KR100949111B1 - 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치 - Google Patents

Abstract

생의학 분야를 포함한 다양한 분야에서 다양한 목적의 표면처리에 이용될 수 있는 상온(常溫)의 플라즈마를 발생시키는 장치가 개시된다. 본 발명을 구현한 장치는 가스가 주입 및 방전되는 홀(hole)을 가지는 제1전극; 상기 제1전극을 둘러싸도록 상기 제1전극의 외주에 형성되며, 상기 제1전극의 상기 홀에 주입되는 가스가 방전되는 방향으로 제1방전공간을 갖고 상기 제1전극보다 더 돌출되어 형성된 유전체 관; 상기 유전체 관에 주입된 가스가 방전되는 상기 제1방전공간방향으로 상기 유전체 관에 밀착되어 판모양으로 형성되며, 상기 제1전극의 홀과 동일방향으로 홀을 갖고 형성되는 제2전극; 상기 제2전극과 동일한 형상으로 상기 제2전극과 소정간격 이격되어 형성되는 제3전극; 상기 제2전극과 제3전극을 절연하기 위하여 상기 제2전극과 제3전극사이의 소정간격 이격된 사이에 형성되며 상기 제1전극 홀과 제1방전공간, 제2전극 홀 및 제3전극 홀방향과 동일한 방향에 제2방전공간으로 사용되는 홀을 갖는 유전체 판; 그리고, 상기 각 방전공간에 전기장이 형성되도록 상기 제1전극, 제2전극 및 제3전극에 전압을 인가하는 전원장치; 를 포함한다.

표면처리, 방전, 고기압, 저온, 전극

Description

대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치{APPARATUS FOR GENERATING ROOM TEMPERATURE PLASMA AT ATMOSPHERIC PRESSURE}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치의 구조를 보인 단면도.

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치의 구조를 보인 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 제 1전극 20: 제 2전극

30: 제 3전극 40: 유전체 관

50: 유전체 판 70: 플라즈마 출구

80: 외장재 90: 플라즈마 젯

본 발명은 생의학 분야를 포함한 다양한 분야에서 다양한 목적의 표면처리에 이용될 수 있는 상온(常溫)의 플라즈마 발생을 위한 것으로, 특히 언제 어디서나 쉽게 사용할 수 있도록 사용 가스의 제약이 없고 휴대가 용이한 구조로 구현될 수 있는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치에 관한 것이다.

플라즈마 상태의 높은 반응성을 이용하여 금속이나 고분자 등을 표면처리하는 기술은 잘 알려져 있다. 플라즈마는 진공 또는 대기압에서 발생될 수 있으며, 그 온도에 따라 평균온도가 수만 도에 달하고 이온화 정도가 높은 고온 플라즈마와 평균온도가 상온보다 약간 높고 이온화 정도가 미약한 저온 플라즈마로 구분된다. 공정의 미세화, 저온화의 필요성에 따라 공업적으로 활발히 이용되고 있는 것은 주로 대기압 저온 플라즈마로, 반도체공정에서의 식각 및 증착, 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등에 유용하게 이용되고 있다. 하지만, 저온 플라즈마의 경우도 대부분 상온보다는 높으므로, 열에 아주 민감한 고분자의 표면처리, 특히 단백질로 구성된 인체와 같은 피부 조직의 상처 치유 등 생의학 분야에는 그 적용이 곤란하였다. 즉, 열에 민감한 고분자의 표면처리나 생의학 분야에서는 상온에서 온도가 증가하지 않은 이른 바, 상온 플라즈마가 요구되는 것이다.

본 발명자중에서, 홍(Hong)은 등록특허 10-0672230를 통하여, 동공(洞空)을 가진 음극, 즉, 캐필러리(clapillary) 전극을 사용하고, 전원으로서는 AC 고전압을 인가하여 안정적인 상온의 아르곤 플라즈마 젯을 발생시키는데 성공한 바 있다. 그러나 이것은 20㎑의 고전압에 의한 것이므로 사용시 인체 등에 전기적 충격을 줄 수 있고, 전원장치의 부피가 커서 휴대용으로서도 적합하지 않은 해결해야 할 과제가 남아 있었다.

