분광학을 사용한 용사의 플라즈마 및 입자 온도 측정

소개

플라즈마 용사 코팅은 플라즈마의 고에너지 상태를 활용하여 입자를 녹이고 기판 위로 밀어내어 견고한 코팅을 만드는 공정입니다. 이 기술은 태양 표면 온도인 약 5,778K를 초과하는 플라즈마 온도를 생성할 수 있습니다. 플라즈마 온도의 정확한 측정은 매우 중요하며, 플라즈마에서 방출되는 빛을 분석하여 플라즈마의 특성을 파악하는 방법인 분광학을 통해 이루어지는 경우가 많습니다. 분광법은 정확한 온도 판독값을 제공할 수 있으며 플라즈마 분무 코팅의 품질과 일관성을 보장하는 데 필수적입니다.

그림 1: 용사 기술 그림.

플라즈마 온도 측정의 원리

플라즈마 온도를 측정하기 위해 분광학을 사용하는 원리는 방출되는 광 스펙트럼과 플라즈마 온도 사이의 관계를 기반으로 합니다. 다음은 프로세스에 대한 분석입니다.

1. 열 평형: 많은 응용 분야, 특히 실험실 환경에서 플라즈마는 종종 열 평형 상태에 있습니다. 이는 플라즈마 내의 입자(전자, 이온 및 중성체)가 공통된 온도 분포를 갖는다는 것을 의미합니다.
2. 방출 스펙트럼 : 플라즈마가 여기되면 구성 입자가 특정 파장에서 빛을 방출합니다. 이 방출되는 빛의 강도는 플라즈마의 온도에 따라 다릅니다. 
3. 볼츠만 분포(Boltzmann Distribution): 플라즈마에서 입자의 여기 상태의 분포는 볼츠만 분포를 따릅니다. 이 분포는 플라즈마의 온도와 직접적인 관련이 있습니다.
4. 스펙트럼 분석: 플라즈마에서 방출되는 다양한 스펙트럼 라인의 강도 비율을 분석하여 온도 분포를 결정할 수 있습니다. 입자의 더 높은 흥분 상태는 더 높은 온도에서 더 많이 채워져 해당 스펙트럼 라인의 강도가 더 커집니다.
5. 보정: 정확한 온도 측정값을 얻으려면 알려진 온도 소스를 사용하여 분광기를 보정하는 것이 필수적입니다. 여기에는 알려진 소스의 측정된 스펙트럼을 플라즈마의 스펙트럼과 비교하고 강도 비율과 온도 간의 관계를 설정하는 것이 포함됩니다.
6. 온도 계산: 보정이 완료되면 Boltzmann 분포를 사용하여 스펙트럼 라인의 측정된 강도 비율을 기반으로 플라즈마의 온도를 계산할 수 있습니다

결과

한 연구에서 연구원들은 분광기를 사용하여 플라즈마에서 방출 스펙트럼을 수집했으며 플라즈마 온도는 원자 Boltzmann 분포 방법으로 결정할 수 있습니다. 

Optical Emission Spectroscopy: 광학 방출 스펙트럼을 분석하여 플라즈마 온도를 측정합니다. 다른 요소에 해당하는 특정 피크를 식별합니다.

Boltzmann 분포: 스펙트럼 선의 강도를 사용하여 로컬 열 평형을 가정하여 온도를 계산합니다.

그림 2: (a) 공기 분사 없음, (b) 에탄올과 2상 공기 분사(공기 + EtOH 분사), (c) 2상 공기 분사와 YSZ 에탄올 현탁액 (공기 분사  + YSZ EtOH 현탁액 )의 세 가지 경우에 대한 20mm 축 거리에서의 광학 방출 스펙트럼

그림 2는 세 가지 다른 경우에 대해 노즐에서 20mm 축 거리에서의 광학 방출 스펙트럼을 보여줍니다.

1. 공기 분사 없음: 추가 물질이 없는 기준선 스펙트럼.
2. 공기 + 에탄올 혼합 분사: 분해된 에탄올(C 및 H 피크)의 피크를 보여주는 스펙트럼.
3. 공기 + YSZ 에탄올 현탁액 혼합 분사: 이트리아 안정화 지르코니아(Zr 및 Y 피크)의 추가 피크가 있는 스펙트럼, 증발된 YSZ 물질의 존재를 나타냅니다.

