{{{{{{{{{{{{{{{{{{R e p o r t< 자 료 조 사 >● 플라즈마(DC, RF-PLASMA)고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체상태로서 전하분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 같아서 중 성을 띠고 있는 기체. 원거리 작용을 하는 쿨롱힘이 전하 사이에 작용하므로 근거리의 국부상태보다는 먼 곳의 상태의 영향을 더 받아서 전체가 함께 움직 이는 집단행동의 특성을 지니고 있다.플라즈마라는 이름은 1930년 미국의 I. 랭뮤어가 전기방전시 생긴 이온화된 기 체에 붙은 것이 최초이다. 플라즈마란 단어는 그리스어의 πλσμα, -ατοs, τ로부터 온 말로서 그 원래 뜻은 틀에 넣어서 만든 것, 조립된 것 등이다. 집 단 행동의 특성이 말해 주듯이 실제로 플라즈마를 다루는 데는 외부에서 쉽게 조절된다고 하기보다는 플라즈마 스스로가 자기 멋대로 행동하는 것이 예사이 어서 원래 붙인 이름이 잘못된 것이라는 사람도 있다.고체·액체·기체(물질의 세 상태)에 이어 플라즈마를 제 4의 물질상태라고 부른다. 온도를 차차 높이는 데 따라 거의 모든 물체가 고체로부터 액체 그리 고 기체 상태로 변화한다. 섭씨 수만 도에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되 어 플라즈마 상태가 된다. 일상 생활에서는 플라즈마가 흔하지 않으나 우주 전 체를 보면 월등히 흔한 상태라고 할 수 있다. 그것을 우주 전체의 99%가 플라 즈마 상태라고 추정되고 있기 때문이다. 그 예로는 형광등 속의 전류를 흐르는 전도용 기체, 로켓이나 번개칠 때 기체 속에 섞여 있는 이온화된 기체, 북극 지 방의 오로라, 대기 속의 오온층 등이 있으며, 대기 밖으로 나가면 지구 자기장 속에 이온들이 잡혀서 이루어진 반 알렌대, 태양으로부터 간헐 적으로 쏟아져 나오는 태양풍 속에 플라즈마가 존재한다.별의 내부나 그를 둘러싸고 있는 주변 기체가 흔히 플라즈마 상태이고, 별 사 이의 공간을 메우고 있는 수소 기체가 플라즈마 상태를 하고 있다. 플라즈마를 이루고 있는 각 개융합에서 필요로 하는 자기폐쇄란 전하가 자력선을 쫓아가는 것을 이용한 것이다. 자력선을 적당히 변형시켜서 공간의 한 장소에 극한 시켜 높음으로써 플라즈마를 그곳에 가두어 두려는 것이다. 지구주위와 천체의 플라즈마와 관련 되어 지구 물리학과 천체 물리학에서 플라즈마 연구가 종래는 시행되어 왔으나 근래에 와서는 플라즈마의 전기적 성질을 이용한 전자기 유체역학(MHD)적 발 전, 우주 장거리 여행용 로켓의 이온엔진 및 핵융합 연구 등을 위해서 플라즈 마 연구가 다방면에 걸쳐서 진행되고 있다.[MHD발전과 이온엔진]플라즈마 실용의 보기로서는 전자기 유체역학적 발전기와 우주선의 이온 엔진 을 들 수 있다. 높은 밀도의 플라즈마를 고정된 자력선을 횡으로 자르도록 내 뿜으면 자력선과 작용하여 양전하와 음전하를 띤 플라즈마 입자가 각각 갈라져 서 두 전극 사이의 전위차를 만든다.이 전극을 연결하면 전류를 얻게 되는데 보통 발전소의 비효율적인 열 사이클 과정을 거치지 않는 장점이 있다. 위의 원리를 반대로 이용한 것이 이온엔진이 다. 자기장 속의 플라즈마에 전극으로부터 강한 전류를 자력선에 수직으로 통 과시키면 자기장과 전류 상호작용으로 생긴 힘이 플라즈마를 우주선 밖으로 뿜 어낸다.