KR20150113805A - 플라즈마 시스템 - Google Patents

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KR20150113805A
KR20150113805A KR1020140154526A KR20140154526A KR20150113805A KR 20150113805 A KR20150113805 A KR 20150113805A KR 1020140154526 A KR1020140154526 A KR 1020140154526A KR 20140154526 A KR20140154526 A KR 20140154526A KR 20150113805 A KR20150113805 A KR 20150113805A
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김약연
유한영
장원익
윤용선
이봉국
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명에 따른 플라즈마 시스템은, 외부에 노출된 외주면, 상기 외주면과 대향하며 가스와 접촉하는 내주면 및 상기 가스가 분사되는 출구를 포함하는 노즐, 상기 외주면 또는 상기 내주면 중 일부에 형성되는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격된 상태로 상기 외주면 중 일부에 형성되는 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극은 제1 전압을 갖는 제1 전원에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 갖는 제2 전원에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극보다 상기 출구로부터 가까운 위치에 형성된다.

Description

플라즈마 시스템{PLASMA SYSTEM}
본 발명은 피부미용 및 의료용 저온 대기압 대면적 플라즈마 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 대면적 피부미용 및 의료용 저온 대기압 플라즈마에 관한 것이다.
저온 대기압 플라즈마의 의료분야 적용은 2000년 초까지 혈액의 응고나 수술시 조직의 제거와 같은 플라즈마의 열적 특성을 이용하여 진행되어 왔으나 2000년대 초부터 플라즈마의 미생물 살균 및 소독 특성을 이용한 공기 청정기, 유해가스 필터와 같은 기기에 폭 넓게 응용되고 있으며, 최근에는 플라즈마와 생체세포의 상호작용에 대한 연구 결과를 기반으로 새로운 의료기기로서 많은 관심을 모으고 있다.
저온 대기압 플라즈마 시스템을 의료기기로 활용하기 위해서는 기본적으로 온도에 대한 안정성과 더불어 응용 영역에 따른 다양한 구조가 요구되나, 현재의 플라즈마 시스템은 두 종류로 연구 개발되고 있다. 첫 번째는 간접 플라즈마 방식으로 플라즈마 플륨(plume)을 직접적으로 피부에 접촉시키지 않는 방법으로 치료 영역에서 멀리 떨어진 위치에서 플라즈마를 발생시킨후 캐리어 가스(불활성가스)를 통해 치료영역에 가이드하는 방법으로 치료효과가 약간 떨어지는 단점을 가지고 있다. 두 번째 방법은 직접 플라즈마 플륨을 치료 영역에 접촉시키는 직접 플라즈마 방식으로 주로 플라즈마 젯을 기반으로 하는 기술이다. 이 방식은 치료효과는 높으나 국소 영역에 적용되는 단점을 가지고 있다.
플라즈마를 발생시킨 후 캐리어 가스를 통해 가이드하는 방법을 사용하는 경우, 일반적으로 대기압에서 넓은 영역에 균일한 저온 플라즈마를 형성시키기 위해서는 고전압이 요구된다. 이러한 높은 방전 전압을 낮추기 위해 방전 전압(breakdown voltage)이 낮고 열전도도가 높은 헬륨(He)을 캐리어 가스로 사용하고 있으나, 헬륨은 비교적으로 가격이 비싸서 경제적으로 불리한 점을 갖고 있다. 따라서 저렴한 아르곤(Ar)을 캐리어 가스로 사용하면서도 낮은 전압에서 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 시스템이 요구되고, 이를 위해 효율적인 전극설계가 요구된다.
따라서, 본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 보다 넓은 영역에 효율적인 치료 효과를 얻을 수 있는 직접 플라즈마 방식의 의료용 대기압 플라즈마 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 예비이온화(preionization, 프리이오나이제이션)를 이용하여 보다 낮은 전압을 인가하면서도 균일하고 대면적의 저온 대기압 플라즈마 브러쉬를 형성하는 플라즈마 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템은, 외부에 노출된 외주면, 상기 외주면과 대향하며 가스와 접촉하는 내주면 및 상기 가스가 분사되는 출구를 포함하는 노즐, 상기 외주면 또는 상기 내주면 중 일부에 형성되는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격된 상태로 상기 외주면 중 일부에 형성되는 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극은 제1 전압을 갖는 제1 전원에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 갖는 제2 전원에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극보다 상기 출구로부터 가까운 위치에 형성된다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 보다 넓은 영역에 효율적인 치료 효과를 얻을 수 있는 직접 플라즈마 방식의 의료용 대기압 플라즈마 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 예비이온화를 이용하여 보다 낮은 전압을 인가하면서도 균일하고 대면적의 저온 대기압 플라즈마 브러쉬를 형성하는 플라즈마 시스템을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 사시도,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 정면도 및 측면도,
