KR20150083078A - 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치 및 방법 - Google Patents

저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치 및 방법 Download PDF

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KR20150083078A
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Abstract

본 발명은,
a) 고주파수 전자기장을 생성하는 변압기(1);
b) 변압기(1)에 전기적으로 연결될 수 있는 프로브(2); 및
c) 변압기(1)에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 제어하는 제어 장치(3)
를 포함하는, 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직(G) 처리 장치에 관한 것으로,
변압기(1)는 동축으로 배치된 1차 코일(4) 및 2차 코일(5)을 포함하고, 2개의 코일(4, 5)의 중첩 영역(B) 내에서 1차 코일(4)과 2차 코일(5) 사이의 중간 공간은 제1 간격(d1)으로부터 프로브(2)를 위한 커플링(7)의 방향으로의 더 큰 제2 간격(d2)으로 증가한다.

Description

저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TREATING BIOLOGICAL TISSUE USING A LOW-PRESSURE PLASMA}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 방법에 관한 것이다.
플라즈마는 항균성을 가지는 것이 알려져 있다. 플라즈마의 항균 효과의 근거는 열, 건조, 전단 응력(shear stress), UV 복사, 자유 라디칼 및 전하에 있다. 저온 플라즈마(cold plasma)라고도 불리는 저압 플라즈마(low-pressure)의 경우, 이러한 플라즈마가 실온에서 작동되기 때문에, 열은 부수적인 역할을 한다. 이러한 저압 플라즈마에서, 특히, 간접 노출로 유기 화합물을 손상시키기에 충분히 긴 수명을 갖는 상이한 산소 또는 질소 화학종과 같은 반응성 입자가 생성된다. 이러한 입자는 그 중에서도 원자 산소, 초산화 라디칼, 오존, 하이드록실 라디칼, 일산화질소 및 이산화질소를 포함한다. 이러한 입자는 대부분의 다양한 세포 성분에 파괴적 효과를 보인다.
박테리아, 세균, 바이러스, 곰팡이 또는 다른 비슷한 미생물이 플라즈마에 직접 노출되면, 이는 플라즈마 내에 존재하는 전자와의 충격에 의해 음으로 대전되게 된다. 정전기 척력 때문에, 이는 인장 강도를 초과하는 정도의 기계적 응력과 세포벽의 파괴를 야기한다. 그러나, 세포벽은 전하에 따른 기계적 항력뿐만 아니라 예를 들어 세포벽의 투자율의 변동에 기인한 상이한 다른 정전기 상호 작용과 전기 분해에 의해 세포벽의 전하 균형의 붕괴에 의해 파괴될 수 있다. 또한, 미생물의 비활성화를 위한 메커니즘은 용량 결합된 시스템에서 100 eV보다 클 수 있는 매우 높은 에너지 이온에 의해 생성된다. 이러한 화학종의 충격은 세포의 구조적 완전성을 변경하거나 파괴할 수 있다; 그러나, 이러한 이온 빔을 생성하기 위한 장치는 복잡하며, 살아 있는 생체 조직, 특히 인간 또는 동물 조직을 장치에 대한 매우 높은 비용으로 처리하는 데에만 적합하다.
따라서, 저압 플라즈마는, 조직의 살균, 특히 조직 내에서 또는 그 상에서 위치하는 박테리아, 세균, 바이러스, 곰팡이 또는 다른 비슷한 미생물을 죽이는 것을 달성하도록, 인간 또는 동물 조직, 특히 피부 표면, 개방창(open wound), 잇몸, 구강 등의 처리에 적합하다.
