WO2015050376A1 - 마이크로 플라즈마 분사 소자, 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈 및 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법 - Google Patents

마이크로 플라즈마 분사 소자, 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈 및 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법 Download PDF

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insulating layer
plasma
electrode
layer
substrate
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양상식
김강일
이창민
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아주대학교산학협력단
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes
    • H05H1/2437—Multilayer systems

Definitions

  • the present invention relates to a plasma jetting device, and more particularly, to a microplasma jetting device and a stacked type microplasma jetting module capable of processing a large area, and a manufacturing method of the microplasma jetting device.
  • Plasma has been applied in various fields such as semiconductor industry, display industry and surface modification of materials. Recently, attempts have been made to apply bio-medical technologies using plasma or to surface treatment of materials such as plastics and fibers.
  • these applications require the use of glow discharge, a low-temperature plasma, because the target material to be treated with plasma is heat sensitive. Glow discharge at normal pressure is very unstable, so a glow to arc transition (GAT) which is converted into an arc discharge, which is a high temperature plasma, is likely to occur.
  • GAT glow to arc transition
  • the GAT is generated by heat generated while the plasma is generated.
  • a microplasma generated by reducing the capacity of the plasma has been studied.
  • the present invention has been made in an effort to provide a microplasma jet device and a stacked microplasma jet module capable of processing a larger area, and a method of manufacturing such a microplasma jet device.
  • a microplasma jet device including: a channel layer having a plurality of microchannels arranged in parallel to allow a gas for plasma generation to pass therethrough; A first insulating layer bonded to one surface of the channel layer and having a first plasma generation electrode formed thereon; And a second insulating layer bonded to the other surface of the channel layer and having a second plasma generation electrode formed thereon.
  • the microplasma jet device may include a first substrate to which the first insulating layer is fixed; And a second substrate on which the second insulating layer is fixed.
  • the channel layer may be made of a polymer-based material.
  • the polymer-based material may include polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the first insulating layer and the second insulating layer may be made of a polymer-based material.
  • the first plasma generating electrode and the second plasma generating electrode may be formed by nickel plating.
  • the plurality of microchannels may be insulated from the first plasma generating electrode and the second plasma generating electrode by the first insulating layer and the second insulating layer.
  • the stacked type microplasma jet module according to the present invention for solving the above technical problem is characterized in that two or more of the above-described microplasma jet devices are laminated with a substrate interposed therebetween.
  • a method of fabricating a microplasma jet device including: forming a mold by patterning a photoresist on one surface of a substrate to correspond to a plurality of microchannels to be formed; Pouring and curing a polymer solution into the mold to form a channel layer; Separating the channel layer from the mold; Patterning a seed layer on one surface of the first substrate so as to correspond to the pattern of the first plasma generation electrode to be formed; Plating the seed layer to form a first plasma generation electrode; Forming a first insulating layer by coating a surface on which the first plasma generation electrode of the first substrate is formed with a polymer coating; Patterning a seed layer on one surface of the second substrate so as to correspond to the pattern of the second plasma generation electrode to be formed; Plating the seed layer to form a second plasma generation electrode; Coating a surface on which the second plasma generation electrode of the second substrate is formed with a polymer coating to form a second insulating layer; And bond
  • the polymer solution may include a polydimethylsiloxane (PDMS) solution.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the process of patterning the seed layer may include a process of depositing titanium or gold.
  • the step of forming the first plasma generation electrode or the step of forming the second plasma generation electrode may include a process of nickel electroplating the seed layer.
  • a microplasma jet device and a stacked type microplasma jet module capable of processing a larger area, and a method of manufacturing such a microplasma jet device.
  • FIG. 1 is a transparent perspective view of a microplasma jet device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a microplasma jet device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exploded transparent perspective view of a microplasma jet device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a method of manufacturing a microplasma jet device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a transparent perspective view of the stacked microplasma jet module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows a cross-sectional view of a stacked microplasma jet module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 to 3 show the structure of a microplasma jet device according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a transparent perspective view of the microplasma jet device according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a sectional view of the microplasma jet device according to the present embodiment
  • FIG. 3 is an exploded and transparent perspective view of the microplasma jet device according to the present embodiment. Shows.
