플라즈마(Plasma) 란 무엇인가? 공부노트

*목차*

1. 플라즈마(Plasma)는 무엇인가?

2. 자연계에서 볼 수 있는 Plasma

3. Plasma 만드는 방법 - 전자의 가속

4. Plasma 생성과 압력(Pressure) - Mean Free Path

반도체 분야에서 일 하면서 반도체 제조 공정에는

플라즈마(Plasma)를 많이 이용한다는 것을 알았어요.

다양한 plasma에 대한 개념 공부의 필요성이 느껴지는데요....

그래서!! 이번에 Plasma라는 물질 상태에 대해서 공부하고 정리해봤어요!!

1. 플라즈마(Plasma)는 무엇인가?

먼저, 우리가 흔히 생활에서 볼 수 있는 물질 상태는 

'고체(Solid)', '액체(Liquid)', '기체(Gas)'가 있어요.

* 고체(Solid)

-. 물질의 원자 또는 분자가 단단하게 결합되어 형태를 유지하는 물질 상태.

* 액체(Liquid)

-. 물질의 원자 또는 분자가 자유롭게 움직이고 형태가 변하는 물질 상태.

* 기체(Gas)
-. 물질이 일정한 모양과 부피를 갖지 않고 고체, 액체 대비 밀도가 낮으며 원자 또는 분자가 자유롭게 움직이는 물질 상태.

물질이 에너지(or 열)를 받으면 물질의 입자가 갖는 에너지가 증가하고

입자 간의 결합이 끊어지면서 자유롭게 움직이게 돼요.

입자가 갖는 에너지가 증가할 수록 '고체' → '액체' → '기체' 순으로 상태가 변해요.

플라즈마(Plasma)는 더 나아가 기체 상태의 물질이 더욱 에너지를 받으면 생기는

4번째 물질 상태에요 

Plasma 상태는 기체 상태의 물질이 더욱 에너지를 받아서

원자가 '이온(Ion)'과 '자유전자(Free electron)'로 분리된 상태에요.

정확히는 전기성을 가지는 Ion 입자와 Electron 말고도

안정적인 상태의 중성입자, 반응성이 매우 좋은 중성입자 라디칼(Radical)도 존재해요.

Plasma 상태의 물질을 가까이에서 입자 하나씩 보면

(+)전하입자, (-)전하입자가 존재하기 때문에 극성을 띄지만

Plasma 물질을 전체적으로 보면 각 입자의 비율은 동일하기 때문에

Plasma 전체적으로 볼 때 전기적으로 중성을 띄는 상태에요.

이를 준중성 상태(Quasi-neutrality)라고 해요.

2. 자연계에서 볼 수 있는 Plasma

보기 어렵지만 자연에서도 Plasma 상태 물질을 볼 수 있어요.

폭풍우가 치는 날 하늘에서 번쩍이는 번개가 Plasma 상태에요.

또 낮에 하늘에 떠있는 태양처럼 우주의 존재하는 대부분이 Plasma 상태라고 해요.

그리고 극지방에서 볼 수 있는 오로라도 우주에서 태양의 폭발로부터 날아오는

Plasma 하전입자로 인해 보이는 현상이래요.

그리고 인공적으로 만든 거지만 예전 과학관 같은데 가면 볼 수 있는

투명한 유리 구체 안에서 지지직 나오고 손을 대면 따라오는 전기 같은 것도 Plasma 상태에요.

Plasma 상태는 인공적으로 생긴다고 생각했는데 생각보다 

자연에서 다양한 곳에 있었네요~   

3. Plasma 만드는 방법 - 전자의 가속

Plasma 상태를 인공적으로 만들어서 반도체 공정 같은 데에서 응용할 수 있어요.

그런데 기체 상태의 물질에 단순하게 열(Heat)을 가하는 방식으로

원자의 양성자와 전자 결합이 끊어질 정도로 에너지를 주기란 어려워요....

