플라즈마의 분류 및 응용분야
최근 들어, 진공 기술의 눈부신 발달은 진공을 이용한 각종 첨단 기술들의 실용화에 박차를 가하고 있다. 그 중에서도 특히 플라즈마 공정은 괄목할 만한 성장을 보이면서 산업 전반에 걸쳐 각종 소재들의 제조 및 가공에 광범위하게 이용되어 가고 있다. 플라즈마는 물질의 제 4의 상태로 불려지고 있는데, 기체의 일부가 전리된 가스 상태이며, 외부 전자기장에 영향을 받는, 전기를 통과시키고 발광하는 뜨거운 기체의 영역으로 정의할 수 있다. 플라즈마는 그 상태에 따라서 여러 가지로 분류될 수 있다.
1. 플라즈마의 분류
플라즈마는 이온화되어 있고 전체적으로는 전기적 중성을 띄고 있는 기체를 가리킨다. 자연에 존재하는 플라즈마로서 잘 알려져 있는 것은 번개와 오로라이다. 이들은 각각 상대적으로 높은 압력과 극히 낮은 압력 하에서 발생된다. 이와 같이 플라즈마는 그 생성 방법 및 압력에 따라 여러 가지 형태로 분류될 수 있다. 입자 온도의 단위 1 eV는 입자분포가 Maxwell-Boltzmann 분포를 따를 때 7740K로 정의되며 상온은 0.026 eV가 된다. 이들 플라즈마를 온도에 따라 크게 두 종류로 분류할 수 있는데, 하나는 이온화 정도가 높고 구성 요소들이 열역학적으로 평형 상태에 있으며 평균 온도가 수만도에 달하는 "고온 플라즈마(high temperature plasma 또는 thermal plasma)"이고 다른 하나는 이온화 정도가 극히 미미하고(이온 농도: 10-5 - 10-6) 구성 요소들이 열역학적으로 평형을 이루고 있지 않으며 평균 온도가 상온 보다 약간 높은 "저온 플라즈마(low temperature plasma 또는 glow discharge)"이다. 플라즈마를 전자밀도와 온도에 의해 분류하면 다음의 Table 1과 같이 나타낼 수 있다.
Table 1. 플라즈마의 특성
후자는 저온 플라즈마이며 저압 상태에 있는 기체나 유기 증기들을 전기적으로 방전시키면서 손쉽게 얻을 수 있으며 이와같은 저온 플라즈마를 상태에 따라 Table 2에 분류하여 나타내었다. Table 2. 저온 플라즈마의 분류
일반적으로 0.1기압(10kPa) 이하의 압력에서는 전자의 온도와 전자외의 입자의 온도가 차이가 나게 된다. 즉 저압의 glow discharge에서는 Table 1 에서 보인 바와 같이 전자의 온도는 매우 높으나(1∼10 eV) heavy- particle의 온도는 수백도 정도로 많은 차이를 보이게 된다. 그러나 0.1기압 이상의 고온 플라즈마의 경우는 전자와 heavy-particle과의 온도가 같아지는 현상을 나타낸다. 이와같은 저압의 플라즈마는 여러 가지 방법으로 발생시킬 수 있다. 가장 간단하고도 오래된 방법이 직류전원을 이용한 dc discharge 이며 이는 두 개의 전도성 판 사이(positive anode & negative cathode)의 전압에 의해서 유도된다. 또다른 방법은 교류전류에 의해 유도되는 ac discahrge이다. Low frequency(수 kHz) discharge는 양극과 음극이 주기적으로 바뀐다는 점 외에는 기본적으로 dc plasma와 동일한 성질을 가진다. 현재 많이 이용되고 있는 high frequency discharge는 radio-frequency(MHz)와 microwave(GHz) 영역에서 이용되고 있으며 dc discharge나 low frequency discharge와는 완전히 다른 물리적 성질을 가진다. 이들 high-frequency plasma는 frequency의 증가에 따라plasma density(density of charged particle)가 증가하는 경향을 가진다. Radio-frequency plasma는 두가지 방법으로 이용이 가능한데 하나는 capacitively coupled discharge이고 다른 하나는 inductively coupled discharge이다. 전자는 dc의 경우와 유사하며 후자는 coil주위의 high frequency electromagnetic field에 의해 발생한다. 플라즈마 반응은 한마디로 기체 및 증기들의 분자들이 플라즈마 상태에서 반복적으로 활성화-비활성화(consecutive activation-deactivation) 단계를 거치면서 고분자로 성장해 가는 과정이라 볼 수 있다. 반응기에 주입된 기체나 증기의 분자들이 플라즈마 내에 존재하는 전자, 이온, 광자 등과 같이 높은 에너지를 기지고 있는 입자와 충돌하여 에너지를 흡수하는 활성화 단계에서는 들뜬 상태의 분자들, 자유 라디칼, 이온, 이온-라디칼 등과 같은 반응기들이 생성되고, 비활성화 단계에서는 이렇게 생성된 반응기들이 낮은 에너지를 방출하면서 더 큰 분자로 결합해 간다. 비활성화된 분자들은 또 다시 활성화될 수 있으며 이 과정은 플라즈마 조건이 사라질 때까지 반복된다. 생성된 반응기들 중 플라즈마 반응에 가장 직접적으로 관여하는 반응기에 대해서는 한동안 논란이 되어 왔으나, 이제는 자유 라디칼로 보는 것이 일반적인 견해이다.
2. 플라즈마의 응용분야 A. 폐기물 처리
고압 플라즈마를 이용한 폐기물 처리법에는 다음과 같은 것들이 있다.
▶ 플라즈마 열분해를 이용한 폐기물 처리(US patent 4644877) - 이 방법은 폐기물을 플라즈마 아크 버너에 넣고 이온화 시키거나 부순 후 반응기 체임버로 보내 방전시킨 후 냉각시켜 product gas 상태나 결정질 물질로 재합성하는 것이다. 재합성된 물질은 다시 spray ring을 사용하여 급냉시키는데 spray ring로서 사용된 알칼리성의 spray는 product gas를 중성화 시키고 결정질 물질을 적시는 역할을 한다. product gas는 scrubber를 사용하여 추출한 후 태우거나 연료로 사용한다. ▶ 쓰레기장에서의 열분해, 유리질화 처리(US patent 5181795) - 이 방법은 쓰레기장에 있는 쓰레기의 양을 줄이고 쓰레기장의 수명을 높이려는데 목적이 있다. 우선 일정한 공간에 구멍을 파고 쓰레기들을 그 구멍에 삽입한다. 그리고나서 plasma arc torch로 그 쓰레기들을 열분해해서 유리질로 만든 후 냉각, 경화시킨다.그 공정 진행 과정동안 가스 부산물이 생성되는데 이것을 후드에 모은 후 정화 장치를 통해 정화시킨다. 정화된 가스는 연료로 쓸 수 있고 경화된 폐기물은 원래의 양보다 줄어들게 된다. 이것은 쓰레기장의 건설비를 절약할 수 있게한다. B. 플러렌(C60)(1)
플러렌(C60)은 1990년 독일에서 합성된 탄소 60모양의 화합물로 20개의 6각형 12개의 5각형으로 이루어지는 축구공 모양을 가지며 기존의 결정성 물질과는 달리 주기적성질이 없어서 X-선 회절법이나 전자선회절이 안되어 분석하기기 어려우나 플라즈마 공정으로 이를 어느정도 밝혀냈고 생산도 가능하게 되었다. 여기서 이용된 플라즈마는 일반 공업용 코팅등에 많이 이용되고 있는 저압 플라즈마가 아닌 수 100torr부터 대기압 정도의 높은 압력하에서 아르곤 가스를 4MHz의 고주파로 플라즈마화시켜 이때 나오는 높은 온도를 이용하여 흑연을 가열시켜는 고압 플라즈마이다. 이 플러렌은 여러 가지 물질과 혼합되어 도체, 반도체, 절연체 및 초전도체가 될 수 있고, 비정질 실리콘처럼 값싸고 효율좋은 에너지 변환재료로 사용 가능하고, 계면이 매우 안정하여 반도체소자를 만드는데 기초재료가 될 수 있고, 지금까지 윤활제로 널리 쓰인 흑연보다도 더 완전한 구형구조를 가지므로 더욱 효과적인 윤활제로 사용 가능하며 , 다이아몬드와 같은 탄소화합물이므로 다이아몬드 박막 성장시 이 플러렌 seed를 이용하여 막생성이 어려웠던 굴곡면이나 보다 넓은 면적의 표면을 코팅하는데 이용되며, 중량이 가볍기 떼문에 에너지 저장재료로 이용된다.
C. 핵융합로 개발에서의 플라즈마(2)
핵융합로의 상용화의 가능성은 플라즈마 물리학의 발전으로 많이 높아졌으며 특히 1960년대 말과 70년대 초에 Torus 모양의 Tokamak 장치가 러시아에서 개발되면서 일련의 발전들이 가속화 되었다. 이 장치는 공기압으로 부풀린 자동차 튜브처럼 생긴 토러스에 구리 와이어나 초전도 와이어를 감아 전류를 흘려 전자석을 만들어 토러스내 공간을 자장화 시킨 후, 플라즈마를 Ohmic coil에 의한 자기유도 방법이나 고주파 출력에 의한 방법으로 발생시키고, 고주파 출력이나 고속 중성빔을 주입하면 플라즈마가 높은 온도로 가열되고 플라즈마를 구성하는 입자들이 토러스의 내벽쪽으로는 자기장에 의하여 튕겨나가 접근할 수 없으므로, 토러스 내의 공간에 떠 있는 상태로 존재하게 된다. 이렇게 하여 플라즈마를 구성하는 중수소 이온과 삼중 수소 이온 혹은 중수소 이온과 중수소 이온간에 쿨롱 반발력을 극복할 수 있게 하여 핵력이 작용하는 공간영역내로 접근시키면 핵융합이 일어나고, 이 때 생긴 질량손실은 아인슈타인의 질량-에너지 등가 법칙에 따라서 열에너지로 방출된다. 이 열에너지를 써서 터빈을 돌리고 이것은 다시 발전기를 돌려 전기를 생산하게 만든 것이 핵융합발전로이다. 이 장치에 쓰이는 플라즈마는 토러스내 토로이달 자장을 걸고 ∼10-9mbar의 진공을 만든다음, 고순도의 중수소와 삼중수소를 넣고 수십 기가 헤르쯔의 전자파를 쏘아 넣어 플라즈마를 발생시키면 토러스내의 플라즈마 온도가 300eV 정도로 올라가게 된다.
