KR101417273B1 - 대기압 플라즈마 소스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 생명공학용 내지는 의료용으로 응용할 수 있는 대기압 플라즈마 소스의 구성에 관한 것으로, 종래 전극구조로는 플라즈마가 피 처리물에 직접 잘 닿지 않아 처리 효과를 제대로 발휘할 수 없는 문제를 해결하고자 제안되었다.
본 발명에 따르면, 기판의 일면에 X 전극과 Y 전극을 모두 포토리소그래피로 형성하고 이들을 유전체/2차전자생성층/수화방지층으로 코팅하여 제작하며, 특히 포토리소그래피를 이용하므로 전극밀도를 높여 저전력 고밀도 플라즈마 면 방전을 가능케 하고, 피처리물에 플라즈마가 직접 닿을 수 있게 하였으며(Direct Plasma), 수화방지막으로 인하여 플라즈마 소스의 수명을 장기화하였다.

Description

대기압 플라즈마 소스{Atmospheric pressure Plasma Source}
본 발명은 대기압에서 플라즈마를 발생하는 플라즈마 소스에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 생명공학용 내지는 의료용으로 응용할 수 있는 대기압 플라즈마 소스의 구성에 관한 것이다.
플라즈마는 반도체, 디스플레이 소자, 각종 부품의 표면처리 등에 널리 사용되어 왔으며, 더욱 그 응용성을 넓혀 생명공학 연구, 의료용, 공기 청정, 소각로 등에도 사용되는 융합적인 기술분야로 자리매김하고 있다. 특히, 치아미백, 암세포 사멸, 혈액 응고속도촉진 등의 의료용으로 종래 주로 사용되던 레이저의 경우, 스팟(spot) 형태로 작용하기 때문에 치료부위의 면적이 넓을 경우, 처리 효율이 낮은 데 비해, 플라즈마의 경우 대면적 발생이 가능하여 처리 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마의 경우, 면 방전 구조의 플라즈마 소스를 구성하여 2 kV 정도의 전압을 인가하여 의료용으로 시험 되고 있다. 지금까지 사용되고 있는 DBD 플라즈마 소스의 경우, X전극/유전체/Y전극의 구조로 구성하며, Y 전극은 메쉬(mesh) 전극을 유전체에 부착하여 제작한다(도 1 참조). 그에 따라 전압 인가시 방전 부위가 Y 전극의 측면이 되므로, 실제로 플라즈마로 처리하고자 하는 피처리물에 직접 방사되는 플라즈마의 양이 많지 않다는 문제가 있다. 예를 들면, 페트리 접시에 담긴 배양물 등에 플라즈마를 조사하고자 할 경우, 상기와 같은 메쉬 전극으로는 배양물에 플라즈마를 처리하기가 어려워 플라즈마 토오치 등을 이용하며, 이는 레이저와 마찬가지로 면 방전 구조가 아니라는 문제를 지닌다. 이 같은 문제는 치아 미백이나 암 세포 사멸에 응용되는 플라즈마 소스에서도 동일하게 발생 된다.
또한, 상술한 종래 DBD 플라즈마 소스의 메쉬 전극은 철사 메쉬 또는 구리테이프 전극 등으로 제작되므로, 그 크기를 작게 하거나 대면적으로 제작하는데 한계가 있어, 비교적 고 전력을 인가하여 플라즈마를 방전하게 되는 문제도 지닌다.
따라서, 본 발명의 목적은 좀 더 효율적인 플라즈마 처리를 할 수 있는 새로운 구조의 면 방전 대기압 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 플라즈마 방전 공간과 방전시 생성되는 활성종(ROS ,RNS)이 피처리물에 직접 방사될 수 있는 플라즈마 소스(Direct Plasma Source)를 제공하고자 하는 것이며, 더불어 플라즈마 방전을 위해 인가되는 전력은 낮추면서도 방전되는 플라즈마의 밀도를 높일 수 있는 저전력 고밀도 플라즈마 소스를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적 달성을 위하여, 본 발명은 유리 등의 절연체 기판의 일면에 X 전극과 Y 전극을 포토리소그래피를 이용하여 미세한 패턴으로 형성하고, 상기 X 전극과 Y 전극을 유전체로 둘러싼 다음, MgO 등의 금속산화물 막으로 코팅한 후 Al2O3와 같은 비전도성 수화방지막으로 코팅한 플라즈마 소스를 제공한다.
