KR101049971B1 - 살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치 - Google Patents

살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101049971B1
KR101049971B1 KR1020100032335A KR20100032335A KR101049971B1 KR 101049971 B1 KR101049971 B1 KR 101049971B1 KR 1020100032335 A KR1020100032335 A KR 1020100032335A KR 20100032335 A KR20100032335 A KR 20100032335A KR 101049971 B1 KR101049971 B1 KR 101049971B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plasma
atmospheric pressure
gas
electrode
sterilization
Prior art date
Application number
KR1020100032335A
Other languages
English (en)
Inventor
이원규
김태경
고천광
김건태
Original Assignee
강원대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 강원대학교산학협력단 filed Critical 강원대학교산학협력단
Priority to KR1020100032335A priority Critical patent/KR101049971B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101049971B1 publication Critical patent/KR101049971B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32348—Dielectric barrier discharge
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2/00—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor
    • A61L2/02—Methods or apparatus for disinfecting or sterilising materials or objects other than foodstuffs or contact lenses; Accessories therefor using physical phenomena
    • A61L2/14—Plasma, i.e. ionised gases
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32018—Glow discharge
    • H01J37/32036—AC powered
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32128—Radio frequency generated discharge using particular waveforms, e.g. polarised waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H01J37/32082—Radio frequency generated discharge
    • H01J37/32174—Circuits specially adapted for controlling the RF discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/32733—Means for moving the material to be treated
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/4645—Radiofrequency discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/4697—Generating plasma using glow discharges

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)

Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마 표면처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 이격된 채 마주보게 설치된 고전압 전극과 접지 전극, 상기 전극 사이에 형성된 유전체를 포함하여 이루어지며, 상기 접지 전극에는 다수개의 홀이 일정 간격으로 형성되어진 플라즈마 발생 모듈; 상기 플라즈마 발생 모듈과 인접하여 형성된 플라즈마 처리 대상물 수납 공간부; 상기 플라즈마 발생 모듈의 고전압 전극측에 연결되며 플라즈마 발생을 위한 전력을 공급하는 전원공급장치; 및, 상기 플라즈마 발생 모듈 내로 플라즈마 발생을 위한 가스와 냉각을 위한 냉각수가 공급되는 가스공급장치를 포함하여 이루어지는 대기압 플라즈마 표면처리장치에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 미세아크 및 스트리머의 발생이 억제된 평판형 대기압 플라즈마 표면처리장치를 제공할 수 있으며, 상기 대기압 플라즈마 표면처리장치는 높은 살균 작용을 가지므로 살균 및 세정 장치로의 용도도 기대할 수 있다.

