질문 ::

일반적으로 전기로를 영문으로 표현하면 electric arc furnace라고
하는데, 통상 전기로에서 사용되는 전압은 최고 1000V, 전류는 150KA가 사용되고 있습니다.
제가 알기로는 Arc도 일종의 플라즈마라고 말하기도 하던데,
Arc와 plasma의 구분은 어떻게 하고 어떻게 정의하는 것인지
또한, 대기 조건에서 plasma는 얻을수 없는 것인지
알려주세요

답변 ::

전기로에서는 induction 방법으로 용융시키거나 (RF 를 사용함)  혹은 arc plasma를 이용하여 용융시키는 두가지 방법이 있습니다.
질문은 후자에 관한 것으로 arc plasma에 대해서 말씀드리겠습니다.

arc plasma는 이행성 arc와 비이행성 arc로 나눌 수 있는데 특징은 각각 다음과 같습니다.
흔히 주변에서 볼 수 있는 arc welder나 arc 절단기는 모제에 전극을 연결하고 토치 팁과 모제 전극사이에서 형성된
플라즈마를 끌어내어 사용하는 기술이며 plasma 토치는 spray등으로 사용되며 시편의 표면에 세라믹 막등을 형성하는데 사용하거나
furnace에 사용하는 방법으로써 토치내의 두 전극사이에서 플라즈마를 만들어 이를 분사하는 방법입니다.

여기서 토치 팁 사이에서 형성되는 플라즈마를 arc 플라즈마라 하며 그 특징은 다음과 같습니다.
(플라즈마 발생에 관해서는 여러번 설명을 했습니다. 해당란을 참고하기 바랍니다)
두 전극사이에 고전압이 인가되면 corona discharge로 부터 시작 플라즈마를 얻습니다. 이 시작 플라즈마를 seed
plasma라고도 하며 시작 플라즈마가 형성되면 이를 바탕으로 전극과 전극사이에 glow 방전이 시작되고 glow방전으로
방전 전류가 증가하면서 전극으로 사용되는 팁의 표면으로 부터 열전자가 방출되면서 방전은 더욱 활발하게 됩니다.
(이에 관해서는 이전에 여러번 설명을 하였으니 본란의 해당항을 찾아 보시고 또한 플라즈마 강의록에 잘 언급되어 있습니다.)
방전이 활발하다는 말은 전극 사이에 플라즈마의 밀도가 높아졌다는 말과 같습니다. 또한 이들 플라즈마는  대기압의
조건에서 형성되어 충돌성이 매우 높아 전리되는 이온의 수도 증가합니만 전체적인 이온화 율이 저기압
플라즈마에 비해서는 매우 낮습니다. 이렇게 되면 전극 간에 전도도가 아주 좋은 플라즈마가 더욱 많아지기
때문에 전극간의 전위는비교적 낮아지게 되며 이온의 수가 늘어 전극으로 흐르는 전류의 양은 증가하게 됩니다.
이런 조건의 플라즈마를 arc plasma라 합니다.

참고로 이렇게 이온화된 개스, 즉 플라즈마 내에는 전자와 이온이 존재하고 있는데
특히 전극의 전기장으로 부터 쉽게 에너지를 얻는 전자들은 이온과 높은 충돌률로 인해서 에너지를 서로 주고 받아
국부적으로 열적 평형상태에 도달하게 됩니다. 즉, 전자의 온도와 이온의 온도가 유사해지게 되는 것 입니다. 이는
일반적인 저기압 플라즈마의 조건에서 보는 것과 같은 전자의 온도 수 eV 보다는 매우 낮아지고 이온의 온도는 0.1eV
미만에서 0.5eV 이상의 크기로 커지게 됨을 뜻 합니다. 이온의 온도가 이렇게 높아지고 이들 플라즈마의 충돌성은
단순히 자신들과의 충돌로 그치지 않고 주변에 있는 중성 개스, 즉 공기를 구성하는 개스 입자들과의 충돌도
빈번해짐으로 공기입자의 온도도 매우 높아지게 됩니다. 아울러 플라즈마 불꽃주변에서 플라즈마 입자들이
전기적으로 중성화되어 불꽃 밖에서는 높은 에너지를 갖는 공기입자들이 존재하게 됩니다. 참고로 불꽃에서의
입자의 온도는 수천도까지 올라갑니다. (참고 1eV = 11000K) 이 정도 온도는 대부분의 물질을 녹일 수 있게 됩니다