D. 레이저빔을 이용한 표면개질(용접)(3)
레이저빔을 공업적으로 이용하는 방법에는 직접적인 레이저광의 성질을 이용하는 방법과 접속된 레이저빔을 열원으로 이용하는 방법으로 나뉘어진다. 레이저빔에 의한 재료가공은 후자에 속하며, 고출력 레이저빔에 의한 재료의 가열, 용융, 및 증발기구를 적절히 이용하는 것이다. 이러한 재료가공에는 주로 CO2 laser, Nd:YAG laser, Excimer laser와 같은 고출력 레이저가 사용된다. 레이저빔을 금속에 투사하면 많은 부분이 금속 표면 상에서 반사되고 일부가 흡수되면서 이 흡수된 부분만이 재료가공에 이용된다. 금속 표면에서 흡수되는 레이저빔의 양은 레이저빔의 파장과 전기전도도 등에 따라 다르며, 이 흡수된 부분은 금속 표면하에서 수백 Å 이내에서 열오 바뀌므로 레이저빔은 표면열원에 해당한다. 레이저빔이 금속에 투사되는 경우 레이저 에너지 밀도의 증가에 따라 금속의 가열, 증발 및 플라즈마 발생이 생긴다. 레이저 출력 밀도가 크지 못하여 금속의 가열만을 초래하는 경우에는 철강재의 표면 경화에 응용되며, 출력 밀도가 커서 금속의 용융이 일어나면 금속의 표면 합금화와 용접에 응용되고, 더욱 온도가 증가되어 금속의 증발이 일어나면 절단과 천공등의 가공에 이용된다. 레이저 출력 밀도가 더욱 커져 증발된 입자들이 플라즈마로 차단되면 유입되는 레이저빔을 차단하게 되어 레이저빔에 의한 가공기구로 작용하지 못한다. 레이저빔을 이용 할 경우 광학부품으로 초점위치에 매우 큰 에너지밀도를 주도록 집속 시킬수 있다. 따라서 가공하려는 부분에만 매우 큰 에너지를 유지시킬 수 있어 많은 부분을 균일하게 가열시켜야하는 통상적인 방법에 비하여 가공이 빠르고 독특한 조직을 얻을 수 있다. 또한 부품의 내부에서 열로 인하여 야기되는 열응력, 뒤틀림 및 균열 등을 방지할 수 있어 부품의 손상을 최소한으로 할 수 있고, 복잡한 부품의 가공도 가능하다. 레이저빔에 의한 표면 가공에는 고상 변태에 의한 표면경화, 금속 표면의 피복(cladding), 표면 합금화와 경사 기능화, 금속 표면의 비정질화(glazing)등으로 나뉘어 진다.
▶ 고상 변태에 의한 표면경화 -
고상 변태에 의한 표면경화법에 가장 많이 이용되고 있는 것은 철강재의 표면 경화 처리이다. 이 방법은 레이저빔에 의한 재료 가공 방법중에서 가장 적은 에너지 밀도가 요구되며, 용융전에 고상변태가 가능한 금소재료가 사용된다. 특히 열처리가 가능한 금속재료로서 선택적인 내마모성이 요구되는 중탄소의 철강재 합금과 주철재료가 많이 사용된다. 주로 자동차용 주철 부품의 대량 생산에 이용되며 각종 자동차 부품, 기차 및 컴퓨터 부품의 표면 처리에 이용된다.
▶ 금속 표면의 피복(cladding) -
레이저빔에 의한 금속의 크래딩은 내식성, 내열성, 내마모성이 요구되는 성질을 가진 금속을 기지 금속 표면상에서 첨가시킨후 레이저빔에 의한 용융으로 접합 피복시키는 방법이다. 금속을 접합 피복시키는 방법에는 레이저빔에 의한 금속의 크래딩 방법과 플라즈마 아크 용접에의한 방법이 각각의 장단점은 다음 표와 같다. 이 방법은 젯트 엔진 내부의 터빈 부품, 젯트 엔진의 터빈 브래이드 보호판 인터록(shround interlock)의 경질화 피복, 스팀 터빈 브래이드 , 정유소 원자력 발전소, 화학 공장에서 gate valve의 접합면에 레이저로 피복제를 크래딩 시키는데 이용된다.
▶ 표면 합금화와 경사 기능화 -
금속의 표면 합금화 처리는 기지금속 표면에 내마모성, 내식성 및 내열성 등 필요한 성질을 주기 위하여 이종금속을 기지금속 표면에 첨가시킨후 레이저빔으로 합금층을 형성시키는 것이다. 금속의 표면 합금화는 금속의 크래딩 방법과 유사하나 차이점은 합금층에서 첨가된 원소 및 재료가 기지금속과 완전히 희석되어 첨가재료와 다른 성질을 주게된다. 이러한 경우 크래딩 처리와 달리 기지 금속과 크래딩층 사이의 급격한 물리적 및 화학적 성질 변화를 완화시킬 수 있다. 이것은 재료개발의 견지에서 볼 때 복합적인 특성을 지닌 재료를 얻을 수 있고, 구하기 힘든 전략 금속의 부족에 대처하고, 고가금속의 절약이라는 관점에서 바람직하다. 이 방법은 고융점의 내화금속(특히 텅스텐) 및 금속간 화합물의 치밀한 표면처리에 사용된다. 레이저빔에 의한 금속의 경사 기능화는 표면 합금화와 금속 크래딩 방법의 종합적인 처리라 할 수 있다. 복합 재료 혹은 크래딩 재료는 조성이 불연속적으로 변하지만 경사 기능재료(functional gradient material)는 조성이 서서히 연속적으로 변하므로 열응력을 완화시키는 초내열 재료에 많이 적용된다. 이러한 초내열성을 목적으로 하는 예로서 금속/세라믹 경사기능재료를 들 수 있는데 여기서 내열성은 세라믹이 담당하고, 냉각 특성과 기계적 강도는 금속이 담당하며, 그것의 중간을 경사조성화 하는 것으로 열응력 완화를 이루게된다. 이 방법은 항공우주산업과 에너지사업 분야에서 주로 이용하는데 항공우주산업의 경우 젯트엔진의 내열, 내산화성 및 열응력 완화의 재료로 쓰이고 에너지사업 분야의 경우 화력발전의 스팀터빈, 보일러 부품 원자력발전의 고온 증식로 및 핵융합로의 내열성, 내식성, 내방사선성의 재료로 쓰인다.
▶ 금속 표면의 비정질화(glazing) -
레이저빔에 의한 금속 표면비정질화(glazing)는 표면 합금화와 크래딩과 달리 이종금속을 첨가시키지 않고, 표면층의 급가열과 급냉에 의하여 용융층에 비정질조직을 얻는데 기초한다. 이것은 레이저 투사 시간을 짧게 함으로써 레이저빔에 의한 열영향을 금속표면 근방에만 집중시키도록 하는 것이다. 이 방법은 내식성, 내침식성, 내마모성에 대한 성질을 개선시키므로 고온 부식이 심한 제트엔진의 가스터빈 디스크 등에서 스텐레스강 혹은 인코넬 합금등에 특수한 초합금성분의 조직을 레이저로 그레이징 시킨다. E. 플라즈마 화학증착공정에 의한 박막제조(4)
재료 합성에 플라즈마를 이용하면 평형 열역학으로 지배되는 한계점을 극복해주므로 그 중요성이 커지고 있다. 비평형 플라즈마는 보통 저압에서 높은 power를 가할 때 발생하는데 가벼운 전자는 높은 온도를 유지하고 무거운 가스(이온)들은 온도가 낮으므로 많은 열이 필요한 공정에서도 적은 열로 합성 반응을 일으킬 수 있다. 이렇듯 낮은 공정온도, 독특한 물질 합성(가스가 아닌 전자와 충돌하므로), 높은 재현성, 좋은 공정 제어력떼문에 비평형 플라즈마는 크게 각광받고 있다. 응용되는 물질과 분야는 다음과 같다.
▶ 다이아몬드상 카본필름(diamond-like carbon film)-
다이아몬드상 카본필름은 비정질 고상 카본 필름의 하나로 다이아몬드와 유사한 높은 경도, 내마모성, 윤활성, 전기 절연성, 화학적 안정성, 광학적 특성을 가지고 있다. 이것은 DC 혹은 RF를 이용한 비평형 플라즈마 CVD(chemical vaporization deposition)법 뿐 아니라 ion beam을 이용한 스푸터링(sputtering)등을 이용하며 약 20-50%의 높은 함량의 수소를 가지고 있다. 합성은 약 200℃에서 가능하다. 윤활성이 뛰어나므로 우주산업용 기계부품의 윤활코팅, 투과성과 굴절율이 좋으므로 적외선 광학재료의 무반사 코팅에 이용되며 그밖에도 열전도도가 좋기 떼문에 컴퓨터 하드 디스크의 디스크면을 보호하기위한 overcoat, 자기 기록 head, audio head, VTR head, head drum, 복사기나 레이져 프린트용 드럼, 내구성 향상을 위한 수술용 칼, 면도날, 절단기의 코팅, 스피커 다이아프램(사운드 전파 속도가 높으므로), 폴리머 필름, food packaging, sunglass등으로 사용된다.
▶ 비정질 수소화 실리콘 -
이것은 silane(SiH4)을 이용하는데 보통 capacitively- coupled된 rf 플라즈마가 사용되며 반응기 압력은 약 0.05-2torr, 온도는 250℃정도이고 사용되는 power는 100w이내이다. 태양전지, 광전자 디바이스, 광수신기 응용에 주로 사용한다.
▶ 광섬유 실리카 -
이것은 저압 플라즈마 CVD법으로 합성되며 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한다. 증착 온도가 낮고 비평형 조성 물질의 합성이 가능하며 증착 효율이 높다는 장점이 있으다. 전기 통신 분야에 응용되는 광학섬유를 제조하고 유리질 소재 증착에 유용하다.
▶ 실리콘 나이트라이드 -
이것은 실리콘 나이트라이드(SiN)을 이용하며 반응온도는 200-300℃, 기판온도는 400℃정도이다. 이것에 의해 합성되는 유전체 박막은 마이크로 일렉트로닉스 및 광전지 응용에 널리 응용되며 증착온도가 낮기 떼문에 플라즈마 증착에 의한 실리콘 나이트라이드는 알루미늄 혹은 금의 metallization, 열처리 중에 비소 증발을 억제하는 비소화 갈륨의 보호막, 금속 레벨 사이의 절연체, 산화 및 확산을 방지시켜주는 마스크, 멀티 레벨 저항 구조의 에칭 마스크, X선 lithography 마스크를 위한 지지막등에 이용된다.(1) F. 강의 표면경화 처리 수단(5)
강의 표면경화 처리 수단의 하나로 Plasma Diffusion Trearment(PDT)법이 있는데 이것은 플라즈마의 높은 에너지를 이용하여 C, N, B등의 원소를 금속이나 강의 표면에 확산, 침투시켜 내마모, 내식성등을 높이는 것이다. 저압의 진공용기에서 수소 및 기타 가스 혼합물을 이용하여 처리하고 그래서 폭발 위험성, 폐수등의 문제가 없으며 진공용기 내부에서 방전에 의해 가열되므로 연소시 발생하는 공해물질의 배출이 없는 무공해 열처리법이다. PDT 표면경화기술은 크게 플라즈마 질화, 플라즈마 보로나이징, 플라즈마 침탄으로 나눌 수 있다.