즉, 본 발명은,
기판;
상기 기판의 일면인 동일 평면에 서로 간격을 두도록 형성되는 X 전극 및 Y 전극;
상기 X 전극 및 Y 전극을 둘러싸는 유전체; 및
상기 유전체를 둘러싸는 수화방지막;을 포함하여,
플라즈마 방전공간은 피처리물이 위치하는 곳이 되게 한 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
삭제
삭제
삭제
또한, 본 발명은,
기판;
상기 기판의 일면에 서로 간격을 가지고 형성되는 X 전극 및 Y 전극;
상기 X 전극 및 Y 전극을 둘러싸는 유전체;
삭제
상기 유전체를 둘러싸는 2차 전하생성층; 및
상기 2차 전자생성층을 둘러싸는 수화방지막을 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 X 전극과 Y 전극은 각각 T자형, 'ㅗ' 자형, 'n'자형, 'H'자형, 'h'자형, '+'자형, '王'자형 중 어느 하나를 포함하는 형상인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 2차 전자생성층은 MgO, MgSrO, MgCaO 중 어느 하나를 포함한 재료로 구성하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 X 전극과 Y 전극은 'ㅗ' 자형, 'n'자형, 'H'자형, 'h'자형, '+'자형, '王'자형 중 어느 하나를 포함하는 형상을 반복 배열하여 메쉬 전극을 이루는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 수화방지막은 Al2O3 인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 기판은 평면 또는 곡면인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 기판은 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리올레핀(PO), PES(polyether sulfone) 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은,
기판의 일면에 포토리소그래피를 이용하여 돌출 형상을 포함한X 전극 및 Y 전극을 형성하는 단계;
상기 X 전극 및 Y 전극을 둘러싸도록 유전체를 코팅하는 단계;
상기 유전체를 둘러싸도록 2차 전자생성층을 코팅하는 단계; 및
상기 2차 전자생성층을 둘러싸도록 수화방지막을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 유전체 코팅은, 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 딥 코팅 중 어느 하나로 실시하고, 상기 2차 전자생성층은 전자빔 증착, 스퍼터, 원자층 증착법(ALD), 이온 플레이팅(Ion Plating) 중 어느 하나로 실시하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 수화방지막의 코팅은, 전자빔 증착, 스퍼터, 원자층 증착법(ALD), 이온 플레이팅 중 어느 하나로 실시하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, X 전극과 Y 전극에 전압을 인가하여 방전되는 플라즈마는 MgO와 같이 2차 전자를 방출하는 금속산화물 막과 전도성 수화 방지막의 하면에 발생되어 처리물에 직접 조사되어 플라즈마 처리 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 소스는 면적에 제약이 없는 면 방전 구조이고, 전극형성을 포토리소그래피 기술로 실시하므로 미세 전극 구조를 만들 수 있어, 저전력으로도 고 밀도 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 소스는 평면 기판뿐 아니라 곡률을 갖는 기판에 전극을 형성할 수 있어, 의료기구 등에 설치하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 플라즈마 소스는 크기를 필요에 따라 조절하여 제작가능하여 휴대용으로도 적합하게 할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 DBD(Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마 소스를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면 방전 대기압 플라즈마 소스의 구성을 설명하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면 방전 대기압 플라즈마 소스의 동작을 설명하는 단면도이다.
