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플라즈마

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201706.27

우리가 알고 있는 물질의 세 가지 상태는 우주의 단 1%?

이하나   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/plasma/699

 어린 아이들에게도 물질의 세 가지 상태가 무엇이냐고 물으면 쉽게 고체, 액체, 기체를 답하곤 합니다. 고체에서 열을 가할수록 액체로, 다음은 기체로 변한다는 것도 잘 이해하고 있죠. 우리의 몸을 비롯하여 지구상에 존재하는 다양한 사물들과 그 외 자연 환경 등은 대부분 이 세 가지 상태로 쉽게 구분할 수 있습니다.

 

 하지만 우리 주변의 전부처럼 느껴지는 물질의 세 가지 상태가, 우주로 시야를 넓혀보면 단 1%도 되지 않는 희귀한 상태라는 것 알고 계셨나요? 지구를 제외한 우주의 대부분이 고체, 액체, 기체가 아닌 ‘또 다른 상태’로 이루어져 있기 때문인데요.

 

 우주라는 무한한 공간 속 1%의 특별함으로 무장한 지구에서는 보기 어려웠던 새로운 상태의 정체는 바로 ‘플라즈마’입니다.

 


플라즈마란 무엇일까?

 

 인도의 천체물리학자인 메그나드 사하는 “우주의 99%는 플라즈마 상태에 있다”라고 말했습니다. 우주 대부분의 물질이 플라즈마 상태로 존재한다니, 물질의 다양한 상태가 골고루 존재하는 지구가 얼마나 특별한 곳인지도 새삼 느껴집니다.  

 

 ‘플라즈마’를 가장 쉽게 표현하는 설명은 ‘물질의 네 번째 상태’입니다. 저온에 있는 고체 물질에 열을 가하면 녹아서 액체로 변하고,  열을 더 가하면 증발하여 기체로 변하듯이 기체에 열을 더 가하면 ‘플라즈마’ 상태가 됩니다.

 

 크게 보면 플라즈마 역시 기체의 일종이라고 할 수 있습니다. 하지만 일반적인 기체와 플라즈마의 가장 큰 차이점은 플라즈마는 물질을 구성하는 기본 입자인 원자가 원자핵과 전자로 분리되어 있어 자유롭게 움직이는 상태라는 것입니다.

 

 지구에서는 자연적으로 플라즈마 상태가 존재하긴 어려우며, 강한 전기적 에너지를 가해서 강제로 원자핵과 전자로 분리시키는 방법을 이용하여 플라즈마 상태를 인공적으로 만들 수 있습니다.

 


자연적으로 플라즈마 상태를 볼 수 없을까?

 

 지구에서도 흔치는 않지만 자연적으로 플라즈마 상태를 볼 수 있습니다. 대표적인 예가 바로 번개와 오로라입니다. 번개는 공기 중에 강한 전압이 걸릴 때 공기 중의 기체가 플라즈마 상태가 되는 현상이며, 오로라는 태양의 플라즈마 입자들이 지구 자기장에 이끌려 대기 속으로 흘러들어오며 만들어지는 현상입니다.

 

 

 번개와 오로라 모두 평상시에 언제든지 볼 수 있는 현상이 아니기에 플라즈마가 우리의 삶과 동떨어져 있다고 생각하기 쉽지만, 우리가 모르는 사이 플라즈마는 이미 우리 생활 속에 함께 하고 있습니다.

 

 대표적으로 우리 생활 속에서 쉽게 볼 수 있는 플라즈마 현상은 형광등이 있습니다. 형광등 속에 있는 기체가 플라즈마 상태가 되어 형광물질과 반응한 것이 바로 형광등의 빛이며, 밤거리를 밝히는 네온사인의 원리도 비슷합니다. 이러한 예시 외에도 플라즈마의 다양한 성질들을 활용하여 첨단과학기술 분야에서도 플라즈마를 적용하는 사례가 더욱 많아지고 있습니다.

 


최첨단 분야의 플라즈마

 

 가장 대표적인 사례로는 반도체 분야가 있습니다. 1960년대 말부터 반도체 제조공정에 플라즈마를 본격적으로 이용하기 시작하여 현재에도 플라즈마는 없어서는 안될 필수 요소로 자리잡고 있습니다. 최근에는 반도체 제조 공정뿐 아니라 환경, 에너지, 재료, 의학, 미용 등 산업 전반에 걸쳐 다양하게 적용되고 있습니다.

 

 우리나라는 꿈의 에너지로 각광받는 핵융합에너지 연구의 파생기술로 일찍이 플라즈마의 가능성에 주목하여 플라즈마기술 전문연구기관인 ‘플라즈마기술연구센터’를 설립하고 플라즈마 원천기술확보와 실용적인 기술 개발을 위한 연구를 수행하고 있습니다.

 

 그 결과 플라즈마를 이용한 녹조·적조 제거 기술, 토양 오염 등을 정화하는 기술, 농식품 저장 기술 등 우리 생활과 밀접한 관련을 맺고 있는 다양한 기술 개발에 성공하며 주목받고 있습니다.

 

 앞으로도 플라즈마는 더욱 심도 깊은 연구와 응용기술 개발을 통해 지금보다 더욱 친근하게 우리 생활 속에 함께 할 전망입니다.

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