우리는 흔히 물질에는 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태가 있다고 배워 왔다. 온도가 낮아지면 물이 얼어서 얼음이 되고, 반대로 온도가 높아지면 수증기로 변하듯이, 모든 물질들은 반드시 이러한 3가지 상태 중 하나로만 존재한다고 생각한다.
그러나 이런 3가지 상태가 아닌 다른 상태가 하나 있으니, 제 4의 물질상태라 일컬어지는 플라즈마(Plasma)가 바로 그것이다.
플라즈마(plasma)란 매우 높은 온도 등에서 이온이나 전자, 양성자와 같이 전하를 띤 입자들이 기체처럼 섞여있는 상태를 말하며, 중성의 원자나 분자들로만 이루어진 보통의 기체와는 전혀 다른 성질을 지닌다.
플라스마는 물질의 상태로 볼 때 고체, 액체, 기체에 이은 제4의 상태라고 정의된다.
플라스마는 전자가 원자로부터 제거된 자유 전자들의 혼합체와 이를 통해 생성된 이온들이 공존하게 될 때 형성된다.
플라스마는 여러 별에서 관측되는데, 실제로 우주에서 가장 흔하게 존재하는 물질상이다.
하지만 플라스마는 태양으로부터 뿜어져 나와 자기권과 충돌하는 태양풍에서도 찾을 수 있다.
일부 플라스마 복사 에너지는 전리권에 도달하기도 한다. 번개 역시 플라스마의 한 형태이다.
아크등의 방전 현상에 관해 연구하던 미국의 물리화학자 랭뮤어 (Irving Langmuir; 1881∼1957)가 1928년에 처음으로 이 용어와 개념을 도입한 바 있다.
플라즈마는 기체의 특별한 상태로 볼 수도 있으므로 네 가지의 물질 상태 중에서 질량이 가장 적을 것이라고 생각하기 쉬우나, 실상은 정 반대이다.
태양계 총 질량의 99% 이상을 차지하는 태양이 플라즈마로 구성되어있을 뿐만 아니라, 우주 전체를 놓고 보면 우리에게 익숙한 기체, 액체, 고체 상태는 모두 합쳐도 0.01%도 되지 않는 셈이다.
123456789 수
123456789=1×2^8×5^8+2×2^7×5^7+3×2^6×5^6+4×2^5×5^5+5×2^4×5^4+6×2^3×5^3+7×2^2×5^2+8×2×5+9
1×2^8×5^8×2×2^7×5^7×3×2^6×5^6×4×2^5×5^5×5×2^4×5^4×6×2^3×5^3×7×2^2×5^2×8×2×5×9=
3.6288×10^41
플라스마의 성질
일반적으로 플라스마에는 고속으로 운동하는 여러 가지 질량과 전하가 다른 입자가 혼합되어 있다.
물질로서 플라스마의 기본 성질은 대개 플라스마를 구성하는 물질의 화학적인 성분과는 무관하여 에너지 보존법칙, 운동량 보존법칙과 전자의 움직임에 의해 결정된다.
수많은 입자 사이에 작용하는 복잡한 반응을 연구하기 위해서는 통계적인 방법이 필요하다.
플라스마에서 입자의 평균적인 운동 에너지 값은 볼츠만 상수와 온도를 곱한 값의 1.5배, 즉 3/2kT가 된다.
플라스마를 분류할 때는 전자수 밀도(ne), 전자의 온도(Te), 이온화도(즉 이온화된 플라스마의 비율)를 사용한다.
플라스마에 사용하는 중요한 변수로는 화학자인 피터 W. 드베이어와 월터 K. F. 휘켈이 1923년에 강전해질에 관한 이론에서 처음 도입한 디바이 길이(Debye length) h를 들 수 있다.
플라스마에서 디바이 길이는 양전하와 음전하의 수가 서로 다르게 존재할 수 있는 최대거리로서, 전자 온도와 전자수 밀도의 비값의 제곱근에 비례하는데 국제단위계에서 h〓69(Te/ne)1/2이 된다.
디바이 길이보다 큰 거리에서는 전하가 전체적으로 중성을 이루고 있는데 이보다 짧은 거리에서는 개개의 양전하와 음전하가 서로 힘을 작용하고 있게 된다.
이와 같은 현상을 이용하면 정성적으로 플라스마를 정의할 수 있다.
즉 이온화된 기체에서 기체의 크기가 디바이 길이보다 충분히 크면 이를 플라스마로 간주할 수 있다.
외부의 교란이 디바이 길이보다 큰 규모로 일어나면 플라스마는 거시적으로, 즉 전체적으로 반응하며 반면에 교란이 디바이 길이보다 작으면 개개의 입자가 반응을 하게 된다.
플라스마의 유형
우주 내의 물질 중에서 99％ 이상이 플라스마 상태로 존재한다.
태양과 같이 관측이 가능한 모든 항성과 성간, 행성간에 있는 물질, 그리고 행성의 외부 대기권이 플라스마로 이루어져 있다.