▶ 플라즈마 질화 -
이것은 질화후에 높은 경도를 갖는 Nitroalloy가 개발되면서 산업에 이용되었으며 음극으로 사용되는 저압 질소 기체, 양극으로 사용되고 있는 진공용기 사이에 400-800V의 전압을 가해 주위에 glow 방전을 발생시키고 이 glow 방전이 질소원자의 표면침투를 활성화시켜 질화층을 형성하도록 하는 방법으로 만들어진다. 이 방법은 공해문제가 전혀 없고, 넓은 온도범위(400-600℃)에서 질화가 가능하며, 질화층의 두께조정이 용이하고 에너지 효율이 높아서 자동차 산업과 침탄이나 보로나이징 처리에 비해 저온에서 표면경화가 이루어지므로 작은 변형을 요하는 정밀기계부품등에 이용된다.
▶ 플라즈마 보로나이징 -
보로나이징은 강, 니켈합금, 소결합금 등 금속재료에 보론화합물층(boride layer)을 형성시키는 표면처리법으로서 일반적으로 진공 용기내에 보론연료가스로 BCl3를 그리고 플라즈마 발생 가스로 수소 혹은 아르곤을 혼합한 가스 분위기내에 처리물을 위치하고, 전기적 아크에의해 플라즈마를 발생시키면 표면층과 가스 medium사이에 활성화가 일어나 원료가스의 분해와 이온화가 일어난다. 이와 같은 방법으로 형성된 활성화된 보론은 처리품과 반응하여 표면층에 화학적 흡착 및 보론 화합물층 또는 보론 석출물층등을 형성한다. 이 방법은 높은 경도와 용융점, 우수한 마모 및 부식저항성, 높은 전기전도도, 용융금속에 의한 침식 저항이 뛰어나는등 금속재료의 표면물성을 크게 향상시키는데 매우 유용하나 아직은 개발 단계이므로 그 이용이 저조하다.
▶ 플라즈마 침탄 -
플라즈마 침탄은 약 0.1-10torr의 진공용기내에 처리가스를, 공급처리제품을 음극으로 하고 양극과의 사이에 직류 고전압을 가하여 발생하는 비정상 글로우방전(abnormal glow discharge) 플라즈마를 이용한다. 이때, 처리가스로는 아르곤, 수소의 캐리어가스와 CH4 또는 C3H8이 사용되고, 발생된 C+이온이 처리품에 충돌하여 침탄이 이루어지며, 또한 필요한 깊이까지의 탄소침투는 확산에의해 이루어진다. 이방법은 장치 및 탄소농도 관리가 간편하고, 전처리 및 침탄방지가 간단하고 표면이 광택을 가지며, 침탄 속도가 빠르고 침탄 효율이 높으며 경제적이며 환경 친화적이며 고탄소 및 복합침탄이 가능하기 떼문에 자동차 부품, 건설 및 토목용 기계, 종이 성형롤등의 캠축, 축류, 기어 커플링등에 쓰이고 , 내식성을 요구하는 식품공업, 내마모성과 비자성재료를 필요로하는 전자기기나 음향기기 부품, 등에 쓰이고 있다. G. 플라즈마 표시소자(Plasma Display)로서의 이용(6)
플라즈마 표시소자들은 튜브속의 가스방전을 이용하는 소자들로 작은 규모의 숫자표시기(seven segment numeric indicator)에서부터 수만개의 화소(pixel)로 구성된 각변의 길이가 1m 이상되는 대형 평판형 표시기(flat panel display)에 이르기까지 널리 이용되고 있다. 이 방법은 두 개의 평판유리 사이에 주로 네온이나 크세논 가스 등의 적외선을 발광하는 불활성 기체 혼합물을 봉입한 후 한면에는 투명전극을 설치하고 다른 한 면에는 형광체(phosphor)들을 도포하여 제작하고 표시기의 발광은 글로우 방전 영역에서 일어난다. 편판형 표시기로 사용된 플라즈마 표시소자들은 휘도가 양호하고 발광 효율이 좋으며, 좋은 비선형 특성을 가지며, 평균수명이 길고, 구조가 간단하고, 가격이 저렴한등의 장점이 있다. 플라즈마 표시기들은 직류 표시기와 교류 표시기로 구분할 수 있는데 더 구체적인 응용범위는 직류 표시기의 경우 각종 기기에서 영문 숫자를 표기하는데 이용되는 NIXIE 튜브와 공항의 대형 스크린등이고 교류 표시기의 경우 평판 컬러 TV, 컬러 모니터등의 화소로서 이용된다.
H. 플라즈마 중합(Plasma Polymerization)(7)
플라즈마 중합(Plasma Polymerization)은 기체 및 유기 증기들이 저압 상태에서 플라즈마로 전환될 때 고분자 물질이 생성되면서 주위의 고체 표면에 박막의 형태로 입혀지는 현상을 이용한 것이다. 이러한 플라즈마 중합은 기존의 중합들과는 달리 고분자 합성보다는 박막 제조 및 고체의 표면 개질에 적합한 기술이며 기체나 증기와 같이 가장 기초적인 소재로부터 마지막 처리 단계까지 한 과정에서 이루어지고, 0.01μm 두께의 초박막일지라도 아무런 흠이 없이 균일하게 코팅할 수 있고, 단량체가 반응기들을 가지고 있지 않더라도 중합 시킬 수 있어 선택할 수 있는 코팅 소재의 폭이 넓고, 진공에서 안정한 물질이면 어떠한 물질에도 코팅할 수 있고, 접착력이 우수하며, 건식 방법이므로 용매에 의한 환경오염이 없으며, 에너지 소비량이 적어 경제적인 장점들이 있다. 이 방법은 저온 플라즈마를 사용하며 저압 상태(약 1torr)에 있는 기체나 유기 용매들을 전기적으로 방전시켜 사용한다. power supply로는 d.c., a.c., audio frequency, radio frequency, microwave등이 쓰이며 전극을 chamber의 외부에 설치하고자 할 때는 radio frequency이상의 power supply를 사용한다. 플라즈마 중합의 응용 분야로는 크게 고분자 소재 분야, 금속 및 무기 소재 분야, biomedical 분야, 막분리 분야, 분말 소재 분야로 나눌수 있다.
▶ 고분자 소재 분야 -
고분자 소재 분야에서는 접착력 향상을 위해 플라즈마 중합이 쓰이는데 폴리 에틸렌 필름에 알루미늄, 스틸, PET 및 나일론 필름을 플라즈마 중합시키면 기존의 방법들보다 훨씬 접착력이 강한 접합 조인트를 만들 수 있다. 플라즈마 고분자 박막은 또한 플라스틱에 들어있는 각종 첨가제들이 밖으로 확산되어 나오는 것을 막는데 효과적이며 , PVC를 유연하게 만들기위해 첨가되는 가소제, 난방용 배관 파이프로 쓰이는 폴리 에틸렌 튜브에 첨가되어 있는 안정제가 뜨거운 물에 의하여 추출되어 나오는 것을 방지하는데 응용하기도 한다. 플라즈마 고분자는 원래 전기 절연체이나 sputtering과 플라즈마를 동시에 진행시키면 전기 전도성을 가지게 되고 이것으로 전도성 박막이나 금속 박막의 코팅이 가능해지며 나일론, 테프론, 페놀, ULTEM, FRP등의 전기 도금에 이용된다. 마지막으로 플라즈마 고분자들은 기계적 특성이 우수하고 내약품성과 열적 안정성이 높아서 고분자들의 공통적인 취약점인 내마모성 및 내긁힘성을 높이는데 응용될 수 있고, 산이나 알칼리 또는 각종 용매에 약한 고분자들의 보호막으로 이용될 수 있으며, 용융 온도가 낮은 고분자들의 열적 안정성을 높이는데 이용되며, 섬유 분야에서 COOH기를 섬유에 grafting하여 염료의 염색성을 높이거나, 소수성 fluorocarbon 박막을 코팅하여 방수성을 높이는데 응용될 수 있다.
▶ 금속 및 무기 소재 분야 -
플라즈마 중합을 이용하는 금속 및 무기 소재 분야로는 금속 소재나 metal halide와 같은 광학 소재들의 부식 방지용 보호막, 냉연 강판의 부식 방지용 막, alkali halide의 표면을 프레온 플라즈마로 안정화시켜 수분에 의한 부식을 방지하는 막등에 쓰이는 부식 방지를 위한 분야, 절삭 공구와 같은 금속 소재 표면에 내마모성을 향상시키기위한 박막을 만드는 내마모성 필름 코팅 분야, 콘텍트 렌즈에 눈물이 잘 적셔지도록 친수성 박막을 표면에 코팅하는 분야등에 주로 쓰인다.
▶ 막분리 분야 -
아주 얇으면서 흠이 없는 박막을 코팅할 수 있는 플라즈마 중합은 분리막의 기능을 강화시키는데 매우 적합하며 microfiltration, ultrafiltration, reverse-osmosis, gas separation, pervaporation등에 사용되는 분리막들의 flux, 선택도 및 chemical resistance를 향상시키거나 fouling을 줄이는데 응용될 수 있다. 쓰이는 장비로는 이온 교환막을 들 수 있는데 플라즈마 중합에 의해 제조된 이온 교환막은 기계적 특성과 화학적 특성이 우수한 분리막에 화학적 결합으로 grafting되어 있기 떼문에 수명이 길다.
▶ 분말 소재 분야 -
분말 소재 분야 분야에 대한 연구는 비교적 늦게서야 시작되었는데, 이는 분말 처리용 반응기가 다른 종류의 반응기에 비하여 훨씬 까다롭기 때문이다. 이 분말 소재 분야의 주 사용 대상은 페인트의 도료나 플라스틱에 충진되는 충진제들이며 이들의 표면에 이들이 첨가되는 매질과의 상호적합성이 우수한 박막을 코팅하므로서 분산 및 접착력의 향상을 꾀하였다.