  • the microplasma jet device includes a channel layer 10 having a plurality of microchannels 11 arranged in parallel to allow a gas for plasma generation to pass therethrough, and a channel.
  • the first insulating layer 20-1 which is bonded to one surface (lower surface in the drawing) of the layer 10 and on which the first plasma generating electrode 21-1 is formed, and the other surface of the channel layer 10 (upper surface in the drawing).
  • a second insulating layer 20-2 on which a second plasma generation electrode 21-2 is formed, and a first substrate 30-1 and a second to which the first insulating layer 20-1 is fixed.
  • a second substrate 30-2 on which the insulating layer 20-2 is fixed.
  • the channel layer 10 on which the plurality of microchannels 11 are formed may be manufactured using a micromachining process.
  • the micromachining process can be used to form the desired small size and multiple microchannels. Fabrication of the channel layer 10 will be described later with reference to FIG. 4.
  • the channel layer 10 may be made of a polymer-based material that can be insulated and processed into a mold, and the polymer-based material may include, for example, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the number of microchannels 11 formed in one channel layer 10 is illustrated as, for example, eight, but the number is not particularly limited, and may be several to several tens.
  • the number of the micro channel 11 may be implemented in the required number according to the area to be processed.
  • the width of one microchannel may be about 100 ⁇ 500 ⁇ m, the height may be about 100 ⁇ m.
  • the size of the micro flow channel may be, for example, several tens to several hundred ⁇ m.
  • the spacing between the microchannels can be twice the width, but there is no particular limitation and can be several times or several hundred micrometers of the channel width.
  • micro channel 11 is shown as being formed under the channel layer 10 on the basis of the drawing, in contrast, the micro channel 11 may be formed on the right side of the channel layer 10, of course. to be. 1 and 3, one side (right side in the drawing) of the micro channel 11 corresponds to an inlet of the gas for plasma generation, and the other side (left side in the drawing) of the micro channel 11 is Corresponds to the outlet of the gas for plasma generation.
  • the first insulating layer 20-1 and the second insulating layer 20-2 together with the channel layer 10 include the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2. It serves to insulate the micro channel (11). Specifically, the micro flow channel 11 is insulated from the first plasma generation electrode 21-1 by the first insulating layer 20-1, and the micro flow channel 11 is the channel layer 10 and The second insulating layer 20-2 is insulated from the second plasma generation electrode 21-2.
  • the material of the first insulating layer 20-1 and the second insulating layer 20-2 may be made of a polymer-based material, and the polymer-based material may include, for example, polydimethylsiloxane (PDMS).
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2 are formed in the first insulating layer 20-1 and the second insulating layer 20-2, respectively, and generate plasma. It may be formed in a predetermined pattern to suit the.
  • the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2 may have a pattern formed to face each other at a portion corresponding to the outlet of the micro channel 11.
  • Each of the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2 is formed by a microchannel channel by the first insulating layer 20-1 and the second insulating layer 20-2.
  • the first insulating layer 20-1 and the second insulating layer 20-2 may be formed on the opposite side of the surface bonded to the channel layer 10.
  • the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2 may be formed by, for example, nickel plating.
  • the first substrate 30-1 and the second substrate 30-2 not only fix the first insulating layer 20-1 and the second insulating layer 20-2, but also the first plasma generating electrode. (21-1) and the second plasma generating electrode 21-2 are fixed, and the role of insulating the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2 from the outside do.
  • the first substrate 30-1 and the second substrate 30-2 may be, for example, a glass substrate.
  • the operating principle of the microplasma jet device is as follows.
  • the gas for plasma generation injected into the inlet of the micro channel 11 passes through the micro channel 11 to the first plasma generating electrode 21-1 and the second plasma generating electrode 21-2. It is ionized by the electric field formed by the plasma.
  • the generated plasma is pushed by the gas flowing into the micro channel 11 and injected through the outlet of the micro channel 11.
