KR102502074B1 - 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있으며, 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력 범위를 조절 가능하게 되어 플라즈마 출력 최적화를 제공할 수 있는 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템에 관한 것이다.
본 발명을 통해 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
본 발명을 통해 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
Description
본 발명은 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있으며, 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력 범위를 조절 가능하게 되어 플라즈마 출력 최적화를 제공할 수 있는 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템에 관한 것이다.
현재, 실생활 특히 피부, 의료 산업분야에 적용되는 저온 대기압 플라즈마 기술개발에 있어 대표적인 전극형태가 면방전과 플라즈마 제트인데, 면방전에 비해 플라즈마 제트는 방전이 더 활발히 일어나고 처리해야 할 물체 또는 물질에 플라즈마 자체가 충분히 도달할 수 있으며 특정 가스 및 혼합가스를 사용하여 목적에 맞는 적절한 조성의 가스 활성종(reactive species)을 제어하여 만들 수 있어 그 활용도가 높은 플라즈마 소스이다.
플라즈마 제트의 전극형태는 외부전극이 씌워진 유전체관 내부에 관 또는 봉 형태의 내부전극이 설치되고 유전체관 또는 관 형태의 내부전극의 끝단이나 측면에서 가스가 공급되는 구조가 일반적이다.
특허문헌1의 경우, 방전불꽃을 제어하는 단일 플라즈마 제트의 전극 노즐구조에 대해 밝히고 있다.
이처럼, 단일 플라즈마 제트의 전극 노즐구조는 물체의 넓은 면적에 플라즈마 제트를 적용하기 불편하고, 단위시간당 처리 면적에 한계가 있다.
또한, 해당 물체의 넓은 면적 중 복수의 개소에 동시에 플라즈마 제트를 적용하기 위해서는 상기한 바와 같은 단일 플라즈마 제트의 전극 노즐구조를 복수로 사용해야 하는 불편함이 있기 때문에 작업성이 떨어진다.
따라서, 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있으며, 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력 범위를 조절 가능하게 하여 플라즈마 출력 최적화를 제공할 수 있는 기술이 필요하게 되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있도록 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력 범위를 조절 가능하게 되어 플라즈마 출력 최적화를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여,
본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템은,
내부 공간이 형성되어 있으며, 내부에 플라즈마스택볼륨DBDs부를 포함하고 있는 플라즈마건몸체(100);와
상기 플라즈마건몸체 내부에, 일렉트로드와 유전체를 1조로 하여 다수 적층되어 전원 인가시, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectic Barrier Discharge) 출력 전력이 각각의 일렉트로드와 유전체 사이에 각각 유도되는 플라즈마스택볼륨DBDs부(200);와
어느 일측에 가스를 공급하기 위한 에어컴프레샤(350)와 연결되고, 타측이 상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 가스를 공급하기 위한 가스공급부(300);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 전원을 공급하기 위한 전원공급부(400);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 부착되어 플라즈마 밀도를 감지하여 제어부로 제공하기 위한 플라즈마밀도감지센서부(500);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 전원, 가스를 제어하며, 감지된 플라즈마 밀도에 따라 인가되는 전원을 제어하기 위한 제어부(600);와
상기 제어부와 유무선 통신을 통해 연결되어 플라즈마건(토치)의 동작 상태를 모니터링하기 위한 모니터링부(1000);를 포함함으로써, 본 발명의 과제를 해결하게 된다.
본 발명에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템은,
플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
또한, 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력 범위를 조절 가능하게 되어 플라즈마 출력 최적화를 제공할 수 있게 된다.
또한, 원통형 토치(Torch) 구조로 사용상 안정도를 높이게 된다.
도 1은 종래의 플라즈마 DBDs의 면방전 형태를 나타낸 예시도이다.