이러한 결과는 서로 다른 가스 분사가 플라즈마의 성분과 온도에 어떻게 영향을 미치는지 강조합니다.

그림 3: 두 가지 저압 플라즈마 분무 조건에 대한 플라즈마 여기 온도의 발전.

그림 3 은 두 가지 다른 조건에 대해 Boltzmann plot에 의해 결정된 플라즈마 여기 온도의 축 방향 전개를 보여줍니다. 

1. 첫 번째 조건(플라즈마 가스로서의 Ar 및 He): 온도가 다운스트림 방향으로 지속적으로 감소하여 435mm 축 거리에서 10,000K 미만으로 떨어집니다.
2. 두 번째 조건(Ar, He 및 H2 를 플라즈마 가스로 사용하는 경우): 에너지를 소비한 수소 분자(→ 2H)의 해리로 인해 온도가 첫 번째 조건에 비해 낮습니다.

이 비교는 수소 첨가가 플라즈마 온도에 어떤 영향을 미치는지 강조하여 축 방향을 따라 더 큰 온도 강하를 초래합니다.

플라즈마에서 방출되는 빛을 분석함으로써 광학 방출 분광법을 통해 가스 종과 해당 온도를 식별할 수 있습니다. Boltzmann 분포 방법은 여기 온도를 결정하기 위해 스펙트럼 라인의 강도를 사용하여 이 측정을 더욱 정교하게 만듭니다. 이러한 기술의 조합은 플라즈마 특성에 대한 정확하고 상세한 통찰력을 제공하며, 이는 용사 공정을 최적화하고 고품질 코팅을 보장하는 데 필수적입니다.

측정 시스템

Ocean SR6 분광기는 열 용사 코팅 기술의 플라즈마 온도 측정을 포함하여 다양한 응용 분야를 위해 설계된 고감도 장치입니다. 2048개 소자의 CCD 어레이가 장착되어 있어 스펙트럼 정보를 자세히 분석할 수 있습니다. SR6의 파장 범위는 180nm에서 1100nm에 이르므로 광범위한 빛 스펙트럼을 얻을 수 있고 플라즈마의 열 특성에 대한 귀중한 데이터를 제공하는 데 적합합니다. 이 범위는 열 용사 공정에서 입자의 온도를 측정하기 위해 자주 사용되는 방법인 광학 방출 분광법에 특히 유용합니다. 분광기의 높은 신호 대 잡음비(SNR)는 정확한 판독을 보장하며, 이는 분무 공정을 최적화하고 생산된 코팅의 품질을 보장하는 데 중요합니다. SR6의 유연성과 정밀도는 열 용사 기술 분야를 발전시키기 위해 노력하는 연구원과 엔지니어에게 유용한 도구입니다.

그림 4: Ocean SR 분광기.

Ocean Insight UV-Vis XSR 섬유는 열 용사 기술의 플라즈마 온도를 측정하는 데 중요한 구성 요소입니다. 180-800nm의 파장 범위를 커버할 수 있는 능력으로 플라즈마의 온도를 결정하는 데 필요한 스펙트럼 라인을 정확하게 감지할 수 있습니다. 이 범위는 플라즈마에서 방출되는 광범위한 빛 스펙트럼을 캡처하는 데 특히 유용하며, 이는 정확한 온도 측정에 필수적입니다. Ocean Insight UV-Vis 섬유에 의해 수집된 데이터는 열 용사 공정을 최적화하여 더 나은 코팅 품질과 접착력을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

그림 5: UV-VIS XSR 섬유.

결론

플라즈마 용사 코팅은 매우 높은 온도를 달성할 수 있는 능력으로 견고한 코팅을 만들기 위한 강력한 기술입니다. 분광법은 정확한 플라즈마 온도 측정을 제공하고 품질 및 일관성을 보장함으로써 이 공정에서 중요한 역할을 합니다. 방출 스펙트럼은 플라즈마 특성에 대한 자세한 통찰력을 제공합니다. Ocean SR6 분광기 및 UV-Vis XSR 섬유와 같은 고급 도구는 이러한 측정의 정밀도를 향상시켜 열 용사 공정을 최적화하고 코팅 품질을 개선합니다. 이러한 기술의 지속적인 발전은 용사 응용 분야를 더욱 정교하게 만들고 향상시킬 것입니다.