KR20190041374A - 플라즈마 방출 다이오드 소자 - Google Patents

플라즈마 방출 다이오드 소자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 한 쌍의 전극에 교류형 고전압을 인가하여 대기압 유전장벽방전 방식으로 플라즈마를 발생하는 플라즈마 칩을 패키징 형태의 플라즈마 방출 다이오드 소자로 제공한다. 플라즈마 다이오드 소자는 다량의 라디칼, 전자, 그리고 음이온 및 양이온이 확산에 의하여 방출된다. 플라즈마 소자의 전극연결을 위한 커넥터 및 전원장치와 결합된 모듈의 형태로도 제공된다. 본 발명의 플라즈마 방출 다이오드(PED) 소자 및 모듈은 의료 및 바이오 장치들의 제작을 위한 플라즈마 소스로 사용된다.

Description

플라즈마 방출 다이오드 소자{Plasma Emitting Diode Devices}
본 발명은 플라즈마 소스를 소자 형태로 제공하는 기술에 관한 것이다.
지난 10여 년 동안 플라즈마의 의료 및 바이오 적용을 위한 연구가 관련 저널에 꾸준히 발표되어 왔다. 플라즈마는 병원균의 사멸, 인체 피부의 재생, 피부질환치료, 혈액 응고, 그리고 유기 및 무기 화합물의 분해 효과가 보고되어 왔다. 그에 따라 플라즈마의 이러한 효과를 이용한 의료 및 바이오 장치들이 개발되고 있다. 이들 장치에서 사용하는 플라즈마 소스는 여러 가지의 형태로 제시되고 있다.
그동안의 플라즈마 소스는 두 가지 형태가 주로 연구되어 왔다. 하나는 플라즈마 제트장치이고, 다른 하나는 유전장벽방전(Dielectric Barrier Discharge: DBD) 방식의 장치이다. 이들 장치들은 대개 인체 또는 피처리물에 직접 플라즈마를 조사하는 방식이다. 플라즈마 제트는 튜브형태의 용기에 소정의 유속으로 기체를 주입하고, 튜브의 끝 부분에 전극이 설치되어 발생 되는 플라즈마가 플럼(Plume)의 형태로 직접 피부에 조사하는 장치이다.
DBD 플라즈마는 유전층이 감싸진 전극에 교류형 고전압을 인가하고, 피부와 같은 전도성 피처리물이 유전체층에 접하여 피부를 접지전극(Floating Electrode)으로 삼아 피부에 직접 플라즈마가 발생하는 방식이다.
이러한 플라즈마 소스는 피처리물에 대한 플라즈마 처리를 위해 개별적으로 제작해야 했다. 즉, 플라즈마 발생용 전극의 형태를 설계하고 유전체 형태 및 이들의 조합을 설계하여 동작시켜왔다. 플라즈마 소스는 대기압에서 적절한 전압으로 원활하게 플라즈마를 생성할 수 있어야 하므로 적용하는 각 경우마다 가급 저전압으로 풍부한 플라즈마와 활성종을 제공할 수 있도록 전극의 형상, 간격, 유전체의 두께 등을 설계해 왔다. 이와 같은 플라즈마 소스는 본 발명자에 의하여 제시된 플라즈마 패드(등록특허 제10-1657895호), 국내 등록특허 10-0515088호 등에서도 제안되어있다.
플라즈마의 바이오 응용에 대해 무한한 가능성이 보이는 점에서 플라즈마 소스를 제작할 수 있는 기술분야의 엔지니어 외에 플라즈마 소스를 직접 제작하기 어려운 바이오 관련 분야 종사자 또는 일반인들이 자신들의 아이디어에 플라즈마를 응용하고자 할 때, 플라즈마 소스의 제작을 해당 분야 엔지니어에게 의뢰하여야만하는 제약이 따르고 있다.
따라서 본 발명은 플라즈마 소스를 하나의 소자 형태로 제공하고자 하는 것이다.
즉, 본 발명은 패키징된 형태의 플라즈마 방출 소자를 제공하여 필요에 따라 상기 플라즈마 방출 소자를 단독으로 사용하거나 직병렬로 연결하여 원하는 형태의 플라즈마 처리장치를 자유롭게 만들 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 플라즈마 소스를 피조사체의 근거리에 배치하여 플라즈마의 확산으로 피조사체에 플라즈마가 작용토록 하는 간접방식의 소자화된 플라즈마 소스를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 의료분야를 비롯한 바이오 분야에 적용될 수 있는 소자화된 플라즈마 소스의 제공이다. 플라즈마 소스를 소자의 형태로 제공하되, 소자의 특성과 스팩을 밝혀 제공하여 소자의 신뢰성과 안전성에 대해 알려주며, 이러한 플라즈마 소자는 사용자의 편의성을 증진시킬 수 있다.