I. 분말 용사 기법에 의한 표면 코팅(Thermal Spray Coating)(8)
분말 분사 코팅법은 기계적 강도가 우수한 소재표면에 내열, 내마모 또는 내부식 특성이 우수한 소재를 두껍게 코팅하는 방법이다. 이 방법은 소재의 종류나 크기에 제약이 거의 없으며, 다양한 분말을 용이하게 코팅 할 수 있으며, 작업조건과 장비가 다른 코팅법에 비하면 단순한 편이다. 또한 코팅층의 형성 속도가 빠르며, 비교적 두껍게(수 mm까지) 코팅할 수도 있어 경제성이 높고, 코팅층의 두께 선택이 다양할 수 있다. 고융점 재료를 짧은 시간(msec)내에 반용융 상태로 만들기 위해서는 많은 열량이 집중되는 열원이 필요한데 이에 가장 타당한 것이 플라즈마이다. Plasma Spray Coating에 사용되는 장비의 용량은 80kw로, 작은 plasma flame내에 고출력이 집중된 상태이므로 plasma flame내의 실제 온도는 약 1000℃ 이상이다. 사용하는 가스는 plasma 형성이 용이한 아르곤을 많이 이용하며, Plasma Spray Coating에 사용되는 plasma는 주로 D.C. jet plasma이다. Plasma Spray Coating은 열용량이 큰 경우에 사용되므로 고융점의 세라믹을 코팅하는데 사용되며 코팅 속도가 빠르다. 이 방법은 이렇듯 여러 가지 면에서 좋은 성질을 가지고 있으므로 고온용 가스 터어빈, 보일러, 산업용 roll, 내연 기관 및 자동차 부품, 전자부품, 금형등에 이용되고 있다.
J. 강유전성 박막 제조시의 플라즈마 이용(9)
전자제품의 경량화, 소량화 추세에 따라 전자소자를 구성하는 재료의 박막화 현상은 날로 높아지고 있다. 두께가 얇은 2차원적 평면 형태의 소재를 막이라고 하고, 막은 크게 박막(thin film)과 후막(thick film)으로 나눌수 있다. 박막은 후막보다 더 얇은 두께를 가진 재료의 형태로서 일반적으로 수십 Å에서 수 μm의 범위에 속하는 막을 지칭하고 5 μm미만이면 박막 그 이상이면 후막이라 일컫는다. 박막들은 자체가 매우 얇아서 그 스스로 합성하기 힘들고 그래서 지지판으로 기판(substrate)을 사용하게 된다. 기판은 증착할 박막의 종류와 용도에 따라 여러 종류의 재료를 사용하게 되는데 주로 Al2O3, Si wafer, MgO등의 세라믹스와 스틸, Mo, Co등의 내열금속이 많이 이용된다. 종종 박막(thin film)과 피막(coating)은 혼동하여 사용되는데 엄격한 의미에서는 구별된다. 기판위에 증착된 막의 기능적 특성을 이용할 경우, 즉 막이 실제 소자의 주요 기능을 담당할 경우에는 박막이라 지칭하고, 기판위에 증착된 막이 일종의 소모성 재료로서 기판의 특성을 보호하기위해 사용될 경우에는 피막이라고 부르고 일종의 보호막을 뜻하게 된다. 많은 종류의 박막중에서 강유전성 박막(ferro-electric thin film:FTF)이라는 것이 있는데 이 박막은 미세액츄에이터, 광도파소자, 광변조기, DRAM의 캐패시터, 초전 감지소자(pyroelectric detector), 표면 탄성파(SAW:surface acoustic wave)소자, 비휘발성 기억소자등에 사용된다. 강유전체란 특정온도 Tc 이하에서 자발분극이 발생시, 이 자발분극의 방향이 외부 전기장에 의해 바뀔 수 있는 재료를 지칭하며, 이러한 강유전성 성질은 아울러 초전성과 압전성을 가지게 된다. 이런 강유전성 박막은 주로 r.f. magnetron sputtering법에 의해 만들어지는데 이 방법은 대개 수-수십 mtorr 정도로 유지되는 기체에(보통 Ar 또는 O2) r.f.를 인가하여 plasma를 형성시키는 것이다. 이 형성된 plasma로부터 추출되는 이온들이 원하는 물질로 구성된 타겟을 때려 증착하고자 하는 물질을 원자, 분자, 혹은 이온 상태로 떼어내어 적절한 조건으로 유지되는 기판에 증착시켜서 박막을 형성시키는 방법이다. 강유전성 박막의 응용은 크게 초전성을 이용한 응용, 압전성을 이용한 응용, 전기 광학 효과를 이용한 응용, 박막 캐패시터, 비휘발성 기억소자등으로 나눌 수 있다. ▶ 초전성을 이용한 응용 -
초전성을 이용한 응용에는 열감지장치의 하나로서 가열이나 IR radiation에 의한 정전용량의 온도 의존 특성 변화를 측정하므로서 작동되는 장치인 초전감지소자와 물체에서 발산되는 열을 이용하는 thermal imaging device와 television camera tube에 이용된다.
▶ 압전성을 이용한 응용 -
압전성을 이용한 응용에는 전기적 신호를 표면 탄성파로 바꾸거나 그 반대의 역할을 할 수 없는 소자인 표면 탄성파 신호변환기, 시간 지연 소자로서 레이더, 음파통신, 컴퓨터에 이용되고, 표면 탄성파 band-pass filter로서 color TV의 video IF stage에 이용된다.
▶ 전기 광학 효과를 이용한 응용 -
전기 광학 효과를 이용한 응용에는 광파이버 통신망 구축에 필수적인 광전 도파 변조기, 광전 위상 변환기, 광분리기, 광전 스위치등 광도파간 소자등이 있고, 기억 소자로 쓰이며, 광 shutter나 광 switch, HDTV의 표시소자로 쓰인다.
▶ 박막 캐패시터 -
박막 캐패시터로는 기억소자로 많이 사용되는 DRAM의 캐패시터에 주로 사용된다. 참고문헌
1. 조양구, 소현영, 물리학과 첨단기술, June, 1992. 2. 정기형, 물리학과 첨단기술, June, 1993. 3. 김도훈, 대한금속학회회보, Vol. 5, No. 4, 1992 4. 제정호, 대한금속학회회보, Vol. 2, No. 1, 1989 5. 변응선외, 대한금속학회회보, Vol. 5, No. 4, 1992. 6. 임한조, 물리학과 첨단기술, Dec., 1994. 7. 조동련, 고분자과학과 기술, Vol. 6, No. 5, 1995. 8. 이규동외, 대한금속학회회보, Vol. 5, No. 4, 1992. 9. 김형준, 대한금속학회회보, Vol. 5, No. 2, 1992.
머 리 말
열플라스마(Thermal plasma)는 주로 아크 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자(원자 및 분자)로 구성된 부분이온화된 기체로, 국소열평형(Local Thermodynamic Equilibrium) 상태를 유지하여 구성입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라스마의 특성을 이용하여, 재래식 기술에서는 얻을 수 없는 다양하고 효율적이며 환경면에서 깨끗한 고온 열원이나 물리화학 반응로로 사용되어, 여러 산업분야에서 첨단기술에 활용되고 있다.[1]
현재 열플라스마 기술에 대한 관심사는 크게 소재공정 과 폐기물처리의 두 갈래로 나뉘어 그 개발이 진행되고 있다.[2-4]
소재공정기술은 열플라스마를 이용한 고기능성 표면개질, 신물질 창출, 신소재 생산 및 가공 등에 활용되는, 플라스마 용사코팅, 플라스마 합성, 열플라스마 화학증착(TPCVD), 금속야금, 소재 고밀화, 물성분석, 절단용접 및 표면강화 등이 이에 속한다. 폐기물처리 기술도 일종의 소재공정으로 고온고열의 플라스마 소각로를 사용해서 생활 및 산업 폐기물을 열분해 또는 유리화 시켜 유해물질 파괴와 부피감량을 통해 공해문제를 해결하려는 환경기술로 석탄가스화도 이에 속하는 기술분야로 볼 수 있다. 이 공정들에 있어서 열플라스마 장치는 고온고열로 대상재료를 용융, 기화 시켜 물리적 상변화를 유발하는 열원의 역할을 하거나 생성시킨 이온, 들뜬 원자 및 분자 등과 같은 라디칼에 의해 화학반응을 촉진하는 화학반응로로서 작용하는 경우가 많다. 이와 같은 열플라스마 기술은 우리나라 산업의 근간을 이루고 있는 재료, 전기전자, 일반기계, 자동차, 항공, 조선, 제철제강, 섬유, 인쇄, 원자력, 전력, 화학, 의료, 환경 산업분야에 있어 한계기술 극복, 신기술 창출, 에너지이용 효율화, 생산성 향상, 공해 극소화, 경제성 제고에 핵심적인 역할을 할 수 있어서 다가오는 21세기에 매우 중요한 첨단기술로 부각될 수 있다. 지상에서 인공적으로 플라스마를 얻을 수 있는 가장 대표적인 방법인 아크, 글로우, 코로나 등의 기체전기방전은 Faraday, Maxwell, Townsend, Langmuir 등에서 시작되는 100년 이상의 물리현상에 대한 연구의 기반을 가지고 있으나, 대기압 중 아크에 의한 열플라스마 응용기술은 1960대부터 본격화되기 시작하여 생활 주변에서 주로 용접, 절단, 용사 등과 같은 소재가공 및 표면처리와 아크등, 대전력 스위치와 같은 전기기구에 활발하게 활용되었다. 그러나 1980년대 중반까지는 주로 경험에 의존하는 일상기술로 머물러 있었으나, 저압의 글로우 방전에 의한 비평형 플라스마 응용의 소재공정기술이 반도체 제조와 같은 고부가가치 산업에 기여하는 데에서 오는 자극과 초고온 완전전리 플라스마에 의한 핵융합발전 실용화 개발의 지연에서 오는 실망이 저온 플라스마 응용에 대한 관심으로 전환되었다. 이에 따라 열플라스마 관련 물리현상의 이해를 새롭게 하고 플라스마 발생과 제어에 대한 기초연구를 토대로 하여, 고효율, 고기능성, 고부가가치, 환경친화를 목표로 열플라스마 시스템과 공정의 최적화에 대한 기술개발이 다시 불붙기 시작하였다.
현재로는 열플라스마원과 공정의 제어, 최적화, 재현성 등에 있어서 과학 기술적 기초가 부족하여, 열플라스마 기술개발이 대부분 분석적이라기보다 경험에 의존하는 경우가 많아 지금까지 개발 속도가 매우 느렸다. 또한 열플라스마 자체에 내재되어 있는 물리적 성질의 다변성과 공정변수의 복잡성 때문에 플라스마 생성과 공정 대상물과의 상호작용에 대한 이해가 불완전하고 실험적 데이터가 불충분한 실정이다. 이에 따라 열플라스마 발생과 플라스마-물질간의 상호작용에 대한 모형해석을 통한 공정예측과 제어 및 최적화가 필요하고, 이 과정에서 요구되는 열플라스마 성질 관련 데이터의 산출과 공정과정의 확인을 위한 열플라스마 진단 계측이 뒷받침되어야 한다.
