KR20140060277A - 플라즈마의 유동을 제공하기 위한 장치 - Google Patents

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KR20140060277A
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토마스 빅포드 올베헤
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린데 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 치료 영역의 치료를 위한 활성종을 포함하는 가스상 플라즈마를 주위 대기압에서 형성하기 위한 장치(10)를 제공한다. 장치는 치료 영역을 치료하기 위한 가스상 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 셀(12)을 포함한다. 플라즈마 셀은 공급원(18)으로부터 가스를 수용하기 위한 입구(16), 및 셀 내에 발생된 활성종을 방출하기 위한 출구(20)를 포함한다. 폴리이미드로 제조된 유전체 기판(22)이 입구로부터 출구로 운반되는 가스를 위한 유동 경로 둘레에 둘러싸이고, 유동 경로를 따른 가스에 에너지를 공급하여 활성종을 형성하기 위해 전극(26)이 유전체 기판 상에 형성된다. 플라즈마 셀(12) 내에 발생된 활성종과 유전체 기판(22)의 재료의 반응을 저지하기 위해 보호 코팅 또는 라이닝(32)이 유전체 기판(22)의 내측 표면 상에 위치된다.

Description

플라즈마의 유동을 제공하기 위한 장치{DEVICE FOR PROVIDING A FLOW OF PLASMA}
본 발명은 대기 플라즈마의 유동을 제공하기 위한 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 그러한 장치의 플라즈마 셀(plasma cell)에 관한 것이다.
저온 가스 플라즈마(non-thermal gas plasma)의 발생을 위한 시스템이 알려져 있으며, 인간 또는 동물 신체의 치료를 위한 산업 분야, 치과 분야, 의료 분야, 미용 분야 및 수의학 분야와 같은 다수의 분야에서 유용성을 갖는다. 저온 가스 플라즈마 발생은 상당한 열적 조직 손상을 야기함이 없이 혈액의 응고, 세정, 살균, 및 표면으로부터의 오염물의 제거, 소독, 조직의 재연결, 및 조직 질환의 치료를 촉진하기 위해 채용될 수 있다. 환자에 대해 허용가능할 수 있기 위해, 이온 및 비-이온화 가스를 포함하는 대기 플라즈마 유동은 용인가능한 온도로, 바람직하게는 약 40℃ 미만으로 유지되어야 한다.
그러한 플라즈마 장치에서, 전력을 보전하고 치료 영역으로 전달되는 플라즈마 내의 활성종(active species)(예를 들어, OH 라디칼)의 양을 증가시키는 동시에 또한 가스 소비량을 보전하는 것이 추가로 바람직하다.
플라즈마 전달 장치 내의 개선된 플라즈마 셀을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명은, 치료 영역의 치료를 위한 활성종(active species)을 포함하는 가스상 플라즈마(gaseous plasma)를 주위 대기압에서 형성하기 위한 장치에 있어서, 장치는 치료 영역을 치료하기 위한 가스상 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 셀(plasma cell)을 포함하고, 플라즈마 셀은 공급원으로부터 가스를 수용하기 위한 입구 및 셀 내에 발생된 활성종을 방출하기 위한 출구, 입구로부터 출구로 운반되는 가스를 위한 유동 경로 둘레에 둘러싸인 폴리이미드로 제조된 유전체 기판(dielectric substrate), 및 유동 경로를 따른 가스에 에너지를 공급(energising)하여 활성종을 형성하기 위해 유전체 기판 상에 형성된 전극을 포함하며, 유전체 기판을 활성종과의 반응으로부터 보호하기 위해, 유전체 기판의 내측 표면 상에 유전체로 제조된 보호 코팅이 형성되는, 가스상 플라즈마를 형성하기 위한 장치를 제공한다.
보호 코팅은 활성종과 대체로 비반응성(un-reactive)인 PTFE, FEP 또는 실리콘 고무 중 하나로부터 선택되는 재료로 제조될 수 있다.
전극은 유전체 전기 전도성 재료를 기판 상에 패턴화(patterning)함으로써 형성될 수 있다.
이 점에 있어서, 전극은 인쇄될 수 있거나, 유전체 기판 상에 전사되는 섬유질 매트릭스(fibrous matrix)로 형성될 수 있다.
유전체 기판은 바람직하게는 가요성이며, 유동 경로를 한정하도록 형상화된다. 유전체 기판은 유동 경로를 둘러싸는 가요성 관에 의해 형성될 수 있다.
유전체로 제조된 보호 시스(protective sheath)가 유전체 기판 및 전극 둘레에 형성될 수 있다.
장치는 복수의 상기 플라즈마 셀을 갖는 플라즈마 셀 어레이(array)를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한 그러한 장치를 위한 플라즈마 셀을 제공한다.