  • FIG. 4 is a view showing a method of manufacturing a microplasma jet device according to an embodiment of the present invention.
  • a process of fabricating a channel layer 10 in which the micro channel 11 is formed and an insulating layer in which electrodes 21-1 or 21-2 for generating plasma are formed are provided. 20-1 or 20-2 and the board
  • the process of manufacturing the channel layer 10 is as follows.
  • a mold is formed by patterning a photoresist on one surface of a substrate (for example, a silicon substrate) so as to correspond to a shape of a micro flow channel to be formed (a).
  • the polymer solution is poured into the formed mold and cured to form a channel layer (b).
  • the polymer solution may include a polydimethylsiloxane (PDMS) solution.
  • PDMS polydimethylsiloxane
  • the process of manufacturing an electrode part is as follows. Since the electrode portion bonded to the top of the channel layer 10 and the electrode portion bonded to the bottom of the channel layer 10 are typically symmetrical and their fabrication processes are substantially the same, only the fabrication process for one electrode portion will be described.
  • the seed layer is patterned on one surface of the substrate (eg, the glass substrate) to correspond to the pattern of the plasma generation electrode to be formed (d).
  • the seed layer may be formed by, for example, depositing titanium or gold by an electroplating method, and for example, a photoresist and an etching solution may be used for patterning the seed layer.
  • the patterned seed layer is plated to form an electrode for plasma generation (e).
  • nickel may be electroplated on the seed layer to form an electrode for plasma generation.
  • the insulating layer is formed by coating the surface on which the plasma generating electrode is formed on the substrate with a polymer coating so as to cover all the plasma generating electrodes (f).
  • the micro-plasma jet device is completed by bonding the channel layer and the electrode unit manufactured as described above. That is, the first insulating layer 20-1 is bonded to the lower surface of the channel layer 10, and the second insulating layer 20-2 is bonded to the upper surface of the channel layer 10. At this time, the channel layer 10 and the insulating layers 20-1 and 20-2 are brought into close contact with each other and then insulated from the channel layer 10 by heating to a predetermined temperature (eg, about 150 ° C.) for a predetermined time (eg, about 15 minutes). Layers 20-1 and 20-2 may be joined.
  • a predetermined temperature eg, about 150 ° C.
  • a predetermined time eg, about 15 minutes
  • a microplasma jet module having a stacked structure may be formed.
  • the channel layer and the insulating layer made of a polymer-based material can be easily bonded to each other.
  • the size of the module can be extended as desired, thereby realizing a microplasma jet module capable of processing a large area as desired.
  • FIG. 5 and 6 show the structure of a stacked microplasma jet module according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a transparent perspective view of the stacked microplasma jet module according to the present embodiment
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the stacked microplasma jet module according to the present embodiment.
  • the stacked type microplasma jet module includes a channel layer 10 and a channel in which a plurality of micro flow channels 11 are arranged in parallel to allow a gas for plasma generation to pass therethrough.
  • a first insulating layer 20-1 bonded to one surface (lower surface in the drawing) of the layer 10 and having a first plasma generation electrode 21-1 formed thereon, and the other surface of the channel layer 10 (upper surface in the drawing).
  • Two microplasma jet devices, each of which is formed of a second insulating layer 20-2 having a second plasma generation electrode 21-2 formed thereon, are stacked with a middle substrate 30-3 interposed therebetween.
  • the first substrate 30-1 to which the first insulating layer 20-1 of the lower microplasma jet device is fixed and the second substrate to which the second insulating layer 20-2 of the upper microplasma jet device is fixed ( 30-2).
  • microplasma jet devices are stacked, but two or more microplasma jet devices may be stacked.
  • the manufacturing process of the stacked microplasma jet module of FIGS. 5 and 6 is as follows.
  • Two channel layers 10 may be manufactured through the above-described channel layer manufacturing process.
  • two electrodes that is, a lower electrode including the first substrate 30-1, the first plasma generation electrode 21-1, and the first insulating layer 20-1, are formed. And an upper electrode portion formed of the second substrate 30-2, the second plasma generation electrode 21-2, and the second insulating layer 20-2.
