고주파 유도열 플라즈마 초기 점화 시 유도 코일 부하 인피던스와 고주파 인버터의 과도대응 특성

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고주파 유도열 플라즈마 초기 점화 시 유도 코일 부하 인피던스와 고주파 인버터의 과도대응 특성

2006년 10월 2일 (월) 17:36:00 | 지면 발행 ( 2006년 9월호 - 전체 보기 )

서론대기압 영역의 직류 또는 교류 아크 방전으로 생성된 된 플라즈마는 그 자신이 갖고 있는 고열류를 이용한 금속의 융해·정련, 유해물질의 열분해·무해화처리, 기능성박막, 미립자생성 등의 산업응용이 넓어졌다. 한편 고주파 유도 방전으로 생선된 유도열 플라즈마는 (1) 무전극방전으로 전극손모가 없고, 플라즈마의 불순물 혼입이 적다.(2) 플라즈마 동작 가스의 선택지가 넓다.(3) 대용량 플라즈마의 생성이 가능(4) 열 플라즈마 생성효율이 높다.등의 이점도 많고, 열 플라즈마의 응용범위를 보다 확대할 가능성을 갖고 있고, 지금까지 대기압영역에서 유도 플라즈마의 응용은 유해 프론의 열분해 처리, 기능성 초미립자 생성, 유도방전 플라즈마를 이용한 미량원소분해 등에 응용되고 있다. 그러나 저기압영역에서 유도방전 플라즈마의 기초 특성과 그 플라즈마 프로세싱으로 응용에 관한 연구가 넓어진 것과 대조적으로 대기압 영역에서 생성된 유도열 플라즈마의 기초특성과 그 응용에 관한 실험연구는 적은 것이 현상이다. 대기압 영역에서 생성된 유도열 플라즈마의 응용연구를 어렵게 하는 원인으로(1) 대기압 영역에서 방전 개시와 그 유지는 높은 고주파전계와 대전력 고주파원을 필요로하는 것. 특히 대용량유도열 플라즈마(플라즈마 경~50mm, 플라즈마 장~200mm)를 수 MHz이하의 낮은 고주파대의 생성·유지하는 경우, 10kW를 넘는 높은 고주파 전력을 필요로 하는 것.(2) 대기압 유도 플라즈마의 산업응용에는 높은 생성효율과 장치의 운전·보수의 간편함 등이 요구되지만 현상은 대기압 영역에서 유도열 플라즈마의 생성·유지기구의 상세와 유도열 플라즈마의 고효율 생성에 관한 연구가 충분히 되지 않는 것.(3) 석영 유리관 등의 유도체 방전관의 내부에 유도열 플라즈마를 생성·유지보수 하는 것으로 그 기계적·열적 강도가 취약한 것.등을 들 수 있다.이 글은 반도체 고주파 인버터를 이용한 고주파 유도열 플라즈마 생성에 관한 연구 가운데 특히 고주파 유도열 플라즈마 초기점화에서 열 플라즈마로 성장하는 과정에서 유도 코일 인피던스 변화와 그에 따른 고주파 인버터 전원의 과도응답 특성에 대해 실험적으로 조사하고, 대기압 유도열 플라즈마의 고효율생성 방법의 검토를 행한 것이다. 종래의 고주파 유도열 플라즈마에 관한 연구에는 유도열 플라즈마의 생성과 안정유지가 주된 연구과제이고, 열 플라즈마 방전형상과 최적구동주파수와 가스 도입법 등이 수치해석과 실험에 의해 상세히 조사돼있지만, 유도열 플라즈마 생성에 있어서 초기정전방전에서 유도정전으로 이행과정과 방전형태의 변화에 따른 유도 코일 부하 인피던스의 동적 변화와 그에 따른 고주파 인버터 전원의 발진특성의 영향 등에 관한 실험연구는 예가 없다. 