우주최초의물질상태 플라즈마 http://dx.doi.org/10.5757/vacmag.1.2.4 이해준 Plasma, the First State of the Universe Hae June Lee On this earth, we usually encounter three states of matter: solid, liquid, and gas. Those are the states we experience directly and most often in everyday life. However, if we consider the whole universe, more than 99.99 percent of our visible universe is in plasma state. The earth is in very unusual situation in the universe, and it is great virtue to whole creatures on this planet. In the beginning of the universe, however, there was only plasma. The other stuff came later after then. The Big Bang, beginning of our universe, was dominated by high-temperature plasma. It is where we all came from, and it continues to play a major role not only in our universe but also in various industrial applications of human being. 별하나에추억과별하나에사랑과별하나에쓸쓸함과별하나에동경 ( 憧憬 ) 과별하나에시와별하나에어머니, 어머니... 나는무엇인지그리워이많은별빛이내린언덕위에내이름자를써보고, 흙으로덮어버리었습니다.... ( 윤동주시인, 별헤는밤일부 ) 아름다움을찾는시인으로부터과학자를꿈꾸는청년들까지, 수없이많은사람들은밤하늘의별을보면서꿈을키워왔다. 과학적지식이없던원시시대의인류들로부터과학의여명을이끈뉴튼과갈릴레오의시대를지나현재에이르기까지밤하늘의별은위대한자연의상징임과동시에예술적아름다움에대한동경을불러일으키는영감의결정체였고앞으로도많은이들에게그러할것이다. 이러한별들에대한연구는많은과학자들의관심의대상이었는데, 가볼수없는아름다운존재에대한동경은그곳에서방출된빛을통해신비로움을벗어가는과정을거쳐왔다. 이러한분광학적연구를통해먼거리에존재하는천체들뿐만아니라과거의먼시간의정보, 즉우주최초의순간에대해서도많은이론적인해석이가능하게되었고, 이를통해태초의비밀이하나둘씩베일을벗게되었다. 이를통해알게된사실은밤하늘의빛나는별들은모두플라즈마상태이며, 초기의우주는고온의플라즈마상태였고모든물질은그후에만들어졌다는것이다. 우리가바라보는아름다운별들은실제로는생명체가존재할수없는무시무시한가혹조건에놓여져있다. 물질의네번째상태 플라즈마 [1] 우리가살고있는지구를이루는물질은기본적으로고체, 액체, 기체의상태에있다. 우리는낮은온도에서는물이얼음이되었다가온도가올라가면액체상태의물이되고더높은온도에서는기체상태의물분자로존 < 저자약력 > 이해준교수는서울대학교원자핵공학과에서공학사, 포항공대물리학과에서이학석사및박사학위를취득하고미국 UC Berkeley Post Doc, 한국전기연구원선임연구원등의경력을쌓은후 2004 년부터부산대학교에재직중이다. 플라즈마시뮬레이션분야에 20 년이상종사하며반도체공정용플라즈마장비, 핵융합장치, 우주선추력기, 레이저와플라즈마의상호작용등의다양한연구분야에서다양한연구를수행해왔다.(haejune@pusan.ac.kr) 4
