플라스마

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플라즈마 램프 안에서 만들어지는 플라즈마.

플라스마(영어 : plasma)는 이온화된 기체이다. 물질의 기본적인 세가지 상태인 기체, 액체, 고체 상태와 더불어 또 하나의 상태로 여겨진다. 여기서 "이온화"되었다는 말은 어떤 물질의 구성 입자의 (충분한) 일부가 핵에서 전자가 분리된 상태로 있다는 의미다. 자유롭게 움직이는 전하들 때문에 플라스마는 높은 전기 전도성을 띄며 전자기장에 대한 매우 큰 반응성을 갖는다.

플라스마의 성질은 중성의 기체와 매우 다르기 때문에 "물질의 네 번째 상태"라고 불리며, William Crookes 경에 의해 1879년에 방전관(Discharge tube or Crookes tube)에서 처음으로 확인되었다. 당시 그는 이것을 "발광물질"(radiant matter)이라 칭했다. Crookes tube에서 음극선(cathode ray)에 대한 연구는 영국의 물리학자 조지프 존 톰슨 경에 의해 1897년에 재차 이루어졌고, 플라스마라는 명칭은 1928년 Irving Langmuir에 의해 처음 쓰여졌다. 그는 아마도 혈장(blood plasma)과의 유사성을 생각한 것 같다. Langmuir는 다음과 같은 글을 남겼다:

"극소수의 전자가 존재하는 쉬스(sheath) 영역의 전극 근처를 제외하고, 전리된 기체는 대략 같은 수의 전자와 이온을 포함하기 때문에 공간합성전하(resultant space charge)는 매우 작다. 플라스마라는 이름은 이온과 전자의 전하량이 균형을 이룬 이러한 영역을 묘사하기 위해 사용될 수 있다."

상세히 설명하면, 플라스마는 전기전도성을 가지는 전하를 띈 입자들의 집합체로, 외부 전자기장에 집합적으로 반응한다. 플라스마는 일반적으로 중성기체와 같은 집합체 또는 이온빔의 형태을 취하지만, 티끌(dust or grain)을 포함하기도 하며, 이러한 플라스마를 티끌 플라스마(Dusty plasma)라 한다.

[편집] 플라스마의 엄밀한 정의

플라스마라는 용어가 전리된 기체, 혹은 전하들의 집합체로 느슨하게 정의되기도 하지만, 플라스마는 엄밀하게 다음과 같은 기술적인 기준들을 만족해야 한다.

디바이 차폐 (Debye shielding or Debye screening)

[편집] 플라스마의 분류

고온 플라스마
저온 플라스마

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[편집] 관련 용어들

[Sheath] : 플라즈마는 탐침과 같은 도체면이나 혹은 플라즈마를 가두고 있는 진공용기의 벽면과 같은 도체 경계면이 있을 때 이온보다 전자의 운동속도가 크기 때문에 전자가 먼저 도체 표면에 도착하게 된다. 도체 면에 멀리 떨어진 지역은 상대적으로 이온이 많기 때문에 양의 전위를 갖게 된다. 이때 도체 주위에 전압강하가 주로 생기는 영역을 sheath 라하고, 도체면 멀리서 플라즈마 이온에 의해서 형성된 전위를 플라스마 포텐셜이라 한다.
Debye shielding / length : 플라즈마 전체는 전기적으로 중성이지만 floating된 물체를 삽입하면 국부적인 중성이 깨지고 플라즈마 내부의 입자들이 스스로 재분포된다. 이러한 현상을 debye shielding 이라 하고 이런 영향력이 미치는 범위를 debye length라 한다.
전리전압 (Breakdown voltage) : 사실상 순수한 기체는 각각의 입자의 관점에서 중성이기 때문에 외부의 전기장에 영향을 받지 않는다고 생각할 수 있다. 이런 기체가 방전을 시작하면 기체전리가 되면서 도체로서의 역할을 하게 되므로 저항이 현저하게 낮아져서 같은 전압에서 전류는 급격히 상승하게 된다. 즉, 전압이 높아짐에 따라서 플라즈마가 형성되는 순간부터는 플라즈마의 유지에 필요한 전압은 Vp로 낮은 전압이 된다. 이런 현상을 breakdown 이라 한다.
DC bias : Chamber 내에 양극과 음극의 크기를 대칭적으로 배치시켰느냐 아니면 비대칭적으로 배치시켰느냐에 차이로 구분되며, 보통 Cathode의 크기를 작게 한 상태에서 교류회로에 연결한 경우 생기는 특별한 DC Bias를 self DC Bias 라 한다. 이런 현상은 전자의 상대적인 작은 질량에 의해서 Cathode 전위가 음의 전위를 띠며 이에 따라서 Self DC Bias가 형성된다.
평균자유경로 (Mean free path) : 방전된 기체들은 기체 분자, 전자 및 이온으로 이루어져 있는데 이러한 입자들이 1회 충돌하고 나서 다음 충돌이 일어날 때까지 공간을 날아간 거리를 자유경로(free path)라 한다. 이 거리를 d라 하면 이 d는 긴 것과 짧은 것이 있어 일정하지 않다. 그래서 이것을 평균으로 나타낸 값을 mean free path (평균자유경로)라 한다
건식식각(Etching):