KR101664541B1 - 저온 상압 플라즈마 제트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상면에 구비되어 외부에서 공급하는 가스를 내부로 인입하는 한 쌍의 가스인입구와, 한 쌍의 상기 가스인입구를 통해 내부로 인입한 가스를 수용하는 제1,제2 챔버를 구비한 상부몸체와, 상부에 형성되어, 상기 상부몸체의 제2챔버에서 낙하된 가스를 수용하는 제3챔버와, 상기 제3챔버의 하부에 배치되어 플라즈마노즐이 고정되는 전극블록과, 상기 전극블록의 측면을 따라 형성되어, 상기 제3챔버에 수용된 가스를 하부로 유도하는 복수의 가이드유로와, 상기 전극블록의 일측단에 연결되어 외부로 노출되어, 외부에서 제공하는 전원을 전극블록으로 제공하는 전원단자부를 구비한 하부몸체 및 상기 하부몸체의 전극블록에 일정한 간격으로 병렬 연결되고, 상기 가이드유로를 통해 유도된 가스를 플라즈마 상태로 방출하는 복수의 플라즈마노즐을 포함하여, 가스 와류의 억제는 물론, 고른 가스분포로 모든 플라즈마노즐에 균일한 압력으로 가스공급이 이루어지도록 하며, 전력의 손실을 최소화하도록 균등한 병렬 팁 전극들의 배열로 구성되어, 전극 상호 간의 간섭도 발생하지 않으며 별도의 조절 가변저항이 없이 효율적이고 안정적인 방전이 구현되고, 플라즈마를 방출할 시 장시간 작동 가능한 40도 이하의 저온 및 저 전력의 안정적인 플라즈마의 발생으로 열 손상에 민감한 재료의 대 면적 플라즈마 처리를 실현케 하는 저온 상압 플라즈마 제트 장치를 제공한다.

Description

저온 상압 플라즈마 제트 장치{Low temperature atmospheric pressure plasma jet device}

본 발명은 상압 마이크로 플라즈마 제트의 병렬 전극배열 및 균등 가스분배 시스템으로 구축되어, 방전전극 및 플라즈마 크기가 미세한 마이크로 플라즈마 제트들의 집합체로서 기체 방전의 Paschen 법칙에 의해 훨씬 큰 기체압력에서도 방전이 가능하게 되고 상압(대기압)에서 플라즈마가 생성되는 저온 상압 플라즈마 제트 장치에 관한 것이다.

일반적으로 저온 상압(대기압) 플라즈마의 생물학적 효과가 2000년대 초부터 발표됨으로써 많은 관심이 집중되고 있으며, 미생물 살균 및 소독 특성을 이용한 공기 청정기, 유해가스 필터와 같은 기기에 폭 넓게 응용되고 있다.

최근 보도되고 있는 플라즈마와 생체세포의 상호작용에 대한 연구 결과들은 새로운 의료 산업의 활성화를 예측할 수 있다.

이러한 대기압 플라즈마 시스템을 의료기기로 활용하기 위해서는 기본적으로 온도에 대한 안정성과 더불어 치료영역에 따른 다양한 구조가 요구된다.

플라즈마 제트은 플라즈마 발생장치를 손쉽게 제작할 수 있으나, 인체의 넓은 영역의 치료에는 적합하지 않은 구조를 가지고 있다.

따라서 보다 넓은 영역까지도 활용 가능한 다양한 크기와 형태의 의료용 플라즈마 제트 에셈블리에 대한 개발이 요구되고 있다.

상기한 문제로 공개특허 제10-2013-0069082호(2013.03.26)에서는 가스를 유동시키는 튜브; 상기 가스를 플라즈마 상태로 여기시키는 고주파 파워를 제공하는 전원; 상기 튜브의 일측에 형성되고, 상기 가스에 상기 고주파 파워를 인가하는 파워 전극; 및 상기 파워 전극에 인가되는 상기 고주파 파워에 의해 상기 튜브 내에서 생성되는 플라즈마 가스의 아크 방전을 제거하는 플라즈마 조절 유닛들을 포함하는 플라즈마 제트 어셈블리를 제공하였다.

하지만 종래의 기술은 좁은 처리 면적으로 인해 한계가 있고, 대 면적 처리를 위한 발생원들의 불안정한 방전으로 인한 전기적 충격 및 높은 온도로 인한 열손상 등의 문제점들로 활용성에 제한이 있어왔다.