우주최초의물질상태 플라즈마 [Fig. 1] Visible light photograph of the horsehead nebula in Orion constellation. 재한다는것을통해기본적인상전이의개념을배워왔다. 그렇다면기체상태의분자에더많은에너지가가해지면어떤일이일어날까? 우리가자연현상으로빈번히접하는번개가바로이런상태인데, 기체상태의분자에가해진에너지가분자와분자사이의결합에너지보다더크면분자가원자로분리가되고, 또한원자가외곽전자를구속시키는에너지보다더큰외부에너지가가해지면원자의최외각에있는전자가원자로부터분리된다. 전자가분리되고남은원자를이온 (Ion) 이라하며, 이러한과정을이온화 (Ionization) 라고한다. 실제로우리가살고있는세계에서는우주로부터지구에입사된수많은우주선 (Cosmic ray) 에의해서자연적으로이온화과정이적지않게발생하고있다. 그러나엄밀한의미로는단지이온화가일어난다는것만으로는플라즈마의여러특징적인현상을설명할수없고, 플라즈마의특성을결정짓는다른조건이필요하다. 우선보편적으로잘알려진플라즈마에서는전자와이온의양이거의같다. 이를준중성 (Quasineutral) 상태라고하는데, 이러한조건에서는하전입자들의분포에의해자체적으로생성되는전기장이작게되고결론적으로전기장에의한포텐셜 (Potential) 에너지보다입 자들의운동에너지가더크게된다. 이러한특징은도체내의자유전자가운동에너지보다훨씬큰포텐셜에너지에의해구속되는점과큰차이점을지닌다. 이러한준중성상태는플라즈마가경계면을만나게되는순간깨지게되는데, 그이유는질량이가벼운전자가질량이무거운이온에비해서확산도잘되고전기장하에서쉽게움직이기때문이다. 그러나플라즈마에는이러한불평형적인운동을막아서결국은전자와이온이소멸되는양의균형을잡아주는장치가자동적으로만들어지는데, 이를쉬스 (Sheath) 라고한다. 쉬스는사전적인의미로는칼집이라는뜻인데, 중심부의플라즈마는전자와이온의양이같은상태로존재하지만경계면근처에생성되는쉬스내에서는이온이충분히많아서이로부터생성되는전기장에의해전자의이동은방해되고이온의이동은원활하게되어두종모두같은플럭스 (Flux) 양만큼시스템을빠져나가게된다. 따라서쉬스로인해서결국내부의준중성상태가유지될수있게된다. 이러한쉬스의특성은특히산업적으로이용되는플라즈마에서매우중요한역할을하는데, 쉬스를통과하면서가속된이온을표면에충돌시켜물질의가공에활용한다. 특별한경우에는준중성상태를유지하지않는플라즈마도존재하는데, 이를비중성 (Non-neutral) 플라즈마라고한다 [2]. 비중성플라즈마는하전입자들사이에서로밀어내려는힘이강하기때문에그형태를유지하기위해서는외부에서강한자기장을통해구속시키는것이일반적인형태이며, Malmberg-Penning Trap이그대표적인장치이다 [3,4]. 최근에는이장치를이용해서반수소 (Anti Hydrogen) 을만드는연구결과가 CERN에서보고되기도했다 [5]. 보다실용적인비중성플라즈마의예로서고출력마이크로파발생장치에서자기장에의해서구속되는전자빔의운동에너지를마이크로파의에너지로변환하는방법을사용한다. 또다른플라즈마의특성으로서집단적행동 (Collective behavior) 이있다. 앞서언급한이온화과정이한두원자에만국한되는것이아니라충분히많은양이일어나서이온화된기체가집단적인행동을보일때플라즈마라고말할수있다. 플라즈마에있는많은하전입자들은외부에서인가된전기적섭동을차폐하는능력이있다. 이를연구한네덜란드출신과학자의이름을따서이현상을 Debye shielding이라고하는데, 외 특집 _ 5
부에서인가된섭동의포텐셜에너지가전자에의해 1/e 만큼감소하는거리를 Debye 길이 (λ De ) 라고한다. 이값은전자의밀도와온도에의해서결정되는데, 집단적행동을보이는플라즈마는 Debye 길이를반지름으로하는구속에존재하는입자의수가충분히크다는조건을충족시킨다. 자연계에존재하는플라즈마 이와같이플라즈마상태에서는이온화를일으키기에충분히큰에너지를지닌하전입자들이존재하는데이들이중성기체를여기 (Excitation) 시키면여기된원자들이자발적으로바닥상태 (Ground state) 또는낮은에너지레벨로돌아가면서빛을내게된다. 밤하늘에빛나는별들은모두이러한원리에의해서빛을낸다. 별들은거대한중력에의해플라즈마를구속하는데, 이렇게구속된플라즈마들은별의중심부에서는일억도이상의온도를갖게된다. 이와같이높은온도를갖게되면원자와원자의충돌로부터핵융합반응이일어나게되고핵융합반응으로부터발생하는에너지가다시플라즈마를가열하는과정이반복적으로나타나서밤하늘의별들이빛나게된다. 가장간단한핵융합반응은이중수소와이중수소의결합또는이중수소와삼중수소의결합으로부터시작되며, 이결과물로생성되는좀더질량이큰원자들역시가능한핵융합반응메카니즘을거쳐점차로무거운원소를만들게된다. 이러한과정은별내부에서핵융합반응을일으킬수있는연료가소진될때까지반복된다. 관찰의대상을우주가아니라일상생활에서바라보면, 비오는날종종마주치는번개가바로플라즈마상태이다. 