인공 플라스마
금속 결정에 있는 고체상의 플라스마를 제외하면 지구상에서는 자연적으로 발생하는 플라스마를 관측하기가 쉽지 않다. 따라서 연구소에서 연구나 기술 분야에의 응용을 위해서는 플라스마를 인공적으로 생성해야 한다. 칼륨·나트륨·세슘과 같은 알칼리금속은 이온화 에너지가 작아서 3,000K 정도의 온도로 가열하면 플라스마를 생성할 수 있다. 그러나 대부분의 다른 기체에서는 1만K 정도로 가열해야 어느 정도의 이온화가 일어난다. 현재까지는 이와 같은 온도를 견디는 물질이 없기 때문에 열을 외부에서 가하지 않고 기체에 전기장과 자기장을 가해서 기체 분자 자체의 충돌을 발생시켜서 온도가 올라가게 하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 방법으로 플라스마를 형성하기 위해서는 매우 강한 전기장이 필요하다. 전기장은 전극이나 변압기 작용을 이용하여 발생시키는데 변압기 방법을 이용하여 실험적으로 1,000만K의 온도와 1019/m3의 전자밀도를 갖는 플라스마를 생성하는 것이 가능하다. 이온과 전자를 따로 거울계(mirror system : 자기장을 특별히 설계하여 플라스마를 가둘 수 있게 한 장치)에 주입하면 앞의 경우에 비해 온도는 높지만 전자의 밀도는 작은 플라스마를 생성할 수 있다. 충격파나 레이저를 이용하는 방법도 있다.
플라즈마의 응용
플라즈마는 온갖 미래 첨단기술의 원천을 제공하고 있다.
대표적인 예가 미래의 에너지로서의 이용 가능성인데, 점점 고갈되어 가는 화석에너지를 대체할 가장 유력한 수단으로 떠오르는 핵융합 발전은 수소 원자핵 등으로 섭씨 1억도 이상의 초고온 플라즈마를 만들면 성공할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 입자가속기는 물질의 궁극과 우주의 비밀을 밝히기 위한 입자물리학의 실험이나 각종 물성 실험에 활용되는 방사광을 얻기 위한 필수적인 장비인데, 이 역시 전자나 양성자, 혹은 이온 등을 빛에 가까운 속도로 가속시켜 충돌시키거나, 강력한 X선 및 방사광 등을 만들어내는 과정에서 플라즈마가 매우 중요한 역할을 한다.
최근 생명체의 존재 여부 등으로 화성 탐험에 대한 관심이 더욱 커지고 있는데, 현재의 우주왕복선 등은 속력이 상대적으로 낮을 뿐만 아니라 엄청난 양의 화학연료를 싣고 가야만 하므로 장기간이 소요되는 유인 화성여행에는 적합하지 않다.
그러나 고온의 플라즈마를 고속으로 분출하는 플라즈마 엔진을 우주선에 탑재한다면, 훨씬 적은 양의 연료로 기존 우주선보다 10배나 빠른 속도를 낼 수 있기 때문에 미래의 우주선에 활용될 것으로 기대되고 있다.
그러나 플라즈마가 이용되는 것은 위와 같은 거대 과학기술 분야에만 국한되지 않는다.
이미 우리 주변의 일상생활 곳곳에서도 플라즈마 관련 기술이 적용되고 있는데, 대표적인 것이 차세대 디스플레이 수단으로 유망한 PDP(Plasma Display Panel) 텔레비전이다.
기존의 브라운관식 텔레비전 수상기가 아직도 많이 쓰이고 있기는 하지만, 화면을 크게 하기 위해서는 부피와 중량이 너무 커질 수밖에 없기 때문에, 디지털 TV 시대의 고화질, 대화면을 구현하기에는 한계가 있다.
큰 화면에도 불구하고 두께는 매우 얇아서 벽걸이 텔레비전에 적합한 PDP는 형광등과 비슷한 원리로서, 플라즈마에서 나오는 자외선을 이용하여 화면을 구현한다.
즉 일정한 간격으로 배치된 아주 작은 유리관에 가스를 채워 넣고 앞뒤로 전극과 형광물질을 배치한 후, 전극에 전압을 가하면 가스가 플라즈마 상태로 바뀌면서 자외선이 발생하고, 이것이 각각의 형광물질을 자극하여 사람의 눈으로 볼 수 있는 빨강, 파랑, 녹색의 가시광선을 내게 되는 것이다.
작은 픽셀들로 이루어진 3원색을 적절히 조합하여 자연색 등을 구현하는 것은 다른 컬러 디스플레이 수단과 마찬가지이다.
현재의 PDP 텔레비전은 열이 나고 전기가 비교적 많이 소요된다는 것이 단점으로 지적되는데, 앞으로 낮은 전압에서 플라즈마를 만들 수 있는 기술이 개발된다면, LCD, 유기EL 등의 다른 평판 디스플레이 경쟁자들을 물리치고 PDP가 차세대 디스플레이 수단의 왕좌를 차지할 가능성도 크다.
또한 플라즈마는 커다란 골칫거리인 각종 환경문제를 해결하는 데에도 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
고압전류에 의해 플라즈마에서 발생하는 오존은 악취성분을 분해하는 능력이 뛰어나서 에어컨, 공기청정기, 탈취제 등으로도 이미 활용되고 있고, 자동차의 배기가스를 줄이는 데에도 이용될 수 있다.
쓰레기 소각장에서는 다이옥신 등의 각종 발암물질과 유해가스가 뿜어져 나오는데, 플라즈마 토치로 독가스를 완전 분해하는 방법이 가장 이상적인 폐기물 처리장치로 꼽힌다.
앞으로 저렴한 비용으로 저온 플라즈마를 대량 만들 수 있게 된다면, 환경문제의 개선에 더욱 획기적인 기여를 할 수 있을 것으로 전망된다