플라즈마의 주요 성질과 분류

목차

플라즈마란?
플라즈마의 주요 성질
플라즈마의 분류
플라즈마의 활용

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플라즈마란?

플라즈마는 고체, 액체, 기체에 이어 제4의 물질 상태로 불리는 이온화된 기체입니다. 즉, 원자나 분자로부터 전자가 떨어져 나와 양전하를 띤 이온과 음전하를 띤 자유 전자가 혼합된 상태의 물질입니다. 플라즈마는 태양, 별, 우주 공간 등 자연적으로 존재하며, 지구상에서는 번개, 형광등, 플라즈마 TV, 반도체 제조 공정 등에서도 볼 수 있습니다.

 

물질의 4가지 상태 (출처: FEMTOScience.co.kr)

 

플라즈마의 주요 성질

1. 전기적 중성: 플라즈마는 양전하를 띤 이온과 음전하를 띤 자유 전자가 거의 같은 밀도로 존재하여 전기적으로 거의 중성을 유지합니다.
2. 높은 전기 전도성: 플라즈마는 자유 전자 덕분에 높은 전기 전도성을 가지고 있습니다. 전기장에 노출되면 쉽게 전류를 흐르게 합니다.
3. 높은 반응성: 플라즈마는 에너지 상태가 매우 불안정하여 높은 반응성을 가지고 있습니다. 주변 환경과 쉽게 반응하여 화학 반응을 일으키거나 빛을 방출합니다.
4. 광 방출: 플라즈마는 에너지를 방출하면서 빛을 내는 특성이 있습니다. 플라즈마의 종류와 온도에 따라 방출되는 빛의 색깔과 강도가 다릅니다.

플라즈마 그림

 

플라즈마의 분류

1. 전자 온도와 기체 온도 비율에 따른 분류

• 열 플라즈마 (Thermal Plasma): 전자 온도와 기체 온도가 비슷한 플라즈마입니다. 태양, 별, 우주 공간에서 볼 수 있으며, 고온 플라즈마라고도 불립니다. 대표적인 예시로는 태양, 별, 플라즈마 토치, 아크 플라즈마가 있습니다. 
• 저온 플라즈마 (Non-thermal Plasma): 전자 온도가 기체 온도보다 훨씬 높은 플라즈마입니다. 비평형 플라즈마라고도 불리며, 상온 플라즈마, 냉각 플라즈마 등을 포함합니다. 대표적인 예시로는 형광등, 플라즈마 TV, 플라즈마 스칼펠, 대기압 플라즈마가 있습니다. 

 

2. 밀도에 따른 분류

• 고밀도 플라즈마 (Dense Plasma): 1cm³당 10¹⁰개 이상의 전하를 가진 입자가 존재하는 플라즈마입니다. 대표적인 예시로는 태양, 별, 핵융합 반응에서 볼 수 있습니다. 
• 저밀도 플라즈마 (Low-density Plasma): 1cm³당 10¹⁰개 이하의 전하를 가진 입자가 존재하는 플라즈마입니다. 대표적인 예시로는 네온사인, 플라즈마 디스플레이, 우주 공간 등이 있습니다. 

 

3. 발생 방식에 따른 분류

• 직류 플라즈마 (DC Plasma): 직류 전류를 사용하여 발생시키는 플라즈마입니다. 대표적인 예시로는 형광등, 플라즈마 스폔이 있습니다. 
• 교류 플라즈마 (AC Plasma): 교류 전류를 사용하여 발생시키는 플라즈마입니다. 대표적인 예시로는 네온사인, 플라즈마 토치가 있습니다.
• 고주파 플라즈마 (RF Plasma): 고주파 전류를 사용하여 발생시키는 플라즈마입니다. 대표적인 예시로는 플라즈마 식각, 플라즈마 CVD가 있습니다. 

 

 

4. 기타 분류

• 평형 플라즈마 (Equilibrium Plasma): 전자와 이온의 에너지 분포가 맥스웰-볼츠만 분포를 따르는 플라즈마입니다. 열 플라즈마에 속합니다.
• 비평형 플라즈마 (Non-equilibrium Plasma): 전자와 이온의 에너지 분포가 맥스웰-볼츠만 분포를 따르지 않는 플라즈마입니다. 저온 플라즈마에 속합니다.

플라즈마는 위와 같이 다양한 성질과 종류를 가지고 있으며, 이러한 특성들은 각각의 플라즈마가 활용되는 분야에 영향을 미칩니다.

 

플라즈마의 활용

• 반도체 제조: 플라즈마 식각 공정을 통해 미세한 패턴을 만듭니다.
• 평판 디스플레이 제조: 플라즈마를 이용하여 PDP, OLED 패널에 표면 처리를 합니다.
• 의료: 플라즈마 스칼펠은 종양 제거, 멸균 등에 사용됩니다.
• 환경: 플라즈마를 이용하여 대기 오염 물질을 분해하고 하수를 처리합니다.
• 농업: 플라즈마를 이용하여 종자 발아율을 높이고 농작물을 살균합니다.
• 에너지 : 플라즈마를 이용하여 핵융합 에너지를 만드는데 활용합니다. 

반도체공정에서의 플라즈마 적용예

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플라즈마는 다양한 곳에 활용되고 있으며 핵융합 에너지에도 필수적인 요소입니다. 핵융합 관련하여 관심있는 분은 아래 링크 참고하시기 바랍니다. 

 

핵융합 에너지를 얻기 위한 3가지 조건

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