플라즈마(Plasma) 공부1

Oxygen Plasma를 하는데 장비 창으로부터 보라빛이 나온다. 그런데 그 앞에 있어도 괜찮은걸까?

라는 이야기를 주제로 친구들과 이야기를 나누다가 공부하게 된 내용입니다.

 

플라즈마를 다룬 'The effect of UV radiation from oxygen and argon plasma on the adhesion of organosilicon coatings on polypropylene'의 초록(abstract)의 첫 문장은 다음과 같다. "The influence of ultraviolet(UV) radiation from oxygen and argon pretreatment plasmas on a plastic substrate has not been fully understood yet." 이 문장으로부터 oxygen plasma를 사용할 때 자외선이 나온다고 미루어 짐작해볼 수 있다.

• 출처: M Jaritz et al. 2017 J. Phys. D: Appl. Phys. 50 015201

 

Researchgate에서 PDMS를 접착하기 위해 oxygen plasma를 사용하는 사람이 왜 plasma가 'pale purple'로 보이는지 문의하였다. 그는 다른 사람들의 주장에 따르면 일부는 'invisible'이라 하며, 또 어떤 사람은 '노랑'이라 하여 혼란스럽다고 하였다. 이에 대해 Vanderbit Univ의 Ron Reiserer은 Plasma의 색깔은 공기 내에 함유되어 있는 물 분자로부터 나온 수소, 즉 공기의 습도에 따라 색깔이 달라질 수 있다고 답변해주었다. 그리고 산소(oxygen)과 공기(air)는 구분해야 한다고 한다. 질소가 많이 함유되어 있을수록 핑크색에 가까운 보라색이 나올 것이라 답해주었다.

• 출처: Researchgate

 

플라즈마의 색깔은 연료(fuel)에 의해 결정된다. 대게 연료는 수소(hydrogen)을 말하며 이들은 진한 빨강과 푸른 빛을 만들어내어 이 둘을 합친 핑크색을 만들기 때문에 우리가 보는 대부분의 플라즈마가 핑크색 또는 보라색을 띠는 것이다. 이때 플라즈마의 색깔은 전자가 에너지를 잃으며 빛을 발산할 때 생성된다. 즉, 플라즈마가 만들어질 때 에너지를 받아 원자핵에서 이탈한 전자들이 다시 원자핵과 결합할 때 에너지를 잃는 과정에서 빛을 낸다는 것이다. 그렇기 때문에 플라즈마가 만들어지는 곳은 전자가 이탈하기 때문에 상대적으로 빛을 보기 어렵고, 플라즈마원(source)로부터 멀리 떨어진 곳에 와서야 플라즈마 색깔을 확인할 수 있다. 참고로, 산소가 함유될 경우 푸른빛을 띄게 되는데 이는 누출(leakage)이 있다는 것으로 해석할 수 있다고 한다. 다만, 우리 실험실의 경우 애초에 'oxygen plasma'인데 왜 보라색 빛을 띠는지 의문이다.

• 출처: EUROfusion 'Where does the plasma colour come from?

 

참고로 자외선은 넘보라살이라고도 불린다. 이는 자외선을 고유어로 조어한 말이다. '넘보라'는 보라색 너머라는 뜻이며 '살'은 우리가 '햇살'이라 할 때 사용하는 '살'과 동일한 의미이다. (조어: 새로 말을 만들다. 실질 형태소에 다른 실질 형태소나 여러 가지 접사를 결합하여 새로운 단어를 만들다.)

• 출처: 네이버 국어사전 / 국립국어원 '넘-보라살? 넘보라-살?'

 

에너지를 받은 아르곤과 산소 분자들이 표면과 충돌하여 물체 표면의 오염물질(contaminants)를 제거하는 것이다. 이들은 마치 모래 알갱이를 표면에 분사하는 것처럼 작용하여 오염물질들을 제거(evacuate)하거나 증발(vaporize)시킨다. 가장 기본적인 제거 원리는 앞서 말했듯이 원자핵이 말 그대로 표면과 충동해 물리적으로 오염 물질을 파괴하는 것이다. 두 번째 원리는 플라즈마에서 나오는 VUV(Vacuum-UV)가 C-H, C-C, C-N과 같은 생물학적 결합(organic bonds)를 파괴하는데 매우 효과적이기 때문이다. 세 번째는 플라즈마 상태 즉, 이온화된 O2+, O2-, O3, O+, O-와 같은 물질들이 표면의 오염물질과 반응하여 H2O, CO, CO2 등을 만들어내며 물(H2O)은 진공에서 빠르게 기화되고 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO2)는 기체가 되어 표면에서 떨어져 나가게 된다. 일반적으로 산소는 푸른빛의 플라즈마를 만들어내고 산소와 아르곤이 섞여 있는 경우 핑크색 플라즈마가 만들어진다. 

• 출처: Instento, Knowledge base fact sheet. Explanation of Low Pressure Plasma Cleaning

INSENTO

결론

어떻게 될지 모르니 일단 앞에 있지 말자.