Description

살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치{Development of atmospheric pressure plasma sterilization and cleaning for medical application}
본 발명은 미세아크 및 스트리머 발생을 억제한 대기압 플라즈마 표면처리장치에 관한 것이다.
플라즈마란 제4의 물질상태로 외부에서 가해진 전기장 등에 의해 생성된 이온, 전자, 래디칼 등과 중성입자로 구성되어 거시적으로 전기적 중성을 이루고 있는 물질상태이며, 이러한 플라즈마 내의 이온, 전자, 라디칼 등을 이용하여 재료의 표면 개질, 에칭, 코팅 또는 살균, 소독, 오존 생성, 염색, 폐수 및 수돗물 정화, 공기 정화, 고 휘도 램프 등의 분야에 널리 쓰이고 있다.
이러한 플라즈마는 발생 압력에 따라 저압(수 mmTorr 내지 수십 Torr) 플라즈마와 상압(수 십 Torr 내지 760 Torr) 플라즈마로 구분할 수 있다.
이중 저압 플라즈마는 플라즈마의 생성이 용이하나 저압의 상태를 유지하기 위한 진공 챔버, 배기 장치 등의 비용이 고가이며, 배치 타입(batch type)의 제품 투입 방식으로 인해 대량 처리에 한계가 있다. 반면에 대기압 플라즈마는 대기압(760 Torr) 상태에서 플라즈마를 생성시키므로 고비용의 진공 시스템이 필요하지 않고, 연속 공정이 가능하여 대량 생산에 많은 이점이 있다.
대기압에서 저온으로 플라즈마를 발생시키는 방법으로는 코로나 방전, 유전체 방전, 마이크로파 방전 및 플라즈마 젯트 방전법이 있다.
통상, 코로나 방전은 금속과 같은 전도성 재료를 전극으로 사용하여 두 전극사이에 높은 전압을 가함으로써 전극에서 스트리머 플라즈마를 발생시켜 이루어진다. 이때, 전극사이의 간격을 매우 좁힌 상태에서 전극사이에 전압을 가하게 되면 아크가 발생되며, 양자 모두 선형의 플라즈마 영역을 가지며 플라즈마 직경이 매우 작다. 코로나 방전은 쉽게 아크 방전으로 전이되는데 이를 막기 위해 전원공급장치에서 단속적인 전압을 인가하는 방법이나, 전극에 저항을 연결하는 방법, 혹은 세라믹전극을 사용하는 방법 등이 쓰이고 있다.
이들 방법은 모두 대기압에서 대면적의 균일한 플라즈마를 얻기 어려운 문제점을 가지고 있으며, 또한 아크 방전으로 전환되는 것을 방지하기 위한 별도의 수단을 구비한 경우에는 플라즈마 밀도가 낮아 효율이 떨어지는 문제점을 가진다.
한편, 이들 대기압 글로우 방전 플라즈마는 금속을 비롯한 재료의 표면을 개질하거나, 또는 박막을 증착하는데 활용되고 있다. 종래에 표면에너지를 변화시켜 친수성과 소수성의 특성을 가질 수 있도록 하는 기술로 진공 중에서 높은 에너지의 이온빔을 이용한 기술과 코로나 방전을 이용한 기술 등이 사용되어 왔다.
진공 중에서 높은 에너지 이온빔을 이용한 기술은 그 특성이 뛰어나나 진공장치를 수반하여야 하므로 장비가 고가이고, 단속적인 작업이 이루어지므로 처리실의 크기에 따라 시편의 크기 및 생산성에 제한을 받는다.
그리고, 코로나 방전을 이용한 기술은 전극간 간격이 좁으므로 3차원적인 형상을 가지는 제품을 처리하기 어렵다는 단점을 가진다. 아울러, 대기압에서 발생되는 플라즈마는 쉽게 아크로 전환되며, 그 경우 고온의 플라즈마가 발생하므로 아크가 닿는 재료를 냉각시켜주어야 하므로 이로 인해 전극의 수명이 단축되며 균일한 대면적의 플라즈마를 발생시키기 어렵게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 연구노력한 결과, 유전체 방벽 방전(DBD) 방식을 채택하며, 접지전극에 홀을 형성하여 플라즈마 플레임(flame)이 홀을 통하여 분출되게 구성할 경우 목적하는 효과의 달성이 가능함을 알게되어 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명은 저온 플라즈마 발생이 가능하며, 아크 발생과 스트리머 발생이 억제되고, 글로우 방전이 가능하여 대상물의 표면처리나 세정 외에도 살균 효과를 가지는 대기압 플라즈마 표면처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 살균 및 세정 대상물의 표면에 손상을 주지 않는 대기압 플라즈마 표면처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일례로서 본 발명의 살균처리용 대기압 플라즈마 표면처리장치는, 서로 이격된 채 마주보게 구비된 고전압전극(101)과 접지전극(105), 상기 전극 사이에 형성된 것으로 두께가 0.5 내지 3 mm 범위인 알루미나 또는 석영 으로 이루어지며 은으로 코팅된 유전체(103)를 포함하여 이루어지며, 상기 접지전극(105)에는 직경 0.5 내지 1 mm 범위인 다수개의 홀(107)이 일정 간격으로 형성되고, 유전체(103) 상면이 고전압전극(101)과 접착되어 구성되고, 유전체(10) 하면은 접지전극(105)과 스페이서(113)에 의하여 이격되게 이루어지는 플라즈마 발생 모듈(10); 상기 플라즈마 발생 모듈(10)과 인접하여 형성되며, 후면에 수납 공간부에서 발생된 반응 부산물이 배출될 수 있는 배기 수단(207)이 구비된 플라즈마 처리 대상물 수납 공간부(20); 상기 플라즈마 발생 모듈(10)의 고전압전극(101)측에 연결되며 플라즈마 발생을 위한 전력으로서 RF 방식이나 AC 방식의 고전압 펄스로 공급되는 전원을 공급하는 전원공급장치(40); 및, 상기 플라즈마 발생 모듈(10) 내로 플라즈마 발생을 위한 가스와 냉각을 위한 냉각수가 공급되는 가스 및 냉각수 공급장치(30)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