이 특집에서는 열플라스마 응용기술 전반에 걸쳐 나타나는 위에 언급한 문제들을 개괄적으로 이해하기 위하여 물리적인 관점에서 열플라스마의 생성방법, 특성, 모델링 및 계측을 먼저 살펴본 후, 열플라스마를 응용한 첨단기술 과제들을 개별적으로 간단히 소개한다.
열플라스마 관련 물리
1. 열플라스마 생성
플라스마 공정에 사용되는 열플라스마의 생성은 그림 1에 보인 바와 같이 대부분 직류 아크방전이나 고주파 유도결합(RF inductively coupled) 방전에 의해 이루어진다. 원리적으로는 모두 대상 기체에 강한 전장을 발생시켜 가속된 전자들의 연속된 충돌에 의해 충분한 전하 입자가 생성되어 전기전도성을 갖는 절연파괴에 이르도록 하여, 고전류가 흐르는 아크 방전으로 플라스마 상태를 유지시킨다. 직류아크 토치는 두 전극사이에 직접 전장을 걸어주는 반면에, 유도결합 플라스마 토치는 전극없이 고주파 코일에 의한 자기장 변화로 생긴 유도 전기장을 사용하는 것이 다르다. 사용기체로는 Ar, He과 같은 불활성기체나 N2, H2, 공기가 보편적으로 많이 쓰이나 공정 종류에 따라서는 O2, 수증기, 탄화수소기체(CnHm), 또는 화학공정에 따른 반응기체들이 혼합되기도 한다.
직류 아크 토치는 전극 모양과 배치에 따라 수 kW∼1 MW 급으로 막대형 음극이나 수십 kW∼10 MW급의 공동형(hollow) 전극을 사용하는 두 가지 형태로 크게 나눌 수 있다. 이들은 다시 토치 내부의 두 전극 사이이거나 또는 토치전극과 공정대상물을 한 전극으로 사용한 아크 방전방법에 따라 비이송식(non-transferred)과 이송식(transferred)으로 각각 나뉜다. 공정에서는 보통 50∼10,000 A 아크 전류와 0.1∼5 기압의 압력에서 운전하여 국부열평형 상태로 5,000∼20,000 K와 500∼2,000 m/s의 제트 불꽃을 발생시킨다. 이때 원하는 형상의 제어된 불꽃으로 안정화시키는 방법에 따라 전극 모양 배치와 함께 다양한 설계의 토치가 존재한다. 벽안정화(wall stabilization) 방법은 원통형 냉각관 안에 긴 아크 발생을 한정시키면, 아크 기둥이 관 벽쪽으로 치우치더라도 벽쪽으로의 열전도가 증가하여 온도 감소와 함께 전기전도도가 떨어져, 아크 기둥은 다시 원래의 평형 위치인 축쪽으로 되돌려져 안정화된다. 와류안정화(vortex stabilization)에서는 기체를 접선방향으로 주입하여 두 전극 사이에 와류를 형성시키면 원심력 차이에 의해 상대적으로 차가운 기체는 벽쪽으로, 뜨거운 기체는 아크 축으로 몰려 열적으로 잘 보호된 상태에서 아크 방전이 축을 따라 수축된 형태로 안정된다. 고전류의 흐름인 아크는 그 주변에 자연적으로 자기장이 발생되거나 또는 토치 외부에서 자기장을 걸어주면, 이 자기장과 아크 전류에 의한 Lorentz힘(j×B)에 의해 플라스마 유체의 항력(drag force)과 균형을 이루고 축 안쪽으로 향하는 힘에 의해 수축된 형태로 아크의 자기안정화(magnetic stabilization)를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 아크점(arc spot)이 전극 표면의 한점에 고정되지 않고 회전이 일어나서 전극물질의 침식이 완화되어 전극 수명을 연장시킬 수가 있다. 일반적으로 많은 열전자 방출과 높은 융점이 요구되는 막대형 음극은 W에 2 % 정도의 ThO2이 첨가된 소재가 가장 많이 쓰이고 있으며, LaO2, CeO2, Y2O3, 또는 0.1 % LaB6를 첨가시키기도 한다. 노즐 양극이나 공동형 전극으로는 열 및 전기 전도도가 좋은 고순도 무산소동이 주로 전극재료로 사용된다.
고주파 토치로는 축전결합(capacitively coupled)형이 변위전류에 의한 방전으로 열플라스마 발생에는 매우 높은 주파수를 요구하기 때문에, 대부분 자기유도결합형을 사용하고 있다. 유도결합 토치에서는 공기 또는 수냉각 수정관이나 세라믹관 원둘레에 3∼7회 정도의 유도코일을 감아 임피던스 정합회로를 통해 100 kHz∼100 MHz 범위의 고주파 전원에 연결하면, 이때 나타나는 시변 자기장에 의해 유기된 방위각방향 전장이 주입된 기체를 절연파괴 시킨 후 유도코일 전류와는 반대 방향의 원형 전류를 구동하여 방전을 유지시키면서 열플라스마를 생성한다. 플라스마의 높은 전기전도도와 고주파 자기장에 의한 껍질효과(skin effect) 때문에 유도된 전장분포와 결과적으로 나타나는 Ohmic 저항가열에 의한 플라스마 온도 분포는 첨두치가 축에서 벗어나 관 벽쪽으로 치우친 지름방향 분포를 가지고 환단면 껍질(annular shell) 형태의 불꽃을 나타내게 된다. 이는 직류아크 토치에서 볼 수 있었던 축에서 첨두치를 가지면서 지름 및 축방향으로 급격하게 감소하는 물매(gradient)를 가지는 집속된 제트 불꽃 모양과는 두드러진 차이를 나타낸다. 고주파 토치는 직류 아크 토치에 비해 낮은 전력(수∼200 kW)에서 운전하기 때문에 불꽃은 상대적으로 낮은 10,000 K 이하, 100 m/s 이하의 온도와 속도를 갖는 외형적으로 길쭉한 럭비 공 모양의 열플라스마가 생성되며, 단면적이 직류 플라스마 제트에 비해 40∼50배로 커서 상대적으로 온도 및 속도 변화 물매가 완만하고, 플라스마와의 반응물이 비교적 오랫동안 불꽃 속에 머무를 수 있어서 더 많은 운동량과 에너지를 플라스마로부터 전달받을 수 있다. 또한 다양한 기체, 액체, 고체
형태의 반응물을
플라스마 내에 고르게 혼합할 수 있어 특히 화학반응로로서 이점이 많으나, 토치 열효율이 직류의 60∼85 %에 비해 훨씬 낮은 40∼50 %에 머무르는 단점이 있다. 직류토치와 고주파 유도결합토치를 직렬로 연결한 형태의 혼성토치는 온도 물매가 완만하면서 큰 부피의 플라스마 불꽃을 생성하며, 각각의 토치를 사용한 공정에서 오는 단점을 보완할 수 있어서, 혼성토치로 공정을 개선하려는 시도들도 있다. 최근에는 10 GHz까지의 마이크로파를 사용하여 0.1기압 이상에서 표면진행파 방전으로 국소열평형 특성을 나타내는 열플라스마 생성도 연구되고 있으나, 높은 손실 때문에 고출력의 마이크로파원이 요구되어 공정에 실용화되지는 못하고 있다.
핵융합 플라스마와 같이 이온과 전자로 완전 전리된 억도 내외의 고온 플라스마에 비해, 수천 수만도 정도의 저온 플라스마는 아직 이온화되지 않은 중성의 원자나 분자가 섞여 부분 전리된 상태로 있어서, 이들 입자 모두가 같은 온도를 유지하여 국부열평형(LTE)을 이루고 있는 열플라스마와, 높은 전자 온도에 비해 무거운 이온과 중성입자는 실온정도의 온도로 비평형(non-equilibrium) 상태의 적은 열용량을 가지고 있는 냉플라스마(cold plasma)로 다시 나눌 수 있다. 열플라스마를 냉플라스마와 비교하여, 발생방법, 전원, 온도, 밀도, 압력, 균일도, 공정용도를 표 1에 요약하여 놓았다. 열플라스마가 냉플라스마와 상대적으로 구별되는 가장 두드러진 특징은 최소한 0.1기압(104 Pa) 이상의 고압에서 LTE 상태를 이루고 있어서, 기체와 같은 온도를 갖는 전자의 밀도는 1016 cm－3 이상을 유지하고 있는 점이다. 따라서 대기압(105 Pa)에서 아크방전으로 Ar 열플라스마를 생성하는 경우에 필요한 전장과 기체압력의 비는 E/P ≈ 1 V/m Pa 정도로 저전압, 고압에서 얻을 수 있는 반면에, 0.1 Pa 압력 하에 글로우 방전에 의한 비평형 플라스마는 E/P ≈ 104 V/m Pa로 고전압, 저압 조건에서 얻는다. 고밀도의 열플라스마에서는 전장에 의해 주로 가벼운 전자가 가속되어 중성입자와 잦은 충돌에 의해 에너지가 전달되어 모두 Maxwell-Boltzman 속도분포를 갖고 열평형에 이르나, Plank법칙은 적용되지 않아 LTE 상태로 정의한다. 전자충돌에 의한 이온화-재결합 평형에 대한 Gibbs 자유에너지 최소화로부터 일종의 질량작용법칙인 Saha식을 얻어 성분입자 밀도 간의 비를 나타낼 수 있고, Dalton의 분압법칙과 플라스마 기본성질인 준중성(quasineutrality) 조건을 이용하면 성분 입자들의 밀도나 이온화율을 구할 수 있다. 1기압 아래에서 N2의 방전을 살펴보면, 10,000 K 이상에서는 분자가 모두 해리되어 원자 상태로만 존재하고, 15,000 K에서 질소 원자의 이온화가 최대로 되며, 20,000 K이상에서는 사실상 원자, 분자가 거의 다 이온화되어 완전 전리된 상태로 100 %에 가까운 이온화율을 나타낸다. 열플라스마의 열역학적 성질인 질량밀도, 유체속도, 온도, 엔탈피 등은 질량, 운동량, 에너지 보존을 나타내는 자기유체역학(MHD)식으로부터 해석적으로 찾거나 플라스마 진단을 통해 실험적으로 측정한다. 그 외에 내부에너지, 열용량, 엔트로피, Helmholtz 함수, Gibbs 함수 등은 앞서의 성질과 분배함수(partition function)로부터 계산해낼 수 있다. 플라스마 유체의 밀도, 속도, 온도와 전위의 불균일한 분포는 물매의 반대 방향으로 입자, 운동량, 에너지, 전하의 수송을 유발한다. 이러한 수송현상은 각각 Fick, 점성력, Fourier, Ohm의 법칙으로 표현되며, 이에 대응되는 확산계수, 점성계수, 열전도도, 전기전도도가 열플라스마의 수송특성을 나타내게 된다. 그러나 이러한 수송계수들을 결정하기 위해서는, 입자간의 충돌현상에 대한충분한 이해를 바탕으로 한 충돌 단면적들을 알아야 하는데, 이론적으로 이를 기술하기가 쉽지 않을 뿐만 아니라 실험 측정 데이터도 현재로서는 한정되어 있다. 더구나 혼합기체 플라스마나 LTE 상태에서 벗어나 있는 열플라스마 불꽃 가장자리에서는 더구나 정확한 수송계수값을 알기가 어려워, 신뢰성있는 수송계수에 대한 데이터베이스의 구축이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
열플라스마는 또한 입자간의 충돌 때문에 나타나는 들뜬 입자, 재결합 현상, 제동복사 등으로 특성 분광선이나 연속 복사선을 방출하여 매우 밝은 빛과 자외선을 발산하고 있다. 지금까지 이러한 열플라스마 복사선에 대해서 광학적으로 성기다고(optically thin) 취급하여, 복사에너지가 플라스마 내에 흡수되지 않고 통과하는 대표적인 열손실 메카니즘으로 다루어졌고, 분광분석에 의한 열플라스마 온도, 밀도 등의 측정에 유용하게 이용되고 있다. 그러나 압력의 증가와 더불어 복사선의 흡수 효과가 커지며 광학적으로 짙어져서(thick), Ar의 경우에 107 Pa, 20,000 K 이상에서는 흑체복사체로서의 특성을 나타낼 수 있다는 연구들이 있다.
