KR101056097B1 - 대기압 플라즈마 발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마가 분출되도록 플라즈마 분출구가 구비되는 접지전극에 다공성의 유전체가 삽입되고 상기 유전체에 내부전극이 결합되어 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키며 상기 내부전극 내지 상기 접지전극 측벽에 설치되는 가스 주입구로 플라즈마 가스가 공급되어 상기 접지전극의 플라즈마 분출구로 플라즈마가 분출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치를 제공하여, 이와 같은 플라즈마 발생장치를 이용하여 표면처리를 수행할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
대기압, 상온, 플라즈마 젯, 다공성 유전체, 표면처리

Description

대기압 플라즈마 발생장치{APPARATUS FOR GENERATING ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMA}
본 발명은 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대기압에서 안정적으로 플라즈마를 발생시키고 플라즈마 가스 공급에 의해플라즈마 젯이 발생되도록 하며 휴대가 용이한 물질의 표면을 처리할 수 있도록 하는 대기압 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.
플라즈마 상태의 높은 반응성을 이용하여 금속이나 고분자 등을 표면 처리하는 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.
그러나, 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.
대한민국 등록특허 10-0672230는 동공(洞空)을 가진 음극, 즉, 캐필러리(capillary) 전극을 사용하고 20㎑ 교류 고전압을 인가하여 안정적인 상온의 아르곤 플라즈마 젯을 발생시키것에 대한 기술을 제시하고 있다.
그러나 이것은 접지전극 없이 캐필러리의 단부에서 플라즈마 젯이 발생하므로 작동하므로 인체에 접할 경우, 전기적 충격을 줄 수 있고 아르곤이나 헬륨과 같은 비활성 가스에서만 플라즈마 젯이 발생하는 단점이 있다.
미국특허 6,228,330호와 6,262,523호는 RF(radio frequency) 플라즈마에 소량의 산소를 첨가하여 대기압 상온의 비 평형 플라즈마를 발생시켜 화학생물 작용제의 제독과 살균, 표면에칭 등에 이용하는 것에 관하여 기술하고 있다.
그러나 이것은 플라즈마 가스로서 많은 양의 값비싼 헬륨을 사용하고 있으며 표면처리 효과를 증대시키기 위하여 많은 양의 산소를 주입할 경우, 글로우 방전에서 아크 방전으로 전이하여 효율이 급격히 떨어지고 장비가 과열될 우려가 많다.
또한, 미국특허 5,387,842와 5,414,324에서는 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.
도 1은 일반적인 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 유전체장벽방전 플라즈마 장치는 상(上)전극(2) 표면에 유전체(1)를 부착시키고 하(下)전극(4)에 유전체(3)를 부착시켜 상기 유전체(1,3) 사이에 제공되는 공간으로 방전가스를 주입하여 플라즈마를 발생시킨다.
또 다른 장치의 구성은 두 전극(2,4)에 부착된 유전체(1,3) 중에 하나가 생략된 형태의 유전체장벽방전 플라즈마 장치도 가능하며 전극의 모양은 상기 도 1에 서와 같이 판 전극이 사용될 수 있으며 동축 형태의 유전체장벽방전 플라즈마 장치도 사용된다.
유전체장벽방전 플라즈마 장치에서 사용되는 유전체로는 석영, 알루미나, 강화유리, 고무, 실리콘, 폴리머, 마이카 등의 다양한 유전체가 사용된다.
상기 설명한 전극 구조의 유전체장벽방전 플라즈마 장치에서 물질의 표면처리는 그 처리 대상의 모양에 많은 제약을 받는다.
이런 피 처리물의 모양에 제약을 받지 않고 표면처리 할 수 있는 장치는 젯 형태로 전극 밖으로 플라즈마를 분출시키는 것이다.
또한 안정된 플라즈마를 얻을 수 있어 많은 연구가 진행되고 있다.
생의학을 포함한 다양한 분야에서 다양한 목적의 표면처리에 효과적인 플라즈마를 발생시키기 위해서는 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 뿐 만 아니라, 전원 펄스 시스템에 의해 전원장치의 부피가 커져 휴대성이 나빠지게 된다.