삭제
상기 대상물 수납 공간부(20)는 플라스마 발생 모듈(10)과 플라즈마 처리 대상물(203)과의 거리를 조절할 수 있는 수단이 구비되는 것이 바람직하다.
삭제
플라즈마 발생을 위한 상기 가스로는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 중에서 선택된 불활성 가스를 사용할 수 있으며, 여기에 반응성 가스를 추가 선택하여 부가할 수 있다.
삭제
상기한 본 발명에 의하면, 마세아크 및 스트리머의 발생이 억제된 평판형 대기압 플라즈마 표면처리장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 높은 살균 작용을 가지므로 살균 및 세정 장치로의 용도를 가진다.
또한, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 복잡한 구조를 갖는 소재의 살균이 가능하며, 세정 및 살균 처리 후 부산물이 발생되지 않는 잇점이 있다.
또한, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 살균 및 세정 대상물의 표면에 손상을 주지 않으면서 살균 및 세정효과는 높은 잇점이 있다.
이러한 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 대기압 플라즈마의 응용 용도를 확장할 수 있는 효과를 기대할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 기존의 진공 플라즈마 장비에서 도입되는 진공장비를 없애므로 제조 장비의 원가 절감을 통한 저가, 고품질의 의료용 멸균기를 공급할 수 있어 수입 대체 및 역수출을 통한 관련업체의 매출증대 및 수출증대를 기대할 수 있게 한다.
도 1은 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치의 플라즈마 발생 모듈의 개략도이다.
도 3은 도 2의 플라즈마 발생 모듈의 조면도(A), 단면도(B) 및 사시도(C)를 나타낸 것이다.
도 4는 도 2의 플라즈마 발생 모듈의 IV 파형 분석 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 개발 초기 단계의 테스트를 위한 플라즈마 발생 모듈(A)과 대면적으로 개선한 대기압 플라즈마 발생 모듈(B)의 실례를 나타낸 사진이다.
도 6은 평판형 유전체에 금속전극 물질인 은을 도포하여 제조한 전극부의 실례 사진이다.
도 7 은 플라즈마 처리 대상물을 수납할 수 있는 수납 공간부를 간단하게 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치를 사용하고, 350Hz의 주파수를 인가했을 때 발생된 대기압 플라즈마의 사진이다.
도 9는 플라즈마 처리시 Ar 유량 변화에 따른 고분자 소재의 접촉각 변화를 나타낸 그래프이다[A. PE, B. PP, C. 나일론, D. PET].
도 10은 대기압 플라즈마 처리 전후의 PE와 PP의 표면거칠기 변화를 나타낸 전자현미경 사진이다[A. 플라즈마 처리 전 PE, B. 플라즈마 처리 후 PE, C. 플라즈마 처리 전 PP, D. 플라즈마 처리 후 PP].
도 11은 대기압 플라즈마 처리 전후의 나일론과 PET의 표면거칠기 변화를 나타낸 전자현미경 사진이다[A. 플라즈마 처리 전 나일론, B. 플라즈마 처리 후 나일론, C. 플라즈마 처리 전 PET, D. 플라즈마 처리 후 PET].
도 12는 Ar 유량 변화와 인가 전압 변화에 따른 식각 속도를 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 대기압 플라즈마 처리를 하지 않은 상태의 대장균의 콜로니를 나타내며, 도 14는 대기압 플라즈마 처리 시간에 따른 대장균의 살균 여부를 나타내는 배지 사진이다[A. 1분, B. 5분 C. 10분 D. 30분].
도 15, 도 16 및 도 17은 플라즈마 발생원과의 거리와 플라즈마 처리 시간에 따른 대장균의 살균 여부를 나타내는 배지 사진으로, 도 15는 2mm, 도 16은 5 mm, 도 17은 10 mm 거리이고, 각 도에서 A는 15초, B는 30초, C는 60초, D는 90초, E는 120초간 처리한 결과를 나타낸다[플라즈마 파워 60 W, 전압 4.1 kV].
이하 본 발명을 실시예 및 도면에 의하여 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 다음 실시예 및 도면 등에 의하여 한정되는 것은 아니다.