오존으로 생체 조직을 처리하는 장치 및 방법이 DE 10 2005 000 950 B3으로부터 알려져 있다. 이 장치는, 실질적으로, 직류 전압 성분을 가지거나 가지지 않는 대부분의 다양한 특성을 갖는 특수하게 통제되는 전압 또는 전류의 생성을 위하여 제어 장치를 이용하여 전압 및/또는 전류 세기가 조정될 수 있는 변압기로 구성된다. 이 경우에, 직류 전압 성분은 외부 전압원 또는 회로의 도움으로 처리될 생체 조직에서의 추가 전극에 의해 구축된다. 변압기의 1차 코일은 고주파수 교류 전류가 흐르는 댐핑된 발진 회로의 코일이다. 대전될 커패시터와 함께, 2차 코일은 주파수가 변압기의 주파수에 대응하는 공진 회로를 형성한다. 공진 회로는 종종 전류원 역할을 한다. 방전 경로에서의 발진 주파수는 예를 들어 대략 100 kHz이다. 이러한 주파수에서, 방전 경로로 흐르는 전류는 낮으며 유기 조직에 대하여 무해하다. 1차 코일과 2차 코일 사이에 양호한 자기 결합(magnetri coupling)을 획득하기 위하여, 이들 사이의 간격은 작다. 이 경우에, 전압은 프로브의 방향으로 코일의 길이에 대하여 상승하여, 코일의 단부에서 코일들 사이의 플래시오버(flashover)의 위험이 통제될 수 없다. 또한, 이 위험은 2차 코일 및 이와 관련된 커패시턴스로 이루어진 공진 회로를 방해하는 추가 커패시턴스를 사용자가 형성함으로써 증가되어, 코일들 사이의 플래시오버의 가능성이 더 높아진다. 이 위험은 예를 들어 DE 36 18 412 A1과 WO 2006/1199971 A1의 내용에서와 같이 그리고 도 1a 및 1b를 참조하여 명백하게 되는 바와 같이 1차 및 2차 코일이 상이한 길이를 가지는 경우에 증가한다. 이 경우에, 도 1b는 도 1a의 등가 회로를 도시하며, 사용자의 사용자 손가락(F)의 커패시턴스(CF)에 기인하는 공진 회로(SK)의 전체 커패시턴스(K)에서의 변동을 다시 도시하며, 도면에서 도 1a에 있어서 2차 코일(5)의 길이(L)에 대한 전압(U)이 개략적으로 도시된다.
따라서, 본 발명의 과제는 1차 코일과 2차 코일 사이의 이러한 플래시오버가 실질적으로 통제되는 방식으로 청구항 1의 전제부의 특징을 갖는 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하는 장치를 수정하는 것이다. 본 발명의 다른 과제는 1차 코일과 2차 코일 사이에 플래시오버가 없이 처리가 가능하게 하는 저압 플라즈마를 이용하는 생체 조직 처리 방법을 제공하는 것이다.
장치의 측면에서, 이 과제는 청구항 1의 모든 특징을 갖는 장치에 의해 획득된다. 방법의 측면에서, 이 과제는 청구항 13의 모든 특징을 갖는 방법에 의해 획득된다. 본 발명의 유익한 실시예들은 독립항인 청구항 1 및 12에 종속하는 청구항에서 설명된다.
저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하기 위한 본 발명에 따른 장치는, 본질적으로,
- 고주파수 전자기장을 생성하는 변압기;
- 변압기에 전기적으로 연결될 수 있는 프로브; 및
- 변압기에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 제어하는 제어 장치
를 포함하고,
변압기는 동축으로 배치된 1차 코일 및 2차 코일을 포함하고, 2개의 코일의 중첩 영역 내에서 1차 코일과 2차 코일 사이의 중간 공간은 제1 간격으로부터 프로브를 위한 커플링의 방향으로의 더 큰 제2 간격으로 증가한다. 본 발명에 따른 장치, 특히 본 발명에 따른 장치의 변압기의 이러한 특수한 구성의 결과, 코일의 길이에 대하여 상승하는 전압에도 불구하고, 코일들 사이의 증가하는 간격 때문에 플래시오버의 위험이 최소화된다. 코일들 사이에 인가된 전압은 1차 코일과 2차 코일 사이에 플래시오버를 생성하기에는 어느 영역에서도 충분히 높지 않다.
유익하게는, 변압기는 제어 장치의 전기적/전자적 연결을 위하여 프로브를 위한 커플링의 반대편에 있는 커플링을 갖는 변압기 하우징을 포함하고, 변압기 하우징은 바람직하게는 핸들로서 구축되고 대응하여 인간 공학적으로 형성된다. 변압기 자체 및 제어 유닛이 변압기 하우징 내부에 배치될 수 있기 때문에, 이러한 조치는 본 발명에 따른 전체 장치의 컴팩트한 구축에 관련된다. 단지, 생체 조직의 처리를 위한 프로브와, 적절하다면, 본 발명에 따른 장치에 전력을 공급하기 위한 외부 전원만이 변압기 하우징 내부에 배치되지 않는다. 또한, 기본 형상이 원통형인 핸들로서의 변압기 하우징의 인체 공학적 구성은 사용자에 의한 본 발명에 따른 장치의 쾌적하고 신뢰성 있는 핸들링을 가능하게 한다.
따라서, 본 발명의 유익한 아이디어에 따라, 본 발명에 따른 장치의 컴팩트한 구성과 간단하고 신뢰성 있고 쾌적한 핸들링이라는 주어진 이유로, 제어 장치는 변압기 하우징 내에 배치된다.
그러나, 소정의 적용예를 위하여, 제어 장치를 변압기 하우징의 외부에 배치하는 것이 의미 있을 수 있다. 특히, 매우 섬세한 처리가 수행되어야 할 때, 핸들로서 디자인된 변압기 하우징 내부의 추가적인 무게는 본 발명에 따른 장치의 핸들링에 있어서 방해가 된다.
