플라즈마
- 생명과학의 용어 Blood Plasma - 혈장
- 스타크래프트의 맵 - 플라즈마(스타크래프트)
- 카트라이더의 카트바디 시리즈 - 크레이지레이싱 카트라이더/카트바디
- 리눅스 데스크톱 환경 - KDE
1. 개요
외래어 표기법을 따른 표기는 '''플라스마'''.
제4의 물질 상태라고 알려져 있는 물질의 형태이다. 강력한 전기장 혹은 열원으로 가열되어 기체상태를 뛰어넘어 전자, 중성입자, 이온 등 입자들로 나누어진 상태. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 된다. 전자가 열을 받아 원자에게서 자유로워지면 끝이기 때문에 당연히 어떤 원소든 플라즈마화 될 수 있으며, 전자의 탈출로 인해 전하를 띠기 때문에 전자기장으로 가두거나 특정 방향으로 가속시킬 수도 있다. 이를 실제로 특정 방향으로 가속하는 방법으로 이용한 것이 우주선 등에 쓰이는 이온 엔진이고 열을 가진 플라즈마를 전자기장으로 가두는 것이 토카막장치이다.
2. 학문적 정의
통계역학적인 관점에서 볼 때, 어떤 기체든 어느 정도 이온화되어 있다는 것은 확실하니 단순히 이온화된 기체를 플라즈마라고 부르지는 않는다. 별로 물리학적으로 유용한 정의가 아니기 때문에 물리학자들은 아래와 같이 플라즈마의 특성을 정의하게 된다.
- 준중성 상태 (Quasi-neutrality)
플라즈마는 +전하와 -전하를 가지고 있으므로 전자기력에 의해 서로 이끌리는 특성이 있다. 그 때문에 플라즈마 덩어리로부터 일정 거리 이상 떨어져 있는 지점에서는 전기력을 0으로 취급할 수 있다.[1]
- 집합 행동 (Collective behavior)
전기력에 의해 준중성 상태를 이루고 있는 플라즈마는 한 덩어리인 것처럼 행동하게 된다.
이러한 플라즈마의 특성에 의해서 플라즈마 내부에서는 고속으로 운동하는 대전입자의 관성과 전기적 인력 사이에서 줄다리기가 일어나는데, 이는 용수철 진자와 비슷한 모습이다. 이런 현상을 플라즈마 진동(Plasma oscillation)이라고 하며 전자온도와 밀도 등에 따라 주파수는 달라지게 된다.3. 분류
플라즈마는 만드는 방식과 특성에 따라서 다양하게 분류가 된다.
먼저 전자의 온도와 기체의 온도 비율에 따라서 열 플라즈마(혹은 평형 플라즈마, 고온 플라즈마, 전자와 이온의 온도가 비슷한 경우)와 저온 플라즈마(혹은 비평형 플라즈마, 전자가 이온보다 매우 뜨거운 경우)로 나뉜다. 저온 플라즈마는 주로 플라즈마 전류가 수 암페어 미만일 경우이며, 비평형이 뜻하는 것은 플라즈마를 이루는 전자와 기체의 온도가 크게 다르다는 것이다. 전류가 증가하게 되면 전자와 기체간의 충돌이 심해짐에 따라서 기체의 온도와 전자의 온도가 평형을 이루게 되고, 이것을 열 플라즈마라 한다. 열 플라즈마라 하는 이유는 방전 전류가 수만~수십만 암페어(...)에 이르기 때문에 평형을 이루는 온도가 대략 10000도 정도 되기 때문이다(...).
혹은 플라즈마가 만들어지는 압력에 따라서 저압 플라즈마와 상압 플라즈마로 나뉘기도 한다. 즉 저압환경에서도 열/비열 플라즈마가 있으며 상압환경에서도 열/비열 플라즈마가 만들어 질 수 있다. 이중에서 반도체 공정등에 쓰이는 플라즈마는 저압 비열 플라즈마이며, 상압 열 플라즈마는 폐기물 분해나 분말코딩 등에 쓰인다.
