플라즈마의 개요(정의 및 생성)

플라즈마라는 단어의 정확한 어원은 그리스어의 plassein(성형하다)에서 유래한 것으로 틀로 만들어진 것, 혹은 조립된 것이 라는 뜻이다. 먼저 의학계통에서 plasma가 사용되는데, 혈장 혹은 림프액이라는 의미이고, 물리학에서 plasma가 처음 사용한 것은 1928년 미국의 GE사에서 연구원으로 일하던 I. Langmuir에 의해서 시작하였다. 기체의 방전 현상을 연구하던 중에 방전하는 기체 속에서 높은 주파수로 독특한 진동을 측정하게 되었고, 이를 플라즈마 진동이라 명명하였다. 또한, plastic도 역시 성형하다라는 말에서 변형된 plastikos(형태를 만들 수 있는 것)에서 유래하였다. 플라즈마는 전기적인 방전에 의해 발생하는 전하를 가진 양이온과 전자들의 집단을 의미한다. 물질의 에너지 상태 중에서 플라즈마는 가장 높은 에너지 상태이다. 고체는 열을 받으면 액체로 바뀌고, 계속을 열에너지를 받게 되면 기체로 상전이를 일으키게 된다. 이후, 더 많은 에너지를 받으면 이온화된 입자 상태로 전환되는데, 양과 음의 총 전하수는 같고 전체의 전기적인 성질의 중성인 플라즈마 상태로 변환하게 된다. 열 에너지의 증가에 따른 물질의 상태 변이를 나타내고 있다. 플라즈마는 주변 환경에서도 쉽게 찾아볼 수 있는데, 번개가 칠 때나 극지방의 오로라, 또는 태양도 바로 플라즈마 덩어리이다. 또한, 우주 전체 물질의 99.9% 이상은 전리된 플라즈마 상태라고 추정하고 있다. 이외에 일반 가정에서 조명으로 사용하는 형광등이나 밤거리에서 흔히 보는 네온사인 등도 플라즈마 현상이다. Plasma의 정의에 대해서 알아보자. 플라즈마 기체가 전자와 원자핵으로 분리되면서 기체가 이온화된 상태를 의미하는 것으로서, 플라즈마는 물질의 3가지 상태인 고체, 액체 및 기체에 이어 이온화된 기체로 제4의 물질 상태라고 부르기도 한다. 이와 같이 플라즈마를 정식으로 명명하기 이전인 1879년 Crooks는 제 4의 물질 상태가 존재하고 있음을 확인하였고, 사실 최초로 플라즈마 발생을 수행한 사람은 1835년 Faraday에 의한 방전 실험을 통한 것이었다. 기체 분자나 원자에 에너지를 가하면 최외각 전자가 궤도를 벗어나 자유전자가 되고, 기체 원자나 분자는 양전하를 띄게 되는데, 이러한 양이온과 전자가 혼재한 전체는 전기적으로 중성을 나타낸다. 이때 혼합된 입자들의 상호작용에 의해 독특한 빛을 방출하며, 활발한 입자들의 운동 때문에 높은 반응성을 갖게 된다. 이러한 플라즈마는 엄밀히 분자, 원자, 전자, 이온 및 양자 등으로 이루어지며, 쉽게 말하자면 플라즈마는 고체보다 높은 밀도로 압축할 수도 있으며, 기체와 같은 낮은 압력에서도 존재할 수 있는 물질이다. 운동성은 고체 < 액체 < 기체 < 플라즈마 순으로 좋지만, 반대로 결합력은 고체가 가장 강하다. 방전이란 기체 등의 절연체에 강한 전기장을 걸어주면 물질이 절연성을 상실하고 전류가 흐르는 현상을 말하며, 방전의 종류에는 진공방전, 기체방전, 액체방전 및 고체방전으로 나눈다. 이러한 방전과정을 통하여 생성된 전자, 이온 및 중성 입자들이 혼합된 상태를 플라즈마라고 한다. Plasma 생성에 대해서 알아보자. 플라즈마가 생성되기 위해서는 전자가 강한 전기장에서 에너지를 얻어 중성입자와 충돌함으로써 전자를 이탈시켜 자유전자와 양이온을 만드는 이온화 과정으로 일어난다. 이와 같이 플라즈마가 형성되는 과정 이외에 만일 전자가 약한 운동 에너지를 갖고 원자나 분자와 충돌하게 되면, 아무런 변화를 만들지 못하고 반발하게 된다. 또한, 가속된 전자가 원자와 충돌하더라도 이온화하기에 충분히 에너지를 원자에 전달하여 최외각 전자를 여기 시켜 보다 높은 에너지 준위로 올라가게 하기도 한다. 플라즈마 내에 존재하는 전자, 이온, 중성 원자들은 일정한 에너지 분포를 갖고 존재하며, 이들 사이에는 여러 종류의 충돌이 발생한다. 플라즈마 생성에서 충돌은 매우 중요한 의미를 가지며, 충돌을 통하여 입자들은 에너지를 서로 주고받게 된다. 이러한 충돌은 전자 에너지와 가스 압력에 비례하게 된다. 플라즈마의 충돌원리는 탄성충돌과 비탄성 충돌이 있는데 탄성충돌은 기체 원자의 온도를 높여 열을 만들게 되고, 비탄성충돌에서는 원자의 여기나 전리가 일어나게 된다. 탄성충돌을 보다 구체적으로 기술해 보면, 두 입자가 충돌 전후로 가지고 있던 에너지를 다른 에너지로 소모하지 않고, 그대로 보전하는 것을 의미하며, 충돌로 인하여 한 입자에서 다른 입자로 에너지가 전달될 수도 있다. 기체 방전중에 중요한 탄성충돌은 전자와 기체 원자 사이의 충돌로서, 단지 1회의 충돌에 의한 에너지는 매우 작지만, 초당 수십억 번의 충돌이 발생하기 때문에 전자로부터 전달되어 누적되는 에너지의 양은 커지게 된다. 높은 운동 에너지를 가진 전자는 비탄성충돌로 인해 중성원자를 여기 시킬 수 있으며, 중성원자는 전자로부터 에너지를 받아 기저상태에서 여기 하여 상태를 바꿀 수 있다. 또한, 매우 높은 운동 에너지를 가진 전자가 중성원자와의 충돌로 인하여 강하게 구속되어 있는 최외각전자가 완전히 분리하면서 양이온과 전자로 이온화하는 과정이 발생할 수 있다. 플라즈마가 생성되는 이유를 이해하기 위해서는 기체 내에서의 절연 파괴에 대해 공부할 필요가 있다. 기체 상태에 있는 중성의 분자군에서 이온화 과정으로 플라즈마를 만드는 방법은 에너지 주입에 의해 전계를 형성하는 것이다.