더 많은 이온과 전자가 생성되지만, 빛은 나오지 않는다. 이 영역은 크룩스 암부라고 불리기도 하며, 관 내에서 가장 큰 전압 강하가 이 영역에서 발생하기 때문에 음극 강하라고 불리기도 한다.

4. 1. 1. 애스턴 암부 (Aston Dark Space)

전자는 약 1 eV의 에너지로 음극을 떠나지만, 이는 원자를 이온화하거나 여기시키기에 충분하지 않아 음극 옆에 얇은 어두운 층을 남긴다.[4][14]

4. 1. 2. 음극 글로 (Cathode Glow)

음극에서 방출된 전자는 결국 원자를 들뜬상태로 만들 만큼 충분한 에너지를 얻는다. 이렇게 들뜬상태가 된 원자는 빠르게 바닥 상태로 돌아가면서 원자의 에너지 밴드 차이에 해당하는 파장의 빛을 방출한다. 이 빛은 음극 근처에서 관찰된다.[4]

4. 1. 3. 부 글로 (Negative Glow)

음극 암부에서의 이온화로 인해 전자 밀도는 높아지지만, 전자는 느려져 전자가 양이온과 재결합하기 쉬워진다. 따라서 제동 복사라고 불리는 과정을 통해 강한 빛을 낸다.[4]

4. 1. 4. 패러데이 암부 (Faraday Dark Space)

전자가 에너지를 계속 잃으면서 방출되는 빛이 줄어들어 또 다른 암부가 생긴다.[4]

4. 2. 양극층 (Anode Layer)

양극층은 양극에서 시작하여 끝나며, 음의 공간 전하와 완만한 전기장을 가진다.[4]

4. 2. 1. 양광주 (Positive Column)

이온 수가 적어지면 전기장이 증가하여 약 2 eV의 에너지를 가진 전자가 생성되는데, 이는 원자를 여기시켜 빛을 생성하기에 충분하다. 글로 방전관이 길어질수록 음극층은 동일하게 유지되면서 양광주가 더 긴 공간을 차지한다.[4] 예를 들어, 네온사인에서는 양광주가 튜브의 거의 전체 길이를 차지한다.

4. 2. 2. 양극 글로 (Anode Glow)

전계가 강해지면 양극 글로를 발생시킨다.[1]

4. 2. 3. 양극 암부 (Anode Dark Space)

전자가 적으면 또 다른 암부(暗部)가 생긴다.[4]

4. 3. 줄무늬 (Striations)



글로 방전에 존재할 수 있는 주요 영역은 위 그림과 같다. "글로우"로 묘사된 영역은 상당한 빛을 방출하고, "암흑 공간"으로 표시된 영역은 빛을 방출하지 않는다. 방전이 더 확장됨에 따라 (즉, 그림의 기하학적 구조에서 수평으로 늘어남에 따라) 양극주가 줄무늬가 생길 수 있다. 즉, 어둡고 밝은 영역이 번갈아 가며 형성될 수 있다. 방전을 수평으로 압축하면 더 적은 영역이 생성된다. 양극주는 압축되는 반면 음극광은 동일한 크기를 유지하며, 갭이 작아지면 양극주는 완전히 사라진다.

양극주에서 밝고 어두운 띠가 교대로 나타나는 현상을 스트리에이션이라고 한다. 스트리에이션을 생성하는 모든 가스 및 압력 조건에 대한 보편적인 메커니즘은 없지만, 최근의 이론 및 모델링 연구는 실험 결과와 함께 뒤푸어 효과(Dufour effect)의 중요성을 언급하고 있다.[5]

양광주(陽光柱) 내부 밝은 부분과 어두운 부분이 교대로 나타나는 띠를 줄무늬라고 한다. 전자가 하나의 양자 준위에서 다른 양자 준위로 이동할 때 원자가 흡수하거나 방출할 수 있는 에너지 양은 이산적이므로 줄무늬가 발생한다. 이러한 효과는 1914년 프랑크와 헤르츠에 의해 설명되었다.[15]

5. 스퍼터링 (Sputtering)

양이온이 음극을 충분한 힘으로 쳐서 음극 구성 물질의 입자를 방출하는 현상을 스퍼터링이라고 하며, 이는 음극을 점차적으로 제거한다. 스퍼터링은 분광법을 사용하여 음극의 조성을 분석할 때 유용하며, 글로 방전 발광 분광법에서 활용된다.[7]

그러나 스퍼터링은 글로 방전을 조명에 사용할 때 램프의 수명을 단축시키므로 바람직하지 않다. 예를 들어, 네온사인은 스퍼터링을 최소화하기 위해 할로우 음극을 사용하며, 원치 않는 이온과 원자를 지속적으로 제거하기 위해 숯을 포함하고 있다.[6]

6. 분석 화학에서의 활용

글로 방전은 고체, 액체, 기체의 원소 및 때로는 분자 조성을 분석하는 데 사용될 수 있지만, 고체의 원소 분석이 가장 일반적이다. 시료는 음극으로 사용되며, 기체 이온과 원자가 시료 표면에 충돌하여 원자를 떨어뜨리는 스퍼터링 과정을 거친다.

