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내 앞에 우주 물질, ‘플라즈마’ 있다.

-고체, 액체, 기체를 넘어 제4의 물질상태라 불리는 플라즈마를 알아보자-





우주 관련 SF 영화나 사진을 보면 지구와 다르게 신비스러움이 느껴집니다. 실제로 우주는 거의 모든 물질이 지구에 존재하지 않는 플라즈마 상태로 되어 있는데요. 태양의 대기 또한 플라즈마로 채워져 있다고 합니다.

 


사진출처 : Pixabay



플라즈마는 고체, 액체, 기체와 함께 제4의 물질 상태로 불리며, 산업 여러 분야에서 많이 사용되고 있습니다. 일례로 경남 남해군은 환경과 에너지 문제를 동시에 해결할 플라즈마 폐자원 가스화 발전시설 사업을 추진 중인데요.


마이크로 웨이브 플라즈마 공법으로 가스화해 가연성 가스를 정제했다가 가스엔진을 돌려 발전한 후 한전에 판매한다고 합니다.


도대체 플라즈마가 무엇이길래, 우주에 널려 있지만 지구에 존재하지 않고, 지구에 존재하지 않은 물질을 산업 분야에서는 널리 이용하고 있는지 플라즈마에 대해 알아보겠습니다.



플라즈마란?


초등학교 과학 시간 때 물질의 상태는 단단한 고체와 흐르는 액체, 공중에 떠다니는 기체로 나눠진다고 배웠습니다. 또 고체 상태의 물질이 액체 또는 기체 상태로 만들기 위해서는 에너지를 가해야 한다는 걸 알고 있습니다.


실제로 기체 상태의 물체가 상당히 높은 에너지를 받으면 기체와 다른 특징을 갖는 상태에 도달하게 됩니다. 이 상태를 플라즈마 상태라고 합니다. 



사진출처 : GraphicStock



플라즈마란 초고온(수만℃)에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말합니다. 이때 전자와 양전하의 양이 매우 많으면서도 수가 거의 비슷해 전기적으로는 중성을 띠게 됩니다.


전자와 양이온의 수가 많은 것은 물질을 이루는 각 원자가 큰 에너지를 받아 전자를 방출하기 때문입니다. 

즉 플라즈마는 물질이 기체상태보다 더 자유롭고 에너지가 높은 상태라고 볼 수 있습니다.



우리 주변의 플라즈마



사진출처 : Pixabay



하지만 플라즈마 기술을 사용한 물건은 우리 주변에 많이 있습니다. 방 안을 환하게 비추는 형광등, 길거리 네온사인, LCD 모니터, 스마트폰 등이 다 플라즈마와 관련 있습니다.



플라즈마의 생성 원리






사진출처 : Pixabay



물질의 가장 낮은 에너지 상태가 바로 고체입니다. 이 고체에 에너지(열)를 가하면 물질 온도가 올라가면서 액체가 됩니다. 다시 액체에 에너지를 가하면 이번에는 기체가 되죠. 이 기체 상태에 다시 높은 에너지를 가하면 플라즈마가 생성됩니다.


고체, 액체, 기체 중 물질의 에너지가 높은 상태는 바로 기체입니다. 

고체, 액체, 기체, 플라즈마 중 물질의 에너지가 가장 높은 상태는? 플라즈마입니다.



플라즈마 상태의 특징


물질의 플라즈마 상태는 물질의 고체, 액체, 기체 상태 때보다 에너지가 매우 큽니다. 그리고 몹시 자유로워 불안정합니다. 그래서 물질을 플라즈마의 상태로 유지하기 위해서는 에너지가 지속적으로 필요하죠. 

플라즈마의 특징인 높은 에너지와 반응성은 산업 분야 여러 방면에 응용되어 있습니다.


플라즈마의 응용분야


1. PDP






사진출처 : Pixabay



플라즈마를 이용한 산업 분야 중 우리에게 가장 친숙한 것은 PDP(plasma display panel)일 것입니다. PDP는 두께가 얇고 화질이 좋아 TV로 많이 사용되었습니다. 


PDP는 'Plasma Display Panel'의 약자로 플라즈마 현상을 이용한 평판 표시 장치를 말합니다. 핵심기술은 두 장의 얇은 유리 기판 사이에 Ne+Ar, Ne+Xe 등 가스를 넣고 전압을 가해, 양극과 음극 사이에서 플라즈마(방전 현상)를 일으키는 거죠.



2. 산업에서의 플라즈마 이용



사진출처 : Pixabay



플라즈마는 플라즈마 상태에서 반응성이 극대화되어 물질의 이온화와 재결합이 활발해지므로 기존의 방법으로는 하기 어려웠던 반도체 공정이나 신소재 합성 등에 많이 이용되고 있습니다.


그 중 대표적인 것으로 플라즈마 에칭이 있습니다. 


에칭이란 화학약품을 이용하여 금속, 반도체 등의 표면을 부식시키는 것을 말합니다. 플라즈마 에칭은 플라즈마 상태에서 이온을 가속해 반응을 촉진하는 에칭 방법입니다.



3. 환경분야에서의 플라즈마의 이용



사진출처 : Pixabay



플라즈마는 또한 환경 분야에서도 많이 사용되고 있습니다. 해수 및 담수, 폐수 처리 과정에서 플라즈마를 이용하면 오염물질을 손쉽게 높은 효율로 제거할 수 있습니다.


오염된 토양에서도 플라즈마 기술이 적용되어 쓰레기 또는 폐기물, 오염된 흙 등을 높은 온도로 하여 정화하는데 사용되고 있습니다.



사진출처 : Pixabay


그뿐만 아니라 최근에는 공기 중 이산화탄소와 같이 공해오염 물질도 제거할 수 있는 기술이 연구되고 있다고 합니다.



4. 그 밖의 플라즈마를 이용한 기술



사진출처 : Pixabay



위의 응용분야 외에도 플라즈마는 많은 분야에 이용되고 있습니다. 의료 분야에서는 피부관리, 살균, 의료기기 제작 등에 플라즈마를 이용하고 있습니다.



사진출처 : Pixabay



에너지 분야에서는 플라즈마 석탄 가스화 기술, OLED 조명, 연료전지 개발 등에 이용되고 있고 공학 분야에서는 핵융합, 로켓엔진 등에 이용하고 있습니다.


이처럼 플라즈마는 TV, 산업, 환경 등 많은 분야에 활용되어 사용되고 있습니다. 앞으로 플라즈마에 대한 많은 개발과 연구가 진행되어 더욱 다양한 분야에서 플라즈마가 응용될 것을 기대합니다.







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  • 빨간머리마녀는싫어 2017.02.02 11:28 신고
    플라즈마 정말 신기한데요 ㅋㅋㅋ
  • BlogIcon 한국전력 2017.02.07 17:05 신고
    과학에는 우리가 모르는 비밀이 많이 있습니다~ 앞으로 도움이 지식을 더 전달하도록 하겠습니다~ 감사합니다^&^