따라서 본 발명은 전기적 충격 없이 대기압에서 온도가 증가하지 아니하는 안정적인 플라즈마를 발생시킬 수 있고, 또 언제 어디서나 쉽게 사용할 수 있도록 사용가스의 제약이 없고 휴대가 용이한 구조로 구현될 수 있는 대기압 플라즈마 발생장치를 제공하여 이를 이용하여 표면처리를 수행할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마 발생장치는, 내부가 비어있는 접지전극과, 상기 접지 전극의 내부 공간에 삽입된 다공성의 유전체 및 상기 접지전극의 내부 공간에서 상기 다공성 유전체에 삽입된 내부가 비어 있는 내부전극을 포함하여 구성되며, 상기 접지전극의 단부에는 상기 속이 빈 내부전극을 통해 주입된 방전가스가 상기 다공성의 유전체를 지나 외부로 분출되도록 분출구가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 접지전극의 내부공간에서 상기 내부 전극의 단부와 상기 접지전극 사이의 상기 다공성 유전체의 두께가 방전갭(Gap) 내지 방전공간이 되도록 구성된다.
또한 바람직하게는, 상기 내부전극은 유전체관으로 감싸여져 상기 다공성 유전체로 삽입되도록 구성될 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 속이 빈 내부전극은 봉(Rod) 형태의 전극으로 대체 될 수 있으며, 더 바람직하게는 봉 형태의 전극이 내부전극으로 사용될 때, 상기 접지전극 측벽에 방전가스 주입구가 설치되게 형성할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 표면처리방법은, 전술한 바와 같은 대기압 플라즈마 발생장치를 이용하여 플라즈마 젯을 발생시키는 단계와, 상기 발생되는 플라즈마 젯을 피처리물의 표면에 접촉시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기서 바람직하게는, 상기 표면처리에 있어서, 상기 방전가스로서 아르곤과 헬륨과 같은 단원자 가스 또는 산소, 질소, 공기, 이산화탄소 또는 두 가지 이상의 혼합가스를 사용할 수 있다.
또한 바람직하게는, 상기 표면처리에 있어서, 상기 피 처리물은 금속, 폴리머, 글라스, 사람, 동물, 식물의 표면, 피부, 세포, 조직을 포함하는 것이다.
또한, 상기 표면 처리하는 단계는, 친수성이나 소수성 향상, 식각, 세정, 살균, 제독 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 대기압 상온 플라즈마 발생장치는 가스사용에 제한이 없이 아르곤, 헬륨과 같은 불활성 가스뿐만 아니라, 질소, 공기, 산소, 이산화탄소 가스들을 방전가스로 이용하여 상온의 플라즈마 젯을 발생시킬 수 있으며 휴대가 가능하고 제작하기 쉽고, 특히 안정된 대기압 플라즈마를 발생시키므로, 생의학 분야를 포함한 다양한 분야에서의 다양한 목적의 표면처리에 이용될 수 있다.
즉 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 제독, 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 소독에 효과적으로 적용될 수 있는 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 내부가 비어있는 접지전극(10)과, 상기 접지전극(10)의 내부 공간에 삽입된 다공성 유전체(20) 및 상기 접지전극(10)의 내부 공간에서 상기 다공성 유전체(20)에 삽입된 내부가 비어 있는 내부전극(30)을 포함하여 구성되며, 상기 접지전극(10)의 단부에는 상기 속이 빈 내부전극(30)의 방전가스주입구(30a)을 통해 주입된 방전가스가 상기 다공성 유전체(20)를 지나 외부로 분출되도록 분출구(10a)가 형성된다.
상기 접지전극(10)의 내부공간에서 상기 내부전극(30)의 단부와 상기 접지전극(10) 사이의 상기 다공성 유전체의 두께가 방전갭(Gap) 내지 방전공간(S1)이 되도록 구성된다.
상기 내부전극(30)은 유전체관으로 감싸여져 상기 다공성 유전체(20)로 삽입되도록 구성될 수 있다.
또한 상기 속이 빈 내부전극(30)은 봉(Rod) 형태의 전극으로 대체될 수 있으며, 더 바람직하게는 봉 형태의 전극이 내부전극(30)으로 사용될 때, 상기 접지전극(10) 측벽에 방전가스 주입구(30a)가 설치되게 형성할 수 있다.
이와 같은 본 발명 대기압 플라즈마 발생장치에 있어서,
방전가스 주입구(30a)가 설치되는 속이 빈 캐필러리 내부전극(30)을 감싸며 유전체 관(32)이 형성되는 데, 상기 유전체 관(32)은 내부전극(30)의 외경과 비슷한 내경을 가지도록 구성되어 밀착되어지며, 석영, 강화유리, 알루미나 등의 물질로 이루어지는 것이 바람직하고, 그 외의 절연물질로도 구성될 수 있다.