스퍼터링된 원자는 기체 상태가 되어 원자 흡수로 검출할 수 있지만, 이는 드문 방법이다. 일반적으로 원자 방출 및 질량 분석법이 사용된다. 기체 상태의 시료 원자와 플라스마 기체 간의 충돌은 시료 원자에 에너지를 전달하여 원자를 여기시킨다. 여기된 원자는 원자 방출을 통해 에너지를 잃고, 방출된 빛의 파장과 강도를 통해 원자의 정체와 농도를 확인할 수 있다.

충돌로 얻은 에너지는 시료 원자를 이온화하여 질량 분석법으로 검출할 수 있게 한다. 이온의 질량으로 원소를 식별하고, 이온의 수로 농도를 파악한다.

6. 1. 글로 방전 발광 분광법 (Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GD-OES)

글로 방전은 고체, 액체, 가스의 원소, 때때로 분자 조성 분석에 사용될 수 있지만, 고체의 원소 분석이 가장 일반적이다. 이러한 구성 요소에서 샘플은 음극으로 사용된다.

양이온이 음극을 충분한 힘으로 치면 2차 전자를 방출하는 것 외에도, 음극을 구성하는 물질의 입자를 방출할 수 있다. 이 과정을 스퍼터링이라고 하며, 이는 음극을 점차적으로 제거한다. 스퍼터링은 분광법을 사용하여 음극의 조성을 분석할 때 유용하며, 이는 글로 방전 발광 분광법에서 수행된다.[7]

6. 2. 글로 방전 질량 분석법 (Glow Discharge Mass Spectrometry, GD-MS)

글로 방전은 고체, 액체, 기체의 원소 및 때로는 분자 조성을 분석하는 데 사용될 수 있지만, 고체의 원소 분석이 가장 일반적이다. 이 방식에서 시료는 음극으로 사용된다. 기체 이온과 원자가 시료 표면에 충돌하여 원자를 떨어뜨리는 과정을 스퍼터링이라고 한다.

스퍼터링된 원자는 기체 상태가 되며, 원자 흡수로 검출할 수 있지만, 이는 비교적 드문 전략이다. 대신, 일반적으로 원자 방출 및 질량 분석법이 사용된다.

기체 상태의 시료 원자와 플라스마 기체 간의 충돌은 시료 원자에 에너지를 전달한다. 이 에너지는 원자를 여기시킬 수 있으며, 이후 원자는 원자 방출을 통해 에너지를 잃을 수 있다. 방출된 빛의 파장을 관찰함으로써 원자의 정체를 확인할 수 있다. 방출 강도를 관찰함으로써 해당 유형의 원자 농도를 결정할 수 있다.

충돌을 통해 얻은 에너지는 또한 시료 원자를 이온화할 수 있다. 그런 다음 질량 분석법으로 이온을 검출할 수 있다. 이 경우, 원소를 식별하는 것은 이온의 질량이며, 농도를 반영하는 것은 이온의 수이다. 이 방법은 글로 방전 질량 분석법(GDMS)이라고 하며, 대부분의 원소에 대해 매트릭스에 거의 영향을 받지 않는 하위 ppb 범위까지 검출 한계를 가진다.

7. 전원 공급 방식

분석 화학에서 글로 방전은 주로 직류 모드로 동작하며, 음극은 전도성이어야 한다. 전위, 압력, 전류는 상호 관련되어 있으며, 글로 방전은 무선 주파수에서도 작동할 수 있다.

직류 전원으로 작동하는 네온 램프, 음극 주위에만 글로 방전이 나타남


전위, 압력 및 전류는 서로 관련되어 있어 한 번에 두 가지만 직접 제어할 수 있고, 나머지는 변경되도록 해야 한다. 압력은 일반적으로 일정하게 유지되지만, 다른 방식도 가능하다.