도 4 내지 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면 방전 대기압 플라즈마 소스의 전극구조를 나타내는 평면도이다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면 방전 대기압 플라즈마 소스의 동작을 보여주는 사진이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 대면적 면 방전 대기압 플라즈마 소스의 동작을 보여주는 사진이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따른 면 방전 대기압 플라즈마 소스의 구성을 나타내는 단면구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여, 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 소스의 단면구성도이다.
기판(100)의 일면에 X 전극(300)과 Y 전극(350)을 형성하고, 한 쌍의 전극 주변을 유전체(200)로 둘러싼 다음, 유전체(200) 표면을 2차 전자생성층(400)으로 코팅한 후, 다시 상기 2차 전자생성층(400) 표면을 수화방지막(500)으로 코팅하여 플라즈마 소스를 구성한다. 상기 2차 전자생성층(400)은 발생한 플라즈마로부터 더 많은 전하를 재생성하는 역할을 하나, 반드시 구성해야 하는 것은 아니고, 유전체(200)를 직접 수화방지막(500)으로 둘러싸는 구성을 취할 수도 있다.
이와 같이 구성된 플라즈마 소스는 X 전극(300)과 Y 전극(350)에 교류전력을 인가하여 플라즈마를 방전시키며, 플라즈마 방전이 두 전극 사이의 공간에서 일어나, 유전체(200) 공간으로부터 2차 전자생성층(400)을 거쳐 수화방지막(500) 외부로 전이되게 한다. 그에 따라 도 3에서와 같이 플라즈마 분포가 수화방지막(500) 표면 주위가 되므로, 피처리물에 직접 플라즈마가 작용할 수 있어 충분한 플라즈마 처리 효과를 기대할 수 있다. 특히, 세포, 혈액, 치아 등에 플라즈마를 처리하여 사멸, DNA 변형실험, 혈액 응고속도조절, 치아 미백 등의 여러 가지 의료용으로 사용할 경우 높은 플라즈마 처리 효과를 기대할 수 있고, 대면적 방전을 일으킬 수 있어 처리효율 또한 높일 수 있다.
상기와 같은 플라즈마 소스의 전극은 메쉬 형태로 구성하되, 기존의 메쉬를 부착하는 것이 아니라, 포토리소그래피 기술로 형성하는 것이 바람직하다. 포토리소그래피 기술은 이미 널리 알려진 기술로 그 실시방법에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 감광성을 이용한 전극 형성의 장점은 미세한 수준으로 정밀하게 전극을 배열할 수 있다는 것이다. 전극 사이의 간격이 좁을수록 인가 전압이 낮아도 고밀도 플라즈마 방전을 기대할 수 있으며, 메쉬 전극의 기하학적 형상을 자유롭게 디자인 하여 좀 더 저전력으로 고밀도 플라즈마 방전을 유도하는 것이다.
본 발명자는 메쉬의 기하학적 형상을 도 4 내지 도 9에서와 같이 다양하게 변형 구성하여 전극 간 간격을 좁히고 가급 단위면적당 전극배열 수를 크게 하여 조밀한 전극을 구성하고자 하였고, 그에 따라 저전력 고밀도 플라즈마를 얻을 수 있었다. 포토리소그래피 기술에 따라 제작한 플라즈마 소스는 단위면적 1cm x 1cm 당 100 내지 1000개 정도의 방전셀을 구비하게 할 수 있으며, 본 실시예에서는 400 개의 방전셀을 구비하게 제작하였다. 이와 같은 메쉬 전극에는 100 V 내지 1 kV 전압을 인가함으로써 고밀도 플라즈마 방전을 일으킬 수 있으며, 본 실시예의 경우, 300 V 전압 인가로 충분한 고밀도 플라즈마 방전을 얻었다.