본 발명에 따른 장치는 폴리이미드로 제조된 유전체 기판 상에 전극을 형성하고, 셀 입구로부터 셀 출구로의 가스를 위한 유동 경로를 형성하도록 유전체 기판을 구성하고, 활성종과의 반응으로부터 기판을 보호하기 위해 유전체 기판의 내측 표면 상에 보호 유전체 코팅을 형성함으로써 제조될 수 있다.
전극은 유전체 기판 상에 패턴화될 수 있다.
패턴화된 전극은 인쇄에 의해 유전체 기판 상에 침착될 수 있거나, 유전체 기판 상에 전사되는 섬유질 매트릭스로 형성될 수 있다.
유전체 기판은 가요성이며, 기판 상에의 전극의 형성 후에 전극은 입구와 출구 사이의 유동 경로를 둘러싸도록 형상화된다.
유전체 기판은 장치 내부의 이전의 것의 형상과 부합하도록 형상화될 수 있다.
보호 코팅은 셀 내에 발생되는 활성종과 대체로 비반응성인 재료로 제조될 수 있다.
방법은 유전체 기판 및 패턴화된 전극 둘레에 유전체로 제조된 보호 시스를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명이 보다 명확히 이해될 수 있도록, 단지 예로서 제공되는 본 발명의 몇몇 실시예가 이제 첨부 도면을 참조하여 보다 상세히 기술될 것이다.
도 1은 플라즈마를 형성하기 위한 장치를 도시하는 도면,
도 2는 장치의 플라즈마 셀을 보다 상세히 도시하는 도면,
도 3a는 플라즈마 셀을 사시도로 도시하고, 도 3b는 플라즈마 셀을 종단면도로 도시하고, 도 3c는 횡단면도로 도시하고, 도 3d는 셀의 전극을 도시하는 도면,
도 4a는 플라즈마 셀을 사시도로 도시하고, 도 4b는 플라즈마 셀을 종단면도로 도시하고, 도 4c는 횡단면도로 도시하고, 도 4d는 플라즈마 셀을 평면도로 도시하는 도면,
도 5는 플라즈마 셀을 부분 절단도로 도시하는 도면,
도 6은 플라즈마 셀 어레이를 갖는 장치를 도시하는 도면.
도 1을 참조하면, 치아와 같은 인간 또는 동물 신체의 일부분일 수 있는 치료 영역의 치료를 위한 플라즈마의 유동을 제공하기 위한 장치(10)가 도시되어 있다. 장치는, 주위 대기압에서, 치료 영역을 치료하기 위해 노즐(14)을 통해 방출되는 활성종을 포함하는 가스상 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 셀(12)을 포함한다. 압력은 엄밀한 주위 대기압을 유지하도록 제어될 필요는 없지만, 도 1의 예에서 상당한 양압 또는 음압은 일반적으로 회피되어야 한다.
플라즈마 셀(12)은 공급원(18)으로부터 가스를 수용하기 위한 입구(16), 및 셀 내에 발생된 활성종을 방출하기 위한 출구(20)를 포함한다. 유전체 기판(22)이 입구로부터 출구로 운반되는 가스를 위한 유동 경로(24) 둘레에 둘러싸인다. 전극(26)이 유전체 기판의 외측 표면 상에 형성되고, 유동 경로를 따른 가스에 에너지를 공급하여 활성종을 형성하기 위해 전기 커넥터(30)에 의해 전력원(28)에 연결된다. 전극(26)은 기판 내에 매설되거나 기판 사이에 개재될 수 있다. 전력원은 셀 내의 가스에 에너지를 공급하기에 적합하게 높은 전압 및 주파수, 예를 들어 100 MHz에서 2.5 kV RMS로 전극을 구동시키도록 설계되지만, 전도성 경로가 기판을 통해 형성되는 것을 회피하기 위해 전압은 유전체 기판의 유전 강도를 초과하지 않아야 한다. 전력원은 또한 전극 구성에 과부하(overload)가 걸리지 않도록 구성되어야 하는데, 과부하는 패턴화된(patterned) 전극 구성의 트랙트(tract)의 용융 및 그로 인한 단락을 야기한다. 하우징(29)이 장치의 구성요소를 수용한다.