극한 환경을 고려하여 플라즈마의 온도와 밀도에 따라 상대론적 플라즈마[2]와 양자 플라즈마[3]로 구분하기도 한다. 상대론적 플라즈마는 플라즈마의 온도가 너무 높아서 하전입자의 운동에너지가 매우 크기 때문에(=속도가 매우 크기 때문에) 상대론적 효과를 고려해주어야 하는 플라즈마를 의미하고, 양자 플라즈마는 매우 밀도가 높아 양자적 효과를 고려해주어야 하는 플라즈마를 의미한다. 상대론적 플라즈마는 거대질량블랙홀의 제트와 같은 고에너지 천문학에서 주로 다뤄지고 양자 플라즈마는 보통 퀘이사와 같은 천체를 연구할 때 다뤄진다.
초고온이 발생하는 핵융합과정에는 반드시 발생하기 때문에 이러한 초고온 플라즈마의 제어 장치가 꼭 필요하다. 국내에서 만들어낸 KSTAR에서도 초고온 플라즈마를 만들어낸다. 플라즈마 자체는 저온에서도 만들어질 수 있으므로 모든 종류의 플라즈마가 초고온인 것은 아니다. 다만 핵융합에서 만들어지는게 초고온 플라즈마인 것이다.
4. 쿼크 글루온 플라즈마(Quark Gluon Plasma)
플라즈마가 고온으로 인해 전자와 원자핵이 분리된 상태라면 쿼크 글루온 플라즈마는 온도가 너무 높아 핵을 구성하는 양성자,중성자들이 쿼크,글로온으로 녹아내린 상태를 말한다[4]. 구체적인 특성들에 대해서는 연구가 진행중이다.
연구가 힘든 이유는, 강력의 특성탓으로, 강력으로 묶여있는 쿼크와 글루온을 강제로 떼어내기 위해 에너지를 집중할수록, 이 강력이 더욱 강해지는 성질을 지니고 있다. 간단히 말해서 강력을 끊어지지 않는 탄성계수를 지닌 스프링처럼 생각하면 된다. 에너지를 가하면 가할수록 탄성계수로 인해 스프링에 축적되는 탄성에너지가 증가되는 것처럼, 강력으로 묶여있는 쿼크와 글루온은 에너지를 집중하여 떼어내려고 시도할 수록 더욱 강한 강력으로 묶이기 때문에 연구가 더딘 편.[5]
지금 연구 방향은 이 성질을 역으로 이용하여, 오히려 쿼크와 글루온을 강제로 압축하면 강력이 줄어들기 때문에 보다 자유롭게 연구할 수 있지 않을까? 라는 발상을 이용하며, 주로 중원자핵을 서로 가속시켜 충돌시키는 방식으로 원자핵에 존재하는 대량의 핵자끼리의 충돌을 일으켜 일시적으로 쿼크-글루온 플라즈마 형태를 만드는 방식을 채택하고 있다.
5. 예시
네온사인이 플라즈마 상태를 이용하는 대표적인 예이다.
5.1. 자연 현상
오로라, 번개 등이 대표적으로 플라즈마에 의해 일어나는 자연 현상이라고 할 수 있다.
불의 경우는 아주 애매하다. 지금도 학자들 사이에서 불꽃 자체를 플라즈마라고 해야하는 건지 아니면 에너지를 많이 머금고 단순히 발광하는 기체라고 해야할지 의견이 분분하다.
5.2. 별
태양도 주로 고온 플라스마 상태인 수소와 헬륨으로 이루어져 있다. 그리고 Saha's equation에 따르면 우주에 알려진 질량의 99%는 플라스마 상태(암흑 물질, 암흑 에너지 제외)로 이뤄져 있다.
6. 활용
공기청정기, 플라즈마 장난감 등 여러가지로 쓰인다
6.1. 공업
'''플라즈마 절단기''' 라는 물건은 SF 대중매체에서나 등장할 법 하지만 의외로 흔히 쓰이는 용접기의 한 종류다. 다른 용접기/절단기 처럼 시중에서 구할 수도 있다. - 자세한 건 본 문서 참조.