의료 및 바이오 장치의 용도에 따라서 다양한 플라즈마 소자를 제공하기 위하여 다음의 해결 과제들이 있다.
첫째, 간접 조사방식의 플라즈마 소스를 위하여 낮은 방전 전압으로 고효율의 플라즈마 방출이 가능한 패키징 소자의 구조를 제공한다.
둘째, 두 개의 전극에 교류형 고전압을 인가하여 플라즈마가 발생하는 소스의 바람직한 전극구조가 필요하다.
셋째, 플라즈마 방전에 있어서 파센 법칙을 만족하는 방전 경로가 확보되어야 하고 플라즈마 소스에서 플라즈마의 확산으로 플라즈마가 용이하게 방출되는 패키징(packaging) 기술이 제공되어야 한다.
본 발명은 상기 목적에 따른 플라즈마 방출 다이오드 소자를 제공한다.
플라즈마의 발생은 유전장벽방전 방식을 채택한다. 즉, 유전층을 매개하여 교류 고전압을 인가하는 한 쌍의 전극이 설치된 플라즈마 소스를 소자화 한다.
소자화를 위하여 상기 플라즈마 소스를 패키징하여 제공한다.
패키징된 플라즈마 방출 다이오드 소자에 구비된 한 쌍의 전극에 전원을 쉽게 연결하도록 커넥터와 결합 된 소자를 제공한다.
또한, 플라즈마 소자와 전원장치가 결합 된 플라즈마 모듈을 제공한다.
본 발명의 플라즈마 방출 다이오드 (Plasma Emitting Diode: PED) 소자는 규격화된 형태와 스팩을 제공하여 플라즈마를 의료용을 비롯한 바이오 분야에 편리하게 사용되도록 한다.
일례로 본 발명은,
플라즈마 방출용 구멍을 구비한 하우징;
상기 하우징 내부에 안착 되는 상기의 플라즈마 방출 다이오드 소자;
상기 하우징 내부에 배치되어 상기 플라즈마 방출구 쪽으로 기류를 확산시키는 팬; 및
일반 가정용 AC-전원의 소켓에 직접 삽입하여 사용할 수 있도록 상기 하우징 일측에 설치된 플러그;를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균 장치를 제공한다.
본 발명은 플라즈마 소스를 규격화하여 패키징된 소자 형태로 제공함으로써 더욱 많은 사람들이 좀 더 편리하게 플라즈마 기술을 이용할 수 있게 하였다.
즉, 본 발명의 플라즈마 방출 다이오드 소자는, 플라즈마의 라디칼 및 양/음-이온의 작용을 이용하는 의료 및 바이오 분야에서 널리 적용되게 하였다.
본 발명에 따라 소자화된 플라즈마 방출 다이오드는 그 특성 및 스팩을 제공함으로써 신뢰성과 안전성에 대해 알려주며, 사용자의 편의성을 제공한다.
본 발명의 플라즈마 방출 소자의 활용 분야는 다음과 같다.
(1) 피부미용 및 피부치료장치로서 고질적인 피부질환 치료 장치에 활용된다. 고질피부질환은 피부암, 아토피, 여드름, 각종 피부염증(종기 및 욕창), 피부 건선, 습진, 무좀, 등이 있다. 그리고 플라즈마의 피부세포 활성화 효과를 이용하여, 화상치료, 수술 후의 상처회복, 두피 건강, 탈모방지 및 발모 촉진과 관련된 장치에도 사용된다. 그 외에 어린이 피부전염성 질환(수두 등)의 예방에도 적용될 수 있다.
(2) 각종 바이러스성 호흡기 질환 예방 장치(공기 살균 또는 손 소독 장치)에 적용될 수 있다. 이는 감기, 독감, 사스, 마스, 등의 예방 장치가 된다.
(3) 세균성 전염성 질환 예방장치에 적용된다. 눈병 등의 손에 의하여 전염되는 질환의 손 소독 장치에 적용 될 수 있다. 특히, 슈퍼 박테리아균(황색포도쌍구균 등)과 같이 항생제에 내성을 갖는 세균에 의한 전염을 방지하는 장치에 사용된다. 즉, 병원 및 병실, 수술실 전후 의사의 손 세척 및 멸균, 그리고 공공장소의 세균 박멸 장치에 작용된다.