플라즈마 셀을 통해 취한 확대 단면도 II가 도 2에 도시되어 있다. 전극(26)은 이 예에서 나선의 형태를 취하며, 대체로 원통형인 유전체 기판(22)의 외측 표면 상에 전사된다. 전극은 플라즈마 셀 내에 대체로 균일한 전기장을 생성하도록 규칙적 패턴을 갖는다. 셀(12) 내에 발생되는 활성종과 유전체 기판(22)의 반응을 저지하기 위해 보호 라이닝(32)이 유전체 기판의 내측 표면 상에 위치된다. 허용되는 경우 그러한 반응은 유전체 기판을 열화시켜 그것의 전기적 절연 특성 또는 유전 강도를 감소시키고, 전극과 셀 내의 가스 사이의 전기적 전도를 야기할 것이다. 그러한 전도는 아크 발생으로 이어질 수 있으며, 이러한 아크 발생은 플라즈마를 가열하고, 전력을 소모시키며, 바람직하지 않은 활성종을 생성할 수 있다. 보호 시스(sheath)(34)가 전극 및 유전체 기판을 둘러싸고, 내부 셀 구성요소를 물리적 손상으로부터 보호한다. 시스는 이러한 예에서 플라즈마 셀에 대해 외부에 있는 영역을 고전압에 대한 노출로부터 보호하는 유전체로 제조된다. 플라즈마 셀에 대해 외부에 있는 영역은 전형적으로 공기를 포함하며, 고전압은 시스에 의해 보호되지 않는다면 공기 중의 산소에 에너지를 공급함으로써 오존을 생성할 것이다.
보호 라이닝에 의해 제공되는 보호는, 유전체 기판용 재료의 선택이 보호 라이닝의 부재 시에 그러할 것보다 더 넓다는 것을 의미한다. 후자의 경우에, 기판은 그것의 요구되는 전기적 특성에 추가해 셀 내에 발생되는 활성종과 비반응성일 것이 필요할 것이다. 활성종은 플라즈마가 그로부터 발생되는 공급원 가스에 좌우되며, 아르곤 또는 질소일 수 있다. 따라서, 기판은 적합한 전기적 특성을 갖지만 활성종과 대체로 반응성인 폴리이미드로 제조될 수 있다. 보호 라이닝은 활성종과 대체로 비반응성인 PTFE, FEP 또는 실리콘 고무와 같은 재료로 제조될 수 있다. 셀의 복합 구조는, 요구되는 전기적 특성을 갖지만 사용 동안에 크게 열화되지 않을 배열을 제공한다.
유전체 기판은 임의의 적합한 유전체 매체로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 5 mm 미만, 바람직하게는 2 mm 미만, 그리고 보다 바람직하게는 1 mm 미만 두께로 얇다. 셀 내의 방전 가스를 가로질러 발생되는 전기장은 두께 증가에 의해 감소되기 때문에, 얇은 기판은 더 높은 세기의 전기장이 감소된 전력 소비량으로 발생되는 것을 허용한다. 그러나, 많은 유전체 매체가 챔버 내에 대기 플라즈마를 발생시키기에 충분히 높은 전기장에 노출될 때 특히 얇은 경우 파손을 저지하기에 불충분한 강도를 갖는다는 것을 알게 될 것이다. 따라서, 선택되는 유전체 기판의 유전 강도는 전극으로부터 셀 내의 가스로의 상당한 전기적 전도를 저지하기에 충분해야 한다. 유전체 재료는 양호한 전기적 특성을 갖고 가요성 재료인 폴리이미드일 수 있으며, 가요성 재료라는 것은 하기에 보다 상세히 기술되는 바와 같이 그것이 다수의 상이한 형상 중 임의의 하나로 구성될 수 있다는 것을 의미한다.
폴리이미드는 이미드 단량체의 중합체이다. 폴리이미드는 경량이고, 가요성이며, 열 및 화학물질에 대한 저항력이 있으며, 높은 유전 강도를 갖고, 인쇄 전기 구성요소를 위한 기판으로서 역할을 할 수 있다. 본 발명에 사용하기에 적합한 폴리이미드 및 그것의 제조가 예를 들어 미국 특허 제 3 179 634 호에 기술되어 있다. 폴리이미드를 제조하기 위한 잘 알려진 절차는 2단계 폴리(아미드산) 공정인데, 이 공정은 N,N-다이메틸아세트아미드(DMAc) 또는 N-메틸피롤리돈(NMP)과 같은 쌍극성 아프로틱 용매(dipolar aprotic solvent ) 중에서 주위 조건에서 이무수물과 다이아민을 반응시켜 대응하는 폴리(아미드) 산을 생성하는 것을 수반한다. 이러한 산은 이어서 최종 폴리이미드로 환화된다(cyclised). 그러한 폴리이미드는 특히 상표 캡톤(KAPTON)으로 시판된다. 캡톤 제품에 가장 널리 사용되는 폴리이미드는 단량체 피로멜리트산 이무수물 및 4,4' -옥시다이아닐린을 이용하는 것으로 여겨진다.
일부 시판되는 폴리이미드 제품은 다른 플라스틱 재료를 갖는 라미네이트(laminate)이다. 그러한 라미네이트는 미국 특허 제 3 616 177 호 및 미국 특허 공개 제 2005/0013988 A 호에 개시되어 있다. 후자의 문헌은 특히 폴리이미드 코어 층 및 고온 플루오로중합체 결합 층을 포함하는 유전체 기판에 관한 것이다.
