PLASMA 플라즈마

개요

PLASMA 플라스마에 대한 내용입니다. 우주 물질의 99%는 플라스마로 구성되어 있다고 하는 주장도 있습니다. 물질의 존재 형태는 기본적으로 고체, 액체, 기체의 3가지 형태로 이루어져 있습니다. 그렇지만 이 물질에 대하여 열이나 또는 다른 형태의 에너지를 충분히 가하게 되면 그 세 가지 상태가 아닌 다른 상태로 변하게 되는데 이를 플라즈마 상태라고 합니다. 흔히 플라즈마를 물질의 제4의 상태라고 표현하기도 합니다. 광활한 우주의 별들과 태양, 그리고 대기현상으로의 번개, 지구에서의 오오라 현상도 플라즈마라 할 수 있으며 모닥불이나 일반등불 또는 형광빛도 우리가 주변에서 접할 수 있는 플라즈마라고 합니다. 그러나 지구는 대기가 존재하기 때문에 일정한 기압이 반드시 작용하므로 플라즈마 상태로의 존재하기가 쉽지 않습니다. 일단 플라즈마 상태가 되면 빛을 발생시키고 전도성이 있는 상태가 됩니다. 플라즈마 상태에서는 이온, 전자, 라디칼등이 뒤섞여 있고 또 매우 반응성이 좋은 상태로 있습니다. 과학 기술 측면에서 이를 이용하여 LCD. PDF 등의 표면처리용으로 플라즈마를 사용하기도 하며 Ashing이나 Etching사용하는 등 플라즈마를 이용한 프로세스는 무궁무진하다고 할 수 있습니다.

내용

프라즈마 역사는 1750년대에 번개를 최초로 설명한 Benjamin Frankiln 이 Leyden 병을이용하여 실험한 결과 기상현상에서 발생하는 번개는 전기현상이 다라는 것을 밝혀냈습니다. 따라서 전기적 방전에서부터 플라즈마의 개념은 시작되었다고 봐야 할 것입니다. 따라서 전기현상인 번개의 피해로부터 예방하기 위해 피뢰침을 이라는 안전장치를 설치할 수 있었습니다. 전기의 형태는 음전기와 양전기로 나뉘어 지므로 음전기와 양전기등의 개념을 도입하여 번개를 피하기 위한 피뢰침을 고안하였습니다. 1898년대에는 William Crookes 가 기체가 전자와 양성이온으로 분리되는 것을 이온화라고 정의하였습니다. 그리고 1920년대에서는 Irving Langmuir는 플라스마를 정의하였습니다. 플라스마 경계면에 대해서 Sheath 개념을 도입자기장에서의 이온들의 역학에 관한 이론들이 나오면서 많은 발전이 이루어지게 되었습니다.

1940년대 후반에서는 2차 대전을 계기로 레이더가 개발되면서 축적된 기술로 Microwave를 이용한 플라스마개발 되었습니다. 1950년대 에는 미국등 선진국을 중심으로 핵융합에 대한 연구가 활발이 이루어짐 플라스마 물리학의 많은 발전을 가져오게 됩니다. 그리고 1970년대 이후에는 미세 전자회로 가공을 위해 플라스마를 이용하기 시작하였습니다. 이러한 기술로 식각 및 증착공정을 산업에 적용하면서 미세 공정이 가능해졌습니다. 플라스마라는 물리학 용어로 처음 사용한 사람은 미국의 물리학자 Langmuir입니다 랑뮈어는 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띤 양이온과 전자들의 집단을 플라스마라고 하고 그 물리적인 성질을 연구하는 것이 플라스마 물리학이 되었습니다. 지구상에 물질 중에서 가장 낮은 에너지 상태는 고체입니다. 이것이 열에너지등을 받아서 고체가 액체로 되고 그다음에는 물리적 원인으로 기체로 전이를 하게 됩니다. 기체에 더 큰 에너지를 받으면 상전이 와는 다른 이온화된 입자들, 즉 양과 음의 총 전하 수는 거의 같아서 전체적으로는 전기적인 중성을 띄는 플라즈마 상태로 변환하게 됩니다. 플라스마 상태는 그 밀도와 온도를 그 주 파라미터로 사용하며 이 두 가지 요소에 따라 우리 주변에서도 쉽게 찾아볼 수 있는 플라스마 상태들로 네온사인이나 형광등으로부터 시작하여 북극의 오로라, 태양의 상태, 핵융합로에서의 플라스마 상태 등 광범위하게 분류될 수가 있습니다. 공업적으로 이용이 활발한 플라스마는 저온 글로우 방전 플라스마로서 반도체 공정에서 플라스마 식각(Plasma Etch)및 증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등에서 이용되고 있으며, 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라스마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라스마 만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있습니다. 플라스마 속에는 전기적으로 중성인 원자들로만 이루어진 고온 기체와는 달리 서로 반대의 전하를 띤 입자들, 즉 전자와 원자핵이 뒤섞여 존재합니다. 따라서 전체적으로는 중성이지만 국부적으로 이온과 전자 사이의 전하 분리에 의해 전기장이, 전하의 흐름에 의해 전류와 자기장이 발생하게 됩니다. 전기장과 자기장은 보다 넓은 영역에 효력을 미치게 되어 매우 복잡하지만 활용성 또한 높은 물리적 현상이 나타나는 것입니다.