(4) 농수산물의 부패 방지 장치에 적용된다. 농수산물의 보관창고로서, 미곡류, 채소류, 과실류, 그리고 슈퍼 등의 식료품 보관대의 농수산물과 식료품의 부패 방지 장치에 응용된다.
(5) 농축산 사육장(소, 양돈장 및 양계장)의 멸균과 조류 병원균(AI 등) 닭진드기 박멸에 사용된다.
(6) 군사용으로서, 화생방 독가스 제거, 탄저균 제거 등에 사용된다. 관련 제독 장치와 군용 플라즈마 가운 등에는 웨어러블 형태로 적용된다.
즉, 본 발명의 플라즈마 방출 소자를 적용한 장치들의 형태는 피부치료기, 멸균기, 공기청정기, 탈취기, 가습기, 웨어러블 플라즈마 의류(모자, 신발, 밴티, 카운), 등과 같으며, 매우 광범위하게 응용될 수 있다.
이들 장치에 사용되는 플라즈마 소자에서 방출되는 대기 플라즈마는 일정 시간 경과 후에 다시 대기로 환원되므로, 플라즈마는 친환경 무공해 물질의 특징을 갖는다.
도 1은 본 발명의 PED 칩(Chip)으로서 전극의 배치 방식에 따라서 (a) 선형의 양면전극형, (b) 원환형의 양면 전극형, (c) 공면 전극형, 그리고 (d) 대향 전극형의 도시이다.
도 2는 PED-Chip의 예시에 따른 방전 사진이다.
도 3은 PED-칩 Package의 도시이다.
도 4는 PED-Pakage의 전기장에 대한 방전 경로와 각 경로에 대한 방전 전압을 나타내는 개념도이다.
도 5는 PED-pakage에 고전압 전극을 연결하는 커넥터와 결합된 ‘커넥터 결합 PED'의 도시이다. 사용자 편의를 위하여 커넥터가 결합된 PED-소자를 제공한다.
도 6은 Connecting PED-Pakage의 예시에 따라 제작된 Mock-up 장치의 실물과 방전 사진이다.
도 7는 PED Module의 예시이다. 도 7(a)는 DC-전원 입력용이며, 도 7(b) 일반 AC-전원 입력용이다.
도 8과 도 9는 PED-module의 Mock-up장치로 제작된 실물 사진이며, 도 8은 도 7(a)의 DC 전원입력용 PED-Module의 사진이고, 도 9는 도 7(b)의 일반 AC-전원을 입력으로하는 PED-module의 사진이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 좀 더 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명은 인체를 비롯한 바이오 생체 또는 전도성 피처리물에 플라즈마를 적용하는 또 다른 방식으로서, 플라즈마를 인체 피부나 대상 물체에 직접 조사하지 않고 간접 조사하는 방식의 플라즈마 소스를 패키징된 소자로 제공하고자 한다. 즉, 플라즈마 소스를 피조사체(피처리물)의 근거리에 배치하여 플라즈마의 확산으로 피조사체에 플라즈마가 작용토록 하는 방식이다. 이러한 방식의 플라즈마 장치는 최근에 본 발명자에 의하여 제시된 플라즈마 패드(등록특허 제10-1657895호)와 관련된 플라즈마 패취, 플라즈마 붕대, 플라즈마 모자, 플라즈마 의류 등의 제작을 위한 플라즈마 소스로 용이하게 적용될 수 있다. 또한, 플라즈마를 이용한 멸균 장치, 공기청정기, 매연 등 각종 유기 및 무기의 기체의 분해 장치, 그리고 탈취 장치, 등에도 용이하게 사용될 수 있다.
따라서 본 발명은 플라즈마의 간접 조사 방식을 채용하는 장치에 사용되는 플라즈마 소스를 소자 형태로 제공하고자 한다. 이러한 플라즈마 방출 소자는 플라즈마 방출 모듈의 형태로도 제공된다. 이러한 플라즈마 소자는 규격화에 의한 상용화로 관련 장치의 제작에 편의성과 신뢰성을 제공한다.
그러나 본 발명의 플라즈마 방출 소자는 필요에 따라 피부와 같은 피처리물에 직접 접하는 직접 방식에도 응용될 수 있다.