도 1에는 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치의 블록도를 나타내었다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 플라즈마 발생 모듈(10), 대상물 수납 공간부(20), 가스 및 냉각수 공급장치(30) 및 전원공급장치(40)를 포함하여 구성된다.
도 2 에는 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치를 구성하는 플라즈마 발생 모듈(10)의 개략도와, 대기압 플라즈마가 발생되는 모습을 개략적으로 도시하였다.
본 발명의 발명자는 가스의 균일한 주입을 위하여 가스 주입구를 다수개로 분산하여 구비하였고, 아크 방지를 위해서는 유전체 알루미나 또는 석영으로 이루어진 것을 사용하는 것이 좋다. 상기 유전체의 두께는 2 내지 3 mm 범위로 구성하는 것이, 다양한 불활성 가스를 담체 가스(carrier gas)로 사용하는 것에 좋다. 본 발명에서는 상기와 같이 유전체를 알루미나 또는 석영으로 구성하고, 유전체의 두께를 상기 범위로 조성하여, 기존의 경우 대기압 플라즈마 형성을 위한 담체 가스로 적용하기 쉽지 않던 질소를 담체 가스로 적용할 수 있는 잇점이 있다.
또한 전극의 열화 방지를 위하여 냉각수 주입구를 구비하였는데, 가스 주입구와 냉각수 주입구는 별도로 형성할 수도 있으며, 도 2에 도시한 바와 같이 일체화시켜 사용하여도 무방하다. 가스 주입구 또는 냉각수 주입구는 주입 가스나 냉각수에 대한 안정성이 우수한 소재로 이루어지는 것이 좋은데, 예를 들어 우레탄 소재의 튜브를 사용하기도 한다. 주입구의 직경은 플라즈마 발생 모듈의 전체적인 크기를 고려하여 조정 가능한 것으로, 모듈의 크기가 예를 들어 108mm(H) x 96mm(W) x 220mm(D)의 경우 6 Φ 정도로 구성하면 적당하다.
플라즈마 방전을 위한 분위기를 조성하기 위하여 주입되는 담체 가스(carrier gas)로는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다. 추가적으로, 사용목적에 따라 다양한 반응성 가스를 선택 사용할 수 있다. 이러한 반응성 가스로는 질소(N2), 산소(O2), 과산화수소(H2O2), Air, 헬륨(He), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 수소(H2), 암모니아(NH3), 메탄(CH4) 및 불소(fluorine)계의 가스 등을 혼합 사용할 수 있다. 예를 들어, 살균 목적으로는 H2O2, O2, Air 등이 주로 사용될 수 있을 것이고, 표면 친수화를 위해서는 O2를, 표면소수화를 위해서는 플루오린계의 가스를 사용할 수 있을 것이다. 즉, 사용 목적에 따라 사용되는 가스 및 혼합조성은 차이 있는 것으로, 본 발명의 경우 질소 또는 아르곤을 사용한 경우에도 살균 효과가 충분하였으며, 여기에 반응성 가스로서 산소를 추가할 경우에는 보다 효과적인 살균 특성이 나타남을 확인하였다.
본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치의 경우, 상기와 같이 질소를 담체 가스로 사용할 수 있으며, 대기(Air)를 그대로 적용할 수도 있으므로 얻을 수 있는 경비 절감의 효과가 크다.
도 2 에 도시한 바와 같이, 모듈의 아래쪽에 위치한 아노드(anode) 접지전극(105)은 총 223개의 홀(107)(hole)로 구성되어 고전압전극(101)(캐소드, cathode)에서 방전된 플라즈마가 플레임 형태로 표면처리 및 살균을 위해 아래쪽으로 분사되게 구성되어 있다. 즉, 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치는 접지전극(105)에 홀(107)이 다수개 형성되어 있으므로 플라즈마 플레임이 대면적이면서도 토치 타입으로 처리 대상물에 분사될 수 있다. 이때 접지전극(105)은 전압이 걸려있지 않은 안정한 상태(0 volt)이므로 처리 대상물에 상처(damage)를 주지 않게 되는 잇점이 있다. 한편, 상기 홀(107)의 직경은 작게 형성될수록 플라즈마 표면처리장치에 주입되는 가스의 유량을 줄일 수 있으며, 형성되는 플라즈마 플레임의 분사거리가 커질 수 있다. 예를 들어 홀(107)의 직경이 0.5 mm이고, 접지전극(105)과 유전체(103)와의 거리가 0.5 mm로 구성되며, 유전체(103)의 두께가 3mm이고, 고전압전극(101)에 해당하는 캐소드의 길이와 넓이가 각각 120 mm와 22mm이면서, 주입되는 가스의 유량이 10L/min 이상인 경우, 홀(107)을 통하여 분사되는 플라즈마 플레임(flame)의 최대 크기는 12mm(W) x 110mm(D)으로 구성될 수 있다. 따라서, 처리 대상물에 따라 플라즈마 표면처리장치 내로 주입되는 가스의 유량을 조절하고, 홀(107)의 크기를 조절할 경우 최적의 효과를 얻을 수 있을 것이다.