휨 강도를 향상시키기 위해 폴리이미드를 흑연 또는 유리 섬유와 배합하고, 열 전도율(thermal conductivity)을 향상시키기 위해 금속과 배합하는 것이 또한 알려져 있다. 전기 코로나 방전에 대해 저항력이 있는 등급의 폴리이미드를 제공하는 것이 또한 알려져 있다. 예를 들어, 그러한 제품은 캡톤 씨알(KAPTON CR) 및 캡톤 에프씨알(KAPTON FCR)로 구매가능하다. 코로나 방전-저항성 형태의 폴리이미드는 예를 들어 미국 특허 제 3 389 111 호로부터 알려져 있다. 거기에 개시된 조성물은 소정의 유기-금속 화합물, 특히 원소주기율표의 IVb족 및 Vb족으로부터 선택되는 원소의 방향족, 지방족 또는 방향성 지방족 화합물 및 철을 함유하며, 여기서 금속은 탄소를 통해 분자의 유기 부분에 결합된다.
다른 적합한 폴리이미드는 카네카 텍사스 코포레이션(Kaneka Texas Corporation)에 의해 제조된 AF 유형의 방향족 폴리이미드인 애피컬(APICAL) 폴리이미드 필름이다. 이러한 폴리이미드는 선택되는 특정 필름에 따라 118 내지 197 kV/mm의 유전 강도를 갖는다.
전극은 구리로 제조되고, 침착(deposition) 또는 에칭과 같은 인쇄 회로 기판(printed circuit board)의 제조에 사용되는 기술에 의해 유전체 기판 상에 인쇄될 수 있다. 그러나, 전극 패턴은 플라즈마 셀 내에 고 전기장을 발생시키도록 구성되는 반면, PCB에서는 고 전기장이 일반적으로 바람직하지 않다. 또한, PCB에서, 배선은 기판의 일 면(side) 상에 형성되고, 상호접속 비아(via)에 의해 기판의 다른 면 상에 위치된 구성요소 사이에 전기 신호를 전달하는 데 주로 사용되는 전기 전도체로서 역할을 한다. 본 발명에서, 전극 패턴은 신호를 전달하지 않으며, 예를 들어 1 kV(또는 훨씬 더 큰)의 고 전위와 함께 사용되도록 설계된다.
보호 시스는 한편으로는 전극 패턴 및 기판과 장치 내의 주위 조건 사이의 물리적 배리어(barrier)를 구성하고, 또한 셀을 대체로 원통형인 구성 또는 다른 원하는 구성으로 유지하는 구조적 지지를 제공한다. 따라서, 보호 시스는 폴리에테르 블록 아미드와 같은 열가소성 물질로 제조될 수 있다. 보호 시스는 또한 바람직하게는 전극과 플라즈마 셀의 외부 사이의 전기 절연을 제공하는 유전체이다. 대안적으로, 유전체 층이 유전체 기판 및 전극을 오버레이(overlay)할 수 있고, 하나 이상의 다른 층이 유전체 층을 오버레이할 수 있다.
하나 이상의 접착제 층, 하나 이상의 추가의 전극 패턴, 또는 하나 이상의 유전체 층과 같은 추가의 층이 라미네이팅된 플라즈마 셀 내에 제공될 수 있다.
도 3을 참조하면, 플라즈마 셀(40)이 보다 상세히 도시되어 있으며, 여기서 상기 또는 각각의 전극이 인쇄에 의해, 예를 들어 침착 또는 에칭에 의해 유전체 기판에 전사된다. 유사한 도면 부호가 위에서 논의된 유사한 특징부를 지시하는 데 사용될 것이며, 간결함을 위해 다시 설명되지 않을 것이다. 셀(40)은 제 1 전극(42) 및 제 2 전극(44)을 포함하며, 이들 둘 모두는 PCB의 제조에 있어서 공지된 인쇄 기술에 의해 유전체 기판(46) 상에 인쇄된다. 제 2 유전체 층(48)이 패턴화된 전극을 덮으며, 셀을 보호하고 전기적으로 절연시킨다. 가스 도관(49)이 가스의 공급원으로부터 플라즈마 셀로 가스를 운반한다. 도면의 간략함을 위해 도 3에는 보호 라이닝이 도시되어 있지 않다.
플라즈마 셀의 제조의 바람직한 방법에서, 전극(들)(42, 44)이 폴리이미드와 같은 대체로 평면형인 유전체 기판 상에 인쇄되며, 이 유전체 기판은 가요성이어서, 인쇄 후에 기판은 이 예에서 셀 출구(20)를 형성하는 테이퍼 형성된 전방 부분을 갖는 원통인 원하는 구성으로 형성될 수 있다. 대체로 직사각형인 평면형 기판이 원통으로 형성되고, 이어서 기판의 종방향 측부가 접합 및 고정되어 기판을 원통형 구성으로 고정시킨다. 이 점에 있어서, 평면형 기판 상에의 전극(들)의 인쇄는 원통형 기판 상에 인쇄하는 것에 의하는 것보다 더 용이하고 저렴하게 달성되며, 표준 PCB 제조 설비가 평면형 기판 상에 인쇄하는 것에 이용가능하다. 그러나, 물론, 본 발명은 원통형 기판 상에 전극을 인쇄하거나 달리 패턴화하는 것을 배제하지 않는다.