반도체 고주파 인버터를 이용한 유도열 플라즈마 발생장치1. SIT 인버터 전원과 유도 플라즈마 토치앞서 말했듯이 대용량 고주파 전원 플라즈마의 생성·유지에는 고주파대역 : 100kHz∼100MHz, 출력 : 10kW∼1MW의 대출력 고주파 전원이 이용되고, 그 전원으로 대출력을 쉽게 얻을 수 있어서 자려식과 진공관식 고주파 전원은 10kV급의 고전압전원을 이용해 고주파 기기도 대형이 되고, 열 플라즈마에 관한 기초실험을 어렵게 한 요인의 하나가 된다. 이에 반해 최근 진보가 현저한 고주파 파워 소자를 이용한 반도체 인버터 전원은 현상으로는 발진주파수가 ~수 MHz 이하로 정해있지만, 수백 V의 저압전원에서 수십 kW의 고주파 출력을 85∼90%의 고효율로 얻을 수 있다는 특성을 갖고 있고, 고효율 고주파 유도열 플라즈마 시스템을 컴팩트하게 구성하는 것이 가능하다. 이 연구는 인버터의 스위칭 소자로서 정전유도 플라즈마(Static Induction Transistor : SIT)를 이용하여 <그림 1>에 나타나는 것 같이 유도열 플라즈마 생성용 고주파 시스템을 구성하고 있다.SIT 및 고주파 인버터 전원의 주요 사양을 <표 1>에 나타낸다. 이 인버터 전원은 4개의 SIT 소자를 이용한 풀브릿지 유닛을 6대 나열 접속하고, 정상출력 20kW를 달성하고 있다. DC-DC 컨버터의 직류 출력을 정전압 또는 정전류 제어하는 것으로 인버터 고주파 출력을 제어하고, 발진주파수는 SIT 게이트 구동주파수를 TTL 레벨로 제어하는 것으로 0.2∼2MHz 사이에서 가변한다. DC-DC 컨버터의 출력전압과 전류는 내장된 분압기 및 DCCT에 의해 측정하고, 인버터 고주파 출력 전압과 전류는 각각 고주파 분압기와 전류 트랜스로 측정한다. 고주파 유도열 플라즈마 생성의 경우 고주파 전원을 정전류 또는 정전력 모드로 운전하는 것이 많다. 이 실험에서는 SIT 인버터 전원의 DC부에 있는 DC-DC 컨버터를 정전류 운전하고, SIT 인버터 출력 전류를 일정하게 유지하는 운전 모드를 채용하여 실험을 행했다(또한 이번 실험에 이용한 SIT 소자는 대용량, 고속 스위칭, 저손실인 뛰어난 특징을 갖고 있지만, 게이트 구동회로의 복잡함에서 응용예가 적고, 현재 생산중지됐다).유도열 플라즈마 생성에 있는 토치의 모식도 및 유도 코일 부하 회로를 각각 <그림 2>, <그림 3>에 나타낸다. 실험에 이용한 유도 코일은 코일 내경 약 80mm, 전장 약 200mm이고, 코일도체로서 1/4인치 경의 동관을 7회 감은 것을 사용하고 있다. 방전관은 외경 76mm, 두께 3mm의 1중 파이렉스 유리관을 사용한다. 이번 실험에서는 고주파 유도열 플라즈마의 초기점화에서 열 플라즈마의 성장과정의 해명에 중점을 두었기 때문에, 열 플라즈마의 생성시간은 최대이여도 수 초정도이고, 유도 코일과 파이렉스 유리관은 자연공랭만으로 실험한다. 동작 가스인 아르곤은 상부 플란지에 설치된 2종류의 도입구(선회류용과 축류용 각각 여섯 곳)에서 방전관내에 도입된다. 또 그 압력 및 유양은 각각 20∼30kPa 및 20/min 영역으로 고정했다. 초기방전의 시작을 쉽게 하기 위해 <그림 2>에 나태난 것 같이 상부 플랜지 중앙에 설치한 스파크 플러그에 의한 초기전자 공급을 하고 있다. 이에 의한 초기방전개시에 필요한 코일 전류가 약 반으로 저하하고, 유도 플라즈마 점화에 필요한 고주파 전력을 대폭으로 저감하고 있다.

