KR101662160B1 - 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부 치료 장치에 관한 것으로, 플라즈마의 발생을 고르게 분포시켜 피부의 손상을 방지하며, 아울러 초기에 출력되는 고전압에 의한 전기적 쇼크 발생을 억제할 수 있도록 한 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 갖는 본 발명은, 플라즈마 발생기로부터 발생된 플라즈마에 의해 피부를 치료하는 피부 치료 장치에 있어서, 상기 플라즈마 발생기는 하우징의 하단부위에 위치하는 평판의 유전체; 상기 유전체의 상측표면으로부터 이격되어 위치하며, 피부치료를 위한 파워를 전달하는 전극;으로 구성되며, 상기 유전체와 전극 사이에 공기층이 형성된다.

Description

플라즈마를 이용한 피부 치료 장치{Skin treatment apparatus using plasma}

본 발명은 피부 치료 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환부와 플라즈마 발생기 간에 유전체 장벽 방전을 유도하여 소프트 플라즈마를 생성함으로써 환부를 플라즈마로 샤워시켜 반응종 생성과 동시에 세포 내와 세포 밖에서 작용하게 함으로써 반응종의 농도를 높이고 환부를 자극하게 하여 살균과 새살 돋음을 촉진하도록 한 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치에 관한 것이다.

최근에 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 저온 대기압 플라즈마 장치의 개발로 이 기술을 이용한 미생물의 살균, 상처의 지혈, 치아미백, 암세포 사멸유도 등 의학분야에 실용적 시도가 크게 늘어나고 있으며, 특히 살균에 플라즈마를 이용하는 기술은 다른 분야에 비해 일찍 그 가능성이 입증되었고, 심도 있는 연구가 진행되어 오고 있다.

일반적인 대향 방전에서 유전체가 없는 경우에, 방전은 첫 번째 스파크로부터 출발하여 저 전압 아-크 방전으로 빠르게 진전되며, 스파크 내의 전자가 일련의 이온화 작용을 시작하여 고 전류로 선도하며 결국에는 아-크를 형성한다.

유전체는 표면에 전하를 축적하고 대향 전계를 발생시킴으로써 전류를 제한하고 아-크 형성을 방지하기 때문에 제어되지 않은 방전 현상을 방지한다.

고전압의 교류 전원은 전압 사이클의 각각 절반이 방전의 형성을 보장하며, 일반적으로 유전체 장벽 방전은 킬로 헤르츠(kHz) 범위에서 작동하기 때문에, 플라즈마는 전극 사이 즉, 방전 갭에서 완전히 소멸하는 시간이 충분하지 않아, 방전은 방전 갭에서 연속적인 글로우 또는 방전 필라멘트처럼 보인다.

통상적으로 플라즈마의 물성 및 응용의 분류로 열 플라즈마와 비열 플라즈마로 나누며, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectric Barrier Discharge)은 비열이나 저온 플라즈마 발생을 위한 전형적인 방전이다.

열 플라즈마는 모든 플라즈마 구성 요소인 전자, 이온, 기체 원자와 분자의 온도는 비슷하다.

플라즈마 성분이 동적 평형 상태 즉, 전자와 이온의 재결합이 이온화에 의해 균형을 이루고 있을 경우 플라즈마는 일정 시간 동안 존재할 수 있다.

중요한 이온화를 제공하기 위해, 일반적으로 전자는 여러 레벨의 에너지(eV)를 가지며, 에너지를 가진 입자가 필요하다.

가스 입자의 평균 에너지는 약 1 eV 와 같고 대략 11,600 K의 가스 온도에 대응한다. 이것은 안정한 열 플라즈마는 대략 5000 K 이상의 온도를 가지고 있다는 것을 의미한다.

비열 플라즈마는 구성 요소들의 온도는 매우 다르며, 평형 상태가 될 필요는 없다.

보통 전자의 온도는 이온과 가스 분자와 같이 무거운 입자의 온도보다 10,000 K 이상 훨씬 높다. 통상적으로, 비 평형 플라즈마 가스의 온도는 실온 또는 수천 켈빈(Kelvin)으로 매우 차이가 크지만, 전체적으로 주위 온도의 범위 일 수 있다.

플라즈마는 가스의 온도가 주위의 온도보다 높지 않은 경우 비열로 간주하고, 주위 온도는 예를 들면 실온으로 20 ~ 25 ℃ 이다.

이러한 비열 플라즈마를 이용하여 생체조직을 치료하기 위한 장치로서, 미국공개특허 제20100145253호(Method for non-thermal application of gas plasma to living tissue)에 나타난 바와같이, 평판의 절연체의 상부 표면에 전극과 콘덕터가 구비된 구조를 갖는다.

