KR20240063427A - 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템 - Google Patents

활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템 Download PDF

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KR20240063427A
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Abstract

본 발명은 애노드 전극과 캐소드 전극을 각각 유전체관으로 포위하여 하나의 유전체 장벽 전극 쌍을 이루도록 구성하고, 상기 전극 쌍을 대형 유전체 관 및 챔버내부에 하나이상 배치하고, 상기 전극 쌍이 들어있는 상기 유전체 관 또는 챔버에 공기를 공급하고, 애노드와 캐소드 전극에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시킬 때, 전압을 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하여 활성질소종을 발생시키고, 전압을 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하여 활성산소종을 발생시키는 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 활성종 제어 방법과 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.

Description

활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템{Plasma source system with selective control of active species}
본 발명은 플라즈마 소스 시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 플라즈마 발생장치에서 생성되는 활성종의 종류와 양을 선택적으로 제어할 수 있도록 구성된 플라즈마 소스시스템에 관한 것이다.
대기압 플라즈마는 공기정화, 살균, 소독, 미용, 질병 치료, 바이러스 제거, 물질 합성의 보조 수단 등, 널리 적용되고 있다. 플라즈마 발생은 주변 기체에 대해 활성종을 생성하며, 활성종에는 오존과 같은 활성산소종과 질소로부터 만들어지는 NO 와 같은 활성질소종이 있다. 플라즈마 발생장치에 공급하는 기체에 따라 활성종의 종류에 따른 양의 많고 적음이 차이 날 수 있지만, 대부분 상온의 공기를 방전 기체로 사용하면 대부분 활성산소종(오존)이 다량 생성된다. 활성산소종인 오존은 살균 및 소독 기능이 우수하지만, 치료용 또는 아질산염의 생성 등에는 활성질소종을 사용한다. 그에 따라 활성질소종을 생성하기 위해 방전 기체에 질소를 공급한다.
관련된 선행기술로서 공개특허 10-2021-0132275호는 플라즈마 발생장치를 다수의 홀을 가진 어레이 형태로 구성하고 홀 직경을 달리하여 홀 직경이 작은 곳에서는 기류의 속도가 느려져 활성질소종이 발생하고 홀 직경이 큰 곳에서는 기류가 빨라 활성산소종이 발생한다고 기재한다. 그러나 실제 플라즈마 소스 대부분은 공기를 방전 기체로 할 때, 상술한 바와 같이 활성산소종이 압도적으로 많이 발생되고 활성질소종은 거의 존재하지 않는다. 또한, 상기 공보의 구성이 홀이 작은 곳에서 활성질소종이 좀 더 많이 생성된다고 하여도, 활성질소종이 다량 필요한 경우에는 활성질소종의 발생 속도와 공급 속도가 느려 적합하지 않다.
본 발명의 목적은 활성종의 종류와 양을 필요에 따라 선택적으로 충분히 공급할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은 애노드 전극과 캐소드 전극을 각각 소형 유전체로 포위하여 하나의 유전체장벽 전극 쌍을 이루도록 구성하고, 상기 전극 쌍을 대형의 유전체 관 또는 챔버 내부에 배치하고, 상기 전극 쌍이 들어있는 상기 유전체 관에 공기를 공급하고, 애노드와 캐소드 전극에 전력을 인가하여 플라즈마를 발생시킬 때, 전압을 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하여 활성질소종을 발생시키고, 전압을 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하여 활성산소종을 발생시키는 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 활성종 제어 방법과 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
바람직하게는, 전극 쌍이 들어 있는 소형 유전체 관을 두 개 이상으로 구성하여 상기 유전체장벽 전극쌍에 전압을 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하여 활성질소종을 발생시키는 활성질소종 발생용 플라즈마 소스로, 한편 상기 유전체장벽 전극쌍에 전압을 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하여 활성산소종을 발생시키는 활성산소종 발생용 플라즈마 소스로 구성하여, 필요에 따라 선택적으로 활성종을 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
활성질소종 발생용 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 연속펄스 모드의 파형으로서, 12 내지 20 kV의 진폭을 나타내며, 100 내지 200 mA의 전류파를 공급한다.