도 2는 종래의 플라즈마 DBDs의 jet 발생 형태를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 볼륨 DBDs 제트 플라즈마 반응기를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 토치 형태를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템을 개략적으로 나타낸 계략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 플라즈마건몸체(100)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 고전압 발생 하프브리지 공진형 토폴로지 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 본체에 로봇 암과 플라즈마건이 연결된 개략 구성도이다.
도 2는 종래의 플라즈마 DBDs의 jet 발생 형태를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 볼륨 DBDs 제트 플라즈마 반응기를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 토치 형태를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템을 개략적으로 나타낸 계략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 플라즈마건몸체(100)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 고전압 발생 하프브리지 공진형 토폴로지 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 본체에 로봇 암과 플라즈마건이 연결된 개략 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 구성을 실시 예에 따라 자세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 설명에 앞서 플라즈마에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
플라즈마(Plasma)는 고체, 액체, 기체상태 다음의 제 4의 물질상태라고 불리는 전기를 띤 기체들의 집단을 의미하며, 플라즈마의 생성은 하전 입자를 전장(electric-field)에 의해 가속시켜 하전 입자에 에너지를 전달시킨 후 중성기체원자 또는 분자와의 충돌(비탄성충돌)에 의해 이온화시키는 과정을 통하여 이루어진다.
여기서 q는 전자, 이온, 중성원자, 광자 어느 것도 될 수 있으나 주로 전자가 이용되며 전체적으로는 전기적인 중성이지만 부분적으로는 이온화된 요소로 이루어진 상태를 의미한다.
플라즈마는 음의 전하를 갖는 전자, 양의 전하를 갖는 이온 및 다른 물질과 특히 산화반응을 잘하는 반응성 활성중성기체, 그리고 보통상태의 중성기체들로 구성된 물질이다.
열적 플라즈마 방전은 가스를 열을 이용하여 이온화를 하는 방법이고, 비열적 플라즈마 방법은 가스의 가열은 최소화하고 주로 전자를 가열하여 이온화 시키는 방법이다.
이때, 비열적 플라즈마 방법은 전자만 높은 온도를 지니고 있고 나머지 이온과 중성입자는 낮은 온도를 유지하여 열적 비평형이기 때문에 비평형 플라즈마(non-equilibrium plasma)라고 한다.
비열적 플라즈마의 생성은 평면으로 된 두 개의 도체를 일정거리 d 만큼 떨어트려 놓은 뒤 도체에 전압 V를 가해주면 전기장 E는 E=V/d인 조건으로 생성되며, 이때, 전압의 세기가 어느 정도 이상이 되면 하전입자(전자)는 전기장 E에 의해 가속되어 하전입자(전자)가 에너지를 전달받은 후 중성 기체원자 또는 분자와 충돌하며 원자 및 분자들은 이온화되며 전자와 이온 그리고 중성입자(분자와 원자)들이 혼합된 플라즈마 상태가 된다.
한편, 본 발명과 관련성이 있는 유전체 장벽방전(DBD)은 2개의 평행한 도체 전극 사이에 유전체를 구비하고, 도체 전극에 교류(AC)형 고전압을 인가하고 전극에 전압이 인가되면 전극 주변의 유전체로 전하 축적(build-up)현상이 생기고, 유전체에 쌓여 있던 전자가 방출되면서 전극들 사이에 많은 수의 마이크로 방전이 형성되고 마이크로 방전에 의해 형성되는 고농도 전자들에 의해, 전극사이에 라디칼(Radical) 및 이온들을 발생시키게 된다.
이와 같은 유전체 장벽 방전(DBD)에 사용되는 유전체는 절연성을 가지고 있으므로 전류를 제한하고 아크 형성을 방지하며, 유전성을 가지고 있으므로 전하축적을 가능하게 한다.
이때, 의료기에 적용되는 유전체 장벽방전(DBD) 플라즈마의 경우, 두 개의 전극과 유전체로 구성된 단순한 구조인 것을 특징으로 한다.