이는 유전체 장벽 방전과 유사한 고전압 방전의 발생으로 인한 전극과 조직 사이에 절연체를 배치함으로써 플라즈마와 조직을 통해 전류를 제한하게 되어 세포조직 가열을 최소화하기 위한 장치이다.

따라서 열에 의한 조직 손상을 일으키지 않고 혈액 응고를 촉진하며, 살균, 소독, 조직의 재 연결, 및 조직 장애의 치료를 위해 사용될 수 있다.

그런데, 이러한 종래의 기술은 절연체가 평탄하게 형성되지만, 피부 조직은 굴곡이 많아 평탄하지 않으므로, 특정부위 즉 돌출된 부위 또는 절연체와 가까운 피부조직으로 플라즈마가 집중되어 피부가 손상되는 문제점이 발생한다.

즉, 균일한 플라즈마의 발생이 어려운 구조이다.

또한, 절연체와 조직 사이에 플라즈마가 발생되기 위한 간격을 유지하여야 하지만, 그 간격에 개방된 형태로 존재함으로써 외부로 플라즈마가 누설되어 치료 효과를 떨어뜨리는 문제점도 발생한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 플라즈마의 발생을 고르게 분포시켜 피부의 손상을 방지하며, 아울러 초기에 출력되는 고전압에 의한 전기적 쇼크 발생을 억제할 수 있도록 한 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 갖는 본 발명은,

플라즈마 발생기로부터 발생된 플라즈마에 의해 피부를 치료하는 피부 치료 장치에 있어서,

상기 플라즈마 발생기는

하우징의 하단부위에 위치하는 평판의 유전체;

상기 유전체의 상측표면으로부터 이격되어 위치하며, 피부치료를 위한 파워를 전달하는 전극;으로 구성되며,

상기 유전체와 전극 사이에 공기층이 형성된다.

또한, 상기 전극의 하측면에는 다수의 관통홀이 형성된 기판의 상부면이 접촉되어 위치하여 상기 전극으로부터의 파워가 기판에 형성된 관통홀과 공기층을 통해 유전체로 인도되어 유전체와 피부 사이의 공간에서 플라즈마가 발생되도록 구성된다.

이와같이 구성된 본 발명은 유전체와 피부 사이의 공간에서 플라즈마를 고르게 분포시켜 피부의 굴곡에 따른 플라즈마 집중현상을 감소시킴으로써 피부 손상을 방지하게 되며, 간격유지부에 의해서 유전체와 피부 사이에 일정한 플라즈마 활성영역을 형성함과 아울러 외부와 격리시킴으로써 플라즈마의 누설이 발생하지 않게 되어 치료 효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한 별도의 제어장치 없이 출력밀도를 균일하게 가져가기 위해서는 하나의 평면전극이 아닌 다수의 분리되어 독립된 전극으로 만들 수 있어서 파워의 제어가 매우 간단한 장점이 있다.

아울러 유전체와 전극 사이에 공기층을 형성함으로써 유전체로 유입되는 전류를 제어하여 초기의 전기적인 쇼크를 억제할 수 있어 안정적이고 편안한 피부치료가 행해질 수 있다.

도1은 본 발명의 전체 구조를 보인 블럭도.
도2는 플라즈마 발생기의 단면 구조를 보인 도.
도3은 플라즈마 발생기의 저면 부위를 보인 도.
도4 및 도5는 본 발명의 동작을 설명하기 위한 도.

본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치는 도1에 도시한 바와같이 제어부(110)는 전원부(100)로부터 출력되는 직류전원을 고전압 모듈(120)에 공급하여 고주파, 고전압의 교류 전원으로 변환되도록 제어하는데, 신호발생기(121)는 보통 20kHz 이하의 주파수를 발생하게 되고, 증폭기(122)는 5~10W의 임피던스 매칭을 제공한다.

상기 전원부(100)는 배터리일 수 있어서, 본 발명이 소형화된 휴대용으로도 사용될 수 있을 것이다.

트랜스포머(123)는 증폭기(122)로부터 출력되는 주파수를 고전압으로 만들어 플라즈마 발생기(200)로 공급함으로써 플라즈마 발생을 일으키도록 한다.

플라즈마 발생기(200)는 도2에 도시한 바와같이 핸드피스 형태의 원통형 하우징(210)의 선단부위에서 팁 형태로 구비되는데, 트랜스포머(123)로부터 고전압을 인가받는 전극(220)과, 상기 전극(220)의 하부면에 위치하면서 전극(220)과 접촉되는 부위에 상하방향으로 균일한 간격을 가지고 다수의 관통홀(231)이 형성된 원판 형태의 기판(230)과, 상기 기판(230)의 하부면으로부터 이격되어 위치하는 유전체(240)로 형성된다.