활성산소종 발생용 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 듀티비 5 내지 21%의 버스트 펄스 모드로서 12 내지 20 kV의 진폭을 나타내며, 100 내지 200 mA의 전류파를 공급한다.
상기 플라즈마 소스 시스템은 활성산소종을 발생시켜 작물의 생장재배용 용수 제조에 적용되어 곰팡이등 미생물 감염예방 및 살균소독을 실시할수 있으며, 또한 활성질소종을 발생시켜 작물의 생장에너지용 용수 제조에 적용되어 천연 자연비료에 활용되며 바이러스등 미생물 감염병의 개선 및 면역기능을 제공한다.
상기 플라즈마 소스 시스템은 활성산소종 발생용 플라즈마 소스와 활성질소종 발생용 플라즈마 소스를 동시에 동작시켜 활성산소종과 활성질소종을 동시에 공급할 수 있다.
상기 플라즈마 소스 시스템은 농작물의 생장재배, 또는 유통저장기술에 적용되어, 활성산소종을 발생시켜 살균과 소독을 실시하고, 활성질소종을 발생시켜 면역강화 및 자연적인 질소비료를 공급할수 있다.
즉, 본 발명은,
대기압 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스에 대해,
플라즈마 소스를 구성하는 전극에 인가하는 전압을 제어하여 플라즈마에 의해 생성되는 활성종을 선택적으로 제어하며,
상기 전압의 제어는 활성질소종을 생성시키고자 할 경우, 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하고, 활성산소종을 생성시키고자 할 때, 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다.
상기에 있어서, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다.
상기에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다.
상기에 있어서, 전압의 크기 범위는 12 내지 20 kV 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다.
상기에 있어서, 플라즈마 소스의 전극에 인가되는 전류의 범위는 100 내지 200 mA 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다.
상기에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압에서 듀티 비는 5 내지 21%인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택적으로 제어하는 방법을 제공한다.
애노드와 캐소드;의 금속 전극으로 이루어진 유전체장벽 방전 전극 쌍;
상기 전극 쌍이 한 쌍 이상 배열된 대형 유전체 관 또는 챔버; 및
상기 전극 쌍에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
상기 유전체관 및 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하고,
상기 전원장치의 전압의 제어는 활성질소종을 생성시키고자 할 경우, 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하고, 활성산소종을 생성시키고자 할 때, 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
상기에 있어서, 상기 전극 쌍은, 애노드와 캐소드는 각각 유전체에 의해 일부 또는 전부가 포위되어 대형 유전체관 또는 챔버내부에 배열되는 유전체 장벽 방전 전극 구성, 또는 애노드와 캐소드가 대립되는 플라즈마 제트 전극 중 하나를 유전체에 포함하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
플로팅 된 금속 전극을 포함한 유전체 장벽방전 전극;
상기 전극이 배열된 유전체 챔버; 및
상기 전극에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
상기 유전체 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하고,
상기 전원장치의 전압의 제어는 활성질소종을 생성시키고자 할 경우, 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하고, 활성산소종을 생성시키고자 할 때, 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
상기에 있어서, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
상기에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
상기에 있어서, 전압의 크기 범위는 12 내지 20 kV 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
상기에 있어서, 플라즈마 소스의 전극에 인가되는 전류의 범위는 100 내지 200 mA 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
상기에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압에서 듀티 비는 5 내지 21%인 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스를 제공한다.