유도 코일 부하회로는 탭 변환 방식인 인피던스 변환용 페라이트코어 트랜스와 트랜스 2차측 회로의 직렬공진회로를 형성하는 7번의 유도 코일과 뱅크 가변식의 콘덴서로 구성된다. 인버터 구동주파수는 무부하시에 유도 코일 전류가 최대치를 갖도록 <그림 3>의 부하회로에서 트랜스 입력전압 V1과 전류 i1이 동상(직렬공진상태)이 되도록 설정한다. 무부하시에 구동주파수가 1MHz 시 유도코일 인덕턴스 Lc 및 트랜스 2차측 환산회로 저항은 각각 ∼2μH와 ∼0.15Ω이다. 이번 실험에는 고주파 전류통전 시 유도 코일을 포함한 고주파 선로의 온도 상승으로 회로저항의 증가는 측정이 불규칙(∼10%)내에 머무르기 때문에 무시한다.2. 유도 코일 부하 인피던스의 동적변화의 평가유도 코일 부하 인피던스는 유도 코일에 흐르는 고주파 전류에 의한 유기된 고주파 전자계와 생성된 플라즈마와의 상위작용으로 그 저항성분은 플라즈마의 전력호흡의 기여를 리액턴스 성분은 용량적 혹은 유도적인 결합의 기여를 반영한 것이다. 유도 코일 단자간 전압과 코일 전류의 직접 측정에서 코일 부하 인피던스를 구하는 경우 위상측정 오차가 코일 부하 저항의 평가에 큰 오차를 가져온다. 이번 실험은 <그림 3>에 나타나는 유도 코일 부하회로의 인피던스 변환 트랜스 1차측 전압(인버터 출력전압 V1에 상당)과 전류(인버터 출력전류 i1에 상당)의 측정에서 이하에 나타나는 방법에 의해 직렬공진용 콘덴서 및 인피던스 변환 트랜스를 포함한 트랜스 1차측 환산 인피던스(인버터 부하 인피던스에 상당)의 시간변화를 평가했다.인버터의 순간전력은 인버터 출력전압 V1(t)과 전류 i1(t)에 의해 p1(t)=V1(t)×i1(t)에 전해지는 과도적 부하변동을 평가하기 위해 시각 t0에서 인버터 전압·전류의 실효치 V1(t0), I1(t0), 유효전력 Peff(t0) 및 피상전력 Papp(t0)을 각각,로 정의한다. <그림 3>에 나타나는 유도 코일 부하회로의 트랜스 1차측에서 본 부하 인피던스를 Z1=R1+jX1으로 하면 각각 로 얻어진다. 여기서 ξ은 부하회로의 역율로, ξ=Peff(t0)/Papp(t0)으로 전해진다. 2차측 인피던스는 1차전류와 2차전류와의 전폭비로 평가한 인피던스 변환 트랜스의 감은 횟수 비 a=i1/i2를 사용하여 z2=a2z1으로 구하고, 유도 코일 인덕턴스 L은 이미 알고 있듯이 공진용 콘덴서의 용량 Ct를 이용해 wL=a2x1+1/wCt로 구한다. 여기서 평가된 유도 코일 인덕턴스는 인피던스 변환 트랜스의 누출 인덕턴스와 회로 인덕턴스를 포함한 것으로 주의한다. 이후 <그림 3>에 나타난 유도 코일 부하회로의 트랜스 1차측에서 본 부하 인피던스를 1차측 부하 인피던스 Z1, 유도 코일 부하 인피던스를 ZL로 구별해 사용한다.실험결과와 그 검토1. 가시고속 카메라로 초기점화에서 유도방전 플라즈마로의 발전과정의 관측가시고속 카메라로 관측한 아르곤 유도열 플라즈마 생성시기 단계의 대표적인 플라즈마 화상의 시간 변화를 <그림 4>, <그림 5>에 나타낸다. <그림 4>의 영상은 1대의 고속 카메라를 사용하여 각각 유도열 플라즈마 토치 횡(<그림 2>의 사진과 같은 방향)부터와 토치 축방향에서 각각 방전을 촬영한 것이다. 이번 실험은 다수회의 방전에 의해 관측된 영상의 정성적인 행동과 다음 절에 나타나는 인버터 각부 전압과 전류파형 변화의 재현성은 확인하고 있다. <그림 4>의 초기방전 사진에 보이는 것 같이 토치 상부 플랜지에 첨부된 점화 플러그의 방전 틈으로 방출된 전자군에서 스트리마상의 방전이 방전관축방향의 코일 영역으로 늘고, 게다가 많은 스트리마 상 방전에 진전하고 있는 모습을 알았다. 방전관내면의 코일 근방의 스트리마 상 방전이 성장하는 것은 코일 도체간에 발생하는 강한 근방정전방에 의한 것으로 생각된다. 이 방전관축방향의 스트리마 상 방전이 다수 발생하고, 그 후 0.5∼1ms의 시간을 걸쳐 주방향의 유도전계에 유도전류가 방전관내 주변부에 링 상에 유발되고 있다. 이 주방향의 유도전류에 의한 플라즈마는 줄 가역되고, 방전관 내부 전체에 걸친 유도방전 플라즈마가 형성되기 까지 성장하고 있다. 이 같은 스트리마 상의 정전방전에서 유도방전으로의 이행과 유도열 플라즈마의 성장은 수 ms∼10ms의 시간 스케일에서 일어나고 그 뒤 <그림 2>에 나타난 것 같이 안정된 유도열 플라즈마가 유지되고 있다.