그래서 보통 전기적인 방법으로 입자에 에너지를 주고 Plasma 방전을 일으켜요!

대기(Atmosphere) 중에는 N2, O2, CO2와 같은 Gas 입자 말고도 전자(Electron)도 존재해요.

Plasma를 방전 시킬 때 대기 중에 떠다니는 전자(Electron)를 이용해요.

다양한 방식으로 전기 회로를 구성하고 전압을 걸어주면 전기장(Electric Field, E-Field)이 생성돼요. 그러면 공기 중의 Electron가 E-Field 흐름을 따라 가속이 되면서 많은 (운동)에너지를 갖게 돼요.

가속되면서 많은 에너지를 갖게 된 Electron은 계속 전기장을 따라 이동하다가

Gas 입자와 충돌(Collision)을 하게 돼요.

전자와 충돌하면서 많은 에너지를 받게 된 Gas 입자는 이온과 자유전자로 분리되거나

반응성이 좋은 라디칼(Radical) 입자가 돼요.

그런데 전자의 충돌로 생성된 이온 입자나 라디칼 입자는

불안정한 상태이기 때문에 놔두면 다시 안정적인 중성 입자 Gas 상태로 돌아가려고 해요.

그러면 Plasma 상태가 유지되지 않아요.....

Plasma 상태가 유지되려면 전기장(E-Field)를 계속 유지해야 되고

입자가 충돌 후에 발생한 전자도 전기장에 가속되고 또 다른 중성 입자와 충돌하고

또 발생한 전자도 가속하고 충돌하고 분리되고 가속하고 충돌하고......

이온과 라디칼이 원래 상태로 돌아가더라도

전자가 계속 가속되고 충돌하기를 반복하면서 Plasma 상태를 유지할 수 있어요.

4. Plasma 생성과 압력(Pressure) - Mean Free Path

Plasma를 쉽게 방전시키기 위해서 보통 저압(Low Pressure)을 만들어요.

공간 안에 Electron이 충분히 가속하고 에너지를 얻다가 Gas 입자와 충돌해야 되는데

기체 밀도가 너무 높으면 전자가 충분히 가속되기 전에 Gas 입자와 출동해서

에너지가 부족해서 Gas 입자를 분리하기 어려워요.....

입자 간의 거리가 충분하지 않은 상태에서 Plasma를 발생 시켜본다면

짧은 순간에 Electron에 충분한 에너지를 주기 위해서 '고전력(High electric power)'를 사용하면 되지만, 고전력은 반도체 디바이스에 무리를 줄 수 있어요...

또 Plasma 생성하는 장비에도 무리가 갈 수도 있어요...

만약 저압(Low Pressure)에서 Plasma를 생성할 때는 입자 간의 거리가 멀어져서

전자가 충돌하기 전까지 충분히 에너지를 얻을 시간이 있게 돼요.

그래서 '저전력(Low electric power)'에서도 방전 시킬 수 있어요.

대기압(Atmospheric Pressure)에서는 Plasma를 방전 시키기 어렵지만

어느 공간을 진공(Vacuum) 상태로 만들고 반응 Gas를 주입해서 

저압 상태로 방전시키면 상대적으로 쉽게 Plasma가 생성돼요.

*반도체 장비에서 진공을 만들고 Plasma를 생성하는 공간을 '챔버(Chamber)'라고 불러요.

추가로 기체 입자가 다른 입자와 충돌 후 다음 충돌 전까지 자유롭게 이동한 편균 거리를

'평균자유행로' 또는 '평균자유이동경로', 'MFP(Mean Free Path)'이라고 해요.

MFP는 Plasma 생성되기 위해서 필요한 조건 중 하나에요.

이번 포스팅에서 Plasma에 대해서 공부하고 정리해봤는데요.

다음 포스팅에서는 Plasma 상태에서 일어나는 다양한 반응에 대해서 정리해봤어요.

*혹시 내용에 오류가 있다면 댓글로 수정 부탁드립니다.