플라즈마, Plasma, 제 4의 물질
제 4의 물질 상태라고 알려져 있는 물질의 형태이다. 강력한 전기장 혹은 열원으로 가열되어 기체상태를 뛰어넘어 전자, 중성입자, 이온 등 입자들로 나누어진 상태. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 된다. 전자가 열을 받아 원자에게서 자유로워지면 끝이기 때문에 당연히 어떤 원소든 플라즈마화 될 수 있으며, 전자의 탈출로 인해 전하를 띠기 때문에 전자기장으로 가두거나 특정 방향으로 가속시킬 수도 있다. 이를 실제로 특정 방향으로 가속하는 방법으로 이용한 것이 우주선 등에 쓰이는 이온 엔진이고 적절한 밀도와 열을 가진 플라즈마를 임의의 시간하에 전자기장으로 가두는 것이 핵융합 발전의 핵심이다.
플라즈마 학문적 정의
통계역학적인 관점에서 볼 때, 어떤 기체든 어느 정도 이온화되어 있다는 것은 확실하니 단순히 이온화된 기체를 플라즈마라고 부르면 오류를 부르기 쉽다. 플라즈마는 걸러낼 수도 있지만 전자, 중성입자, 이온 등의 입자가 보통 섞인 상태기 때문이다. 별로 물리학적으로 유용한 정의가 아니기 때문에 물리학자들은 아래와 같이 플라즈마의 특성을 정의하게 된다.
준중성 상태 (Quasi-neutrality)
플라즈마는 +전하와 -전하를 가지고 있으므로 전자기력에 의해 서로 이끌리는 특성이 있다. 그 때문에 플라즈마 덩어리로부터 일정 거리 이상 떨어져 있는 지점에서는 전기력을 0으로 취급할 수 있다.
집합 행동 (Collective behavior)
전기력에 의해 준중성 상태를 이루고 있는 플라즈마는 한 덩어리인 것처럼 행동하게 된다.
이러한 플라즈마의 특성에 의해서 플라즈마 내부에서는 고속으로 운동하는 대전입자의 관성과 전기적 인력 사이에서 줄다리기가 일어나는데, 이는 용수철 진자와 비슷한 모습이다. 이런 현상을 플라즈마 진동(Plasma oscillation)이라고 하며 전하의 종류 및 그 전하의 밀도에 따라 주파수는 달라지게 된다.
또한 플라즈마 진동보다 주파수가 작은 전자기파는 플라즈마에 의해 반사되는 성질이 있는데, 때문에 지구 대기의 이온층을 이루는 플라즈마에 의해 일어나는 전파의 반사 현상은 단파 통신 및 이온층의 상태 연구에 유용하게 활용된다. 플라즈마에 입사하는 전자기파의 주파수가 플라즈마 진동의 주파수보다 클 때는 전자기파의 주파수에 따라 다른 굴절률로 굴절하는데, 이 같은 성질은 펄사의 거리 측정이나 성간매질의 전자밀도 연구에 활용된다.
플라즈마 분류
플라즈마는 만드는 방식과 특성에 따라서 다양하게 분류가 된다.
먼저 전자의 온도와 기체의 온도 비율에 따라서 열 플라즈마(혹은 평형 플라즈마, 고온 플라즈마, 전자와 이온의 온도가 비슷한 경우)와 저온 플라즈마(혹은 비평형 플라즈마, 전자가 이온보다 매우 뜨거운 경우)로 나뉜다. 저온 플라즈마는 주로 플라즈마 전류가 수 암페어 미만일 경우이며, 비평형이 뜻하는 것은 플라즈마를 이루는 전자와 기체의 온도가 크게 다르다는 것이다. 전류가 증가하게 되면 전자와 기체간의 충돌이 심해짐에 따라서 기체의 온도와 전자의 온도가 평형을 이루게 되고, 이것을 열 플라즈마라 한다. 열 플라즈마라 하는 이유는 방전 전류가 수만~수십만 암페어에 이르기 때문에 평형을 이루는 온도가 대략 10000도 정도 되기 때문이다.