예를 들어, DBD의 한 쪽 전극에 교류(alternating current, AC) 또는 펄스(pulse) 형태의 전력을 인가하면 전극을 감싸고 있는 유전체에 전하(charge)가 축적되고 이후 전극의 극성이 바뀌면 유전체에 축적되었던 전하가 방출되면서 전극 사이에 플라즈마가 형성하게 된다.
DBD는 전력을 인가하지 않은 접지전극을 인체 피부로 대체하여도 플라즈마가 발생하며 이를 부유전극 DBD(floating electrode-DBD, FE-DBD)이라 한다.
상기 FE-DBD는 대기 중의 공기로도 방전이 가능하여 외부가스 주입 없이 피부 표면에서 플라즈마가 발생하고 플라즈마 발생 면적도 플라즈마 제트에 비해서 월등히 넓은 형태이고, 인체 피부의 멸균과 상처 치료에 플라즈마 기술을 적용하기 위해서는 수 mm 정도의 국소 면적이 아닌 비교적 넓은 면적에서 플라즈마를 발생시켜야 하기 때문에 DBD 플라즈마가 효과적일 수 있다.
한편, DBD 플라즈마 발생을 위한 유전체의 종류는 하기와 같다.
유전체부는 석영, 사파이어, 유리, 세라믹, 고분자필름, 폴리에터이미드(PEI) 등이 있으며, 신체 접촉을 강화하기 위해 poly-die-methyl-siloxane(PDMS), poly-tetra-fluoro ethylene(PTFE), poly-ethylene-terephthalate(PET) 등의 유연 유전체(flexible electrode)를 활용하게 된다.
이때, 유전체의 축전용량은 하기의 수학식 (1)과 같다.
여기서, 
은 진공의 유전율(permittivity) 
, k는 유전체의 유전상수(dielectric constant), A는 유전체의 면적, t는 두께를 의미한다.
또한, 플라즈마에 사용되는 가스는 Ar, O2, CF4, H2N2 등이 있다.
공정가스는 활성 또는 불활성 성질에 따라 플라즈마의 특성이 변화하므로 원하는 화학적 반응을 선택할 수 있다.
대부분의 불활성 가스들은 플라즈마 밀도를 높이거나, 반응 에너지를 전달하는 목적으로 사용되며, 특히 질소가스는 상처치유를 촉진하고 살균작용과 염증작용을 조절효과가 입증되어 실제 임상환자에 적용되고 있다.
질소가스에서 NO는 O2-와 결합하여 peroxynitrite를 형성하고 향균작용과 대식세포(macrophage, neutrophil)의 기능강화, 병원균에 치명적인 산소유리기(free oxygen radicals)가 유도되는 것으로 보고되어 중요한 인자로 보고되고 있다.
상처 치유 측면에서도 질소가스에서 형성되는 플라즈마가 상처부위의 미세혈액순환(microcirculation)을 촉진하고, 상처부위의 면역기능을 강화하고, 상처치유에 도움이 되는 각종 cytokine의 분비를 유도하고, 섬유아세포(fibroblast)와 각질세포(keratinocyte)의 증식과 콜라겐의 생성을 촉진하여 상처치유에 도움을 주게 된다.
한편, 종래에는 진공 chamber 내에서 플라즈마를 발생시켰으나 전기 전자 기술의 발달로 고압 고주파 회로의 구현이 가능해짐에 따라 대기압하에서도 플라즈마의 발생이 가능해짐으로써 진공유지를 위한 장비 비용을 줄일 수 있게 된다.
저온 대기압 방전 플라즈마의 특성은 전자온도가 0.7~1.8[eV]의 값을 가지며, 플라즈마 이온밀도는 
의 값을 가지게 된다.
저온 대기압 비평형 플라즈마는 대기압에서 펄스 코로나방전과 유전체 장벽방전으로 주로 발생하며 전자 에너지의 세기가 이온 및 중성입자 등의 에너지 보다 높게 유지되도록 즉 플라즈마가 비평형 상태를 유지하게 된다.
