질문 : 오종민 - 플라즈마를 큰 카테고리로 분류하는 가장 큰 요인이 Tr인데 정확하게 어떤 온도인지 알고 싶습니다.

답변 : 군산대학교 공과대학 재료공학과 주정훈 교수님

제가 읽은 플라즈마 관련 책중에 "Film Deposition by Plasma Techniques", Springer-Verlag, Konuma, 1992. 가 있는데, 그곳의 5 페이지에 보면 Tr을 rotational temperature라고 정의하고 분자가스로 만들어진 플라즈마내의 특성 온도들을
Te > Telect > Tv >= Tr > Tg
로 설명하고 있습니다. 이들이 이렇게 다른 이유는 비열평형 플라즈마인데 그 까닭이 있습니다. 용접에 사용되는 전기 아크 방전은 상압이고 거의 열 평형에 가까운 플라즈마이지만 대개의 재료가공 공정에 사용되는 플라즈마는 압력이 낮아서 입자들마다 power source로부터 얻는 에너지에 차이가 생기게 되고 이들이 위의 온도를 다르게 만드는 원인이 됩니다. 고전 열역학으로 보면 계의 온도는 한가지 인지만 분자의 구조를 생각하는 양자열역학으로 보면 계의 에너지가 여러 가지의 운동으로 분배되어 있기 때문에 각각의 운동종류에 따라 오도를 따로 정의할 수밖에 없겠지요. 참고로 이 책에서 예를 들은 질소 플라즈마의 온도를 압력을 50 Torr 까지 올려가면서 측정한 바에 따르면, 전자 온도는 15000 K에서 11000K로 감소하고, Tr은 5760K로 증가, Tg도 2000K 정도로 증가했군요. 플라즈마 모델링을 할 때에도 대개 중성 가스의 온도는 거의 상온으로 놓고 계산을 하는데 고 밀도 플라즈마의 경우에는 비록 압력이 수 mTorr로 낮은 편인데도 중성 입자들의 온도가 증가한다는 연구 보고가 있습니다. 일종의 플라즈마 가열에 대한 메카니즘 연구인데, 반도체에서 산화막의 식각 공정등 아주 critical 한 공정에서는 관심거리가 되는 이슈이기도 합니다.