혹은 플라즈마가 만들어지는 압력에 따라서 저압 플라즈마와 상압 플라즈마로 나뉘기도 한다. 즉 저압환경에서도 열/비열 플라즈마가 있으며 상압환경에서도 열/비열 플라즈마가 만들어 질 수 있다. 이중에서 반도체 공정등에 쓰이는 플라즈마는 저압 비열 플라즈마이며, 상압 열 플라즈마는 폐기물 분해나 나노분말합성 및 표면코팅 등에 쓰인다.
극한 환경을 고려하여 플라즈마의 온도와 밀도에 따라 상대론적 플라즈마와 양자 플라즈마로 구분하기도 한다. 상대론적 플라즈마는 플라즈마의 온도가 너무 높아서 하전입자의 운동에너지가 매우 크기 때문에(=속도가 매우 크기 때문에) 상대론적 효과를 고려해주어야 하는 플라즈마를 의미하고, 양자 플라즈마는 매우 밀도가 높아 양자적 효과를 고려해주어야 하는 플라즈마를 의미한다. 상대론적 플라즈마는 거대질량블랙홀의 제트와 같은 고에너지 천문학에서 주로 다뤄지고 양자 플라즈마는 보통 퀘이사와 같은 천체를 연구할 때 다뤄진다.
초고온이 발생하는 핵융합과정에는 반드시 발생하기 때문에 이러한 초고온 플라즈마의 제어 장치가 꼭 필요하다. 국내에서 만들어낸 KSTAR에서도 초고온 플라즈마를 만들어낸다. 플라즈마 자체는 저온에서도 만들어질 수 있으므로 모든 종류의 플라즈마가 초고온인 것은 아니다. 다만 핵융합에서 만들어지는게 초고온 플라즈마인 것이다.
일반적으로 고온플라즈마와 저온플라즈마를 구분하는 온도는 전자온도이며 핵융합을 위한 고온플라즈마 대비 저온플라즈마의 전자온도가 낮아서 저온이라 부르지만 그 온도는 수만도에 이른다. 다만 열용량이 낮을 뿐이다.
반면에 열플라즈마는 전자온도와 기체온도가 거의 같은 온도를 보이며 열용량까지 높아 정말로 뜨거운 플라즈마이다
쿼크 글루온 플라즈마(Quark Gluon Plasma)
플라즈마가 고온으로 인해 전자와 원자핵이 분리된 상태라면 쿼크 글루온 플라즈마는 온도가 너무 높아 핵을 구성하는 양성자, 중성자들이 쿼크, 글루온으로 녹아내린 상태를 말한다. 구체적인 특성들에 대해서는 연구가 진행중이다.
연구가 힘든 이유는, 강력의 특성탓으로, 강력으로 묶여있는 쿼크와 글루온을 강제로 떼어내기 위해 에너지를 집중할수록, 이 강력이 더욱 강해지는 성질을 지니고 있다. 간단히 말해서 강력을 끊어지지 않는 탄성계수를 지닌 스프링처럼 생각하면 된다. 에너지를 가하면 가할수록 탄성계수로 인해 스프링에 축적되는 탄성에너지가 증가되는 것처럼, 강력으로 묶여있는 쿼크와 글루온은 에너지를 집중하여 떼어내려고 시도할수록 더욱 강한 강력으로 묶이기 때문에 연구가 더딘 편.
지금 연구 방향은 "이 성질을 역으로 이용하여, 오히려 쿼크와 글루온을 강제로 압축하면 강력이 줄어들기 때문에 보다 자유롭게 연구할 수 있지 않을까?" 라는 발상을 이용하며, 주로 중원자핵을 서로 가속시켜 충돌시키는 방식으로 원자핵에 존재하는 대량의 핵자끼리의 충돌을 일으켜 일시적으로 쿼크-글루온 플라즈마 형태를 만드는 방식을 채택하고 있다.