이때 기판(230)과 유전체(240) 사이에는 공기층(250)이 형성된다.

또다른 방안으로는 기판(230)을 제거하고, 전극(220)과 유전체(240)를 이격시켜 설치함으로써 공기층(250)을 형성할 수 있다.

또한, 공기층(250)은 0.1~1mm 바람직하게는 0.5mm의 두께를 가질 수 있다.

관통홀(231)은 도3에서와 같이 기판(230)에 샤워기의 홀 형태와 유사하게 형성되며, 그 관통홀(231)의 내측면에는 도전물질에 의해 코팅 또는 도금이 행해질 수 있다.

상기 유전체(240)는 석영, 사파이어, 유리, 세라믹, 고분자필름, PEI(Polyetherimide)등의 재질로 형성될 수 있으며, 그 두께가 0.1mm~3mm 정도이고, 상대 유전율이 2~18 정도가 바람직하다.

특히 PEI의 경우에는 전기적 특성이 우수하며, 높은 내방사선성으로 인해 가혹한 조건하에서 절연재로서 우수한 성능을 발휘한다.

유전율은 10² ~ 10⁵ Hz에서 3.0~3.5 정도이다.

전극(220)으로부터 인도된 파워는 기판(230)의 관통홀(231)을 통해 흡사 샤워방식으로 고르게 유전체(240)로 인도되며, 이로인해 유전체(240)와 피부(S) 사이에 R-L-C 직렬회로를 형성함으로써 피부(S)는 낮은 임피던스를 갖는 회로가 되어 인체에 해를 끼치지 않는 미약한 전류가 흐른다.

이때 접촉하는 피부(S)와 유전체(240) 사이에 플라즈마 샤워 방식의 부드러운 유전체 장벽 방전에 의한 플라즈마(P)가 고르게 발생한다.

이러한 샤워 방식의 비열 플라즈마는 열 손상을 최대한 억제하고, 치료 효율을 극대화하기 위해 출력 파워를 제한하여 총 전류와 전류 밀도를 낮추어 플라즈마의 온도는 낮게 유지하면서 플라즈마 활성 인자는 치료될 피부(S)에 근접하여 위치시킨다.

플라즈마 생성 방전의 전력은 방전 전류와 전압의 곱이기 때문에 전력이 고정된 경우, 보다 높은 전압은 보다 낮은 전류가 된다.

인체에 해가 없고 부드러운 유전체 장벽 방전 플라즈마(P)를 얻기 위해서는 1W 정도의 출력전력이 바람직하며, 최적의 운전조건을 맞추기 위해서는 출력전력의 변수인 유전체 장벽 방전 플라즈마 발생기(200)를 구성하는 유전물질의 정전용량과 인가되는 전압 및 주파수를 선택하여 최적의 방전 효율이 되도록 하여야 한다.

유전체 장벽 방전 플라즈마 발생기(200)의 정전용량은 그 형태와 유전체(240) 물질의 물리적 특성에 관계되며, 이것은 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치의 운전특성에 영향을 미친다.

일반적으로 평판 축전기의 유전용량 C는 수학식1로 나타낼 수 있다.

여기서,

이고,

C : 정전용량 [F],

: 진공 유전율 [F/m],

K : 상대 유전상수, A; 전극면적 [m²],

d; 전극간 거리 [m] 이다.

본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치의 정전용량 C_T은 유전체의 정전용량 C_g와 유전체 전극과 접촉피부 사이(즉 방전 갭) 정전용량 Ca의 직렬 연결 회로로 해석하여 다음 수학식2로 나타낸다.

또한 일반적으로 축전기에 저장되는 에너지 U는 수학식3으로 나타낸다.

여기서, U : 저장되는 에너지 [J], V : 전압 [V]

이때의 출력 전력 W은 U = W/f 로부터 구할 수 있으며, 수학식4로 나타낼 수 있다.

여기서, W; 소비전력 [W], f; 구동 주파수 [Hz]

상기 조건 식으로부터 전기적 쇼크가 없고 안정적으로 민감한 피부인 안면에 유전체 장벽 방전 플라즈마를 유도하기 위해서는 단위면적당 출력 전력은 0.1~2W(바람직하게는 1.53W)/cm²이고, 출력 전압은 4~20(바람직하게는 9.5~10)kV, 주파수 1~30(바람직하게는 25)kHz 정도이다.