가요성 전자 회로, 또는 이른바 플렉스 회로(flex circuit)가 다른 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들어 카메라 및 휴대 전화에 사용된다. 그러한 분야에서, 전자 구성요소가 폴리이미드, PEEK 또는 투명 전도성 폴리에스테르 필름과 같은 가요성 플라스틱 기판 상에 장착된다. 추가로, 플렉스 회로는 폴리에스테르 상의 스크린 인쇄된 은(silver) 회로일 수 있다. 이들 가요성 인쇄 회로(flexible printed circuit, FPC)는 전형적으로 포토리소그래피(photolithography)에 의해 제조된다. 가요성 포일(foil) 회로를 제조하는 대안적인 방법은 PET의 2개의 층 사이에 매우 얇은(예를 들어, 0.07 mm) 구리 스트립을 라미네이팅하는 것이다. 전형적으로 0.05 mm 두께인 이들 PET 층은 열경화성인 접착제로 코팅되며, 라미네이션 공정 동안에 활성화될 것이다. 이들 기술은 본 발명의 플라즈마 셀의 제조에 사용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 플라즈마 셀의 전극 배열은 높은 전압(예를 들어, 1 내지 3 kV) 및 높은 주파수(예를 들어, 100 kHz 초과)를 운반하도록 설계되는 반면, 공지의 가요성 회로 기판은 낮은 주파수에서 낮은 전위를 운반하도록 설계된다는 것을 알게 될 것이다.
유전체 기판의 가요성은 그것이 장치 내부의 이전의 것과 부합하도록 형상화될 수 있음을 의미한다. 이전의 것은 예를 들어 노즐 부착의 석영 관 또는 부품일 수 있다. 이러한 기판 가요성은 플라즈마 셀을 장치 내에 위치설정하기 위한 더 많은 여지를 허용하여서, 공간의 보다 효율적인 사용으로 이어지고, 장치의 크기의 감소 또는 바람직한 경우 전원과 같은 장치 내의 다른 구성요소의 크기의 허용가능한 증가에 기여한다.
도 3에 도시된 예에서, 2개의 전극이 도시되어 있으며, 전기 커넥터(52, 54)에 의해 전력의 공급원에 연결된다. 커넥터 및 전극 패턴은 도 3d에서 가장 명확히 볼 수 있으며, 이 도면에서 셀의 다른 구성요소는 제거되었다. 패턴은 셀 내에서의 활성종의 발생을 향상시키도록 구성되며, 코일, 지그재그 또는 곡선 트랙과 같은 임의의 적합한 형상으로 이루어질 수 있다. 패턴의 인쇄는 상당한 비용 없이 그리고 트랙 사이의 단락의 위험 없이 복잡하고 적합한 패턴이 생성되는 것을 가능하게 한다. 바람직하게는, 패턴은 셀의 표면을 가능한 한 많이 덮어서, 대체로 균일한 전기장이 셀 내의 가스에 적용된다. 패턴은 급격한 코너 또는 뾰족한 지점 없이 형성될 수 있는데, 그 이유는 그러한 영역이 상대적으로 많은 수의 전하 캐리어를 끌어당길 수 있으며, 이는 결국 비균일 전기장을 생성할 수 있음이 인식될 것이기 때문이다.
대체로 원통형인 플라즈마 셀(40)은 3 내지 10 mm의 외경 및 0.5 내지 2 mm의 출구 노즐 직경을 가질 수 있다. 유전체 기판 층(46, 48)은 0.1 내지 1 mm 두께일 수 있다. 전극 스트랜드는 폭 및 두께가 대략 0.01 mm 내지 0.1 mm일 수 있다. 보호 층은 대략 1 mm 두께일 수 있다.
대체로 원통형인 플라즈마 셀이 도 3에 도시되어 있지만, 가요성 구성요소로부터 다른 형상, 예를 들어 구불구불한 경로를 따라 가스를 운반하는 셀이 제조될 수 있다. 그러한 배열은 셀 내에서의 가스의 체류 시간을 증가시키고, 플라즈마 형성을 촉진한다. 보다 평평한 형상을 갖는 다른 플라즈마 셀이 도 4에 도시되어 있다.
