KR20160139892A - 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치 - Google Patents

브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두피 치료 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두피와 플라즈마 발생기 간에 유전체 장벽 방전을 유도하여 소프트 플라즈마를 생성함으로써 두피를 살균 및 자극하는 장치에 있어서, 브러시 타입으로 구성되어 빗질 하듯이 부드럽게 이동하면서 반응종 생성과 동시에 세포 내와 세포 밖에서 작용하게 함으로써 반응종의 농도를 높이고 환부를 자극하게 하여 살균과 함께 탈모를 방지하도록 한 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 핸드피스의 하부면에 구비된 다수의 브러시; 상기 브러시의 하단부에 구비된 플라즈마 발생기;로 구성되고, 상기 플라즈마 발생기는 내부가 비어있는 볼 타입으로 된 유전체; 상기 유전체의 내측에 위치하여 두피치료를 위한 파워를 전달하는 전극;으로 구성된다.

Description

브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치{Scalp treatment apparatus using brush type plasma generator}
본 발명은 두피 치료 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두피와 플라즈마 발생기 간에 유전체 장벽 방전을 유도하여 소프트 플라즈마를 생성함으로써 두피를 살균 및 자극하는 장치에 있어서, 브러시 타입으로 구성되어 빗질 하듯이 부드럽게 이동하면서 플라즈마에 따른 반응종 생성과 동시에 세포 내와 세포 밖에서 작용하게 함으로써 반응종의 농도를 높이고 실질적으로 두피를 자극하게 하여 살균과 함께 탈모를 방지하도록 한 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치에 관한 것이다.
최근에 대기압 하에서 플라즈마를 발생시키는 저온 대기압 플라즈마 장치의 개발로 이 기술을 이용한 미생물의 살균, 상처의 지혈, 치아미백, 암세포 사멸유도 등 의학분야에 실용적 시도가 크게 늘어나고 있으며, 특히 살균에 플라즈마를 이용하는 기술은 다른 분야에 비해 일찍 그 가능성이 입증되었고, 심도 있는 연구가 진행되어 오고 있다.
일반적인 대향 방전에서 유전체가 없는 경우에, 방전은 첫 번째 스파크로부터 출발하여 저 전압 아-크 방전으로 빠르게 진전되며, 스파크 내의 전자가 일련의 이온화 작용을 시작하여 고 전류로 선도하며 결국에는 아-크를 형성한다.
유전체는 표면에 전하를 축적하고 대향 전계를 발생시킴으로써 전류를 제한하고 아-크 형성을 방지하기 때문에 제어되지 않은 방전 현상을 방지한다.
고전압의 교류 전원은 전압 사이클의 각각 절반이 방전의 형성을 보장하며, 일반적으로 유전체 장벽 방전은 킬로 헤르츠(kHz) 범위에서 작동하기 때문에, 플라즈마는 전극 사이 즉, 방전 갭에서 완전히 소멸하는 시간이 충분하지 않아, 방전은 방전 갭에서 연속적인 글로우 또는 방전 필라멘트처럼 보인다.
통상적으로 플라즈마의 물성 및 응용의 분류로 열 플라즈마와 비열 플라즈마로 나누며, 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectric Barrier Discharge)은 비열이나 저온 플라즈마 발생을 위한 전형적인 방전이다.
열 플라즈마는 모든 플라즈마 구성 요소인 전자, 이온, 기체 원자와 분자의 온도는 비슷하다.
플라즈마 성분이 동적 평형 상태 즉, 전자와 이온의 재결합이 이온화에 의해 균형을 이루고 있을 경우 플라즈마는 일정 시간 동안 존재할 수 있다.
중요한 이온화를 제공하기 위해, 일반적으로 전자는 여러 레벨의 에너지(eV)를 가지며, 에너지를 가진 입자가 필요하다.
가스 입자의 평균 에너지는 약 1 eV 와 같고 대략 11,600 K의 가스 온도에 대응한다. 이것은 안정한 열 플라즈마는 대략 5000 K 이상의 온도를 가지고 있다는 것을 의미한다.
비열 플라즈마는 구성 요소들의 온도는 매우 다르며, 평형 상태가 될 필요는 없다.
