第三章 結果與討論
3.1 電漿形式與 I-V 特性
3.1.1 Self-organized pattern discharge
本研究所設計的電極形式為 Power 電極與 Ground 電極為上下關係且左右對稱的平 板電極(如圖 2.2)與 2007 英國與中國學者所設計的電極，類似為上下的形式，但其
Ground 電極設計於最底下，主要研究 Power 電極與 Ground 電極產生電漿的形式的研究 (如圖 1.10) [Feng. Y. et al, 2010]，而本研究則是設計將電漿產生於 Ground 電極的後段(如 圖 2.2、3.1)，此種設計電漿不會對試片或人體放電造成危險，目的希望將來此種設計 可以朝應用端發展。
實驗測試的條件(如表 3.1)，實驗發現電漿形式呈現一束一束的形式(如圖 3.1、
3.2)，此種電漿形式歸類為 Self-organized pattern discharge，造成電漿一束一束的原因，
是因為勞倫茲力(Lorentz force)平衡電漿束間的電流與拋物線的位能分佈，可以限制住電 漿束與平衡庫倫排斥力(Coulomb repulsive force)[Niu. Q.Y. et al, 2007]。
實驗不同流速與功率，比較條件於 20、30 與 50 slm，60、90、120、150、180 與 200 W，可以發現流量增加時，電漿的 Channel 數會上升(於電漿正下方拍攝電漿束的情形)(如 圖 3.3)，亦可以發現功率增加時，電漿的 Channel 數會上升(如圖 3.4)，將其完整的數據 整理可以發現測試的條件皆符合上述之結論(如圖 3.6)，只有 20 kHz 與 60 kHz 於 50 slm
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時 channel 數較 30 slm 小的例外情形(如圖 3.5 與 3.7)。
實驗不同的頻率，比較 20、40 與 60 kHz，隨著頻率的上升其電漿的 Channel 數會 上升(如圖 3.8)，將其完整的數據整理可以發現測試的條件皆符合上述之結論(如圖 3.9、
3.10 與 3.11)，以上結果也與文獻回顧的實驗結果有相同之趨勢[Feng.Y. et al, 2010]。
經由以上實驗測試，了解此電極設計電漿分佈的情況，所以接下來了解改變各種條 件(如表 3.2)，希望產生一均勻的電漿束，並對電漿的形式與 I-V 電性進行分析。
3.1.2 不同介電質材料的影響
經由實驗發現改變不同的介電質材料會影響電漿的形式與電性，實驗條件固定為 30 slm 氦氣(99.99%)、 頻率 60 kHz ，比較兩種介電質材料 Quartz (99.995% SiO2)與 Ceramic(99.5% Al2O3)，然後控制不同的功率。由電漿形式(如圖 3.12 與 3.13)的角度觀察 低功率 60-120 W 時，以陶瓷為介電質材料所產生的電漿呈現一束一束，而以石英為介 電質材料所產生的電漿其呈現較均勻的電漿，其最重要的原因是陶瓷的介電質常數 (ε=10)大於石英介電質常數(ε=3.75)，介電質常數越高，代表於同一電壓下，極化之能力
越佳，形成較強之電場，即可儲存更多之電能，所以陶瓷的電漿會成一束一束的，增加 至 150 與 180 W 時就呈現差不多的現象。從 I-V 電性圖(如圖 3.14)，我們可以發現於功 率 60-120 W 時 Quartz (99.995% SiO2)與 Ceramic(99.5% Al2O3)的電流與電壓值都差不 多，當功率增加至 150 與 180 W 時，電壓值於誤差值內，而陶瓷(Ceramic)產生的電漿電 流有大於石英(Quartz)的趨勢。由以上分析結果，石英所產生得電漿均勻性較高，所以 接下來的實驗皆採用石英為介電質材料。
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3.1.3 Dielectric distance 與氣體流量的影響
經由實驗發現改變不同的 Dielectric distance 會影響電漿的形式與電性，實驗條件固 定為氦氣(99.99%)、Quartz 1 mm、頻率 60 kHz，然後控制不同的 Dielectric distance 0.2、
0.5、0.8 與 1.5 mm，也調整不同的功率 60、100、120、150 與 180 W，實驗發現 Dielectric distance 0.2 mm 無法產生電漿束，0.3、0.5 與 0.8 mm 皆可以產生 uniform 的電漿(如圖 3.15、3.16 與 3.17)而且隨者功率增加時可以發現其電漿長度與均勻性也都增強，是因為 功率增加電場增強的緣故，當 Dielectric distance 1.5 mm(如圖 3.18)時可以發現其電漿不 均勻且功率增強電漿變的更不均勻。由電性的角度觀察其實驗結果發現當 Dielectric
