플라즈마란 무엇인가?

플라즈마는 초고온에서 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 이온에 의해 분리된 기체 상태를 말한다. 이때 전하 분리 정도가 상당히 높으나 음전하와 양전하의 총수가 같으므로 중성이다. 일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체의 세 부분으로 나뉜다. 플라즈마는 종종 '제4의 물질 상태'로 불린다. 고체에 에너지가 가해지면 액체나 기체가 되고, 이 기체 상태에 다시 높은 에너지가 가해지면 기체는 수만 도에서 전자와 원자핵으로 분리돼 플라즈마 상태가 된다. 그것은 물질의 네 번째 상태로 알려진 물질의 형태이다. 강한 전계 또는 열원에 의해 가열되어 전자, 중성 입자, 이온 등의 입자로 분할된 상태. 이때 전하 분리 정도가 상당히 높지만, 음전하와 양전하가 전체적으로 동일하기 때문에 중성화된다. 물론 어떤 원소도 전자의 탈출에 의해 플라즈마화 될 수 있으며, 전자의 탈출에 의해 대전되기 때문에 전자기장에 의해 갇히거나 특정 방향으로 가속될 수 있다. 실제로 이를 특정 방향으로 가속하는 방법으로 사용하는 것은 우주선 등에 사용되는 이온 엔진으로, 토카막 장치는 열로 플라즈마를 전자기장으로 잠근다.일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체의 세 부분으로 나뉜다. 플라즈마는 종종 '제4의 물질 상태'로 불린다. 고체에 에너지가 가해지면 액체나 기체가 되고, 이 기체 상태에 다시 높은 에너지가 가해지면 기체는 수만 도에서 전자와 원자핵으로 분리돼 플라즈마 상태가 된다.

플라즈마를 만들기 위해서는 직류, 초고주파, 전자빔 등의 전기적 방법을 사용하여 플라즈마를 발생시킨 후 자기장을 사용하여 이 상태를 유지해야 한다. 일상생활에서 플라즈마를 사용하기 위해서는 인위적으로 이렇게 만들어야 하는데, 플라즈마는 우주 전체에서 가장 흔한 상태이다. 우주의 99%가 플라스마 안에 있는 것으로 추정된다.핵융합 분야로 인해 플라즈마에 대한 관심이 커졌지만, 플라즈마는 1970년대 이후 반도체 미세화를 견인하는 데 매우 큰 역할을 했다. 현재 사용되는 스마트폰 등 첨단 디지털기기의 핵심 부품 제조 공정의 90%는 플라즈마를 이용한 식각 및 증착 기술이 주를 이룬다. 반면에, 플라즈마를 사용하는 많은 것들이 있다. 대표적으로 공기청정기, 플라즈마 장난감 등 다양한 용도로 사용된다.

플라즈마를 의학적으로 사용하려는 시도는 오랫동안 있어 왔다. 2006년경부터 현재까지 혈장이 피부에 미치는 영향에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있으며, 피부 노화를 방지하는 효과가 있다고 한다. 아직까지 큰 부작용은 보고되지 않았다. 플라즈마 치료는 저에너지 플라즈마를 이용한 방법과 고에너지 플라즈마를 이용한 방법으로 구분되며, 저에너지 플라즈마를 이용한 방법은 치료 효과가 느리지만 피부에 큰 무리를 주지 않는다. 고에너지의 경우 치료 효과는 좋지만 피부 박리, 발진, 일시적인 색소 침착 등이 발생할 수 있다.

네온사인, PDP 모니터, 형광등은 모두 플라즈마를 사용한 제품이다. 플라즈마는 에너지가 높기 때문에 주변 산소와 반응해 오존을 생성할 수 있으므로 장시간 켜두면 환기를 하지 않는 것이 좋다. 그러나, 위에 표시된 모든 가전제품은 밀폐된 공간에서 플라즈마를 사용하기 때문에 안전하다.

핵융합 분야로 인해 플라즈마에 대한 관심이 커졌지만, 플라즈마는 1970년대 이후 반도체 미세화를 견인하는 데 매우 큰 역할을 했다. 현재 사용되는 스마트폰 등 첨단 디지털기기의 핵심 부품 제조 공정의 90%는 플라즈마를 이용한 식각 및 증착 기술이 주를 이룬다. 반면에, 플라즈마를 사용하는 많은 것들이 있다. 대표적으로 공기청정기, 플라즈마 장난감 등 다양한 용도로 사용된다.