시술할 때에 피부의 굴곡과 사용 환경에 따라서 정전용량은 변화하며, 이에 맞추어 출력 전력을 일정하게 유지하면서 출력 밀도를 균일하게 제어되어야 한다.

전극(220)의 면적은 통상적으로 0.1~10 cm²이고, 방전 갭은 일반적으로 0.5~5mm이다. 치료 시에 평탄한 면적을 갖는 평면전극에 대하여 피부는 대부분 굴곡져 있으므로 평면전극 전면에 걸쳐 균일한 방전 갭을 가질 수 없다. 따라서 전극 전면에 걸쳐 유도된 전하들은 최초 방전이 일어난 한 점으로 집중하여 전류가 흘러 전기적 쇼크와 화상의 염려가 있다.

별도의 제어장치 없이 출력밀도를 균일하게 가져가기 위해서는 하나의 평면 전극이 아닌 다수의 분리되어 독립된 전극으로 만들 필요가 있으며, 바람직하게는 지름 1mm의 도트 형상으로 cm² 당 25개의 도트 전극을 배열하여 출력 밀도를 제어할 수 있다.

상기와 같이 구성된 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에서는 여드름 피부에 적용하는 경우를 예로 들어 설명한다.

먼저, 여드름 치료 부위에 유전체(240) 표면을 위치시키고, 작동 시작 버튼을 누르면 제어부(110)는 전원부(100)로부터 직류 전원을 고전압 모듈(120)로 공급하게 되고, 이로인해 고전압 모듈(120)에서는 고전압 고주파수의 교류 전원으로 변환하여 플라즈마 발생기(200)의 유전체(240) 상부면에 설치된 전극(220)에 공급한다.

이때 유전체(240)를 매개로 하여 플라즈마 발생기(200)와 환부는 R-L-C회로를 이루면서 유전체 장벽 방전에 의한 플라즈마가 발생하게 되며, 기판(230)에 형성된 관통홀(231)을 통해 유전체(240)와 피부(S) 사이의 공간에서 고른 분포를 갖는 플라즈마가 발생되는 것이다.

즉, 전극(220)으로부터의 파워를 다수의 관통홀(231)을 통해 고르게 분포시켜 유전체(240)로 인도시킴으로써 유전체(240)와 피부(S) 사이의 공간에서 플라즈마가 고르게 분포되는 것이다.

이렇게 만들어진 플라즈마에는 예컨대 옥시-, 하이드록실-, 및 질소 라디칼, 전자적으로 여기된 원자나 분자, 및 자외선(UV) 광자, 이온, 라디칼 등의 화학적 활성종이 포함되어 있으며 이들은 전기장을 따라 운동하면서 환부를 샤워하듯이 가볍고 부드럽게 두드리면서 환부 내/외를 자극하고 살균하게 된다.

이러한 치료는 상처 치유를 촉진하고 혈액 응고를 강화하여 감염의 발생을 감소시킬 수 있는 가능성과 함께 상처 치유를 촉진한다.

플라즈마 발생기(200)와 피부(S) 사이의 방전 갭은 일반적으로 약 0.5~5 mm 이다. 인간 또는 동물 신체의 치료를 위한 전극은 통상적으로 약 0.1 내지 10 ㎠의 표면적을 갖는다.

따라서 방전 갭(212)을 일정한 간격으로 유지하기 위하여 하우징(210)의 하단부 가장자리 부분은 그 하단면 둘레를 따라서 하측으로 돌출된 간격유지부(211)가 형성되는데, 그 간격유지부(211)의 하단부위는 그 단면이 반원형태로 라운드져 있다.

이러한 간격유지부(211)에 의해 플라즈마(P)가 발생되는 플라즈마 활성영역인 방전 갭(212)이 외부와 격리되어 플라즈마의 누설이 발생되지 않아 치료 효과를 증진시킬 수 있게 되며, 유전체(240)와 피부(S) 사이의 플라즈마 활성 영역을 일정하게 유지시킴으로써 플라즈마가 고르게 분포될 수 있는 것이다.

한편, 상기에서와 같이 전극(220) 또는 기판(230)과 유전체(240)가 접촉되어 설치되는 경우에는 운전 초기에 절연파괴에 따른 과도전류에 의해 피부(S)에 전기적인 쇼크가 발생할 수 있다.

이러한 과도전류에 의해 피부(S)가 손상되거나 또는 시술받는 사람이 순간적인 전기적 쇼크에 의해 놀라거나 긴장을 할 수 있어서, 전기적 쇼크가 없고 안정적으로 민감한 피부인 안면에 플라즈마를 유도하기 위해서는 출력 전력을 일정하게 유지하면서 출력 밀도를 균일하게 제어하여야 한다.