한편, 상기 전극은 스테인리스 재질의 전극을 사용됐고 알루미늄, 구리(Cu), 은(Ag) 등의 금속을 사용할 수 있으며, 접지전극으로는 구리, 스테인레스 스틸 등의 금속이나 ITO 등의 전도성물질 및 폴리아닐린(Polyaniline, PANI), 폴리피롤(Polypyrrole, PPy), 폴리티오펜(Polythiophene, PT) 등의 전도성 고분자를 사용할 수 있을 것이다.
도 3 에는 도 2 의 플라즈마 발생 모듈의 조면도(A), 단면도(B) 및 사시도(C)를 간단하게 나타내었다.
도 4에는 본 발명의 플라즈마 발생 모듈(10)을 이용하여 전기적 특성을 분석한 결과이다. 도 4에 도시한 플라즈마 발생 모듈(10)의 IV 파형에 의하면 최대 전압 10kV에서 20mA의 전류를 보이고 있으며, 700Hz 대역의 주파수에서 유전체 방전(dielectric barrier discharge, DBD)에 의한 플라즈마 방전이 이루어지고 있음을 보이고 있다.
한편, 본 발명에서는 플라즈마 발생시 미세아크와 스트리머가 발생되는 문제점을 유전체와 전극 구조를 개선하여 해결하였다.
즉, 도 5 에는 개발 초기 단계의 테스트를 위한 플라즈마 발생 모듈(A)과 대면적으로 개선한 대기압 플라즈마 발생 모듈(B)의 실례사진을 나타내었다.
도 5의 (A)는 유전체로서 석영 유리를 사용하고 전극으로 SUS를 사용한 것이고, (B)는 유전체로서 은을 코팅한 석영 유리를 사용한 경우의 플라즈마 상태를 나타낸 것이다. 유전체에 은을 코팅한 경우 미세아크의 발생이 적음을 확인하였다.
상기 플라즈마 발생 모듈(10)은 유전체(103) 상면에 은(Ag)이 도포된 경우 전극과의 접착성이 좋으며, 유전체(103) 하면은 접지전극과 스페이서(113)에 의하여 이격되게 이루어진다.
상기한 본 발명의 플라즈마 발생 모듈(10)의 경우 미세아크의 형성을 억제할 수 있으며, 또한 대기압 플라즈마 방전을 위한 금속전극간의 거리도 늘릴 수 있어 금속 전극간의 거리는 3 내지 5 mm로서 최대 5 mm 까지 늘릴 수 있다.
도 6에는 평판형 유전체에 은을 도포하여 제조한 전극부의 실례의 사진을 나타내었다. 상기한 플라즈마 발생 모듈(10)에 의하면 안정적인 플라즈마 발생이 가능하게 되며, 그로 인해 유리 기판위의 표면 세정에 큰 도움이 된다.
도 7 에는 플라즈마 처리 대상물(샘플(203))을 수납할 수 있는 대상물 수납 공간부(20)를 간단하게 나타낸 모식도이다. 상기 대상물 수납 공간부(20)는 플라스마 발생 모듈(10)과 플라즈마 처리 대상물(203)의 거리를 조절할 수 있는 수단이 구비되는 것이 바람직하다. 도 7에 도시한 바와 같이 플라즈마 발생 모듈(10)과 인접하여 샘플(203)을 놓을 수 있는 샘플 스테이지(201)가 구비되고, 그 하면에는 플라즈마 발생 모듈(10)과 샘플(203)간의 거리를 조절할 수 있는 높이 조절부(205)가 구비된다. 상기 대상물 수납 공간부(20)는 샘플(203)의 크기에 따라 다르게 조절될 수 있다. 또한, 상기 대상물 수납 공간부(20)의 뒷면에 배기수단(배기팬(207))을 구비할 경우 살균 등의 플라즈마 처리시 발생되는 반응부산물이 배출되게 된다.
도 8에는 고전압 전원 공급장치(2KW AC Power Supply, Max Vol. : 15kV, Max Cur. : 20mA, Frequency : 300kHz. Load Impedance : 50 k Ohm)를 이용하여 350Hz의 주파수를 인가했을 때 발생된 대기압 플라즈마의 사진을 나타내었다. 도 8 에 도시된 바와 같이 미세 아크나 스트리머의 발생이 없이 글로우 상태의 플라즈마가 형성되었음을 확인할 수 있다.
본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치에 의한 고분자 소재의 표면처리 특성을 살펴보면 다음과 같다.
플라즈마 발생용 기체로서 아르곤(Ar) 가스를 이용하여, 폴리에틸렌(polyethylene, PE), 폴리프로필렌(polypropylene, PP), 나일론, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephalate, PET)에 대해 대기압 플라즈마 처리 후 접촉각을 측정하였다. 대기압 플라즈마 처리 조건으로 인가 전압 10kV, 인가주파수 300Hz, 방전방식은 유전체 방전 방식(평판 대 평판형 타입의 방전방식을 이용)으로 구성하였다.
도 9에는 플라즈마 처리시 Ar 유량 변화에 따른 고분자 소재의 접촉각 특성 변화를 나타내었다. 도 9에 도시한 바와 같이 PE의 경우 대기압 플라즈마 처리를 통해 물의 접촉각이 105˚에서 Ar 유량이 5 LPM일 때 55˚로 변화하였고(A), PP의 경우 대기압 플라즈마 처리 후 물의 접촉각이 113˚에서 53˚로 변화하였으며(B), 나일론과 PET의 경우 물의 접촉각이 감소하였는데 무극성에 대한 접촉각도 약간의 감소를 보이고 있음을 확인하였다(D).
표 1과 도 10 및 11 에는 Ar 유량 5LPM 조건에서 30분간 대기압 플라즈마 처리를 통해 고분자 필름의 표면거칠기 변화를 관찰한 결과를 나타내었다. 도 10 및 11 에 도시한 바와 같이 Ar 가스를 이용하여 플라즈마 처리시 PE, PP, 나일론 및 PET의 특성이 친수성으로 변화하였다.