본 발명에 따른 장치가 동작에 필요한 전력을 공급받을 수 있도록, 제어 장치는 전기 전원에 연결될 수 있다. 그러나, 이 경우에, 특히 핸들로서 디자인된 변압기 하우징의 내부에 배치된 제어 장치의 경우에, 변압기 하우징 내에 유사하게 수용되는 배터리 또는 축전지의 형태를 갖는 전원은 변압기 하우징 외부에 배치될 수도 있다. 이것은 특히 본 발명에 따른 전체 장치가 고정 전원에 독립적으로, 특히 공용 또는 비공용 전력망에 독립적으로 작동될 수 있기 때문에, 특히 의미 있다. 그러나, 물론, 제어 장치가 연결될 수 있는 전원으로서 고정 전원 또는 공용 또는 비공용 전력망을 제공하는 것이 고려될 수 있다.
다시, 1차 코일 및 2차 코일 사이의 플래시오버의 위험을 최소화하기 위하여, 1차 코일 및 2차 코일은 동일한 길이를 가진다. 따라서, 2차 코일과 1차 코일은 전체 길이에 대하여 서로에 대하여 직접 대향하고, 본질적으로 본 발명에 따라 1차 코일과 2차 코일 사이의 더 큰 전위차 또는 전압의 경우에, 그 사이의 간격이 증가한다.
이 경우에 1차 코일이 2차 코일 주위로 원뿔형으로 동축으로 배치되는 것이 특히 유익한 것으로 증명되었다. 또한, 2차 코일 주위의 1차 코일의 원뿔형의 동축 배치 때문에, 코일 내의 전압 상승에 대응하는 코일의 길이에 대한 간격은 연속적으로 선형으로 증가한다.
2차 코일 주위의 1차 코일의 동축 배치 때문에, 1차 코일은 2차 코일의 전체 영역에 대하여 연장하고, 따라서 환경에 대한 2차 코일의 차폐가 생성된다. 이것은, 종래 기술에서의 같은, 외부 환경의 영향에 의한, 또한 선택적으로는 사용자 자신에 의한 공진 회로의 바람직하지 않은 디튜닝(detuning)을 야기하지 않는다.
1차 코일과 2차 코일 사이에서 특히 양호한 자기 결합 및 이에 따른 고주파수 고전압의 특히 효율적인 생성이 변압기에 의해 생성되도록, 바람직하게는 페라이트로 이루어진 로드 코어 주위로 2차 코일을 배치하는 것이 가치 있는 것으로 증명되었다. 이 경우에, 특히, 페라이트로부터의 로드 코어의 구축이 특히 유익한 것으로 보이며, 이는, 이러한 방식으로 특히 양호한 자기 결합이 1차 코일과 2차 코일 사이에서 획득될 수 있기 때문이다.
본 발명의 특히 유익한 실시예에 따르면, 2차 코일은 바람직하게는 등거리로 이격되고 각 경우에 100 내지 1000의 권취수, 바람직하게는 250 내지 750의 권취수, 특히 바람직하게는 500의 권취수를 갖는 복수의 챔버를 가진다. 이러한 조치로, 한편으로는 간단한 방식으로, 전압 상승이 코일의 길이에 대하여 특히 균일하게 증가하고, 이에 따라 고주파수의 높은 전압의 균일한 진전이 획득될 수 있다. 다른 한편으로는, 2차 코일은 복수의 직렬 연결된 개별 코일로 구성될 수 있어, 본 발명에 따른 동일한 장치에서, 대부분의 다양한 1차 코일 및 2차 코일의 조합이 구현될 수 있다. 또한, 선택적으로는, 조합 및 변형의 다양성이 다시 증가되는 방식으로 1차 코일이 직렬로 구축될 수 있다.
처리될 조직으로의 인가를 위해 필요한 저주파수 플라즈마가 프로브에 의해 생성되기 때문에, 실제 처리를 수행하는 프로브는 바람직하게는 유리 프로브로서 구축된다. 이러한 유리 프로브는 핸들링하기에 간단하며, 생체 조직에 대한 또는 그 내의 인가에 대하여 생리학적으로 무해하다.
