KR101572767B1 - 마이크로플라즈마 제트 장치，어레이 및 의료 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다양한 재료의 마이크로플라즈마 제트 장치 및 어레이와, 저온 마이크로플라즈마 제트 장치 및 어레이에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예는 세장형 마이크로캐비티를 갖춘 모놀리식 폴리머 블록 내에 형성된 단일 마이크로플라즈마 제트 장치 및 장치의 어레이를 포함한다. 어레이는 밀집되게 패킹되는데, 예컨대 수 평방 센티미터의 영역에 100개의 제트를 가질 수 있다. 추가적인 실시예는 금속 산화물 자체 내에 형성된 마이크로노즐을 갖는 금속/금속 산화물 마이크로플라즈마 제트 장치를 포함한다. 또한, 본 발명은 마이크로플라즈마 제트 장치의 제조 방법을 제공하는데, 본 발명의 제조 방법은 전극을 절연시키는 재료와 일체형인 맞춤형 마이크로노즐 윤곽을 제조할 수 있는 것으로 입증되었다.
Description
정부의 이해관계 진술서
본 발명은 미국 공군과학연구소에 의해 수여된 계약서 제FA9550-07-1-0003호하에서 정부의 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 어느 정도의 권한을 갖는다.
우선권 주장 및 관련 출원에 대한 상호 참조
본 발명은 2011년 6월 24일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/501,053호의 우선권을 35 U.S.C. §119하에서 주장한다.
기술분야
본 발명은 마이크로플라즈마 장치 및 어레어, 특히 마이크로캐비티 플라즈마 장치에 기초하지만 플라즈마 출력 제트를 생성하도록 구성되는 장치 및 어레이에 관한 것이다. 바람직한 장치는 저온 플라즈마를 생성하며, 바람직한 어레이는 복수의 플라즈마 출력 제트를 생성하도록 구성된다. 본 발명의 바람직한 어플리케이션은 인체 조직(피부, 근육 등)의 치료 및 표피의 플라즈마 처리를 위해 구성된 어레이와 같은 의학적 치료 장치를 포함한다.
마이크로캐비티 플라즈마 장치 및 어레이가 개발되어 왔으며, 본 발명의 발명자를 포함하는 일리노이 주립대의 연구원에 의해 발전되어 왔다. 장치 및 어레이는 세라믹과 반도체와 같은 다양한 재료로 제조되어 왔다. 또한, 어레이 또는 마이크로캐비티 장치는 얇은 금속 및 금속 산화물 시트로 제조되어 왔다. 유리하게는, 마이크로캐비티 플라즈마 장치는 미세한 직경을 갖는 캐비티 내에 플라즈마를 한정하며, 어떤 밸러스트, 리플렉터 또는 중금속 하우징을 필요로 하지 않는다. 이런 장치 내의 마이크로캐비티는 다양한 단면 형상을 가질 수 있지만, 통상 약 5 ㎛ 내지 500 ㎛의 범위의 특성 직경을 갖는 캐비티 내에 플라즈마를 한정한다.
도 1은 종래 기술의 단일 플라즈마 제트 장치의 개략도이다. 가스 공급원(10)은 노즐 출구(14)를 포함하는 튜브(12)를 통과하는 가스 유동을 제공한다. 전원(16)은 튜브(12) 내에서의 플라즈마 생성을 촉진시키는 전극(18, 20)에 전력을 공급하며, 플라즈마 제트(22)가 노즐 출구(14)에서 방출된다. 튜브는 통상 원통형이며, 수 밀리미터의 전형적인 직경을 갖는다. 이런 종래 기술 장치의 전극은 통상 튜브 외부에 존재한다. 튜브 직경으로 인해 몇 kV가 플라즈마 제트를 생성하는데 필요하며, 튜브 구조체는 무겁기 때문에 그리고 심지어 몇몇 튜브의 총체는 부피가 크기 때문에 튜브 구조체는 번들링이 용이하지 않다.
이런 종래의 플라즈마 제트 기술은 많은 한계점이 있었다. 첫째, 단일 제트에 대해선 대형이었던 통상 밀리미터(mm) 정도의 직경을 갖는 배관이 통상 사용된다. 이런 직경의 배관 내에 제트를 생성하기 위해선 매우 높은 전압(수 kV)과 높은 가스 유동(통상, 분당 수 표준 리터(SLM))이 필요하다. 다른 어려운 점은 가능한 한 큰 영역을 덮은 플라즈마 소스를 제조하길 원하는 경우에 야기된다. 각각의 튜브 자체가 부피가 크고 무거운 수많은 튜브를 함께 "번들링"하는 것이 어려우며, 많은 어플리케이션에 있어서 적절하지 못하다. 이런 이유로, 종래에 개발된 전형적인 복수의 제트 조립체는 실용적이지 않다.
버튼(Burton) 등의 "마이크로캐비티 방전 스러스터의 초기 개발"(31회 국제 전기 추진 학회, 미국 미시간 대학교, 2009년 9월 20일 내지 24일) 및 샤데네데스(Chadenedes) 등의 "마이크로캐비티 방전 스러스터 기술의 개발"(미국 항공 우주 공학 협회, 2010년)에는 Al/Al2O3의 2개의 얇은 포일 층에 형성된 마이크로제트 장치가 개시되어 있다. 이런 층은 단면이 선형에서 포물선형으로 변화되는 그릇 형상의 노즐을 형성한다. 샤데네데스 등의 문헌의 도 1에는 2개의 금속/금속 산화물 전극으로 형성된 마이크로제트 장치가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 전극은 정렬된 원통형 표면을 형성하며(표면은 동일한 높이이며), 도 1에 도시된 마이크로노즐은 금속/금속 산화물 전극으로부터 분리된 개별 구조체이다. 이런 개별 노즐을 제조하기 위한 기술이 개시되어 있지 않아, 이런 노즐에 대한 신뢰성과 제조가능성이 명확하지 않다. 버튼 등의 문헌의 도 2에는 금속 및 금속 산화물 전극 내에 형성된 "벨 형상의" 노즐 마이크로제트 장치가 도시되어 있다. 마이크로노즐의 제조 방법은 금속 및 금속 산화물 포일이 결합된 후에 화학적 에칭하는 것으로 기술되어 있다. 버튼 등의 문헌은 시뮬레이션에 관한 것으로서, 우주선용 스러스터를 제조하기 위한 "개념 입증" 노력이다. 버튼 등의 문헌의 도 6에서는, 질화붕소 슈라우드가 노즐에 사용되었으며, 더 작은 원통형 마이크로캐비티를 갖는 더 작은 마이크로캐비티의 크기를 갑작스럽게 변화시키는 2개의 전극과 함께 폴리이미드 코팅이 사용되었다. 버튼 등의 문헌의 도 7에는 그릇/벨 형상의 노즐이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 "초음속 노즐"은 전극 중 어느 하나와도 일체형이 아닌 것으로 도시되어 있다. 버튼 등의 문헌에 따라 추력을 제공하기 위한 적당한 효율이 문헌의 7쪽에 보고되어 있는데, 버튼 등의 문헌은 "성능이 특성화된 마이크로노즐에 대한 커플링"에 의해 그리고 스러스터의 효율이 제조 공정에 대한 개선과 함께 추가로 증가되는 것"에 의해 달성될 수도 있는 개선안을 제안하고 있다. 바람직한 것으로서 도 7에 도시되어 있는 최적의 윤곽부와 노즐을 커플링시키기 위한 어떤 해결책도 버튼 등의 문헌에는 제안되어 있지 않다.