<그림 5>에 보여지는 것 같이 링 상 유도방전 플라즈마가 성장하는 과정으로 링 상 플라즈마는 줄 가열에 의한 성장과 동시에 방전관축방향의 진동자게 BZ와 주방향으로 구동되는 유도전류 Jθ에 의한 경방향내 적격의 로렌츠력 Jθ×BZ로 방전관중심 방향으로 수축해 간다. 최종적으로 플라즈마에 대한 안쪽으로 움직이는 로렌츠력과 플라즈마 압력에 의한 밖으로 움직이는 힘이 밸런스를 유지하면서 열 플라즈마로 성장한다고 생각된다. 이 같은 과도반응을 거쳐, 플라즈마는 자연적으로 방전관내벽과의 열적접촉을 저감하는 방향으로 생성·유지된다.2. 초기점화에서 유도방전 플라즈마로의 발전과정에 있는 인버터 전원의 행동<그림 4>, <그림 5>에 나타난 것 같이 초기정전방전의 개시에서 유도방전의 성장과정은 유도 코일과 플라즈마와의 전자기적인 결합특성을 인버터 전원의 회로특성, 제어특성 등을 끼고, 유도 코일 전류를 구동하는 인버터 전원의 출력전압·전류파형의 과도변화로 보여지는 것이 됐다. <그림 6>에 대표적인 아르곤 플라즈마 생성 시에 인버터 각부의 전류·전압파형과 그것으로 계산된 직류 및 고주파 전력변화를 나타낸다. 방전초기의 방전관 내벽 부근에서 정전방전개시에서 유도방전의 이행과 성장기간 (t=4∼10ms)의 사이에 인버터 출력전압과 전류 및 고주파 전력이 크게 변동하고, 방전관 내부 전체에 유도열 플라즈마가 형성된 후 (t∼20ms), 열 플라즈마와 유리 방전관과 금속 플랜지와의 열적인 상위작용에 의해 느슨한 시간 스케일로 변화하고, 안정된 유도열 플라즈마의 형성에 이르고 있다. 초기 스트리마 상 정전방전에서 링 상 유도방전으로 이행과 그에 잇따르는 열 플라즈마의 성장이라는 방전특성이 급격한 변화와 그게 따른 인버터 고주파 전원의 응답특성을 조사하기 위해 플라즈마 점화 전후를 확대한 것을 <그림 7>에 나타낸다. 방전개시(t∼4.5ms)에서 t∼6ms까지 스트리마 상 정전방전시는 인버터 출력전압과 전류에 큰 변화는 없고, 1차측 부하 인피던스 Z1의 변화도 적은 것을 알았다. 또 <그림 7(c)>에 나타난 것 같이 직류 입력 전력과 인버터 유효전력은 거의 같고, 인버터 직류-교류변화효율(이하 인버터 효율로 쓴다)은 약 90%가 된다. 여기서 특징적인 것은 무부하시에 X1=0의 직렬공진상태인 1차측 부하 인피던스가 조금이지만 바른 리액턴스 성분을 가진 인버터 부하는 유도성부하로 움직이고 있다. 그 뒤 <그림 4>, <그림 5>의 영상에 보여지는 것 같은 링상 유도방전의 이행(t∼6ms)과 함께 인버터 출력전압의 급상승과 전류의 급저하, 직류입력전력의 급상승과 인버터 효율의 저하가 보여진다. 한편 1차측 부하 인피던스 Z1에는 저항성분 R1의 급상승과 이랙턴스 성분 X1의 부측의 큰 변화가 보이고 있다.