보통 전자의 온도는 이온과 가스 분자와 같이 무거운 입자의 온도보다 10,000 K 이상 훨씬 높다. 통상적으로, 비 평형 플라즈마 가스의 온도는 실온 또는 수천 켈빈(Kelvin)으로 매우 차이가 크지만, 전체적으로 주위 온도의 범위 일 수 있다.
플라즈마는 가스의 온도가 주위의 온도보다 높지 않은 경우 비열로 간주하고, 주위 온도는 예를 들면 실온으로 20 ~ 25 ℃ 이다.
이러한 비열 플라즈마를 이용하여 생체조직을 치료하기 위한 장치로서, 미국공개특허 제20100145253호(Method for non-thermal application of gas plasma to living tissue)에 나타난 바와같이, 평판의 절연체의 상부 표면에 전극과 콘덕터가 구비된 구조를 갖는다.
이는 유전체 장벽 방전과 유사한 고전압 방전의 발생으로 인한 전극과 조직 사이에 절연체를 배치함으로써 플라즈마와 조직을 통해 전류를 제한하게 되어 세포조직 가열을 최소화하기 위한 장치이다.
따라서 열에 의한 조직 손상을 일으키지 않고 혈액 응고를 촉진하며, 살균, 소독, 조직의 재 연결, 및 조직 장애의 치료를 위해 사용될 수 있다.
그런데, 이러한 종래의 기술은 매끈한 피부 조직에 사용하기에 적합하게 되어 있어서, 두피와 같은 모발이 있는 경우에는 모발 때문에 플라즈마를 발생시키기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여, 브러시 타입으로 플라즈마 발생 장치를 형성하여 각 브러시의 단부가 두피에 직접 접촉하여 플라즈마가 발생토록 함과 아울러 두피에 접촉한 상태에서 이동시에 부드럽게 이동이 가능하도록 한 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 갖는 본 발명은,
핸드피스의 하부면에 구비된 다수의 브러시;
상기 브러시의 하단부에 구비된 플라즈마 발생기;로 구성되고,
상기 플라즈마 발생기는
내부가 비어있는 볼 타입으로 된 유전체;
상기 유전체의 내측에 위치하여 두피치료를 위한 파워를 전달하는 전극;으로 구성된다.
이와같이 구성된 본 발명은 브러시 타입으로 된 플라즈마 발생기가 두피에 접촉하여 부드럽게 이동하면서 유전체의 외측면과 두피 사이의 공간에 플라즈마 활성 영역이 형성되어 살균에 의해 탈모를 방지함과 아울러 두피를 자극하여 발모 효과를 높이는 장점이 있다.
도1은 본 발명의 단면 구조도.
도2는 본 발명의 전체 구조를 보인 블럭도.
도3은 플라즈마 발생기의 단면구조 및 두피와 접촉한 상태에서 플라즈마 활성영역이 생성된 형태를 보인 도.
도4 및 도5는 본 발명의 동작을 설명하기 위한 도.
본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 두피 치료 장치는 도1에 도시한 바와같이 브러시 형태의 핸드피스(100) 형태로 구성되는데, 시술자가 손에 쥐는 본체(101)의 내부에는 플라즈마 발생을 위한 고전압 모듈(130)이 구비되어 있으며, 본체(101)의 하부면에는 하측으로 연장되는 복수의 브러시(201)가 일정간격마다 형성되어 있다.
또한 그 브러시(201)의 하단부에는 볼 타입의 플라즈마 발생기(200)가 구비되어 있다.
본체(101)의 내부에는 전원부(110)와 제어부(120)가 더 구비되는데, 도2에서와 같이 제어부(120)는 전원부(110)로부터 출력되는 직류전원을 고전압 모듈(130)에 공급하여 고주파, 고전압의 교류 전원으로 변환되도록 제어하는데, 신호발생기(131)는 보통 20kHz 이하의 주파수를 발생하게 되고, 증폭기(132)는 5~10W의 임피던스 매칭을 제공한다.
상기 전원부(110)는 배터리일 수 있어서, 본 발명이 소형화된 휴대용으로도 사용될 수 있을 것이다.
트랜스포머(133)는 증폭기(132)로부터 출력되는 주파수를 고전압으로 만들어 플라즈마 발생기(200)로 공급함으로써 플라즈마 발생을 일으키도록 한다.