이 경우에, 음압 하에서, 바람직하게는 500 Pa 내지 3000 Pa의 음압 하에서, 전도성 가스, 바람직하게는 불활성 가스 또는 불활성 가스 혼합물로 유리 프로브를 채우는 것이 가치 있는 것으로 증명되었다. 이러한 전도성 가스, 특히 바람직하게는 아르곤 및/또는 네온의 불활성 가스 및 불활성 가스 혼합물로, 저주파수 플라즈마의 생산 및 이에 따른 본 발명에 따른 전체 장치는 특히 효율적이다. 유리 프로브는 변압기에 의해 공급된 고주파수의 높은 전압을 유리 프로브의 내부로 전도시키는 금속 콘택에 의해 일단에서 닫힌다. 유리 프로브 내에서, 가스는 고주파수 자기장에 노출되고, 이에 따라 글로우 방전(glow discharge)을 생성한다. 이 경우에, 변압기의 출력은 유리 프로브 내부에서 전도성 가스를 이용하여 유리 프로브의 처리면에 전달되는 1800 V와 35000 V 사이의 범위의 전압이 설정될 수 있는 방식으로 제어 장치에 의해 조정될 수 있다. 유리 프로브의 처리면이 처리될 생체 조직의 바로 위에 위치된다면, 이 전압은, 선택적으로는, 처리될 생체 조직의 표면의 전기 저항과 유리 프로브의 처리면과 처리될 생체 조직의 표면 사이의 가스, 특히 공기의 저항의 함수로서, 그 사이에 설정된다.
변압기에 의해 제공된 고주파수의 높은 전압이 프로브에 의해 효율적으로 사용될 수 있도록, 변압기와 프로브 사이의 양호하고 신뢰성 있는 전기 콘택이 필수 불가결하다. 본 발명의 독립적인 아이디어에 따라, 이것은 프로브가 콘택 스프링을 이용하여 변압기에 전기적/전자적으로 연결될 수 있다는 점에서 달성된다. 이 경우에, 콘택 스프링이 변압기 또는 변압기 하우징 상에 배치되는 것이 생각될 수 있다. 한편, 콘택 스프링은 프로브 상에 배치될 수도 있다. 양 경우에, 프로브와 변압기 사이의 커플링 내에서 바람직하지 않은 작용이 발생하더라도, 콘택 스프링은 프로브와 변압기 사이의 전기적 콘택을 보장한다.
전술한 장치로 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 본질적으로,
a) 0.1 ㎂ 내지 300 ㎂의 2차 코일(5) 측에서의 전류 세기로 12 V 내지 600 V 범위의 전기적인 직류 전압 또는 저주파수 교류 전압의 형태로 전력을 제공하는 단계;
b) 전기적인 직류 전압 또는 전기적인 저주파수 교류 전압을 10 kHz 내지 50 kHz의 고주파수 교류 전압으로 변환하는 단계;
c) 고주파수 교류 전압을 1800 V 내지 35000 V의 전압 범위로 변압하는 단계; 및
d) 1800 V 내지 35000 V의 전압 범위의 고주파수 교류 전압을 1 mm 내지 5 cm의 간격으로 처리될 생체 조직 위로 위치 설정된 프로브(2), 바람직하게는 유리 프로브로 전달하는 단계
를 포함한다.
이와 관련하여, 치과 분야에서의 적용예에서, 예를 들어, 구강 내의 세균의 처리에 있어서, 2차 코일의 측에서의 전류 세기는 0.1 ㎂ 및 100 ㎂ 사이에 있도록 선택되고, 다른 조직 표면에 대한 적용예, 특히 치료될 피부 또는 환자의 나머지의 피부 과학적 치료나 부인과 적용예에서, 2차 코일의 측에서의 전류 세기는 0.1 ㎂ 및 300 ㎂ 사이에 있도록 선택된다.
본 발명의 다른 목적, 이점, 특징 및 가능한 적용예는 도면을 참조하여 실시예에 대한 이어지는 설명으로부터 자명하다. 이 경우에, 설명되고 그리고/또는 예시된 모든 특징은 단독으로 또는 임의의 의미 있는 조합으로 고려되어, 청구항에서의 구성 및 그 관계에 관계없이 본 발명의 내용을 형성할 수 있다.
도 1a는 사용자의 손에서 오존을 이용하여 생체 조직을 처리하기 위한 종래 기술로부터 알려진 장치를 도시한다.
도 1b는 도 1b에 따른 장치의 등가 회로를 도시한다.
도 2는 변압기 하우징 내에 있는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 변압기를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 변압기 하우징을 도시한다.
도 4a 내지 4i는 본 발명에 따른 장치의 일 실시예의 프로브에 대한 다양한 실시예를 도시한다.
도 4k는 변압기 하우징을 도 4a 내지 4i 및 4l 내지 4q의 프로브의 연결을 위한 본 발명에 따른 장치의 실시예의 변압기 및 제어 장치와 함께 도시한다.
도 5는 고주파수 전압 펄스의 전형적인 펄스 패턴을 도시하며, 전류 세기는 시간에 대하여 ㎂ 단위로 도시된다.
도 6은 유전체 배리어 방전의 개략적인 표현을 도시한다.
도 2, 3 및 4a 내지 4q에서, 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직을 처리하는 본 발명에 따른 장치의 실시예의 다양한 요소가 도시된다.