애노드와 캐소드;의 금속 전극으로 이루어진 유전체장벽 전극 쌍;
상기 전극쌍이 1개이상 배열된 대형 유전체관 또는 챔버; 및
상기 전극쌍에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
상기 유전체관 및 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하는 플라즈마 소스를 둘 이상 다수 구비하고,
일부의 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 제어하여 활성질소종의 생성용으로 구성하고,
나머지 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 제어하여 활성산소종의 생성용으로 구성하여,
시료에 대해 활성질소종과 활성산소종을 별도로 공급하거나 활성질소종과 활성산소종을 함께 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
상기 유전체장벽 방전 (DBD) 플라즈마 소스, 플라즈마 제트 소스, 그리고 플로팅 플라즈마 소스 중 두 가지 이상이 각각 하나 이상 포함되고, 일부의 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 제어하여 활성질소종 생성용으로 구성하고,
나머지 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 제어하여 활성산소종 생성용으로 구성하여,
시료에 대해 활성질소종과 활성산소종을 별도로 공급하거나 활성질소종과 활성산소종을 함께 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
상기에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 플라즈마 소스에 인가되는 전압의 형태를 연속 펄스 모드로 하여 활성질소종을 발생시키고 버스트 펄스 모드로 하여 활성산소종을 발생시켜, 인가 전압의 모드의 절환을 통해 발생되는 활성종을 선택적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 플라즈마 소스에 인가되는 전압 모드에서 전압 크기를 제어하여 활성종의 농도를 제어할 수 있다. 즉, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하고, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어할 수 있다.
따라서 본 발명은 필요로 하는 활성종의 종류와 농도를 모두 인가 전압의 모드와 크기, 듀티 비 등의 변수를 제어하는 것으로 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 활성질소종 발생용 플라즈마 소스와 활성산소종 발생용 플라즈마 소스를 별도로 구성하여 필요에 따라 활성종의 종류를 선택적으로 발생시킬 수 있다.
본 발명의 활성질소종 발생용 플라즈마 소스는 연속 펄스 모드의 전압을 인가하여 플라즈마 소스의 온도를 180℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상으로 형성하여 활성질소종이 활발히 생성되게 한다.
본 발명의 활성산소종 발생용 플라즈마 소스는 전압을 버스트 펄스 모드로 인가하여 플라즈마 소스의 온도를 상온으로 유지하면서 활성산소종이 활발히 생성되게 한다.
본 발명에 따르면, 작물의 곰팡이등 미생물 살균 소독에 효과가 우수한 활성산소종과, 작물의 생장재배시 바이러스등 감염방지 및 면역강화, 질산염 생성을 통한 자연비료 공급 등에 효과가 우수한 활성질소종을 전압 모드 등의 변수제어에 의해 선택적으로 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 소스 구성에 대한 일 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 소스로 구성한 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템의 일 실시예를 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따라 전압 인가 모드에 따라 플라즈마 소스 시스템에 의해 발생된 활성종의 종류별 농도를 보여주는 그래프들이다.
도 4는 본 발명에서 사용한 활성종 농도를 측정하는 데 사용된 활성종 농도 측정 시스템을 보여주는 측정 장비 구성도와 측정 예를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 플라즈마 소스 구성에 대한 일 실시예를 보여주는 구성도이다.
플라즈마 소스(10)의 일 실시예를 보여준다. 플라즈마 소스(10)는 금속으로 된 애노드A와 캐소드C 전극(100)을 포함하고, 애노드와 캐소드는 각각 유전체(200)로 포위하여 서로 인접한 전극 쌍으로 구성하고, 하나 이상의 전극 쌍을 소정 간격을 두고 대형 유전체로 된 챔버(250)(챔버는 관(tube)으로 대체 가능함)에 배열하여 구성된다. 유전체 챔버(250)는 전극 쌍을 포위하고, 기체를 주입할 수 있는 입구와 챔버 내에서 발생된 플라즈마에 의해 발생된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함한다. 또한, 유전체 챔버(250) 양단부이자 기체 주입구와 활성종 배출구가 있는 곳에 절연체 구조물(300)을 배열하여 전극(100)과 유전체 (200)의 위치를 안정되게 고정시키고, 대형 유전체 챔버 내부에서 일어나는 반응에 대해 단열 효과를 내도록 하였다.
