플라즈마란 무엇인가? — 플라즈마 정의와 종류
**** 핵심 개념 ****
1. 이온화 반응
2. 제 4 물질 상태
3. 전자 밀도와 온도
4. 저온 플라즈마, 고온 플라즈마
5. 열적 평형 vs. 열적 비평형 상태
전 세계적으로 유명한 스타워즈에 나오는 광선검을 다들 기억할 것이다. 스타워즈에서 광선검은 굉장히 뜨거운 고온의 플라즈마로 만들어져있어서 우주에 존재하는 대부분의 물질을 자를 수 있다는 설정이다.
영화뿐만 아니라 게임에서도 플라즈마 관련 아이템들을 많이 볼 수 있고, 일반인들에게 흔히 알려진 대표적인 상품은 마법사가 사용할것만 같은 '플라즈마 구'가 대표적인 예이지 않을까 싶다.
이렇게 대중에게 플라즈마는 무언가 고에너지를 가지고 있으며 현대가 아닌 미래에 많이 활용될 법한, 신비의 물질로 여겨지고 있는것 같다.
그럼, 과학자들은 플라즈마를 어떻게 설명할까?
플라즈마는 물질의 제 4 상태로 흔히 불린다. 여기서, 물질의 상태란 우리가 잘 아는 고체, 액체와 같은 것을 의미한다.
고체(얼음)에 에너지(열)을 공급하면 액체(물)가 되고, 액체(물)에 에너지(열)을 더 공급하면 기체(수증기)가 되는 것은 익히 알고 있을 것이다.
여기에 더 많은 에너지(열)를 공급해주면 기체 원자에 속박되어 있는 전자가 분리되어 양이온과 자유 전자가 만들어지게 되는데 이러한 반응을 이온화 반응이라고 한다.
이러한 이온화 된 원자(혹은 분자)가 무수히 많이 있어 집단을 형성하게 되면, 흥미롭게도 기체와 또 다른 특성을 지니게 되는데, 기존의 고체, 유체, 기체를 해석하는 관점으로는 설명하기 어려운 또 다른 상태가 된다.
이러한 상태를 물질의 네 번째 상태라고 명명하며 플라즈마 상태라고 한다.
간단히 요약하자면, 플라즈마는 이온화된 기체로 정의할 수 있다.
[참고] 조금 더 정확하게 이야기하자면, 플라즈마 상태가 되기 위해선 단순히 '이온화된 기체들'이라는 정의만으로는 부족하고 다른 특성들을 함께 나타내야 한다. 이 부분은 다음 챕터에서 더 자세히 다루도록 하겠다.
이러한 플라즈마는 여러 종류로 나눠볼 수 있는데, 나누는 기준은 주로 '전자의 수'와 '전자의 온도'이다.
마치, 같은 참이슬이어도, 도수에 따라 참이슬 후레쉬, 오리지날로 나누듯이 플라즈마도 나눌 수 있다.
방금 '전자의 수'라고 이야기했지만, 주로 단위 부피당 입자의 수를 뜻하는 '수 밀도' 줄여서 '밀도'로 이야기를 많이 한다.
전자의 밀도, 전자의 온도 라는 개념은 상당히 중요하기 때문에 꼭 기억해두길 바란다.
주로 온도가 낮고 밀도가 낮은 플라즈마는 지구상에서 볼 수 있는 오로라라던가 불꽃이 대표적인 예이다.
이보다 조금 더 뜨겁고 밀도가 높은 플라즈마는 일상 간판에서 많이 볼 수 있는 '네온 사인'과 태풍이 휘몰아치는 날 발생하는 '번개' 등이 있다.
시야를 좀더 외부로하여 보자면, 우주에 있는 태양, 별 뿐만 아니라 행성 사이에 있는 기체도 플라즈마 상태에 놓여있기 때문에 플라즈마는 우주의 99%를 구성하는 물질로도 알려져있다.
미래의 에너지원으로 여겨지는 핵융합 기술은 인위적으로 태양을 흉내내는, '인공 태양'을 만드는 기술인데, 상기 그림에서 알 수 있듯이 약 1 억도에 달하는 엄청난 초고온의 플라즈마임을 알 수 있다.
주로 플라즈마는 저온 플라즈마 (cold plasma)와 고온 플라즈마 (thermal plasma)로 나뉘게된다.
아래는 저온 및 고온 플라즈마의 특징을 요약한 표이다.
저온 및 고온 플라즈마의 가장 중요한 차이는 플라즈마 내 입자간의 온도 차이이다.
저온 플라즈마는 전자의 온도가 이온이나 중성종 온도에 비해 매우 높은 특징을 나타내고, 고온 플라즈마는 모두 온도가 같은 상태에 있다. 전자를 열적 비평형상태(non-thermal equilibrium)라고 하고, 후자를 평형상태(thermal equilibrium)에 있다고 말한다.
통계물리학에 의하면 열적 평형/비평형은 시스템 간의 에너지 교환 유/무에 따라서 정의되는데, 이는 나중에 더 깊이 다뤄보도록 하겠다.
지금은, 저온 플라즈마와 고온 플라즈마 그리고 열적 평형/비평형의 관계에 대해서만 간단히 인지하고 넘어가주면 좋겠다.
여기서, 문득 저온 플라즈마와 고온 플라즈마를 가르는 기준이 '전자'가 아니라는 것을 알 수 있다. 이는, 플라즈마를 사용하는 유저 입장에서 바라본 관점인데, 플라즈마 외부에 에너지를 전달해주는 주요 매체가 질량이 큰 이온/중성종이기 때문에, 저온/고온을 가르는 기준이 이온/중성종 온도로 나눈 것으로 여겨진다.
호기심이 많은 구독자는 상기 표만 보더라도 상당히 많은 궁금증이 생길 수 있있는데, 다음 포스팅을 살펴봐주면 좋겠다.
오늘, 플라즈마란 무엇인가를 주제로 포스팅을 다뤄봤는데 플라즈마가 익숙하지 않은 사람에게 많은 도움이 되었으면 한다.
P.S.
관련 궁금증이나 잘못된 정보가 있다고 판단된다면 언제든 댓글을 통해 토의(discussion)를 진행해줬으면 한다.
또한, 지금 설명에 관해 지금보다 더 나은 방법이 있다고 한다면, 코멘트를 주신다면 정말 감사히 받아들이도록 하겠다.