도 4를 참조하면, 유전체 기판(66) 상에 인쇄된 전극(62, 64)을 포함하는 플라즈마 셀(60)이 도시되어 있다. 도 4에서 유사한 도면 부호가 위에서 논의된 유사한 특징부를 지시하는 데 사용될 것이며, 간결함을 위해 다시 설명되지 않을 것이다. 제 2 유전체 층(68)이 전극 패턴을 덮어서, 전극은 유전체 재료 내에 매설된다. 이러한 예에서, 유전체 기판(66)은 대체로 평면형인 구성으로 형성된다. 이 점에 있어서, 기판은 유동 경로를 따라 입구(16)와 출구(20) 사이에서 연장되는 제 1 치수(D1) 및 제 1 치수에 대해 대체로 측방향에 있는 제 2 치수(D2)에 있어서, 상기 제 1 치수 및 상기 제 2 치수에 대체로 직교하는 제 3 치수(D3)에 있어서보다 상당히 더 큰 크기를 갖는다. 도시된 바와 같이, 제 1 치수는 챔버를 대체로 관통해 연장되고, 제 2 치수는 챔버를 가로질러 연장되며, 제 3 치수는 챔버의 두께로 연장된다.
평면형 셀의 이익은 3배이다. 첫째로, 가스는 제 1 치수로 챔버를 통과하기 때문에 상대적으로 긴 기간 동안 전기장에 노출된다. 둘째로, 제 1 치수에 있어서의 각각의 단위 길이에 대해, 제 2 치수에 있어서의 상대적으로 큰 폭 때문에 상대적으로 많은 양의 가스가 전기장에 노출된다. 셋째로, 챔버의 상대적으로 작은 두께는 챔버를 통과하는 임의의 가스의 최대 거리가 단지 상기 또는 각각의 전극으로부터 짧은 거리이면서도, 여전히 적정한 가스가 챔버를 유동할 수 있게 하는 것을 보장한다. 플라즈마 챔버의 내부 표면적이 가스의 체적에 비해 크고 이에 따라 가스로부터 멀리 열을 이동시키는 것에 도움이 된다는 것에 또한 유의해야 한다. 도면에 도시된 예에서, 챔버의 폭은 약 10 mm이고 길이는 약 50 mm이다. 챔버의 높이는 바람직하게는 5 mm 미만 그리고 더 바람직하게는 약 2 mm 미만이다.
이러한 예에서, 전극은 대체로 'S'자 형상 구성으로 기판(66)의 각각의 평면형 면 상에 전사된다. 전극은 그것의 에지로부터 이격된 각각의 평면형 면의 일부분만을 덮어서, 셀 내의 가스 챔버를 통해보다는 에지 주위에 발생된 전기장의 크로스-오버(cross-over)를 감소시킨다.
전극 패턴은 연속적인 것이 아니라, 대안적으로 서로 이격될 수 있는 섹션 또는 이산(discrete) 패턴으로 제공될 수 있다. 전극(들)은 바람직하게는 셀의 특정한 특성, 예를 들어 셀을 통한 가스의 유량, 셀 내에 발생되는 활성종의 반감기, 및 요구되는 치료의 유형에 따라 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이 경우에 폴리이미드로 형성된, 대체로 관형 또는 원통형인 유전체 기판(82)을 포함하는 플라즈마 셀(80)이 도시되어 있다. PTFE로 제조될 수 있는 보호 층(84)이 사용 동안에 기판의 열화를 저지하도록 유전체 기판의 내측 표면을 덮는다. 전극(86)이 유전체 기판 상에 패턴화된다. 전극은 이 예에서 강철 브레이드(steel braid)인 섬유질 매트릭스로 제조된다. 전극 패턴은 이 도면에서 섬유의 그리드(grid)이지만, 임의의 적합한 패턴이 형성될 수 있음이 인식될 것이다. 전압 및 주파수를 변화시키는 것을 수반하는 간단한 실험은, 패턴이 잘 작동하고 플라즈마 셀 내에 양호한 전기장을 확립한다는 것을 나타낼 것이다. 전극 패턴은 먼저 강철, 구리 또는 다른 전도성 재료의 층을 유전체 기판에 전사하고, 이어서 레이저를 사용해 재료를 제거하여 원하는 패턴을 생성함으로써 형성될 수 있다. 대안적으로, 섬유질 매트릭스가 압출 공정 동안에 기판에 전사될 수 있다. 보호 시스(88)가 전극 패턴 및 유전체 기판을 덮는다. 시스는 기계적 지지 및 전기적 절연을 제공한다. 폴리이미드가 시스를 형성하는 데 사용될 수 있다.
마이크로루멘(Microlumen)(등록상표)은, 관이 카테터(catheter)로서 사용되는 의료 분야에서의 사용에 적합한 관형 구조를 이룬다. 폴리이미드 층에 전사되는 강철 브레이드는 관에 구조적 탄성을 제공하며, 전기를 운반하도록 설계되지 않는다. 폴리이미드 기판은 신체 내에 삽입될 때 굽힘을 허용하는 가요성 재료를 제공한다. 그러한 관의 크기는 신체 트랙트 내부에 끼워맞춤되도록 반드시 작고(약 1 내지 3 mm), 그러한 크기는 또한 상기에 상세히 기술된 이유 때문에 플라즈마 셀로서 사용하기에 적합하다는 것이 인식될 것이다.