애노드와 캐소드 전극(100)은 유전체(200) 안에서 유전체(200)와 약간의 간격을 두고 포위될 수 있지만, 간격 없이 밀착 포위될 수 있다. 본 실시예의 경우, 관형 유전체를 사용하여 그 안에 선형 금속 전극을 넣어 전극을 구성하고, 각각 애노드 전극과 캐소드 전극이 배열된 유전체(200)들은 서로 약간의 간격을 두거나 유전체(200)끼리 닿아 접점을 갖는 방식으로 인접하여 쌍을 이루듯이 대형 유전체 챔버(250) 내에 다수의 쌍으로 배치되었다. 금속전극과 유전체(200) 사이에 틈새를 통해 기체가 공급될 수 있지만, 금속 전극에 유전체 코팅을 하는 것도 가능하다.
다수의 전극 쌍에서 애노드들과 캐소드들은 전원의 (+)극과 (-)극에 전기적으로 연결되어 전력이 인가된다. 이러한 플라즈마 소스의 구성, 특히, 전극의 구성은 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마를 발생시킨다.
본 발명자들은 동일한 구성의 플라즈마 소스(10)에 대해 인가하는 전력의 전압을 달리함에 따라 플라즈마 발생 시 생성되는 활성종의 종류를 달리할 수 있음을 알아내었다.
즉, 도 2에 보인 바와 같이, 플라즈마 소스(10)의 입구에 가스공급부(500)를 구성하고, 출구에 활성종 반응기를 설치하여 배출되는 활성종들을 수집하여 분석한 결과, 플라즈마 소스의 전극에 대해 인가 전압을 연속 펄스 모드로 가할 경우, 활성질소종이 우세하게 나타나고, 버스트 펄스 모드로 가할 경우, 활성산소종이 우세하게 나타난다. 가스공급부(500)에 공급한 가스는 공기이며, 공기를 방전 가스로 하여 연속 펄스 모드의 전압을 인가하면 활성질소종이, 버스트 펄스 모드 전압을 인가하면 활성산소종이 생성된다.
전압(Vpp) 크기는 12 내지 20 kV, 주파수는 10 내지 30 kHz 이며, 고주파 영역인 ~ 1 MHz 까지의 영역도 가능하다. 전류 Ipp는 100 내지 200 mA가 흐른다. 상기에서 전압의 크기는 도 2에 보인 바와 같이, 최대 전압 크기로부터 최소 전압 크기의 범위인 Vpp = 2Vp 를 뜻한다.
이와 같이, 인가전압의 파형 모드를 달리 제어함으로써, 플라즈마에서 생성되는 활성종의 종류가 제어될 수 있다.
즉, 듀티 비(duty ratio) 100%인 연속 펄스 모드의 전압을 전극에 인가하면 플라즈마 소스 온도는 180℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 이상으로 고온을 이루어 활성질소종들이 우세하게 생성된다. 듀티 비 5 내지 21%의 버스트 펄스 모드의 전압을 전극에 인가하면 플라즈마 소스의 온도는 상온 정도가 되고 활성산소종들이 우세하게 생성된다. 활성질소종을 발생시키기 위한 별도의 히터 설치 없이 인가 전압의 모드 제어만으로 활성종의 제어가 가능하다.
또한, 발생되는 활성종의 농도도 인가 전압을 통해 제어할 수 있다. 활성질소종을 발생시키는 경우, 상술한 바와 같이 연속 펄스 모드의 전압을 인가하면서 입력 전압의 크기(진폭)를 조정하여 활성질소종의 농도를 제어한다. 활성산소종을 발생시키는 경우, 버스트 펄스 모드의 전압을 인가하면서 입력 전압의 크기와 펄스 듀티 비를 함께 조정하여 활성산소종의 농도를 제어한다.
도 3은 두개의 플라즈마 소스(10)에 대해 각각 인가 전압의 모드를 달리하여 하나는 활성질소종 발생기로, 다른 하나는 활성산소종 발생기로 구성한 것을 보여준다. 또한, 이들로부터 생성된 활성종을 계측하여 활성종의 시간에 따른 분포를 그래프로 보여준다.
