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제 4의 물질 상태 플라즈마

우리가 흔히 생각하는 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 3가지이다. 그러나 일반적인 이 3가지 상태와 다른 제 4의 상태도 존재하는데, 그것이 바로 플라즈마이다. 플라즈마는 간단히 말해 이온화된 기체로, 디바이 차폐(Debye Sheath)를 만족한다. 디바이 차폐는 고밀도의 양이온으로 응축된 플라즈마 층으로 전반적으로 높은 양전하를 가지며 접촉하고 있는 물체 표면에서 반대 극성을 띠는 음전하로 균형을 이룬다. 플라즈마 상태에서는 원자핵과 자유전자가 따로따로 떠돌아다닌다.

플라즈마 램프 속 플라즈마의 모습
물질이 플라즈마 상태에 도달하는 과정

우리가 흔히 볼 수 있는 고체, 액체, 기체의 형태가 아닌 플라즈마는 어떤 경우에 볼 수 있는 것일까? 플라즈마는 방전의 과정에서 생성된다. 여기서 방전은 기체 등 절연체가 강한 전기장 하에서 절연성을 상실하고 전류가 그 속을 흐르는 현상을 말한다. 위에서도 언급한 바와 같이 플라즈마는 이온화된 기체로, 주로 기체 방전 과정에서 만들어지게 된다. 방전의 과정에서는 전자, 이온, 중성입자가 생성되는데, 이들의 혼합체를 바로 플라즈마라고 부른다. 조금 더 자세하게 알아보자. 우선 물질의 온도를 올리게 되면 물질은 고체에서 액체를 거쳐 기체로 변한다. 기체 상태에서 더 많은 열을 가해주어 물질의 온도가 약 수천 도(°C)에 이르게 되면 기체 분자의 해리가 시작된다. 처음에는 원자들끼리 분리되는 해리가 일어나고, 온도가 더 높아지면 아예 전자와 양전하의 이온으로 전리된다. 이렇게 전자와 이온으로 분리된 기체를 플라즈마라고 한다. 언뜻 보면 플라즈마가 똑같이 양이온과 자유전자로 이루어진 도체와 비슷해 보일 수 있지만, 플라즈마는 도체와 달리 양이온도 움직인다는 점에서 차이가 있다. 플라즈마는 전자와 양이온이 분리된 상태지만 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띤다. 그렇지만 플라즈마는 일반적인 중성 기체와는 전기적으로 성격이 다르기에 따로 구분하여 ‘제 4의 물질 상태’라고 부른다.


플라즈마가 만들어지는 과정

플라즈마와 다른 물질 상태의 비교
준중성 상태와 쉬스(Sheath)

일반적으로 플라즈마는 준중성(Quasineutral) 상태에 있다. 준중성 상태란 무엇일까? 플라즈마가 무엇인지 더 자세하게 알아보기 위해서는 우선 준중성 상태에 대한 이해가 필요하다. 준중성 상태는 전자와 이온의 수가 거의 같은 상태를 말한다. 일반적인 플라즈마가 준중성 상태에 있는 이유는 이해가 잘 될 것이다. 위에서도 언급했듯 플라즈마는 전자와 양이온이 분리된 상태지만 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠기 때문이다. 그렇다면 준중성 상태가 가지는 의미는 무엇일까? 준중성 상태에서는 전하를 띠는 입자들의 분포에 의해 자체적으로 생성되는 전기장이 작게 된다. 그래서 전기장에 의한 퍼텐셜 에너지보다 입자들의 운동 에너지가 더 큰 상태가 된다. 여기서도 도체와의 차이점이 또 한번 드러나게 되는데, 이는 바로 도체는 플라즈마와 달리 자유전자가 운동에너지보다 훨씬 큰 퍼텐셜 에너지에 의해 구속된다는 것이다. 다시 본론으로 넘어가서, 플라즈마는 준중성 상태에서 이러한 성질을 가지지만, 플라즈마가 경계면을 만나는 순간 질량이 무거운 이온에 비해 확산이 잘 되고 전기장 하에서도 쉽게 움직이는 전자가 이동하여 준중성 상태는 깨진다. 그래서 이를 방지해주는 장치가 플라즈마에서 자동적으로 만들어지는데, 이를 쉬스(Sheath)라고 한다. 쉬스는 플라즈마의 경계면 근처에서 생성된다. 쉬스가 준중성 상태를 유지하는 원리는 쉬스 내의 충분히 많은 이온이 전기장을 생성해 전자의 이동을 방해하고 이온의 이동은 원활하게 해서 빠져나가는 전자와 이온의 양을 똑같이 하는 원리다. 이렇게 되면 플라즈마는 준중성 상태를 계속 유지할 수 있다.