플라즈마 커터는 SF 매체에서만 나타날 수 있지만, 놀랍게도 일반적인 유형의 용접 기계입니다. 또한 다른 용접기/커터처럼 상업적으로 사용할 수 있습니다. 자세한 내용은 이 문서를 참조하십시오.

지구 대기의 전리층(전리층)이 대표적인 플라즈마다. 대기 중의 가스 분자(산소, 질소 등)가 양이온(산소 이온, 질소 이온 등)과 햇빛의 자외선 에너지에 의해 자유 전자로 분리된 플라즈마를 이온화층이라고 한다. 이온화 층은 준중립성(양이온 + 음이온 = 약 0)과 집단 작용 특성을 모두 가진 고전적인 플라즈마이다. 전리층에 전파가 발사되면 자유전자가 에코처럼 돌아와 전파통신이나 방송 등에 활용된다. 오로라와 번개도 대표적인 플라즈마 자연현상이다. 화재의 경우 화재 자체가 플라즈마가 아니다. 화재는 빛과 열을 발생시키면서 발생하는 '현상'으로 학자들은 불을 '플라즈마 발생 현상'으로 생각하는 것 같다.

 

플라즈마는 만드는 방법과 특성에 따라 분류될 수 있다.
첫째, 열 플라즈마(또는 평형 플라즈마, 고온 플라즈마, 전자와 이온의 유사한 온도)와 저온 플라즈마(또는 전자가 이온보다 훨씬 뜨거운 경우 비평형 플라즈마)로 나뉜다. 저온 플라즈마는 주로 플라즈마 전류가 수 암페어 미만일 때이며, 평형은 플라즈마를 구성하는 전자와 가스의 온도가 크게 다르다는 것을 의미한다. 전류가 증가함에 따라 전자와 기체 간의 충돌이 격렬해지고 가스의 온도와 전자의 온도가 균형을 이루게 되는데 이를 열 플라즈마라고 한다. 열플라즈마라고 불리는 이유는 방전전류가 수만~수십만 암페어(암페어)에 달하기 때문에 평형온도가 1만도 정도이기 때문이다. 또는 플라즈마가 형성되는 압력에 따라 저압 플라즈마 및 대기압 플라즈마로 나눌 수 있다. 즉, 저압 환경에서도 열/비열 플라즈마가 존재하며, 대기압 환경에서도 열/비열 플라즈마가 생성될 수 있다. 그 중 반도체 공정에서 사용되는 플라즈마는 저압특이열 플라즈마이며, 대기압 열 플라즈마는 폐기물 분해, 나노 분말 합성, 표면 코팅 등에 사용된다. 극한 환경을 고려하여 플라즈마의 온도와 밀도에 따라 상대론적 플라즈마와 양자 플라즈마로 구분하기도 한다. 상대론적 플라즈마는 플라즈마의 온도가 너무 높아(=속도가 매우 높아) 상대론적 효과를 고려할 필요가 있는 플라즈마를, 양자 플라즈마는 양자 효과를 고려할 필요가 있는 플라즈마를 의미한다. 상대론적 플라즈마는 거대한 블랙홀의 제트처럼 고에너지 천문학에서 주로 다루며, 양자 플라즈마는 퀘이사와 같은 천체를 연구할 때 주로 다루어진다. 초고온이 발생하는 융착 공정에서 반드시 발생하므로, 이러한 초고온 플라즈마를 위한 제어 장치가 필수적이다. 국산 KSTAR도 초고온 플라즈마를 생산한다. 플라스마 자체는 저온에서 만들 수 있기 때문에 모든 종류의 플라스마가 초고온인 것은 아니다. 그러나 초고온 플라즈마는 핵융합에서 만들어진다.
일반적으로 고온 플라즈마와 저온 플라즈마를 가르는 온도는 전자 온도이며, 저온 플라즈마의 전자 온도는 핵융합용 고온 플라즈마에 비해 낮기 때문에 저온이라고 부르지만 수 만도에 이른다. 그러나 열 용량은 낮습니다. 반면에, 열 플라즈마는 전자 온도와 가스 온도가 거의 같고 열 용량이 크기 때문에 정말 뜨거운 플라즈마입니다.