형성된 전극 주위를 유전체(200)로 둘러싸는 것은 여러 가지 코팅 방법으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 딥 코팅 등이 적용될 수 있고, 본 실시예에서는 스크린 프린팅을 사용하였다. 유전체(200) 물질도 다양한 것으로 선택할 수 있으며, 유전율도 제한적이지 않으나, 유전체(200) 두께와 유전율은 서로 연관되어, 유전율이 클수록 유전체층의 두께를 얇게, 유전율이 작을수록 유전체층의 두께를 두껍게 하여 인가 전압에 대하여 절연파괴를 일으키지 않으면서 고밀도 플라즈마를 방전하게 할 수 있다. 본 실시예의 경우, 유전상수 5 내지 10의 것을 사용하여 20 내지 30 μm 두께로 유전체(200)층을 구성하였다.
유전체(200)층 공간에서 발생한 플라즈마에 의해, 더욱 많은 전자를 생성하게 하는 이른바, 2차 전자 발생을 유도하는 2차 전자생성층(400)은 MgO, MgSrO, MgCaO 등으로 구성함이 바람직하며, 본 실시예의 경우, MgO를 이용하여 구성하였다. MgO로 된 2차 전자생성층(400)은 여러 가지 적층방법으로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 전자빔 증착으로 형성하였다. 2차 전자생성층(400)의 두께는 1μm 이하인 것이 바람직하며, 본 실시예에서는 7000Å 정도로 하였다. 2차 전자생성층(400)으로 마감된 플라즈마 소스의 경우, 플라즈마 방전은 저전력 고밀도로 발생 될 수 있으나, 1 회 방전 후, 곧 2차 전자생성층(400)은 대기중 수분에 의해 수화되어 더 이상 2 차 전자 생성 기능을 발휘하지 못하여 플라즈마 소스의 수명을 단기화시켜 실질적인 치료용 등으로 사용될 수 없다. 그에 따라 본 발명자는 2차 전자생성층(400)의 수화를 방지할 수 있는 수화방지막(500)을 형성하였다. 상기 수화방지막(500)은 산화막 성질을 가진 부도체 중 2차전자의 발생특성이 비교적 좋고 용이하게 코팅할 수 있는 것이면 사용가능하며, 본 실시예에서는 Al2O3를 사용하였다. 코팅 방법 또한 제한적이지 않으며, 두께는 1μm 이하가 바람직하며, 본 실시예에서는 전자빔 증착으로 7000Å 정도로 코팅하였다.
이와 같이 하여 제작한 플라즈마 소스 시편의 방전 테스트 결과 사진을 도 10에 도시하였고, 좀 더 대면적으로 제작한 대기압 플라즈마 소스의 면 방전 동작의 사진을 도 11에 도시하였다.
상기 플라즈마 소스는 포토리소그래피 기술에 의해 전극을 형성하므로, 원통형 기판, 곡면 기판 등에 전극을 형성할 수 있어 사용자의 요구에 맞춤 제작이 가능하다는 장점을 지닌다. 예를 들면, 치아 미백용으로 제작할 경우, 치아 형태에 맞춘 곡률을 가진 기판상에 전극을 형성한 플라즈마 소스를 제공할 수 있다. 기판(100)은 절연체로 구성하며, 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리올레핀(PO), PES(polyether sulfone) 등의 내열성이 있는 유연성 소재로 구성할 수 있다.
또한, 도 12에는 본 발명의 또 다른 면 방전 플라즈마 소스의 단면 구성도가 나와 있다. 여기서는 기판(100) 후면에 X 전극(300)을 형성하고, 이를 유전체(200)로 덮어 하나의 전극 모듈을 만들고, 동일한 방식으로 Y 전극(350)을 포함한 전극 모듈을 만들어 이들을 서로 마주보게 한 상태에서 양쪽 전극에 전원을 인가하여 플라즈마를 발생시킨다.
이와 같은 플라즈마 소스는 상대적으로 더 강한 방전을 얻을 수 있어, 피처리물을 기판(100)과 기판(100) 사이에 넣고 플라즈마 처리를 하면, 강력한 멸균 효과 내지는 고에너지 처리효과 등을 볼 수 있다.