플라즈마 발생기(200)는 도3에서와 같이 브러시(201)의 하단부에서 볼 타입으로 형성되는데, 내부가 비어있는 볼 타입으로 된 유전체(210)와, 상기 유전체(210)의 내부에 위치하여 트랜스포머(133)로부터 고전압을 인가받는 볼 타입의 전극(240)과, 상기 전극(240)의 외측면을 둘러싸고 위치하면서 균일한 간격을 가지고 다수의 관통홀(231)이 형성된 볼 형태의 기판(230)으로 형성된다.
관통홀(231)의 내측면에는 도전물질에 의해 코팅 또는 도금이 행해질 수 있다.
이때 기판(230)과 유전체(210)는 서로 이격된 상태로 위치하여 이격공간부(220)를 형성하여, 이러한 이격공간부(220)에 의해 공기층이 형성된다.
또다른 방안으로는 기판(230)을 제거하고, 전극(240)과 유전체(210)를 이격시켜 설치함으로써 이격공간부(220)에 의해 공기층을 형성할 수 있다.
또한, 이격공간부(220)는 0.1~1mm 바람직하게는 0.5mm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 전극(240)의 외측면이 유전체(210)의 내측면에 직접 접촉하도록 구성되거나 또는 기판(230)의 외측면이 유전체(210)에 직접 접촉하여 이격공간부(220)가 삭제될 수 있을 것이다.
기판(240)은 그 일부분이 지지부(241)에 의해 유전체(210)의 내부에서 안정적으로 고정된다.
상기 유전체(210)는 석영, 사파이어, 유리, 세라믹, 고분자필름, PEI(Polyetherimide)등의 재질로 형성될 수 있으며, 그 두께가 0.1mm~1mm 정도이고, 상대 유전율이 2~18 정도가 바람직하다.
특히 PEI의 경우에는 전기적 특성이 우수하며, 높은 내방사선성으로 인해 가혹한 조건하에서 절연재로서 우수한 성능을 발휘한다.
유전율은 102 ~ 105 Hz에서 3.0~3.5 정도이다.
고전압 모듈(130)로부터 발생된 파워는 파이프 형태의 브러시(201) 내측을 통해 전극(240)과 전기적으로 연결되는 배선을 통해 전극(240)으로 인가되고, 전극(240)으로부터 인도된 파워는 기판(230)의 관통홀(231)을 통해 고르게 방사되어 유전체(210)로 인도되며, 이로인해 도3에서와 같이 유전체(210)와 두피(S) 사이에 R-L-C 직렬회로를 형성함으로써 두피(S)는 낮은 임피던스를 갖는 회로가 되어 인체에 해를 끼치지 않는 미약한 전류가 흐른다.
이때 두피(S)에 접촉하는 플라즈마 발생기(200)는 볼 형태이므로 두피(S)와 고른 면적으로 접촉하게 되며, 두피(S)와 접촉하는 플라즈마 발생기(200)의 외곽부위에서 둘레를 따라 플라즈마 활성영역(P)이 형성된다.
또한, 플라즈마 발생기(200)가 이동할 때도 두피(S)와 고른 면적으로 접촉하면서 부드럽게 이동하게 되며, 이동시에도 기판(230)의 관통홀(231)을 통해 고르게 방사되는 파워에 의해 부드러운 유전체 장벽 방전이 이루어져 플라즈마가 고르게 발생하는 것이다.
인체에 해가 없고 부드러운 유전체 장벽 방전 플라즈마(P)를 얻기 위해서는 1W 정도의 출력전력이 바람직하며, 최적의 운전조건을 맞추기 위해서는 출력전력의 변수인 유전체 장벽 방전 플라즈마 발생기(200)를 구성하는 유전물질의 정전용량과 인가되는 전압 및 주파수를 선택하여 최적의 방전 효율이 되도록 하여야 한다.
유전체 장벽 방전 플라즈마 발생기(200)의 정전용량은 그 형태와 유전체(210) 물질의 물리적 특성에 관계되며, 이것은 플라즈마를 이용한 두피 치료 장치의 운전특성에 영향을 미친다.
일반적으로 평판 축전기의 유전용량 C는 수학식1로 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
이고,
C : 정전용량 [F],
Figure pat00003
: 진공 유전율 [F/m],
K : 상대 유전상수, A; 전극면적 [m2],
d; 전극간 거리 [m] 이다.