  • plasma generating electrodes 21-1 and 21-2 and insulating layers 20-1 and 20-2 are formed on both surfaces of the center substrate 30-3, respectively. Therefore, the above-mentioned electrode part consists of the center board
  • the electrode part manufacturing process described above is a step of forming a plasma generating electrode and an insulating layer on only one surface of the substrate, and the center electrode part is a step in which the electrode part manufacturing process is slightly modified, that is, plasma generation on each side of the substrate. It can be produced through the process of forming the electrode and the insulating layer.

Abstract

본 발명에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자는, 플라즈마 발생용 기체가 통과할 수 있도록 병렬로 배열된 다수의 미세유로채널이 형성된 채널층; 상기 채널층의 일면에 접합되며 제1 플라즈마 발생용 전극이 형성된 제1 절연층; 및 상기 채널층의 타면에 접합되며 제2 플라즈마 발생용 전극이 형성된 제2 절연층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 플라즈마 분사 소자, 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈 및 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법
본 발명은 플라즈마 분사 소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적을 처리할 수 있는 마이크로 플라즈마 분사 소자 및 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈, 그리고 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법에 관한 것이다.
플라즈마는 반도체산업, 디스플레이 산업, 물질의 표면개질과 같은 다양한 분야에서 적용되어왔다. 최근에는 플라즈마를 이용하여 바이오-의료 기술에 적용하거나 플라스틱이나 섬유와 같은 물질의 표면처리에 적용하기 위한 시도들이 이루어지고 있다. 하지만 이러한 응용분야의 경우 플라즈마로 처리해야 하는 대상 물질이 열에 민감하기 때문에 저온 플라즈마인 글로우 방전(glow discharge)을 사용해야 한다. 상압에서의 글로우 방전은 매우 불안정하여 고온 플라즈마인 아크 방전(arc discharge)으로 전환되는 GAT(glow to arc transition)가 일어나기 쉽다.
이러한 GAT는 플라즈마가 발생되는 동안 발생하는 열에 의해서 일어나는데 이를 막기 위한 방법으로 플라즈마의 용량을 줄여서 발생시키는 마이크로 플라즈마가 연구되고 있다.
기존에 마이크로 플라즈마를 발생시키는 소자들의 경우 기계적으로 가공된 관이나 바늘을 이용하여 방전을 일으킨다. 그러나 기계적 가공을 통하여 그 크기를 줄이는데 한계가 있고, 하나의 관이나 바늘을 이용하여 플라즈마를 발생시키기 때문에 한번에 처리할 수 있는 면적이 제한되는 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 보다 대면적을 처리할 수 있는 마이크로 플라즈마 분사 소자 및 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈, 그리고 이러한 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자는, 플라즈마 발생용 기체가 통과할 수 있도록 병렬로 배열된 다수의 미세유로채널이 형성된 채널층; 상기 채널층의 일면에 접합되며 제1 플라즈마 발생용 전극이 형성된 제1 절연층; 및 상기 채널층의 타면에 접합되며 제2 플라즈마 발생용 전극이 형성된 제2 절연층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 플라즈마 분사 소자는 상기 제1 절연층이 고정되는 제1 기판; 및 상기 제2 절연층이 고정되는 제2 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 채널층은 폴리머 계열의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 폴리머 계열의 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 폴리머 계열의 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 플라즈마 발생용 전극 및 상기 제2 플라즈마 발생용 전극은 니켈 도금으로 형성될 수 있다.