상기 유전체 관(32)의 단부와 내부전극(30)의 단부는 일치하도록 구성될 수 있으며 상기 내부전극(30)이 더 길게 돌출되도록 구성할 수 있다.
상기 유전체 관(32)으로 감싸여진 상기 내부전극(30)은 다공성 유전체(20)로 삽입된다.
상기 다공성 유전체(20)의 단부는 일정한 두께를 가지도록 형성된다. 상기 유전체관(32)으로 감싸여진 상기 내부전극(30)이 삽입된 상기 다공성 유전체(20)가 삽입되도록 내부 공간을 가지는 접지전극(10)은 내마모성과 전도성이 좋은 전도체로 이루어지며 그 단부가 연필 또는 원뿔의 모양을 갖도록 형성하는 것이 바람직하다.
상기 접지전극(10)의 단부 중심에는 플라즈마가 통과하는 일정한 공간(S2)을 가지는 플라즈마 분출구(10a)가 형성된다.
상기 분출구(10a)의 직경은 수㎛에서 수㎜의 범위가 바람직하며 상기 공 간(S2)의 경로는 수㎛에서 수십 mm로 구성할 수 있다.
상기 다공성 유전체(20)와 상기 접지전극(10)이 상호 접촉하는 부분은 공기와 같은 다른 유전체 층이 형성되지 않도록 밀착되어 구성되는 것이 바람직하다.
상기 접지전극(10) 내부에 형성되는 공간에서, 내부전극(30)과 상기 접지전극(10) 사이에 상기 다공성 유전체(20)의 일정한 두께는 방전갭이 되며 그 공간이 방전공간(S1)이 된다.
상기 방전가스 주입구(30a)를 통해 주입되는 방전가스는 내부전극(30)을 지나 상기 다공성 유전체(20)의 기공을 통해 상기 플라즈마 분출구(10a)로 분출된다.
상기 유전체 관(32)은 상기 접지전극(10)의 오른쪽 단부와 근접해 있는 상기 내부전극(30)과의 원치 않는 방전을 방지하기 위하여 설치되는 것이 바람직하다.
상기 내부전극(30)과 접지전극(10)에 전원을 인가하기 위한 전원공급장치는 예컨대 통상의 AC 네온등용 트랜스포머가 사용되었으며 전류제한저항, 안정저항(Ballast) 등을 연결하여 개조가능하다.
또한 상기 전원공급장치는 직류 전원 또는 교류 전원을 공급할 수 있으며 교류 전원을 공급하는 경우, 그 주파수는 1Hz~5GHz인 것이 바람직하다.
본 실시예에 의한 장치에서는, 예컨대 상기 방전가스로서 아르곤이나 헬륨과 같은 단원자 가스와 질소, 산소, 이산화탄소 또는 그 혼합가스가 사용될 수 있으며 상기 내부전극(30)에 설치된 가스주입구(30a)를 통해 주입된다.
도 2는 본 발명의 기본이 되는 전극구조 배열을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 다공성 유전체(20)를 이용한 대기압 플라즈마 발생 장치의 전극배열 방법은 다양하게 할 수 있다.
도 2의 (a)에서 상기 다공성 유전체(20)는 두 전극(11,12) 사이에 설치될 수 있으며 단위 면적(cm2) 당 수십 개에서 수백 개의 기공을 가지며 개개의 기공 사이즈는 수십 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(μm)가 되는 것이 바람직하다.
상기 다공성 유전체(20)를 구성하는 재질은 알루미나, 산화규소, 근청석(Cordierite), 물라이트(Mullite), 지르코니아, 티타니아, 산화마그네슘, 산화아연(Zinc oxide) 등의 산화물과 탄화규소 또는 두 가지 이상 혼합된 것으로 구성될 수 있다.
상기 전극(11,12)은 텅스텐, 몰리브덴, 스테인레스 스틸, 구리, 알루미늄, 탄소 등으로 이루어지는 것이 바람직하며, 그 외의 금속 재질로 구성될 수 있음은 물론이다.