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 측면도,
도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위해 A와 A' 사이 단면도,
도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 사시도,
도 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 측면도
도 3c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 B와 B'단면도,
도 4a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 사시도,
도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 측면도
도 4c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 C와 C' 사이 단면도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템 중 펄스 전원부를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 사시도, 도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 정면도 및 측면도, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 측면도, 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위해 A와 A' 사이 단면도이다. 도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 2c를 참조하면, 플라즈마 시스템(100)은 노즐(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130) 및 제3 전극(140)을 포함한다.
노즐(110)은 외부에 노출된 외주면(o), 외주면(o)에 대향하며 캐리어 가스(g)와 접촉하는 내주면(i) 및 캐리어 가스(g)가 분사되는 출구(e)를 포함한다.
제1 전극(120)은 예비이온화를 위한 전극으로, 외주면(o) 중 일부에 형성되며, 제1 저항(129)을 통해 제1 전원(125)에 연결된다. 제2 전극(130)은 이온화를 위한 전극으로, 제1 전극(120)과 이격된 상태로 외주면(o) 중 일부에 형성되고, 제2 저항(139)을 통해 제2 전원(135)에 연결된다. 제3 전극(140)은 접지 전극으로, 외주면(o)에 대향하는 내주면(i) 중 일부에 형성되고, 제1 전원(125)의 접지에 전기적으로 연결된다. 제1 저항(129) 및 제2 저항(139)은 예비이온화의 안정성을 향상시키기 위해 발라스트 저항인 것이 바람직하며, 제1 전원(125) 및 제2 전원(135)은 각각 교류, 이극성 펄스(bipolar pulse), 단극성 펄스(unipolar pulse) 또는 직류 전원일 수 있다.
제1 전극(120)은 도 2a에 도시된 바와 같이 도체 테이프 또는 도체 와이어를 외주면(o)에 감은 구조일 수 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이 외주면(o) 중 서로 대향하는 두 면(예를 들어, 윗면과 아랫면)에 배치된 두 개의 도체 와이어 구조일 수도 있다. 제2 전극(130)도 외주면(o) 중 일부에 형성되므로, 제1 전극(120)과 유사한 구조를 가질 수 있다. 제3 전극(140)은 내주면(i) 중 일부에 접착된 도체 와이어 구조일 수 있으며, 도 2c에 도시된 바와 같이 내주면(i) 중 서로 다른 두 곳에 접착된 구조를 가질 수도 있다. 도 2c에서 도시된 바와 같이, 내주면(i)은 캐리어 가스와의 마찰을 고려하여 둥글게 가공되며, 노즐(110)의 재질은 절연체 물질인 것이 바람직하다.
캐리어 가스(g)는 출구(e)를 향해 흐르면서, 제1 전극(120) 및 제3 전극(140)에 의해 예비이온화된다. 제1 전극(120)과 제3 전극(140)과의 거리가 짧을수록 플라즈마의 발생을 위해 필요한 전압 레벨의 크기가 감소한다. 예비이온화로 인해 발생한 풀륨(plume)이 출구(e)를 향해 흐른다. 또한, 예비이온화로 인해 발생하는 이온들과 전자들은 캐리어 가스에 의해 제2 전극(130)으로 유입될 수 있다. 제2 전극(130)이 이온화 할 때, 제1 전극(120)에 의해 발생한 풀륨, 이온들, 전자들이 시드(seed) 역할을 하므로, 제2 전극(130)에 인가되는 전압 레벨이 낮더라도 플라즈마가 발생할 수 있다. 따라서 제2 전극(130)의 전압 레벨이 상대적으로 낮더라도 풀륨이 출구(e)로부터 먼 곳에서도 유지될 수 있다(풀륨이 형성되는 길이 및 면적이 증가한다).