기타

대부분 물질이 고온의 가스 상태에서는 전기적으로 중성 원자들로 구성되어 지지만,플라스마 상태에서는 서로 상반된 전해 분자 전자(electrons)와 이온(ions)으로 구성됩니다. 이 플라즈마 상태에서 전자와 이온이 분리되면 전기장을 만들고  이들 전자와 이온이 이동하면서 전류와 자기장을 만들어 냅니다.지구상에서 플라즈마는 아주 미미하게 발생하지만 전 우주적으로 생각해 보면 전체 우주는 플라즈마 상태가 된다고 할 수도 있습니다. 예를 들어 태양과 대부분의 별들은 플라즈마로 구성되어 있다. 행성과 행성사이 은하계 공간과 지구의 이온층 또는 전리층이 대표적인 플라즈마의 예이다. 지구가 태양풍이라 불리는 플라즈마의 흐름을 지구의 자기장에 의해서 보호되는 형상을 나타내고 있습니다.오로라 현상등을 이해하면 좀더 쉽습니다.예를 들어서 차가운 얼음 조각을 전자 현미경으로 관찰해 보면 각각의 원자가 격자 모양으로 서로 단단히 고정되어 고체 상태가 됩니다. 여기에 약간의 에너지로 열을 가하거나 강한 빛을 쪼여 주게 되면 온도가 상승하고 원자는 격자 상태의 공간에서 움직이기 시작 합니다. 여기에 에너지를 좀더 가하게 되면 원자들의 움직임이 활발해지고 이때 고체 상태가 녹으면서 액체 상태로 됩니다. 이 상태에서 에너지를 더 가하면 원자들 사이가 멀어지면서 사방으로 움직이기 시작하고 액체 상태는 끓기 시작하여 기체 상태로 변환 합니다.

이렇게 3가지 상태 중에는 원자나 분자는 전기적으로 중성이 된다. 즉, 모든 원자는 같은 수의 + 전극(protons)과 -전극(electrons)을 가지고 있습니다.이 상태에서 좀더 에너지를 가하게 되면 일정 시점에서 빛을 발산하기 시작 합니다. 이때 물질은 더 이상 기체 상태가 아니고 플라즈마 상태로 변하게 되는 것입니다. 에너지는 중성 원자나 분자를 두개 이상의 전기적 전하 상태로 만들어 중성 원자 주의를 돌던 전자는 궤도를 벗어나 이탈하여 자유로운 상태가 됩니다.플라즈마가 없었다면 거대 현대 문명을 이룩하는데 이바지하는 IC 가 없었을 것이다. 미래의 플라즈마 응용분야는 값싼 전기에너지를 생산하는 핵융합 반응로나 우주선을 이동시키는 추진력 개발에 쓰일 수도 있으며 인공 태양등의 발전되어 가는 기술에 프라즈마 기술은 그만큼 발전해 나갈 분야 중에 하나입니다.

전해수 생성 원리