본 발명은 복수의 챔버가 직하의 다단으로 이루어지고, 상기 챔버들을 구획하는 격벽의 미세타공 배치를 서로 대응하지 않는 위치상에 배치하여, 가스 와류의 억제는 물론, 고른 가스분포로 모든 플라즈마노즐에 균일한 압력으로 가스공급이 이루어지도록 하며, 전력의 손실을 최소화하도록 균등한 병렬 팁 전극들의 배열로 구성되어, 전극 상호 간의 간섭도 발생하지 않으며 별도의 조절 가변저항이 없이 효율적이고 안정적인 방전이 구현되고, 플라즈마를 방출할 시 장시간 작동 가능한 40도 이하의 저온 및 저 전력의 안정적인 플라즈마의 발생으로 열 손상에 민감한 재료의 대 면적 플라즈마 처리를 실현케 하는 저온 상압 플라즈마 제트 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치는 상면에 구비된 한 쌍의 가스인입구를 통해 외부에서 공급되는 가스가 내부로 인입하여 제1,제2 챔버에 순차로 수용하는 상부몸체와, 상기 상부몸체의 제2챔버에서 낙하된 가스를 상부에 형성된 제3챔버에 수용하고, 상기 제3챔버의 하부에 배치된 전극블록을 따라 복수의 가이드유로가 일정한 간격으로 배치되어, 상기 제3챔버에 수용된 가스를 하부로 유도하고, 상기 전극블록의 일측단에 연결되어 외부로 노출된 전원단자부를 통해 외부에서 제공하는 전원을 전극블록으로 제공하는 하부몸체와, 상기 전극블록에 복수의 플라즈마노즐이 일정한 간격으로 병렬 연결되어, 상기 가이드유로를 통해 유도된 가스를 플라즈마 상태로 방출하는데, 상기 플라즈마노즐은 상기 전극블록에 연결되어, 전극블록을 통해 전달된 전원으로 전기장을 생성하는 팁전극과, 상기 팁전극의 하단 일부를 제외한 팁전극을 따라 구비되어, 상기 팁전극과 가스의 접촉 면적을 제한하는 테프론튜브와, 상기 팁전극이 내부에 수용되도록 끼워져, 플라즈마 방출구를 형성하고, 상기 팁전극을 외부의 물리적 영향으로부터 보호하며, 하전입자를 유도하는 석영튜브로 이루어진다.

이때 본 발명에 따른 상기 제1,제2,제3챔버는 가스가 통하도록 다수의 미세타공을 형성한 제1,제2격벽으로 구획할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 상기 제1격벽의 미세타공은 중심선을 따라 배열되고, 상기 제2격벽의 미세타공은 측변을 따라 배열할 수 있다.

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본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 복수의 챔버가 직하의 다단으로 이루어지고, 상기 챔버들을 구획하는 격벽의 미세타공 배치를 서로 대응하지 않는 위치상에 배치하여, 가스 와류의 억제는 물론, 고른 가스분포로 모든 플라즈마노즐에 균일한 압력으로 가스공급이 이루어지도록 하고, 전력의 손실을 최소화하도록 균등한 병렬 팁 전극들의 배열로 구성되어, 전극 상호 간의 간섭도 발생하지 않으며 별도의 조절 가변저항이 없이 효율적이고 안정적인 방전이 구현되며, 동시에 넓은 처리면적을 가진 장점을 가지고 있다.

둘째, 플라즈마를 방출할 시 장시간 작동 가능한 40도 이하의 저온 및 저 전력의 안정적인 플라즈마의 발생으로 열 손상에 민감한 재료의 대 면적 플라즈마 처리를 실현케 하는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치의 구성을 보인 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치의 구성을 보인 단면 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치의 실시 상태를 보인 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치의 구성을 보인 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치의 구성을 보인 단면 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치의 실시 상태를 보인 예시도이다.

본 발명은 상압 마이크로 플라즈마 제트의 병렬 전극배열 및 균등 가스분배 시스템으로 구축되어, 방전전극 및 플라즈마 크기가 미세한 마이크로 플라즈마 제트들의 집합체로서 기체 방전의 Paschen 법칙에 의해 훨씬 큰 기체압력에서도 방전이 가능하게 되고 상압(대기압)에서 플라즈마가 생성되는 저온 상압 플라즈마 제트 장치에 관한 것으로 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.

