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플라즈마라는 말을 물리학 용어로 처음 사용한 사람은 미국의 물리학자 'Langmuir'(랑뮈어)로서, 전기적인 방전으로 인해 생기는 전하를 띤 양이온과 전자들의 집단을 플라즈마라고 하고 그 물리적인 성질을 연구하는 것이 플라즈마 물리학이다.

플라즈마란 소위 '제 4의 물질상태'라고 알려져 있으며,우주의 99%가 플라즈마 상태로 이루어져 있다는 사실 또한 이미 잘 알려져있다.
물질 중 가장 낮은 에너지 상태는 고체이다. 이것이 열(에너지)을 받아서 차츰 액체로 되고 그 다음에는 기체로 전이를 일으킨다.
기체에 더 큰 에너지를 받으면 상전이 와는 다른 이온화된 입자들, 즉 양과 음의 총 전하 수는 거의 같아서 전체적으로는 전기적인 중성을 띄는 플라즈마 상태로 변환한다.

플라즈마의 상태는

플라즈마 상태는 그 밀도와 온도를 그 주 파라미터로 사용하며 이 두가지 요소에 따라 우리주변에서도 쉽게 찾아 볼 수 있는 플라즈마 상태들, 즉, 네온사인이나 형광등으로부터 시작하여 북극의 오로라, 태양의 상태, 핵융합로에서의 플라즈마 상태등 광범위하게 분류되어질 수가 있다.

플라즈마라는 용어가 일반인들에게는 생소하게 들릴지는 모르지만 각 가정에서 조명등으로 사용하고 있는 형광등이나, 길거리에서 흔히 볼 수 있는 네온사인, 한 여름에 소나기가 쏟아지면서 자주 발생하는 번갯불과 같은 것들이 플라즈마 상태라고 하면 이해하기가 쉬울 것이다.

이중 공업적으로 이용이 활발한 플라즈마는 저온 글로우 방전 플라즈마로서 반도체 공정에서 플라즈마 식각(Plasma Etch) 및 증착(PECVD: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등에서 이용되고 있으며, 공정의 미세화, 저온화의 필요성 때문에 플라즈마 공정이 종래의 공정을 대체하고 있으며, 경우에 따라서는 플라즈마만이 제공할 수 있는 물질이나 환경을 이용하기 위한 응용분야가 점점 더 확대되고 있다

플라즈마의 물리적 특성은

준중성적인 개스인 플라즈마는 그 요소들(하전입자와 중성입자)의 하전성 때문에 전기를 전도시키며 전기력으로 인하여 중성화 하려는 경향이 있으며 그로인해 진동을 야기시킨다.
또한 외부의 영향에 의한 플라즈마의 진동도 고려될 수 있으며, 이러한 모든 진동은 플라즈마파의 원인이 된다.

플라즈마파는 그 환경에 따라 여러 가지 형태로 분산이 되어지며, 플라즈마파는 제어핵융합로에서의 플라즈마가열에 응용되어지는 중요한 물리적 특성이다.
또한 플라즈마의 전도성에 의한 저항열, 플라즈마에 전류를 흘려줌으로써 생성되는 열을 이용하는 것도 그 가열방법의 한가지이다.

플라즈마입자의 하전성에 의한 가장 큰 특징은 그 특성을 이용하여 여러 가지 방법으로 플라즈마를 제어가능하게 할 수 있다는 것이다.
주로 자기장을 이용하여 입자들을 제어하며 이 자기 차폐는 열핵융합로 연구에서 가장 많이쓰이는 방식이다.

그러나 플라즈마는 역시 개스의 흐름, 즉 유체이며 개개의 하전입자의 자기적 차폐만을 고려하는 것은 불가능하며 그러므로 유체역학적인 분석이 필요하게 된다.
여기서 발전된 학문이 자기유체역학(MHD)이며 여러 가지 지배 방정식들이 필요하게 된다.