본 발명의 목적은 종래의 플라즈마 제트 장치의 문제점을 해결할 수 있는 개선된 마이크로플라즈마 제트 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 다양한 재료의 마이크로플라즈마 제트 장치 및 어레이와, 저온 마이크로플라즈마 제트 장치 및 어레이를 포함한다. 본 발명은 세장형 마이크로캐비티를 갖춘 모놀리식 폴리머 블록 내에 형성된 장치의 어레이 및 단일의 마이크로플라즈마 제트 장치의 바람직한 실시예를 포함한다. 어레이는 조밀하게 패킹되는데, 예컨대 수 평방 센티미터의 영역에 100개의 제트를 가질 수 있다. 추가적인 실시예는 금속 산화물 자체 내에 형성된 마이크로노즐을 갖는 금속/금속 산화물 마이크로플라즈마 제트 장치를 포함한다. 또한, 본 발명은 마이크로플라즈마 제트 장치의 제조 방법을 제공하는데, 본 발명의 제조 방법은 전극을 절연시키는 재료와 일체형인 맞춤형 마이크로노즐 윤곽을 제조할 수 있는 것으로 입증되었다.
도 1은 (종래 기술의)마이크로플라즈마 제트를 도시하는 개략도이다.
도 2a와 도 2b 및 도 2c와 도 2d는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 바람직한 실시예를 도시하는 도면들이다.
도 2e 내지 도 2j는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 추가적인 바람직한 실시예의 도면들이다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (g) 및 도 4는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 어레이와 같은 마이크로플라즈마 제트 어레이를 제조하기 위한 바람직한 제조 공정을 도시한다.
도 5의 (a) 내지 도 5의 (g)는 고체 블록의 폴리머인 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이를 제조하기 위한 방법의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도 6은 모놀리식 폴리머로 제조되고 ∼4.6 SLM의 He 유량으로 작동되는 마이크로플라즈마 제트의 5×2 어레이의 사진이다.
도 7a 내지 도 7e는 알루미늄/알루미늄 산화물 마이크로플라즈마 제트 어레이로 시험된 일반적인 범위의 몇몇 플라즈마 노즐 기하학적 구조 및 예시적인 치수를 도시한다.
도 8의 (a) 내지 도 8의 (g)는 도 7a 내지 도 7e에 도시된 어레이와 같은 마이크로플라즈마 제트 어레이를 제조하기 위한 바람직한 제조 공정을 도시한다.
도 9는 도 7a에 도시된 구성을 갖는 제트의 5×5 어레이를 위한 전압-전류(V 및 I) 파형을 도시한다.
도 10은 약 225 ㎛ 내지 420 ㎛의 범위인 d2의 다양한 값(도 7e 참조)을 갖는 단일 Al/Al2O3 마이크로노즐을 위한 V-I 특성을 도시한다.
도 11은 상이한 가스 유량에서 (도 7a에 따라 구성된 d2 = 300 ㎛이고 d1 = 800 ㎛인)단일 Al/Al2O3 마이크로노즐에 의해 생성된 플라즈마 기둥의 일련의 사진들이다.
도 12는 Al/Al2O3 마이크로노즐의 어레이를 시험하기 위해 사용된 장치를 도시하는 개략도이다.
도 13은 제조되어 시험된 마이크로플라즈마 제트의 소형 조밀 어레이를 위한 구성, 치수 및 제조 조건을 도시한다.
도 14는 1/4" 직경 크기의 유리관(좌측)에 밀봉된 도 13의 완성된 어레이와, 가스로 작동되고 그리고 마이크로플라즈마 제트를 실내 공기 중으로 연장시킨 전체 어레이의 도면들이다.
도 15 및 도 16은 상이한 전계 프로파일이 본 발명의 바람직한 마이크로플라즈마 제트 어레이 및 장치에 대해 미리 결정될 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 추가적인 바람직한 실시예의 도면들이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 추가적인 바람직한 실시예의 단면도이다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 가요성 마이크로플라즈마 제트 장치에 기초하여 제조될 수 있는 몇몇 상이한 형상의 장치들을 도시한다.
도 2a와 도 2b 및 도 2c와 도 2d는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 바람직한 실시예를 도시하는 도면들이다.
도 2e 내지 도 2j는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 추가적인 바람직한 실시예의 도면들이다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (g) 및 도 4는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 어레이와 같은 마이크로플라즈마 제트 어레이를 제조하기 위한 바람직한 제조 공정을 도시한다.
도 5의 (a) 내지 도 5의 (g)는 고체 블록의 폴리머인 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이를 제조하기 위한 방법의 다른 바람직한 실시예를 도시한다.
도 6은 모놀리식 폴리머로 제조되고 ∼4.6 SLM의 He 유량으로 작동되는 마이크로플라즈마 제트의 5×2 어레이의 사진이다.
도 7a 내지 도 7e는 알루미늄/알루미늄 산화물 마이크로플라즈마 제트 어레이로 시험된 일반적인 범위의 몇몇 플라즈마 노즐 기하학적 구조 및 예시적인 치수를 도시한다.
도 8의 (a) 내지 도 8의 (g)는 도 7a 내지 도 7e에 도시된 어레이와 같은 마이크로플라즈마 제트 어레이를 제조하기 위한 바람직한 제조 공정을 도시한다.
도 9는 도 7a에 도시된 구성을 갖는 제트의 5×5 어레이를 위한 전압-전류(V 및 I) 파형을 도시한다.
도 10은 약 225 ㎛ 내지 420 ㎛의 범위인 d2의 다양한 값(도 7e 참조)을 갖는 단일 Al/Al2O3 마이크로노즐을 위한 V-I 특성을 도시한다.
도 11은 상이한 가스 유량에서 (도 7a에 따라 구성된 d2 = 300 ㎛이고 d1 = 800 ㎛인)단일 Al/Al2O3 마이크로노즐에 의해 생성된 플라즈마 기둥의 일련의 사진들이다.
도 12는 Al/Al2O3 마이크로노즐의 어레이를 시험하기 위해 사용된 장치를 도시하는 개략도이다.
도 13은 제조되어 시험된 마이크로플라즈마 제트의 소형 조밀 어레이를 위한 구성, 치수 및 제조 조건을 도시한다.
