우주의 99.9% 이상으로 채워진 4차원적 물질 상태
최근 다양한 분야에서 플라즈마 연구가 끊이지 않고 있다. 플라즈마(Plasma)란 고체, 액체, 기체에 이어 제4 물질 상태로 고온에서 이온과 전자가 분리돼 있는 이온화된 상태를 말한다. 이 상태는 지구에서는 흔하지 않은 현상이지만 우주에서는 99.9% 이상이 발생한다. 태양 대기 또한 플라즈마로 채워져 있다.
주변에서 관찰할 수 있는 플라즈마 상태로는 조명등으로 사용하고 있는 형광등과 길거리에서 흔하게 볼 수 있는 네온사인 등이 있다. 소나기가 쏟아지면서 자주 발생하는 번갯불도 플라즈마다. 북극지방 밤하늘에 발생하는 오로라도 플라즈마가 나타내는 빛이라고 볼 수 있다.
플라즈마 기술은 다양한 분야에 응용이 가능하고 친환경이며 미래 지향적이라는 데 큰 의의가 있다. 포괄적으로는 반도체, 우주항공산업, 바이오기술(BT), 나노기술(NT), 정보기술(IT) 분야로 나뉜다. 플라즈마 발생에 따른 폐기물이 거의 없고 온실가스나 공해 오염가스 등을 정화하는 데 사용돼 친환경 기술로 인정받고 있다.
플라즈마는 실생활과 가까운 다양한 분야에서 활용되고 있다. 집에서는 플라즈마를 활용한 PDP나 LCD, LED 모니터, 램프, 형광등, 유리, 공기청정기, 살균기, 피부 미용기, 의류 등을 찾아볼 수 있다.
우리가 가장 쉽게 접하는 형광등은 양 끝에 있는 필라멘트에서 열전자가 방출된다. 방출된 열전자는 형광등 내에 있는 기체와 충돌해 플라즈마를 형성하게 된다. 플라즈마 입자들은 형광등 표면에 있는 형광 물질과 충돌해 여기상태(Excited state)로 에너지 전이를 하게 된다. 여기된 형광 물질들이 다시 바닥에너지 상태로 되돌아오면서 내는 빛이 형광등에서 나오는 가시광선 빛으로 우리 눈에 보이게 된다.
또한 PDP(Plasma Display Panel) 원리를 살펴보면, PDP는 전극이 장착된 두 장의 유리 기판으로 구성돼 있는데 아래 기판에는 RGB(Red, Green, Blue) 형광 물질이 격벽을 사이에 두고 매우 촘촘하게 칠해져 있다. 내부에는 네온이나 크세논과 같이 방전을 일으킬 수 있는 가스가 채워져 있다.
위아래 전극을 통해 전기장을 가하면 내부 기체는 방전을 일으키게 돼 플라즈마 상태가 되고, 이 과정에서 자외선이 방출된다. 방출 자외선은 아래 기판에 칠해져 있는 RGB 형광체에 충돌하고, 형광체는 해당하는 색의 가시광선을 방출해 전면 유리 기판을 통해 나오게 된다. 우리가 보는 PDP TV 화면이 이러한 과정을 통해 보이게 되는 것이다.
아울러 야외의 경우, 플라즈마를 응용한 수소 연료전지차나 자동차 헤드램프 및 머플러, 태양전지, 네온사인 등을 쉽게 만날 수 있다. 이렇듯 플라즈마는 우리 일상에 아주 가깝게 다가와 있지만 정작 플라즈마에 대해 알고 있는 사람은 그리 많지 않다. 피부로 느끼고 직접적인 체험이 쉽지 않기 때문이다. 그러나 최근 들어 플라즈마 기술이 미용 및 의료 분야에 적용되면서 중요성이 점차 확대되고 있다.
물리적·화학적 작용이 동시에 일어나는 플라즈마는 아주 미세한 크기로 방출돼 피부에 빠르고 효과적으로 침투시킴으로써 피부 탄력에 관여하는 콜라겐 생성을 촉진해준다. 플라즈마 이온은 피부를 칙칙하게 만드는 멜라닌 합성을 억제하고 모공 박테리아를 제거하는데 도움을 주기 때문에 결과적으로 트러블 없이 맑고 깨끗한 피부 톤으로 가꿔주는 효과를 거둘 수 있다.
대표적 의료분야 응용 사례로는 플라즈마 감압술을 꼽을 수 있다. 플라즈마 감압술은 디스크를 치료하는 데 사용됐던 레이저와는 다른 플라즈마 광을 이용한 치료법이다. 레이저 치료는 손상 디스크를 제거하는 과정에서 다른 신경을 건드릴 수 있는 위험성이 있는 데 반해 플라즈마 감압술은 피부 절개 없이 신경을 건드리지 않고 더욱 세밀한 치료가 가능하다.
약 1㎜ 정도 얇은 주사바늘을 직접 디스크 부위에 삽입해 탈출된 디스크 부위에 플라즈마 광을 쪼여주며, 부분 마취를 통해서 이뤄진다. 이를 통해 신경 손상 및 뼈와 근육 등에 대한 손상 위험이 없고 질환 부위 주변의 조직을 단단하게 만들어줘 허리 디스크 재발을 예방할 수 있다.
한편 세계 주요 선진국들은 현재 플라즈마를 이용한 대체 에너지원 개발을 위해 활발한 연구를 진행하고 있다. 향후 실생활에 밀접한 다양한 분야에서 플라즈마를 쉽게 만날 수 있을 것으로 예상된다.
김현수기자 khs77@etnews.com