본 발명의 플라즈마 방출 소자와 연관이 있는 종래의 장치로는 모듈(Module) 형태의 이온 발생 장치로서 Fly-Back Transformer(FBT) 모듈과 플라즈마 클러스터(Plasma Cluster) 모듈이 있다. 상기 FBT와 Plasma Cluster 장치는 침상의 전극에 고전압을 인가하여 가느다란 전극 끝에 발생하는 미세한 코로나 방전으로부터 이온을 방출하는 장치이다.
FBT와 Plasma Cluster는 부품으로서 사용 용도에 맞도록 장치화 하여 사용한다. 주로 냉장고나 의류 가구의 내부에 설치하여 음이온 발생으로 세균을 제거하는 장치나 실내 공기 청정기에 부품으로 내장하여 사용된다.
국내 등록특허 10-0515088호에서도 침상의 전압을 이용한 코로나 방전으로 음이온을 발생시키고 고전압을 스팀에 인가하여 물분자를 양이온으로 방전시키는 피부 미용 장치를 개시하며, 상기 장치들과 유사한 구성을 보이나 멸균 효과를 얻기는 어려운 구성이다.
본 발명의 플라즈마 소스는 상기 코로나 방전 방식의 이온발생기에 비하여 다량의 라디칼과 함께 전자와 음이온 및 양이온을 방출할 수 있다. 본 발명은 대기 분위기에서 유전층 장벽 방전 방식의 플라즈마 소자로서, 이때 방출되는 플라즈마 입자들은 전자뿐만이 아니라 산소계열(O), 질소계열(N), 그리고 수소계열(H 및 OH)의 양이온 및 음이온, 그리고 라디칼(Radical) 등의 입자들을 포함한다. 따라서 이들 다량의 플라즈마 입자들은 멸균효과 이외에 피부질환치료 및 피부 세포 재생, 혈액 응고, 유기 및 무기물의 분해 및 탈취 효과가 있다.
이들 플라즈마 입자들 중에 세균류에 주로 작용하여 멸균효과를 가져오는 것은 강한 산화력을 갖는 OH 계열과 오존(O3), 그리고 양이온인 H+와 음이온인 O2 -이다. 상기 OH 계열은 세균에 작용하여 세균 내의 H-원자를 흡수하여 세균을 사멸한다. 양이온과 음이온도 병원균에 부착되어 OH-라디칼을 형성하고 세균 내의 H-원자를 흡수하여 병원균을 사멸한다.
상기 오존은 병원균에 작용하여 강력한 산화작용으로 병원균을 직접 사멸한다. 따라서 실내외의 멸균장치에 사용되고, 인체피부질환치료 장치에 사용될 수 있다.
또한, 이들 플라즈마 입자들은 유기 및 무기물의 분해 기능이 탁월하여 매연 등의 유무기 기상의 화합물을 제거하고 탈취 기능이 우수하므로, 실내공기청정기나 탈취 장치에 활용된다.
한편, 피부 세포 활성화 효과는 주로 질소계열의 라디칼(Radical Nitride Species)이 피부조직에 작용하는 것으로 보고되었다. 따라서 피부의 노화 방지, 상처 및 손상된 피부의 재생, 피부주름 개선, 탈모방지 및 발모 촉진의 기능이 있다.
본 발명은 상기와 같이 다양하게 응용될 수 있는 DBD 방식의 플라즈마 소스로서, 전자, 음이온 및 양이온, 그리고 플라즈마 라디칼을 방출하는 플라즈마 방출 다이오드(PED: Plasma Emitting Diode) 소자 및 모듈을 개시한다.
도 1은 본 발명의 PED 칩(Chip)으로서 전극의 배치 방식에 따라서 (a) 선형의 양면전극형, (b) 원환형의 양면 전극형, (c) 공면 전극형, 그리고 (d) 대향 전극형으로된 전극 모듈의 도시이다.
도 1(a)와 도 1(b)는 유전층의 상하면에 설치되는 두 전극의 형태가 각각 선형과 원환형이다. 도 1(c)는 시료면 위에 두 전극이 동일면 상에 설치되고, 그 위에 유전층이 도포되는 공면 방전 방식이다. 도 1(d)는 하나의 유전층이 스페이서의 역할을 하고, 대향의 두 전극이 각각의 유전층에 형성되는 대향 방전 방식이다. 두 개의 제1전극과 제2전극에 교류형 고전압을 인가하여, 전극 사이의 유전층의 면 위에 플라즈마가 발생한다. 제1전극은 유전체 t1 하면에 원반형으로 형성하고 제2전극은 고리형으로 스페이서 t2 위에 있는 유전체 t3 위 또는 위와 아래를 둘러싸듯 형성되며, 유전체 t3는 제2 전극의 중앙 개구부(구멍(231))에 맞추어 개구부를 갖게 하였다.
