Plasma의 생성원리와 방전의 종류 및 물성에 대해서 알아보자

일반적으로 절연체인 기체가 플라즈마 상태에서는 도체화하여 절연체라기보다는 도체로서 역할을 수행하게 되는데, 이를 절연 파괴라고 한다. 절연 파괴 과정은 진공 용기 내에 가스를 주입하고 적절한 압력을 유지하며 외부에서 회로를 통하여 전압을 인가한다. 음극과 양극 사이의 공간에는 중성 입자뿐만 아니라, 소량의 전자와 이온이 포함되어 있으며, 이러한 하전 입자는 전계의 영향으로 가속되어 중성 입자와 충돌하여 이온화를 촉진할 것이다. 이러한 과정에서는 전자는 이온보다 질량이 가벼워 빠르게 가속되기 때문에 전자에 의한 이온화는 매우 중요할 것이다. 이와 같은 이온화 과정의 증식은 총입자 밀도에 따른 하전입자 밀도의 비율을 의미하는 이온화도를 즐강시킬 것이고, 마침내 절연 파괴에 이를 것이다. 전자를 가속하는 전계가 커지면, 전자의 에너지도 커지므로 이온화도 활발해질 것이다. 하전 입자인 전자와 이온은 자유로이 이동하며 전체로 보면 전기적으로 중성이다. 전압을 인가하기 시작하면, 미소량의 전자들이 양극으로 이동하여 매우 작은 양의 전류가 흐른다. 전압을 상승시키면, 특정 전압 이상에서 씨앗 전자들이 충분한 에너지를 얻어 가속되어 방전 기체 내에서 이온화가 진행하기 시작한다. 이러한 이온화에 의한 추가적인 전자와 이온들이 형성되고, 전류는 더욱 증가한다. 생성된 전자들은 인가한 전기장에서 에너지를 얻어 양극으로 진행하고 양이온들은 음극에서 부딪혀 이차전자를 방출시킨다. 전압을 더욱 올리게 되면, 양이온들도 충분한 에너지를 얻어 이온화를 시킬 수 있다. 즉, 이러한 이온화 과정은 초기에 전자가 주도적으로 이온화를 일으키는 단계와 전자 및 이온이 동시에 이온화를 주도하는 두 가지 단계로 나누며, 후자가 타운젠트 방전이다. 플라즈마는 생성하는 측면에서 3가지 영역으로 나누어지는데 바로 dark discharge(암방전), glow discharge(글로우 방전) 및 arc discharge(아크 방전)이다. 암방전은 플라즈마의 시작 단계로서, 특유의 빛은 생성되지 않으며, 이는 공간 내에서 아직 영향을 받지 못했기 때문이다. 글로우 방전에서는 전압이 전류와 무관하게 일정한 값을 유지하며, 방전은 음극 전체 면적 중에 일부만을 덮어 전류가 증가함에 따라 방전에 의한 면적이 증가하고 전류밀도는 일정하다. 그러나 전류가 점차 더 증가하면 음극의 전체가 방전에 연관하여 빛을 발하게 되고, 이상 글로우 방전영역으로 넘어가면서 전압도 다시 증가하게 된다. 아크 방전은 플라즈마가 계속해서 발생한 관계로 인해 벽 근처에 막처럼 둘러싸이고 여기에서 열이 발생하여 열전자가 방출되고 이온화에 더욱 많이 일어난다. 여기서 열전자는 상당히 중요하며, 이러한 효과로 인하여 전압은 다시 줄어든다. Plasma 물성에 대해서 알아보자. 플라즈마를 쉽게 표현하면 이온화된 기체를 지칭하며, 이미 기술하였듯이 일반적인 기체와는 상당히 다른 독특한 성질을 갖기 때문에 물질 중에 제4의 상태라고 한다. 플라즈마는 열적으로 매우 고온이며, 화학적으로 매우 활성이 강한 라디칼로 구성되고, 전기적으로 보통 기체와는 다르다. 이제 플라즈마의 전기적, 화학적, 물리적, 자기적 및 열적 특성에 대해 기술한다. (1) 전기적 특성 플라즈마는 전체적으로 중성이지만, 이온과 전자가 많이 존재하여 외부에서 전기장을 가해주면 전류가 흐르는 성질을 가진다. 전자 온도를 상승할 경우에 구리의 전도도에 가까운 값까지 상승한다. (2) 자기적 특성 플라즈마 상태에 있는 전자와 이온들은 외부에서 자계를 걸어주면, 자계방향에 직각으로 원운동을 하며, 이러한 성질을 이용하여 플라즈마를 한 곳에 제한하거나 밀도를 집중시킬 수 있다. 플라즈마가 고밀도화하면 전기저항이 낮아져 전압을 증가시키지 않더라고 고밀도의 플라즈마를 만들 수 있다. (3) 물리적 특성 전자와 이온의 질량 차이는 아주 크며, 각 입자의 운동속도로 아주 큰 차이를 나타낸다. (4) 화학적 특성 플라즈마 내의 전자는 활발한 열운동을 통하여 기체 원자나 분자를 여기 ,해리 전리시킬 수 있기 때문에 사용하는 기체의 종류에 따라 플라즈마 내에서 고체 표면상에서 화학반응을 일으킬 수 있으며, 열적으로 비평형 상태에서 일어날 수 있는 초고온 화학 반응이나 이온과 전자가 반응에 참여하여 일반적인 방법으로 얻기 힘든 공정 방법을 실현할 수 있다. (5) 열적 특성 플라즈마는 내부에서의 전자나 이온들의 활발한 열운동 에너지를 비롯하여 여기, 해리 및 전리에 의한 에너지의 형태로 에너지를 축적할 수 있다. 온도가 높아질수록 내부 에너지가 증가하며 고온 플라즈마는 열원으로 사용할 수 있으므로 고온재료의 가공이나 분출을 통해 추진력을 얻을 수 있다. 이온화 에너지에 대해서 살펴보자. 플라즈마 상태를 만들기 위해서는 중성원자나 분자로부터 속박된 전자를 떼어내 이온화하여야 하고, 이와 같이 기체 상태의 원자나 분자에서 전자를 제거하는 데 필요한 에너지를 이온화 에너지라고 한다. N.Bohr의 가설을 기초로 이온화 에너지를 구하기 위해 원자핵에 구속되어 있는 전자를 무한의 거리로 이동시키는데 필요한 에너지를 계산할 수가 있다. 수소 원자 이외에 원자에 대해서도 알아보면, 이온화 에너지를 구할 수 있으며, 주기율표의 원자에 대한 이온화 에너지를 나타내고 있다. 원자들의 이온화 에너지는 주기율표에 해당하는 위치에 따라 성질이 유사하다는 것을 알 수 있으며 불활성의 기체에 해당하는 원자들은 최외곽에 전자가 가득 찬 상태이고, 결합력이 강하기 때문에 이온화 에너지가 크다.