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 고체인데 이것이 열(에너지)을 받아서 차츰 액체로 되고 그 다음에는 기체로 전이를 일으킨다. 기체가 더 큰 에너지를 받으면 상전이와는 다른 이온화된 입자들, 즉 양과 음의 총 전하 수가 거의 같은 전체적으로는 전기적인 중성을 띄는 플라즈마 상태로 변환한다.

 

     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. 플라즈마 상태는 그 밀도와 온도를 주 파라미터로 사용하며 이 두가지 요소에 따라 광범위하게 분류되어질 수가 있다.

    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 있다. 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.

 

    준중성 가스(Quasi-neutral gas)인 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 핵 융합로에서의 플라즈마 가열에 응용되어지는 중요한 물리적 특성이다. 또한 플라즈마의 전도성에 의한 저항열, 플라즈마에 전류를 흘려줌으로써 생성되는 열을 이용하는 것도 그 가열방법의 한가지이다.

    플라즈마 입자의 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 많이 쓰이는 방식이다. 그러나 플라즈마는 역시 가스의 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 재결합으로 인한 입자 손실, 외부의 전자기장의 방향에 따른 여러 가지 형태의 드리프트에 의한 비 바람직한 방향으로의 확산, 즉 불안정성에 대한 요소들이 고려되어져야 하며, 이러한 여러 가지 요소들이 포함된 지배방정식으로부터 역시 많은 형태의 플라즈마 분산관계식이 유도되어진다. 모든 실세계가 그렇듯 이러한 물리적으로 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 프로그램을 이용하여 좀 더 실제적인 플라즈마 현상들을 관찰하고 연구하고 있다.