글로 방전은 무선 주파수에서도 작동할 수 있으며, 이 경우 시료 표면에 음의 DC-바이어스 전압이 설정된다. 무선 주파수 및 직류 글로 방전은 펄스 모드로 작동하여 음극 과열 없이 더 높은 순간 전력을 가할 수 있다.

7. 1. 직류 글로 방전 (DC Glow Discharge)

이온화 전압 또는 항복 전압 아래에서는 발광이 없지만, 전압이 이온화 지점으로 올라감에 따라 타운센드 방전이 발생하고 글로 방전이 가시화된다. 이것이 정상 발광 범위의 시작이다. 전압이 정상적인 글로우 범위를 넘어서면 이상 광선이 시작된다. 전압이 음극 글로우 전체를 덮는 지점까지 올라가면 음극 아크 방전이 시작된다.

이 시스템은 처음에 윌리엄 크룩스가 만들었다. 글로 방전의 가장 간단한 형태는 직류 글로 방전이다. 가장 간단한 형태에서, 그것은 낮은 압력(0.1토르: 대기압의 약 1/10,000 ~ 1/100)에서 열린 셀에 두 개의 전극으로 구성되어 있다. 셀은 일반적으로 네온으로 채워지지만, 다른 가스가 사용될 수도 있다. 수백 볼트의 전위가 두 전극 사이에 인가된다.

분석 화학에서 글로 방전은 주로 직류 모드로 작동된다. 이 모드의 경우, 음극(고체 분석 샘플)은 전도성이어야 한다. 전위, 압력 및 전류는 상호 관련되어 있다. 글로 방전은 무선 주파수로 작동할 수도 있다.

전위, 압력, 전류는 서로 관련되어 있다. 한 번에 두 가지만 직접 제어할 수 있으며, 나머지는 변경되도록 해야 한다. 압력은 일반적으로 일정하게 유지되지만, 다른 방식도 사용할 수 있다. 압력과 전류를 일정하게 유지하고 전위가 변경되도록 하거나, 압력과 전압을 일정하게 유지하고 전류가 변경되도록 할 수 있다. 전력(전압과 전류의 곱)을 일정하게 유지하고 압력이 변경되도록 할 수도 있다.

글로 방전은 무선 주파수에서도 작동할 수 있다. 이 주파수를 사용하면 시료 표면에 음의 DC-바이어스 전압이 설정된다. DC-바이어스는 음의 전위를 중심으로 하는 교류 파형의 결과이며, 이는 시료 표면에 존재하는 평균 전위를 거의 나타낸다. 무선 주파수는 절연체(비전도성 물질)를 통과하는 것처럼 보일 수 있다.

무선 주파수 및 직류 글로 방전은 펄스 모드에서 작동할 수 있으며, 여기서 전위가 켜지고 꺼진다. 이를 통해 음극을 과도하게 가열하지 않고도 더 높은 순간 전력을 가할 수 있다. 이러한 더 높은 순간 전력은 더 높은 순간 신호를 생성하여 감지를 돕는다. 시간 분해 감지를 펄스 전원 공급과 결합하면 추가적인 이점이 있다. 원자 방출에서 분석물 원자는 배경 원자와 다른 펄스 부분 동안 방출되어 두 원자를 구별할 수 있다. 마찬가지로 질량 분석법에서 시료 및 배경 이온은 다른 시간에 생성된다.

7. 2. 고주파 글로 방전 (RF Glow Discharge)

분석 화학에서 글로 방전은 일반적으로 직류 모드로 작동되지만, 무선 주파수에서도 작동할 수 있다. 직류의 경우 음극(고체 분석에서 시료)은 전도성이 있어야 한다. 반대로, 비전도성 음극을 분석할 때는 고주파 교류 전류를 사용해야 한다.[1]

무선 주파수를 사용하면 시료 표면에 음의 DC-바이어스 전압이 설정된다. DC-바이어스는 음의 전위를 중심으로 하는 교류 파형의 결과이며, 이는 시료 표면에 존재하는 평균 전위를 거의 나타낸다. 무선 주파수는 절연체(비전도성 물질)를 통과하는 것처럼 보일 수 있다.[1]

무선 주파수 및 직류 글로 방전은 펄스 모드에서 작동할 수 있는데, 이 때 전위가 켜지고 꺼진다. 이를 통해 음극을 과도하게 가열하지 않고도 더 높은 순간 전력을 가할 수 있다. 이러한 더 높은 순간 전력은 더 높은 순간 신호를 생성하여 감지를 돕는다. 시간 분해 감지를 펄스 전원 공급과 결합하면 추가적인 이점이 있다. 원자 방출에서 분석물 원자는 배경 원자와 다른 펄스 부분 동안 방출되어 두 원자를 구별할 수 있다. 마찬가지로 질량 분석법에서 시료 및 배경 이온은 다른 시간에 생성된다.[1]

7. 3. 펄스 글로 방전 (Pulsed Glow Discharge)

분석 화학에서 글로 방전은 주로 직류 모드로 동작한다. 이 모드의 경우, 캐소드(고체 분석 시료)가 전도성이어야 한다. 전위, 압력 및 전류는 상호 관련되어 있다. 글로 방전은 무선 주파수로 동작할 수도 있다.