예로서 도 2를 참조하면, 본 명세서에 기술된 플라즈마 셀은 유전체 기판(22) 상에 전극(26)을 패턴화하고, 유전체 기판을 예를 들어 원통으로 구성하여 셀 입구(16)로부터 셀 출구(20)로의 가스를 위한 유동 경로를 형성하고, 활성종과 유전체 기판의 반응을 저지하기 위해 유전체 기판의 내측 표면 상에 보호 라이닝(32)을 형성함으로써 제조될 수 있다. 단계의 순서는 요구되는 바에 따라 선택될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 예에서, 패턴화된 전극은 인쇄 회로 기판의 제조에 있어서 공지된 인쇄 기술에 의해 유전체 기판 상에 침착된다. 예를 들어, 감법 공정(subtractive process)에서, 구리의 층이 기판 전체 위에 접합될 수 있고("블랭크(blank) PCB"를 생성함), 이어서 임시 마스크를 적용한 후에 원치 않는 구리를 제거하여(예를 들어, 에칭에 의해), 원하는 구리 트레이스(trace)만을 남겨둔다. 대안적으로, 가법 공정(additive process)에서, 보통 다수의 전기도금 단계의 복잡한 공정에 의해 베어(bare) 기판(또는 구리의 매우 얇은 층을 갖는 기판)에 트레이스를 침착시킴으로써 전도성 경로가 제조될 수 있다.
회로 기판의 대다수가 사용시 평평하게 유지된다. 그러나, 플라즈마 셀을 제조하는 바람직한 방법에서, 유전체 기판은 전극이 패턴화되는 박막 가요성 유전체 재료로 제조된다. 이어서 기판은 후속적으로 입구와 출구 사이의 유동 경로를 둘러싸도록, 예를 들어 원통으로서, 또는 출구와 입구 사이의 직선 경로를 따르지 않는 형태로 형상화될 수 있다. 대안적으로, 회로는 석영 또는 다른 유전체 재료 관 내로 삽입될 수 있으며, 여기서 그것은 관의 형상을 따를 것이다. 이러한 방식으로, 플라즈마 셀은 평면형 기판 상에의 전도성 트랙트의 비교적 저렴한 인쇄에 의해 제조되고, 이어서 요구되는 형상으로 형성될 수 있다. 보호 라이닝은 평면형 기판의 하나의 표면 상에 형성될 수 있는 반면, 전극 패턴은 대향 표면 상에 인쇄된다.
도 5를 참조하면, 패턴화된 전극은 관형 기판의 압출 동안에 또는 그것의 제조 이후에 유전체 기판 상에 전사되는 섬유질 매트릭스로 형성된다. 기판에 대해 선택되는 재료가 가요성이기 때문에, 플라즈마 셀은 그 결과로서 임의의 원하는 형상으로 형성될 수 있다.
본 실시예에서, 기판의 유전체 재료의 선택은 바람직하게는 그것의 열 전도율을 고려해야 하며, 이 점에 있어서 폴리이미드는 대략 0.5 W/m.K의 비교적 양호한 열 전도율을 가져서, 열이 셀 내의 가스로부터 멀리 전도될 수 있다. 플라즈마 챔버로부터 방출되는 가스 혼합물의 온도는 바람직하게는 60℃ 미만, 그리고 보다 바람직하게는 40℃ 미만이다.
전극(들)은 유전체 기판 상에 대체로 균일하게 패턴화될 수 있거나, 다른 영역과는 상이한 농도의 전도성 트랙트를 갖는 하나의 영역을 생성하도록 패턴화될 수 있다. 예를 들어, 셀의 입구를 향하는 것에 비해 셀의 출구를 향해 더 기묘한 전기장을 생성하여서, 치료 영역에 접근함에 따라 가스에 더 많은 에너지가 공급되는 것이 바람직할 수 있다. 대안적으로, 전극 패턴은 유동 경로를 따라 서로 이격된, 직렬 상태의 다수의 이산 패턴으로 이루어질 수 있다.
본 명세서에 기술된 플라즈마 셀을 갖는 실시예의 장치는 콤팩트한 형태에 적합하며, 바람직한 배열에서 장치는, 예를 들어 전동 칫솔이 핸드-헬드형(hand-held)이고 작동될 수 있는 것과 같이 핸드-헬드형이고 작동되도록 구성된다. 사용시에 다루기 힘들지 않고 구강 내의 특정 치아와 같은 치료 영역에 대한 발생된 활성종의 적용을 위해 비교적 정밀하게 안내될 수 있는 핸드-헬드형 장치는 충분히 작고 경량이어야 한다. 이 점에 있어서, 장치는 1 kg 미만의 질량, 200 mm 미만의 길이, 및 50 mm의 폭을 갖도록 구성될 수 있다.