자연 현상
지구 대기권의 전리층(이온층, ionosphere)은 대표적인 플라즈마다. 대기 중의 기체 분자들(산소, 질소 등)이 태양광 내 자외선의 에너지로 양이온(산소 이온, 질소 이온 등)과 자유 전자로 분리된 플라즈마의 모임을 전리층이라 부르는 것이다. 전리층은 준중성(양이온+음이온을 합한 총 전하=대략 0)과 집합 행동의 특성을 모두 가지는 고전적인 플라즈마다. 전리층에 전파를 쏘면 자유전자가 메아리처럼 돌아오는데 이를 전파 통신이나 방송에 이용한다.
오로라, 번개도 대표적인 플라즈마 자연 현상이라고 할 수 있다.
정전기로 인해 발생하는 스파크(아크방전) 역시 강력한 전기장에 의해 절연파괴가 일어나 플라즈마화된 공기를 말한다.
불의 경우, 불 자체는 플라즈마가 아니다. 불은 빛과 열을 만들어내는 중에 일어나는 '현상'인데, 고온을 형성하여 플라즈마를 만들어낼 수는 있다.
별
태양도 주로 고온 플라스마 상태인 수소와 헬륨으로 이루어져 있다. 그리고 사하 방정식(Saha's equation)에 따르면 암흑 물질, 암흑 에너지 제외시 우주에 알려진 질량의 99%는 플라스마 상태로 이뤄져 있다.
활용
1970년대 이후 반도체 미세화를 견인하는데 플라즈마의 역할이 매우 컸다. 현재 사용되는 스마트폰 등의 첨단 디지털기기의 핵심부품 제조공정의 90%는 플라즈마를 이용한 식각 및 증착기술이 주를 이룬다. 그 외에 플라즈마를 이용한 물건들에는 대표적으로 공기청정기, 플라즈마 장난감이 있다.
공업
플라즈마 절단기는 SF 대중매체에서나 등장할 법 하지만 의외로 흔히 쓰이는 용접기의 한 종류다. 다른 용접기/절단기 처럼 시중에서 구할 수도 있다. 자세한 건 본 문서 참조.
반도체 공정에서는 빼놓을 수 없는 존재이며, 주로 박막 증착과 식각공정에서 빈번하게 사용된다. 박막을 증착하는 방법 중 가장 널리 쓰이는 스퍼터링 방식이 바로 고진공 상태에서 기체를 흘려넣고 파워를 가해서 플라즈마를 발생시킨 뒤, 기체 양이온이 가속을 받아 타겟물질에 충돌하여 튀어나오는 타겟물질들을 기판에 눈처럼 쌓는 방법이다. 또한 다른 증착방식인 화학적 기상증착(CVD)의 한 종류인 PECVD방식 역시 플라즈마를 사용한다. 소자를 원하는 형태로 깎아내는 식각공정에서는 dry etching 방식에 사용되며, 동일한 방식으로 플라즈마를 발생시킨 뒤 이온으로 물리적으로 때려서, 라디칼로 화학적으로 반응하여 깎아내려고 하는 물질에 선택적으로 반응하여 제거하는 방식이다. 이 외에도 O2나 NF3등의 기체를 이용해 플라즈마를 발생시켜 공정 전후의 오염물들을 제거하는 용도의 클리닝 공정에서도 사용된다.
가전 제품
네온사인, PDP모니터, 형광등 등도 모두 플라즈마를 이용하는 제품이다. 플라즈마는 높은 에너지를 가지고 있기 때문에 주변의 산소와 반응해서 오존을 생성할 수 있으므로, 장시간 켜 놓을 경우 환기를 시키거나 오래 켜두지 않는것이 좋다. 다만 위에 나와 있는 가전제품들은 전부 플라즈마를 밀폐된 공간에 넣어 사용하는 것이므로 안전하다.
의학적 이용
플라즈마를 의학적으로 이용하려는 시도는 예전부터 있어왔다. 2006년경부터 현재까지, 플라즈마가 피부에 미치는 영향에 대해 꾸준한 연구가 진행되어 왔는데, 의외로 피부의 노화를 방지하는 효과가 있다고 한다. 현재까지 큰 부작용은 보고된 바가 없다고.