이 같은 부하 인피던스의 변화는 <그림 8>에 나타나는 유도 코일 등가회로를 생각하면 알기 쉽다. 유도 코일단에 발생하는 전압강하 Vc=(Rc+jwLc)i2에 의해 유도 코일 도체간에 고주파 정전계가 발생한다. <그림 7>에 나타나는 방전예는 정전방전시에 발생하는 유도 코일 단자전압은 Vc=2.5∼3kV이다. 이 고주파 정전계에서 생성·유지된 정전방전은 유리 방전관 외부에 감겨진 코일 도체에서 유리 유전체를 끼고 방전전류가 흐르는 일종의 배리어 방전형식을 취하는 것에서 그 전류치는 대기중 또는 유전체를 흐르는 변위전류로 제한하고, 투입전력도 적다. 이 같은 정전방전시의 등가회로로 유도 코일과 병렬로 콘덴서와 저항기 접속된 모양이다. 이때 유도 코일 리액턴스는 로 얻어진다. w2LCCPes<1의 경우 (8)식으로 얻어지는 유도 코일 리액턴스는 무부하시의 값 wLC 보다 커진다. 그 결과 실효적인 유도 코일 인덕턴스가 증가하고, 1차측 부하 인피던스 Z1으로는 유도성부하측에 변화하게 된다. <그림 8>의 등가회로를 이용해, <그림 7>에 나타나는 대표적인 정전방전시에 플라즈마 부하저항 RPes 및 정전용량 CPes를 평가하자 RPes=3∼8kΩ, CPes=20∼40pF였다.한편 링 상 방전이후의 유도방전시에는 플라즈마는 유도 코일과의 사이에 상위 인덕턴스 M을 가진 도전성매체로 움직이고, 유도 코일의 등가회로는 <그림 8(b)>로 전해진다. 그 인피던스는 로 얻어진다. 유도방전의 경우 실효적 코일 인덕턴스는만 감소하고, LCR직렬공진회로로 구성된 인버터 부하 인피던스 Z1은 용량성측에 변화하게 된다. 또 유도 코일 부하저항은 무부하시 (Rpem=∞, M=Lpem=0에 대응)의 Rc에서 만 증가하게 된다. (11)식으로 얻어진 부하저항의 증가분은 유도 플라즈마가 가진 저항 Rpem, 유도 플라즈마중에 흐르는 고주파 전류분포로 결정된 유도 플라즈마의 인덕턴스 Lpem 및 유도 코일-플라즈마 사이의 상위 인덕턴스 M에 의존하는 것이기 때문에, 생성된 유도 플라즈마의 밀도와 온도 및 그 분포와 중성 가스 압력 등으로 크게 변화한다고 생각된다. 실제 실험에는 <그림 6>, <그림 7>에 보여지는 것처럼 열 플라즈마 성장시(t=6∼8ms)에는 플라즈마 가열에 의한 전자밀도 및 온도가 상승하고, 그에 따라 플라즈마 가열전력이 상승하고, 게다가 전자밀도 및 온도가 상승한다는 정귀환작용으로 코일 부하저항이 급상승하고 있다고 생각된다.다음으로 고주파 유도열 플라즈마 생성시에 고주파 인버터 과도응답 특성에 대해 검토한다. <그림 6>, <그림 7>에 나타난 예는 인버터 출력전류를 약 35A로 제어하고, 부하 인피던스 Z1이 작은 정전방전시(t=4.5ms∼6ms)에는 거의 일정전류로 유지된다. 그 후 유도방전으로 이행과 함께 부하 인피던스 Z1이 급격히 상승하고, 정전류특성을 유지하기 위해 인버터 출력전압이 상승한다. 그러나 인버터 출력전압이 직류부 설정전압으로 규정된 값에 달하면 이미 그 이상의 인피던스 상승에 대해 정전류 특성을 유지할 수 없고, 인버터 출력전류는 저하하게 된다. <그림 6>, <그림 7>의 예는 직류출력전압 ∼320V에서 제한을 하기 때문에 t∼7.5ms 부근에서 과도응답을 거쳐 DC전압, 인버터 출력전압과 거의 일정 전압으로 추이한다.