직류 플라스마 토치에서 분출되는 열플라스마 제트는, 토치 내부의 음극과 양극 사이의 아크 방전과 주입기체와의 상호작용으로 플라스마 기둥(column)이 형성되고, 이것이 토치 외부로 확장된 결과이다. 음극으로부터의 전자방출 메카니즘은 아직까지도 논란의 대상으로 정확히 밝혀지지는 않았지만, 수많은 음극점(cathode spots)으로 나타나는 장방출(field emission)과 이에 수반되는 음극가열에 의한 3,000∼4,000 K에서의 열전자 방출인 것으로 알려져 있다. 음극점은 10 Ռm 이하의 반경과 10－6 sec 이하의 짧은 수명을 가지고 있으나, 연속적인 발생으로 음극주위를 빠르게 움직이는 다량의 음극점들로 아크 뿌리(arc root)를 형성하게 되며, 106 - 108 A/cm2의 전류밀도, 107 V/cm의 전장의 세기, 106 W/cm2의 열다발이 나타난다. 결과적으로 이 강력한 아크 전류와 전자력이 펌핑 작용을 하여 수백 m/s의 유속을 갖는 음극 제트를 유발하여 플라스마 기둥으로 전개된 것이다. 원통이나 노즐 형태로 된 양극에서는 차가운 양극벽 근처의 경계층 영향을 받아 플라스마 기둥이 가늘게 수축되며, 아크 기체의 성분과 주입방법, 양극직경, 아크전류 크기에 따라 그 형태가 결정된다. 양극벽 근처의 경계층이 부분적으로 충분히 가열될 때 플라스마 기둥은 불안정해져 벽표면으로 아크가 국부적으로 미세하게 튀어서(strike) 이것이 신장되면, 플라스마 기둥의 불안정한 난류지역과 양극 벽면 사이에서 절연파괴가 일어나 양극에서 또 다른 아크뿌리가 형성되는 'restrike mode'가 나타나게 된다. 이 결과로 50 %의 전압 강하와 함께 50 %의 전력이 플라스마 기체 내에서 소모되면서 열팽창이 배가되어 플라스마 기둥이 출구 쪽으로 밀려 끊어진다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 열플라스마 제트는 restrike mode의 반복에 의한 플라스마 기둥의 밀어내기 연속으로 볼 수 있으며,[3-5] 이러한 요동(fluctuation)의 빈도는 수∼20 kHz에 달하나, 우리는 이러한 빠른 난류(turbulence) 현상을 시각적으로 감지할 수 없기 때문에 토치에서 분출되는 열플라스마가 안정된 층류(laminar)를 이루는 불꽃 제트 형태로 관측하는 것이다. (a)-(c)에서는 양극 아크뿌리의 생성 후 플라스마 기둥의 성장과 더불어 플라스마 제트 불꽃의 방출이 일어나고 (d)에서 다시 restrike mode에 의해 새로운 아크뿌리 발생과 함께 플라스마 기둥이 분리되는 것을 보여준다.[3,5] 3. 열플라스마 모델링 및 진단계측 열플라스마와 그 공정에 있어서 관련 시스템과 변수들이 매우 복잡하고 서로 연관이 되어 있기 때문에, 모델링과 계측은 대부분 단순화된 기하학적 모델이나 한정된 변수에 대하여 수행되고 있다. 특히 이론적인 모델링은 해석적 방법으로는 실제 시스템과 공정에 관한 정확한 정보를 제공할 수 없기 때문에, 전산 모델링을 통한 수치해석으로 열플라스마 내에서 일어나는 아크와 기체간의 상호작용, 유체역학적 성질, 난류현상, 주변기체의 혼합 영향, 플라스마-주입입자 간의 상호작용, 혼합 기체 간의 화학반응에 관한 예측과 실험 해석을 주로 하면서 시스템 설계와 최적 공정변수 산출에 활용하고 있다. 전산 모델링에서는 LET를 전제로 한 2차원 MHD 모형과 난류효과를 고려한 k-ㄅ 모형을 주로 채택하여 열역학적 성질들을 찾아내고 있으며, 이들은 측정결과와 비교적 잘 일치하고 있다. 예를 들어 그림 3은 비이송식 직류 아크 토치의 내부와 외부에서 분사되는 열플라스마의 온도와 속도 분포를 수치모사로 찾은 것이다.[6] 그러나 엄밀한 의미에서 열플라스마는 난류이기 때문에 이런 시간 평균값으로서의 여러 성질들은 열플라스마 공정을 완벽하게 기술하기에는 불충분하며, 최근에는 큰 난류요동 효과를 찾기 위한 3차원의 대형 전산코드 개발을 시도하고 있으나 아직 해결과제로 남아 있다. 또한 0.1기압 이하에서 운전되는 플라스마 제트나 전극과 불꽃 가장자리의 경계층에서는 LTE가 아닌 비평형 상태이기 때문에, 이러한 효과를 고려한 수치모사가 진행 중에 있으며, 아크가 전위의 최저점에서 시작된다는 Steenbeck 최소원리를 도입하여, 양극에서의 정확한 아크뿌리 위치를 결정하여 수치해석 결과의 정밀성을 높이고 있다.
열플라스마 용사, 합성, 분해, 화학증착(CVD) 등과 같은 소재공정에서는 분말입자나 반응기체가 여러 가지 상으로 플라스마와 혼합된 형태로 존재하면서 이들 간에 운동량과 에너지를 교환하여, 고속 용융입자의 분사나 기상상태에서 화학반응에 의한 새로운 산물이 생성된다. 플라스마-입자 상호작용이나 플라스마 화학반응에 관한 전산 모델링은 이러한 과정의 결과로 나타나는 물리 화학적 변수들과 현상을 설명해 준다. 이때 입자와 기체가 공간적으로 급한 물매를 가지고 혼합된 열플라스마의 경우, 열역학적 성질, 수송계수, 화학 반응율을 어떻게 정확하게 수치해석에 반영하느냐가 실험이나 공정 데이터와 잘 들어맞는 결과를 얻어내는 관건이 된다.
열플라스마의 온도, 밀도, 엔탈피 등의 분포는 물론 주입분말의 온도, 속도, 상변화 등에 관한 정확한 진단 측정은, 열플라스마처럼 4,000 K/mm의 급격한 온도물매, 강렬한 복사선 세기, 높은 열다발, 20 kHz에 이르는 요동의 난류 성질로 인해 매우 복잡하고 어려운 실험 중의 하나이다. 다른 저온 및 고온 플라스마 진단에서 흔히 채택하고 있는 탐침법, 열플라스마와 분말입자로부터의 복사선을 이용한 분광법, 고주파나 레이저를 입사시켜 투과, 흡수, 반사, 산란의 반응을 측정하는 기법이 역시 열플라스마 계측에도 사용되나,[4-7] 자세한 진단기법의 설명은 지면 관계상 생략하고 대상 측정변수에 따라 흔히 사용되고 있는 측정법을 몇가지만 열거하겠다.
Langmuir 탐침법으로 단일, 이중, Mach 탐침을 각각 사용하여 전자온도, 밀도, 유속을 측정할 수 있고, 엔탈피 탐침으로는 열플라스마의 국부적인 열함유량, 유속, 온도를 알 수 있다. 일반적으로 온도분포는 방출 분광분석법으로 Abel 변환을 통해 결정하고, 이외에 CARS나 Rayleigh와 Thomson 산란법이 이용되기도 한다. 최근에는 10－4∼10－5 sec의 샤터 속도를 갖는 비데오 카메라를 사용하여 플라스마 제트 요동현상과 분사입자 거동을 관측하기도 하고, 초음파 분광측정으로 아크 뿌리의 움직임이나, shadow graphy나 Schlieren 사진법으로 급작스런 난류전개를 탐지하기도 하며, 컴퓨터 단층촬영(tomography) 기법을 도입해서 3차원 형상을 찾는 시도들도 있다. 분사입자의 속도와 크기의 계측은 레이저 간섭법, 레이저 도플러 속도계(LDA), 비행시간법(TOF)인 레이저 2초점법(L2F)이 있고, 입자 표면 온도는 2색 고속고온계로 보통 측정한다.
열플라스마 공정기술
1. 플라스마 용사(Plasma Spraying) 플라스마 용사에 의한 코팅 기술은 열플라스마 제트 속에 10∼100 Ռm 크기의 분말을 주입, 용융시켜 초고속으로 모재 위에 분사하여 급냉응고에 의한 주로 기계적 결합력으로 금속 모재 표면에 용착시켜 적층하거나 충진하는 방법이다. 다른 화염 용사와 같은 방법으로는 도저히 얻을 수 없는 15,000 K에 가까운 초고온을 플라스마 토치로부터 얻을 수 있어서, 특히 고융점의 W, Mo 같은 금속과 세라믹의 코팅에는 필수적이며 유일한 용사기법이다. 따라서 피막재의 재료특성을 살려 내마모, 내부식, 내열 및 열장벽, 초경, 내산화, 절연, 마찰특성, 방열, 생체기능, 내방사성의 특성을 나타내는 고기능성 소재를 생산해 낼 수 있다. 또한 CVD나 PVD 등 다른 코팅 방법에 비해 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 in-situ로 쉽게 코팅할 수 있을 뿐만 아니라, 부품의 결함, 파열, 마모, 훼손 부위의 재생과 수리, 공차 조정 등에 사용됨으로써 경비절감과 수명연장 효과도 동시에 얻는데 매우 중요한 기여를 하고 있다.
