'제4의 상태'의 발견
1879년 영국의 윌리엄 크룩스는 진공관 속 방전 기체가 보통 기체와 다른 성질을 보인다며 이를 '방사 물질', 물질의 제4상태라 불렀어요. 1928년 미국의 어빙 랭뮤어는 이온화된 기체가 마치 혈액의 혈장처럼 전하를 띤 입자를 실어 나르며 집단적으로 진동하는 것을 보고 '플라스마'라는 이름을 붙였어요. 1920년 인도의 메그나드 사하는 온도와 압력에 따라 기체가 얼마나 이온화되는지 계산하는 식을 세워 별의 스펙트럼을 해석하는 길을 열었어요. 1923년 데바이와 휘켈이 제안한 '데바이 차폐'는 플라스마가 전하를 가려 전체적으로 중성을 유지하는 원리를 설명해요.
우주와 지구의 플라스마
태양과 별, 성간 가스 등 우주의 보이는 물질의 99% 이상이 플라스마예요. 노르웨이의 크리스티안 비르켈란은 1900년대 초 탐사와 실험으로 오로라가 태양에서 온 전하 입자가 지구 자기장을 따라 극지방으로 쏟아지며 생긴다고 주장했고, 이는 위성 관측으로 확인됐어요. 1942년 한네스 알벤은 플라스마와 자기장이 함께 출렁이는 '알벤파'를 예측해 1970년 노벨상을 받았고, 1958년 유진 파커는 태양에서 플라스마가 끊임없이 흘러나오는 '태양풍'을 예측했어요. 2018년 발사된 파커 태양 탐사선은 이 태양풍 속으로 들어가 태양계를 채운 플라스마를 직접 재고 있어요. 지구에서는 번개, 불꽃의 일부, 전리층이 플라스마예요.
기술 속 플라스마와 핵융합
형광등, 네온사인, 플라스마 절단기, 그리고 반도체 칩의 미세 회로를 깎아 내는 식각과 박막 증착 공정이 모두 플라스마를 이용해요. 가장 큰 목표는 핵융합 발전이에요. 1950년대 소련의 탐과 사하로프가 고안한 도넛 모양 자기장 그릇 '토카막'이 대표적이고, 1957년 존 로슨은 핵융합으로 에너지를 얻기 위한 밀도·온도·유지 시간 조건을 제시했어요. 한국의 KSTAR는 1억℃ 이상의 플라스마를 수십 초간 유지하는 기록을 세웠고, 프랑스에서는 국제 공동 장치 ITER가 건설 중이에요. 2022년 미국 국립점화시설(NIF)은 레이저로 연료 알갱이를 압축해 처음으로 투입한 레이저 에너지보다 많은 핵융합 에너지를 얻었어요. 다만 장치 전체가 쓰는 전력까지 넘어서는 상용 발전은 아직 먼 과제예요. 핵분열과 달리 장수명 고준위 폐기물이 적다는 점이 기대를 모아요.
자주 묻는 질문
- 플라스마와 기체는 무엇이 다른가요?
- 기체는 중성 원자·분자로 되어 있지만, 플라스마는 전하를 띤 이온과 전자가 자유롭게 움직여 전기가 잘 통하고 자기장에 크게 반응하며, 스스로 빛을 내기도 해요.
- 혈액의 '혈장'과 같은 말인가요?
- 영어로는 둘 다 plasma예요. 랭뮤어가 혈장에서 이름을 빌려 왔지만, 물리학의 플라스마와 혈액의 혈장은 전혀 다른 것이에요.
출처 검토일: 2026-10-26
참고문헌
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