도 2는, 예를 들어, 1차 코일(4)과 2차 코일(5)로 형성된 변압기가 내부에 배치되고, 제어 장치(3)가 커플링(9)을 통해 연결되는 본 발명의 장치의 변압기 하우징(8)의 일 실시예를 도시한다. 그 다음, 제어 장치(3)는 변압기(1)로 전력을 공급하기 위한 전기 전원(13)(여기에서는 도시되지 않음)에 연결된다. 이어, 바람직하게는 유리 프로브인 프로브(2)가 배치될 수 있는 커플링(7)이 커플링(9)의 반대측에 있는 변압기 하우징(8)의 단부에 배치된다. 이 경우에, 콘택 스프링(12)은 변압기(1)와 프로브(2) 사이에 전기적 콘택이 항상 존재하는 것을 보장한다. 이 경우에, 변압기 하우징(8)은 핸들로서 구축되며, 1차 코일(4) 및 2차 코일(5)과 동일한 방향으로 세로 방향으로 연장한다.
본 실시예에서, 2차 코일(5)은 바람직하게는 페라이트(ferrite)로 이루어지는 로드 코어(rod core)(10) 주위로 권취되고, 1차 코일(4)은 2차 코일(5) 주위로 간격을 가지면서 권취된다. 이 간격은, 간격이 d1인 커플링(9)을 마주보는 코일들(4, 5)의 단부로부터 간격이 d2까지인 커플링(7)을 마주보는 코일들(4, 5)의 단부로 연속적으로 증가하여, 1차 코일이 제2 코일 위로 원뿔형으로 동축으로 배치된다. 본 실시예에서, 양 코일(4, 5)은 동일한 길이 L을 가져서, 전체 길이에 대하여 중첩 영역(B)을 형성한다. 이 경우에, 1차 코일(4)은 전자기 차폐의 기능을 가지거나, 차폐 효과를 보장하여, 이에 의해 전자기 간섭 필드가 변압기(1)에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 중대하게 방해하지 않을 수 있어, 본 발명에 따른 장치의 만족스러운 기능이 제공된다. 또한, 밀봉 수단이 컨버터의 단부 부분에 제공될 수 있다.
본 실시예에서, 고압 변압기로서 구축된 변압기(1)는 내부 2차 코일(5)이 챔버(11) 내에서 페라이트로 이루어진 로드 코어(10) 주위로 권취되는 방식으로 디자인된다. 여기에 도시된 실시예에서, 2차 코일(5)은 챔버(11) 당 500개의 권취수를 가진다; 그러나, 다른 권취수도 가능하다.
한편, 변압기(1)는 전원(13)과 제어 유닛(3)에 의해 공급된 고주파수의 낮은 전압을 고주파수의 고전압으로 변환하는 일을 한다. 그러나, 한편, 이는 특히 유리 프로브로서 구축된 프로브(2)의 유리 튜브(여기에서는 도시되지 않음)를 통해 생성된 고전압을 커플링(7)의 반대편에 있는 프로브의 단부에 배치된 처리면에 전도하는 일도 한다.
변압기(1) 내의 코일(4, 5)의 배치는, 예를 들어 도 5에 예시된 바와 같이, 미리 정해진 신호 형태로, 바람직하게는 정현파 펄스로, 특히 바람직하게는 지수 감쇠 정현파 펄스로 펄스 제공을 가져다주며, 이를 이용하여 저온 플라즈마 또는 저압 플라즈마가 프로브(2)의 처리면과 처리될 조직 사이에 생성될 수 있다.
도 3은 전기 절연 재료, 바람직하게는 플라스틱으로 생산된 도 2의 변압기 하우징(8)의 구조를 도시한다.
도 4a 내지 4i 및 4l 내지 4q는 처리될 생체 조직(G)에 따라 처리면이 비스듬하거나 평탄하거나 구부러진 유리 프로브로서 구축된 프로브(2)의 15개의 상이한 예를 도시한다.
프로브(2)를 위한 커플링(7)을 갖는 변압기 하우징(8)의 단부에서, 상기 하우징은 변압기(1)에 전자적으로 연결된 콘택 스프링(12)이 구비된다. 간단하게 이미 언급된 바와 같이, 콘택 스프링(12)은 프로브(2)와의 콘택을 생성한다. 전압 펄스는 콘택에 의해 프로브(2)로 전송된다. 도 4a 내지 4i 및 4l 내지 4q의 실시예에서, 유리 프로브로서 구축된 프로브(2)는 2개의 챔버를 구비한다. 내부 챔버는 바람직하게는 500 Pa 내지 3000 Pa의 음압에서 100% 네온으로 가스 충전되며, 높은 전압을 장치 프로브의 끝단으로 전도한다. 외부 챔버는 내부 챔버의 보호와 절연을 제공한다. 내부 챔버는 유익하게는 유리로 이루어지며, 외부 챔버는 유리 재료 또는 귀금속으로 이루어질 수 있다.
