KR101466929B1 - 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치 - Google Patents

생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생의학용 대면적 저주파 에어 플라즈마 장치에서 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하여 안정적으로 사용할 수 있도록 한 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치에 관한 것으로, 차례로 적층된 벌크층 및 그라운드 전극층의 하부에 구성되어 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하기 위한 열 발생기;상기 열 발생기에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈로 전달하기 위하여 열 발생기의 상면에 부착되는 벌크층 및 벌크층 상에 증착되는 그라운드 전극층;상기 그라운드 전극층상에 차례로 증착되어 적층 형태를 갖는 유전체층 및 파워 전극층을 구비하고 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 모듈;을 포함하는 것이다.

Description

생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치{Low frequency air plasma for medical application}
본 발명은 생의학용 대면적 저주파 에어 플라즈마 장치에 관한 것으로, 구체적으로 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하여 안정적으로 사용할 수 있도록 한 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치에 관한 것이다.
에어 플라즈마는 독립된 상태로 존재하는, 이온, 전자(electron), 라디칼(radical), 및 대기압에서 형성된 다른 중성 입자로 구성된, 전기적으로 전도성인 물질 상태이다.
에어 플라즈마는 비치명적인 무기(nonlethal weapon), 융합(fusion), 플라즈마 처리, 추진(propulsion), 소독 응용(disinfection application) 및 충격파 완화(shockwave mitigation)와 같은 여러 응용에 사용될 수 있다.
최근에 플라즈마를 이용한 응용기술 중 가장 주목을 받고 있으며 가장 활발하게 연구되고 있는 부분은 소위 '플라즈마 의학'이라고 하는 의료관련 연구이다.
세계 의료 시장은 현재 수십조원에 달하는 거대한 시장이고 지속적인 성장세를 보이고 있으며, 의료 시장 중 의료 장비의 비중이 가장 높은 것으로 확인되고 있다.
또한 국제적 시장의 개방 추세에 따라 국내의 의료시장도 점차 개방되고 그 추세 또한 가속화될 것으로 예상되고 있다.
최근 상압에서 저주파 에어 플라즈마를 이용한 암 치료, 살균, 상처치유, 치아 미백 등 생의학 응용 분야에 대한 연구가 국내외 연구 기관에 의해 활발히 연구 되고 있으며 탁월한 효과가 증명되고 있다.
그러나 에어 플라즈마 사용에 있어서 특히 오존이 많이 발생되는데, 이 장치가 실제로 산업과 시장에 사용되기 위해선 오존 사용 허용치 기준을 만족할 필요가 있다.
이와 같은 종래 기술의 저주파 에어 플라즈마 장치는 암 치료, 살균, 상처치유, 치아미백 등의 효능이 있지만 실제로 이 장치를 생의학용으로 사용할 때에 심장병, 기관지 질환 등을 유발할 수 있는 오존이 허용 기준치 이상으로 나오는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2003-0065766호 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0037221호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 저주파 에어 플라즈마 장치의 오존 발생 문제를 해결하기 위한 것으로, 생의학용 대면적 저주파 에어 플라즈마 장치에서 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하여 안정적으로 사용할 수 있도록 한 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 핫 플레이트의 열이 알루미늄 벌크(Ground Electrode)를 통해서 저주파 플라즈마 장치에 잘 전달될 수 있게 설계하여 대면적 저주파 에어 플라즈마 장치에서 나오는 허용치 이상의 오존을 에어 가스 온도 조절로 제어할 수 있도록 한 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 대면적 전극(Electrode)을 포함하는 구조에서 저주파 플라즈마 장치 온도에 따라 방출되는 오존량 조절 가능하고, 특정 가스 온도 설정을 통해서 오존량, 활성종 량을 조절 가능하도록 한 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치는 차례로 적층된 벌크층 및 그라운드 전극층의 하부에 구성되어 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하기 위한 열 발생기;상기 열 발생기에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈로 전달하기 위하여 열 발생기의 상면에 부착되는 벌크층 및 벌크층 상에 증착되는 그라운드 전극층;상기 그라운드 전극층상에 차례로 증착되어 적층 형태를 갖는 유전체층 및 파워 전극층을 구비하고 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 벌크층은, 열 발생기에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈에 전달하기 위하여 알루미늄으로 제작되는 것을 특징으로 한다.
그리고 플라즈마 발생 제어 및 방출되는 오존량 조절 가능하도록 제어하고, 특정 가스 온도 설정을 통해서 오존량, 활성종 량을 조절하기 위한 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
그리고 열 발생기에 의해 발생 된 열이 플라즈마 발생 모듈 주위의 가스 온도를 높여,
(1) e + O3→ O + O2 + e // (e : 전자)
(2) O3 + O2(A) -> 2O2 + O // (O2(A) : 들뜬 상태의 O2) 의 반응이 일어나 오존량, 활성종 량을 조절하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하여 안정적으로 사용할 수 있도록 한다.
둘째, 핫 플레이트의 열이 알루미늄 벌크를 통해서 저주파 플라즈마 장치에 잘 전달될 수 있게 설계하여 대면적 저주파 에어 플라즈마 장치에서 나오는 허용치 이상의 오존을 에어 가스 온도 조절로 제어할 수 있다.
셋째, 대면적 전극(Electrode)을 포함하는 구조에서 저주파 플라즈마 장치 온도에 따라 방출되는 오존량 조절 가능하다.
넷째, 특정 가스 온도 설정을 통해서 오존량, 활성종 량을 조절 가능하여 생의학용으로 적용시에 유용성을 높인다.
