플라즈마 응용: 생성 원리와 성질

플라즈마란

플라즈마는 기체에 에너지를 가해 일부를 이온화한 물질 상태다.

양이온, 전자, 중성입자가 섞여 있고 전체로는 양과 음의 전하 밀도가 거의 같다.

이온화된 기체라고 모두 플라즈마는 아니다. 집단 거동과 준중성이 함께 있어야 한다.

구성요소

플라즈마의 주요 구성요소는 전자, 이온, 중성입자 세 가지다.

전자는 가볍고 전계에서 가속되어 충돌 전리를 일으킨다.

이온은 질량이 커서 표면과 부딪혀 스퍼터링을 일으킨다.

중성입자는 대부분을 차지하며 화학반응의 주된 대상이다.

이 셋이 섞여 전체로는 준중성 상태를 이룬다.

생성 원리

기체 양단에 전압을 가하면 자유전자가 전계에서 가속된다.

가속된 전자가 기체 분자와 충돌해 전리를 일으킨다. 이것이 연쇄적으로 일어나 전자 눈사태가 된다.

전리 조건은 전자의 운동에너지가 이온화 에너지 이상이 되는 것이다.

이 관계를 식으로 쓰면 다음과 같다. Ei는 기체의 이온화 에너지다.

열적 비평형

방전 플라즈마 안에는 온도가 서로 다른 입자가 함께 있다.

기체 분자는 수백~수천 K에 머무르지만, 전자는 수~수십 eV의 에너지를 가진다.

이 에너지를 온도로 환산하면 수만 K 이상이다. 기체 자체는 고온이 되지 않는다.

그래서 열적 비평형 상태이며, 저온 플라즈마라고도 부른다.

예제 계산

정답은 열적 비평형이다. 이제 전자 온도를 직접 계산해 보자.

전자 에너지 2 eV를 온도로 환산하려면 볼츠만 상수로 나눈다.

2 eV는 2 × 1.602×10⁻¹⁹ J이다. 이를 볼츠만 상수 k로 나누면 온도가 된다.

정답은 약 2만 3천 K다. 수만 K 범위와 맞는다.

기체 온도는 수백~수천 K이므로 전자와 기체의 온도는 크게 다르다.

비교와 응용

플라즈마는 전자와 기체의 온도가 같은지에 따라 두 유형으로 나뉜다.

열평형 플라즈마는 절단·용접에, 열비평형 저온 플라즈마는 표면처리와 박막에 쓰인다.

저온 플라즈마는 기체를 가열하지 않고 전자만 고에너지로 만든다. 열에 약한 재료도 처리할 수 있다.

반도체 식각에는 저압 글로우 방전으로 만든 활성 라디칼이 쓰인다.

정리

플라즈마는 준중성을 이루는 집단 거동의 이온화 기체다.

방전 플라즈마는 전자 에너지로 화학종을 생성하는 열적 비평형 상태다.

시험에서는 기체 온도와 전자 온도를 구분하고, 원리와 응용을 함께 쓴다.