그리고, 대기압 플라즈마를 구현하는 방법으로는 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD), 코로나 방전(corona discharge), 마이크로웨이브 방전(microwave discharge), 아크방전(Arc discharge) 등의 기술이 있으며, 기존의 진공 플라즈마에 비해 100~1000배 이상 높은 반응 활성종(Radical)의 농도를 구현할 수 있고 온도가 상온 -150℃로 낮아 다양한 산업에 활용이 가능해 진다.
따라서, 전자온도 및 높은 이온밀도의 플라즈마에 의해서 발생되는 활성종들은 생물시료에 적용되어 생물학적인 효과를 기대할 수 있으며, 플라즈마가 박테리아 내 베타-락타마아제의 활동을 현저히 감소시킴으로써 박테리아를 비활성화시키는 것으로 실험결과 확인할 수 있다.
이러한 플라즈마의 특성과 생성방법의 발전에 의해 플라즈마는 산업의 여러 분야에서 이용되고 있으며, 이 기술을 이용한 미생물의 살균, 상처의 지혈, 치아 미백, 암세포 사멸유도 등 의학 분야에 실용적 시도가 크게 늘어나고 있으며, 특히 피부 치료에 플라즈마를 이용하는 기술은 다른 분야에 비해 일찍 그 가능성이 입증되었고, 심도 있는 연구가 진행되고 있다.
새로운 개념의 차세대 건강증진 및 질병치유의 목표를 가지고 플라즈마 바이오과학 및 의학이 새로이 전개되고 있으며 발전 중에 있으며 수술용 외상 치료 및 화상치료, 그리고 피부질환 제어 및 치료에 관한 플라즈마 의료기기 장비 제작도 매우 중요한 사업분야로 인식되고 있으며 암 세포 처리, 치아 미백, 상처 치유, 피부 재생, 세포 자극, 대상 물질의 분해 등으로 응용 범위가 확대되고 있다.
실제 의료현장에 투입하여 전기안전성 및 생물의학적 안전성을 확보하여 환자에게 적용 가능한 편리한 플라즈마 장치가 개발되어야 하며, 대기압 상태에서 작동하여야 하며, 생체조직에 열을 발생시키지 말아야 하며, 사용하기 간편한 플라즈마 소스 및 장치를 개발할 필요가 있다.
특히, 창상감염은 전체 의료관련 감염 중 약 15%를 차지하여 의료관련감염 중 3위를 차지할 정도로 중요하며, 미국에서는 수술을 시행한 환자의 약 2~5%에서 발생하고 15만 건의 수술이 매년 시행되어 그 중 30~50만 건의 수술 후 감염이 발생한다고 보고되고 있으며, 항생제가 임상의학에 도입된 지 불과 60여 년 만에 항생제 내성의 광범위한 출현은 각종 감염질환의 치료 실패와 치명적인 결과를 일으킨다.
창상피복제는 바이오 소재를 이용하여 손상된 피부 조직을 재생하도록 유도하는 치료법으로 알레르기반응 및 지속적인 드레싱으로 이차적인 감염이 발생할 수 있으므로 이를 극복하기 위해 병소 부위에 직접적으로 작용하여 감염에 대한 치료효과를 극대화할 수 있는 플라즈마 치료의 병행이 절실하게 필요하다.
즉, 밀도제어형 플라즈마 치료기를 통해 기존 제품의 성능을 확보하면서 정밀제어가 플라즈마 발생량이나 조사면적의 제어를 통해 이비인후과용 고성능 플라즈마 치료기가 필요하게 되었으며, 플라즈마 고밀도 제어를 위한 면방전과 플라즈마 제트의 결합형태로 플라즈마 토치설계가 필요하게 되었으며, 고전압 토폴로지의 스트링별 개별제어를 통한 플라즈마 밀도제어형 토폴로지 제어가 가능한 제어회로가 필요하게 되었으며, 향후 로봇치료기로 진화하기 위한 정밀위치선택이 가능한 Arm을 포함한 치료기를 통해 의료행위의 안정성 확보 및 치료효과 극대화를 위한 장치가 필요하게 되었으며, 모니터링 피드백과 상태감시 기술을 활용하여 플라즈마 출력 정확성 확보함으로서 오퍼레이터와의 교류가 필요하게 되었다.