도 1의 PED-Chip의 주요 방전 변수는 유전층 두께(t), 전극의 선폭(w), 그리고 전극 사이의 갭(gap) 간격 d 이다. 이들 방전 변수에 따라서 PED-Chip의 특성이 결정된다. 전극간격 d는 두 개의 전극을 동일평면상으로 투사하였을 때 서로 이격된 간격을 말한다.
유전층의 재료는 고체 박판과 폴리머재의 박형 필름이 가능하다. 고체 박판의 재료는 세라믹재나 유리재(일반 유리 혹은 Quartz) 일 수 있다. 유연한 박형의 필름은 폴리이미드 필름, 강화유리필름, 그리고 일반 비닐계 필름, 등이 가능하다. 일반적으로 유전율이 높은 유전재료와 플라즈마의 부식(eroson)에 강한 재료가 바람직하다. 본 발명자의 실험에 의하면, 장시간의 방전에도 충분히 견디는 세라믹재의 알루마이트(Al2O3)와 실리콘으로 표면이 강화된 폴리이미드 필름이 유전층으로 바람직함을 확인하였다.
본 발명의 PED-Chip은 전극에 교류 고전압 약 1 kV (rms: root mean square)가 인가되어 플라즈마 방전되며, 유전층은 절연파괴가 방지되는 최소한의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도 1(a)와 도 1(b)는 양면 전극형 플라즈마 소스의 전극 구조이다. 유전층의 두께(t)는 얇을수록 캐패시턴스가 커지므로 방전 전압을 낮추어 준다. 세라믹재의 경우 파손되지 않는 범위에서 최소 두께 100 um 이하가 바람직하지만, 세라믹의 제작상의 어려움으로 500 um 이하를 사용할 수 있다. 표면이 실리콘으로 강화된 폴리이미드 필름은 유연하므로 상용화 필름을 감안하여 최소 25 um 내지는 125 um을 사용하되, 필요에 따라서 필름을 서로 붙여서 복수층으로 할 수 있으며, 300 um 이하의 박막이 바람직하다. 제1전극과 제2전극 사이의 간격(d)은 유전층의 두께(t) 보다 작은 (0≤ d ≤ t)가 바람직하다.
전극의 폭(w)은 PED의 플라즈마 발생량에 영향을 준다, 따라서 인가되는 입력 전력이 전극 폭(w)에 비례한다. 본 발명자의 실험에 의하면, 전극 폭 w = 1 mm이면, PED의 소모 전력은 약 0.5 W(Watt)이고, w = 3 mm이면 약 1.5 W가 된다. 대개 전극폭(w)에 비례하는 전력용량을 갖는 PED 소자가 제공될 수 있다.
따라서 본 발명의 PED 소자의 특성, 즉 방전 전압 및 방전 효율은 유전체 소재의 유전 상수(K)와 유전층의 두께(t)에 따라서 좌우되며, 소모 전력별 PED 소자는 전극 폭 w를 변화하여 용이하게 제작된다.
도 1(c)의 공면전극형 소자는 마이크로 스케일의 미소방전(micro-discharge)에 적합한 구조이다. 공면전극 구조는 플라즈마 디스플레이 패널(PDP: Plasma Display Panel)의 제조 공법으로 제작되는 것이 바람직하다. 유리판 위에 실버 페이스트에 의하여 전극을 형성하고, 유전층은 PbO와 같은 강유전체를 도포한다. 공면전극형에서 유전층의 두께 t와 전극간의 간격 d는 같은 스케일 (t ∼ d)가 바람직하며, 본 실시예에서는 각각 100 um의 크기로 제작되었다. t, d는 필요에 따라 조절될 수 있으며, 10 내지 1000 um가 될 수 있다.
이러한 마이크로 스케일의 공면 방전의 구동 전압은 대개 1kV 이하의 낮은 전압으로 방전이 가능하며, 소모 전력 1 W 이하의 PED 소자로 제공될 수 있다.