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템은 유전체 장벽 방전(Dielectric Barrier Discharge, DBD)의 예비이온화를 이용하므로 낮은 전압에서도 균일하고 안정된 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 플라즈마 시스템(100)은 제2 전극(130)에 낮은 전압 레벨의 전원이 인가되더라도 넓은 영역에 플라즈마 풀륨을 형성할 수 있다. 또한, 플라즈마 풀륨의 균일성을 향상시킬 수 있으며, 노즐에서 형성되는 풀륨의 길이가 증가된다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템은 다양한 크기의 피부 상처 및 질환에 보다 효율적으로 활용될 수 있으며, 국소적으로 다양한 가스를 활용하여 치료할 수 있다는 효과가 있다. 또한, 이러한 기술을 기반으로 피부관리 및 질환과 같은 보다 넓은 영역의 상처치료에 응용 가능하다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 사시도이고, 도 3b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 측면도이며, 도 3c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 단면도이다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 플라즈마 시스템(200)은 노즐(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 제3 전극(240)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 제3 전극(140)과 출구(e) 사이의 거리는 제1 전극(120)과 출구(e) 사이의 거리보다는 가깝고, 제2 전극(130)과 출구(e) 사이의 거리보다는 멀었다. 그러나 도 3a에 도시된 실시예에서는, 제3 전극(240)과 출구(e) 사이의 거리가 제1 전극(220)과 출구(e) 사이의 거리 및 제2 전극(230)과 출구(e) 사이의 거리보다 멀다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 사시도이고, 도 4b는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 측면도이며, 도 4c는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템을 설명하기 위한 C와 C' 사이 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 플라즈마 시스템(300)은 노즐(310), 제1 전극(320), 제2 전극(330) 및 제3 전극(340)을 포함한다. 도 1에 도시된 실시예에서는, 제1 전극(120)이 외주면(o) 중 일부에 형성되었고 제3 전극(140)이 외주면(o)에 대향하는 내주면(i) 중 일부에 형성되었다. 그러나 도 4c에 도시된 실시예에서는, 제1 전극이 내주면(i) 중 일부에 형성되었고, 제3 전극(340)이 내주면(i)에 대향하는 외주면(o) 중 일부에 형성되었다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 플라즈마 시스템 중 펄스 전원부를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 플라즈마 시스템은 노즐(410), 제1 전극(420), 제2 전극(430) 및 제3 전극(440)을 포함하며, 각각의 구조 및 형상은 노즐(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 제3 전극(240)과 매우 유사하므로 설명이 생략되어도 무방하다.
제1 전극(420)은 제1 저항(429)을 통해 제1 전원(425)과 연결된다. 제1 전원(425)은 제1 펄스 발생기(426), 제2 펄스 발생기(427) 및 스위치(428)를 포함한다. 제1 펄스 발생기(426)는 양의 펄스 전압을 발생시키고, 제2 펄스 발생기(427)는 음의 펄스 전압을 발생시킨다. 스위치(428)는 외부의 제어 신호에 의해 제1 펄스 발생기(426)와 연결될 수 있고, 제2 펄스 발생기(427)와 연결될 수도 있으며, 두 펄스 발생기(427, 428)와 연결되지 않을 수도 있다. 스위치(428)가 제1 펄스 발생기(426)와 연결되는 경우 제1 전원(425)은 양의 펄스 전압을 제1 전극(420)에 출력하고, 스위치(428)가 제2 펄스 발생기(427)와 연결되는 경우 제1 전원(425)은 음의 펄스 전압을 제1 전극(420)에 출력한다. 제2 전원(435)은 제1 전원(425)과 매우 유사하므로 상세한 설명이 생략되어도 무방하다.
제1 전원(425) 및 제2 전원(435)에 각각 전기적으로 연결되는 제1 전극(420) 및 제2 전극(420)은 스위치(428, 438)의 동작에 따라 애노드(anode) 또는 캐소드(cathode) 중 하나로 동작할 수 있다.
도 6을 참조하면, 플라즈마 시스템은 노즐(510), 제1 전극(520), 제2 전극(530) 및 제3 전극(540)을 포함하며, 각각의 구조 및 형상은 노즐(310), 제1 전극(320), 제2 전극(330) 및 제3 전극(340)과 매우 유사하므로 설명이 생략되어도 무방하다. 도 5에 도시된 실시예에서는, 제1 전극(420)이 외주면(o) 중 일부에 형성되었고 제3 전극(440)이 내주면(i) 중 일부에 형성되었다. 그러나 도 6에 도시된 실시예에서는, 제1 전극(520)이 내주면(i) 중 일부에 형성되었으며, 제3 전극(540)이 외주면(o) 중 일부에 형성되었다. 제1 전원(525) 및 제2 전원(535)는 각각 제1 전원(425) 및 제2 전원(435)와 매우 유사하므로 설명이 생략되어도 무방하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
110, 210, 310, 410, 510: 노즐
120, 220, 320, 420, 520: 제1 전극
125, 425, 525: 제1 전원
130, 230, 330, 430, 530: 제2 전극
135, 435, 535: 제2 전원
140, 240, 340, 440, 540: 제3 전극