도 14는 1/4" 직경 크기의 유리관(좌측)에 밀봉된 도 13의 완성된 어레이와, 가스로 작동되고 그리고 마이크로플라즈마 제트를 실내 공기 중으로 연장시킨 전체 어레이의 도면들이다.
도 15 및 도 16은 상이한 전계 프로파일이 본 발명의 바람직한 마이크로플라즈마 제트 어레이 및 장치에 대해 미리 결정될 수 있음을 보여주는 도면이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 추가적인 바람직한 실시예의 도면들이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 추가적인 바람직한 실시예의 단면도이다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 가요성 마이크로플라즈마 제트 장치에 기초하여 제조될 수 있는 몇몇 상이한 형상의 장치들을 도시한다.
본 발명은 하나의 저온 마이크로플라즈마 제트 장치 또는 저온 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이를 제공한다. 저온 플라즈마는 마이크로캐비티로부터의 출구를 제공하는 마이크로노즐로부터의 제트로 방출된다. 저온 플라즈마 제트는 인간 또는 동물 조직을 치료하는데 적절하다. 다른 어플리케이션은 온도 민감성 표면 상의 박막을 소독하거나 제조하는 것을 포함한다. 장치의 바람직한 실시예는 금속 및 금속 산화물, 또는 폴리머로 형성된다. 폴리머에 있어서는, 세장형 마이크로캐비티가 제어식 플라즈마 제트를 생성하기 위한 필요 조건의 일부를 제공하며, 금속 및 금속 산화물 실시예에서는 원활한 윤곽의 마이크로노즐이 마이크로플라즈마 제트 장치 또는 장치들을 구동하는 전극을 캡슐화하는 금속의 일체형 부분으로서 형성된다. 성형된 마이크로캐비티는 마이크로캐비티를 통해 안내된 유동 가스 스트림으로부터 마이크로플라즈마의 시준된 방출을 위한 일체형 노즐 출구를 제공하지만, 전극은 플라즈마 생성을 촉진 및 유지시킨다. 가스 공급부는 플라즈마 장치의 마이크로캐비티를 통해 하나 이상의 공급원료 가스 또는 증기의 유동을 제공하며, 실내 공기 중에서 사실상 마이크로노즐 외부로 수 센티미터 이하의 거리 만큼 연장되는 마이크로플라즈마 제트가 생성된다.
노즐은 플라즈마 방출물이 온도와 속도에 대해 특정한 성질을 가질 수 있게 하는 정밀 제어식 표면을 갖도록 본 발명의 방법에 의해 제조될 수 있다. 전원은 전극에 전력을 제공한다. 가요성 어레이는, 예컨대 조직 영역을 균일하게 치료하기 위해 슬리브 및 칼라로 성형될 수 있는, 의료 장치를 위한 베이스를 형성하는데 사용될 수 있다. 예컨대 외부 부분으로부터 마이크로플라즈마 제트를 발산하는 튜브(원통) 및 볼을 포함하는 다른 성형부가 형성될 수 있다. 또한, 바람직한 제조 방법에 있어서 캐비티 형상의 제어와 복수의 어레이 층의 사용은 수렴형 또는 발산형 패턴과 같은 패턴으로 발산되는 어레이의 형성을 가능케 한다. 어레이는 매우 다양한 소정의 경로를 따라 마이크로플라즈마 제트를 배출하도록 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 모놀리식 폴리머 블록으로 형성되는 마이크로플라즈마 제트 어레이를 제공한다. 전극은 모놀리식 폴리머 블록 내에 캡슐화되며 폴리머는 바람직하게는 인체 피부와의 접촉에 적절하도록 선택되는데, 이는 마이크로플라즈마 제트 어레이가 인체 조직의 치료에 사용될 수 있게 한다. 의료 어플리케이션은 수술 기간을 포함하여 조직 및 상처의 소독과, 상처 및 조직 치유의 촉진을 포함한다. 또한, 어레이는 폴리머 필름의 경화 및 온도 민감성 표면 상의 박막의 적층을 포함하여 다양한 무생물 재료의 표면 처리를 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 배경기술에 기술된 종래의 장치에 의해 고려되거나 제공되지 않은 중요 어플리케이션을 위한 실용적인 어레이를 제공한다. 본 발명의 마이크로플라즈마 제트는, 플라즈마가 내부에서 생성되며 저온 플라즈마를 제공할 수 있는, 마이크로캐비티의 외부로 플라즈마를 적절히 배출하는 마이크로캐비티 플라즈마 장치로부터 실현된다. 예컨대, 플라즈마는 캐비티로부터 적절히 제거된 표면으로 전달될 수도 있다. 몇몇 어플리케이션은 본 발명의 장치 및 어레이에 의해 제공될 수 있는 원격 처리로부터 이익을 취할 수도 있는데, 플라즈마는 추출되어 가스 및 액체 환경을 포함하는 주위 환경으로 배출된다. 임의의 의료 및 표면 처리 어플리케이션이 이런 효율적인 마이크로플라즈마 제트 장치로부터 이익을 취할 수 있다. 의료 및 표면 처리 어플리케이션은 표면에 바람직한 영향을 미치기 위해 마이크로플라즈마 제트의 성분, 즉 이온, 전자, 라디칼 및 광자를 이용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 도면들을 참조하여 이제 기술될 것이다. 도면들은 배경기술 및 후속하는 상세한 설명의 일반적인 지식의 측면에서 당업자들이 이해할 수 있는 개략도를 포함한다. 구성요소들은 강조를 위해 도면들 내에서 과장될 수도 있으며, 일정한 비율로 도시되지 않을 수도 있다. 당업자들은 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 본 발명의 더 넓은 양태들을 이해할 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 폴리머에 의해 캡슐화되는 전극(32)을 캡슐화하는 폴리머(30) 내에 형성되는 본 발명의 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이의 바람직한 실시예을 도시한다. 또한, 폴리머(30)는 세장형 마이크로캐비티(36)를 형성한다. 본 발명에 있어서, 캡슐화된 전극을 갖춘 세장형 마이크로캐비티(36)는 도 1에 도시된 종래 기술의 장치의 튜브(12) 및 전극(18, 20)의 일반적인 기능을 수행한다. 세장형 마이크로캐비티(36)는 플라즈마의 안정된 유동을 생성하고 그리고 적절히 형성된 마이크로제트를 생성하기 위해 적어도 10:1의 길이 대 직경을 가져야 한다. 또한, 플라즈마 매체 및 유동 조건도 마이크로제트의 길이 및 품질에 영향을 미친다. 플라즈마 매체 공급 튜브(38)가 플라즈마 매체의 유동을 세장형 마이크로캐비티(36)에 제공한다. 플라즈마 매체는 가스 또는 증기 또는 가스와 증기의 혼합물일 수 있다. 적절한 플라즈마 매체는 불활성 가스, 및 N2, O2, 공기 및 H2와의 혼합물을 포함한다. 공급을 위한 유량은 예컨대 3×3 어레이에 대해 0.1 내지 수십의 분당 리터일 수 있다. 유량은 더 큰 어레이에 대해 선형적으로 비례한다는 것을 현재의 시험으로부터 알 수 있다. 전원(40)은 공급 튜브(38)에 대향하는 마이크로캐비티의 출구에서 마이크로노즐로부터 상당한 거리에 걸쳐 방출되는 플라즈마를 여기시키기 위해 시변 전압을 제공한다.