직류 비이송식 토치가 등장한 1950년대 이후에 플라스마 용사는 응용 기술이 정착되어 폭발적인 성장을 거듭하였고, 최근에는 항공기 가스터빈의 핵심부품을 비롯한 각종 산업의 기계부품과 장비의 표면 기능성 강화 보호피막 기술에서부터 공학 구조재의 성형 기술에 이르기까지, 항공우주, 전력, 자동차, 화학, 섬유제지, 원자력, 군수, 의료, 전기전자 등의 다양한 산업분야에서 활용되고 있다. 그림 4는 자동차 엔진 부품에 플라스마 용사 코팅이 활용되는 예를 보여준다.[8] 미국, 캐나다 등의 북미지역 시장의 30∼40 %는 항공기 가스터빈의 고부가가치 제품으로 팬, 압축기, 터빈 등의 5,500 부품에 대한 열장벽, 공차조정, 내마모 밀봉 코팅이 주 대상으로, 1995년의 거래액이 10억 달러를 초과했으며 2000년에는 18억에 달할 것으로 전망하고 있다.
플라스마 용사에 상업적으로 사용되는 토치는 대개 30∼80 kW급의 직류 비이송식 아크 토치로 Ar과 H2가 4:1 정도로 섞인 60 l/min 내외의 혼합기체 열플라스마인 경우가 많으며, 시간당 3∼5 kg의 분말을 주입하여 50∼60 %의 부착효율로 수백 Ռm∼50 mm 두께의 고밀도 고부착력의 피막을 얻는다. 대부분 대기압의 분위기에서 상압용사(APS) 공정으로 작업하기 때문에, 분사과정에서 주변 공기가 플라스마 제트 불꽃 내에 혼입되어 결과적으로 기공도가 높고 부착율이 약해지며, 피막재에 따라 산화물 또는 질화물이 형성되어 불순물이 섞인 코팅을 얻을 수도 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 공기 접촉 차단 목적으로 불꽃 주위를 감싸는 불활성 shroud 기체를 분사하는 용사방법이나 진공 플라스마용사(VPS)의 기법이 개발되었다. VPS의 경우, 0.1기압 내외의 압력이 유지되는 진공용기 내에서 초음속의 플라스마 제트로 용사를 하여, 기공도를 0.5 % 이하로 낮춘 고밀도 고순도의 고품질 피막을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 플라스마 제트 소음 및 자외선과 용착 안된 분사분말 등 공해요인을 밀폐된 진공용기 내로 한정시키는 환경 측면에서 유리한 점도 동시에 가지고 있으나, 진공설비에 따른 투자비의 부담이 증가된다.
최근에는 이송식 토치를 PTA (Plasma Transferred Arc) 표면강화에도 이용하고 있는데, 모재를 양극으로 하여 열플라스마로 형성된 표면의 용융풀 내에 강화 합금 분말을 주입하여 용융냉각시키면 강철이나 주철의 표면 강도가 획기적으로 개선된다. 고주파 토치는 직류 토치에 비해 열플라스마의 온도와 속도가 낮고, 이동이 자유스럽지 못하기 때문에 용사 목적으로는 별로 활용되지 않는다.
2.초미세분말 합성(Ultrafine Powde Synthesis) 직류, 고주파, 또는 직류-고주파 혼성 토치의 열플라스마 내로 분말 및 액상의 precursor를 주입하여 완전 기화시켜 기상상태로 만들고 반응기체를 혼입시키면, 그들 사이에 화학 반응이 일어나고 그 반응 산물의 핵생성과 성장을 돕기 위해 냉각기체로 급냉(quenching)을 시키면, 0.1 Ռm 이하의 초미세분말로 질화물, 탄화물, 산화물 등의 세라믹을 합성할 수 있다. 예를 들면 Al 분말과 N2 기체로부터 Si3N4, W과 CH4에 의한 WC, Mg와 O2에서 MgO의 초미세분말을 열플라스마 환경에서 합성하여 얻는다.
초미세분말은 직경이 수십∼수백 nm 단위로 체적 특성이 감소되고 표면적(수십∼수백 m2/g)이 상대적으로 매우 커서, 표면 특성에 의해 새롭게 나타나는 물리화학적 성질로 인해 특이한 물성 변화가 나타나므로, 세라믹의 소결 및 박막 제조의 원료분말이나 큰 계면활성을 이용한 촉매로서 사용된다. 재래식 합성법에 비해 플라스마 합성에서는 열플라스마가 고온 고열량을 가지고 있으며 열전달 속도가 빨라 피열 물체의 급속 가열에 의한 기상 변화를 신속히 할 수 있고, 전자, 이온, 원자 등과 같은 라디칼들이 많아 화학반응율이 높으며, 실험조건 및 공정 분위기 제어와 오염 방지가 용이하여, 고순도의 초미세분말을 대량으로 생산할 수 있는 장점을 가지고 있다.
3.열플라스마 화학증착(TPCVD) TPCVD는 앞서의 플라스마 합성과 유사하나, 잘 혼합된 기상의 precursor와 반응기체들이 플라스마 불꽃 끝의 비평형 영역을 지나 냉각 모재판 표면에서 화학반응에 의한 핵생성 및 성장으로 고밀도의 균질한 결정을 갖는 고품질의 합성 피막을 만든다. 용사 코팅에서 용융입자의 모재 충돌에 의한 급냉응고의 물리적인 과정으로 얻는 피막과는 구별되는 화학적인 과정의 산물이다. 또한 대기압에 가까운 높은 압력에서 시행되기 때문에, 재래식의 화학증착(CVD)이나 저압의 글로우 플라스마를 이용한 PECVD에 비해 높은 증착율을 얻을 수 있고 공정 제어가 편리한 장점이 있다. 고주파 토치가 불꽃 영역이 크고 속도나 에너지 밀도가 이 공정에 적합하기 때문에 직류 아크토치에 비해 많이 사용된다. 그림 5에 H2와 CH4를 반응기체로 한 직류 아크토치에서의 다이아몬드 코팅과 Y, Ba, Cu의 질화물을 증류수에 섞어 고주파 플라스마 내로 분무시켜 초전도체 후막을 제조하는 예를 보이고 있다. 특히 값싼 방법으로 다이아몬드 코팅을 얻을 수 있기 때문에, 선반, 절단기, 드릴 등의 공작기구에 초경 코팅을 하여 반영구적인 수명을 유지할 수 있고, 실리콘을 대치하여 높은 열전도성을 가진 다이아몬드가 고부가가치의 반도체 소재 생산에 초전도체 후막과 함께 사용될 수 있어 TPCVD가 최근에 특히 각광을 받고 있다.
4. 열분해에 의한 폐기물처리 및 석탄가스화 다양한 기체의 열플라스마는 높은 온도와 열용량으로 인해 유기화합물을 열분해시켜 C, CnHm, CO, H2와 같은 화학적으로 안정된 화합물과 연소가스로 열분해 시킬 수 있고, 무기화합물은 용융시킨 후 아주 미세한 물질로 분해하여 고형체로 유리화 시킬 수 있다. 따라서 대상물이 유해폐기물이나 석탄인 경우에 열분해에 의한 연소가스 생산으로 정화와 재활용을 기할 수 있고, 유리화를 통해 비여과성 형태로 부피를 획기적으로 줄일 수 있어서 환경문제 해결 측면에서 열플라스마 이용이 매력있는 처리기술일 수 밖에 없다.
5.유도결합플라스마(ICP) 재료분석 고주파에 의한 유도결합플라스마 내에 미지의 물질을 주입하여 이때 방출되는 분광선이나 사중극으로 분리해낸 이온을 사용하여, 방출분광분석(ICP-OES)이나 질량분석법(ICP-MS)으로 극미량의 원소를 정성정량적으로 검출하는 방법은 이미 오래 전부터 재료분석 분야에서 널리 이용되어 왔다. 극미량으로도 정밀 정량분석이 가능하고 신속하게 다원소 분석과 동위원소 존재비를 측정할 수 있는 장점이 있어서, 환경, 의료, 생화학, 지질학, 산업체, 식품 등에서 광범위하게 쓰이는 기술이다. 원자력 분야에서는 환경 중에 극미량으로 존재하는 장반감기 인공 방사성핵종의 방사능 감시를 통해 원자력 시설 주변감시와 방사능 오염 조기탐지에 이용되고, 방사성 동위원소비 측정에 의한 방사성핵종의 기원을 파악하는 수단으로 활용될 수 있다.
6.플라스마 금속야금 소모성 흑연 전극을 사용한 전기 아크로를 철의 용융이나 제련에 사용하기 시작한 것은 거의 100년에 가까운 역사를 가지고 있으나, 최근에는 비소모성 전극 주위에 Ar같은 불활성 기체를 흘려주면서 직류 또는 교류 아크 열플라스마로 수십 MW까지 얻어내는 비이송식 또는 이송식 플라스마로가 상업적으로 운용되고 있다. 따라서 종래 아크로에 비해 용융 효율이 높고, 전극물질의 침식에 의한 불순물 오염의 걱정이 없으며, 높은 압력의 분위기 가스를 제어하면서 용융이 이루어져 산화 오염이 줄어들고, 높은 증기압으로 구성물질의 손실을 최소화하여 생산 수율이 높고, 아크의 불안정성이나 소음이 상대적으로 적으며, 간편하게 장치를 구성하여 전기 이용율을 최대화할 수 있는 장점을 플라스마로가 가지고 있다. 이러한 플라스마로는 재래식 용광로에서는 성형하기 어려운 특수 금속과 합금의 용해, 정련에 이용되고, 원광으로부터 순수 금속이나 합금의 추출, 금속의 재용융 및 가열에 쓰인다. 그러나 시간당 30 ton 이상의 경제성 있는 제강 능력을 갖기 위해서는 100 MW에 가까운 플라스마로의 용량이 요구되어, 다중의 토치 배열 운전이나 전극 크기에 제약을 받는 비소모성 전극 대신 대형 공동형 흑연 전극을 사용한 토치의 운용에 대한 연구개발 노력이 진행되고 있다.