본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 두피 치료 장치의 정전용량 CT은 유전체의 정전용량 Cg와 유전체 전극과 접촉 두피 사이(즉 방전 갭) 정전용량 Ca의 직렬 연결 회로로 해석하여 다음 수학식2로 나타낸다.
Figure pat00004
또한 일반적으로 축전기에 저장되는 에너지 U는 수학식3으로 나타낸다.
Figure pat00005
여기서, U : 저장되는 에너지 [J], V : 전압 [V]
이때의 출력 전력 W은 U = W/f 로부터 구할 수 있으며, 수학식4로 나타낼 수 있다.
Figure pat00006
여기서, W; 소비전력 [W], f; 구동 주파수 [Hz]
상기 조건 식으로부터 전기적 쇼크가 없고 안정적으로 두피에 유전체 장벽 방전 플라즈마를 유도하기 위해서는 단위면적당 출력 전력은 0.1~2W(바람직하게는 1.53W)/cm2이고, 출력 전압은 4~20(바람직하게는 9.5~10)kV, 주파수 1~30(바람직하게는 25)kHz 정도이다.
상기와 같이 구성된 브러시 타입의 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치의 작동 상태를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 두피에 유전체(210) 표면을 위치시키고, 본체(101)의 작동 시작 버튼을 누르면 제어부(120)는 전원부(110)로부터 직류 전원을 고전압 모듈(130)로 공급하게 되고, 이로인해 고전압 모듈(130)에서는 고전압 고주파수의 교류 전원으로 변환하여 플라즈마 발생기(200)의 유전체(210)의 내부에 설치된 전극(240)에 공급한다.
이때 유전체(210)를 매개로 하여 플라즈마 발생기(200)와 환부는 R-L-C회로를 이루면서 도3에서와 같이 유전체 장벽 방전에 의한 플라즈마가 발생하게 되며, 기판(230)에 형성된 관통홀(231)을 통해 방사되는 파워에 의해 유전체(210)와 두피(S) 사이의 공간에서 고른 분포를 갖는 플라즈마가 발생되는 것이다.
즉, 전극(240)으로부터의 파워를 다수의 관통홀(231)을 통해 고르게 분포시켜 유전체(210)로 인도시킴으로써 유전체(210)와 두피(S) 사이의 공간인 플라즈마 활성영역(P)에서 플라즈마가 고르게 분포되는 것이다.
이렇게 만들어진 플라즈마에는 예컨대 옥시-, 하이드록실-, 및 질소 라디칼, 전자적으로 여기된 원자나 분자, 및 자외선(UV) 광자, 이온, 라디칼 등의 화학적 활성종이 포함되어 있으며 이들은 전기장을 따라 운동하면서 두피에 고르게 분포되어 두피 내/외를 자극하고 살균하게 되어 탈모를 방지하고 발모를 촉진시키게 된다.
또한, 플라즈마 발생기(200)가 볼 형태로 형성됨으로써 두피(S)와 접촉하여 빗질 하듯이 부드럽게 이동하면서 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
한편, 상기에서와 같이 전극(240) 또는 기판(230)과 유전체(210)가 접촉되어 설치되는 경우에는 운전 초기에 절연파괴에 따른 과도전류에 의해 두피(S)에 전기적인 쇼크기 발생할 수 있다.
이러한 과도전류에 의해 두피(S)가 손상되거나 또는 시술받는 사람이 순간적인 전기적 쇼크에 의해 놀라거나 긴장을 할 수 있어서, 전기적 쇼크가 없고 안정적으로 플라즈마를 유도하기 위해서는 출력 전력을 일정하게 유지하면서 출력 밀도를 균일하게 제어하여야 한다.
도4(a)는 상기에서 언급한 전극(240) 또는 기판(230)과 유전체(210)가 접촉되어 설치되는 경우를 도식적으로 표현한 것으로서, 'Ca'는 플라즈마 활성영역(P)이고, 'Cg'는 유전체(210)이다.
도4(b)는 초기 방전이 일어나기 전의 등가회로이고, 도4(c)는 초기 방전이 발생한 후 플라즈마가 정상 상태로 발생할 때의 등가회로이다.