도 1은 종래의 플라즈마 DBDs의 면방전 형태를 나타낸 예시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 플라즈마 DBDs의 면방전형태는 다양한 형태를 가지게 된다.
예를 들어, 도 1의 도면 (a)의 볼륨 DBDs는 하나 또는 두 개의 전극으로 구성되고 유전체 층은 가스갭을 분리하는 역할을 함께 수행하게 되는데, 노출된 전극은 침식이나 부식이 발생할 우려가 있다.
또한, 도 1의 도면 (b)와 (c)는 유전체의 표면에 발생하는 플라즈마의 면방전형태를 나타낸 것이고, 도면 (d)는 유전체 표면상의 가스방전이 메쉬로 된 전극상에 발생하는 마이크로방전 형태를 나타낸 것이다.
도 2는 종래의 플라즈마 DBDs의 jet 발생 형태를 나타낸 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 플라즈마 DBDs의 제트발생 형태는 다양한 형태를 가지게 된다.
예를 들어, 도 2의 도면 (a)나 (b)와 같은 가스처리를 위한 반응기의 형태는 동축 전극배열로 구성된 원통형 구조가 일반적으로 적용되고 있으며 절연체의 튜브는 전극을 덮는 역할을 하고 있으며, 도면 (c)는 더블 슬릿 리니어 DBD 베이스의 플라즈마 제트 형태를 나타낸다.
이때, 전극은 금속전극으로 내부와 외부의 유전체 벽에 전극을 참전시키거나 붙여진 금속막의 형태의로 사용되기도 하며 메쉬형태로 이용되기도 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 볼륨 DBDs 제트 플라즈마 반응기를 나타낸 예시도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)는 기존의 플라즈마 면발생 모듈구조와 플라즈마 제트 구조를 기능적으로 조합하여 최적 설계를 통해 의료기기에 최적화된 스택 볼륨 DBDs구조를 완성하게 되었다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 토치 형태를 나타낸 예시도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)는 플라즈마건몸체 내부에, 일렉트로드와 유전체를 1조로 하여 다수 적층되어 전원 인가시, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectic Barrier Discharge) 출력 전력이 각각의 일렉트로드와 유전체 사이에 각각 유도되는 기능을 수행하게 된다.
상기와 같이 구성하게 되면, 플라즈마가 발생할 경우에 발생된 플라즈마 영역의 하전 입자들로부터 절연체 음극위에 전하가 축적되기 시작하여 플라즈마 영역에 걸리는 전압은 감소하고 절연체 음극에 걸리는 전압은 증가하기 시작하게 된다.
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)는,
도 4에 도시한 바와 같이, 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조로 제조됨으로써, 개별 제어가 가능한 스택 구조를 제공하게 되어 볼륨의 확장이 용이한 것을 특징으로 한다.