다섯째, 허용치 이상의 오존을 에어 가스 온도 조절로 제어할 수 있어 대면적 저주파 에어 플라즈마 장치를 생의학용으로 사용하는데 적합하게 설계할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 상세 구성도
도 3은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 제작 구성도
도 4는 가스 온도에 따른 주요 활성종 변화를 나타낸 그래프
도 5는 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 오존 분해 특성을 나타낸 그래프
이하, 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 상세 구성도이다.
그리고 도 3은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 제작 구성도이다.
본 발명은 생의학용 대면적 저주파(22kHz) 에어 플라즈마 장치의 안정적인 사용을 위한 방법으로서, 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하여 안정적으로 사용할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치는, 장치의 하부에 구성되어 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하기 위한 열 발생기(11)와, 열 발생기(11)상에 구성되어 열 발생기(11)에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈에 전달하는 벌크층(12) 및 그라운드 전극층(13)과, 그라운드 전극층(13)상에 위치하여 플라즈마 발생을 위한 유전체층(13) 및 파워 전극층(15)을 구비하는 플라즈마 발생 모듈을 포함한다.
여기서, 벌크층(12)은 열 발생기(11)에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈에 전달하는 것으로, 본 발명의 일 실시 예에서는 열전도율이 높은 금속을 사용하는데, 바람직하게는 알루미늄을 사용한다.
그리고 벌크층(12)을 제조하기 위한 금속 물질은 알루미늄으로 한정되는 것이 아니고 다른 금속 물질이 사용될 수 있음은 당연하다.
또한, 도면에 도시하지 않았지만, 플라즈마 발생 제어 및 저주파 플라즈마 장치 온도에 따라 방출되는 오존량 조절 가능하도록 제어하고, 특정 가스 온도 설정을 통해서 오존량, 활성종 량을 조절하기 위한 제어 수단을 더 구비한다.
이와 같은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치는, 열 발생기(Hot plat), 그라운드 전극(Ground Electrode), 대면적 저주파 플라즈마 장치로 구성되고, 열 발생기(Hot plat)에서 발생된 열이 알루미늄 벌크(Aluminum bulk) 및 그라운드 전극(Ground Electrode)을 통해서 저주파 플라즈마 장치에 잘 전달될 수 있도록 설계된다.
본 발명에 따른 대면적 저주파 플라즈마 장치는 절연체(Dielectric)와 대면적 전극(Electrode)로 구성되고, 저주파 플라즈마 장치 온도에 따라 방출되는 오존량 조절 가능하고, 특정 가스 온도 설정을 통해서 오존량, 활성종 량을 조절 가능하도록 한 것이다.
본 발명에 따른 일 실시 예에서는 구리 재질로 구성되어 외부 전압(22kHz,5kV)을 인가하는 파워 전극층을 가로 세로 크기를 25.5mm * 25.5mm로 하고, 전극 라인의 폭은 2mm, 전극 라인간의 간격은 0.5mm로 제작하여 오존량 제어를 시뮬레이션하여 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타내었다.
그라운드 전극층의 두께는 35㎛, 유전체층의 두께는 750㎛, 파워 전극층의 두께는 35㎛로 제작할 수 있는데, 이는 한정되는 것이 아니고 적용 분야에 따라 다르게 제작할 수 있음은 당연하다.
알루미늄 벌크는 열 발생기(Hot plat)에서 발생 된 열을 대면적 저주파 플라즈마 장치에 전달해주는 역할을 하고, 알루미늄 벌크에서 전달된 열은 저주파 플라즈마 장치와 주변 가스 온도를 높이게 되어 대면적 저주파 장치 주변에 발생되는 에어 플라즈마는 가스 온도에 영향을 받아 오존량이 제어되는 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치에서 온도가열에 의해 오존 발생량 제어는 다음과 같이 이루어진다.
도 4는 가스 온도에 따른 주요 활성종 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치의 오존 분해 특성을 나타낸 그래프이다.
열 발생기를 통하여 가열 온도를 높이면 오존 발생량이 감소 되는데, 가열 온도에 따른 오존발생 메커니즘을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
오존이 없어지는 반응 메커니즘은 크게,
(1) e + O3→ O + O2 + e // (e : 전자)
(2) O3 + O2(A) -> 2O2 + O // (O2(A) : 들뜬 상태의 O2) 의 두 가지로 나눌 수 있다.
가열 온도를 높이게 되면 (2)의 반응이 주로 일어나고, 플라즈마에서 발생된 O3가 외부 가열 온도를 높이게 되면 O2(A)를 만나 산소와 O 활성종으로 분해된다.
이 반응 메커니즘을 이용하여 오존 발생량을 감소시켜 오존 발생량을 조절할 수 있다.
특히, 가스 온도를 200℃(500K)로 올리게 되면 오존 기준치(0.05 ppm) 이하로 떨어뜨릴 수 있고, 오존 발생량은 떨어지는 반면 살균, 소독 등에 유용한 O, NO 활성종들의 양은 증가한다.
따라서, 가스온도를 높이면 오존을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 유용한 O, NO 활성종들은 더 많이 생성되어 생의학용으로 적용시에 유용성을 높인다.
도 4에서와 같이, 오존 발생량은 25℃(300K)일 때보다 200℃(500K)일 때 1/3 크기로 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
마찬가지로, O 그리고 NO 활성종들은 가스 온도가 높아짐에 따라 더 많이 생성되는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 5에서와 같이, 오존 분해에 주된 반응은 R18, R62의 반응 메커니즘으로 진행되고, 오존 분해는 O 활성종을 생성시키고, 오존 분해로 발생된 O 활성종들이 NO 활성종들을 만드는 것을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 에어 가스 온도 제어를 통해 오존 사용 허용 기준치 이하로 저주파 에어 플라즈마 장치를 사용할 수 있게 한다.
그리고 저주파에 뿐만 아니라 RF(~100 MHz)나 마이크로웨이브 (~GHz) 대역에서도 가스 온도 조절을 통한 오존량을 제어할 수 있으며 생의학용에 필요한 다른 활성종들을 보다 효과적으로 만들어 낼 수 있다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11. 열 발생기 12. 벌크층
13. 그라운드 전극층 14. 유전체층
15. 파워 전극층