또한 상기 전극(11,12)은 상기 금속 재질의 그물(Mesh)로 구성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 구성된 플라즈마 반응기에서 방전가스는 미세한 기공을 통해 흐르며 각각의 기공에서 미세한 방전(Microdischarge) 채널이 형성된다.
이러한 다공성의 유전체가 구비된 플라즈마 반응기를 이용하여 유해가스를 분해할 경우, 플라즈마와 유해가스와의 반응시간이 증가하기 때문에 높은 분해효율을 달성할 수 있다.
또 다른 전극 배열은 도 2의 (b)와 도 2의 (c)에서와 같이 봉 형태의 전극(13) 내지 속이 빈 캐필러리 전극(14)이 설치될 수 있다.
상기 캐필러리 전극(14)이 하나의 전극으로 사용될 경우, 방전가스는 상기 캐필러리 전극내로 통해 주입되어 상기 다공성 유전체(20)를 통과하게 구성할 수 있으며, 봉 형태의 전극(14)이 하나의 전극으로 사용될 경우, 별도로 구비된 방전가스 주입구를 통해 방전가스가 주입될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일실시예를 이용한 플라즈마 발생장치로부터 발생된 플라즈마의 사진을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 3에서의 (a)와 도 3에서의 (b)는 상기 도 2에서의 (c)의 전극 배열을 가진 플라즈마 발생장치로부터 발생된 플라즈마 사진이며 다공성 유전체에서 발생되는 미세방전이 플라즈마 젯으로 진화되는 과정을 보여주고 있다.
플라즈마 반응기로 인가된 전원은 60 Hz 고전압이다.
도 3의 (a)에서 전극(12)은 스테인레스 스틸 그물이 사용되었고 다공성 유전체(20)는 알루미나로 구성되었으며 사용된 방전가스는 공기이며 도 2에서 (c)의 스테인레스 스틸 캐필러리로 구성되는 캐필러리 전극(14)으로 분당 2리터가 주입되었다.
도 3의 (a)에서 보듯이 상당히 많은 미세방전이 다공성 유전체(20)로부터 생성되는 것을 알 수 있다. 도 3(b)는 분당 5리터의 공기가 주입되었을 때, 그물 전극(12) 밖으로 플라즈마 젯(22)이 분출되는 것을 보여주고 있다.
이는 다공성 유전체(20)의 기공들을 통해 발생되는 많은 미세방전들이 가스 유량에 의존하면서 접지전극(10) 밖으로 플라즈마 젯 형성이 가능하다는 것을 보여주고 있다.
또한 일정 유량에서 플라즈마 반응기에 인가되는 파워를 증가시켜도 플라즈마 젯 형성이 가능함은 물론이다.
도 5는 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치의 제 2 실시예를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 의한 대기압 플라즈마 발생장치는 전술한 바와 같은 도 4의 기본 구조를 모두 포함하며, 접지전극(60)의 내부공간에 설치되는 다공성 유전체(20)는 디스크 형태를 가지고 유전체 관(32)으로 감싸여져 있는 내부전극(30)과 밀착되어 결합된다. 상기 내부전극(30)이 제공하는 공간에서, 상기 내부전극(30)과 상기 유전체 관(32) 사이의 공간은 다른 유전체(20,21)로 채워진다.
도 6은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치의 제 3 실시예를 보여주는 단면도이다. 여기서는, 분출되는 플라즈마에 다른 가스를 혼합할 수 있도록 구성한 예를 나타내었다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 대기압 플라즈마 발생장치는 전술한 바와 같은 도 4의 기본 구조를 모두 포함하며, 접지전극(10)의 단부가 연장되어 있고, 그 연장 부분의 측면에 추가가스를 주입할 수 있는 추가가스 주입구(10b)가 형성되어 있다.
상기 추가가스로는 아르곤이나 헬륨과 같은 단원자 가스와 질소, 산소, 이산 화탄소, 이산화질소, 이산화황 또는 그 혼합가스가 사용될 수 있음은 물론이다.
공간(S2)을 지나 분출되는 플라즈마에 상기 추가가스 주입구(10b)로부터 가스가 추가되고 추가가스를 포함하는 플라즈마는 상기 연장된 접지전극(10)이 제공하는 공간(S3)을 지나면서 추가가스를 활성화시키면서 분출구(10a)를 통해 분출된다.
상기 분출구(10a)로부터 분출하는 플라즈마는 상기 혼합공간(S3)에서 추가가스의 일부분을 플라즈마로 만들어주게 되며, 그로부터 두 가지 이상의 가스를 포함하는 플라즈마 젯이 외부로 분출하게 된다.
