플라즈마(Plasma)
플라즈마(Plasma)는 이온화된 기체를 말하며, 고체, 액체, 기체에 이어 물질의 4번째 상태로, 원자 또는 분자로부터 전자가 분리되어 자유롭고, 이온 및 전자가 공존할 수 있도록 충분한 에너지를 가진 기체이다. 네 가지 기본적인 물질 상태 중 하나로, 자유 전하로 인해 플라즈마는 높은 전기전도도를 가지며, 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을 갖는다. 우주에 존재하는 물질의 99%이상이 플라즈마로 이루어져 있다. 플라즈마는 우주에서 가장 풍부하게 존재하는 보통 물질의 형태이다. 플라즈마는 온도와 밀도에 따라 특정 수의 중성 입자도 존재할 수 있는데, 이 경우를 플라즈마의 부분 이온화라고 한다. 네온 사인과 번개는 부분적으로 이온화된 플라즈마의 예이다.
그러나 모든 이온화된 기체를 무조건 플라즈마라고 하지는 않는다. 플라즈마는 이온화 된 기체 중 집단적인 움직임을 보이는 극성과 비극성 입자들로 이루어진 준중성(Quasi neutrality)의 기체를 특별히 부르는 말이다. 준중성이란 뜻은 전자의 밀도와 이온의 밀도가 거의 비슷하지만 모든 전자기력이 상쇄되지 않을 정도로 중성을 띈다는 말이다. 또 집단적인 움직임에는 외부의 전자기장에 따른 플라즈마 내부 입자들이 움직이면서 만드는 국소적인 전자기장에 따른 움직임도 포함된다. 물질의 다른 세 가지 상태 사이의 상전이와 달리 플라즈마로의 전이는 잘 정의되어 있지 않다. 주어진 이온화 정도가 물질을 '플라즈마'라고 부르기에 충분한지 여부는 고려 중인 특정 현상에 따라 다르다. 플라즈마의 어원은 고대 그리스어πλάσμα(plásma) "성형 가능한 물질"에서 유래되었다. 플라즈마는윌리엄 크룩스에 의해 1879년에 방전관에서 처음으로 확인되었고, 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨은 1897년에 크룩스 관(Crookes tube)으로 음극선에 대하여 연구하였고, 1928년 어빙 랭뮤어는 "플라스마"라는 용어를 처음으로 사용하였다. 플라즈마는 중성 가스를 가열하거나 강한 전자기장에 노출시킴으로써 인공적으로 만들 수 있고, 하전 입자의 존재는 개별 입자의 동역학 및 집단 전자기장에 의해 지배되고 외부에서 인가된 필드에 매우 민감한 거시적 플라즈마 운동으로 플라즈마를 전기 전도성으로 만든다. 전자기장에 대한 플라즈마의 반응은 플라즈마 텔레비전(PDP TV)이나 반도체 공정이 하나인 식각 공정과 같은 많은 최신 장치 및 기술에서 사용된다.
우주의 99.99%는 플라즈마 상태
우주의 거의 모든 물질은 플라즈마 상태로 이뤄져 있다. 우주에 흩어진 수많은 별과 그들 사이를 채우는 성운, 블랙홀, 희박하긴 하지만 우주 공간의 입자가 모두 플라즈마 상태다. 태양계에서는 태양 자체가 거대한 플라즈마 덩어리다. 우리의 태양은 내부 온도가 1500만K으로 올라가 태양을 구성하는 수소와 헬륨 분자에서 전자를 떼어내고 본질적으로 플라즈마 상태로 존재한다. 초고온의 플라즈마는 태양 표면에서 고리나 불꽃 형태로 폭발하듯 뿜어져 나온다. 우리가 홍염, 플레어라고 부르는 것이다. 재밌는 사실은 플레어가 발생하는 태양 대기가 태양의 표면보다 온도가 높다는 점이다. 태양 표면의 플라즈마 온도가 6000K인데 그 상층 대기라고 할 수 있는 코로나의 플라즈마 온도는 100만~200만 K에 이른다. 그 원인은 아직 분명하게 밝혀지지 않았지만 연구에 의하면 태양 내부에서 방출되는 에너지가 광구를 뚫고 태양의 자기력선을 따라 나와 대기를 달구기 때문이라고 추측이 된다.
오로라는 플라즈마가 원인
오로라는 지구 자기권에 존재하는 플라즈마가 태양풍(태양에서 나오는 여러 종류의 입자들)의 에너지를 전달받아 가속된 뒤, 자기장을 따라 지구로 이동하는 과정에서 대기 입자와 충돌해 빛을 내는 현상이다. 지상에서 보면 높은 구름이 빛을 내는 것처럼 보이지만, 실제로는 고도 100km 이상의 대기권 밖에서 일어나고 있다. 이런 플라스마 입자들은 평상시에도 엷은 띠 형태로 북극과 남극 주위를 둘러싸고 있다. 그러다 태양풍의 속도가 빨라지면(지구에 전달되는 에너지가 강해지면) 극지역에서 적도 지역으로 이동하며 아름다운 빛 자태를 뽐낸다.
플라즈마의 응용
플라즈마는 반도체를 만드는 식각 공정에서 이용되고 있으며 핵융합기술에도 이용 응용되고 있다. KSTAR는 미래 청정에너지인 핵융합 에너지 상용화에 필수적인 초고온 플라스마를 300초 이상 유지하기 위한 조건을 연구하기 위해 지난 2007년 건설된 우리나라의 대표적인 연구시설이다. 핵융합 발전은 1억 K 이상의 플라즈마를 핵 융합로에 가두고 핵융합 과정을 거쳐 전기를 생산하는 발전 방식이다. 플라즈마를 이용해 미래의 에너지 해결을 연구하고 있는 것이다.
또 플라스마가 생활 속 문제 해결의 열쇠로 인정받은 최근 사례로는 자동차 배기관에서 발생하는 미세먼지를 플라스마로 95% 정도 줄일 수 있다는 연구 결과를 꼽을 수 있다. 한국기계연구원은 현재 ‘오염물질 연소 플라스마 버너’를 개발 중에 있는데, 이 버너를 자동차 배기관에 장착하면 미세먼지 발생량을 95% 이상 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 플라즈마에 포함된 하전 입자가 공기 중의 미세 먼지를 붙잡아 두는 현상을 이용해 공기 청정기나 세균과 바이러스의 제거에도 이용된다.
우주 항공분야에서는 플라즈마를 이용한 로켓엔진 개발을 하고 있는 중이다. 지금의 로켓 엔진은 화학 연료를 이용하여 추진하기 때문에 속도가 느리고, 소비하는 연료양이 많기 때문에 우주의 먼 곳까지 여행하는 것은 불가능하다. 그러나 플라즈마 엔진이 개발된다면 지금보다 훨씬 빠른 속도로 로켓을 날아가게 할 수 있고, 화성까지도 1달 남짓 이면 갈 수 있게 된다. 플라즈마의 활용은 여러 방면에서 이루어지고 있으며 앞으로 많은 연구가 진행될수록 우리 생활에 많은 영향을 끼칠 것임이 틀림없다.
플라즈마는 제1차 세계 대전 이후 수십 년 동안 핵융합 연구에서 중요한 역할을 해왔다. 핵융합은 태양과 같은 항성에서 발생하는 에너지 원천이기도 하다.
플라즈마는 사이언스와 엔지니어링 분야에서 폭넓게 연구되고 있으며, 플라즈마의 성질과 특징은 여러 분야에서 응용되고 있다.
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