Claims (4)

  1. 차례로 적층된 벌크층 및 그라운드 전극층의 하부에 구성되어 에어 가스 온도 조절을 통해 플라즈마에서 발생되는 오존의 양을 제어하기 위한 열 발생기;
    상기 열 발생기에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈로 전달하기 위하여 열 발생기의 상면에 부착되는 벌크층 및 벌크층 상에 증착되는 그라운드 전극층;
    상기 그라운드 전극층상에 차례로 증착되어 적층 형태를 갖는 유전체층 및 파워 전극층을 구비하고 플라즈마를 발생하는 플라즈마 발생 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 벌크층은,
    열 발생기에서 발생된 열을 플라즈마 발생 모듈에 전달하기 위하여 알루미늄으로 제작되는 것을 특징으로 하는 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 플라즈마 발생 제어 및 방출되는 오존량 조절 가능하도록 제어하고, 특정 가스 온도 설정을 통해서 오존량, 활성종 량을 조절하기 위한 제어 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 열 발생기에 의해 발생 된 열이 플라즈마 발생 모듈 주위의 가스 온도를 높여,
    (1) e + O3→ O + O2 + e // (e : 전자)
    (2) O3 + O2(A) -> 2O2 + O // (O2(A) : 들뜬 상태의 O2) 의 반응이 일어나 오존량, 활성종 량을 조절하는 것을 특징으로 하는 생의학용 저주파 에어 플라즈마 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20080004452A (ko) * 2005-01-18 2008-01-09 엠에스큐 엘티디. 플라즈마 가스 방전으로 생물조직을 치료하는 시스템 및방법
JP2014505553A (ja) 2012-01-09 2014-03-06 ムー・メディカル・デバイスズ・エルエルシー プラズマ補助皮膚処置
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