텅스텐이 튀는 현상

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12210(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

아크 방전 중에 텅스텐 기반 양극에서 튀는 독특한 메커니즘이 확인되었습니다. 스플래싱(Splashing)은 용융된 양극 표면에 국부적인 오목부가 형성된 후 늘어나는 액체 금속 기둥의 파손으로 인해 발생했습니다. 텅스텐 기반 양극의 첨가제에서 발생하는 세륨 이온에 의해 방출되는 청자색 발광이 오목한 부분이 형성되기 전에 포착되었습니다. 튀는 순간 표면 온도가 첨가제의 끓는점을 초과했습니다. 측정된 액적 속도는 전자기력이 고속 방출에 기여한다는 것을 시사했습니다. 에너지 분산 분광법 매핑은 또한 아크 방전 후 양극의 세로 단면에 첨가제의 잔여물을 나타냈습니다. 이러한 실험적 사실을 바탕으로 아크 방전에서 양극 튀는 메커니즘은 끓는점 이상의 온도에서 첨가제의 기포 형성, 표면의 기포 파열, 마이크로 플라즈마 제트 생성, 액체 기둥 신장 및 끊김 현상으로 추론되었습니다. 전자기력 및 그에 따른 고속 액적 방출.

방전은 전자와 분자 및 원자의 이온화된 종으로 구성된 전도성 가스 매체를 통해 전류가 흐를 때 발생합니다. 이러한 매체를 플라즈마라고 합니다. 아크 방전은 대기압 하에서 음극과 양극 사이의 낮은 전압과 높은 전류에 의해 발생하는 방전의 일종입니다. 아크 방전은 매우 높은 온도(> 10,000K)를 생성할 수 있으므로 아크 플라즈마는 고속 금속 절단 및 접합1,2,3에서 고유한 열원으로 적용되었습니다. 더욱이 적층 제조4,5로 알려진 3차원 재료 제조를 위한 유망한 도구로서 과학적, 산업적 관심을 끌고 있습니다. 아크 플라즈마는 밝기가 높기 때문에 광원으로도 사용됩니다. 가까운 미래에 태양광 발전이 지속 가능한 전력 공급원으로 기대됨에 따라 햇빛을 전기로 변환하는 효율을 높이는 것이 지배적인 사회 문제입니다6,7. 변환 효율을 정확하게 측정하려면 태양광과 동등한 방출 스펙트럼을 갖는 안정적인 광원이 필요합니다. 이러한 요구 사항을 충족하는 광원 중에는 크세논 아크 램프와 메탈 할라이드 아크 램프가 있습니다8,9,10. 최근 우리는 아크 플라즈마와 상호 작용하는 용융 전극 표면의 독특한 역학을 확인했습니다. 본 논문에서는 이러한 결과를 자세히 설명합니다.

음극은 고온으로 가열되면 열전자를 방출합니다. 열이온 방출만으로 아크 전류가 충분히 공급되면 아크 플라즈마는 비교적 안정적으로 유지됩니다. 이러한 이유로 양극 물질은 3000K 이상의 온도에서도 고체 또는 액체여야 합니다. 일반적인 음극 물질은 녹는점이 높고 끓는점이 높은 텅스텐입니다. 또한, 몇 중량%의 산화물로 도핑된 텅스텐은 순수 텅스텐보다 유효 일함수가 낮고 열이온 방출도 낮습니다. 결과적으로, 음극 온도가 감소하고 음극 침식이 억제됩니다11,12. 또한, 음극에서 첨가제의 확산 및 증발을 고려함으로써 연구자들은 음극 침식에 대한 향상된 예측을 만들었습니다13,14.

아크 방전 중 텅스텐 기반 음극의 현상은 잘 연구되었지만, 텅스텐 기반 양극의 현상은 거의 설명되지 않았습니다. 이러한 현상 중 하나는 용융된 양극이 튀는 것입니다. 아크 전류는 직류(DC) 또는 교류(AC)일 수 있으므로 단일 텅스텐 기반 전극은 음극과 양극이 모두 됩니다. 그러나 텅스텐 기반 양극의 물리학은 잘 이해되지 않아 AC 아크 방전(DC 아크보다 더 복잡함) 중 전극 현상은 알려지지 않은 채로 남아 있습니다. 특히, 용융된 양극의 비산은 양극 침식을 가속화하고 안정적인 아크 플라즈마 형성을 방해합니다. 또한, 용융 금속이 튀면 오염이 발생하고 아크 램프, 재료 접합, 적층 가공 등의 응용 분야 품질이 저하됩니다. 여러 연구에서는 DC 아크 방전 중에 용융된 음극의 일부가 물방울로 배출된다고 보고했습니다. 그러나 특히 이러한 연구는 아크 점화 또는 아크 소멸 직후 특정 조건에서 수행되었습니다. 대조적으로, 우리는 아크 방전의 연속 작동 중에 텅스텐 기반 양극에서 액적 방출을 관찰했습니다. 이 연구는 지속적인 DC 아크 방전 동안 텅스텐 기반 양극 표면의 스플래싱 과정의 역학 및 메커니즘을 보여줍니다. 이러한 새로운 통찰력은 아크 방전의 과학 및 산업 응용 모두에 도움이 될 것입니다.