처리 전 처리 후
PE 15.115nm 26.173nm
PP 8.780nm 25.171nm
나일론 8.416nm 21.652nm
PET 6.524nm 12.802nm
본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치에 의한 유리 위에 코팅된 포토레지스트의 표면 세정 특성을 살펴보면 다음과 같다.
표면세정 특성 분석을 위에 유리(glass) 위에 포토레지스트를 코팅 후, 대기압 플라즈마 처리를 통해 식각 속도를 측정하였다. 다음은 대기압 플라즈마를 이용한 PR 제거시 조건으로는, 유리 위에 코팅된 포토레지스트의 두께는 700nm으로 하였고, 대기압 플라즈마 처리 조건 변수로서 인가전압을 5, 7, 9 kV으로 하고, Ar 유량 속도를 1, 3, 5LPM으로 하고, 인가 주파수는 300Hz으로 하며, 처리시간은 10분으로 하였다. 유량 변화와 인가 전압 변화에 따른 식각 속도를 표 2와 도 12에 나타내었다.
유량
인가전압		 1LPM 3LPM 5LPM
5kV 3.1nm 6.9nm 14.8nm
7kV 8.2nm 17.8nm 28.2nm
9kV 10.9nm 37.5nm 51.1nm
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, Ar의 유량과 인가 전압을 조절함으로써 포토레지스트의 표면 세정력의 조절이 가능함을 알 수 있다.
본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치에 의한 살균 특성을 살펴보면 다음과 같다. 본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치를 사용하여 살균의 가능성을 확인하기 위해 대장균의 살균 실험을 수행하였다. 대기압 플라즈마 살균 처리 조건으로 인가전압은 9 kV으로 하고, Ar 유량을 5LPM, 플라즈마 처리시간은 1, 5, 10, 30분으로 조절하였다.
도 13에는 대기압 프라즈마 처리를 하지 않은 상태의 대장균의 콜로니를 나타내며, 이를 대조군으로 하여 대기압 플라즈마 처리의 살균특성을 확인하였다. 도 14는 대기압 플라즈마 처리 시간[A. 1분, B. 5분, C. 10 분, D. 30분]에 따른 대장균 성장을 확인한 결과를 나타낸 것이다. 도 14에 도시한 바와 같이 대기압 플라즈마 처리 10 분(C), 30분(D) 후 대장균의 성장이 관찰되지 않음을 알 수 있다. 이로써 플라즈마 처리를 통해 살균처리 가능성을 확인할 수 있으며, 불활성 가스인 Ar을 이용하여 살균처리가 가능함을 확인할 수 있다.
도 15, 16 및 17 에는 플라즈마 발생원과 샘플(03)의 거리에 따른 살균처리 결과를 나타낸 것이다. 플라즈마 발생원과의 거리는 각각 2mm, 5 mm 및 10 mm 으로 하였고, 플라즈마 파워와 인가전압은 모두 60W와 4.1kV으로 동일하게 조성하였다. 도 15, 16 및 17에는 의하면, 살균처리에 있어서 플라즈마 발생원과의 거리에 따른 영향은 적은 것으로 나타나고 있으며, 플라즈마 처리 시간의 증가에 따라 살균 효과로 인해 형성되는 대장균의 콜로니 개수도 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 플라즈마의 세기가 60W일 때 120초 이내에 살균처리가 가능함을 확인할 수 있다.
대기압 플라즈마 반응가스로 질소를 이용할 경우에도 상기 Ar과 동일한 효과를 확인할 수 있다. 즉, 플라즈마 발생원과의 거리에 대한 효과보다는 살균처리 시간에 대한 영향이 크게 작용하고 있는 것으로 나타나고 있다.
대기압 플라즈마를 이용하여 살균처리를 할 경우, 기존의 연구에서는 불활성가스(Ar, He)와 담체 가스(carrier gas)(N2)에 추가적으로 활성산소종 생성을 위해 산소(O2) 가스를 첨가하여 살균처리를 하였다.
그러나, 본 발명에 의하면 산소의 함유없이도 대장균의 살균을 가능하게 하였으며, 이는 플라즈마를 통해서 발생되는 활성종의 집적적인 조사에 의한 살균효과로 생각되어 진다. 한편, 보충적으로 반응성 있는 가스를 추가할 수 있다.
본 발명의 대기압 플라즈마 표면처리장치에 의한 살균 및 세정 효능의 결과를 다음 표 3에 정리하였다
평가항목
(주요성능 Spec)		 단위 기존의 성능수준 본 발명의 성능수준
살균소요시간 분 <120 30
살균처리 중 온도 ℃ <60 50
살균처리 압력 조건 atm 500mtorr 대기압
살균처리 후 부산물 None
평판형 플라즈마 발생시
플라즈마 형성을 위한 전극간격		 cm 3 3
살균처리를 위한 반응 가스 종류 플라즈마 발생용 가스 외에 별도의 가스 요구(H2O2 ) 플라즈마 발생용 가스로 가능(N2, Ar)
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
10 : 플라즈마 발생 모듈 20 : 대상물 수납공간부
30 : 가스 및 냉각수 공급장치 40 : 전원공급장치
101 : 고전압전극 103 : 유전체 105 : 접지전극
107 : 홀 109 : 가스 및 냉각수 주입구
111 : 플라즈마 113 : 스페이서