미국특허 6,228,330과 6,262,523은 RF(radio frequency) 플라즈마에 소량의 산소를 첨가하여 대기압 상온의 비평형 플라즈마를 발생시켜 화학생물 작용제의 제 독과 살균, 표면에칭 등에 이용하는 것에 관하여 기술한다. 그러나 이것은 플라즈마 가스로서 많은 양의 값비싼 헬륨을 사용하고 있으며 표면처리 효과를 증대시키기 위하여 많은 양의 산소를 사용하므로, 글로우 방전에서 아크 방전으로 전이하여 효율이 급격히 떨어지고 장비가 과열될 소지가 많다.

또한, 미국특허 5,387,842와 5,414,324에는 상온에 가까운 저온 글로우(glow) 방전 플라즈마를 발생시켜 생물 작용제의 제독에 응용하는 것이 개시되어 있다. 그러나 이것은 구조적으로 대면적 표면처리에 유용할 수 있으나 휴대가 불가능하여 언제 어디서나 사용할 수 없고, 사용가스에도 제약이 따랐다.

생의학을 포함한 다양한 분야에서 다양한 목적의 표면처리에 효과적인 플라즈마를 발생에는 상온과 대기압에서 작동해야 할 뿐만 아니라 작동하는 동안 아크를 내거나 과열되지 않는 장치가 필요하다. 또한 바람직하게는 언제 어디서나 쉽게 사용할 수 있도록 사용 가스의 제약이 없어야 하고 휴대성 또한 개선될 필요가 있는 것이다.

상온에서 온도 증가 없이 플라즈마 가스의 화학반응을 향상시키기 위해 전자들이 높은 에너지 분포를 갖도록 전자 에너지 분포 함수를 제어할 수 있는데, 이것은 플라즈마에 입력되는 전원을 마이크로미터 이하의 짧은 펄스폭을 가지는 전압을 인가하는 것이다. 그러나 이 방법은 전원장치의 제작비용에 대한 비용부담이 클 뿐만 아니라, 전원 펄스 시스템에 의해 전원장치의 부피가 커져 휴대성이 나빠지게 된다.

본 발명은 전술한 본 발명자에 의한 선등록특허에서 사용된 캐필러리 전극을 사용한 구조를 개선하여, 전기적 충격 없이 상온에서 온도가 증가하지 아니하는 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 또 언제 어디서나 쉽게 사용할 수 있도록 사용가스의 제약이 없고 휴대가 용이한 구조로 구현될 수 있는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