연속 펄스가 인가된 활성질소종 발생기의 경우, 전압 인가 후 플라즈마 발생 초기(5분 정도)에는 O3, N2O, HNO3가 우세하다가, 이후 NO2와 NO의 농도가 증가한다. 7분 이후에는 NO가 가장 우세하고 그 다음 NO2가 우세한 상태가 되며, 이는 플라즈마 발생 동안 지속된다. 플라즈마 발생 시간이 15분 내지 25분 정도에 NO의 농도는 300 내지 400 ppm, NO2와 농도는 100 내지 120 ppm으로 측정된다. N2O는 100 ppm 미만으로 대략 40 내지 60 ppm 정도로 나타난다.
버스트 펄스가 인가된 활성산소종 발생기의 경우, 2분 후 바로 활성산소종 O3가 우세하게 되며, 4분이 경과한 시점부터 오존은 600 ppm으로 압도적인 농도를 보인다. 여기서 활성질소종은 거의 나타나지 않는다.
따라서 본 발명은 플라즈마 소스를 인가 전압 모드에 따라 활성질소종 발생기와 활성산소종 발생기로 구성하고, 필요에 따라 활성종을 달리하여 시료에 공급할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 제공한다.
하나의 플라즈마 소스에 대해 두 가지 전압 모드를 공급할 수 있는 전원 장치를 각각 준비하여 활성종 교체에 따라 전원 장치를 절환하는 방식도 구현할 수 있지만, 두 대 이상의 플라즈마 소스를 준비하고, 각각의 플라즈마 소스에 대해 전압 모드를 달리 공급할 수 있는 전원 장치를 연결시켜, 필요에 따라 시료에 대해 활성종의 종류와 농도를 선택적으로 공급하는 것이 더 바람직하다.
예를 들면, 제조하고자 하는 시료가 농업용수일 경우, 플라즈마 소스를 두대 설치하고, 하나의 가스공급부와 하나의 수통을 두 대의 플라즈마 소스의 입구와 출구에 배치하고, 살균 소독을 요할 경우, 활성산소종 발생기를 가동하고, 비료 내지 생장 촉진 용수를 요할 경우, 활성질소종 발생기를 가동하고, 이둘이 적절히 혼합된 것을 요할 경우, 활성산소종 발생기와 활성질소종 발생기를 동시 가동하여 농업용수를 제조한다. 또한, 활성산소종 발생기와 활성질소종 발생기의 각 대수를 달리하여 농업용수 제조장치를 실제 농작물 현장 및 스마트 팜용으로 대량구성할 수 있다.
농업용수 외에도, 의료용수 또는 의료기기, 미용기기에서도 같은 원리를 적용할 수 있다. 살균 소독이 필요한 경우, 활성산소종 발생기를 가동하고, 치료 및 상처회복의 목적(이것은 증상에 따라 매우 다양한 경우에 적용될 수 있다)의 경우, 활성질소종 발생기를 가동할 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 플라즈마 소스에 인가하는 전압 모드를 조절하여 활성종의 종류와 농도를 제어할 수 있어, 목적에 맞추어 활성종을 선택적으로 제어할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명에서 활성종의 종류와 농도를 측정하는데 사용된 FTIR (fourier transform infrared spectroscopy)에 대한 구성을 보여준다.
마이켈슨 간섭계(400)를 이용한 적외선 분광기를 통해 기체 분자 농도를 측정하고 이로부터 활성종의 종류와 농도를 산출할 수 있다. 또한, 적외선 분광기에 기체 해리엇 셀 (Harriot cell)의 광 캐비티 (optical cavity)를 연결하여 흡수 광경로를 증가시켜준다. 즉, 플라즈마 소스의 출구로부터 방출되는 활송종들을 해리엇 셀 광 캐비티(Harriot cell의 optical cavity)에 도입시키고 여기에 적외선 분광기로부터 적외선을 입사시키고 소정 경로를 거친 후 다시 방출된 적외선을 검출하여 스팍트럼을 분석한다.
본 실시예에서는 Bruker사의 MATRIX-MG5 모델 분광기를 사용하였다.
도 4의 하단에는 상기 적외선 분광기를 이용하여 대기압 플라즈마 제트로부터 방출된 활성종들을 분석한 결과를 예시하는 그래프를 보여준다.