7.플라스마 절단 및 용접 아크, TIC, MIG 용접기나 플라스마 절단기는 아크 플라스마의 고온고열로 대상 금속을 국부적으로 용융시켜 이를 이용한 장치로, 우리 주변에서 일반 산업의 장치나 설비의 제작 및 해체에 전통적으로 널리 쓰이고 있는 기술이다. TIG (tungsten inert gas) 용접은 비소모성 W 전극과 금속모재 전극 사이에 아크를 발생시키면서 그 주변에 불활성 기체를 흘려 모재 용융금속을 주변공기에 의한 산화 오염을 막으면서 고화 접합시키는 반면에, MIG(metal inert gas) 용접은 소모성 금속 전극을 사용하여 아크로 녹여 접합부분을 채워서 용접하는 것이 다르다. 절단기의 아크 플라스마는 높은 열다발을 갖고 더욱 집속된 형태로 발생시켜 용융된 모재금속을 날려버려 빈 상태를 만들어 절단의 효과를 얻는다. 최근에는 컴퓨터 프로그램으로 로봇트에 의한 자동공정으로 복잡한 형상의 대상물을 정교하게 자동적으로 용접, 절단 처리하는 기법들이 실용화되었다. 또한 고강도 고융점의 재료를 대상으로 한 원자로 제작은 물론, 해체시 방사성 물질이 주변 환경으로 흩어지는 것을 방지하기 위해서 수중에서 작업 가능한 아크나 플라스마 토치를 원자로 폐로에 활용하는 연구를 하고 있다.
맺음말
이상에서 살펴본 바와 같이 열플라스마와 관련하여 그 발생방법, 열역학적 및 수송 특성, 전극에서의 아크 거동과 난류현상, 고주파 결합, 아크와 기체 상호작용, 플라스마-물질 상호작용 및 화학반응 등의 복잡한 물리적 현상이 내재해 있으며, 이를 예측하고 실험해석을 하기 위한 모델링과 진단 계측이 기본적으로 전자기학, 유체역학, 원자물리, 열통계역학, 응집물리, 화학, 전산과학 등 기초과학의 이해에 바탕을 두고 있음을 알았다. 또한 열플라스마 응용 소재공정기술이 이러한 기초과학의 토대 위에 재료공학, 표면공학, 전기전자공학, 기계공학, 화학공학, 산업공정제어 등의 기술적 문제가 복합되어 있는 다양한 학문과 공학의 학제간 종합과학의 성격을 가지고 있고, 제어 불가능한 열플라스마 자체의 다변성과 공정에 관여하는 과다한 운전 및 공정 변수와 재현성 부족으로, 그 기술개발이 경험에 많이 의존하고 시행착오가 많으며 발전이 느려 과학적 측면 뿐만 아니라 한편으로는 예술적인 감각도 요구하는 것을 엿볼 수 있었다. 그러함에도 불구하고, 깨끗하며 빠른 반응으로 쉽게 일어나고, 다양한 플라스마원으로 에너지를 효율적으로 이용하면서 공정단계를 단축시킬 수 있는 열플라스마 공정기술이 첨단소재 개발과 환경문제 해결의 무한한 잠재력을 가지고 있다는 것을 파악하였다. 따라서 한계에 다다르고 해결책을 찾지 못하는 재래식 기술이나 공정의 돌파구를 열플라스마 공정기법이 제공할 수 있는 가능성을 알았다. 이러한 역할 수행의 성공을 위해서는 아직 해결되지 않은 아크 열플라스마 생성 및 거동에 대한 정확한 이론 규명, 실제 시스템에 가까운 모형에 대한 전산해석, 정밀계측을 통한 열플라스마 특성 및 수송 성질과 공정실험을 통한 최적 공정변수값에 관한 광범위한 신뢰성 있는 데이터베이스의 구축, 시스템 제어 및 공정의 자동화가 필수적으로 요구되어, 물리학도와 관련 공학도들의 많은 기여를 기대해 본다. 참 고 문 헌 [1] O. P. Solenenko and M. F. Zhukov, Editors, Thermal Plasma and New Materials Technology (Cambridge Interscience Publishing, Cambridge, 1994 & 1995), Vol. 1, 2. [2] M. I. Boulos, P. Fanchais and E. Pfender, Thermal Plasmas (Plenum Press, New York, 1994), Vol. 1. [3] P. Fanchais and A. Vardelle, IEEE Trans. Plasma Sci. 25, 1258 (1997). [4] R. Benocci, G. Bonizzoni and E. Sindoni, editors, Thermal Plasmas for Hazardous Waste Treatment (World Scientific, London, 1996). [5] J. F. Coudert, M. P. Plauche and P. Fauchais, Plasma Chem. Plasma Process. 15, 47 (1995). [6] K. D. Kang and S. H. Hong, IEEE Trans. Plsma Sci. 24, 89 (1996). [7] O. Auciello and D. L. Flamn, editors, Plasma Diagnostics, Vol. 1 (Academic Press, Boston, 1989), Chap. 7. [8] A. R. Nicoll, Sulzer Tech. Review 3/94, p. 28 (1994). [9] 최현구, 물리학과 첨단기술 6(3), 35 (1997).
플라즈마에 대한 이해
  원거리작용을 하는 쿨롱힘이 전하 사이에 작용하므로 근거리의 국부상태(局部狀態)보다는 먼 곳의 상태의 영향을 받아서 전체가 함께 움직이는 집단행동을 하는 특성을 지니고 있다. 1928년 미국의 I.랭뮤어가 전기방전시 생긴 이온화된 기체에 플라스마라는 개념을 쓴 것이 최초이다. 그리스어(語)로부터 유래한 말로서 그 원래 뜻은 틀에 넣어서 만든 것, 조립된 것 등이다. 집단행동의 특성이 말해주듯이 실제로 플라스마를 다루는 데는 외부에서 쉽게 조절된다고 하기보다는 플라스마 자체가 멋대로 행동하는 것이 보통이어서 원래 붙여진 이름이 잘못된 것이라는 견해도 있다. 고체·액체·기체(물질의 세 상태)에 이어 플라스마를 제4의 물질상태라 한다. 온도를 차차 높여가면 거의 모든 물체가 고체로부터 액체 그리고 기체 상태로 변화한다. 수만 ℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라스마 상태가 된다. 일상 생활에서는 플라스마가 흔하지 않으나 우주 전체를 보면 흔하다고 할 수 있다. 그것은 우주 전체의 99 %가 플라스마 상태라고 추정되기 때문이다. 그 예로 형광등 속의 전류를 흐르게 하는 전도용 기체, 로켓이나 번개칠 때 기체 속에 섞여 있는 이온화된 기체, 북극 지방의 오로라, 대기 속의 전리층 등이 있으며, 대기 밖으로 나가면 지구 자기장 속에 이온들이 잡혀서 이루어진 밴앨런대(帶), 태양으로부터 간헐적으로 쏟아져 나오는 태양풍(太陽風) 속에 플라스마가 존재한다. 별 내부나 그를 둘러싸고 있는 주변 기체, 별 사이의 공간을 메우고 있는 수소 기체는 플라스마 상태이다. 플라스마를 이루는 각 개체가 전기(電氣)를 띠고 있어서 중성 기체와는 성격이 판이하게 다르다. 전기전도도가 크고 금속 전도체와 같이 전류가 표면에만 국한되어 흐르며, 내부에는 거의 흐르지 않는다. 밖에서 전기장과 자기장을 가하면 전하로서 힘을 직접 받아서 쉽게 영향을 받지만 전하 밀도가 커짐에 따라 개개의 운동과는 다른 집단운동을 한다. 핵융합(核融合)에서 필요로 하는 자기폐쇄(磁氣閉?란 전하가 자기력선을 따라가는 것을 이용한 것이다. 자기력선을 적당히 변형시켜서 공간의 한 장소에 국한시켜 놓음으로써 플라스마를 그곳에 가두어 두려는 것이다. 종래는 지구 주위와 천체의 플라스마와 관련되어 지구물리학과 천체물리학에서 플라스마 연구가 시행되어 왔으나 근래에는 플라스마의 전기적 성질을 이용한 전자기유체역학(MHD)적 발전, 우주 장거리 여행용 로켓의 이온엔진 및 핵융합 연구 등을 위해서 연구가 진행되고 있다. 플라스마 실용의 예로는 전자기유체역학적 발전기와 우주선의 이온 엔진을 들 수 있다. 높은 밀도의 플라스마를 고정된 자기력선을 횡으로 자르도록 내뿜으면 자기력선과 작용하여 양전하와 음전하를 띤 플라스마의 입자가 갈라져서 두 전극 사이의 전위차를 만든다(［그림 1］). 이 전극을 연결하면 전류를 얻게 되는데 보통 발전소의 비효율적인 열순환 과정을 거치지 않는 장점이 있다. 이 원리를 반대로 이용한 것이 이온엔진이다. 자기장 속의 플라스마에 전극으로부터 강한 전류를 자기력선에 수직으로 통과시키며 자기장과 전류 상호작용으로 생긴 힘이 플라스마를 우주선 밖으로 뿜어낸다. 이 반작용으로 우주선은 앞으로 나가는 힘을 얻는다(［그림 2］). 원자로에서는 핵분열에너지를 이용하는 데 반해서 핵융합로에서는 원자핵이 모여서 다른 하나의 원자핵으로 융합할 때 생기는 에너지를 이용하려는 것이다. 원자핵은 양전하를 띠고 있어서 반발력이 제일 적은 수소의 동위원소인 이중 및 삼중수소를 핵융합에 이용한다. 핵융합 연구는 크게 자기폐쇄법과 관성폐쇄법으로 나뉜다. 플라스마와 자기력선의 상호작용을 이용하여 일정한 장소에 폐쇄하려고 하는 것이 자기폐쇄법이고, 관성폐쇄법이란 미소한 중수소 입자를 레이저나 상대론적 초고속 전자 선속(線束)이나 고속 양이온 선속과 같이 높은 에너지를 가지고 있는 선속으로 사방에서 고르게 단시간에 조사(照射)하면 입자가 안으로 폭발 축소되어 스스로의 관성에 의해서 폐쇄되고 그 과정에서 핵융합을 일으키는 방법이다. 자기폐쇄방법은 다시 닫힌 폐쇄법과 열린 폐쇄법의 두 가지로 나뉜다. 토카막(Tokamak)이나 스텔러레이터(Stellerator)가 닫힌 폐쇄법의 대표적인 장치이고, 자기거울(magnetic mirror)과 탠덤미러(tandom mirror)가 열린 폐쇄법의 대표적 장치이다. ① 토카막: 이러한 자기력선은 관내 플라스마의 안정성을 위해 필요하며 플라스마 속의 전류는 이렇게 안정성에 기여할 뿐만 아니라 가열(ohmic heating)까지 하는 이중 역할을 한다. 한국에서도 92년 한국원자력연구소에서 플라스마 온도가 600 ℃로 설계된 토카막이 완성되어 실험 중이며, 보다 큰 성능을 갖는 핵융합실험장치의 제작을 연구 중에 있다.
② 자기거울:
플라스마, 미래를 만드는 방전
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