삭제

상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치는, 가스가 주입 및 방전되는 홀(hole)을 가지는 제1전극; 상기 제1전극을 둘러싸도록 상기 제1전극의 외주에 형성되며, 상기 제1전극의 상기 홀에 주입되는 가스가 방전되는 방향으로 제1방전공간을 갖고 상기 제1전극보다 더 돌출되어 형성된 유전체 관; 상기 유전체 관에 주입된 가스가 방전되는 상기 제1방전공간방향으로 상기 유전체 관에 밀착되어 판모양으로 형성되며, 상기 제1전극의 홀과 동일방향으로 홀을 갖고 형성되는 제2전극; 상기 제2전극과 동일한 형상으로 상기 제2전극과 소정간격 이격되어 형성되는 제3전극; 상기 제2전극과 제3전극을 절연하기 위하여 상기 제2전극과 제3전극사이의 소정간격 이격된 사이에 형성되며 상기 제1전극 홀과 제1방전공간, 제2전극 홀 및 제3전극 홀방향과 동일한 방향에 제2방전공간으로 사용되는 홀을 갖는 유전체 판; 그리고, 상기 각 방전공간에 전기장이 형성되도록 상기 제1전극, 제2전극 및 제3전극에 전압을 인가하는 전원장치; 를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대기압 상온 플라즈마 발생장치의 기본 구조를 보인다. 도면에 있어서, 부호 10은 제1전극, 20은 제2전극, 30은 제3전극이다. 제1전극(10)은 예컨대 주사기 바늘의 캐필러리 동공과 같은 홀(11)을 가지며, 전도성이 좋은 금속으로서 바람직하게는 내마모성 내식성이 좋은 스테인리스 스틸로 제작된다. 제1전극의 홀(11)은 주입가스를 흘리기 위한 것으로, 바람직하게는 그 내경이 수㎛에서 수㎜의 범위로 될 수 있다. 제2전극(20)과 제3전극(30)은 원판모양으로 그 중심에 형성된 홀(21,31)을 가지며, 바람직하게는 제1전극과 같은 재질로 된다. 각 전극의 홀(21,31) 또한 제1전극의 홀(11)과 같은 크기의 직경으로 형성될 수 있다. 제1전극(10)과 제2전극(20)은 서로 간격을 두고 고정배치되어, 각각의 홀(11,21)을 서로 연통시키고, 그 사이에 방전가스의 1차 방전을 위한 제1방전공간(S1)을 형성한다. 제1전극(10) 주위는 그 외경과 같은 직경을 가진 유전체 관(40)으로 씌워져 있다. 이 유전체 관(40)은 제1전극(10)과 제2전극(20) 사이를 절연하여 그 사이의 아크를 억제하며, 또한 그 단부가 제1전극(10)의 단부보다 길이방향으로 더 돌출되어 상기 제1방전공간(S1)을 유지하여 준다. 제2전극(20)과 제3전극(20)은 서로 간격을 두고 고정배치되어, 각각의 홀(21,31)을 연통시키고, 그 사이에 방전가스의 2차 방전을 위한 제2방전공간(S2)을 형성한다. 이 제2전극(20)과 제3전극(30) 사이에는 절연과 아크 차단을 위해, 그리고 제2방전공간(S2)을 유지하도록 중앙에 구멍(부호 생략)이 있는 유전체 판(50)이 개재된다. 이 유전체 판(50)의 두께는 수㎛에서 수㎜의 범위로 될 수 있으며, 제1전극(10)과 제2전극(20) 사이의 간격보다 큰 것이 바람직하다.

제1전극(10)과 제3전극(30)은 예컨대 전원장치(60)에 접속되어 각각 전압이 인가되고, 제2전극(20)은 접지 또는 플로팅(floating)될 수 있으며, 도시하지 않았으나 다른 여러 가지 방식의 전원접속도 가능하다. 이와 같은 전원접속에 의해 제1전극(10)과 제2전극(20) 사이의 제1방전공간(S1)과 제2전극(20)과 제3전극(30) 사이의 제2방전공간(S3)에 각각 전기장이 형성된다. 이러한 상태에서 제1전극(10)의 홀(11)을 통해 방전가스를 주입하면, 방전가스는 순차적으로 제1전극(10)과 제2전극(20) 사이의 제1방전공간(S1)에서 1차 방전되고, 이어 제2전극(20)과 제3전극(30) 사이의 제2방전공간(S2)에서 2차 방전된다. 즉, 방전가스의 1차 및 2차 방전에 의한 절연파괴를 통해 플라즈마가 발생되고, 발생된 플라즈마는 제3전극(30)의 홀(31)을 통해 젯 형태로서 분출된다(도 2의 부호 90 참조).

본 실시예에서, 상기한 제1전극(10)은 캐필러리와는 다른 모양일 수 있으며, 그 단부는 둥근 모양이나 뾰족한 모양으로 될 수 있다. 제2전극(20) 및 제3전극(30) 또한 원판과는 다른 모양일 수 있고 두께도 서로 틀릴 수 있다. 그리고 상기 주입되는 방전가스는 아르곤, 헬륨과 같은 단원자 가스와 공기, 질소, 산소, 이산화탄소 중에서 선택된 어느 하나를 사용하거나 또는 선택된 어느 하나 이상의 혼합가스일 수 있다.