상기 다수의 미세유로채널은 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층에 의하여 상기 제1 플라즈마 발생용 전극 및 상기 제2 플라즈마 발생용 전극과 절연될 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈은, 둘 또는 그 이상의 상기된 마이크로 플라즈마 분사 소자들이 기판을 사이에 두고 적층된 구조인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법은, 형성하고자 하는 다수의 미세유로채널에 상응하도록 기판의 일면에 감광제를 패터닝하여 몰드를 형성하는 공정; 상기 몰드에 폴리머 용액을 붓고 경화시켜 채널층을 형성하는 공정; 상기 채널층을 상기 몰드로부터 분리하는 공정; 형성하고자 하는 제1 플라즈마 발생용 전극의 패턴과 상응하도록 제1 기판의 일면에 씨앗층을 패터닝하는 공정; 상기 씨앗층을 도금하여 제1 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정; 상기 제1 기판의 상기 제1 플라즈마 발생용 전극이 형성된 면을 폴리머 코팅으로 코팅하여 제1 절연층을 형성하는 공정; 형성하고자 하는 제2 플라즈마 발생용 전극의 패턴과 상응하도록 제2 기판의 일면에 씨앗층을 패터닝하는 공정; 상기 씨앗층을 도금하여 제2 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정; 상기 제2 기판의 상기 제2 플라즈마 발생용 전극이 형성된 면을 폴리머 코팅으로 코팅하여 제2 절연층을 형성하는 공정; 및 상기 제1 절연층, 상기 채널층, 상기 제2 절연층을 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 폴리머 용액은 PDMS(polydimethylsiloxane) 용액을 포함할 수 있다.
상기 씨앗층을 패터닝하는 공정은 타이타늄 또는 금을 증착하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정 또는 상기 제2 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정은, 상기 씨앗층을 니켈 전해도금하는 공정을 포함할 수 있다.
상기된 본 발명에 의하면, 보다 대면적을 처리할 수 있는 마이크로 플라즈마 분사 소자 및 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈, 그리고 이러한 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 투명 사시도를 보여준다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 단면도를 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 분해 투명 사시도를 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈의 투명 사시도를 보여준다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈의 단면도를 보여준다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 구조를 보여준다. 도 1은 본 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 투명 사시도를, 도 2는 본 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 단면도를, 도 3은 본 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 분해 투명 사시도를 보여준다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자는, 플라즈마 발생용 기체가 통과할 수 있도록 병렬로 배열된 다수의 미세유로채널(11)이 형성된 채널층(10)과, 채널층(10)의 일면(도면에서는 아랫면)에 접합되며 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1)이 형성된 제1 절연층(20-1)과, 채널층(10)의 타면(도면에서는 윗면)에 접합되며 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)이 형성된 제2 절연층(20-2)과, 제1 절연층(20-1)이 고정되는 제1 기판(30-1) 및 제2 절연층(20-2)이 고정되는 제2 기판(30-2)을 포함하여 이루어진다.
본 발명의 실시예에서, 다수의 미세유로채널(11)이 형성된 채널층(10)은 마이크로머시닝 공정을 이용하여 제작될 수 있다. 마이크로머시닝 공정을 이용하여 원하는 작은 크기와 다수의 미세유로채널들이 형성될 수 있다. 이러한 채널층(10)의 제작에 관하여는 도 4를 참조하여 후술할 것이다. 채널층(10)은 절연이 가능하면서 몰드로 가공이 가능한 폴리머 계열의 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 여기서 폴리머 계열의 재질은 예컨대 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 하나의 채널층(10)에 형성되는 미세유로채널(11)의 수는 예를 들어 8개인 것으로 도시되었으나, 그 수에 특별한 제한은 없고 예컨대 수개 내지 수십개일 수 있다. 또한 미세유로채널(11)의 수는 처리하고자 하는 면적에 따라 필요한 개수로 구현될 수 있다.
하나의 미세유로채널의 폭은 약 100~500㎛일 수 있고, 그 높이는 약 100㎛일 수 있다. 다만 미세유로채널의 크기에 특별한 제한은 없고 예컨대 수십 내지 수백㎛일 수 있다. 미세유로채널 사이의 간격은 그 폭의 2배일 수 있으며, 다만 특별한 제한은 없고 채널 폭의 수배 또는 수백㎛일 수 있다.