Claims (10)

  1. 서로 이격된 채 마주보게 구비된 고전압전극(101)과 접지전극(105), 상기 전극들 사이에 형성된 것으로 두께가 0.5 내지 3 mm 범위인 알루미나 또는 석영 으로 이루어지며 은으로 코팅된 유전체(103)를 포함하여 이루어지며, 상기 접지전극(105)에는 직경 0.5 내지 1 mm 범위인 다수개의 홀(107)이 일정 간격으로 형성되고, 유전체(103) 상면이 고전압전극(101)과 접착되어 구성되고, 유전체(10) 하면은 접지전극(105)과 스페이서(113)에 의하여 이격되게 이루어지는 플라즈마 발생 모듈(10);
    상기 플라즈마 발생 모듈(10)과 인접하여 형성되며, 후면에 수납 공간부에서 발생된 반응 부산물이 배출될 수 있는 배기 수단(207)이 구비된 플라즈마 처리 대상물 수납 공간부(20);
    상기 플라즈마 발생 모듈(10)의 고전압전극(101)측에 연결되며 플라즈마 발생을 위한 전력으로서 RF 방식이나 AC 방식의 고전압 펄스로 공급되는 전원을 공급하는 전원공급장치(40); 및,
    상기 플라즈마 발생 모듈(10) 내로 플라즈마 발생을 위한 가스와 냉각을 위한 냉각수가 공급되는 가스 및 냉각수 공급장치(30)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 살균 처리용 대기압 플라즈마 표면처리장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 대상물 수납 공간부(20)는 플라스마 발생 모듈(10)과 플라즈마 처리 대상물(203)의 거리를 조절할 수 있는 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 살균 처리용 대기압 플라즈마 표면처리장치.
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스는 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 중에서 선택된 불활성 가스이고, 여기에 반응성 가스를 추가 선택하여 첨가할 수 있는 것을 특징으로 하는 살균 처리용 대기압 플라즈마 표면처리장치.
  10. 삭제
KR1020100032335A 2010-04-08 2010-04-08 살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치 KR101049971B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100032335A KR101049971B1 (ko) 2010-04-08 2010-04-08 살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100032335A KR101049971B1 (ko) 2010-04-08 2010-04-08 살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101049971B1 true KR101049971B1 (ko) 2011-07-15