추가의 장치가 도 6에 도시되어 있다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 플라즈마 셀이 비교적 작을 수 있기 때문에(예를 들어, 50 mm 길이 x 5 mm 폭), 복수의 플라즈마 셀을 포함하는 플라즈마 셀 어레이(88)는, 그 자체가 핸드-헬드형이고 작동되기에 적합할 수 있는 단일 장치 내에 제공될 수 있다. 도 6에서, 장치(90)는 3개의 플라즈마 셀(92, 94, 96)을 포함하며, 이들 플라즈마 셀 각각은 에너지 공급될 셀 가스를 내부에 수용하기 위해 가스의 공급원(18)과 유동 연통하고, 플라즈마가 셀로부터 치료 영역으로 전달되기 위해 노즐(14)(또는 각각의 노즐)과 유동 연통한다. 가스 덕트(98)가 가스 공급원으로부터 연장되고, 셀 각각에 가스를 전달하기 위해 세 갈래로 갈라진다. 추가의 덕트(100)가 셀 출구로부터 연장되며, 노즐에 활성종을 전달하기 위해 수렴한다. 각각의 셀의 전극(들)은 전기 전도체(102)에 의해 전력의 공급원(28)에 연결된다.
도시된 바와 같은 플라즈마 셀 어레이는 도 1에 도시된 장치의 단일 플라즈마 셀보다 더 많은 양의 활성종을 치료 영역에 전달할 수 있다. 그러나, 단지 더 큰 플라즈마 셀을 포함하는 장치와는 달리, 본 플라즈마 셀 어레이의 제공은 가스가 셀의 전극에 더 근접하고 이에 따라 발생되는 전기장과 보다 용이하게 상호작용하는 것을 가능하게 한다. 더 큰 셀에서, 가스와 전극 사이의 최대 거리는 증가되고 이에 따라 필적하는 에너지를 가스에 전달하기 위해서는 전극에서 더 큰 전위가 생성되어야 할 것이다.
이러한 예에서 플라즈마 셀 어레이는 3개의 플라즈마 셀을 포함하지만, 임의의 개수의 셀이 포함될 수 있다. 또한, 3개의 플라즈마 셀은 병렬 관계로 배치되는 반면 셀 중 하나 이상은 직렬로 제공될 수 있지만, 직렬 관계는 활성종의 반감기가 충분히 길어서 직렬의 첫 번째에서 발생되는 플라즈마가 치료 영역에 대한 적용을 위해 존속하는 경우에만 적절할 수 있다.

Claims (10)

  1. 치료 영역의 치료를 위한 활성종(active species)을 포함하는 가스상 플라즈마(gaseous plasma)를 주위 대기압에서 형성하기 위한 장치에 있어서,
    상기 장치는 상기 치료 영역을 치료하기 위한 상기 가스상 플라즈마를 형성하기 위한 플라즈마 셀(plasma cell)을 포함하고,
    상기 플라즈마 셀은 공급원으로부터 가스를 수용하기 위한 입구 및 상기 셀 내에 발생된 활성종을 방출하기 위한 출구와, 상기 입구로부터 상기 출구로 운반되는 가스를 위한 유동 경로 둘레에 둘러싸인 폴리이미드로 제조된 유전체 기판(dielectric substrate)과, 상기 유동 경로를 따른 가스에 에너지를 공급(energising)하여 활성종을 형성하기 위해 상기 유전체 기판 상에 형성된 전극을 포함하며,
    상기 유전체 기판을 상기 활성종과의 반응으로부터 보호하기 위해, 상기 유전체 기판의 내측 표면 상에 유전체로 제조된 보호 코팅이 형성되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 보호 코팅은 상기 활성종과 대체로 비반응성(un-reactive)인 PTFE, FEP 또는 실리콘 고무 중 하나로부터 선택되는 재료로 제조되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전극은 전기 전도성 재료를 상기 유전체 기판 상에 패턴화(patterning)함으로써 형성되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전극은 인쇄되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    패턴화된 상기 전극은 상기 유전체 기판 상에 전사되는 섬유질 매트릭스(fibrous matrix)로 형성되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 가요성이고, 상기 유동 경로를 한정하도록 형상화되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유전체 기판은 상기 유동 경로를 둘러싸는 가요성 관에 의해 형성되는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 기판 및 상기 전극 둘레에 형성되는 유전체로 제조된 보호 시스(protective sheath)를 포함하는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 상기 플라즈마 셀을 갖는 플라즈마 셀 어레이(array)를 포함하는
    가스상 플라즈마 형성 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 위한
    플라즈마 셀.
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