예를 들어, 중앙부위에 하측부터 일렉트로드, 유전체, 일렉트로드, 유전체, 일렉트로드를 형성하고, 중앙부위의 좌측 및 우측에는 최하측 유전체에서 일정 이격되 거리에 일렉트로드를 구성하고, 상측으로 일정 간격 유전체, 일렉트로드를 구성함으로써, 전체 형상이 방사형 구조를 이루도록 하는 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템을 개략적으로 나타낸 계략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템의 플라즈마건몸체(100)를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템은,
내부 공간이 형성되어 있으며, 내부에 플라즈마스택볼륨DBDs부를 포함하고 있는 플라즈마건몸체(100);와
상기 플라즈마건몸체 내부에, 일렉트로드와 유전체를 1조로 하여 다수 적층되어 전원 인가시, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectic Barrier Discharge) 출력 전력이 각각의 일렉트로드와 유전체 사이에 각각 유도되는 플라즈마스택볼륨DBDs부(200);와
어느 일측에 가스를 공급하기 위한 에어컴프레샤(350)와 연결되고, 타측이 상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 가스를 공급하기 위한 가스공급부(300);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 전원을 공급하기 위한 전원공급부(400);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 부착되어 플라즈마 밀도를 감지하여 제어부로 제공하기 위한 플라즈마밀도감지센서부(500);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 전원, 가스를 제어하며, 감지된 플라즈마 밀도에 따라 인가되는 전원을 제어하기 위한 제어부(600);와
상기 제어부와 유무선 통신을 통해 연결되어 플라즈마건(토치)의 동작 상태를 모니터링하기 위한 모니터링부(1000);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 설명하자면, 플라즈마건몸체(100)를 구성하게 되는데, 여기에는 내부 공간이 형성되어 있으며, 내부에 플라즈마스택볼륨DBDs부를 포함하고 있게 된다.
또한, 트리거 신호를 제공하기 위한 온오프버튼을 하측에 형성하여 온오프버튼을 누름으로써, 트리거 신호를 제공하여 동작하도록 하게 된다.
그리고, 상기 플라즈마건몸체 내부에는 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)를 형성하게 된다.
이때, 상기 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)는 일렉트로드와 유전체를 1조로 하여 다수 적층되어 전원 인가시, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectic Barrier Discharge) 출력 전력이 각각의 일렉트로드와 유전체 사이에 각각 유도하는 기능을 수행하게 된다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 가스공급부(300)를 상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결하고, 동작될 경우에 가스를 공급하게 되는 것이다.
또한, 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 전원을 공급하기 위한 전원공급부(400)를 일측에 형성하게 된다.
이때, 플라즈마밀도감지센서부(500)를 플라즈마스택볼륨DBDs부에 부착하여 플라즈마 밀도를 감지하여 제어부로 제공하게 되는 것이다.
이때, 제어부(600)는 상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 전원, 가스를 제어하며, 감지된 플라즈마 밀도에 따라 인가되는 전원을 제어하기 위한 기능을 수행하게 된다.
한편, 상기 제어부(600)는,
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 전원, 가스를 제어하며, 감지된 플라즈마 밀도에 따라 인가되는 전원을 제어하기 위한 기능을 수행하게 된다.
상기와 같은 기능을 수행하기 위하여 제어부(600)는, 플라즈마밀도감지센서부(500)에 의해 감지된 플라즈마 밀도값을 분석하여 가스 공급 압력을 제어하기 위한 플라즈마밀도제어처리부(610);
스트링 기반의 개별 제어를 수행하며, PWM신호를 발생시키며, 밀도를 가변하기 위해 Duty cycle을 변화시켜 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 고전압을 가변하는 스트링제어처리부(620);
상기 플라즈마밀도제어처리부(610) 및 스트링제어처리부(620)에 의해 처리된 제어 정보를 모니터링부로 제공하기 위한 제어정보전송부(630);를 포함하여 구성하게 된다.
구체적으로 설명하면, 플라즈마밀도제어처리부(610)는 플라즈마밀도감지센서부(500)에 의해 감지된 플라즈마 밀도값을 분석하여 가스 공급 압력을 제어하게 되는데, 예를 들어, 2 개 이상의 가스를 공급하게 되면 가스 공급의 압력을 제어하게 되면 이에 따른 플라즈마 밀도값이 변화하게 된다.
따라서, 설정된 밀도값을 초과할 경우에는 가스 공급 압력을 낮추어 설정된 밀도값을 유지하여 토출될 수 있도록 하며, 미만일 경우에는 가스 공급 압력을 높여 설정된 밀도값을 유지하여 토출될 수 있도록 하는 것이다.