본 발명에 따른 저온 상압 플라즈마 제트 장치는 상부몸체(100), 하부몸체(200), 복수의 플라즈마노즐(300)로 구성하는데, 먼저 상기 상부몸체(100)는 내부에 공간을 형성한 육면체로 상면에는 한 쌍의 가스인입구(110)를 구비하여, 외부에서 공급하는 가스를 한 쌍의 가스인입구(110)를 통해 내부인 공간으로 인입한다.

그리고 상기 한 쌍의 가스인입구(110)를 통해 내부로 인입된 가스는 제1, 제2챔버(120,130)에 수용된다.

이때 상기 제1챔버(120)는 제2챔버(130)의 상측에 위치하고, 다수의 미세타공(141)을 형성한 제1격벽(140)으로 구획된다.

상기 제1격벽(140)은 중심선을 따라 다수의 미세타공(141)이 배열되어, 상기 제1챔버(120)에 수용된 가스가 상기 제1격벽(140)의 전체면을 통해 하측으로 낙하하지 않고, 상기 제1격벽(140)의 중심선을 따라 배열된 미세타공(141)을 통해 하측으로 고르게 낙하하여 상기 제2챔버(130)에 수용된다.

상기한 제1챔버(120)와 제2챔버(130)의 구성에 의해 챔버 내에서 가스가 와류하는 것을 억제하고, 고른 가스분포가 이루어지며, 일정한 압력으로 가스 공급이 이루어진다.

그리고 상기 상부몸체(100)의 하부에는 하부몸체(200)를 구비하는데, 상기 하부몸체(200)는 또한 내부에 공간을 형성한 육면체로 상부에는 상기 상부몸체(100)의 제2챔버(130)에서 낙하된 가스를 수용하는 제3챔버(210)를 형성한다.

이때 상기 제3챔버(210) 역시, 다수의 미세타공(151)을 형성한 제2격벽(150)으로 상기 제2챔버(130)와 구획하고, 상기 제2격벽(150)의 미세타공(151)은 측변을 따라 배열하여, 상기 제2챔버(130)에 수용된 가스가 상기 제2격벽(150)의 미세타공(151)을 통해 상기 제3챔버(210)의 측면으로 따라 낙하한다.

그리고 상기 제3챔버(210)의 하부에는 전극블록(220)을 배치하여 플라즈마노즐(300)이 고정하고, 상기 전극블록(220)은 절연블록(230)에 의해 감싸지며, 상기 전극블록(220)을 감싼 절연블록(230)의 측면을 따라 복수의 가이드유로(231)를 형성한다.

상기한 복수의 가이드유로(211)는 상기 제3챔버(210)에 수용된 가스를 하부인 복수의 플라즈마노즐(300)로 각각 유도한다.

또한 상기 전극블록(220)의 일측단에는 외부로 노출되게 전원단자부(240)를 연결하여, 외부에서 제공하는 전원을 전극블록(220)으로 제공한다.

그리고 복수의 플라즈마노즐(300)은 상기 하부몸체(200)의 전극블록(220)에 일정한 간격으로 병렬 연결되고, 상기 가이드유로(231)를 통해 유도된 가스를 플라즈마 상태로 방출한다.

상기한 복수의 플라즈마노즐(300)을 보다 상세하게 살펴보면, 본 발명에서의 상기 플라즈마노즐(300)은 상기 하부몸체(200)의 하부에 일정한 간격으로 병렬로 배열된다.

이때 본 발명에서는 상기 플라즈마노즐(300)를 16개로 배열하나, 이에 한정하지 않고, 사용용도에 따라 갯수를 늘리거나 줄일 수 있다.

또한 상기 플라즈마노즐(300) 16개 중 선택적으로 가스공급을 차단하거나, 인가되는 전원을 차단하여, 구동되는 상기 플라즈마노즐(300)의 갯수를 제어해 처리면적에 따라서 자유롭게 변경할 수 있다.

상기 플라즈마노즐(300)은 팁전극(310)과, 테프론튜브(320), 석영튜브(330)로 구성하는데, 상기 팁전극(310)은 텅스텐재질로 길이가 수 cm 이하이고, 직경은 수 mm 이하인 미세한 크기의 팁전극(310)으로, 그 하단부는 상광하협인 콘 형태로 형성되고, 상단은 상기 전극블록(220)에 연결되어, 전극블록(220)의 통해 전달된 전원(저전력)으로 안정된 구동이 가능하다.