이러한 구조에 의해 초기에 전극(240)에 전원을 공급하여 시술 부위의 두피(S)에 플라즈마를 유도할 때 임피던스 변화는 방전이 일어나기 직전까지 플라즈마 활성영역(P)은 절연층으로서 도4(b)와 같이 'Ca'값으로 작용하며, 일단 절연층이 파괴되어 방전이 일어나면 플라즈마 활성영역(P)은 도전체로서 도4(c)와 같이 'Ra'의 저항값으로 작용한다.
임피던스 변화는 초기 방전의 유도시에 방전이 일어나기 전까지 CT는 CT < Cg가 되었다가 방전과 동시에 CT = Cg 가 되어 최대값을 가지게 되며, 초기 방전시에 절연파괴에 따른 과도전류에 의한 순간 아크성 플라즈마가 발생함으로써 전기적 쇼크로 작용하게 되는 것이다.
이러한 전기적인 쇼크를 방지하기 위하여 전극(240) 또는 기판(230)과 유전체(210) 사이에 이격공간부(220)를 형성함으로써 유전체(210)로 유입되는 전류를 제어할 수 있게 된다.
즉 도5(a)에서와 같이 유전체(210)인 'Cg'와 전극(240) 사이에 공기층으로서의 이격공간부(220)인 'Cb'를 형성하며, 도5(b)는 초기 방전이 일어나기 전의 등가회로이고, 도5(c)는 초기 방전이 발생한 후 플라즈마가 정상 상태로 발생할 때의 등가회로이다.
초기에 전극(240)에 전원을 공급하여 시술 부위에 플라즈마를 유도할 때에 임피던스의 변화는 방전이 일어나기 직전까지 플라즈마 활성영역(P)과 이격공간부(220)는 절연층으로서 Ca 및 Cb의 값으로 작용하며, 일단 절연층이 파괴되어 방전이 일어나면 플라즈마 활성영역(P)과 이격공간부(220)는 도전체로서 Ra 및 Rb의 저항 값으로 작용한다.
여기서 임피던스의 변화를 살펴보면, 등가회로에서 방전이 일어나기 직전까지는 Ca, Cg, Cb가 직렬로 연결되어 전체 캐패시터 값 CT 는 CT < Cb이므로, 초기 방전의 유도 시에 초기 절연파괴에 따른 과도전류는 미약해지며, 일단 방전이 일어나고 정상적으로 플라즈마가 유지되면 이때 유전체(210)와 전극(240) 사이의 이격공간부(220)는 도전체로서 Rb 의 저항 값으로 작용하여 전극(240)으로부터 유전체(210)로 유입되는 전류를 제어함으로써 운전초기의 순간적인 전기적 쇼크가 방지되는 것이다.
즉, 유전체(210)인 'Cg'에 충전되는 전류는 항시 Rb에 의해 일정한 값으로 제어되기 때문에 과다한 플라즈마의 발생이 방지되고, 이로인해 전기적 쇼크가 없는 부드러운 플라즈마가 발생할 수 있는 것이다.
100 : 핸드피스 101 : 본체
200 : 플라즈마 발생기 201 : 브러시
210 : 유전체 220 : 이격공간부
230 : 기판 231 : 관통홀
240 : 전극 241 : 지지부

Claims (4)

  1. 핸드피스의 하부면에 구비된 다수의 브러시;
    상기 브러시의 하단부에 구비된 플라즈마 발생기;로 구성되고,
    상기 플라즈마 발생기는
    내부가 비어있는 볼 타입으로 된 유전체;
    상기 유전체의 내측에 위치하여 두피치료를 위한 파워를 전달하는 전극;으로 구성된 것을 특징으로 하는 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 유전체와 전극은 서로 이격된 이격공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극은 볼 타입으로 형성되고, 전극의 외측면에는 다수의 관통홀이 형성된 기판이 둘러싸도록 위치하여 상기 전극으로부터의 파워가 기판에 형성된 관통홀을 통해 유전체로 인도되어 유전체와 두피 사이의 공간에서 플라즈마가 발생되도록 구성된 것을 특징으로 하는 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 기판과 유전체는 서로 이격된 이격공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 브러시 타입 플라즈마 발생기를 이용한 두피 치료 장치.
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