Claims (10)

  1. 외부에 노출된 외주면, 상기 외주면과 대향하며 가스와 접촉하는 내주면 및 상기 가스가 분사되는 출구를 포함하는 노즐;
    상기 외주면 또는 상기 내주면 중 일부에 형성되는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극과 이격된 상태로 상기 외주면 중 일부에 형성되는 제2 전극을 포함하되,
    상기 제1 전극은 제1 전압을 갖는 제1 전원에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 상기 제1 전압과 다른 제2 전압을 갖는 제2 전원에 전기적으로 연결되며,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극보다 상기 출구로부터 가까운 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극과 이격된 상태로 상기 제1 전극이 형성된 면에 대향하는 면에 형성되는 제3 전극을 더 포함하며, 상기 제3 전극은 상기 제1 전원의 접지에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제3 전극과 상기 출구 사이의 거리는 상기 제1 전극과 상기 출구 사이의 거리보다는 가깝고, 상기 제2 전극과 상기 출구 사이의 거리보다는 먼 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제3 전극과 상기 출구 사이의 거리는 상기 제1 전극과 상기 출구 사이의 거리 및 상기 제2 전극과 상기 출구 사이의 거리보다 먼 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 저항을 통해 상기 제1 전원에 전기적으로 연결되고, 상기 제2 전극은 제2 저항을 통해 상기 제2 전원에 전기적으로 연결되는 플라즈마 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 저항 및 상기 제2 저항은 발라스트 저항인 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원은 직류 전원부 또는 교류 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원 및 상기 제2 전원은 각각 펄스 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 펄스 전원부는
    양의 펄스 전압을 발생시키는 제1 펄스 발생기;
    음의 펄스 전압을 발생시키는 제2 펄스 발생기; 및
    상기 제1 펄스 발생기 또는 상기 제2 펄스 발생기와 전기적으로 연결되는 스위치를 포함하며,
    상기 스위치가 상기 제1 펄스 발생기와 전기적으로 연결되는 경우 상기 펄스 전원부는 양의 펄스 전압을 출력하고, 상기 스위치가 상기 제2 펄스 발생기와 전기적으로 연결되는 경우 상기 펄스 전원부는 음의 펄스 전압을 출력하는 플라즈마 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 노즐의 재질은 절연체이며,
    상기 노즐의 내주면은 라운드 처리된 것을 특징으로 하는 플라즈마 시스템.





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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101959660B1 (ko) * 2018-01-04 2019-03-18 주식회사 코비플라텍 플라즈마 및 음이온 발생장치

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