상기 스트링제어처리부(620)는 스트링 기반의 개별 제어를 수행하며, PWM신호를 발생시키며, 밀도를 가변하기 위해 Duty cycle을 변화시켜 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 고전압을 가변하는 기능을 수행하게 된다.
상기와 같은 기능을 수행하기 위하여, 바람직하게는 도 7에 도시한 바와 같이, 고전압 발생 하프브리지 공진형 토폴로지를 적용하게 된다.
구체적으로, 10kv 이상의 고전압 출력을 유지하고, 교류 5 ~ 10khz 주파수, 소프트 스위칭 안정화를 위하여 고전압 발생 하프브리지 공진형 토폴로지를 적용하게 된다.
예를 들어, 플라즈마 브러시 전극 단계는 Ceq와 Req가 직렬로 되어 있고 전극 사이의 간격에 존재하는 용량성 부하로 간주되는 플라즈마 발생 플레이트의 등가 회로를 나타낸 것이다.
이때, 제어부에는 고전압 발생 하프브리지 공진형 토폴로지를 적용되기 때문에 SW3의 PWM신호를 발생시키며 밀도를 가변하기 의해 Duty cycle을 변화시켜 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 고전압을 가변하게 되는 것이다.
상기 모니터링부(1000)는 상기 제어부와 유무선 통신을 통해 연결되어 플라즈마건(토치)의 동작 상태를 모니터링하기 위한 기능을 수행하게 된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 별도의 몸체를 구성하고, 해당 몸체 내부에 가스를 공급하기 위한 에어컴프레샤(350)를 형성하고, 어느 일측에는 로봇 암(130)이 연결되어 있도록 한다.
이때, 상기 몸체의 전방에 모니터링부(1000)를 형성함으로써, 플라즈마건(토치)의 동작 상태를 모니터링할 수 있도록 하는 것이다.
예를 들어, 플라즈마 출력의 최대값이 교류 10kV, 25W 이하이며, 설정값의 ±0.5W 이내로 설정하였다면, 해당 설정값을 유지하고 있는 지를 모니터링할 수 있도록 구성한 것이다.
한편, 부가적인 양상에 따라, 상기 플라즈마건몸체(100)에는,
로봇 암(130)과 연결하기 위한 암바디부(150);를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 로봇 암(130)과 연결되는 암바디부(150)를 플라즈마건몸체(100)에 형성함으로써, 정밀 위치선택이 가능한 의료행위가 가능하게 됨으로써, 이에 따른 의료 행위 안정성 확보 및 치료효과 극대화를 제공할 수 있게 된다.
상기와 같이, 구성하게 되면, 플라즈마스택볼륨DBDs부는 교류에서 유전체 판과 전극의 스택구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있으며, 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력범위를 조절 가능한 구조로서, 플라즈마 출력을 최적화할 수 있게 된다.
또한, 방사형구조의 플라즈마 발생 반응기를 배열하여 개별적으로 제어되는 스택구조를 제공하기 때문에 향후 볼륨의 확장성을 제공할 수 있게 된다.
또한, 원통형 토치(Torch)구조로서, 사용상 안정도를 높일 수 있게 된다.
또한, 플라즈마 발생장치의 밀도를 제어할 수 있게 되는데, 예를 들어, 반응기 내측에 플라즈마밀도감지센서부를 구성하여 플라즈마 밀도를 측정 및 검출하여 피드백 제어하게 된다.
즉, PWM제어 피드백 제어를 통한 인가 전력을 제어함으로서 전력밀도 제어함과 동시에 센서와 전기적인 파라미터 검출을 함께 고려한 복합 센서를 활용한 시스템을 제공할 수 있게 된다.
본 발명을 통해, 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조의 플라즈마스택볼륨DBDs부를 제공함으로써, 교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있는 효과를 제공하게 된다.