여기서 상기 혼합공간(S3)은 분출구(10a)보다 크거나 작을 수 있으며 표면처리의 피처리물에 따라 그 모양이나 크기가 적절히 변경될 수 있다.
또한 추가가스는 다공성 유전체(20)를 감싸고 있는 접지전극(10)에 설치되는 추가가스 주입구(10c,10d)를 통해 주입되며 상기 다공성 유전체(10)의 기공들을 통해 방전공간(S1)에서 방전가스 주입구(30)를 통해 주입되는 방전가스와 혼합되어 플라즈마가 형성되도록 구성된다.
상기 추가가스 주입구(10c,10d)는 다수개가 설치될 수 있음은 물론이며, 상기 추가가스 주입구(10c,10d)로 방전가스가 함께 주입되어 상기 다공성 유전체(20)를 지나면서 혼합이 잘 이루어지도록 구성될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치의 제 4 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 7을 참조하면, 도 4내지 도 6에서 설명한 대기압 플라즈마 발생장치의 기 본 구성요소를 일부 포함하며, 속이 빈 형태의 전극 대신에 봉 형태의 내부전극(30')을 사용한 것이다.
이때에, 방전가스는 접지전극(10)에 설치되는 추가가스 주입구(10c,10d)로 추가가스와 함께 주입된다.
또한 도 6에서 접지전극(10)의 단부를 연장할 수 있으며 연장된 접지전극(10)에 추가가스 주입구가 설치될 수 있음은 물론이다.
도 8은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치에 의해 공기 중으로 분출되는 공기 및 질소 플라즈마 젯을 나타낸 도면이다.
본 실시예를 위하여, 도 4에 도시한 플라즈마 발생장치 구조로 구성하였다.
내부 전극은 외경이 1.6mm, 내경 1.2 mm인 스테인레스 스틸 캐필러리로 구성하였고, 유전체 관은 외경이 3.2 mm인 석영관에 캐필러리 내부전극이 삽입되었고, 다공성 유전체는 100㎛ 평균 기공 크기와 30 vol% 기공도를 가지는 알루미나가 사용되었다.
접지 전극은 스테인레스 스틸로 구성되었으며 플라즈마 분출구의 직경은 1㎜로 형성하였고, 방전 가스로 사용된 공기와 질소 가스의 유량은 분당 5리터로 하였다.
본 실시예에서 사용된 전원은 통상의 60 Hz 고전압 네온 트랜스포머를 사용하였다.
도 8를 참조하면, 공기 중으로 분출된 공기와 질소 플라즈마 젯(100)의 길이 는 2.5cm와 4.2cm 정도였으며, 이때의 소비전력은 약 10와트(W) 보다 작았다. 상기 플라즈마 젯(100)의 온도는 상온 근처였으며, 사용되는 전원공급장치의 종류에 따라 플라즈마 젯(100)의 온도를 25-3000℃의 범위에서 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치를 이용한 표면처리방법에 의하면, 금속과 유리는 물론, 열에 민감한 고분자나 인체의 피부, 동식물의 표피, 세포 등을 안정적으로 표면처리 할 수 있다.
상기 표면처리를 함에 있어서, 상기 피 처리물의 표면에 대해 물을 좋아하는 친수성의 향상 또는 물을 싫어하는 소수성의 향상, 물질의 표면을 깎아내는 식각, 표면의 이물질을 씻어내는 세정, 표면의 바이러스, 균, 독소를 죽이는 살균 또는 제독 등을 포함하여 수행할 수 있다.
상기 다양한 표면 처리는 그 효과를 나타나게 하는 방전가스를 선택함으로써 가능한데, 예를 들어, 소수성을 구현하기 위해서는 일반적으로 플로린 화합물의 가스 또는 탄화수소 가스를 아르곤, 헬륨과 같은 방전가스와 혼합하여 사용한다.
또한, 사람, 동물, 식물의 표면, 피부, 세포, 조직에 살균 및 제독을 구현하기 위해서는 아르곤과 헬륨과 같은 단원자 방전가스에 산소가스를 혼합하여 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 젯 형성시 전압 및 전류 파형을 보여주는 도면이다. 전압 및 전류 파형은 도 8에서 (a)의 공기 플라즈마로부터 측정된 것이다.