전극(32)은 예컨대 포일, 로드, 와이어 및 적층된 금속 층일 수 있다. 폴리머(30)는 열 경화성 또는 UV 경화성 폴리머로 형성된다. 마이크로캐비티(26)의 직경은 1 ㎛ 내지 약 5 mm일 수 있으며, 세장형 마이크로캐비티(36)는 폴리머 내에서 매우 길 수 있으며 실용적인 측면에서 마이크로캐비티(36)의 직경에 비해 무제한적일 수 있다. 전극(32)은 세장형 마이크로캐비티(36)로부터 그리고 마이크로캐비티 내부에 생성된 플라즈마로부터 분리되도록 폴리머 블록(30) 내부에 매설되어 폴리머 블록(30)에 의해 캡슐화되며, 시변 전압 V를 전달하는 전원(40)에 연결된다.
도 2a/2b와 도 2c/2d에 도시된 어레이 양자 모두는 모놀리식 폴리머(30) "블록"으로 형성되는 (이 예에선 단면이 대체로 원형인)복수의 세장형 마이크로캐비티(36)를 포함한다. 또한, 마이크로캐비티는 다른 단면, 예컨대 직사각형인 단면을 가질 수 있다. 폴리머(30)는 바람직하게는 신체 피부와의 접촉을 위해 FDA에 의해 승인된 가요성의 투명한 실록산인데, 이는 신체 피부의 치료와 관련된 본 발명의 어플리케이션에 있어서 중요한 점이다.
본 발명의 장치 또는 어레이에 따라, 마이크로캐비티(36)의 단부에 있는 마이크로노즐 출구 및 마이크로캐비티(36)의 형상과, 가스 공급부(38)에 의해 공급된 가스는 바람직하게는, 마이크로캐비티(36)로부터 발산된 플라즈마 제트가 (네온 및 아르곤과 같은 희가스에 의해 달성되는, 바람직하게는 500 K 미만, 가장 바람직하게는 실내 온도 이상이며 < 100 ℃인)저온이라서, 예컨대 신체 조직과의 접촉에 적절하다는 것을 보장하도록 선택된다. 또한, 마이크로노즐 출구(14)의 형상은 바람직하게는 각각의 장치의 가스 유동을 시준함으로써 수렴형 제트를 제공한다. 또한, 어레이인 장치는 복수의 장치로부터의 플라즈마 방출물이 수렴하거나, 확산하거나 또는 평행하게 유지되도록 구성될 수 있다.
바람직한 실시예에서 가스 공급부(38)에 의해 전달된 공급원료 가스는 희가스(He, Ne, Ar, Kr 및 Xe) 및 N2를 포함하는 다양한 원자 및 분자 가스 중 하나 이상의 가스일 수 있다. 세장형 마이크로캐비티(36) 내에서의 플라즈마의 발생은 전자와 이온뿐만 아니라, 10 eV 내지 20 eV 이하의 내부 에너지를 가질 수 있는 여기된 원자와 분자를 생성한다. 특히 희가스 원자의 준안정 상태와 같은 장수명 원자 또는 분자 상태가 에너지를 제2의 "억셉터(acceptor)" 종에 전달하는데 있어서 특히 효과적이다. B 상태의 N2 +를 생성하기 위한 준안정 상태에서의 He 원자에 의한 N2의 렌닝(Renning) 이온화가 중요한 예이다.
도 2a/2b에 도시된 어레이와 도 2c/2d에 도시된 어레이의 차이점은 전극 배열체와 관련되어 있다. 양 실시예에서, 세장형 마이크로캐비티(36)는 열로 배열되며, 열은 전극(32)과 교대로 배치된다. 전극(32)은 금속 포일, 와이어 그리드, 메시 또는 적층된 금속 층으로 형성될 수 있다. 본 발명의 제조 방법은 1 ㎛ 내지 5 mm의 범위의 직경을 갖는 세장형 마이크로캐비티가 제조될 수 있게 한다. 양 실시예에는 전극(32)이 각각의 열 사이에 배치된 상태인 세장형 마이크로캐비티의 5×5 어레이를 개시하고 있다.
도 2c 및 도 2d는 다른 전극 구성을 갖는 다른 실시예를 도시한다. 도 2c 및 도 2d에 도시된 어레이에 있어서, 전극(32)은 2개의 그룹으로 배열된다. 이런 배열체는 전압이 종방향으로, 즉 가스 유동 스트림에 평행하게 인가될 수 있게 한다. 도 2a 내지 도 2d에 도시된 상이한 전극 구성으로 인해, 전력이 상이한 방식으로 마이크로캐비티(36) 내의 플라즈마 매체에 커플링됨으로써, 내부에 생성된 마이크로플라즈마의 성질을 변경할 수 있다.
본 발명의 바람직한 마이크로플라즈마 제트 장치에서 생성된 플라즈마는 전자 온도가 가스 온도보다 상당히 더 높은 저온 플라즈마이다. 본 발명의 마이크로플라즈마 제트 장치의 마이크로캐비티 내의 플라즈마의 전자 온도는 장치의 출구로부터 방출된 플라즈마 스트림의 전자 온도보다 더 높다는 것을 실험에서 알 수 있다. 플라즈마 방출물 내에서, (준안정 원자 및 분자와 같은)에너지 종이 또한 제트와 함께 추진되며, (포괄적으로, 예컨대 가시 범위 및 단파장 자외선 범위 내의)방사선이 또한 생성된다. 플라즈마에 의해 발생될 수 있는 이런 종 및 자외선은 수많은(거의 모든) 박테리아 및 바이러스에 치명적이기 때문에, 수많은 소독 분야 연구원들의 관심 대상이다.