도 1(d)는 대향전극형 구조이다. 이와 유사한 전극구조가 본 발명자의 특허출원 제10-2016-0104031, '고효율 플라즈마 소스'에 소개되어 있다. 여기서 유전체는 삼층의 유전층(각각의 두께 t1, t2, t3)을 구비한다. 유전층 t1의 아래에 제1전극, 유전층 t2는 스페이서 필름(spacer film), 그리고 유전층 t3에 제2전극이 설치된다. 유전층 t2와 유전층 t3의 중앙에 방전공간이 형성되는 것이 특징이다. 제2전극이 유전층 t3의 중앙의 개구부 가장자리에 위와 아래에 걸쳐 형성된다. 본 발명자의 실험에 의하면, 각 유전층의 두께 t를 100 um로 하여 제작된 플라즈마 소스는 입력 전압 약 1 kV에 대하여 플라즈마가 원활하게 발생한다. 그러나 제2전극이 유전층 t3의 하부 면에만 설치되는 경우는 약 1 kV의 교류 전압에 대하여 방전이 원활하지 않다. 이에 대해서는 다음의 도 4에서 다시 설명한다.
도 2는 PED-Chip의 예시에 따른 방전 사진이다.
도 2(a)는 500 um 두께의 세라믹(Alumina) 유전층의 상하에 도 1(a)의 전극형태로서 전극폭 5 mm인 선형 전극을 설치한 PED-Chip의 방전 사진이다. 방전 교류 전압(rms)은 약 1.2 kV이다.
도 2(b)는 125 um 두께의 폴리이미드 필름에 도 1(b)의 전극구조에 대한 방전 사진이다. 중앙의 제1전극의 직경이 5 mm 였고, 방전 교류 전압(rms)은 약 1 kV이다.
도 3은 PED-칩 패키지(Package) 모듈의 도시이다.
도 3(a)는 PED-칩을 상판과 하판 사이에 설치하고, 상하판 사이에 스페이서(Spacer)를 설치하여 방전 공간을 확보한다. 도 3(b)는 단면 플라즈마의 패키지 방식이다. 하판 위에 PED-칩을 놓고, 칩과 상판과의 간격이 수 mm의 공간이 유지되도록 상판을 설치한다. 도 4(c)는 양면방전 방식의 PED의 패키지이다. PED 소스의 면과 상판과 하판 사이에 각각 수 mm 이상의 간격을 확보하여 플라즈마의 발생 공간과 플라즈마가 패키지의 옆면으로 확산 될 수 있는 공간을 확보한다. 상판 및 하판과 스페이서는 고전압에 영향이 없는 절연재를 적용하며 플라스틱이 바람직하다. PED-패키지의 크기는 칩의 최소 크기 2 cm x 1 cm에 대하여 상판과 하판의 두께가 각각 약 1 mm이며, 스페이서의 높이는 상하부 각각 2 mm이다. 따라서 전체 pakage 모듈의 최소 크기는 2 cm x 2 cm x 0.6 cm의 작은 소자가 된다. PED의 크기는 전력용량에 따른 플라즈마 발생량에 비례적으로 정해진다. 상기 수치는 예시적이며, 좀 더 작게 또는 크게 만들 수 있다. 크기에 따라 인가전압을 제시하여 사용자의 편의를 제공할 것이다. 바람직하게는 작은 사이즈의 패키지 된 소자를 제공하고 이에 대해 사용자가 필요에 따라 소자를 다수 연결하여 사용하도록 한다.
본 발명의 실시예에서 보인 도 1 및 도 2의 전극 구성 외에 다른 형상의 DBD 방식의 전극 구성에 대해서도 패키징을 실시하여 PED화할 수 있다. 이 경우에도 패키지 구성요소인 상판과 하판 그리고 방전 공간을 확보할 수 있는 스페이서를 반드시 구비하여야 하며 사용상의 편리성을 위해 후술되는 커넥터도 구비하는 것이 바람직하다.
도 4는 PED-Pakage의 전기장에 대한 방전 경로와 각 경로에 대한 방전전압을 나타내는 개념도 이다. 양단 전극 간의 전기장이 불균일한 대기압 방전에서 방전 경로들에 대한 파센 법칙(Pachen's Law)을 적용하면, 방전 경로의 길이가 유전층의 두께 t보다 긴 경로가 주 방전 경로로 작용하여 플라즈마가 발생한다(참고문헌: Japanese Journal of Applied Physics, 37권, 페이지 1178-1180, 1998, ‘Analysis of Firing Voltage in a Plasma Dispaly Panel of Coplaner Electrodes'). 도 4(a)의 S1-S5의 경로에 대한 파센 법칙을 적용하면, 도 4(b)와 같은 방전 전압(VB)와 방전 경로의 길이 S와의 관계가 주어진다. 따라서 PED의 패키징에서 PED-Chip 면과 패키징 상판 및 하판 사이는 PED-Chip 두께보다 큰 간격이 유지되어야 하며, 바람직한 스페이서의 높이 H는 최소 2 mm 이상이 되어야 한다. 도 1(d)의 대향 방전의 구조에서도 방전 경로의 길이가 긴 전극구조가 되어야 한다. 즉, 도 1(d)에서 유전층 t3의 하부에 있는 제2 전극만으로는 방전이 되지 않고, 유전층 t3의 상부로 제2전극이 연장되어, 전기장을 따르는 방전 경로가 길어야 플라즈마가 발생한다. 따라서 이러한 방전 경로를 고려하여 전극의 구조와 상하판 간의 스페이서 높이 H가 결정되어야 한다.