이외 같이 하여 필요에 따라 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템을 구현할 수 있다.
한편, 상술된 플라즈마 소스의 구성은 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 본 실시예에서 전극을 관형 유전체에 넣어 DBD 플라즈마 소스를 구성하였지만, 평판 전극과 유전체 코팅 또는 평판 전극에 접하여 유전체 평판의 배열, 방전점을 다수 갖는 망형 전극과 망형 전극을 덮도록 배열된 유전체(유전체가 전극의 일면만 덮거나 전체를 포위할 수 있음), 부피를 갖는 유전체에 다수의 관통홀을 형성하여 관통홀에 전극을 삽입하고, 전극이 있는 위치로부터 약간 떨어진 곳에 기체 통과용 관통홀을 형성한 플라즈마 소스 등, 다양한 형태의 DBD 플라즈마 소스를 구성하고 상술한 바와 같이 전압 모드와 크기를 제어하여 활성종의 선택적 제어를 실시 할 수 있다. 또한, DBD 플라즈마 소스 외에 전압 인가 전극과 접지 전극이 간격을 두고 배치되는 형태, 상기에서 전압 인가 전극이 선형, 침상, 봉형 전극으로 이루어지는 플라즈마 제트 소스에도 전압 모드 제어를 통해 활성종을 선택 제어할 수 있다. 특정 지점에 플라즈마 및 활성종의 처리가 집중되어야 하는 경우, 플라즈마 제트가 적용되어야 할 것이다. 그러나 일반적으로는 유전체가 존재하는 DBD 소스 방식이 플라즈마의 풍부한 방전을 이룰 수 있어 더 바람직하다. 상기에서 플라즈마 제트 전극 구성에서도 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나는 유전체가 전극의 일면 또는 양면에 코팅, 포위 또는 배열되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 전압 인가 전극과 전극에 인접하여 전극을 덮는, 즉, 전극과 틈새를 두거나 밀착하는 유전체를 구성하고 접지 전극은 별도로 구성하지 않고 플라즈마 처리되는 대상체가 접지 기능을 갖게 하는 플로팅 방식의 플라즈마 소스에도 전압 모드 제어에 의해 활성종을 선택 제어할 수 있다.
따라서, 미용용, 의료용 플라즈마 처리 시스템에서 광범위한 살균 소독을 위해 DBD 방식 또는 플로팅 방식의 플라즈마 소스와 특정 부위에 선별 처리하여야 하는 치료 내지 처치를 위해 플라즈마 제트를 함께 구성하고, DBD 소스에 버스트 펄스 모드 전압을 가하여 활성산소종을 생성 및 처리하고, 연이어 플라즈마 제트 소스에 연속 펄스 모드 전압을 가하여 활성질소종을 생성 및 처치하는 플라즈마 소스 시스템을 구현할 수 있다.
상술된 사항에서 별도의 정의가 없는 경우, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다 또는 "가지다"라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 단수형은 문맥에 의해 복수형을 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, "~ 사이에" 라 함은 대상 물체들과 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 물체나 부분이 있는 경우도 포함한다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
본 발명은 대학중점연구소 : National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education (2021R1A6A1A0303878511), 및 ITRC 지원 : ITRC program (IITP- 2020-0-01846)의 지원을 받아 이루어졌다.
플라즈마 소스(10)
전극(100)
유전체(200)
(대형) 유전체 챔버(250)
절연체 구조물(300)
간섭계(400)
가스공급부(500)

Claims (19)

  1. 대기압 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 소스에 대해,
    플라즈마 소스를 구성하는 전극에 인가하는 전압을 제어하여 플라즈마에 의해 생성되는 활성종을 선택적으로 제어하며,
    상기 전압의 제어는 활성질소종을 생성시키고자 할 경우, 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하고, 활성산소종을 생성시키고자 할 때, 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택으로 제어하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택으로 제어하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택으로 제어하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 전압의 크기 범위는 12 내지 20kV 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택으로 제어하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 플라즈마 소스의 전극에 인가되는 전류의 범위는 100 내지 200mA 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택으로 제어하는 방법.