도 2e 내지 도 2j에 도시된 추가적인 실시예들은 5×5 마이크로플라즈마 제트 어레이를 도시하고 있다. 이 실시예들은 전극 구성만이 상이하다. 모든 전극은 상술된 바와 같이 폴리머 블록 내에 형성된다. 도 2f에 도시된 어레이는 동일한 수직 평면 내의 전극들(32)이 전기적으로 연결된다는 점에서 도 2c의 실시예와 유사한 전극 구성을 갖는데, 도 2f는 수직 평면 내의 4세트의 전극(32)을 도시하고 있다. 도 2f에서, 3세트의 전극 행들은 그룹으로서 전기적으로 연결되며, 시변 전압이 유동 튜브(세장형 마이크로캐비티(36))에 근접한 4번째 세트와 그룹 사이에 인가된다. 도 2g 및 도 2h에는 플리머 블록(30) 내에 캡슐화된 수평 전극 세트(32a) 및 수직 전극 세트(32b)가 도시되어 있다. 도 2i 및 도 2j에서는, 수평 배향된 전극(32)의 3개의 행들이 전기적으로 연결되어 있으며, 링 전극(32c)이 원통형 마이크로캐비티(36)의 "상류에" 설치된다. 또한, 하나의 유동 튜브(38)만이 플라즈마 채널의 전체 어레이에 가스를 전달하는데 필요하다. 유동 튜브(38)는 가요성일 수 있기 때문에, 전체 조립체는 경량이며 예컨대 외과 의사 또는 기술자에 의해 파지될 수 있다. 의료 장치를 위해, 어레이는 완드의 일부분이거나, 환자의 피부를 치료하는 전문 의료진과 같은 사용자가 잡아서 조작하도록 달리 구성될 수 있다.
도 3의 (a) 내지 도 3의 (g) 및 도 4는 도 2a 내지 도 2j에 도시된 어레이와 같은 마이크로플라즈마 제트 어레이를 제조하기 위한 바람직한 제조 공정을 도시한다. 도 4는 도 3의 (b)에 대해 대안적인 단계를 도시한다. 도 3의 (b)의 단계가 이용되는 경우에는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 유사한 어레이가 제조된다. 도 4의 대안적인 단계가 도 3의 (b)의 단계 대신 이용되는 경우에는, 도 2c 및 도 2d에 도시된 것과 유사한 어레이가 제조된다. 그 외의 공정에서의 주요 단계들은 동일하기 때문에, 공정 흐름은 공동으로 기술될 것이다.
제1 단계(도 3의 (a) 참조)는 몰드의 구성 및 구조를 포함하는데, 즉 폴리머 블록 내에 세장형 마이크로캐비티를 형성하는 기능을 하게 될 마이크로 규모의 니들, 로드 또는 유사한 구조체와 같은 세장형 마이크로캐비티 형성 핀의 어레이의 설치를 포함한다. 핀의 외경은 형성될 세장형 마이크로캐비티의 소정의 직경이어야 한다. 핀은 다양한 단면, 예컨대 다이아몬드형, 타원형 및 원형을 갖는 세장형 마이크로캐비티를 제조하기 위해 다양한 형상을 가질 수 있다. 몰드는 핀을 유지하는 임의의 편리한 재료로 제조될 수 있다. 일례로서 LEGO® 완구 블록이 몰드로 사용되는데 적절하다는 것을 실험으로부터 알 수 있었다.
또한, 도 3의 (a)에 도시된 몰드는 복수의 슬롯을 포함하는 측부 견부를 포함한다. 슬롯은 어레이의 열들 사이에서 오프셋되어 있다. 도 4a의 상면도는 몰드의 양 측부 상의 슬롯을 도시하고 있으며, 도 3의 (b) 및 도 4는 슬롯이 평면 전극과 같은 전극을 유지하고 있음을 도시하고 있다. 도 4에서, 복수의 전극은 슬롯 내에 유지되며, 서로 수직으로 분리되어 있다. 이런 구성은 견부에 의해 다양한 방식으로 달성될 수 있는데, 예컨대 제1 세그먼트가 상부에 슬롯을 갖고, 전극이 배치되고, 더 많은 슬롯을 갖는 추가적인 견부가 추가되고, 전극이 배치되는 것 등과 같이 견부를 세그먼트로 구성하는 것에 의해 달성될 수 있다. 크로스 핀 및 다른 표준 기술과 같은 다른 선택 사항들이 복수 레벨의 전극을 슬롯 내에 수직으로 지지할 수 있다. 물론, 이런 구조체의 조립은 자동화될 수 있다.
도 3의 (c)에서, 몰드는 임의의 체적의 열 경화성 폴리머를 포함할 수 있는 용기 내에 배치된다. 도 3의 (d)에서, 용기의 체적은 부분적으로 또는 전체적으로 열 경화성 폴리머로 충전된다. 도 3의 (e)에서, 기포를 제거한 후에, 폴리머는 특정한 폴리머에 따라 적절한 온도에서 그리고 적절한 기간 동안 열적으로 경화된다. 지금까지 사용된 실록산 폴리머에 대한 실험에서는, 80 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서의 약 1시간 이하의 경화 시간이 적절한 것으로 입증되었다. 초기 경화 후에, 고화된 블록이 인클로저로부터 제거되고(또는 다르게는 인클로저가 해체되고), 전극 지지 구조체/몰드 기부가 제거되며, 전체 장치가 80 ℃ 내지 100 ℃에서 제2의 시간 동안 경화된다. 후속하여, 채널 형성 로드(또는 핀)가 제거되고, 폴리머 블록이 소정의 크기로 트리밍된다. 폴리머가 적절히 경화된 경우, 채널 형성 로드의 제거는 간단하며, 형성된 마이크로캐비티의 벽은 어떤 피트나 결함도 없는 원활한 형태이다.
도 5의 (a) 내지 도 5의 (g)는 폴리머의 고체 블록 내에 마이크로플라즈마 제트 장치의 어레이를 제조하기 위한 다른 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 도 5의 (a)에선 마이크로캐비티 패턴을 형성하기 위한 마더 스탬프(50)(좌측의 상면도 및 우측의 단면도에 도시된 패터닝된 실리콘 웨이퍼)가 예컨대 실리콘 웨이퍼 또는 폴리머 재료로 형성되며, 도 5의 (b)에선 전극 패턴을 위한 다른 스탬프(52)가 형성된다. 스탬프(50)는 마이크로캐비티의 네거티브 패턴이다. 따라서, 도 5의 (c)에서 마더 스탬프는 전극 층이 접합될 때까지 개방된 상태로 있는 세장형 마이크로캐비티의 소정의 패턴을 PDMS와 같은 폴리머 내에 형성한다. 도 5의 (d)에서, 스탬프는 제거되었으며, 플리머가 열적으로 경화된다. 도 5의 (e)에서, 전극이 완성된다. 도 5의 (f)에서 전극과 마이크로캐비티 블록을 접합시킴으로써 장치가 조립되며, 복수의 층인 경우 공정은 반복될 수 있다. 추가적인 경화 공정으로 인해 개별 층들이 도 5에 도시된 일체형의 모놀리식 폴리머 블록으로 접합된다.