도 9를 참조하면, 도 9의 (a)는 방전 전의 전형적인 60Hz 정현파 소스 파형을 보여주고 있다.
도 9의 (b)는 도 8에서 (a)의 공기 플라즈마 젯이 형성될 때, 측정한 파형으로서 일반적인 유전체장벽방전과 유사한 파형을 보여주고 있다.
도 9의 (b)에 삽입된 확대 이미지에서 톱니파 모양의 전압 펄스가 생성되고 거의 제로로 전압이 떨어질 때, 전류 펄스가 발생된다.
이는 다공성 유전체에서 발생하는 미세방전에 기인하며 반주기에서의 전압 펄스의 주파수는 수 백 kHz에 도달한다.
그러므로, 이는 60Hz 만큼 낮은 주파수 전원으로부터 수백 kHz 전원을 사용하는 것과 비슷한 의미를 갖는다.
순간적인 전류 펄스 값이 1내지 2 암페어(A)까지 도달하지만 그 평균값은 수십 미리암페어(mA)이다. 그러므로, 실제적으로 플라즈마에 소비되는 전력은 수십 와트(W) 미만이다.
도 10은 본 발명의 플라즈마 발생장치로부터 발생된 공기 플라즈마에서 생성되는 플라즈마 종들의 분광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
분광 스펙트럼은 도 8에서 (a)의 공기 플라즈마로부터 측정된 것이다.
도 10을 참조하면, 280~720nm 범위에서 나타나는 피크들은 질소 종들과 관련된 것이고, 777.1nm에서 나타나는 피크는 산소원자 종이며, 약하게 613nm와 844nm의 산소원자 종도 확인되었다.
이런 산소 플라즈마 종들은 재료의 친수성 향상과 세정 효과를 높여 줄뿐만 아니라, 화학생물 작용제의 제독, 피부질환의 살균에 매우 효과적이다.
도 1은 일반적인 유전체장벽방전(Dielectric barrier discharge) 플라즈마 장치의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 기본이 되는 전극구조 배열을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예를 이용한 플라즈마 발생장치로부터 발생된 플라즈마의 사진을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명 대기압 플라즈마 발생장치의 제 1실시예를 보여주는 단면도.
도 5는 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치의 제 2 실시예를 보여주는 단면도.
도 6은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치의 제 3 실시예를 보여주는 단면도
도 7은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치의 제 4 실시예를 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명의 대기압 플라즈마 발생장치에 의해 공기 중으로 분출되는 공기 및 질소 플라즈마 젯을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 플라즈마 발생장치에서 플라즈마 젯 형성시 전압 및 전류 파형을 보여주는 도면.
도 10은 본 발명의 플라즈마 발생장치로부터 발생된 공기 플라즈마에서 생성되는 플라즈마 종들의 분광 스펙트럼을 나타낸 그래프.

Claims (13)

  1. 내부가 비어있는 접지전극과,
    상기 접지전극의 내부 공간에 삽입되는 다공성 유전체와,
    상기 다공성 유전체에 삽입되는 내부전극과,
    상기 내부전극에 설치되는 방전가스 주입구와;
    상기 접지전극의 단부에는 상기 방전가스 주입구를 통해 주입된 방전 가스가 상기 접지전극과 상기 내부전극 사이에 제공된 상기 다공성 유전체를 지나 외부로 분출되도록 형성되는 플라즈마 분출구 및
    상기 내부 전극 및 상기 접지 전극 사이에 전원을 인가하는 전원공급장치를 포함하여 구성되며,
    상기 접지전극의 측벽에 하나 이상의 추가가스 주입구(10c,10d)가 설치되어 추가가스가 주입되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 내부전극을 감싸는 유전체 관을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 내부전극은 속이 비어있는 캐필러리 타입으로 구성되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 내부전극이 봉 형태의 전극인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 접지전극의 단부가 연장되어 측벽에 추가가스 주입구가 설치되며, 상기 연장된 단부의 내부에는 상기 분출구로부터 분출되는 플라즈마에 상기 추가가스 주입구로부터 주입된 추가가스가 혼합되는 혼합공간이 구비되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 접지전극과 내부전극사이의 공간에서 상기 내부전극과 내부전극사이에 서로 다른 두 개이상의 유전체로 채워지는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 유전체가 알루미나, 석영, 지르코니아, 티타니아, 강화유리, 근청석, 물라이트, 산화마그네슘, 산화아연을 포함하는 산화화합물 및 탄화규소로 이루어지거나 두 가지 이상의 혼합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 유전체의 