도4(a)는 상기에서 언급한 전극(220) 또는 기판(230)과 유전체(240)가 접촉되어 설치되는 경우를 도식적으로 표현한 것으로서, 'C_a'는 방전 갭(212)이고, 'C_g'는 유전체(220)이다.

도4(b)는 초기 방전이 일어나기 전의 등가회로이고, 도4(c)는 초기 방전이 발생한 후 플라즈마가 정상 상태로 발생할 때의 등가회로이다.

이러한 구조에 의해 초기에 전극(220)에 전원을 공급하여 시술 부위의 피부(S)에 플라즈마를 유도할 때 임피던스 변화는 방전이 일어나기 직전까지 방전 갭(212)은 절연층으로서 도4(b)와 같이 'C_a'값으로 작용하며, 일단 절연층이 파괴되어 방전이 일어나면 방전 갭(212)은 도전체로서 도4(c)와 같이 'R_a'의 저항값으로 작용한다.

임피던스 변화는 초기 방전의 유도시에 방전이 일어나기 전까지 C_T는 C_T < C_g가 되었다가 방전과 동시에 C_T = C_g 가 되어 최대값을 가지게 되며, 초기 방전시에 절연파괴에 따른 과도전류에 의한 순간 아크성 플라즈마가 발생함으로써 전기적 쇼크로 작용하게 되는 것이다.

이러한 전기적인 쇼크를 방지하기 위하여 전극(220) 또는 기판(230)과 유전체(240) 사이에 공기층(250)을 형성함으로써 유전체(220)로 유입되는 전류를 제어할 수 있게 된다.

즉 도5(a)에서와 같이 유전체(240)인 'C_g'와 전극(220) 사이에 공기층(250)인 'C_b'를 형성하며, 도5(b)는 초기 방전이 일어나기 전의 등가회로이고, 도5(c)는 초기 방전이 발생한 후 플라즈마가 정상 상태로 발생할 때의 등가회로이다.

초기에 전극(220)에 전원을 공급하여 시술 부위에 플라즈마를 유도할 때에 임피던스의 변화는 방전이 일어나기 직전까지 방전 갭(212)과 공기층(250)은 절연층으로서 C_a 및 C_b의 값으로 작용하며, 일단 절연층이 파괴되어 방전이 일어나면 방전 갭(212)과 공기층(250)은 도전체로서 R_a 및 R_b의 저항 값으로 작용한다.

여기서 임피던스의 변화를 살펴보면, 등가회로에서 방전이 일어나기 직전까지는 C_a, C_g, C_b가 직렬로 연결되어 전체 캐패시터 값 C_T 는 C_T < C_b이므로, 초기 방전의 유도 시에 초기 절연파괴에 따른 과도전류는 미약해지며, 일단 방전이 일어나고 정상적으로 플라즈마가 유지되면 이때 유전체(240)와 전극(220) 사이의 공기층(250)은 도전체로서 R_b 의 저항 값으로 작용하여 전극(220)으로부터 유전체(240)로 유입되는 전류를 제어함으로써 운전초기의 순간적인 전기적 쇼크가 방지되는 것이다.

즉, 유전체(240)인 'C_g'에 충전되는 전류는 항시 R_b에에 의해 일정한 값ㅎ으로 제어되기 과다한 플라즈마의 발생이 방지되고, 이로인해 전기적 쇼크가 없는 부드러운 플라즈마가 발생할 수 있는 것이다.

200 : 플라즈마 발생기 210 : 하우징
211 : 간격유지부 220 : 전극
230 : 기판 231 : 관통홀
240 : 유전체 250 : 공기층

Claims (4)

1. 플라즈마 발생기로부터 발생된 플라즈마에 의해 피부를 치료하는 피부 치료 장치에 있어서,
   상기 플라즈마 발생기는
   하우징의 하단부위에 위치하는 평판의 유전체;
   상기 유전체의 상측표면으로부터 이격되어 위치하며, 피부치료를 위한 파워를 전달하는 전극;으로 구성되며,
   상기 유전체와 전극 사이에 공기층이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 전극의 하측면에는 다수의 관통홀이 형성된 기판의 상부면이 접촉되어 위치하여 상기 전극으로부터의 파워가 기판에 형성된 관통홀과 공기층을 통해 유전체로 인도되어 유전체와 피부 사이의 공간에서 플라즈마가 발생되도록 구성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 유전체는 석영, 사파이어, 유리, 세라믹, 고분자필름, PEI(Polyetherimide) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 하우징의 하단부위에는 그 둘레를 따라서 하측으로 돌출된 간격유지부가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 피부 치료 장치.
   
   
   
   
   

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