폴리머 내의 형성된 실험적 장치는 저온 마이크로플라즈마 제트를 생성하였다. 도 6은 ∼4.6 SLM의 He 유량으로 작동된 마이크로플라즈마 제트의 5×2 어레이의 사진이다. 제트의 직경은 대략 300 ㎛이다. 마이크로플라즈마 제트 각각은 실내 공기 중으로 수 mm 연장되며, 제트의 서로에 대한 상호작용은 관측될 수 없었다. 당업자들은 이러한 본 발명의 어레이가 세기와 길이가 균일한 마이크로플라즈마 제트를 생성한다는 중요한 사실을 알게 될 것이다.
또한, 본 발명의 장치, 바람직하게는 저온 마이크로플라즈마 제트 장치는 금속 및 금속 산화물 내에 형성될 수 있다. 본 발명에 의해 제공되는 마이크로캐비티 및 노즐 형상의 정확한 제어에 의해, 전계 분포, 플라즈마 분포, 제트 형상 및 온도 분포는, 포괄적으로 저온 플라즈마를 구성하는 임의 온도의 마이크로제트를 달성하는 특정 목적을 충족시키도록 구성될 수 있다. 마이크로노즐 및 마이크로캐비티의 정확한 형상은, 마이크로캐비티가 금속 산화물 내에 캡슐화된 금속 전극 및 그런 금속 산화물에 의해 경계가 형성되도록, 알루미늄/알루미늄 산화물(Al2O3) 전극 또는 티타늄/티타늄 이산화물(TiO2) 전극과 같은 전기화학 및 마이크로 기계가공 기술에 의해 달성될 수 있다. 본 발명에 따르면, 마이크로캐비티 벽과 마이크로노즐은 주요 목적으로서 마이크로캐비티 외부로 연장되는 마이크로플라즈마 제트 기둥의 특성을 제어하도록 성형된다.
도 7a 내지 도 7e는 알루미늄/알루미늄 산화물 마이크로플라즈마 제트 어레이로 시험된 노즐의 기하학적 구조(일정한 비율은 아님)를 도시한다. 도 7a 내지 도 7c는 이층 장치를 도시하며, 도 7d는 단층 장치를 도시한다. 각각의 경우, 전극은 시변 전압에 의해 전력이 공급되는데, 이런 시변 전압은 모든 도면에 도시되어 있지는 않다. 도 7a 내지 도 7c에서, 동일한 수직 위치에 있는 Al 전극(70)은 전원의 하나의 단자에 연결된 하나의 내장 전극을 포함하며, 알루미늄 산화물(Al2O3)(72) 내에 캡슐화된다. 금속/금속 산화물의 2개의 층 내에 성형된 마이크로캐비티(36)는 금속 산화물(72) 내에 마이크로노즐(74)을 형성하도록 정확하고 원활하게 윤곽이 형성된다. 2개의 층을 갖지만, 갑작스런 전이부는 없다. 도 7a에선, 이중의 대향하는 부분적으로 포물선형인 단면 형상부는 2개의 층이 조우하는 중간부에서 최소 직경을 갖지만, 도 7b 및 도 7c에선, 하나의 층은, 다른 층의 마이크로캐비티의 부분적으로 포물선형인 단면의 더 좋은 부분(도 7b 참조) 또는 더 넓은 부분(도 7c 참조)과 정렬되고 그리고 원활하게 전이되는, 원형 단면을 제공한다. 도 7d에서, 마이크로캐비티(36)의 양쪽에 있는 전극(70)은 표시된 바와 같이 서로 분리되어 있다. 마이크로캐비티는 부분적으로 포물선형인 원활한 단면 내부면이다. 따라서, 도 7d에선, 단일 층 및 금속/금속 산화물이 사용되며, 전압은 마이크로캐비티(36)의 대향하는 측부에 인가된다. 도 7a에 도시된 구성에 대한 몇몇 전형적인 치수는 도 7e에 도시된 범위 내에 있다. 도 7a 및 도 7c에 도시된 마이크로제트 어레이에 있어서, 플라즈마는 인접하는 마이크로캐비티(36)를 사용하여 형성된다. 마이크로캐비티(36)는 상이한 단면을 가질 수 있다. 마이크로캐비티(36) 중 적어도 하나는 노즐로부터 배출된 저온 마이크로플라즈마의 형상 및 특성을 제어하는 마이크로노즐로서 성형된다. 치수 범위는 도 7e에 표시된 바와 같이 제공되며, 바람직한 실시예에서 마이크로노즐은 약 250 ㎛ 내지 700 ㎛인 개구를 갖는다.
도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는 도 7a 내지 도 7e에 도시된 것들과 유사한 어레이를 금속 및 금속 산화물 내에 형성하기 위한 제조 공정을 도시한다. 실험에서 사용된 바람직한 금속 및 금속 산화물 시스템은 Al/Al2O3이다. 도 8의 (a)에선 금속 포일이 제공되며, 도 8의 (b)에선 포일의 양쪽에 나노 기공성 알루미나 층을 형성하기 위해 (옥살산과 같은)산에서 양극 산화 처리된다. 도 8의 (c)에선 예컨대 포토리소그래피에 의해 마스크가 형성되며, 마스크가 근접하게 또는 나노 기공성 알루미나 상에 배치된 다음, 마이크로캐비티가 형성된다. 마이크로캐비티를 형성하기 위한 선택 사항들은 전기화학적 에칭 및 레이저 드릴링을 포함한다. 다른 바람직한 기술에서, 본 발명의 발명자는, 에덴(Eden) 등이 2012년 6월 20일자로 출원한 "무결함 산화물을 갖는 금속 및 금속 산화물 마이크로플라즈마 장치의 어레이"라는 표제의 미국 특허출원 제13/527,842호에 개시된 바와 같은, 파우더 블라스팅의 용도를 최근에 입증하였다. 이런 기술에 의해, "타원형 마이크로캐비티 플라즈마 장치 및 파우더 블라스팅 형성"이라는 표제를 갖는 에덴 등의 미국 특허출원공개 제2010/0072893호에 개시된 바와 같은 유리, 폴리머 및 세라믹과 같은 재료에 미리 적용된 기술을 통해, 마이크로캐비티는 파우더 블라스팅에 의해 고품질의 산화물로 형성된다. 도 8의 (e)에서 마스크가 제거되며, 도 8의 (d)에서 제2의 양극 산화 처리 또는 제2의 유전체 층 코팅이 노출되어 있던 전극의 부분을 보호한다. 도 8의 (g)에선 소정의 기하학적 구조를 갖는 완성된 마이크로캐비티 제트 장치를 제공하기 위해, 동일한 또는 상이한 기하학적 구조와 치수를 갖도록 형성된 개별 층들의 결합에 의해 2개 이상의 성형된 마이크로캐비티 및 매설된 전극이 접합된다. 이는 층들을 정렬 및 본딩에 의해 수행된다.