이에 반해 인버터 출력의 시간변화를 보면 인버터 출력 전압은 거의 직류전압 변화에 대응해서 변화하지만 출력전압의 저하가 정전방전에서 유도방전으로의 이행과 거의 동시에 일어나는 것을 알았다. 이것은 DC-DC컨버터가 가진 응답시간이 약 0.4ms로 늦기 때문에 부하 인피던스의 급격한 변화에 추종할 수 없는 것과, 인버터 부하 인피던스가 유도방정으로 이행함으로 용량성부하가 되고, 인버터 소자의 스위칭 손실의 증대하는 것으로 생각된다. 일반적으로 전압공진형 인버터는 스위칭 손실저감을 위해 스위칭 소자로 인가된 전압이 제로 일 때 스위치 동작시킨 제로 전압 스위칭(ZVS)을 행하고 있다. 이번 실험과 같이 부하 리액턴스 변화로 공진상태에서 벗어난 경우에는 제로 전압 스위칭 동작을 하지 않고 인버터의 스위칭 손실이 늘어나게 된다. 특히 용량성부하의 경우 오프 상태의 SIT소자에 높은 전압이 인가되어 있을 때에 오프에서 온상태로 변화하기 위해 스위칭 손실이 증대한다. 이 같이 인버터 전원의 제로전압 스위칭에서 일탈에 의한 스위칭 손실의 증대가 실험으로 관측된 인버터 출력전류와 인버터 효율 저하를 부른다고 생각된다. 이번 실험에서 관측된 인버터 스위칭 손실의 증대는 MOSFET과 파워 트랜지스터를 이용한 대전력 반도체 인버터 전원을 유도열 플라즈마 발생장치에 적용할 경우에 공통되는 문제이다.3. 구동주파수 소인에 의한 열 플라즈마 생성 효율 개선의 시험앞 절에서 밝혔듯이 유도열 플라즈마 생성시에 수 ms의 시간 스케일로 인버터 부하가 무부하시의 저저항 부하에서 정전방전시의 유도성 부하, 게다가 유도방전시의 용량성 부하로 급변한다. 또, 유도열 플라즈마로의 성장에 맞춰 코일 부하저항도 무부하시의 ∼0.15Ω에서 1∼2Ω으로 급상승한다. 이 일련의 변화는 인버터 전원에 대해 부하 인피던스의 급격한 증대와 제로 전압 스위칭에서 일탈을 부르고, 그 결과 인버터 출력전류의 저하, 인버터 효율의 저하와 플라즈마 흡수전력의 저하 등이 일어난다. 이 절에는 구동주파수 귀환 제어에 따른 부하공진상태의 유지보수와 고주파 유도열 플라즈마 생성 효율의 개선을 위해 행한 예비실험결과에 대해 서술한다.실험에는 인버터 구동주파수를 열 플라즈마 생성중에사전에 설정된 스타트 주파수에서 스톱 주파수까지 소인하고, 인버터 부하 인피던스를 공진상태의 순저항부하를 끼운 용량성에서 유도성부하까지 변화시켜, 그 때의 인버터 출력특성을 측정했다. 주파수 소인했을 때의 대표적인 파형을 <그림 9>에 나타낸다. 인버터 구동주파수의 초기설정값을 1120kHz로 설정하고 플라즈마를 점화하고, 표정상적인 유도열 플라즈마가 행성된 후, 20ms 사이에 1120kHz에서 1250kHz까지 귀인하고 있다. <그림 9(a)>는 인버터 구동주파수와 인버터 전압과 전류의 실측파형에서 순시부하 인피던스를 구해, 그 값에서 평가한 부하 공진주파수이다. t=40ms의 귀인개시전은 기진주파수로 구동주파수가 낮고 <그림 3>에 나타난 LCR 직렬회로에서 구성된 1차측 부하 인피던스 Z1은 용량성이고 <그림 9(d)>에 보여지는 인버터 출력전력의 상승이 보여지는 동시에 부하공진주파수도 상승한다. 이것은 구동주파수를 부하공진주파수에 가까이함에 따라 플라즈마의 흡수전력이 증가하고, 생성된 플라즈마의 밀도 및 온도가 증가한다. 그 결과 (10)식에서 플라즈마저항 R1em이 저하하는 동시에 유도 코일과 플라즈마간의 상위 인덕턴스 M이 상승하고, 결과로 유도 코일 인피던스를 보다 용량성 부하의 방향으로 한 것으로 보여진다. 