플라즈마는 전자와 이온이 분리되어 섞여 있는 이온화된 물질 상태로, 고체·액체·기체에 이은 ‘제4의 물질 상태’라고도 불린다.[1][2] 태양과 항성처럼 온도가 높은 천체에서는 물질이 전리되어 전자와 이온이 혼합된 상태로 존재한다.[2]

1. 개요

번개와 오로라, 네온 램프와 수은등은 플라즈마의 사례다.[1][2] 플라즈마는 핵융합 연구뿐 아니라 반도체 제조, 소재 합성, 농업과 에너지 저장 등 여러 분야에서 쓰인다.[3]

이 물질 상태는 자연 현상과 일상 기기부터 산업 공정과 우주 추진까지 서로 다른 환경에서 나타난다.[1][2][3] 그 성질과 응용을 이해하려면 구성 입자뿐 아니라 입자들이 함께 보이는 거시적 현상과 플라즈마를 가두고 다루는 방법도 살펴야 한다.[3][4]

2. 구성 입자와 집단 현상

플라즈마에는 전자와 이온 외에도 중성 라디칼과 분자 종이 존재할 수 있다.[3] 플라즈마는 열평형 상태만으로 설명되지 않는 경우가 있으며, 입자들의 운동과 상호작용으로 나타나는 집단 현상이 중요한 연구 대상이다.[3][4]

플라즈마 물리학에서는 전기적 시스, 입자 간 충돌, 개별 입자의 운동을 살피고 이를 유체 모형으로 기술하기도 한다.[4] 평형과 파동, 전자기적 성질, 불안정성, 운동론과 비선형 과정도 주요 주제다.[4]

3. 자연 및 일상 속 플라즈마

태양과 항성 같은 고온 천체에서는 물질이 전리되어 전자와 이온이 섞인 플라즈마로 존재한다.[2] 두 출처는 우주 물질의 99.9% 이상이 플라즈마 상태일 것으로 추정하며, 지구나 행성 표면의 물질 상태가 우주 전체에서는 예외적일 수 있다고 설명한다.[1][2]

번개와 오로라는 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 현상이다.[1] 일상에서 접하는 네온 램프와 수은등은 기체의 글로 방전을 이용하는 사례로 소개된다.[2]

4. 산업 및 응용 분야

플라즈마 제트는 아크 주위에 흐르는 가스가 아크의 바깥쪽을 냉각해 열 손실을 줄이고 전류를 중앙부로 집중시키는 방식으로 작동한다.[2] 중앙부 온도는 약 2만 도에 이르며, 텅스텐이나 몰리브덴처럼 융점이 높은 금속의 가공에 쓰일 수 있다.[2]

플라즈마는 반도체 제조와 소재 합성, 의료용 용액 활성화, 농업용 전기분해, 탄소 포집과 에너지 저장에 활용된다.[3] 플라즈마를 고속으로 발사해 우주선을 추진하는 플라즈마 추진도 응용 분야로 제시되며, 핵융합 역시 중요한 에너지 연구 분야다.[2][3]

5. 핵융합 플라즈마의 가둠과 연구

핵융합 발전을 위해 풀어야 할 핵심 과제 중 하나는 약 1억 도의 플라즈마를 장시간 가두어 유지하는 기술이다.[1] 자기 가둠을 연구할 때는 자기장 구조와 입자 궤도, 평형과 안정성, 충돌과 수송, 가열, 모델링 및 진단을 함께 다룬다.[4]

토카막, 탠덤 미러, 스텔러레이터, 역자장 핀치는 플라즈마 가둠 개념의 사례다.[4] 국내 연구 사례로는 초전도 핵융합 연구장치 K-STAR와 국제핵융합로 ITER 사업을 통한 핵융합 실증로 핵심기술 연구가 소개되어 있다.[1]

6. 관련 문서

  • 핵융합
  • 제어 열핵융합
  • 플라즈마 제트
  • 플라즈마 추진
  • 방전 램프
  • 반도체 제조
  • 플라즈마 진단

7. 인용 및 각주

[1] Wwww.jeonbuk.go.kr(새 탭에서 열림)

[2] Oorg.jje.go.kr(새 탭에서 열림)

[3] Wwww.abdn.ac.uk(새 탭에서 열림)

[4] Gguide.wisc.edu(새 탭에서 열림)