그리고 테프론튜브(320)는 상기 팁전극(310)의 하단 일부를 제외한 팁전극(310)을 따라 감싸고, 상기한 구성으로 상기 팁전극(310)과 가스의 접촉 면적을 제한한다.

상기 팁전극(310)의 외부에는 석영튜브(330)를 구비하는데, 석영튜브(330)는 원통형으로 플라즈마가 방출되는 그 하단부를 상광하협인 콘 형태로 형성하여, 외부의 물리적 영향으로부터 상기 팁전극(310)을 보호함은 물론, 상기 석영튜브(330)의 내측면과 상기 팁전극(310)과는 서로 이격되어, 이격된 공간을 통해 가스가 유동하며, 이격된 공간에 쌓이는 하전입자들로 인해 방전을 돕도록 한다.

따라서 상기한 팁전극(310)에 전위를 가하여 생성된 대기압 플라즈마의 경우에 전극 근처에 생성된 전기장은 매우 강하여 기체를 전리시키는 반면 생성된 플라즈마의 크기는 작아서 온도가 낮다.

그러므로, 본 발명은 안정적인 방전을 구현할 수 있도록 상압 마이크로 플라즈마 제트의 병렬 전극배열 및 균등 가스분배로 저전력으로 구동할 수 있고, 낮은 온도의 플라즈마를 생성하며, 전기적 및 열적 손상 없이 안전한 대 면적 처리가 가능해 표면처리에 유용하고, 특히 실온에 가까운 비열적(non-thermal) 특징과 플라즈마 내의 산소 라디칼과 다른 여기 분자들이 생체 내 세포들과 화학적인 상호작용을 하는 특징들로 인하여 생명과학과 의료분야에 도입될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 상부몸체 110: 가스인입구
120: 제1챔버 130: 제2챔버
140: 제1격벽 141,151: 미세타공
150: 제2격벽 200: 하부몸체
210: 제3챔버 220: 전극블록
230: 절연블록 231: 가이드유로
240: 전원단자부 300: 플라즈마노즐
310: 팁전극 320: 테프론튜브
330: 석영튜브

Claims (6)

1. 상면에 구비된 한 쌍의 가스인입구를 통해 외부에서 공급되는 가스가 내부로 인입하여 제1,제2 챔버에 순차로 수용하는 상부몸체와, 상기 상부몸체의 제2챔버에서 낙하된 가스를 상부에 형성된 제3챔버에 수용하고, 상기 제3챔버의 하부에 배치된 전극블록을 따라 복수의 가이드유로가 일정한 간격으로 배치되어, 상기 제3챔버에 수용된 가스를 하부로 유도하고, 상기 전극블록의 일측단에 연결되어 외부로 노출된 전원단자부를 통해 외부에서 제공하는 전원을 전극블록으로 제공하는 하부몸체와, 상기 전극블록에 복수의 플라즈마노즐이 일정한 간격으로 병렬 연결되어, 상기 가이드유로를 통해 유도된 가스를 플라즈마 상태로 방출하는 저온 상압 플라즈마 제트 장치에 있어서,
   상기 플라즈마노즐은
   상기 전극블록에 연결되어, 전극블록을 통해 전달된 전원으로 전기장을 생성하는 팁전극과;
   상기 팁전극의 하단 일부를 제외한 팁전극을 따라 구비되어, 상기 팁전극과 가스의 접촉 면적을 제한하는 테프론튜브와;
   상기 팁전극이 내부에 수용되도록 끼워져, 플라즈마 방출구를 형성하고, 상기 팁전극을 외부의 물리적 영향으로부터 보호하며, 하전입자를 유도하는 석영튜브로 이루어진 저온 상압 플라즈마 제트 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1,제2,제3챔버는 가스가 통하도록 다수의 미세타공을 형성한 제1,제2격벽으로 구획한 저온 상압 플라즈마 제트 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 제1격벽의 미세타공은 중심선을 따라 배열되고, 상기 제2격벽의 미세타공은 측변을 따라 배열한 저온 상압 플라즈마 제트 장치.
   
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 팁전극의 하단부를 상광하협인 콘 형태로 형성하는 저온 상압 플라즈마 제트 장치.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 석영튜브의 하단부를 상광하협인 콘 형태로 형성하는 저온 상압 플라즈마 제트 장치.

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