무선 주파수 및 직류 글로 방전은 펄스 모드에서 작동할 수 있으며, 여기서 전위가 켜지고 꺼진다. 이를 통해 음극을 과도하게 가열하지 않고도 더 높은 순간 전력을 가할 수 있다. 이러한 더 높은 순간 전력은 더 높은 순간 신호를 생성하여 감지를 돕는다. 시간 분해 감지를 펄스 전원 공급과 결합하면 추가적인 이점이 있다. 원자 방출에서 분석물 원자는 배경 원자와 다른 펄스 부분 동안 방출되어 두 원자를 구별할 수 있다. 마찬가지로 질량 분석법에서 시료 및 배경 이온은 다른 시간에 생성된다.[1]

8. 기타 응용

글로 방전은 2002년 과학 논문에서 소개된 미로 탐색용 아날로그 컴퓨팅, 그리고 20세기 중반 제너 다이오드와 같은 고체 전자 부품이 개발되기 전 회로의 전압 조정을 위해 전압 조정관에 사용되었다.

8. 1. 아날로그 컴퓨팅

2002년 Ryes, Ghanem 등의 과학 논문에서 글로 방전을 이용한 흥미로운 응용 사례가 설명되었다.[9] 이 연구를 소개하는 네이처 뉴스 기사에 따르면,[10] 임페리얼 칼리지 런던의 연구진은 두 지점 사이의 최단 경로를 따라 빛나는 미니 지도를 제작하는 방법을 시연했다. 네이처 뉴스 기사에서는 이 시스템을 다음과 같이 설명한다.

: 1인치 런던 칩을 만들기 위해, 연구팀은 유리 슬라이드에 시내 중심가의 지도를 새겼다. 평평한 뚜껑을 덮어 거리를 속이 빈 연결된 튜브로 만들었다. 그들은 이 튜브에 헬륨 가스를 채우고 주요 관광지에 전극을 삽입했다. 두 지점 사이에 전압을 가하면 전기가 자연스럽게 A에서 B까지의 최단 경로를 따라 거리로 흐르고, 가스는 작은 네온 스트립 조명처럼 빛난다.

이러한 접근 방식은 마이크로유체 칩에서 글로 방전이 켜지는 특성을 바탕으로, 다양한 미로 탐색 문제를 해결할 수 있는 새로운 가시적인 아날로그 컴퓨터 접근 방식을 제공한다.

8. 2. 전압 조정

20세기 중반, 제너 다이오드와 같은 고체 전자 부품이 개발되기 전에는 회로의 전압 조정을 글로 방전을 사용하는 전압 조정관으로 종종 수행했다.

작동 중인 5651 전압 조정관

참조

[1] 서적 Plasma physics and engineering CRC Press
[2] 서적 Principles of Electronics
[3] 간행물 Emission Spectroscopy of the Cathode Fall Region of an Analytical Glow Discharge https://hal.archives[...] 2017-06-19
[4] 서적 Plasma chemistry Cambridge University Press
[5] 간행물 Striations in moderate pressure dc driven nitrogen glow discharge
[6] 간행물 The Development of Neon Tubes https://books.google[...] 1913-11
[7] 간행물 Hollow Cathode Discharges - Analytical Applications
[8] 서적 Power vacuum tubes handbook, Second Edition CRC Press
[9] 간행물 Glow discharge in microfluidic chips for visible analog computing ACS 2002
[10] 뉴스 Mini-map gives tourists neon route signs http://www.nature.co[...]
[11] 서적 Plasma physics and engineering CRC Press
[12] 서적 Principles of Electronics
[13] 간행물 Emission Spectroscopy of the Cathode Fall Region of an Analytical Glow Discharge https://hal.archives[...] 2017-06-19
[14] 서적 Plasma chemistry Cambridge University Press
[15] 서적 Fundamentals of Light Sources and Lasers John Wiley & Sons


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