플라즈마

1. 플라즈마란?

물질의 형태는 압력 온도 등 주변조건에 따라 고체, 액체, 기체중의 한 가지 상태를 취하는 것이 일반적이며, 이것을 물질의 상(phase)상태라 한다. 예를 들어 H2O 분자로 구성된 물의 경우, 0℃이하에서는 얼음(고체)이지만 0℃~ 100℃ 사이에서는 물(액체)이 되고, 100℃ 이상에서는 수증기(기체)로 된다.

이러한 상의 변화는 주변의 온도 변화에 의한 분자들의 운동 에너지의 변화에 기인하는 것으로, 분자의 운동에너지는 고체, 액체, 기체의 순으로 높아진다.

만약 주변온도가 2000℃ 이상이 되면 H2O 는 H와 OH 혹은 2H와 O 등으로 나뉘어지는 해리(dissociation) 과정을 거쳐, 더욱 고온이 되었을 때, 수소와 산소 원자는 전리(ionization)되어 원자의 구성요소인 전자와 이온으로 나뉘어진다. 이렇게 전리되어 있는 기체 집단을 플라즈마(Plasma)라 한다.

결국 H2O는 그 형태를 구성하고 있는 입자의 운동 에너지의 차이에 의해 고체, 액체, 기체 그리고 플라즈마의 상태로 존재 할 수 있으며, 가장 에너지가 높은 물질의제 4의 상태(the fourth state of matter)라 할 수 있다.

[그림 1] 물질의 상

 

2. 플라즈마의 종류

1) 자연계 플라즈마
태양을 비롯한 우주 대부분이 전리 기체로 되어 있으며, 태양흑점(sun spot), 극지 에서 나타나는 오로라(aurora), 낙뢰(thunder), 태양으로부터 방사되는 태양풍 (solar wind), 그리고 대륙간 장거리 전자통신을 가능케 하는 전리층(ionosphere) 등이 있다. 

2) 열 플라즈마
기체의 원자나 분자가 가열 전리되어 생성되는 것으로 화염 플라즈마로 대표된다. 일반적인 화염의 온도는 1,000~3,000 K 정도이며, 연소 및 다량의 발열을 동반한 화학반응이 급속히 일어나면 열 플라즈마가 발생한다.

3) 방전 플라즈마
전기 방전에 의해 전리된 기체로 기체의 압력 등 주변의 조건에 따라 글로우 방전 플라즈마, 아크 방전 플라즈마, 코로나 방전 플라즈마, 고주파 방전 플라즈마 등으로 나눌 수 있다. 이들 플라즈마의 생성조건 및 특성에 따라 여러 산업 분야에 활발한 응용이 시도되고 있다.

[그림 2] 플라즈마의 종류

 

3.  플라즈마의 생성

[그림3]의 회로에 비교적 저기압 상태 하에서 인가전압(V)을 서서히 증가시켜 가면 [그림4]와 같은 전형적인 전압-전류특성을 얻을 수 있다.

[그림 3] 방전 회로

 

[그림 4] Voltage-current characteristics of low pressure discharge

[그림4]에서 a∼b 구간은 기체가 절연체로써 작용하는 구간으로써 인가전압은 그대로 단자전압이 된다. 전압이 상승하게 되면 전리작용 및 음극에서의 전자 방출작용에 의해 전자와 이온의 수가 증대하여 양극 측에 플라즈마의 영역을 형성하게 되며, 플라즈마의 도전성 때문에 사실상 양극이 플라즈마 선단까지 연장되어 있는 형태로, 가상적인 양극과 음극사이에 자속방전이 유지되게 한다.

따라서 Paschen 법칙의 (Pd)>(Pd)min의 영역에서 d가 감소하여 (Pd)가 작아지면 자속방전의 유지에 필요한 전압이 낮아지므로 일단 자속방전이 개시되면 방전전류가 급격하게 증가하여 절연파괴에 이른다 (b∼c).

한편 (Pd)min 부근에 도달하면 방전영역이 음극 전체로 확장될 때까지 거의 VB min 에 가까운 값을 유지하게 되며(c∼d), 더욱 인가전압을 상승하면 (Pd)가 (Pd)min보다 작아지므로 방전유지를 위하여 보다 높은 전압이 필요하게 된다 (d∼e).

방전전류를 더욱 상승시키면 이온충돌에 의한 음극표면에서의 2차 전자방출 이외의 열전자 방출 등 다른 전자방출 기구가 중요한 방전유지 기구로 작용하게 되어 아크상태로 전이한다 (e∼f).

4. 인가전압 파형에 따른 방전 플라즈마 분류

플라즈마 생성을 위해 인가하는 전위의 시간적 변화에 따라 다음과 같이 분류된다.

1) 직류 방전 플라즈마
외부 전원에서 일정전압을 인가하여 생성되는 플라즈마로 전자온도가 10,000 K 정도의 비교적 저온 플라즈마 생성에 이용된다.

2) 교류 방전 플라즈마
상용 주파수(50∼60Hz) 정도의 교류전압을 인가하면, 플라즈마 중의 전류의 방향이 반주기별로 변화하는 상태에서 플라즈마가 유지된다. 그 전계가 내부의 기체를 절연파괴 시킬 수 있을 정도로 충분히 강하면 플라즈마가 생성된다.

3) 고주파 방전 플라즈마
Solenoid 코일 양단에 kHz∼MHz 정도의 고주파를 인가하면 코일내에 방위각 방향으로 고주파 전계가 유도된다. 앞으로 그 전계가 내부의 기체를 절연파괴 시킬 수 있을 정도로 충분히 강하면 플라즈마가 생성된다.

4) 펄스 방전 플라즈마
기체에 매우 높은 펄스전압을 순간적으로 인가여 방전 플라즈마를 형성하는 방법이다. 고밀도의 에너지를 단시간에 집중시킬 수가 있어 고온 플라즈마의 형성도 가능하다.