  6. 제3항에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압에서 듀티 비는 5 내지 21%인 것을 특징으로 하는, 플라즈마 소스로부터 발생되는 활성종을 선택으로 제어하는 방법.
  7. 금속 전극으로서 애노드와 캐소드;를 포함하는 전극 쌍;
    상기 전극 쌍이 한 쌍 이상 배열된 유전체 관 또는 유전체 챔버; 및
    상기 전극 쌍의 애노드와 캐소드에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
    상기 유전체 관 또는 유전체 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하고,
    상기 전원장치의 전압의 제어는 활성질소종을 생성시키고자 할 경우, 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하고, 활성산소종을 생성시키고자 할 때, 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  8. 플로팅 전극;
    상기 전극이 배열된 유전체 관 또는 유전체 챔버; 및
    상기 전극에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
    상기 유전체 관 또는 유전체 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하고,
    상기 전원장치의 전압의 제어는 활성질소종을 생성시키고자 할 경우, 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 하고, 활성산소종을 생성시키고자 할 때, 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  9. 제7항에 있어서, 상기 전극 쌍은, 애노드와 캐소드는 각각 유전체에 의해 일부 또는 전부가 포위되어 유전체 챔버에 배열되는 유전체 장벽 방전 전극 구성, 또는 애노드와 캐소드가 대립되는 플라즈마 제트 전극 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  11. 제7항 또는 제8항에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  12. 제7항 또는 제8항에 있어서, 전압의 크기 범위는 12 내지 20kV 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  13. 제12항에 있어서, 플라즈마 소스의 전극에 인가되는 전류의 범위는 100 내지 200mA 사이에서 제어되는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  14. 제11항에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압에서 듀티 비는 5 내지 21%인 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스.
  15. 금속 전극으로서 애노드와 캐소드;를 포함하는 전극 쌍;
    상기 전극 쌍이 한 쌍 이상 배열된 유전체관 또는 유전체 챔버; 및
    상기 전극 쌍의 애노드와 캐소드에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
    상기 유전체관 또는 유전체 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하는 플라즈마 소스를 둘 이상 다수 구비하고,
    일부의 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 제어하여 활성질소종을 생성용으로 구성하고,
    나머지 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 제어하여 활성산소종을 생성용으로 구성하여,
    시료에 대해 활성질소종과 활성산소종을 별도로 공급하거나 활성질소종과 활성산소종을 함께 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템.
  16. 플로팅 전극;
    상기 전극이 배열된 유전체 관 또는 유전체 챔버; 및
    상기 전극에 전기적으로 접속되는 전원장치;를 포함하고,
    상기 유전체관 또는 유전체 챔버는 플라즈마 방전 기체를 도입할 수 있는 입구와 플라즈마 발생으로 생성된 활성종들을 배출할 수 있는 출구를 포함하는 플라즈마 소스를 둘 이상 다수 구비하고,
    일부의 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 제어하여 활성질소종을 생성용으로 구성하고,
    나머지 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 제어하여 활성산소종을 생성용으로 구성하여,
    시료에 대해 활성질소종과 활성산소종을 별도로 공급하거나 활성질소종과 활성산소종을 함께 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템.
  17. 제7항의 플라즈마 소스와 제8항의 플라즈마 소스가 각각 하나 이상 포함되고, 일부의 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 연속 펄스 모드(Continuous pulse mode)로 제어하여 활성질소종을 생성용으로 구성하고,
    나머지 플라즈마 소스에 인가되는 전압은 버스트 펄스 모드(Burst pulse mode)로 제어하여 활성산소종을 생성용으로 구성하여,
    시료에 대해 활성질소종과 활성산소종을 별도로 공급하거나 활성질소종과 활성산소종을 함께 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 연속 펄스 모드 전압의 입력 크기를 제어하여 활성질소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템.
  19. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 버스트 펄스 모드 전압의 펄스 듀티 비와 입력 크기를 제어하여 활성산소종의 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는, 활성종을 선택적으로 제어할 수 있는 플라즈마 소스 시스템.














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