3. Plasma의 특성 및 종류

 

속박되지 않은 전자와 이온이 존재하는 상태에서 전기장을 가하면 전류가 흐릅니다. 

이는 전자와 이온이 자유롭게 움직일 수 있기 때문입니다. 플라즈마의 전기 전도도는 고체와 달리, 온도가 증가함에 따라 더 높아집니다. 예를 들어, 온도가 1,000만 도 이상일 때는 구리와 같은 수준의 전기전도도를 가질 수 있습니다.

자기장 중에 전류를 흘리면, 플라즈마는 자기장 방향과 직각으로 원운동을 하게 되고, 이를 통해 플라즈마를 한쪽으로 고정시킬 수 있습니다(트랩). 플라즈마를 원하는 곳에 집중시키면 플라즈마의 밀도가 높아지고, 이에 따라 전기 저항이 낮아집니다. 그 결과, 전압을 높이지 않고도 높은 밀도의 플라즈마를 생성할 수 있습니다. 이 상태에서는 분자나 원자를 여기시키거나 전리시킬 수 있습니다.

플라즈마의 사용 기체에 따라 플라즈마가 접하는 고체 표면에서는 다양한 화학 반응을 일으킬 수 있습니다. 이는 플라즈마 처리나 코팅과 같은 응용 분야에서 중요한 원리입니다.

 

 

자연에 존재하는 Plasma의 전자 온도와 밀도를 알아보자...

 

Plasma 밀도:

\( n_e = 1 \text{~} 10^{20} \text{ cm}^{-3} \)

 

전자 온도:

\( T_e = 10^{-2} \text{~} 10^{5} \text{ eV} \)

 

태양풍 (Solar Wind):

\( n_e = 5 \text{ cm}^{-3} \)

\( T_e = 50 \text{ eV} \)

 

하전 입자들의 흐름 성간물질 (Interplanetary Material):

밀도가 \( 1 \text{ cm}^{-3} \)인 수소 플라즈마로 이루어져 있음

 

전리층 (Earth’s Ionosphere): 지표에서 50km 상공부터 시작

\( n_e = 10^6 \text{ cm}^{-3} \)

\( T_e = 0.1 \text{ eV} \)

 

저밀도 Plasma

비교: 태양이나 별의 표면 온도는 5,000도에서 70,000도 (0.5 ~ 7 eV)

태양의 중심 온도는 2KeV

 

핵융합 (Fusion Experiments): 이중수소와 삼중수소 사이의 핵융합 반응을 위한 실험

\( n_e = \frac{1}{2} \times 10^{14} \text{ cm}^{-3} \)

\( T_e = 10 \text{ KeV} \) 이상의 온도

 

 

이제 분류해서 알아보자...

 

 

플라즈마는 사용 목적에 따라 핵융합 실험용, 공정 처리용, 우주 플라즈마 등으로 분류됩니다. 온도 상태에 따라 완전 열역학적 평형을 이루는 별과 같은 플라즈마, 국부적 열역학 평형을 이루는 열 플라즈마, 그리고 국부적 열역학 평형 상태에 있지 않은 차가운 플라즈마로 나뉩니다. 이온화 정도에 따라 부분적으로 이온화된 가공 플라즈마와 완전히 이온화된 핵융합 플라즈마로 구분됩니다. 또한, 모든 온도가 동일한 경우를 완전 열역학적 평형 상태라 하며, 이는 별의 폭발과 같은 극단적인 환경에서 관찰됩니다. 국부 열역학 평형은 플라즈마의 가장자리와 본체의 복사 온도가 다를 때 적용되며, 주변 환경과 잘 교환되는 내부에서 열역학 평형이 유지됩니다. 비열역학 평형 상태에서는 전자의 온도가 이온이나 가스의 온도보다 높아, 이는 주로 가공 플라즈마에서 발생합니다.

 

Tg(기체온도) , Ti(이온온도), Te(전자온도), Tr(복사온도)

 

CTE(Complete thermodynamic equilibrum ; 완전 열역학적 평형)

Tg = Ti = Te = Tr (모든 온도들이 같음.) : stars explosion

 

LTE( Local thermodynamic equilibrum) ; 국부 열역학 평행

플라즈마 가장자리와 플라즈마 본체에서의 Tr은 다름.

특정조건, 즉 평균 자유행정의 몇 배 정도내에서는 국부적인 열역학 평형이 가능함

Tg = Ti = Te :  thermal plasma (electric arc)

 

non – LTE

저압 플라즈마 에서는 직류나 교류 전류에 의해서 플라즈마가 만들어짐

Te >> Ti ~ Tg   :  cold plasma  ( processing plasma )