플라즈마의 물성 및 종류에 대해서 알아보자.

Plasma의 물성 플라즈마를 쉽게 표현하면 이온화된 기체를 지칭하며, 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. 전기전도도는 고체와 달리 온도가 올라가면 비례하여 증가하고, 전자 온도를 상승할 경우에 구리의 전도도에 가까운 값까지 상승한다. (2) 자기적 특성 플라즈마 상태에 있는 전자와 이온들은 외부에서 자계를 걸어주면, 자계 방향에 직각으로 원운동을 하며, 이러한 성질을 이용하여 플ㄹ라즈마가 고밀도화하면 전기저항이 낮아지며, 전압을 증가시키지 않더라도 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 기체의 종류에 따라 플라즈마 내에서 고체 표면상에서 화학반응을 일으킬 수 있으며, 열적으로 비형평 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 이온드르이 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 알아보자. 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 이동시키는 데 필요한 에너지를 계산하여 정리해보면, 즉 외부에서 해당하는 에너지를 가해주며, 원자핵에 의해 속박되어 있던 전자를 이탈시킬 수 있다는 의미이며, 외부에서 13.6eV를 걸어주면, 수소 원자의 이온화 에너지라는 뜻이다. 수소 원자 이외에 원자에 대해서도 이온화 에너지를 구할 수 있으며, 주기율표의 원자에 대한 이온화 에너지를 나타내고 있다. 각 원자들의 이온화 에너지는 주기율표에 해당하는 위치에 따라 성질이 유사하다는 것을 알 수 있으며, 불활성의 기체에 해당하는 원자들은 최외각에 전자가 가득 찬 상태이고, 결합력이 강하기 때문에 이온화 에너지가 크다. 밙면에 최외각에 전자가 하나일 경우는 비교적 쉽게 이온화 할 수 있다. 실제 플라즈마를 이용한 디스플레이에서는 He, Ne, Ar, Xe 기체를 주로 사용하게 된다. 여러 원자들의 이온화 에너지를 전자볼트의 단위로 나타낼 수 있다. 플라즈마의 조류는 중성 입자들에 의해 구성된 기체 내에서의 플라즈마 생성과정은 여러가지 방법으로 만들 수 있으며, 플라즈마 상태를 만들기 위해서는 중성 입자로부터 전자를 분리하기 위해 많은 에너지를 필요로 하고, 이와 같은 에너지로는 열, 전기, 빛 등이 이용된다. 이제 플라즈마의 생성방법에 따른 종류에 대해 기술하도록 한다. (1) 직류 방전 플라즈마 외부에서 DC 전압을 인가하여 플라즈마를 생성하는 방식으로 비교적 낮은 온도에서 플라즈마를 만든다. 대기압 정도에서 응용하는 직류 방전 플라즈마로는 전기용접 및 가공 등이 있다. (2) 교류 방전 플라즈마 전극에 상용 주파수 정도의 교류 전압을 가하여 플라즈마 내에서 전류의 방향을 반주기마다 바꾸는 과정으로 플라즈마를 유지하게 된다. 직류 이외에 간단한 플라즈마 생성방식으로 전기용접에 주로 응용하며, 저온의 플라즈마로 형광등이나 네온사인 등의 조명에 널리 사용하고, 고온 화학반응용 열원으로 사용되기도 한다. (3) 고주파 방전 플라지마 수 MHz 정도의 고주파 전원을 인가하면, 기체 내에는 고주파 전계를 만들 수 있으며, 이러한 전계는 기체를 충분히 절연 파괴하여 플라즈마를 형성한다. 전극을 이용하지 않고 플라즈마를 생성할 수 있기 때문에 화학 반응용 플라즈마 형성이나 식각 및 열원 등으로 주로 응용된다. (4) 펄스 방전 플라즈마 펄스 전압을 이용하여 순간적으로 빠른 전원을 가하여 플라즈마를 생성할 수 있으며, 빠르게 발생하는 자연 현상인 번개도 여기에 속한다. 전기 분야에 전기 차단기, 개폐기를 비롯하여 전력 산업 분야에 많이 응용된다. 이와 같은 펄스 방전 플라즈마는 고밀도 에너지를 집중 할 수 있기 때문에 고온 플라즈마를 형성하는 데 사용한다. (5) 레이저나 입자 빔에 의한 플라즈마 대출력 레이저를 이용하여 수 nsec. 이하의 짧은 시간에 레이저 빔을 집중시켜 플라즈마를 생성할 수 있고, 강한 전계에 의해 기체, 액체 및 고체에서도 순간적으로 절연 파괴하여 플라즈마를 만들 수 있다. 이러한 플라즈마 형성은 관성 핵융합의 연구에도 응용하고 있다. 이외에 대출력의 전자나 이온빔을 기체, 액체 및 고체에 집중시키는 빔 에너지를 이용하여 플라즈마를 생성하기도 하며, 이러한 기술은 용해하기 어려운 물질을 용해하기 위해 응용된다.