구름내에존재하는여러가지입자들의마찰로인해서구름표면에하전입자가축적되기시작하는데, 그양이충분히많아져서지표면과의전위차가충분히커지게되면양단사이의전기장에의해서하전입자 ( 주로전자 ) 가가속이되면서중성기체와충돌을하여새로운하전입자를발생시키고, 이들이다시전기장에의해가속되면서그반응이기하급수적으로증가하게된다. 우리가자연에서관찰할수있는플라즈마는번개뿐만이아니다. 태양의표면에서는코로나질량방출 (Corona Mass Ejection) 이라는현상에의해거대한플라즈마불꽃이우주로방출되는데, 이때방출된입자들이매우빠 [Fig. 2] Plasmas in nature includes lightening(left), corona mass ejection(right top), and aurora borealis(right bottom). 른속도로지구에도달하게된다. 태양의흑점활동에대한관측과인공위성의전자파방해가이루는상관관계로부터코로나질량방출이지구에미치는영향이연구되었다. 만약지구에자기장이없다면이입자들이대기를이루는분자들과충돌을하여대기층을점차로소멸시키게되지만 ( 화성은이와같은상황임 ), 다행히도우리가살고있는지구에는내부를이루는철성분의물질로인해서생성된지구자기장이존재하고우주에서부터날아온하전입자들이이러한지구자기장에구속이되면서대기층의소멸이일어나지않고있다. 이렇게지구자기장에의해서구속된하전입자들은자기장을따라극지방으로이동하게되는데, 고위도지역에서관찰되는오로라 (Aurora) 현상이바로이로인해발생한다. 북극지역에서관측되는오로라를북극광 (Aurora Borealis), 남극지역에서관측되는오로라를남극광 (Aurora Australis) 이라고한다. 플라즈마가빛을낸다는관점에서보면일상생활에서보게되는활활타오르는불꽃역시플라즈마인가라는의문을갖게되는데, 이에대한답변은일부는그렇고일부는그렇지않다는것이다. 앞서언급한바와같이플라즈마상태에서는양전하와음전하가거의동일한양을지니면서집단적인반응을일으킨다. 따라서우리가일반적으로보는불꽃이플라즈마인가아닌가에대한해답은이내부에충분히많은양의하전입자가존재해서집단적인행동을보이는가를파악해야한다. Debye 길이는하전입자의밀도가증가할수록짧아지 6
우주최초의물질상태 플라즈마 [Fig. 3] The flame of a gas stove contains plasma in it. 며, 또한우리가관찰하는불꽃에서는온도를높일수록하전입자의밀도가증가한다. 가령, 촛불의경우는최고점의온도가대략섭씨 1500도정도인데이온도에서의플라즈마밀도는그리높지않다. 그러나다른화학물질을이용한불꽃에서는온도가 3000도이상올라가는데, 이경우에는충분히많은수의하전입자들이발생하여 Debye 길이가수십마이크로미터까지감소하고앞서언급한플라즈마의집단적인행동을보이게된다. 플라즈마해석연구플라즈마의특성을이해하기위한전통적인방법은실험을통한진단과이론을이용한원리탐구에대한연구이지만, 각각의방법에는한계가존재한다. 가령, 탐침을이용한실험적인진단은플라즈마자체에섭동을가한다는문제점이있고, 광학적인진단에도여러가지한계가존재한다. 이론연구역시간단한문제를제외하고는해석이불가능한상황이빈번하게존재하는어려움이있다. 근래에와서는컴퓨터기술의발전에힘입 어이러한전통적인실험과이론의영역에보조적인역할을하는컴퓨터시뮬레이션기술이크게발전하였다. 컴퓨터시뮬레이션기술은기본적으로플라즈마운동을기술하는뉴튼의운동방정식과로렌츠힘을기반으로한다. 개개의플라즈마입자들의위치와속도로부터전기장과자기장이계산되고, 이러한전기장과자기장에의해하전입자가다시뉴튼의운동방정식에의해운동을하고새로운위치와속도정보를얻게된다. 이로인해다시전기장과자기장이변화하고, 또다시운동방정식에의해새로운위치와속도의정보를얻게된다. 이와같은계산을반복적으로수행하면다루고자하는플라즈마의정상상태 (steady state) 에도달하게되는데, 이를컴퓨터시뮬레이션을통해서계산하는방법을이용할수있다. 그러나, 원리상으로는간단한이러한방법도실제적으로는매우큰어려움이있는데, 그이유는플라즈마내에존재하는하전입자의수가너무나많기때문이다. 가령, 일반적으로접하는산업에응용되는플라즈마의밀도는 1 입방센티미터당 10 9 ~10 13 개에이를정도로하전입자의양이많기때문에모든입자들을이용하여계산하는것은현재의기술로는불가능하다. 따라서이러한단점을극복하기의해서전통적으로는분포함수를이용한계산방법인 kinetic simulation, 그리고이를속도공간에서평균을취해서계산하는보다간편한방법인유체시뮬레이션이주로이용되어왔다. 