플라즈마를 이용한 새로운 물질 생성 기대돼

   문학 작품 속에서도 빈번히 비유되는 별에 대한 인간의 관심은 과학적이기 전에 예술적 아름다움에 대한 영감을 자극하는 존재가 된다. 밤하늘의 눈부신 별은 과학적 지식이 전무 하던 원시 시대 때부터 현재에 이르기까지 위대한 자연의 상징물로 표현된다. 별들에 대한 무한한 연구는 빛을 방출해 내는 신비로움과 가볼 수 없는 미지의 세계를 동경하는 인간의 호기심을 거쳐 발전해 왔다. 이러한 빛의 스펙트럼을 탐구하는 분광학적 연구는, 먼 거리에 존재하는 우주물체뿐만 아니라, 천지 태초의 순간을 이론적으로 해석 가능하게 만들었다. 더불어 밤하늘의 별처럼 초기의 우주는 고온의 플라즈마(Plasma)상태였음을 발견하고, 물질의 생성은 그 이후 만들어졌다는 사실 또한 발견해 낸다.

  플라즈마의 생성
  일반적으로 물질의 상태, 즉 우리가 살고 있는 지구를 이루는 물질은 기본적으로 고체, 액체, 기체 3가지로 나눠진다. 예를 들어, 물이라는 액체가 낮은 온도에서는 얼음이 되었다가, 다시 온도가 상승하게 되면 액체 상태로 되돌아가고, 보다 더 높은 온도에서는 기체 상태로 존재하게 되는 상전이의 개념을 의미한다. 하지만 추가적으로 네 번째 지구의 물질로 등장한 상태를 일컬어 플라즈마라고 설명한다. 플라즈마는 원자(atom)가 수백에서 수천만℃의 초고온에서 원자핵과 전자(electron)가 분리하여 격렬하게 운동함으로써 전기적으로 중성인 가스 상태가 되는 순간을 의미한다. 일상생활에서 발견하게 되는 플라즈마의 상태는 흔하지는 않지만, 많은 별의 구성물이자, 우주물질의 99%를 차지하는 특수성을 지닌다.
  보편적으로 잘 알려져 있는 플라즈마 상태에서는 전자와 이온(Ion)의 양이 거의 동일하다. 이를 준중성(Quasineutral) 상태라고 정의하는데, 이러한 조건에는 하전입자(Charged Particle)들의 분포에 의해 자체적으로 생성되는 전기장이 작게 되면서, 입자들의 운동에너지가 더 크게 유발된다. 이러한 상태의 특성은 질량이 가벼운 전자가 확산되면서, 플라즈마가 경계면을 만나게 되는 순간 깨지게 된다. 그러나 플라즈마 상태는 이러한 불평형적인 운동을 저지하고, 전자와 이온이 소멸되는 양의 균형을 잡아주는 장치가 만들어 지는데, 이것을 쉬스(Sheath)라고 부른다. 이러한 쉬스의 특징은 산업적으로 이용되는 플라즈마의 상태에서 매우 중요한 부분으로 인정되는데, 쉬스를 통과하면서 가속된 이온을 표면에 충돌시켜 물질의 가공에 활용한다. 
  
  자연 속의 플라즈마 상태
  자연에 존재하는 대표적인 플라즈마 상태는 번개와 오로라로 대표된다. 먼저 우주가 아닌 일상생활에서 바라보는 플라즈마 상태인 번개는, 비가 내리거나 날씨가 잔뜩 흐린 하늘에서 관찰 될 수 있다. 구름 안에 존재하는 여러 가지의 입자들이 마찰을 하게 되면서, 구름 표면에 축척된 많은 하전 입자들은 강한 전압에 걸리게 된다. 더불어 전자들이 양극 쪽으로 이동하면서 공기 중의 기체를 이온화 시키는 시점에, 급격히 만들어진 전자들의 가느다란 형태를 플라즈마 상태, 즉 번개를 만들어 낸다. 한편 태양 표면의 폭발로 우주 공간으로부터 날아온 하전 입자들이, 지구 자기장과 상호작용하여 극지방의 상공에서 대기 중의 기체 분자와 충돌하게 된다. 이러한 시점에 생기는 방전 현상을 일컬어 오로라라고 부른다. 매초 수십억 개의 하전 입자들이 우주 공간으로부터 지구를 향해 쏟아져 내리지만, 자기장의 형성으로 우리를 보호해 준다.

  플라즈마의 이용 기술발전
  오늘날 우주 공간에서가 아닌 일상생활에서의 플라즈마 이용은 인공적인 결과물로 만들어 내야 한다. 흔히 직류, 초고주파, 전자빔과 같은 전기적 방법을 통해서 생성해낸 플라즈마는 자기장을 사용하여 이러한 상태가 유지될 수 있도록 만들어 준다. 플라즈마가 처음 응용되기 시작한 19세기에는, 전기 아크에서 발생하는 빛을 광원으로 사용한 시기라고 볼 수 있다. 하지만 아크 방전에 사용되는 높은 전류를 수송하는 것에 문제를 발견하게 되면서, 효율 좋고 간편한 백열전구로 대체된다. 1940년대, 제 2차 세계대전의 발단으로 플라즈마 응용 기술은 마이크로웨이브를 이용한 레이더를 개발하게 된다. 특히 1970년대 이후부터 산업체에서 빛을 발휘하기 시작한 플라즈마 기술은 현재의 반도체 제조 공정뿐만 아니라, 환경, 에너지, 생명공학, 재료, 섬유, 의학과 같은 다양한 분야에 적용되고 있다. 일상생활에서 좀 더 구체적으로 이해할 수 있는 인공적인 플라즈마 상태로는 형광등, 수은등, 네온사인, PDP(plasma display panel) 등이 있다. 플라즈마를 인공적으로 생성하고 실용화 하려했던 인간의 노력은 다양하고 폭 넓은 산업 속에서 우리의 삶을 용이하게 돕는다. 특히 플라즈마를 이용하여 기존의 물질의 합성이나 가공 방법으로 이루어내기 어려웠던 새로운 물질을 만들 수 있다는 공업적 연구는 오늘날 가장 기대되는 기술 방식이다.

양선미 대학원생 기자
ysm1024@cnu.ac.kr