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예로서, 전술한 실시예에 대한 핸디형 구조를 보인다. 즉, 전술한 실시예의 기본 구조를 모두 포함하며, 제1전극(10)과 제2전극(20) 및 제3전극(30) 주위 전체를 둘러싸도록 되고, 한 손으로 파지할 수 있는 모양의 외장재(80)를 포함한다. 외장재(80)는 절연성능이 좋은 합성수지의 성형물로서 전체적으로 원통형이며, 바람직하게는 한손으로 쉽게 파지할 수 있도록 오목한 파지홈(82a,82b)이 형성된다. 이 외장재(80) 내부는 비워둘 수 있고, 바람직하게는 도시하지 않은 에폭시 수지 몰딩으로 채울 수도 있다. 외장재(80)는 도시되지 아니한 여러 가지 모양, 예를 들면, 연필 모양 등으로도 가능할 것이다.

도 2에서 미설명 부호 22 및 32는 제2전극(20)과 제3전극(30)의 접지 또는 전술한 전원장치(60)와의 접속을 위한 전원선이다.

상기한 바와 같이 본 발명에 의한 대기압에서 상온 플라즈마를 발생하는 장치에 의하면, 가스사용에 제한이 없이 아르곤, 헬륨과 같은 불활성 가스뿐만 아니라, 질소, 공기, 산소, 이산화탄소 가스들을 방전가스로 이용하여 플라즈마 젯을 발생시킬 수 있으며 휴대가 가능하고 제작하기 쉽고 어디서나 다양한 분야에서 용이하게 사용할 수 있다. 또한 다양한 산업에서 사용되는 금속, 폴리머, 글라스 등으로 구성된 협소하고 작은 크기의 부품 또는 재료의 표면처리, 친수성의 표면개질을 통한 접착력 향상을 기대하는 산업 전 분야, 열과 수분에 민감한 군 장비 표면에 붙은 화학생물작용제의 제독뿐만 아니라 인체, 동물, 식물의 표피와 세포, 상처난 조직의 소독 및 조직 회복의 촉진, 수술 후 표면처리를 통한 지혈, 아토피와 같은 피부질환의 치료, 구강 세균의 살균 및 소독할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 방전가스가 주입 및 방전되는 홀(hole)을 갖는 제1전극;

   상기 제1전극을 둘러싸도록 상기 제1전극의 외주에 형성되며, 상기 제1전극의 상기 홀에 주입되는 방전가스가 방전되는 방향으로 제1방전공간을 갖고 상기 제1전극보다 더 돌출되어 형성된 유전체 관;

   상기 유전체 관에 주입된 방전가스가 방전되는 상기 제1방전공간방향으로 상기 유전체 관에 밀착되어 판모양으로 형성되며, 상기 제1전극의 홀과 동일방향으로 홀을 갖고 형성되는 제2전극;

   상기 제2전극과 동일한 형상으로 상기 제2전극과 소정간격 이격되어 형성되는 제3전극;

   상기 제2전극과 제3전극을 절연하기 위하여 상기 제2전극과 제3전극 사이의 소정간격 이격된 사이에 상기 제2전극 및 제3전극과 밀착되어 형성되며 상기 제1전극 홀과 제1방전공간, 제2전극 홀방향과 동일한 방향에 제2방전공간으로 사용되는 홀을 갖는 유전체 판; 그리고,

   상기 제1, 제2 방전공간에 전기장이 형성되도록 상기 제1전극, 제2전극 및 제3전극에 전압을 인가하는 전원장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 제1전극이 캐필러리 모양으로 되어 그 캐필러리의 동공을 상기 홀로서 가지고 있는 것으로 특징으로 하는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치.
5. 삭제
6. 청구항 3에 있어서, 상기 유전체 관 단부가 상기 제1전극보다 길이방향으로 길게 돌출해 있고, 그 단부에 의해 상기 제1전극과 제2전극 사이의 간격이 유지되도록 구성된 것을 특징으로 하는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치.
7. 삭제
8. 청구항 3에 있어서, 상기 제2전극과 제3전극 사이의 간격이 상기 제1전극과 제2전극 사이의 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치.
9. 청구항 3에 있어서, 상기 제2전극이 전기적으로 접지 또는 플로팅되어 있고, 상기 전원장치로부터 상기 제1전극과 제3전극에 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치.
10. 청구항 3에 있어서, 상기 제1,제2,제3전극들의 전체 주위에 설치되어 파지할 수 있게 하는 외장재를 포함하는 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 장치.
11. 삭제

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