이 반작용으로 우주선을 앞으로 힘을 받는다.[핵융합 연구]원자로에서는 핵분열 에너지를 이용하는 데 반해서 핵융합로에서는 원자핵이 모여서 다른 하나의 원자핵으로 융합할 때 생기는 에너지를 이용하려는 것이 다. 원자핵은 양전하를 띠고 있어서 반발력이 제일 적은 수소의 동위원소인 이 중 및 상중수소를 핵융합에 이용한다.핵융합 연구는 크게 둘로 나눈다. 1자기폐쇄법과 2관성폐쇄법이다. 플라즈마 와 자력선의 상호작용을 이용하여 일정한 장소에 폐쇄코자 하는 것이 자기폐쇄 법이고, 관성폐쇄란 미소한 중수소 입자를 레이저나 상대론적 초고속 전자 선 속 혹은 고속 양이온 선속과 같이 높은 에너지를 가지고 있는 선속으로 사방에 서 고르게 단시간에 쬐면 입자가 안으로 폭발 축소되어 스스로의 관성에 의해 서 폐쇄되고 후 그위에 코일을 감아 관내의 축방향에 강 한 자기장을 유도하고 같은 방향에 전류를 유도하여 그것으로 인하여 생긴 작 은 원단면을 회전하는 자기장이 합쳐서 나사선형으로 진행하는 자력선이 된다. 이러한 자력선은 관내 플라즈마의 안정성을 위하여 불가결의 것이며 플라즈마 속의 전류는 이렇게 안정성에 기여할 뿐만 아니라 가열까지 하는 이중 구실을 한다.1980년대 중반기까지 건설이 완료되어 실험이 시작될 초대형 토카막이 세계에 4개가 있는데 이들 국가들은 동시에 가장 큰 규모의 플라즈마 연구를 하고 있 는 국가 들이기도 하다.미국의 TFTR, 소련의 T-15, 유럽공동체의 대표로 영국에 세워지는 JET, 일 본의 JT-60이다.이 실험에서는 과학적 손익채산성 증명, 즉 들어간 에너지가 핵융합으로 얻어 지는 에너지와 적어도 같은 것을 보이는 실험이다..기본문제의 해결은 80년대 말까지 기대되나 핵융합로가 상업화되기까지는 필 요로 하는 새 기술 및 공업의 발달 등 문제가 남아 있어서 21세기 초에나 실현 가능한 것으로 내다보인다. ㄴ자기거울-원통방전관에 감은 코일의 밀도를 달 리하여 양 끝에 강하고 그 사이에 약한 축방향 자기장을 원통속에 유도한다. 약한 자기장쪽으로 가려는 특성으로 플라즈마가 중간지역에 모여 폐쇄된다.최근에 와서는 이 자기거울 두 개를 긴 균일 자기의 원통인 솔레노이드 양 끝 에 붙여 마개로 사용하는 장치가 고안되었는데 탠덤미러(나란히 줄지어 선 거 울)라고 불린다.초대형으로는 80년대 중반기에 완성 예정인 미국의 MFTF-B가 있다. 플라즈 마 연구는 앞에서 기술한 4개 국가가 선두로 나서고 뒤이어 전세계적으로 확산 되고 있으며 중공에서도 힘을 쏟고 있다고 알려져 있다.우리나라에서도 아직 그 규모는 작으나 몇몇 대학과 연구소에서 연구가 진행 되고 있다.● 진공 증착진공증착은 진공증착 장비를 사용하여 행한다. 진공증착 장치는 진공용기, 증 발원, 셔터, 그리고 기판으로 구성되어 있다. 알루미륨등 금속을 증착하는 경우 를 예로 들어 설명해 보자. 먼저 진 끓는점은 약 2450℃이다. 알루미늄을 증 발시키기 위해서는 필라멘트를 1100℃이상으로 가열해야 한다.진공용기에 붙어 있는 유리창으로 보면 알루미늄이 증발하여 필라멘트에 남아 있는 알루미늄이 감소해가는 것을 알 수 있다. 증발한 알루미늄은 기판에 도달, 부착하여 알루미늄 박막이 되는 것이다.증발의 초기단계에서는 필라멘트나 알루미늄 와이어에 부착되어 있던 불순물 이 증발하여 기판을 오염시키기 때문에, 셔터로 증발원을 가리고 어느 정도 깨 끗한 알루미늄 증기가 발생할 때 까지 기다린다. 에디슨의 전구에서 필라멘트 의 점등 초기에 가스가 발생하여 필라멘트가 연소해버린 것과 관련이 있다. 