물질 제4의 체질 플라즈마

the fourth state of matter


  • 일반적으로 물질은 고체, 액체, 기체의 여러 가지 상태가 있으며 그들 상태의 기본적인 구성요소는 원자 혹은 원자가 여러 개 모인 분자 또는 화합물 플라즈마는 원자 및 분자 또는 화합물을 구성하는 전자가 핵의 속박에서 벗어나 자유롭게 움직이며 돌아 다니는 상태
  • 플라즈마는 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 이온의 집합체
  • 물질을 플라즈마 상태로 만들기 위해서는 원자핵에 속박되어 있는 전자에 에너지를 인가하여 전자를 그 속박에서 벗어나게 해야 함.
  • 통상 물질의 제 4 의 상태 (the fourth state of matter)

플라즈마의 특징

이온화 된 기체 중 "집단적인 움직임"을 보이는 극성과 비극성 입자들로 이루어진 "준준성"의 기체

전기적 특성

플라즈마는 원자나 분자에 속박되지 않은 전자를 많이 갖고 있기 때문에 외부에서 전계를 걸어주면 전류를 흘릴 수 있는 특징이 있다. 전기 전도도는 일반고체와는 달리 온도가 올라갈수록 증가하며(3T/2), 온도가 약 1000만도 이상 일때 구리와 같이 전기 전도도 값을 가지게 된다.

자기적 특성

플라즈마 내부에 있는 전자와 이온들은 자계를 걸어주면 운동방향이 자계방향과 직각으로 원 운동하게되며 이러한 방식으로 플라즈마를 한쪽에 잡아 놓을 수 있다. 이러한 플라즈마의 자기적 특성을 이용하여 플라즈마를 원하는 곳에 집중시킬 수 있게 되고, 플라즈마의 밀도가 높아지면 플라즈마의 전기 저항이 낮아지게게 된다. 즉 이러한 자기적 특성을 이용하면 전압을 상승시키지 않고도 높은 밀도의 플라즈마를 생성시킬 수 있다.

화학적 특성

플라즈마 내부에는 이온과 자유전자가 열운동을 하기 때문에 분자나 원자를 여기. 전리시킬 수 있다. 이렇게 여기 또는 전리된 분자들이 다른 분자나 원자들과 반응을 쉽게 할 수 있게 된다. 이와 같은 특성을 이용한 것이 PECVD(Plasma Enhanced CVD)와 RIE(Reactive Ion Etohing)등이다.


자연계 플라즈마

태양을 비롯한 우주 대부분이 전리 기체로 되어 있으며, 태양흑점(sun spot), 극지에서 나타나는 오로라(aurora), 낙뇌(thunder), 태양으로부터 방사되는 태양풍(solar wind), 그리고 대륙간 장거리 전자통신을 가능케 하는 전리층(ionosphere) 등이 있다.

열 플라즈마

기체의 원자나 분자가 가열 전리되어 생성되는 것으로 화염 플라즈마로 대표된다. 일반적인 화염의 온도는 1,000 ~ 3,000ºK 정도이며, 연소 및 다량의 발열을 동반한 화학반응이 급속히 일어나면 열 플라즈마가 발생한다.

방전 플라즈마

전기 방전에 의해 전리된 기체로 기체의 압력 등 주변의 조건에 따라 글로우 방전 플라즈마, 아크 방전 플라즈마, 코로나 방전 플라즈마, 고주파 방전 플라즈마 등으로 나눌 수 있다. 이들 플라즈마의 생성조건 및 특성에 따라 여러 산업 분야에 활발한 응용이 시도되고 있다.


플라즈마의 내의 전자의 움직임

DC 스퍼터링에서 전자 움직임
DC 마그네트론 스퍼터링에서 전자 움직임
RF 스퍼터링에서 전자 움직임