플라즈마 온도 및 밀도의 동적인 변화는 <그림 9(e)>에 나타난 1차측 부하저항 R1의 상승으로도 보여지고 있다. 이같은 상황하에서 구동주파수를 더욱 올리면 <그림 9>에 보이듯이 1차측부하 래익턴스 X1~0Ω의 공진상태를 얻을 수 있다. 인버터 출력전력도 <그림 9(d)>에 나타나는 듯이 3.5kW에서 7kW까지 상승하고, 인버터 효율도 약 85%까지 회복한다. <그림 9>에 나타난 것 같이 인버터 구동주파수를 소인하는 것으로 얻어진 인버터 출력전력 및 인버터 효율의 부하역율 의존성을 <그림 10>에 나타낸다. 부하역률이 최대 (인버터 출력전력-전류위상차가 최소)가 되도록 주파수동조를 취하는 것으로 인버터 출력을 최대점 부근에 유지할 수 있고, 또한 인버터 효율도 최대부근에 유지할 수 있는 것을 알았다. 또, 공진상태에서의 어긋남에 대해 용량성부하측이 유도성부하에 비해 인버터 효율의 저하가 크고, 주파수를 고정해 유도열 플라즈마를 생성한 경우, 유도열 플라즈마 형성시 (용량성부하시)에 인버터 효율이 크게 저하한 것을 정성적으로 설명할 수 있다.

이번 실험에서 전압공지형 인버터 동작시에 주파수제어가 유도 코일로 생성된 플라즈마와의 전자기적 상위작용, 및 플라즈마의 동적 자기형성 과정을 통해 인버터 운전특성에 강한 영향을 주는 것을 확인했다. 또, 금속재료·부품의 유도가열장치관에 이용되는 위상 록루프(PLL)를 이용한 주파수귀환제어를 이용하여 높은 부하역율 및 인버터 효율을 가지면서 유도열 플라즈마 생성의 고효율화를 행하는 것이 중요하다.결론MHz대의 고주파 인버터를 이용한 고주파 유도열 플라즈마 생성시에 관측된 스트리머상의 고주파정전방전의 발생에서 유도방전으로 천추와 그 후의 유도열 플라즈마로의 동적발전과정, 및 그에 따른 인버터 전원의 동적응답특성을 고속 카메라에 의한 영상 관측과 유도 코일 부하 특성에서 확실히 했다.유도 코일을 이용한 고주파 유도열 플라즈마의 초기생성 과정은 플라즈마 점화시에 유리 방전관내벽에 따라 유도 코일의 축방향에 발생하는 스트리머 상 정전방전과 그게 따른 방전관주방향의 링 상 유도방전의 형성과 줄 가열에 따른 열 플라즈마의 성장단계로 나눠지는 것이 고속 카메라 영상 및 고주파 전력측정에 기초하는 유도 코일 부하 인피던스 측정으로 확실해졌다. 이 일련의 플라즈마 생성, 성장과정과 유도 코일 부하 인피던스의 동적변화는 간단한 유도 코일의 등가회로 모델로 설명할 수 있다. 이 같은 유도열 플라즈마의 점화, 성장과정과 그 안정성은 가스압력 이외에 동작가스 원인과 가스유도법에도 강하게 의존한다고 보여지기 때문에 선회가스류와 플라즈마 회정특성과 플라즈마 회전의 플라즈마 생성·안정성으로 기여 등에 대해 연구를 이어갈 필요가 있다.유도열 플라즈마 생성시에 유도 코일과 플라즈마와의 자기결합에 의해 유도 코일 인덕턴스가 감소한다.이에 따른 인버터 부하회로인 LCR 직렬공진회로의 인피던스는 무부하시의 순저항부하에서 용량성부하로 변화하고, 인버터 직류-교류 변환효율과 플라즈마 가열전력의 큰 저하를 부른다. 인버터 효율의 큰 저하는 용량성부하에 의한 인버터 스위칭 손실의 증대에 의한 것이다. 초기적인 주파수 소인실험에서 초기정전방전에서 유도열 플라즈마로 이행후에 직렬공진주파수에 주파수공조를 취하는 것으로 플라즈마 가열전력을 2배 정도 증가했고, 인버터 변화효율도 ∼85%로 높은 값을 얻었다.