필 라멘트를 통전시키고 증착장치의 진공게이지를 보고있으면, 압력이 상승하는 것을 알 수 있다. 증발을 계속하면 압력상승이 안정되어 서서히 하강해 간다.이것은 증발원으로부터의 가스발출이 감소한 원인도 있지만, 증착된 알루미늄 박막이 진공장치내의 잔류가스를 흡착하는 펌프작용이 있기 때문이다.증발원이 점으로 되어 있으면 웨이퍼에 부착하는 증기의 양은 증발원으로부터 웨이퍼까지의 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 알 수 있을 것이다. 이것을 빛 으로 바꾸어 생각하면 이해가 쉽다. 즉, 꼬마 전구에 의한 밝기를 생각해 보자. 꼬마 전구는 점광원이기 때문에 거리가 동일한 위치에서는 같은 밝기이다. 거 리가 같은 위치라는 것은 종이 풍선과 같은 구의 표면이다. 풍선 속에 평면의 종이를 넣었다고 하면 꼬마 전구에서 가장 가까운 부분에서 밝기가 강하고 주 변은 그렇지 않다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 같은 박막의 두께는 증발 원을 중심으로 하는 구의 표면에서 얻어지기 때문이다.웨이퍼가 큰 경우 증발원에서 기판까지의 거리는 일정하지 않고 웨이퍼의 중 심이 가장 증발원과 가깝게 되어 있다. 즉, 증착된 박막의 두께는 일정하지 않 게 된다. 작은 웨이퍼를 여러개 동시에 증착하는 경우 박막의 두께를 일정하게 하기 위해, 웨이퍼의 자전과 공전운동을 시켜 두께를 균일화 시키는 연구를 하 고 있다.진공로 되기까지의 과정을 설명해보자, 주전자에 물을 넣고 끓이는 경우, 힘 차게 수증기가 뿜어져 나오는 것을 상상해 보자, 수증기를 유리로 가리면 유리 가 수증기로 흐려지는 것을 알 수 있다. 진공증착이란 유리에 수증기를 가까이 하면 미소한 물방울이 부착되는 것과 매우 비슷하다. 유리에 빗방울이 부착되 는 모양을 차의 앞 유리에 붙는 물방울과 대비시켜 설명해 본다. 즉, 비가 내리 기 시작할 때 차가 정지해 있거나 혹은 차의 속도가 느린 경우 물방울이 단독 으로 드문드문 생기지만, 시간이 지나면 물방울이 여러 개 모여서 커다란 물 방울로 된다. 더 시간이 지나면 더욱 크게 되어 마침내 앞유리 전체가 젖어서 거이 균일하게 된다.그런데 차의 속도가 빠르거나 혹은 바람을 동반하여 빗줄기가 거세면 앞유리 에 부착된 물방울은 심하게 이리저리 움직여 다니게 된다. 이것은 금속증기의 온도가 높은 경우 해당된다. 유리기판이 차가운 경우, 부착된 수증기 입자는 곧 냉각되어 움직일 수 없기 때문에 유리기판에 균일하게 배열되지 않는다. 그러 나 유리기판이 적당히 가열되어 있으면 부착된 수증기 입자는 부착해 보아 기 분이 좋으면 그 곳에 부착하고 나쁘면 이동할 것이다. 웨이퍼 표면은 알루미늄 원자의 입장에서 보면 요철이 있기 때문에, 요철이 많은 곳에서 알루미늄 원자 가 정지하여 핵을 만들고 박막 성장의 중심을 이룬다. 즉, 알루미늄 원자는 스 스로 재배열하여 균일한 박막이 되려고 한다.입자가 움직일 수 없을 만큼 유리 기판이 차가우면 이동하지 않고 멈추어 있 다. 즉, 질서정연하게 배열되지 않고 빈자리가 생기거나 한다. 이와 같은 내처 럼 유리기판이 저온인 경우에는 금속증기의 입장에서 보면 웨이퍼가 차가운 경 우에 해당되어 박막에는 결함이 많이 생긴다. 웨이퍼를 가열한 경우에는 만들 어진 박막에 결함이 적다. 결함을 나타내는 요소에는 밀도와 전기 저항이 있다. 결함이 많은 경우 당연히 박막의 내부는 푸석푸석해지며 금속을 용융한 경우와 비교하면 약 8%로 밀도가 작아진다. 그리고 전기이다.