distance 改變時其電漿電壓變化不大(如圖 3.19)，而電漿電流則在 0.5 mm 時有一最大值 (如圖 3.20)，電漿於較強的狀態，所以接下來的實驗皆使用 Dielectric distance 0.5 mm 進 行分析研究。
實驗發現改變不同的 flow rate 會影響電漿的形式與電性，實驗條件固定為氦氣 (99.99%)、Quartz 1 mm、Dielectric distance 0.5 mm，然後控制不同的頻率 20、30、40、
50 與 60 kHz，並調整不同的 flow rate 10、15、20 與 30 slm，推算其流速分別為 6.668 、 10.002、13.336 與 20.004 (m/s)，由電漿形式可以發現隨著流量的增加其電漿會變的比較 長，但是 flow rate 10 (m/s)無法產生穩定的電漿束，會受到兩旁的電場的影響而將電漿 往 Ground 電極跑(如圖 3.21、3.22、3.23、3.24 與 3.25)，其原因可能因為電極設計的形 式(如圖 2.2)，因此有兩個電場去影響電漿，當流速不夠快時受到兩邊的電場影響，產生 不穩定。而 20、50 與 60 kHz 型態較相似為一片均勻的電漿束(如圖 3.21、3.24 與 3.25)，
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30 與 40 kHz 則為較短且不均勻的電漿束(如圖 3.22 與 3.23)。由電性的角度觀察，可以 發現當流速增加時其電漿電壓並不會有很大的改變，而電漿電流分為兩種情況 : 第一種 情況為 20、50 與 60 kHz 型態較相似為一片均勻的電漿束(如圖 3.21、3.24 與 3.25)，當
flow rate 下降時電漿電流會上升(如圖 3.26、3.29 與 3.30)，乃是因為氣體於低流速 (10 slm) 時電漿溫度上升，導致氦氣的 n (number density)會下降，而使 E/n (Reduced electric field) 上升，也就是指單位氦氣粒子所受到的電場上升，所以電場上升，電漿電流也相對上升，
而第二種情況為 30 與 40 kHz 則為較短且不均勻的電漿束(如圖 3.22 與 3.23)，並沒有這 個趨勢(如圖 3.25 與 3.26)，其可能受到其電漿形式的與頻率有一定的影響，頻率影響於 下一章節會詳述之。
3.1.4 頻率與功率的影響
實驗調整頻率將分為電漿形式與 I-V 電性探討，控制條件為頻率 20、30、40、50 與 60 (kHz)，由電漿形式可以發現並沒有一個明顯趨勢(如圖 3.31 與 3.32)，而由 I-V 隨 時間變化的曲線分析大致可以分為兩種情況:第一種情況為頻率 20、40、50 與 60 kHz (如 圖 3.33、3.35、3.36 與 3.37)，30 slm 的氦氣與功率 60 W 的情況，脈衝的寬度皆約為 3 ±
0.3 µs，其結果當電壓與電流會急速的上升至一個最大值，當電流從最大值急速下降，
乃是因為此時在對介電質材料充電的效應，電流下降一小段時，電壓也到達最大值，，
接著電壓與電流皆往下降，而且電流從正值往負值下降(有一個瞬間往下的 peak，相當 特別，希望將來可以經由模擬以了解其物理現象)，經過脈衝突波後，電流呈現上下震 盪 於 正 負 值 變 化的 現 象 ，此 時 電 壓 處 於 低 電 位的 情況 ，主要 是 因為 displacement
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current(其電壓值產生很大的變化)。第二種情況為頻率 30 kHz (如圖 3.34)，30 slm 的氦 氣與功率 60 W 的情況， 其電壓的波形非常類似正弦波，電壓的波形也呈正弦波，波形 中有小突波產生，其現象與電漿形式比照其它電漿特別的弱，實際情況需要模擬才能了 解 30 kHz 為何會有如此特別的 I-V 電性圖。
改變頻率對電漿 I-V 電性的影響，改變不同的頻率 20、30、40、50 與 60 kHz，30 slm 的氦氣電漿(如圖 3.38、3.39、3.40、3.41、3.42 與 3.43)，可以發現電壓與電流值於 20 kHz 皆有最大值，30 kHz 時皆為最小值，增加為 40 kHz 時電壓與電流有上升的情況，接下 來調為 50 與 60 kHz 其電壓與電流值皆有上升的情況，而本時研究選擇 60 kHz，是因為 有不錯的電漿電流並且電漿的形式較均勻(如圖 3.31)。