개개의 기공 크기가 1 nm ~ 1 mm 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 유전체의 기공도(Porosity)가 1 ~ 99vol%인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 접지전극에 형성되는 플라즈마 분출구의 직경이 1μm ~ 10 mm인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전 가스는 단원자 가스, 질소, 산소, 이산화탄소 또는 이들의 혼합 가스인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전원공급장치는 직류 전원 또는 교류 전원을 공급하며, 상기 전원공급장치가 교류 전원을 공급하는 경우, 상기 교류 전원의 주파수는 1Hz ~ 5GHz인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 발생장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180098435A (ko) 2017-02-24 2018-09-04 한국기초과학지원연구원 플라즈마 발생장치 및 이를 구비한 수처리 시스템
KR20190043260A (ko) 2017-10-18 2019-04-26 주식회사 지티지웰니스 휴대용 플라즈마 미용 기기
KR20200024073A (ko) 2019-06-07 2020-03-06 한국기초과학지원연구원 플라즈마 발생장치 및 이를 구비한 수처리 시스템
KR20240028201A (ko) 2022-08-24 2024-03-05 주식회사 엔도비전 건식 광범위 플라즈마 피부치료기

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101320291B1 (ko) * 2011-08-11 2013-10-22 강원대학교산학협력단 국부소독 및 살균 가능한 핸드피스형 플라즈마 장치
KR101330515B1 (ko) * 2011-09-28 2013-11-18 주식회사 테스 플라즈마 건, 이에 사용되는 전극 형성방법 및 이를 포함하는 플라즈마 처리장치
KR101630922B1 (ko) * 2014-06-11 2016-06-17 광운대학교 산학협력단 플라즈마를 이용하는 여드름 치료기
KR101807002B1 (ko) * 2015-12-23 2018-01-18 한국기초과학지원연구원 액체 플라즈마 젯 분사 장치
WO2018194207A1 (ko) * 2017-04-21 2018-10-25 광운대학교 산학협력단 항암활성을 갖는 플라즈마 처리수 및 그 제조방법
KR101880852B1 (ko) * 2017-05-16 2018-07-20 (주)어플라이드플라즈마 대기압 플라즈마 장치
KR102106776B1 (ko) * 2018-09-04 2020-05-06 (주)펨토사이언스 휴대형 플라즈마 발생장치
KR102139692B1 (ko) * 2018-09-18 2020-07-30 주식회사 코드스테리 매질 활성화 장치
CN114189971B (zh) * 2021-11-09 2024-01-19 天津大学 一种介质阻挡放电的时空控制装置及方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100276674B1 (ko) * 1998-06-03 2001-01-15 정기형 플라즈마 토치
KR20080046944A (ko) * 2006-11-24 2008-05-28 주식회사 에이디피엔지니어링 상압 플라즈마 처리 장치
KR20080072558A (ko) * 2007-02-02 2008-08-06 강방권 균일한 상압 플라즈마 발생장치
KR20080105878A (ko) * 2007-06-01 2008-12-04 홍용철 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 방법 및 장치

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100276674B1 (ko) * 1998-06-03 2001-01-15 정기형 플라즈마 토치
KR20080046944A (ko) * 2006-11-24 2008-05-28 주식회사 에이디피엔지니어링 상압 플라즈마 처리 장치
KR20080072558A (ko) * 2007-02-02 2008-08-06 강방권 균일한 상압 플라즈마 발생장치
KR20080105878A (ko) * 2007-06-01 2008-12-04 홍용철 대기압에서 상온 플라즈마를 발생시키는 방법 및 장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180098435A (ko) 2017-02-24 2018-09-04 한국기초과학지원연구원 플라즈마 발생장치 및 이를 구비한 수처리 시스템
KR20190043260A (ko) 2017-10-18 2019-04-26 주식회사 지티지웰니스 휴대용 플라즈마 미용 기기
KR20200024073A (ko) 2019-06-07 2020-03-06 한국기초과학지원연구원 플라즈마 발생장치 및 이를 구비한 수처리 시스템
KR20240028201A (ko) 2022-08-24 2024-03-05 주식회사 엔도비전 건식 광범위 플라즈마 피부치료기

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