Family

ID=44923745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100032335A KR101049971B1 (ko) 2010-04-08 2010-04-08 살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101049971B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190008632A (ko) * 2017-07-17 2019-01-25 한국기계연구원 플라즈마 멸균기
EP4015006A1 (en) 2020-12-18 2022-06-22 Chang Hoon Lee Conveyer belt type plasma sterilizer
US11744066B2 (en) 2019-07-18 2023-08-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor devices including stack structure having gate region and insulating region

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020024788A (ko) * 2000-09-26 2002-04-01 조셉 제이. 스위니 플라즈마-유도 손상을 감소시키는 방법
KR20090051916A (ko) * 2007-11-20 2009-05-25 엘지전자 주식회사 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리장치 및 이 장치의하부전극조립체 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020024788A (ko) * 2000-09-26 2002-04-01 조셉 제이. 스위니 플라즈마-유도 손상을 감소시키는 방법
KR20090051916A (ko) * 2007-11-20 2009-05-25 엘지전자 주식회사 대기압 플라즈마를 이용한 표면처리장치 및 이 장치의하부전극조립체 제조방법

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190008632A (ko) * 2017-07-17 2019-01-25 한국기계연구원 플라즈마 멸균기
KR101953887B1 (ko) * 2017-07-17 2019-03-04 한국기계연구원 플라즈마 멸균기
US11744066B2 (en) 2019-07-18 2023-08-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Semiconductor devices including stack structure having gate region and insulating region
EP4015006A1 (en) 2020-12-18 2022-06-22 Chang Hoon Lee Conveyer belt type plasma sterilizer
KR20220088046A (ko) 2020-12-18 2022-06-27 이창훈 컨베이어 벨트 방식의 플라즈마 살균 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU747886B2 (en) AC glow plasma discharge device having an electrode covered with apertured dielectric
US20180174801A1 (en) Apparatuses and methods for surface treatment
US20150228461A1 (en) Plasma treatment apparatus and method
JP2004165145A (ja) 大気圧グロープラズマ（ａｐｇ）によって基体を処理するための方法および装置
US20040045806A1 (en) Method and device for treating the surfaces of items
JP2010103455A (ja) プラズマ処理装置
RU2318916C2 (ru) Способ плазменной очистки поверхности материала с покрытием из органического вещества и установка для его осуществления
US20110042008A1 (en) Plasma generator
KR101049971B1 (ko) 살균 및 세정능을 갖춘 대기압 플라즈마 표면처리장치
JP4630874B2 (ja) 大気圧大面積グロープラズマ発生装置
JP2004353066A (ja) プラズマ源およびプラズマ処理装置
KR100761962B1 (ko) 상압 플라즈마 발생장치
WO2018202584A1 (en) Linear plasma source with segmented hollow cathode
KR20020071694A (ko) 대기압 플라즈마를 이용한 표면 세정방법 및 장치
JP2011138712A (ja) プラズマ発生源及びプラズマ発生装置並びに成膜装置、エッチング装置、アッシング装置、表面処理装置
JP2010157483A (ja) プラズマ発生装置
JP2009158491A (ja) プラズマ発生装置
JP2006005007A (ja) アモルファスシリコン層の形成方法及び形成装置
TW200917358A (en) Atmospheric plasma reactor apparatus with a dual-working mode
JP2004248989A (ja) プラズマ滅菌装置
KR100507334B1 (ko) 대기압 프라즈마 가속장치
KR200427719Y1 (ko) 상압 플라즈마 발생장치
KR100488361B1 (ko) 대기압 저온 평판 플라즈마 발생장치
KR20130037447A (ko) 플라즈마를 이용하는 폴리프로필렌 표면개질방법
KR100469552B1 (ko) 플라즈마 표면 처리 장치 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150626

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160701

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170706

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190110

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190708

Year of fee payment: 9