처리면의 반대편에 있는 단부에서, 프로브(2)는 콘택 스프링(12) 및 커플링(7)과 함께 변압기가 변압기 하우징(8) 내에 배치되는 전기 플러그 타입의 연결 시스템을 생성하는 금속 덮개에 의해 닫힌다.
프로브(2)의 처리면과 처리될 생체 조직(G) 사이에서, 1 mm 내지 5 mm의 간격으로, 공급된 고주파수 교류 전압과 전형적인 펄스 패턴은 조직(G)에 부착된 박테리아, 세균, 바이러스, 곰팡이 또는 다른 비슷한 미생물을 죽일 수 있는 저온 플라즈마 또는 저압 플라즈마의 형성을 일으킨다.
유리 프로브로서 구축된 프로브(2) 내의 가스는 글로우 방전(glow discharge)(미세 방전)을 생성하기 위하여 생성된 고주파수의 교류 전자기장에 노출된다. 이 경우에, 변압기의 출력은 전도성 가스를 이용하여 프로브(2)의 처리면으로 전송되는 1.8 V 내지 35 V 범위의 전압이 설정되는 방식으로 제어 장치(3)를 통해 조정될 수 있다. 프로브(2)의 처리면이 처리될 조직(G)의 바로 위에 위치된다면, 그 전압은 장치 프로브 끝단과 피부 표면 사이의 공기의 피부 저항(skin resistance)의 함수로서 설정된다.
저압 플라즈마 또는 저온 플라즈마의 직접 생성을 위한 방법은 도 6에 예시된 유전체 배리어 방전(dielectric barrier discharge)의 구조에 대응한다. 여기 전압이 변압기(1) 내에 생성된다. 이 경우, 프로브(2)는 금속 전극(14)과 유전체(15)를 형성한다. 접지 전극이 처리될 조직(G)에 의해 형성되어, 실질적으로 변압기(1)에 의해 공급된 고주파수 여기 전압(16)이 조직(G)과 프로브(2)의 금속 전극(14) 사이에 인가된다. 예시된 도면은 다른 평가를 위한 모델 역할을 한다.
유전체 배리어 방전에 의한 플라즈마 생성의 물리적 평가. 유전적으로 방해된 방전(dielectrically hindered discharge) 또는 무음 방전(silent discharge)이라고도 하는 유전체 배리어 방전은 점화 페이즈 동안 대기압에서 비열(non-thermal) 플라즈마 필라멘트(P)를 생성한다. 이 평가에서, 유전적으로 방해된 방전 또는 무음 방전은, 코로나 방전과 함께, 점화 페이즈 동안 대기압에서 비열 플라즈마 필라멘트(P)를 생성하는 가스 방전의 변형예이다. 2가지 형태의 가스 방전 사이의 차이는 방전 필라멘트의 소멸 메커니즘에 있다. 코로나 방전의 경우에, 이는 공간 전하(space charge) 지향적이며, 배리어 방전의 경우, 이는 표면 전하 지향적이다.
도 6에 예시된 기본 구조는 고압 전극(14)과 접지 전극(G)인 2개의 전극으로 이루어지고, 그 사이에 하나 이상의 유전체 배리어(15)(아이솔레이터)가 있다. 대략 수 mm에서 cm 범위 내의 크기를 갖는 폭이 가변하는 갭은 유전체(15)와 접지 전극(G) 사이에 위치된다. 처리될 샘플은 접지 전극(G) 상에 위치되거나 접지 전극(G)을 형성한다. 방전을 생성하기 위하여, 10 내지 50 kHz의 주파수의 1 내지 100 kV의 교류 전압이 필요하다. 이 방전은 미세 방전 또는 플라즈마 필라멘트(P)의 형성을 특징으로 한다. 이러한 반응에서, 전하 캐리어가 유전체(15)의 표면 상에 축적되어 외부 전기장을 약화시키며, 이는 플라즈마 필라멘트(P)의 소멸을 야기한다. 유전체(15)는 전류 제한을 제공하며 방전이 통계적으로 균일하게 분포된 복수의 포인트에서 방전이 발생할 수 있게 하여, 이에 따라 처리될 조직(G)의 전체 표면의 지역적인 플라즈마 처리를 가능하게 한다.
플라즈마 형성의 물리적 평가는 파센(Paschen) 및 타운센트(Townsend) 방법에 따라 발생한다. 분석은 도 6에 예시된 유전체 배리어 방전을 위한 모델에 관련된다. 평가는 플라즈마의 형성을 가져오는 파괴 전압(= 점화 전압)을 결정하는 것을 가능하게 한다. 파괴 전압 아래에서, 저온 플라즈마 또는 저압 플라즈마에 대한 특징인 플라즈마 필라멘트(P)가 존재한다.
