춘천교육지원청 영재교육원 과학 - 물질의 제4의 상태, 플라즈마 이해하기 (by 성림물질의 제4의 상태, 플라즈마 이해하기초등학교 고준)

 

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플라스마

플라스마로 첨단을 열고 우주까지 간다

북극 지방 밤하늘에서 볼 수 있는 오로라는, 태양에서 방출된 플라스마의 일부가 지구 자기장에 이끌려 대기로 진입하면서 공기 분자와 반응하여 빛을 내는 현상이에요.

얼마 전까지만 해도 PDP 텔레비전1)은 부의 상징으로 여겨졌어요. 이 PDP 텔레비전의 핵심 기술이 플라스마예요. 유리 두 장을 포갠 틈새에 있는 작은 방에 네온과 아르곤 같은 가스를 채우고 전극에 전압을 가해 기체를 플라스마 상태로 만들어요. 이 플라스마 상태에서 형광체가 원하는 색깔의 빛을 만들지요.

그러면 플라스마는 무엇일까요? 기체의 온도가 2,000도쯤 올라가면 가스 분자가 쪼개져 원자 상태가 되고, 약 3,000도에서는 원자에서 전자가 떨어져 나가 이온화가 되어요. 이런 상태의 가스를 플라스마라고 해요. 이때는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띠게 됩니다.

우주에서는 대부분이 플라스마 상태로 존재해요. 지구에서도 플라스마를 관측할 수 있어요. 지구 에너지의 원천인 태양, 지구를 둘러싼 전리층, 극지방의 하늘을 물들이는 오로라, 한여름 구름에서 볼 수 있는 번개 등이 바로 플라스마 현상이에요. 대기 밖으로 나가면 지구 자기장 속에 이온들이 잡혀서 이루어진 밴앨런대, 태양으로부터 쏟아져 나오는 태양풍 속에도 플라스마가 있어요. 별 사이의 공간을 메우고 있는 수소 기체도 플라스마 상태입니다.

각 가정에 있는 제품에서도 인공적인 플라스마를 찾을 수 있어요. 형광등이나 네온사인은 방전에 따른 플라스마 상태에서 빛을 내는 거예요. 또 고압 전류를 흘릴 때 플라스마 상태에서 나오는 오존은 나쁜 냄새를 없애는 능력이 뛰어나 탈취제나 공기 청정기 등에 쓰인답니다. 만일 쓰레기 소각장에 플라스마를 이용한 장치를 설치한다면 굴뚝에서 나오는 해로운 가스를 없앨 수도 있을 거예요.

그러나 플라스마는 폭발력이 너무 강해서 쉽게 이용하기 어려워요. 그런 플라스마를 효과적으로 이용하는 기술이 점점 개발되면서 첨단 기술로 통하는 중요한 구실을 하는 거예요. 기존의 물질 합성이나 가공 방법으로는 만들지 못했던 새로운 물질을 만들 수도 있지요. 특히 플라스마의 놀라운 폭발력은 우주로 가는 길을 열 것으로 기대돼요.

현재의 우주 왕복선은 엄청난 양의 화학 연료를 싣고 가야 하는 탓에 오랜 시간이 걸리는 행성 사이의 여행에는 사용할 수가 없어요. 이때 '플라스마 엔진'을 우주선에 싣는다면, 훨씬 적은 양의 연료로 기존 우주선보다 10배나 빠른 속도를 낼 수 있답니다. 앞으로 플라스마를 사용하거나 응용할 수 있는 분야는 무궁무진해요. 핵융합 에너지를 만들어 내는 인공 태양도 따지고 보면 우주의 플라스마를 인공적으로 만들어 내려는 거예요.

더 알아보기 플라스마 상태

일반적으로 물질의 상태는 고체·액체·기체 등 세 가지로 나뉘어요. 거기에 덧붙여 플라스마를 '제4의 물질 상태'라고 부르기도 하지요. 고체에 에너지를 가하면 액체, 기체로 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 원자 속의 전자가 분리되어 플라스마 상태가 됩니다.

플라스마를 만들려면 흔히 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 플라스마를 생성한 다음 자기장 등을 사용해 이런 상태를 유지하도록 해야 합니다. 인공적으로 만들기는 쉽지 않지만 우주 전체의 99퍼센트가 플라스마 상태라고 할 수 있어요.

물질의 4가지 상태물질은 내부 온도가 높아짐에 따라 고체(분자의 위치가 고정) → 액체(분자가 모여 이동) → 기체(분자가 독립적으로 운동) → 플라스마(분자가 이온과 전자로 분리)로 상태가 바뀌게 된다.

[네이버 지식백과] 자연에서 볼 수 있는 플라스마 (핵융합의 세계, 2015. 3. 31., 국가핵융합연구소)

[네이버 지식백과] 플라스마 - 플라스마로 첨단을 열고 우주까지 간다 (재미있는 미래 과학 이야기, 2013. 12. 10., 김수병, 유남영, 이광형)

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