플라즈마 치료는 저에너지 플라즈마를 이용하는 방식과 고에너지 플라즈마를 이용하는 방식으로 나뉘는데, 저에너지 플라즈마를 사용하는 방식은 치료 효과가 더디지만 피부에 크게 무리를 주진 않는다. 고에너지의 경우는 치료 효과가 좋지만 피부 박리 현상, 발진, 일시적인 색소 침착 등이 발생할 수 있다.
아래는 관련 논문.
Evaluation of plasma skin regeneration technology in low-energy full-facial rejuvenation
Plasma Skin Regeneration Technology
하나 주의할 점으로 혈장(혈액의 성분)이 영어로 플라즈마다. 철자도 plasma로 똑같다. 허나 이 문서에서 이야기하는 플라즈마와는 전혀 무관한 것이니 의학에서 플라즈마란 단어가 나오면 주의하자.
미디어 매체
SF 장르에서는 의학적 용도보다는 미래 기술력이 도입된 무기로 더 많이 나온다. 특히 FPS 게임의 경우 플라즈마 건 같은 무기는 자주 볼 수 있다. 마치 레이저나 광선이 무기로 나오는 경우가 많은 것과 비슷한 개념이다. 드물지만 검을 비롯한 냉병기식 무기의 날이 플라즈마로 대체되는 작품도 존재한다.
유령이나 심령현상을 과학적으로 설명해 보려는 이들에게 제1원인으로 거론되는 현상이기도 하다. 그래서 그런지 대중문화 매체에서 눈앞에서 벌어지고 있는 심령현상을 플라즈마 때문이라고 우겨대는 인물을 자주 접할 수 있다. "모든 것은 플라즈마로 설명할 수 있다."가 이런 전형의 인물들이 자주 보이는 행동 양상이다. 그 대표격인 인물이 일본의 오오츠키 요시히코 교수. 일본 만화나 게임(카마이타치의 밤)에서 미스테리현상이나 밀실살인에 대해 "플라즈마 때문이야!"라고 하는 대사가 나오는데, 그런 대사들은 오오츠키 요시히코 교수를 패러디한 것이다. 大槻教授 이러한 이야기들 탓인지 진 여신전생 4에서는 마인으로 플라즈마가 등장한다.
When defining the various forms of matter, it is common to group them into distinct states such as: solid, liquid, or gas. However, there is another fundamental state of matter, called plasma, which can occur under certain conditions.
All matter is made from atoms, which are essentially the building blocks of everyday objects. Atoms are composed of protons (positively charged), electrons (negatively charged) and neutrons (not charged). Atoms combine to form molecules.
A typical gas atom contains an equal number of both positive and negative charges. Therefore, the positive charges in the nucleus are surrounded by an equal number of negatively charged electrons, and so each atom is electrically neutral. Plasma is formed when the addition of heat (or other energy) causes a number of atoms to release some or all of their electrons. The remaining parts of those atoms are left with a positive charge, and the detached negative electrons are free to move about. Those atoms and the resulting electrically charged gas are said to be "ionized." When enough atoms are ionized to significantly affect the electrical characteristics of the gas, it becomes plasma. Plasma responds to and generates electro-magnetic forces.
Let’s look at the molecule H2O, for example. It is comprised of two hydrogen atoms and one oxygen atom. The figure above depicts the four states of matter for H2O; ice is its solid form, water is its liquid form, and steam is its gas form. When heat energy is applied to the ice it simply changes state from a solid to a liquid, and when additional heat energy is applied the liquid changes state to a gas. Through the continued addition of heat energy to the steam, the subsequent gas molecules become electrically charged (ionized), which creates plasma. The term "PLASMA" was first applied to ionized gas in 1929 by Dr. Irving Langmuir, an American chemist and physicist.
Certain types of plasma occur in nature, such as the sun and other stars, static electricity, and lightning. There are other types of plasma, man-made ones, which are common in our daily lives, such as neon lights, fluorescent bulbs, and plasma televisions.