도면을 기준으로 미세유로채널(11)은 채널층(10)의 아래쪽에 형성되어 있는 것으로 도시되나, 이와 달리 미세유로채널(11)은 채널층(10)의 우쪽에 형성되어 있을 수도 있음은 물론이다. 도 1 및 3을 참조하면, 미세유로채널(11)의 한쪽(도면에서는 오른쪽)은 플라즈마 발생용 기체의 유입구(inlet)에 해당하며, 미세유로채널(11)의 다른쪽(도면에서는 왼쪽)은 플라즈마 발생용 기체의 유출구(outlet)에 해당한다.
제1 절연층(20-1)과 제2 절연층(20-2)은 채널층(10)과 더불어 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1)과 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)을 미세유로채널(11)과 절연하는 역할을 한다. 구체적으로, 미세유로채널(11)은 제1 절연층(20-1)에 의하여 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1)으로부터 절연되며, 또한 미세유로채널(11)은 채널층(10) 및 제2 절연층(20-2)에 의하여 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)으로부터 절연된다.
제1 절연층(20-1)과 제2 절연층(20-2)의 재질은 폴리머 계열의 재질로 이루어질 수 있으며, 여기서 폴리머 계열의 재질은 예컨대 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함할 수 있다.
제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)은 각각 제1 절연층(20-1) 및 제2 절연층(20-2)에 형성되며, 플라즈마 발생에 적합하도록 소정의 패턴으로 형성될 수 있다. 예컨대 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)은 미세유로채널(11)의 유출구에 상응하는 부분에서 서로 마주하도록 패턴이 형성될 수 있다.
제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)은 각각 제1 절연층(20-1) 및 제2 절연층(20-2)에 의하여 미세유로채널(11)과 절연될 수 있도록, 제1 절연층(20-1) 및 제2 절연층(20-2)이 채널층(10)과 접합되는 면의 반대쪽에 형성될 수 있다. 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)은 예컨대 니켈 도금으로 형성될 수 있다.
제1 기판(30-1) 및 제2 기판(30-2)은 각각 제1 절연층(20-1) 및 제2 절연층(20-2)을 고정시킬 뿐 아니라, 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)을 고정시키고 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)을 외부와 절연하는 역할도 한다. 제1 기판(30-1) 및 제2 기판(30-2)은 예컨대 글라스 기판일 수 있다.
본 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 동작 원리는 다음과 같다. 미세유로채널(11)의 유입구로 주입된 플라즈마 발생용 기체는, 미세유로채널(11)을 통과하면서 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)에 의해 형성된 전기장에 의해 이온화되어 플라즈마가 생성된다. 생성된 플라즈마는 미세유로채널(11)로 들어오는 기체에 의해 밀려 미세유로채널(11)의 유출구를 통하여 분사된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법을 나타내는 도면이다.
본 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법은 크게는 미세유로채널(11)이 형성된 채널층(10)을 제작하는 공정과 플라즈마 발생용 전극(21-1 또는 21-2)이 형성된 절연층(20-1 또는 20-2) 및 기판(30-1 또는 30-2)(이하, 전극부라 함)을 제작하는 공정, 그리고 채널층(10)과 전극부를 접합하는 공정으로 이루어진다.
채널층(10)을 제작하는 공정은 다음과 같다. 형성하고자 하는 미세유로채널의 모양에 상응하도록 기판(예컨대 실리콘 기판)의 일면에 감광제를 패터닝하여 몰드를 형성한다(a). 그리고 형성된 몰드에 폴리머 용액을 붓고 경화시켜 채널층을 형성한다(b). 여기서, 폴리머 용액은 PDMS(polydimethylsiloxane) 용액을 포함할 수 있다. 그 다음, 경화된 폴리머를 몰드로부터 분리함으로써(c), 미세유로채널이 형성된 채널층을 얻는다.
전극부를 제작하는 공정은 다음과 같다. 채널층(10)의 위에 접합되는 전극부와 채널층(10)의 아래에 접합되는 전극부는 전형적으로는 대칭적이어서 그 제작 공정이 실질적으로 동일하므로 하나의 전극부에 대한 제작 공정만을 설명한다.