도 7a에 도시된 구성을 갖는 제트의 5×5 어레이를 위한 전압-전류(V-I) 파형이 도 9에 도시되어 있다. 450 VRMS의 구동 전압을 위해, 전류는 전압이 영점 교차점을 통과할 때마다 ∼7 mA만큼 크기가 증가한다. 다른 d2 값(도 7e 참조)을 갖는 단일 Al/Al2O3 노즐에 대한 V-I 특성이 도 10에 도시되어 있다. 모든 측정값에 대해, 노즐을 통한 He 유동은 2.l SLM에서 유지되었으며, 출구 개구는 840±60 ㎛였다. 데이터가 양의 기울기를 갖고 선형적이라는 사실에 주목해야 한다. 따라서, 이런 장치들은 어떠한 외부 밸러스트(ballast)도 필요로 하지 않는다.
(도 7a에 따라 구성된 d2 = 300 ㎛이고 d1 = 800 ㎛인)단일 Al/Al2O3 노즐에 의해 생성된 플라즈마 기둥의 일련의 사진들이 도 11에 도시되어 있다. 이들 이미지는 유량이 0.94 SLM에서 2.7 SLM으로 단계적으로 상승했을 때 기록되었다. 가시적인 플라즈마 기둥의 최장 크기(대략 1 mm)는 ∼1.5 SLM의 He 유량에 대해 달성된다. 마이크로플라즈마 제트는 마이크로노즐의 스로트(d2를 갖는 도 7a 및 도 7e의 중심 구역)에서 가장 세다는 사실을 도 11로부터 명확하게 알 수 있다. 도 12는 Al/Al2O3 마이크로노즐의 어레이를 시험하는데 사용된 장치를 도시하는 개략도이다. 도 7a에 도시된 것과 유사한 장치의 어레이(80)가 유리에 연결되었으며, 유량계(82)가 He 가스 공급부(84)로부터의 유동을 제어하였다. 도 13은 마이크로플라즈마 제트의 대형 어레이를 위한 구성, 치수 및 제조 조건을 도시하고 있다.
도 13에 도시된 37개의 Al/Al2O3 노즐을 포함하는 어레이는 단지 10 mm(1 cm)의 직경을 갖는 원 내에 형성된다. 각각의 노즐의 스로트의 직경(d2)은 300 ㎛이며, 어레이에 대한 피치는 2.1 mm이다. 전체 어레이는 각각 16 mm × 20 mm의 직경을 갖는 2개의 Al 포일 시트 내에 제조된다. 노즐이 완성될 때, Al 전극은 단지 20 ㎛의 두께를 갖는다. 이런 어레이의 사진이 도 14에 도시되어 있다. 어레이를 가로지르는 플라즈마 기둥의 균일성을 명확하게 알 수 있다. 이런 어레이는 단일의 0.25 인치 직경의 유리관에 밀봉되었다.
이 기술은 종래의 상업적으로 개발된 모든 마이크로플라즈마 제트 어레이와 현저한 차이가 있다는 점이 강조되어야 한다. 모든 종래의 어레이는 무겁고 복잡한 패키지를 생산하도록 함께 번들링된 대형 튜브였었다. 또한, "블레이드"의 형태인(즉, 높은(> 5:1) 종횡비를 갖는 직사각형 단면을 갖는) 마이크로플라즈마 기둥의 생성이 본 발명의 장치에 의해 가능한데, 이는 큰 표면적의 처리를 용이하게 할 것이다.
도 15 및 도 16은 시뮬레이션의 결과로서, 상이한 전계 프로파일이 구성되어 본 발명의 바람직한 마이크로플라즈마 제트 어레이 및 장치에 채용될 수 있음을 도시하고 있다. 도 15에서, 전계 강도는 노즐의 스로트에서 피크 값을 갖는다. 그러나, 2개의 층이 "이중 화살촉(double-arrowhead)" 형식의 구조가 형성되도록 도 7a에 도시된 구성과 다르게 본딩되는 경우에는(도 16 및 도 17 참조), 피크 전계는 2개의 섹션들 사이의 틈에 형성된다. 따라서, 이런 마이크로플라즈마 제트의 유동 특성이 조작될 뿐만 아니라, 플라즈마에 대한 전력의 전달도 제어될 수 있다.
도 17a 및 도 17b는 발산형 마이크로제트 플라즈마 유동을 제공하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 도 17a에서, 전극 구성은 도 2a와 동일하지만, 마이크로캐비티는 각각의 제트가 마이크로캐비티에 의해 설정된 발산형 패턴으로 발산되도록 평행하지 않다. 도 17b는, 도 2h의 전극 구성을 사용하지만 발산형 패턴으로 방출되는 마이크로플라즈마 제트를 제공하는 비평행 마이크로캐비티(36)를 또한 갖는, 어레이를 도시하고 있다. 이런 발산형 패턴으로 인해 마이크로제트 플라즈마는 어레이의 물리적 치수를 넘어 연장될 수 있다.
도 18a 및 도 18b는 별개의 가스 또는 증기로 형성되는 마이크로제트 플라즈마를 동시에 제공할 수 있는 실시예를 도시한다. 가스 A, B, C, D, E는 어레이 내의 각각의 마이크로플라즈마 제트 장치에 공급된다. 각각의 마이크로제트 플라즈마 장치에서 생성된 라디칼 및 여기된 종들은 어레이 내의 마이크로노즐 장치로부터 배출된 후 장치를 빠져나간 후에, 서로 반응하거나, 또는 임의의 표면이나 물체와 반응할 수 있다. 도 18b에서, 마이크로플라즈마 제트 장치는 수렴형 패턴을 생성하도록 서로에 대해 배향되어 있다. 이런 패턴은 소정의 결과일 수 있는 마이크로플라즈마 제트의 혼합 및 반응에 도움을 준다. 도 18a 및 도 18b에 도시된 실시예는 대기압에서 플라즈마의 화학적 성질을 조작 및 제어하는 능력을 제공한다. 이런 능력은 필름 적층, 필름 에칭, 분광학 및 재료 분석을 포함하는 다양한 어플리케이션에 유용하다.