{R e p o r t< 문 제 풀 이 >{5.2 연습문제(a){w~=~ OINT PdV~=~( INT _{A}^{B} ~+~ INT _{B}^{C} ~+~ INT _{C}^{D} ~+~ INT _{D}^{A} )PdV{=~ INT _{A}^{C}PdV ~+~ INT _{A}^{C} ~+~ INT _{C}^{A} ~=~π×10^9 erg{=~314J(b) 열역학 제 1법칙을 부터{d ~=~ Q~-~ W~=~-dW~=~- INT _{V_i}^{V_f} PdV{=~- INT _{V_i}^{V_f} KdV OVER V^r ~=~[- KV^1-r OVER V^r ] _Vi ^V_f{=~- K`(V_f ^1-r `-` V_i ^1-r ) `/ `1-r{=~ (P_f V_f`-`P_i V_i )`/`r-1{한편~(P_f ,` V_f ) ~=~(2,`3),~(P_i V_i )~=~(2,`1){r~=~(C_v + R) `/` C_v~=~1`+`R OVER C_v{=~ 1`+` R OVER 3R OVER 2 ~=~ 5 OVER 3{=~(6-2)`/`( 5OVER3 -1){=~6~×~10^9 erg ~=~ 600J(c) 열역학 제 1법칙으로 부터{TRIANGLE ~=~Q``-``W⇒ {Q~=~ TRIANGLE ``+``W{W~=~ INT _{A}^{C} PdV~=~ 4``+`` pi OVER 2`(×10^9 erg)~=~557J{Q_total ~=~557``+600~=~1157J따라서 ABC로 갈 때 기체가 흡수한 열은{A에서`` C까지 ~=~ 1157J5.4 연습문제(b) 전체적인 문제풀이를 위해 (b)번 문제를 먼저 푼다.{P_1i V_1i ~=~ P_1f V_1f{P_2i V_2i ~=~ P_2f V_2f{P_1f ~=~ P_2f(at equil){V_1f ~≠~ V_2f ~=~ V{5~ TIMES ~ 30A ~=~ P_1i V_1i{1~ TIMES ~50A ~=~ P_2f V_2f{따라서 ~~3 ~=~ V_1f over V_2f{V_1f ~=~ 3 V_2f{P_1i ~=atm{V_1f ~=~60A{P_2i ~=~ 1atm{V_2i ~=~50A{P_2f ~=~ 2.5atm{V_2f ~=~20A{P_1i V_1i ~=~ 1(mole) RT_i{따라서 ~~ A~=~ {R`TIMES`(273`+`25)} OVER {5`TIMES`30}{그러면 ~P_2i V_2i ~=~ nu _2 R T_2i{nu ~=~ {1 TIMES 50A} OVER RT_2i ~=~ 1 over 3 mole{따라서 ~~ nu _1 ~=~ 1(mole)^He{nu _2 ~=~ 1 over 3 (mole)^Ar(a) {TRIANGLE _(total) ~=~ TRIANGLE _(He) ~+~ TRIANGLE _(Ar){TRIANGLE _(He) ~ =~ {P_f V_f ~-~ P_i V_i} over {r~-~1} ~=~ 3 over 2 (2.5~ TIMES ~60A~-~5~ TIMES ~30A) ~=~0{TRIANGLE _(Ar) ~=~ 3 over 2 (2.5~ TIMES ~20A~-~1~ TIMES ~50A) ~=~0{TRIANGLE _(total) ~=~ 0{W_(total) ~=~ W_(He) ~+~ W_(Ar){=~ INT _{He} PdV ~=~ INT _{Ar} PdV{=~ INT _{V_1i}^{V_1f} {V_1 RT} OVER V dV ~+~ INT _{V_2i}^{V_2f} {V_2 RT} OVER V dV{=~ nu _1 RT~ ln{( 60A OVER 30A )} ~+~ nu _2 RT ~ln{( 20A OVER 50A )}{그런데 ~ nu _1 = ~ 1~~~~~ nu _2 ~=~ 1 OVER 3 ~~~~~ T~=~ 25 ~+~ 273{W_(total) ~=~ 298R` ln^2 ~+~ 93.3R` ln 2over 5{=~121.06R~~(R~=~8.31~J/mole `` K) ~=~ 1006J{TRIANGLE E ~=~ Q~-~ W{Q~=~W~=~1006J{따라서 ~~4120 TRIANGLE T~=~1006`` J/ K{TRIANGLE tal) ~=~ TRIANGLE S_(water) ~+~ TRIANGLE S_(He) ~+~ TRIANGLE S_(Ar){TRIANGLE S_(He) ~=~ C_v``ln ( T_f over T_i ) ~+~ R``ln ( V_f over V_i ){왜냐하면 ~~TdS ~=~ nu C_v dT ~+~ PdV{=~ 3 OVER 2 R`` ln P_f over P_i ~+~ 3 over 2 R`` ln V_f over V_i ~+~ R`` ln V_f over V_i{왜냐하면``PV ~=~ nu RT{P_f over P_i ~=~ 2.5 over 5 ~=~ 1 OVER 2{V_f over V_i ~=~ 60 over 30 ~=~ 2{TRIANGLE S_(He) ~=~ 1 over 3 ( 3 over 2 R )``ln T_f over T_i ~+~ 1 over 3 R``ln V_f over V_i{=~ 1 over 2 R ``ln T_f over T_i ~+~ 1 over 3 R``ln V_f over V_i{=~ 1 over 2 R ``ln P_f over P_i ~+~ 1 over 3 R``ln V_f over V_i ~+~ 1 over 3 R``ln V_f over V_i{=~ 1 over 2 R ``ln P_f over P_i ~+~ 5 over 6 R``ln V_f over V_i{=~ 1 over 2 R ``ln 2.5 ~+~ 5 over 6 R``ln 0.4{=~ -0.305 R{따라서~~ TRIANGLE S_(He+Ar) ~=~ 0.388R ~APPROX ~3.23 ``J/ K{TRIANGLE S_(Res) ~=~ TRIANGLE S_(water) ~=~ 1000 ~TIMES ~1~ TIMES ~0.24/298{=~0.805``cal/ K ~=~ 3.368``J/ K{TRIANGLE S_(total) ~=~ 3.23 ~+~ 3.27 ~ APPROX ~ 6.6``J/ K5.7 연습문제(a) {RHO ~=~ m over v{{{{{dP~=~-( rho` P~+~dP{P~=~ nuRT OVER V{{m {dx{따라서 ~~ dP OVER P ~=~ - rho `g`dx `V OVER nuRT{V {P{=~ - m over V `g`dx` V OVER nuRT{=~ - m over nu `g`dx OVER RT{mu ~ == ~m over nu ~~라고 두자{그러면 ~~ dP OVER P ~=~ - mugdx over RT(b) 단열 팽창시에{PV^r ~=~ const{( V ~=~ nuRT OVER P ){PT^r P^-r ~=~ const양변을 로그를 취한후 각각의 문자별로 미분을 하면{( 1`-`r ) dP OVER P ~+~ r dT OVER T ~=~ 0{따라서 ~~~ dP OVER P ~=~ r over r-1 dT OVER T(c) (a)와 (b)에 의해서{- mugdz over RT ~=~ r over r-1 dT OVER Tor {1-r over r mug over R ~=~ dT OVER dz{따라서 ~~ ~ dT OVER dz ~=~ 1-r over r mug over R{mu ~=~ 28 `TIMES` 10^-3 ~kg/mole{nu ~=~ 1.4{g ~=~ 9.8~m/sec^2{R ~=~ 8.31~ J/mole K{그러면 ~~~ dT OVER dz ~=~ -9.43 ` TIMES ` 10^-3 ~ K/m(d) (a)로부터{dP OVER P ~=~ - mug over RT dz{P ~=~ P_0 exp [(- mug/RT)z](e) (a)와 (b)로부터{dP OVER P ~=~ r over r-1 dT OVER T ~=~ - mug over RT dz{따라서~~~ dT ~=~ - r-1 over r mug over R dz{=~ -9.43` dz{따라서 ~~~ T ~=~ T_0 `-` 9.43` dz(b)로 부터{ln( P OVER P_0 ) ~=~ r over r-1 ln( T OVER T_0 ){=~ r over r-1 ln( 1`-` {9.43 ( z-z_0 )} OVER T_0 ){따라(z-z_0 )} over rRT_0 )^{r over r-1}{=~ P_0 ( 1`-` 9.43 OVER T_0 (z-z_0 ) )^3.55.26 연습문제(a) {PV^r ~=~ nu RTV^r-1{=~ const{따라서~~~ TV^r-1 ~=~ const{V ~=~ V_1 ~=~ V_2 ~이면 ~ ~T ~=~ T_1 ~=~ T_2 ~는 ~~determined{-` g_1 over T ~+~ g_2 over T ~=~ 0{(` g_2 ~+~ W ~=~ g_1` ) 이므로{( -` g_1 over T_1 ) ~+~ ( {g_1` -` W} over T_2 ) ~=~ 0{n ~=~ W OVER g_1 ~=~ T_2 ( 1 OVER T_2 `-` 1 OVER T_1 ) ~=~ 1`-` T_2 OVER T_1 ~=~ 1`-` V_2 ^1-r over V_1 ^1-r ~=~ 1`-` ( V_1 over V_2 )^r-1{따라서 ~~~ n ~=~ 1`-` ( V_1 OVER V_2 )^r-1Carnot에 조사내용{. 정의 : 두 열저장체 사이에서 준-정적으로 운전하는 기관을 말한다.{1 기관은 열적으로 끊어져 있다. 그 바깥 맷음변수는 기관 온도가 T2(변화된 온도)로 되 돌라 가는 그런 방향으로 변한다.2 기관은 이제 온도 T2인 열저장체에 열적으로 닿아 있다. 그 바깥 맺음변수는 그 처음 값으로 되돌아갈 때까지 바뀌어 지는데, 기관은 온도 T2에 남아서 이 저장체에 열 q2 를 내보낸다.3 기관은 열적으로 끊어져 있다. 그 바깥 맺음변수는 기관 온도가 T1(처음온도)으로 될 때까지 천천히 변한다.4 기관은 이제 온도 T1인 열저장체에 열적으로 닿아 있다. 그 바깥 맺음변수는 더 바뀌 어 지는데, 기관은 온도 T1에 남아서 저장체로부터 열 q1을 흡수한다.{{. 순환과정에서 기관이 한 일{w~=~ SUM INT _{ 구간}^{구간 }을 뜻한다.. 실제기관은 Carnot기관보다 다소 복잡하다. 그러나 모든 열기관처럼 그들은 완전할 수 없고 그들은 열을 어떤 낮은 온도의다.