도 5는 PED-pakage에 고전압 전극을 연결하는 커넥터와 결합된 ‘커넥터 결합 PED'의 도시이다. 사용자 편의를 위하여 커넥터가 결합된 PED-소자를 제공하였다. 커넥터는 PED에 결합할 수 있는 플러그(소켓) 형태로 되어있고 플러그에 전선이 접속되어 플러그를 PED에 접속하면 PED 전극에 전선의 단자부가 접속된다. PED의 두 전극으로부터 각각 전기 접속이 쉽게 이루어지도록 단자부를 인출하여 커넥터의 단자 접속부에 고정시켜 놓을 수 있다.
도 6은 Connecting PED-Pakage의 예시에 따라 제작된 Mock-up 장치의 실물과 방전 사진이다. 도 6(a)는 커넥터와 결합된 PED이며, 도 6(b)는 커넥터의 플러그를 분리한 사진이다. PED-package의 크기는 2 cm x 1 cm x 0.6 cm이며, 커넥터는 2 cm x 2 cm x 0.6 cm이다. 전원장치로부터 전압을 인가하여 PED의 방전 사진이 도 6(c)(PED 윗면)와 도 6(d)(PED 측면의 양면 방전)이다.
도 7는 PED Module의 예시이다. 도 7(a)는 DC-전원 입력용이며, 도 7(b) 일반 AC-전원 입력용이다. 모듈의 몸체 내부에는 고전압 전원장치가 내장된다. 일반적으로 고전압 전원은 DC-AC 인버터를 사용하는 경우, 트랜스포머 이차코일 양단의 제1단자와 제2단자는 PED-Chip의 제1전극과 제2전극에 각각 연결된다. 인버터 입력은 DC나 AC전원을 레규레이터와 스위칭 회로를 통하여 트랜스포머 일차측 코일에 입력된다.
도 8과 도 9는 PED-module의 Mock-up장치로 제작된 실물 사진이다. PED 소자를 사용하여 제작되는 모듈의 크기를 예시한다. 도 8은 도 7(a)의 DC 전원입력용 PED-Module의 사진이고, 도 9는 도 7(b)의 일반 AC-전원을 입력으로하는 PED-module의 사진이다.
도 8(a)는 DC-전원을 입력으로하는 PED-Module의 실물사진이다. 전원모듈의 크기는 5 cm x 4 cm x 1 cm의 소형의 모듈로 제작된다. 도 8(b)는 DC 10 V의 입력 전원에 의하여 방전되는 PED-Module의 방전 사진이다.
본 발명의 PED에 의해 플라즈마가 원활하게 방출되는 것이 도 8(b)에 나와있다.
일반적으로 플라즈마 소스의 경우, 전원을 켰을 때 플라즈마의 방출에 대한 신뢰도가 낮은 편이다. 즉, 전원 인가에 따라 항상성 있게 플라즈마가 발생되지 못하는 경우가 많아 전압을 높이거나 전극 설계를 변경하는 등의 예기치 않은 노력을 하게 된다. 상기와 같이 전극 구조를 인가 전원에 대해 최적화되게 설계하고 이를 패키징하여 소자화한 본 발명에 따르면 매우 신뢰도 높은 플라즈마 동작을 얻는다.
도 9는 일반 가정용 AC-전원(60 Hz, 110/220 V)을 입력으로 하는 Mock-up 수준의 PED-Module 이다. 일반 가정용 AC-전원의 소켓에 직접 삽입하여 사용할 수 있도록 플러그가 설치된 것이 특징이다.
플라즈마 방출용 구멍을 구비한 하우징 내부에 PED 칩이 내장되고 방출구 및 외부로 플라즈마 입자가 퍼져나가도록 팬을 구비한 실내 멸균기를 제작한 것이다.