도 19a 내지 도 19c는 본 발명의 가요성 마이크로플라즈마 제트 장치에 기초하여 제조될 수 있는 몇몇의 달리 성형된 장치를 도시한다. 도 19a에 도시된 장치는 완드의 형태이며, 장치의 출구면은 평면을 형성한다. (유동 채널로서 유동 튜브와 함께 지칭되는)마이크로캐비티는 도 13 및 도 14에서와 같이 조밀하게 패킹될 수 있다. 도 19a에 도시된 실시예는 도 18a에 도시된 실시예와 유시하지만, 밀봉 칼라(88)를 포함하고 있다. 밀봉 칼라(88)는 어레이와 임의의 표면 사이의 튜브(89)를 통해 체적부의 배기를 가능케 하며, 체적부가 관심 가스 또는 증기로 대체될 수 있게 한다. 밀봉 칼라(88)는, 접착제 없이 부착되거나 접착제에 의해 부착될 수 있는 시트를 형성하는, 가요성 폴리머로 형성될 수 있다. 본 발명의 발명자가 알고 있는 종래의 플라즈마 제트 장치가 (별도의 챔버 내에서 사용되지 않는 한) 보통의 공기에 대한 플라즈마 제트 상호작용을 제한하기 때문에, 본 발명의 이런 어레이는 특유한 능력을 제공한다. 도 19a에 도시된 장치에 의해, 마이크로플라즈마 제트(90)는, 어레이가 개방 환경의 공기에 의해 둘러싸이는 경우 없이, 다른 가스 및 증기와 상호작용할 수 있다. 예시적인 어플리케이션은 신체 조직의 치료이다. 일단 밀봉되면, 도 19에 도시된 장치와 조직 사이의 체적은 희가스인 NO를 포함하는 가스의 대기로 대체될 수 있다. 조직에 근접한 위치에서의 이런 혼합물과 플라즈마 제트의 상호작용은 치료적 가치를 가질 것으로 기대되는 기존의 NO 및 O를 생성할 수 있다.
금속/금속 산화물 어레이 또는 폴리머 어레이는 얇고 가요성을 가질 수 있기 때문에 그리고 상술된 폴리머 실시예는 매우 다양한 형상으로 주조될 수 있기 때문에, 도 19b에 도시된 원통형 장치(100) 및 도 19c에 도시된 볼과 같은 다른 기하학적 구조도 가능하다. 다양하게 성형된 장치는 마이크로플라즈마 제트가 다양하게 성형된 타겟에서 제어식으로 안내될 수 있게 하는데 유용할 수 있다.
실험적 장치가 본 발명을 입증하기 위해 형성되었다. 폴리머계 어레이가 100 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위의 직경을 갖는 마이크로플라즈마 제트와 함께 제조되었다. 가시광선 및 자외선 투과성의 가요성 폴리머가 사용되었다. 10개의 제트를 포함하는 예시적인 실험적 어레이가 0.16 ㎠의 단면적 내에 제조되었다(그리고 시험되었다). 64개나 되는 제트를 갖춘 어레이가 지금까지 실험적으로 입증되어 왔다. 본 발명의 제조 공정은 더 많은 마이크로플라즈마 제트를 갖춘 어레이의 형성을 가능케 한다. 또한, 금속 및 금속 산화물 장치가 알루미늄 및 알루미늄 산화물 내에 형성되었다. 제조된 노즐은 플라즈마 방출물이 온도와 속도와 관련된 특정 성질을 가질 수 있게 하는 정밀 제어식 표면을 갖는다. 본 발명의 마이크로플라즈마 제트는 어떤 다른 마이크로플라즈마 제트보다 작은 직경을 가지며, 수많은 마이크로플라즈마 제트가 단일의 경량 패키지 내에 함께 존재하도록 함께 번들링될 수 있다.
당업자들은 본 발명의 마이크로플라즈마 제트가 많은 어플리케이션을 갖는 다는 점을 알 것이다. 바람직한 어플리케이션은 신체 조직(피부, 근육 등)의 치료를 위한 의료 장치이다. 본 발명의 마이크로플라즈마 제트는, 생성된 플라즈마가 저온이라서 조직을 태우지 않을 것이기 때문에, 의료 장치 어플리케이션에 있어 특별한 가치가 있다. 하지만, 중요하게는 본 발명의 마이크로플라즈마 제트 어레이는 또한 치유 및 소독을 촉진시키는데 효과적일 수 있는 에너지 입자 및 단파장 광을 생성한다. 이런 제트에서 생성된 여기된 종들의 큰 밀도는 얇은 다결정 Si 필름의 결정화와 같은 재료 변형을 가능케 한다. 또한, 유리판 표면의 얇은 구역의 상의 변환도 또한 가능할 것이다.
본 발명의 특정 실시예가 도시되고 기술되었지만, 당업자들은 다른 변형예, 대체예 및 변경예도 명백히 알 것이다. 이런 변형예, 대체예 및 변경예는 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어야 하는 본 발명의 기술사상 및 범주를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.
본 발명의 다양한 구성요소들이 첨부된 특허청구범위에 개시되어 있다.
30 : 폴리머
32 : 전극
36 : 세장형 마이크로캐비티
38 : 플라즈마 매체 공급 튜브
40 : 전원
32 : 전극
36 : 세장형 마이크로캐비티
38 : 플라즈마 매체 공급 튜브
40 : 전원
Claims (25)
- 마이크로플라즈마 제트 장치로서,
적어도 하나의 성형된 마이크로캐비티가 완전히 관통되어 연장되는 적어도 하나의 금속/금속 산화물 층으로서, 상기 적어도 하나의 금속/금속 산화물 층은 금속 산화물 내에 매설된 금속 전극을 가지고, 상기 마이크로캐비티는, 상기 금속/금속 산화물과 일체이면서 집속된 마이크로플라즈마 제트 방출물을 생성할 수 있는 적어도 하나의 마이크로노즐을 형성하도록 좁아지는 원활한 윤곽으로 상기 금속 산화물 내에 성형되는 것인, 적어도 하나의 금속/금속 산화물 층과,
상기 마이크로캐비티를 통해 가스 유동을 안내하는 가스 공급부와,
상기 마이크로캐비티 내에 플라즈마를 발생시키도록 상기 전극에 전력을 공급하는 전원
을 포함하는 마이크로플라즈마 제트 장치. - 제1항에 있어서, 상기 마이크로노즐은 250 ㎛ 내지 700 ㎛ 범위의 직경을 갖는 것인 마이크로플라즈마 제트 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속/금속 산화물 층은 단일 층을 포함하며, 상기 마이크로캐비티는 부분적으로 포물선형인 원활한 단면을 포함하는 것인 마이크로플라즈마 제트 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속/금속 산화물 층은 복수의 층을 포함하며, 상기 마이크로캐비티는 원형 단면을 하나의 층에 포함하고, 상기 원형 단면은 다른 층에 있는 부분적으로 포물선형인 원활한 단면에 정렬된 것인 마이크로플라즈마 제트 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 원형 단면은 상기 부분적으로 포물선형인 원활한 단면의 가장 넓은 부분에 정렬된 것인 마이크로플라즈마 제트 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 원형 단면은 상기 부분적으로 포물선형인 원활한 단면의 가장 좁은 부분에 정렬된 것인 마이크로플라즈마 제트 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 금속/금속 산화물 층은 복수의 층을 포함하고, 상기 복수의 층은 두 개의 층이 만나는 중간 부분에서 최소 직경을 가지는, 부분적으로 포물선형인 두 개의 대향하는 단면 형상을 형성하여 상기 마이크로노즐을 형성하는 것인 마이크로플라즈마 제트 장치.
- 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항의 마이크로플라즈마 제트 장치를 복수 개 포함하는 어레이.
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