시작점은 d=1 mm의 플레이트 간격을 갖는 커패시터이다. 공기가 그 플레이트들 사이에 위치된다. α를 전자가 중성 원자 또는 분자를 이온화하는 단위 길이당 확률이라 하자. 빠르게 변화하는 필드와 이온의 큰 질량 때문에, 중성 원자와의 이온의 충돌은 무시될 수 있다.
N이 생성된 전자의 수라 하면, 다음이 적용된다:
dN/dx = αN (1.1)
=> N(d) = N0eαd (1.2)
이 경우에, N0는 예를 들어 우주선(cosmic radiation)에 의해 외부적으로 생성된 전자의 수이다. 이온화하는 충돌의 수는 압력(p)과 이온화 충돌에 대한 확률에 비례한다.
더하여, 전자의 운동 에너지에 대하여, 다음이 적용된다:
Eion = eEλion (1.3)
이 경우, λion은 가속 경로이고, E는 인가된 전기장 세기이다. 탄성 충돌 때문에, exp(λion/λinel)의 일부만이 에너지 손실 없이 경로(λion)를 통과한다.
이는 상수 α에 대하여 다음과 같다.
Figure pct00001
(1.4)
항복 전압 Uzund=Ed로, 다음이 획득된다:
Figure pct00002
(1.5)
이 경우, γ는 이온당 생성된 전자의 개수(제3 타운센트 계수)이고, 이를 이용하여, 점화 조건은 다음과 같다.
Figure pct00003
(1.6)
이 경우, 일반적으로 y<<1이 적용된다.
Figure pct00004

공기에 대한 파센 곡선(곡선 1)과 SF6에 대한 파센 곡선(곡선 2)
p: 압력
s: 갭 크기
파센 곡선은 갭 크기와 압력의 곱에 따른 가스 방전의 생성에 대한 항복 전압의 종속성을 설명한다.
본 경우에 대하여, 갭 폭에 대한 항복 전압의 종속성이 예측될 수 있다.
갭 폭 Uzund
1 mm 3 kV
2 mm 6 kV
3 mm 9 kV
4 mm 12 kV
5 mm 15 kV
6 mm 18 kV
따라서, 전기적 절연 파괴는 1 bar의 공기에 대하여 3 kV의 전압에서 발생한다. 여기에서 모든 원자 또는 분자가 전체 경로(d)에서 이온화되기 때문에, 이것은 안정된 플라즈마에 필요한 전압에 대한 상한이다. 이 전압 아래에서, 배리어 방전에서 전극들 사이(1 mm의 영역에서의 간격)에서 저온 플라즈마에 대한 특성인 얇은 방전채널(플라즈마 필라멘트(P))이 형성된다. 통계적으로 분포된 대기압에서, 많은 개수의 전이 방전 채널(마이크로 방전)이 관찰된다.
플라즈마의 존재에 대한 필요한 기준은 디바이(Debye) 길이가 시스템의 측정값들의 비교에 의해 작다는 것이다. 이러한 차폐 길이는 국지적 이온 또는 전자 방전의 가능성이 이 길이에서 충분히 극적으로(일반적으로 1/e 배) 떨어졌다는 것을 특징으로 한다. 따라서, 이것은 전하가 어느 정도 서로를 보상하도록 양이온이 플라즈마에서 구형의 전자 구름에 의해 둘러싸이기 때문이며, 이러한 구의 반경은 디바이 길이이다. 이 경우에, 훨씬 더 큰 이온의 질량 때문에, 전자의 운동에 대한 교류 필드에서의 이온의 운동은 무시될 수 있다. 동일한 것이 디바이 길이에 적용된다.
Figure pct00005
(2.1)
비등온(non-isothermal) 플라즈마에 대하여, 더 작은 질량 때문에 전자가 이온보다 더 높은 온도를 가지며, 배리어 방전의 경우에, 다음과 같다.
Te ~ 1 - 10 eV (2.2) (전자 온도)
ne ~ 1020 - 1021 m-3 (2.3) (전자의 부피수 밀도)
이 값들이 수식 (2.1)에 대입되면, 배리어 방전의 비등온 플라즈마의 디바이 길이에 대하여,
λd = 2.35·10-6 m (2.4)
이고, 이 디바이 길이는 ne = 1020 m-3의 수 밀도 및 Te = 10 eV = 1,16·105 K의 전자 온도의 가장 바람직하지 않은 경우에 대하여 계산되었다.
이 경우에 대하여, 시스템이 대략 mm 범위의 크기를 가진다고 가정되면, 디바이 길이는 1000 배만큼 더 작아서, 플라즈마의 존재에 대한 필요한 기준이 만족된다.