도 9(a)는 제작된 PED-Module의 사진이고, 도 9(b)는 일반 전원(500)에 연결된 전원 소켓(520)에 PED-Module에 설치된 플러그를 꽂아서 작동하는 사진이다. 플러그와 결합하여 AC-전원을 DC로 변환하는 아덥터(AC-DC 레귤레이터)가 내장된다. 아답터로부터 DC-전압(예컨대 DC-12 V)을 교류 고전압(약 1 kV)으로 전환하는 DC-AC 인버터가 소형(5cm x 5 cm x 2 cm)으로 내장된다. 인버터의 교류 출력전압이 PED-package에 입력되어 플라즈마가 발생한다. 모듈의 상단에는 복수 개의 플라즈마 방출구로부터 플라즈마가 방출된다. 플라즈마의 방출을 위하여 모듈의 내부 측면에 소형의 팬을 설치하고, 또 다른 측면에는 스위치가 설치된다. 스위치가 ON-상태이면, 플라즈마 발생 모듈이 작동을 표시하는 LED에 빛이 난다.
이 장치의 PED-module은 프러그가 장착되어 일반 가정용 AC-전원 소켓에 직접 꽂아서 사용하는 소형의 장치가 가능함을 보여준다. 즉, 일반 전원의 실내 벽면에 설치된 소켓이나 도 9와 같이 연결선을 갖는 소켓에 PED-module을 꽂아서 편리하게 사용할 수 있다. 이 장치의 PED-module은 표면에서 플라즈마가 발생하여 실내로 플라즈마가 확산되어 실내의 병원균을 멸균하는 소형의 멸균장치로 활용할 수 있다.
한편, 상기 실시 예와 실험 예들에서 제시한 구체적인 수치들은 예시적인 것으로 필요에 따라 변형 가능함은 물론이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 플라즈마 방출 다이오드 (PED) 소자,
200: PED-Chip, 300: PED-Package, 400: PED Module
210: 제1전극, 220: 제2전극, 230: 유전층, 231: 구멍, 240: 기판(Substrate), 250: 상판, 260: 하판, 270: 스페이서(Spacer),
280: 커넥터, 281: 커넥터 소켓, 282: 플러그, 283: 고전압 피복전선
290: 플라즈마,
310: 제1전극단자, 320: 제2전극단자,
410: 트랜스포머, 411: 제1단자, 412: 제2단자, 420: 스위칭 회로, 430: Regulator, 440: AC-DC 컨버터,
500: 일반 전원, 510: 전원 플러그, 520: 전원 소켓.

Claims (5)

  1. 유전층의 상하면 또는 공면에 설치된 제1전극과 제2전극을 구비한 플라즈마 방출 다이오드 칩; 및
    상기 칩을 패키징하기 위해 상판과 하판을 구비하여 상판과 하판 사이에 상기 칩이 배치되며, 플라즈마 방전 공간을 확보하도록 상판과 하판 사이에 스페이서가 구비된 패키징 모듈;을 포함하여,
    상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되어 유전장벽방전 플라즈마가 발생되고 확산되어 상기 패키징 모듈의 가장자리에서 플라즈마 입자들이 방출되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방출 다이오드(Plasma Emitting Diode: PED) 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스페이서에 의해 확보되는 방전공간의 높이는 상기 칩의 두께보다 더 높게 설정되되, 상기 칩에 의해 발생 되는 플라즈마 방전 경로 중 인가된 방전전압이 최소가 되는 방전 경로를 포함할 수 있는 높이로 설정되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방출 다이오드(Plasma Emitting Diode: PED) 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1전극과 제2전극의 전극 폭 w를 제어하여 이에 비례하는 플라즈마 방출 다이오드의 소비전력용량을 제어하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방출 다이오드(Plasma Emitting Diode: PED) 소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 플라즈마 방출 다이오드 소자에 전기접속을 위하여 연결되는 커넥터로서,
    상기 커넥터는 상기 제1전극과 상기 제2전극에 각각 접속되는 두 개의 전극단자를 구비한 플러그를 포함하여 상기 플라즈마 방출 다이오드 소자에 대한 전력을 공급하게 한 것을 특징으로 하는 플라즈마 방출 다이오드용 커넥터.
  5. 제4항의 커넥터에 의해 접속되는 전원장치로서,
    입력 전원은 DC-전압, 60 Hz 및 110/220 V인 일반 가정용 교류 전원을 사용하면서 교류 고전압 출력을 상기 전극에 인가할 수 있도록 DC-AC 인버터, 펄스형 DC-컨버터, 또는 압전 트랜스포머 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 방출 다이오드용 전원장치.


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