플라즈마와 음이온, 같은 것 아니냐고요?

'플라즈만;느 1879년 윌리엄 크룩스가 방전관에서 처음 확인하면서, 이를 발광물질이라고 명명했다. 이후 1897년 조지프 존 톰슨이 크룩스관에서 음극선에 대한 연구를 하였고, 1928년 어빙 랭뮤어가 '플라스마'라는 용어를 최초로 정의하였다.

 

1. '플라즈마'의 정의

고체에 전기 등을 통해 가열을 하면, 액체가 되고, 여기에 다른 에너지를 또 가열하면, 수증기 혹은 H2O 분자(기체 상태)가 된다. 

여기에 더욱 에너지를 가하면 '물분자가 해리되어 이온화되어 산소 혹은 수소, 혹은 물분자 이온 등의 하전 입자가 되어 전기력을 띄게 되는 이런 상태'를 플라즈마 상태라고 한다. 다시 말해 가스가 이온화되어 있는 상태, 즉 '이온화된 기체'를 말한다.  
이를 달리 표현하면, 양이온과 전자가 혼합되어 있는 기체를 '플라스마'라고 한다. 

 

플라스마 내에는 양전하를 갖는 이온들(분자 및 원자 이온)과 음전하를 띠는 전자들로 구성되어 있고,  이들의 숫자는 매우 많고 혼재되어 있어서 양전하나 음전하 하나의 전위는 그 주변에 있는 상대 전위를 갖는 입자들로 인해서 그 전기력의 영향력이 크게 미치지 않는다. 다시 말해 임의의 양전하가 플라스마 내에 삽입이 된다면 그 주변에 있는 음전하 전자들로 인해서 양전하의 전위는 쉽게 차폐되어 플라스마 전체에는 큰 영향을 미치지 않게 된다.

이런 조건이 만족되기 위한 조건은 플라즈마 내에 매우 많은 수의 양이온의 숫자와 음이온이 존재하여,  그들의 숫자는 거의 동수를 이룬다. 즉, 이온과 전자의 밀도가 거의 같게 이온화된 상태의 기체를 '플라스마'라고 정의한다. 
이런 조건을 준 중성 상태를 만족하고 있다고 하전 입자들이 군집 활동을 하게 되고, 원자핵과 자유전자가 따로따로 떠돌아다니는 특징들이 플라즈마를 정의하는 기본적인 내용이다. 

<플라즈마의 생성>

 

2. 플라즈마 내에 존재하는 입자 : 전자, 양이온, 중성입자(원자나 분자, 라디칼과 같이 전하를 갖지 않는 입자)

세 종류의 입자의 밀도를 Ne, Ni, Nn이라 하면, Ne=~Ni(준중성)이고, 이온화하기 전의 기체 분자의 밀도는 Ne+NN이며, 여기서 어느 정도 이온화되어 있는가를 나타내는 기준 값으로 이온화율(전리도, B=Ne/(Ne+Nn))을 정의한다. 

 

3. 플라즈마의 종류

가. 세 입자의 이온화(전리도)에 따른 분류

1) 완전 이온화(전리) 플라스마 : B=1인 플라스마, 태양의 코로나, 핵융합로의 플라스마 등

2) 고밀도 플라즈마 : B>~10(마이너스 2승), 몇 % 이상이 이온화되어 있을 때..

3) 저밀도(약전리) 플라스마: B <10(마이너스 3승), 불꽃 중의 플라즈마 등

 

나. 세 입자의 입자 온도에 따른 분류

1) 열 플라스마(플라즈마 제트(plasma jet), 플라즈마 토치(plasma torch)) : 세 입자의 온도가 거의 같아지는 상태

2) 저온 플라스마 : 전자는 충돌에 의해 그다지 많은 운동 에너지를 잃지 않으므로 전자가 양이온과 중성입자보다 온도가 높은 상태(짧은 펄스 플라즈마가 반복해서 생성되기에 방전 모드의 경우에도 저온 플라즈마 형성이 용이 → 공업용으로 가장 널리 사용)

 

4. 플라스마의 성질 

가. 고온이기에 입자의 운동에너지가 매우 크다. → 고온성(열적 응용), 고속 입자(역학적 응용)

나. 전하를 갖는 입자들의 집단이므로 전동성이 높아 금속처럼 전기를 잘 통한다. →전도성(전기적 응용) 

다. 화학적으로 활성화시켜 반응성을 높일 수 있다.→ 반응성(화학적 응용) 

라. 빛을 발하기에 네온사인과 같은 광원으로 이용 가능하다. →발광성(광학적 응용)

 

5. 플라스마의 응용

가. 에너지 : 핵융합 발전, 열전자 발전, 사이러트론, 이크나이트론, MHD발전, 네온사인, 전기 레이저, 플라스마 디스플레이, 자외선원, X선원, 조명용 방전관, 이온빔원, 전자빔원, 입자가속

나. 물질, 재료 : 방전가공, 아크용접, 미립자 제조, 플라스마 CVD, 플라즈마 에칭, 입자빔 가공, 스퍼터링

다. 환경, 우주, 가전 : 플라즈마 제련, 도시쓰레기 소각, 공기청정기, 전기집진기, 자동차 정전 도장, 오존발생기, 연소배기가스 처리, 로켓 추진체

 

6. 플라스마의 특징

가. 준중성(Quasineutral) 상태 : 전자와 이온의 수가 거의 같은 상태(전자와 양이온이 분리된 상태지만, 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띰) → 전하를 띠는 입자들의 분포에 의해 자체적으로 생성되는 전기장이 작게 된다. 

나. 정전 차폐(debye shielding) : 외부에서 걸어준 전위를 차폐시키는 특징. 정전 차폐가 일어나는 조건은 한 두 입자가 아닌 집단적으로 일어나야 한다. 충분히 많은 양의 기체에서 이온화가 일어나고, 집단적인 움직임을 보일 때 플라스마라고 할 수 있다. 

 

7. 플라즈마 생성 방식

가. 기체를 수만도 이상의 초고온화 함으로써 만드는 경우

나. 기체에 고전압을 가함으로써 만드는 경우

다. 태양에서 방사된 플라스마 입자(태양풍)가 대기 중의 산소나 질소 입자와 충돌하면서 만들어지는 경우 : 오로라 현상

 

 

 

따라서, 일반적으로 말하는 플라스마는 위의 특징과 성질, 분류됨을 알 수 있고, 음이온 발생을 위해서는 높은 전압이 걸려있는 금속 전극 사이에서 일어나는 방전(스파크) 현상(코로나 방전)을 추진하여 공기분자를 분해하여 음이온과 오존을 발생시킨다. 따라서 플라즈마를 혼용해서 음이온이라는 설명을 하는 오류를 가끔 발견하는데 이는 분명 잘못된 견해이다.