형성하고자 하는 플라즈마 발생용 전극의 패턴과 상응하도록 기판(예컨대, 글라스 기판)의 일면에 씨앗층을 패터닝한다(d). 여기서 씨앗층은 예컨대 타이타늄 또는 금을 전해도금 방식으로 증착하여 형성될 수 있으며, 씨앗층의 패터닝에는 예컨대 감광제와 식각 용액이 이용될 수 있다. 다음으로, 패터닝된 씨앗층을 도금하여 플라즈마 발생용 전극을 형성한다(e). 여기서, 씨앗층에 니켈을 전해도금 하여 플라즈마 발생용 전극을 형성할 수 있다. 다음으로, 기판의 플라즈마 발생용 전극이 형성된 면을 플라즈마 발생용 전극이 모두 덮이도록 폴리머 코팅으로 코팅하여 절연층을 형성한다(f). 위와 같은 (d), (e) 및 (f)의 공정을 통하여, 기판(30-1 또는 30-2), 플라즈마 발생용 전극(21-1 또는 21-2) 및 절연층(20-1 또는 20-2)으로 구성되는 전극부가 제작된다.
이제 위와 같이 제작된 채널층과 전극부를 접합함으로써 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자가 완성된다. 즉, 채널층(10)의 아랫면에 제1 절연층(20-1)을 접합하고, 채널층(10)의 윗면에 제2 절연층(20-2)를 접합한다. 이때 채널층(10)과 절연층(20-1, 20-2)을 밀착시킨 다음 소정 시간(예컨대, 약 15분) 동안 소정 온도(예컨대 약 150℃)로 가열함으로써 채널층(10)과 절연층(20-1, 20-2)이 접합될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자를 둘 또는 그 이상 적층함으로써 적층형 구조의 마이크로 플라즈마 분사 모듈을 형성할 수 있다. 예컨대 폴리머 계열의 재질로 이루어지는 채널층과 절연층은 서로 접합이 용이하기 때문이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 마이크로 플라즈마 분사 소자를 적층함으로써 모듈의 크기를 원하는 만큼 확장할 수 있어 원하는 만큼의 큰 면적을 한번에 처리할 수 있는 마이크로 플라즈마 분사 모듈을 구현할 수 있다.
도 5 및 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈의 구조를 보여준다. 도 5는 본 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈의 투명 사시도를, 도 6은 본 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈의 단면도를 보여준다.
도 5 및 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈은, 플라즈마 발생용 기체가 통과할 수 있도록 병렬로 배열된 다수의 미세유로채널(11)이 형성된 채널층(10), 채널층(10)의 일면(도면에서는 아랫면)에 접합되며 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1)이 형성된 제1 절연층(20-1), 및 채널층(10)의 타면(도면에서는 윗면)에 접합되며 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2)이 형성된 제2 절연층(20-2)으로 이루어지는 두 개의 마이크로 플라즈마 분사 소자가 가운데 기판(30-3)을 사이에 두고 적층된 구조를 이루며, 아래쪽 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제1 절연층(20-1)이 고정되는 제1 기판(30-1) 및 위쪽 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제2 절연층(20-2)이 고정되는 제2 기판(30-2)를 포함하여 이루어진다.
본 실시예에서는 두 개의 마이크로 플라즈마 분사 소자가 적층된 것을 예로 들었으나, 둘 이상의 마이크로 플라즈마 분사 소자가 적층될 수 있음은 물론이다.
도 5 및 6의 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈의 제작 과정을 설명하면 다음과 같다.
전술한 채널층 제작 공정을 통하여 두 개의 채널층(10)이 제작될 수 있다.
또한 전술한 전극부 제작 공정을 통하여 두 개의 전극부, 즉 제1 기판(30-1), 제1 플라즈마 발생용 전극(21-1) 및 제1 절연층(20-1)으로 이루어지는 아래쪽의 전극부와, 제2 기판(30-2), 제2 플라즈마 발생용 전극(21-2) 및 제2 절연층(20-2)으로 이루어지는 위쪽의 전극부가 제작될 수 있다.