이때는 하전입자상호간의, 혹은 하전입자와 중성입자들간의 충돌로 인한 플라즈마의 확산이나, 하전입자상호간의 재결합으로인한 입자 손실, 외부의 전자기장의 방향에 따른 여러 가지 형태의 드리프트에 의한 비바람직한 방향으로의 확산, 즉 불안정성에 대한 요소들이 고려되어져야 하며, 이러한 여러 가지 요소들이 포함된 지배방정식으로부터 역시 많은 형태의 플라즈마 분산관계식이 유도되어진다. 모든 실세계가 그렇듯 이러한 물리적인 안정된 선형성만이 플라즈마에 존재하는 것은 아니다.

예를 들면, 지배방정식의 대전제는 플라즈마 입자들이 그 에너지관계에 있어 맥스웰 분포를 따른다는 가정이 포함되어 있으며, 이는 100% 정확한 것이 아니다.
또한 플라즈마는 무한대의 공간에서 존재하는 것이 아니라 그것을 가두는 일종의 '용기'가 항상 필요하므로, 그 용기 벽과 플라즈마입자들간에는 그 플라즈마의 중심부와는 밀도측면에서 다른 양상을 보이기도 한다.(플라즈마 sheath의 존재) 이러한 플라즈마의 다양하고도 이해하기 어려운 특성들은 지극히 많은 분야에서 그 응용성 및 연구적 가치를 부여한다. 최근에는 컴퓨터의 급속한 처리속도와 용량 면에서의 발전으로 인해 플라즈마의 특성을 해석하는데 있어 여러 시뮬레이션 프로그램에 의해 좀더 실제적인 플라즈마 현상들을 관찰하고 연구하고 있다.

플라즈마의 응용분야는

1. 신소재 합성 - 종래의 초고압, 고온에서 얻어지던 인조 다이아몬드가 플라즈마를 이용한 기상 증착법에 의해, 특히 박막 형태로 얻어지고 있으며, 이종 기판상 단결정 다이아몬드 성장이 가능해질 경우 극한 상황에서도 동작하는 반도체 소자나 청색 발광 다이아몬드 등과 같은 획기적인 이용분야가 전개될 전망이다.

}2. 고분자의 표면처리 - 고분자 재료의 소수성, 친수성, 염색성, 접착성 등을 개선하여 이들에 의해 만들어지는 섬유나 재료의 기능을 향상시킬 수 있다.

3. 금속 표면처리 - 금속표면에 TiN/C, CrN/C, AlN 등과 같은 초경 피막을 코팅함으로써 표면의 내마모, 내부식 성질을 개선할 수 있다. 플라즈마를 이용한 증착법을 쓸 경우 부착력이 좋고, 증착 온도가 낮아질 수 있어서, 종래의 방법에서와 같이 증착시 기판의 고온 가열이 필요하여 이에 수반되는 모재의 변형, 변성을 줄일 수 있는 등의 장점이 있기 때문에 플라즈마를 이용한 초경피막 기술 등이 산업체에서 쓰여지기 시작하고 있다.

4. 환경 정화 - 전자빔이나 글로 방전 플라즈마를 이용하여 공장의 배기가스 중 NOx, SOx를 제거하는 건식 처리기술은 환경분야에서도 플라즈마가 중요히 쓰여짐을 보여준다.

5. 이밖에 최근에는 차세대 고선명 텔레비젼에서 요구되는 대화면(50인치) 평판 표시장치의 하나인 플라즈마 표시장치(Plasma Display Panel)에 대한 연구가 수행되고 있고, 장기적으로는 21세기에 들어 요구되는 에너지, 신재료, 반도체 소자 제조, 환경분야 등에서 플라즈마의 이용이 점점 더 늘어날 전망으로 있으며, 이에 따라 다양한 플라즈마의 생성 및 제어, 측정 기술, 플라즈마의 물성을 측정하는 플라즈마 진단법이 개발이 이루어질 것으로 전망된다.