특히, 전극의 형성은 상술한 바와 같이 포토리소그래피를 이용한 다양한 모양으로 구성할 수도 있고, 이와 달리, 면 전극을 배치할 수도 있으며, 면 전극을 채용할 경우, 전면에 걸쳐 강한 플라즈마 방전을 얻을 수 있다.
도 12에는 도시하지 않았으나 이러한 플라즈마 소스는 발열에 대비하여 유전체(200)층 위로 냉각장치를 더 설치할 수 있다.
상기와 같이 하여, 플라즈마가 피처리물에 직접 닿을 수 있는 면적이 넓은 면 방전 플라즈마 소스를 구성할 수 있는 등 처리 면적에 제약을 받지 않으며, 이는 의료용, 생명공학용 등 다양하게 사용될 수 있는 저전력 고밀도 대기압 플라즈마 면 방전 소스로 사용될 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 기판
200: 유전체
300: X 전극
350: Y 전극
400: 2차 전자생성층
500: 수화방지막

Claims (13)

  1. 기판;
    상기 기판의 일면인 동일 평면 위에 서로 간격을 두고 형성되되, 서로를 향해 돌출된 형상을 구비하여 전극 간 간격을 좁혀 방전효율을 향상시키는 X 전극 및 Y 전극;
    상기 X 전극 및 Y 전극을 둘러싸는 유전체; 및
    상기 유전체를 둘러싸는 수화방지막;을 포함하여,
    플라즈마 방전공간은 피처리물이 위치하는 곳이 되게 한 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전체와 수화방지막 사이에 상기 유전체를 둘러싸는 2차 전자생성층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 X 전극과 Y 전극은 각각 T자형, 'ㅗ' 자형, 'n'자형, 'H'자형, 'h'자형, '+'자형, '王'자형 중 어느 하나를 포함하는 형상인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 X 전극과 Y 전극은 'ㅗ' 자형, 'n'자형, 'H'자형, 'h'자형, '+'자형, '王'자형 중 어느 하나를 포함하는 형상을 반복 배열하여 메쉬 전극을 이루는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2차 전자생성층은 MgO, MgSrO, MgCaO 중 어느 하나를 포함한 재료로 구성하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수화방지막은 Al2O3 인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기판은 평면 또는 곡면으로 이루어지고, 냉각장치를 더 구비한 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 기판은 유리, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리이미드(PI), 폴리올레핀(PO), PES(polyether sulfone) 중 어느 하나로 구성하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  9. 기판의 일면에 포토리소그래피를 이용하여 서로를 향해 돌출 형상을 구비하여 전극 간 간격을 좁힌 X 전극 및 Y 전극을 동일평면에 존재하도록 형성하는 단계;
    상기 X 전극 및 Y 전극을 둘러싸도록 유전체를 코팅하는 단계;
    상기 유전체를 둘러싸도록 2차 전자생성층을 코팅하는 단계; 및
    상기 2차 전자생성층을 둘러싸도록 수화방지막을 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 유전체 코팅은, 스크린 프린팅, 스핀 코팅, 딥 코팅 중 어느 하나로 실시하고, 상기 2차 전자생성층은 전자빔 증착, 스퍼터(sputter), 원자층 증착법(ALD), 이온 플레이팅(Ion Plating) 중 어느 하나로 실시하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 수화방지막의 코팅은, 전자빔 증착, 스퍼터, 원자층 증착법(ALD), 이온 플레이팅(Ion Plating) 중 어느 하나로 실시하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법.
  12. 기판;
    상기 기판의 후면에 형성되는 전극 및
    상기 전극을 덮는 유전체층;을 포함하는 전극 모듈 두 개를 서로 마주하게 하되, 상기 기판과 기판 사이에 피처리물을 놓을 수 있도록 상기 전극 모듈을 배치하고, 상기 전극들에 전원의 서로 다른 극성 단자를 인가하여 상기 기판과 기판 사이에서 플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스.
  13. 제9항에 있어서, 수화방지막을 코팅하는 단계 이후, 냉각장치를 설치하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마 소스의 제조방법.





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