도 5 및 6을 참조하면, 가운데 기판(30-3)의 양쪽 면에 각각 플라즈마 발생용 전극(21-1, 21-2)과 절연층(20-1, 20-2)이 형성되어 있다. 따라서, 가운데 기판(30-3) 및 그 양쪽 면에 형성된 플라즈마 발생용 전극(21-1, 21-2)과 절연층(20-1, 20-2)으로 이루어지는 가운데 전극부는, 전술한 전극부 제작 공정과 유사한 공정을 통하여 제작될 수 있다. 전술한 전극부 제작 공정은 기판의 한쪽 면에만 플라즈마 발생용 전극 및 절연층을 형성하는 공정인 바, 가운데 전극부는 전술한 전극부 제작 공정이 약간 변형된 공정, 즉 기판의 양쪽 면에 각각 플라즈마 발생용 전극 및 절연층을 형성하는 공정을 통하여 제작될 수 있다.
이렇게 제작된 두 개의 채널층과 위쪽 및 아래쪽의 전극부, 그리고 가운데 전극부를 도 5 및 6에 보여지는 순서대로 접합하면 본 실시예에 따른 적층형 마이크로 플라즈마 분사 모듈이 완성된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 플라즈마 발생용 기체가 통과할 수 있도록 병렬로 배열된 다수의 미세유로채널이 형성된 채널층;
    상기 채널층의 일면에 접합되며 제1 플라즈마 발생용 전극이 형성된 제1 절연층; 및
    상기 채널층의 타면에 접합되며 제2 플라즈마 발생용 전극이 형성된 제2 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층이 고정되는 제1 기판; 및
    상기 제2 절연층이 고정되는 제2 기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 채널층은 폴리머 계열의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 폴리머 계열의 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층은 폴리머 계열의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 발생용 전극 및 상기 제2 플라즈마 발생용 전극은 니켈 도금으로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 분사 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다수의 미세유로채널은 상기 제1 절연층 및 상기 제2 절연층에 의하여 상기 제1 플라즈마 발생용 전극 및 상기 제2 플라즈마 발생용 전극과 절연되는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자.
  8. 둘 또는 그 이상의 제1항에 따른 마이크로 플라즈마 분사 소자들이 기판을 사이에 두고 적층된 구조의 마이크로 플라즈마 분사 모듈.
  9. 마이크로 플라즈마 분사 소자의 제작 방법에 있어서,
    형성하고자 하는 다수의 미세유로채널에 상응하도록 기판의 일면에 감광제를 패터닝하여 몰드를 형성하는 공정;
    상기 몰드에 폴리머 용액을 붓고 경화시켜 채널층을 형성하는 공정;
    상기 채널층을 상기 몰드로부터 분리하는 공정;
    형성하고자 하는 제1 플라즈마 발생용 전극의 패턴과 상응하도록 제1 기판의 일면에 씨앗층을 패터닝하는 공정;
    상기 씨앗층을 도금하여 제1 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정;
    상기 제1 기판의 상기 제1 플라즈마 발생용 전극이 형성된 면을 폴리머 코팅으로 코팅하여 제1 절연층을 형성하는 공정;
    형성하고자 하는 제2 플라즈마 발생용 전극의 패턴과 상응하도록 제2 기판의 일면에 씨앗층을 패터닝하는 공정;
    상기 씨앗층을 도금하여 제2 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정;
    상기 제2 기판의 상기 제2 플라즈마 발생용 전극이 형성된 면을 폴리머 코팅으로 코팅하여 제2 절연층을 형성하는 공정; 및
    상기 제1 절연층, 상기 채널층, 상기 제2 절연층을 접합하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자 제작 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 폴리머 용액은 PDMS(polydimethylsiloxane) 용액을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자 제작 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 씨앗층을 패터닝하는 공정은 타이타늄 또는 금을 증착하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자 제작 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제1 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정 또는 상기 제2 플라즈마 발생용 전극을 형성하는 공정은, 상기 씨앗층을 니켈 전해도금하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 플라즈마 분사 소자 제작 방법.
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