이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 플라즈마건몸체
200 : 플라즈마스택볼륨DBDs부
300 : 가스공급부
400 : 전원공급부
500 : 플라즈마밀도감지센서부
600 : 제어부
1000 : 모니터링부
200 : 플라즈마스택볼륨DBDs부
300 : 가스공급부
400 : 전원공급부
500 : 플라즈마밀도감지센서부
600 : 제어부
1000 : 모니터링부
Claims (5)
- 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템에 있어서,
로봇 암(130)과 연결하기 위한 암바디부(150);와
내부 공간이 형성되어 있으며, 내부에 플라즈마스택볼륨DBDs부;를 포함하고 있는 플라즈마건몸체(100);와
상기 플라즈마건몸체 내부에, 일렉트로드와 유전체를 1조로 하여 다수 적층되어 전원 인가시, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectic Barrier Discharge) 출력 전력이 각각의 일렉트로드와 유전체 사이에 각각 유도되는 플라즈마스택볼륨DBDs부(200);와
어느 일측에 가스를 공급하기 위한 에어컴프레샤(350)와 연결되고, 타측이 상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 가스를 공급하기 위한 가스공급부(300);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 연결되어 전원을 공급하기 위한 전원공급부(400);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 부착되어 플라즈마 밀도를 감지하여 제어부로 제공하기 위한 플라즈마밀도감지센서부(500);와
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 전원, 가스를 제어하며, 감지된 플라즈마 밀도에 따라 인가되는 전원을 제어하기 위한 제어부(600);와
상기 제어부와 유무선 통신을 통해 연결되어 플라즈마건(토치)의 동작 상태를 모니터링하기 위한 모니터링부(1000);를 포함하여 구성되며,
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)는,
플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조로 제조됨으로써, 개별 제어가 가능한 스택 구조를 제공하게 되어 볼륨의 확장이 용이한 것을 특징으로 하며,
상기 제어부(600)는,
플라즈마밀도감지센서부(500)에 의해 감지된 플라즈마 밀도값을 분석하여 가스 공급 압력을 제어하기 위한 플라즈마밀도제어처리부(610);
스트링 기반의 개별 제어를 수행하며, PWM신호를 발생시키며, 밀도를 가변하기 위해 Duty cycle을 변화시켜 플라즈마스택볼륨DBDs부에 공급되는 고전압을 가변하는 스트링제어처리부(620);
상기 플라즈마밀도제어처리부(610) 및 스트링제어처리부(620)에 의해 처리된 제어 정보를 모니터링부로 제공하기 위한 제어정보전송부(630);를 포함하여 구성되며,
상기 플라즈마 면 방전 방식과 플라즈마 제트 방식을 혼용한 방사형 구조는,
중앙부위에 하측부터 일렉트로드, 유전체, 일렉트로드, 유전체, 일렉트로드를 형성하고, 중앙부위의 좌측 및 우측에는 최하측 유전체에서 일정 이격되 거리에 일렉트로드를 구성하고, 상측으로 일정 간격 유전체, 일렉트로드를 구성함으로써, 전체 형상이 방사형 구조를 이루도록 하는 것을 특징으로 하며,
상기 유전체 사이의 간격을 조정하여 출력 범위를 조절 가능하게 되어 플라즈마 출력 최적화를 제공하는 것을 특징으로 하며,
상기 플라즈마스택볼륨DBDs부(200)는,
교류에서 유전체 판과 전극의 스택 구조를 통해 플라즈마 발생량을 극대화할 수 있는 것을 특징으로 하며,
상기 제어부(600)는,
고전압 가변을 위하여 고전압 발생 하프브리지 공진형 토폴로지를 적용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템.
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Priority Applications (1)
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| KR1020200110240A KR102502074B1 (ko) | 2020-08-31 | 2020-08-31 | 플라즈마 스택 볼륨 유전체 장벽 방전형 플라즈마 발생시스템 |
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2020
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