6.2. 가전 제품
네온사인, PDP모니터, 형광등 등도 모두 플라즈마를 이용하는 제품이다. 플라즈마는 높은 에너지를 가지고 있기 때문에 주변의 산소와 반응해서 오존을 생성할 수 있으므로, 장시간 켜 놓을 경우 환기를 시키거나 오래 켜두지 않는것이 좋다. 다만 위에 나와 있는 가전제품들은 전부 플라즈마를 밀폐된 공간에 넣어 사용하는 것이므로 안전하다.
6.3. 의학적 이용
플라즈마를 의학적으로 이용하려는 시도는 예전부터 있어왔다. 2006년경부터 현재까지, 플라즈마가 피부에 미치는 영향에 대해 꾸준한 연구가 진행되어 왔는데, 의외로 피부의 노화를 방지하는 효과가 있다고 한다. 현재까지 큰 부작용은 보고된 바가 없다고.
플라즈마 치료는 저에너지 플라즈마를 이용하는 방식과 고에너지 플라즈마를 이용하는 방식으로 나뉘는데, 저에너지 플라즈마를 사용하는 방식은 치료 효과가 더디지만 피부에 크게 무리를 주진 않는다. 고에너지의 경우는 치료 효과가 좋지만 피부 박리 현상, 발진, 일시적인 색소 침착 등이 발생할 수 있다.[6]
아래에는 관련 논문을 추가하니 관심이 있는 위키니트들은 한 번 봐 보자.
- Evaluation of plasma skin regeneration technology in low-energy full-facial rejuvenation
- Plasma Skin Regeneration Technology
6.4. 미디어 매체에서
SF 장르에서는 의학적 용도보다는 미래 기술력이 도입된 무기로 더 많이 나온다. 특히 FPS 게임의 경우 플라즈마 건 같은 무기는 자주 볼 수 있다. 마치 레이저나 광선이 무기로 나오는 경우가 많은 것과 비슷한 개념이다. 드물지만 검을 비롯한 냉병기식 무기의 날이 플라즈마로 대체되는 작품도 존재한다.
유령이나 심령현상을 과학적으로 설명해 보려는 이들에게 제1원인으로 거론되는 현상이기도 하다. 그래서 그런지 대중문화 매체에서 눈앞에서 벌어지고 있는 심령현상을 플라즈마 때문이라고 우겨대는 인물을 자주 접할 수 있다. "모든 것은 플라즈마로 설명할 수 있다."가 이런 전형의 인물들이 자주 보이는 행동 양상이다. 그 대표격인 인물이 일본의 오오츠키 요시히코 교수. 일본 만화나 게임(카마이타치의 밤)에서 미스테리현상이나 밀실살인에 대해 "플라즈마 때문이야!"라고 하는 대사가 나오는데, 그런 대사들은 오오츠키 요시히코 교수를 패러디한 것이다. 大槻教授 이러한 이야기들 탓인지 진 여신전생 4에서는 마인으로 플라즈마가 등장한다.
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위 만화는 오! 나의 여신님 6권 내용이다.
블룬스 TD 시리즈 중 3편부터는 슈퍼 원숭이가 플라즈마 볼을 쏠 수 있게 업그레이드 할 수 있다.
7. 관련 문서
[1] 이것을 Debye sheath(디바이 차폐)라고 하며, 전기력이 1/e이 되는 지점까지의 거리를 Debye length라고 한다. 가리움 효과(Screening effect또는 Shielding effect)와도 관련이 있다.[2] Relativistic plasma[3] Quantum plasma[4] 이때의 온도는 상대론적 플라즈마보다도 높다.[5] 만약 이 에너지를 계속해서 추가할 경우, 이 쌓여있는 잉여에너지가 질량-에너지 동등성에 의하여 새로운 쿼크-글루온 쌍을 만들어서 에너지 준위가 강제적으로 낮아져버린다. 즉, 구(쿼크)를 잇고 있는 스프링(글루온)이 끊어지면서 새로운 스프링(글루온)과 공(쿼크)을 생성하여 이어져버린다.[6] Plasma skin regeneration.[7] 흔히 광선검/광검이라는 명칭으로 불려지는 바람에 사람들이 레이저나 빛을 이용한 무기로 착각하곤 하지만 설정상 플라즈마 병기이다. 자세한건 해당 문서 참조.[8] 병기가 아니라 공구다.