그러나유체시뮬레이션방법은플라즈마의속도분포 ( 또는에너지분포 ) 를단순화시킨가정을이용한다는점에서시간가변적인에너지분포를가지는플라즈마의특성을반영할수없다는단점이있다. 따라서보다정확한시뮬레이션을위해서는입자개개의운동을따라가면서에너지분포에대한특성을파악하는것이중요하다. 이를가능하게하는방법으로서 Particle-in- Cell 시뮬레이션기법이개발되었는데 [6,7], 이방법은실제입자 100만개내지 1000만개를대표하는수퍼입자 (super particle) 를계산에서이용하여통계적인특성을유지하는선에서계산속도를빨리하는방법과전기장과자기장을가상의그리드위에서계산함으로써로렌츠힘에대한계산속도를빨리하는방법을이용한다. 이방법이근래에와서병렬컴퓨팅계산기법의발전에힘입어매우획기적이고빠른계산이가능하게되었으나, 단위셀내에서의하전입자수가통계적인처리를하는데부족할때생기는수치적잡음 (Numerical 특집 _ 7
[Fig. 4] Properties of plasma simulation methods are explained for particle, kinetic, and fluid simulations. References [1] S. Eliezer and Y. Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to Plasma Science, Second Edition, Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, (2001). [2] R. C. Davidson, Physics of Nonnuetral Plasmas, World Scientific,(2001). [3] J. H. Malmberg, C. F. Driscoll, B. Beck, D. L. Eggleston, J. Fajans, K. Fine, X. P. Huang, and A. W. Hyatt. Experiments with pure electron plasmas. in C. W. Roberson and C.F. Driscoll, editors, Nonneutral Plasma Physics, volume AIP 175, p. 28, New York, 1988. American Institute of Physics. 82 [4] J. Fajans and D. H. E. Dubin, editors. Non-Neutral Plasma Physics II, volume AIP 331. American Institute of Physics, New York, (1995). [5] G. B. Andresen, M. D. Ashkezari, M. Baquero-Ruiz,etal.,Trapped Antihydrogen, Nature 468, 673 (2010). [6] C. K. Birdsall and A. B. Langdon, Plasma Physics via Computer Simulation, CRC Press, (2004). [7] R. W. Hockney and J. E. Eastwood, Computer Simulation using Particles, CRC Press, (1989). noise) 이발생한다는문제점이있고, 그리드에서의정보와입자의정보를주고받는 weighting 상황에서생기는오차에의해서생기는부정확성이문제가될수있기때문에엄밀한방법론이요구된다. 맺음말 이우주에서최초의물질상태는플라즈마였고지금도우주에서눈으로보여지는물질의 99.99% 이상의물질은플라즈마상태에있지만, 지구상에서는플라즈마가매우예외적인상황이되었다. 이는생명체를위해서는매우다행인상황이지만, 플라즈마의장점은여전히여러응용과학분야에서이용되고있다. 그대표적인예가인공태양을만들어서인류의에너지문제를해결하기위한자기구속핵융합장치이며, 이외에도반도체장비공정용플라즈마장치, 물질가공용플라즈마장치등의다양한산업적응용분야에서플라즈마가사용되고있다. 최근에와서는플라즈마내에서활성화되는화학반응을이용하여의료용으로이용하는연구가진행되고있다. 이러한연구가진행될수록플라즈마의원리를이해하고물리현상을해석할수있는방법이요구되는데, 컴퓨터시뮬레이션은매우유용하고강력한도구로서근래에와서고속컴퓨팅기술을이용한고성능플라즈마해석프로그램이꾸준히개발되고있다. 8