功率對電漿的影響也分成電漿形式與 I-V 電性討論，條件控制 60 W(breakdown Voltage)、100 W、120 W、150 W 與 180 W 的 30 slm 氦氣電漿，由電漿形式可以發現隨 著功率的上升其電漿的長度會增長(如圖 3.16)，由電性圖可以發現(如圖 3.38、3.39、
3.40、3.41、3.42 與 3.43)，隨著功率的上升其電壓與電流值皆呈上升的趨勢。
3.1.5 Power 電極與 Ground 電極距離的影響
改變 Power 電極與 Ground 電極距離對電漿所造成的影響，控制條件為 Power 電 極與 Ground 電極距離 10、15、20 與 25 mm，實驗結果發現距離為 25 mm 時即無法 產生電漿，圖 3.44 三種距離皆為 60 W 產生電漿，於任何功率下，其 Breakdown 電 壓隨著距離增加而增加，其是因為當距離增加阻值增加相對較難產生電漿，而電漿電 流隨著距離的增加而下降。
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3.1.6 加氧氣的影響
改變不同氧氣比例加入氦氣電漿中對電漿的影響，控制條件為氧氣比例 0、0.01、
0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、0.9 與 1.0 % O2，並固定 30 slm 氦氣、
Dielectric distance 0.5 mm、Quartz 1 mm、頻率 60 kHz 與 120 W。其實驗結果由電漿形 式可以發現(如圖 3.45 與 3.46)，當氧氣比例加 0.03-0.07 % (9-21 sccm)O2，時電漿電漿變 的更加均勻，而當氧氣比例增加至 0.09 % (27 sccm)O2電漿開始出現一束一束而且不均 勻的電漿分佈，持續增加至 0.3、0.5、0.7、0.9 與 1.0 % O2電漿變的更明顯一束束的分 得很清楚的電漿分佈，持續增加氧氣接著電漿即會消失，其電漿變成一束束是因為氧氣 屬於負電型電漿會吸引電子吸附於氧原子表面。由 I-V 電性圖(如圖 3.47)，X 軸是不同 氧氣比例，右邊 Y 軸是電漿電流值，左邊 Y 軸是電漿電壓值，由圖可以發現當加入少 量比例的氧氣(< 0.09 % O2)時期電流值會上升至一個最大值，持續加入氧氣，電流值反 而會開始呈下降的趨勢，電壓則完全相反，當加入少量比例的氧氣(< 0.09 % O2)時電壓 會下降，持續加入氧氣比例，電壓值呈上升的趨勢。
3.1.7 電漿吸收電源之效率比較
電漿吸收電源之效率圖，條件控制不同的功率 60、100、120、150、180 與 200 W，
並固定 30 slm 氦氣、Dielectric distance 0.5 mm、Quartz 1 mm 與頻率 60 kHz，並將畫至 為 Lissajous figure (如圖 3.48)，並計算其面積換算為效率圖 (如圖 3.49) [ Mahoney J. et al.
2010
]，我們可以發現功率 60 W 時效率有 51 %，但隨著功率的增加效率會隨之遞減至
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28 %，代表並沒有所有的功率都為電漿吸收，有些會經由熱的方式消耗掉。
3.1.8 Floating 電極的影響
比較有 Floating 電極對電漿所造成的影響，固定條件 Dielectric distance 1.0 mm、
Quartz 頻率 60 kHz 與 30 slm 氦氣電漿，Floating 電極為一鋁塊(1 mm × 15 mm × 50 mm)，並於鋁塊上鑽 50 個Φ=0.5 mm 的洞，將此 Floating 電極放置流道中與 Ground 電 極距離 2 mm 的位置(如圖 2.4)，由電漿形式(如圖 3.50 與 3.51)可以發現右邊有 Floating 電極的氦氣電漿變的非常的不均勻。由 I-V 電性(圖 3.52)可以發現有 Floating 電極的電 壓值變化不大，而電漿電流皆變大，乃是因為有 Floating 電極如同降低 Power 電極與
Ground 電極的距離與前面討論之現象一樣會提升電漿電流，由 2010 年韓國研究團隊發 現有 Floating 電極的設計會於 Floating 電極下游空間產生較大的電場，因此會提升電漿 電流效應[Lee. W.L. et al, 2010]。一樣比較有 Floating 電極於氬氣，實驗發現沒有 Floating 電極無法產生電漿(電壓 5.6 kV，電流 40 mA – displacement current)，但使用 Floating 電 極後即可產生氬氣電漿(電壓 5.6 kV，電流 120 mA ) (圖 3.53)。