플라즈마와 쉬스의 전기적 구성
디바이 차폐(Debye Shielding)

플라즈마의 또 다른 특징은 외부에서 걸어준 전위를 차폐시킨다는 것이다. 이 현상을 디바이 차폐(Debye Shielding) 혹은 정전 차폐라고 한다. 이는 고밀도의 양이온으로 응축된 플라즈마 층에 의해 일어나는 현상으로, 높은 양전하를 가지며, 접촉하고 있는 물체 표면에서 반대 극성을 띠는 음전하로 균형을 이룬다. 일반적으로 플라즈마의 온도가 낮은 경우에는 열에 의한 입자의 충돌이 없어 전기장을 거의 완벽히 상쇄시킬 수 있다. 그러나 온도가 높다면 열에 의한 입자의 충돌로 인해 차폐가 완벽하게 일어나지는 않는다. 디바이 차폐에서 고밀도의 양이온으로 응축된 플라즈마 층의 두께를 디바이 길이라고 하는데, 이는 외부에서 얻은 퍼텐셜 에너지가 전자에 의해 1/e 감소하는 거리와도 같다. 디바이 길이는 전자의 밀도와 온도 등 플라즈마의 다양한 특성에 의해서 결정된다. 플라즈마와 다른 물체의 표면이 상호작용할 때 전자는 플라즈마를 벗어나 중성인 물체를 대전시키는데 여기서 전자의 영향력이 미치는 구간 또한 디바이 길이로 나타난다. 균형 상태는 플라즈마와 접촉한 물체의 퍼텐셜 에너지 차이가 전자 온도의 배수일 때 유지된다. 여기까지의 내용을 통해 디바이 차폐가 일어나기 위해서는 플라즈마가 한 두 입자에서 일어나는 것이 아니라 집단적으로 일어나야 한다는 것을 알 수 있다. 이는 플라즈마의 중요한 특성 중 하나이다. 충분히 많은 양의 기체에서 이온화가 일어나고 집단적인 움직임을 보일 때 비로소 그것을 플라즈마라고 할 수 있는 것이다. 여기서 집단적인 움직임에는 외부의 전자기장에 따른 플라즈마 입자의 운동뿐만 아니라 내부 입자들이 움직이면서 만드는 작은 크기의 전자기장에 따른 입자의 운동도 포함이 된다.


디바이 차폐
플라즈마에 대한 연구

플라즈마에 대한 연구는 19세기부터 이어져 왔다. 1879년 윌리엄 크룩스가 방전관에서 플라즈마를 처음으로 확인하였다. 당시 그는 이를 발광 물질이라고 불렀다. 이후 1897년 조지프 존 톰슨이 크룩스 관으로 음극선에 대한 연구를 하였다. 그리고 시간이 흘러 1928년 어빙 랭뮤어가 플라즈마라는 용어를 최초로 정의했는데, 그는 플라즈마라는 이름은 이온과 전자의 전하량이 균형을 이룬 영역을 묘사하기 위해 사용될 수 있다고 했다. 플라즈마에 대한 연구는 지금까지도 이어져 오고 있는데, 그렇다면 플라즈마를 연구할 수 있는 방법에는 무엇이 있을까? 먼저 전통적인 방법으로는 실험을 통한 진단과 이론을 이용한 원리 탐구를 할 수 있다. 그러나 오늘날에는 컴퓨터 기술의 발전으로 컴퓨터 시뮬레이션 기술이 이러한 전통적인 방법을 보조할 수 있게 되었다. 컴퓨터 시뮬레이션 기술은 뉴턴의 운동 방정식과 로렌츠 힘을 기반으로 한다. 시뮬레이션에서는 각 플라즈마 입자들의 위치와 속도를 파악해 전기장과 자기장을 계산한다. 컴퓨터 시뮬레이션 기술은 최신 기술임에도 한계가 존재하는데, 플라즈마 내에 존재하는 입자의 수는 너무 많기에 모두 일일이 계산하기가 어렵다는 점이다. 이를 극복하기 위해 동적 시뮬레이션과 유체 시뮬레이션 등을 이용할 수 있다.


플라즈마 연구 방법

 

이규진 | Physics & Earth Science | 지식더하기


참고자료

[1] https://ko.wikipedia.org/

[2] H. J. Lee, “Plasma, the First State of the Universe,” Vacuum Magazine, vol. 1, no. 2. The Korean Vacuum Society

[3] http://plasma.kisti.re.kr/

첨부한 이미지 출처

[1] https://ko.wikipedia.org/

[2] http://plasma.kisti.re.kr/

[3] http://www.plasmacleaner.co.kr/

[4] https://www.koreascience.or.kr/

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