추가 기준은 디바이 구에서의 대전된 입자의 평균 개수가 1보다 더 크다는 것이다. ne = 1020 m-3의 바람직하지 않은 경우에, 대략 5000개의 대전된 입자가 디바이 구 내에 위치되어,이 기준도 만족된다.
본 발명에 따른 장치의 파리미터는 저온 플라즈마를 생성하기 위한 물리적 전제 조건을 만족한다.
물리적 파라미터 필요 조건 plasmaOne 필요 조건 만족?
항복 전압 1 mm 갭에서 3 kV 3 내지 18 kV 예
디바이 길이 갭 크기 >> λd = 2.35·10-6 m 갭 크기 ≥ 1 mm 예
디바이 구 내의 대전 입자의 평균 개수 개수 > 1 개수: 대략 5000 예
1 변압기
2 프로브
3 제어 장치
4 1차 코일
5 2차 코일
7 커플링
8 변압기 하우징
9 커플링
10 로드 코어
11 챔버
12 콘택 스프링
13 전원
14 금속 전극
15 유전체
16 여기 전압
P 플라즈마 필라멘트
B 중첩 영역
d1 간격
d2 간격
F 손가락
K 전체 커패시턴스
CF 손가락의 커패시턴스
L 길이
SK 공진 회로
G 조직

Claims (13)

  1. a) 고주파수 전자기장을 생성하는 변압기(1);
    b) 상기 변압기(1)에 전기적으로 연결될 수 있는 프로브(2); 및
    c) 상기 변압기(1)에 의해 생성된 고주파수 전자기장을 제어하는 제어 장치(3)
    를 포함하는, 저압 플라즈마를 이용한 생체 조직(G) 처리 장치에 있어서.
    상기 변압기(1)는 동축으로 배치된 1차 코일(4) 및 2차 코일(5)을 포함하고, 2개의 코일(4, 5)의 중첩 영역(B) 내에서 상기 1차 코일(4)과 상기 2차 코일(5) 사이의 중간 공간은 제1 간격(d1)으로부터 상기 프로브(2)를 위한 커플링(7)의 방향으로의 더 큰 제2 간격(d2)으로 증가하는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변압기(2)는 상기 제어 장치(3)의 전기적/전자적 연결을 위한 상기 커플링(7)의 반대편에 있는 커플링(9)을 갖는 변압기 하우징(8)을 포함하고, 상기 변압기 하우징(8)은 바람직하게는 핸들로서 구축되고 대응하여 인간 공학적으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는 상기 변압기 하우징(8) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치(3)는 상기 변압기 하우징(8)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전기 전원이 상기 제어 장치(3)에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 코일(4) 및 상기 2차 코일(5)은 동일한 길이(L)를 가지는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 코일(4)은 상기 2차 코일(5) 주위로 동축으로, 바람직하게는 원뿔형으로 동축으로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 코일(5)은 바람직하게는 페라이트로 이루어진 로드 코어(10) 주위로 배치되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 코일은 바람직하게는 등거리로 이격되고 각 경우에 100 내지 1000의 권취수, 바람직하게는 250 내지 750의 권취수, 특히 바람직하게는 500의 권취수를 갖는 복수의 챔버(11)를 가지는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로브(2)는 유리 프로브로서 구축되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 유리 프로브는 음압 하에서, 바람직하게는 500 Pa 내지 3000 Pa, 특히 바람직하게는 2000 Pa의 음압 하에서, 전도성 가스, 바람직하게는 불활성 가스 또는 불활성 가스 혼합물로 채워지는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프로브(2)는 콘택 스프링(12)을 이용하여 상기 변압기(1)에 전기적/전자적으로 연결될 수 있고, 상기 콘택 스프링(12)은 변압기(1) 또는 상기 프로브(2) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는,
    저압 플라즈마를 이용한 생체 조직 처리 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 장치로 저압 플라즈마를 이용하여 생체 조직(G)을 처리하는 생체 조직 처리 방법에 있어서,
    a) 0.1 ㎂ 내지 300 ㎂의 상기 2차 코일(5) 측에서의 전류 세기로 12 V 내지 600 V 범위의 전기적인 직류 전압 또는 저주파수 교류 전압의 형태로 전력을 제공하는 단계;
    b) 전기적인 상기 직류 전압 또는 전기적인 상기 저주파수 교류 전압을 10 kHz 내지 50 kHz의 고주파수 교류 전압으로 변환하는 단계;
    c) 상기 고주파수 교류 전압을 1800 V 내지 35000 V의 전압 범위로 변압하는 단계; 및
    d) 1800 V 내지 35000 V의 전압 범위의 상기 고주파수 교류 전압을 1 mm 내지 5 cm의 간격으로 처리될 생체 조직 위로 위치 설정된 프로브(2), 바람직하게는 유리 프로브로 전달하는 단계
    를 포함하는,
    생체 조직 처리 방법.
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