KR101150387B1 - Atmospheric pressure plasma jet generator with a capillary electrode - Google Patents
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Abstract
생의학적 응용이 가능하도록 넓은 구동조건에서 작동 가능한 플라즈마 제트 발생기를 제공하기 위하여, 본 발명은 본체; 제1 방향을 따라 연장 형성되어 상기 본체 내에 적어도 일부가 수용되며, 구동 전원 및 산소 공급원과 연결되는 모세관 튜브; 내부에 상기 모세관 튜브의 적어도 일부가 수용되고, 양단부의 외경이 상이하도록 형성되는 석영 튜브; 상기 석영 튜브 내에 수용되며, 상기 모세관 튜브가 관통 삽입되는 테플론; 및 상기 본체의 일 측에 형성되며, 불활성 가스를 상기 석영 튜브 내로 공급하는 가스 유입구;를 포함하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기를 제공한다. In order to provide a plasma jet generator operable in a wide range of driving conditions to enable a biomedical application, the present invention comprises a main body; A capillary tube extending in a first direction and accommodating at least a portion of the body and connected to a driving power source and an oxygen source; A quartz tube accommodating at least a portion of the capillary tube and formed to have an outer diameter at both ends thereof; A teflon accommodated in the quartz tube and into which the capillary tube is inserted; And a gas inlet formed on one side of the main body, and supplying an inert gas into the quartz tube.
Description
본 발명은 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 생의학적 응용이 가능하도록 넓은 구동조건에서 작동 가능한 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기에 관한 것이다.The present invention relates to a capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator, and more particularly to a capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator operable under a wide range of driving conditions to enable biomedical applications.
플라즈마 토치는 가스를 플라즈마화하여 고체를 가열하여 녹이거나 고체 또는 액체를 가열하여 증발시키거나, 또는 가스를 가열하여 엔탈피를 증가시키는데에 사용할 수 있다.The plasma torch may be used to plasma the gas to heat the solid to melt, or to heat or evaporate the solid or liquid, or to heat the gas to increase enthalpy.
종래의 마이크로파를 이용한 플라즈마 발생장치는 주로 마그네트론을 이용한 100 와트(Watts) 이상의 전력을 소모하는 경우가 대부분이다. 구형 도파관(rectangular waveguide)으로 구현된 플라즈마 발생장치는 부피가 크기 때문에 휴대하기가 어렵다는 단점이 있다. 안테나 구조를 이용한 방전관을 사용하는 동축형(coaxial) 마이크로파 플라즈마 토치가 제안되기는 하였지만, 이 발명도 단지 종래의 구형 도파관으로 구현된 발생장치를 대신하는 정도에 불과하고, 휴대할 정도의 크기는 아니다.Conventional plasma generators using microwaves usually consume more than 100 Watts using magnetrons. Plasma generators implemented with a rectangular waveguide have a disadvantage in that they are difficult to carry because of their bulky size. Although a coaxial microwave plasma torch using a discharge tube using an antenna structure has been proposed, the present invention is merely a replacement for a generator formed by a conventional rectangular waveguide, and is not large enough to be carried.
미세한 크기의 니들 (길이는 수 cm 이하, 직경은 수 mm 이하)에 전위를 가하여 생성된 플라즈마의 경우에 전극 근처에 생성된 전기장은 매우 강하여 기체를 전리시키는 반면, 생성된 플라즈마의 크기는 매우 작아서 온도가 낮다. 또한 장치의 간편성과 이동성의 확보로 인해 생명과학과 의료에 무한한 활용 가능성이 있다. 이러한 상압 플라즈마의 온도는 각각의 구조, 공급 에너지, 작동조건 등에 따라 서로 매우 다르다.In the case of plasma generated by applying a potential to fine size needles (less than several cm in length and several mm or less in diameter), the electric field generated near the electrode is very strong to ionize the gas, while the generated plasma is very small. Low temperature In addition, because of the simplicity and mobility of the device, there is an infinite potential for life sciences and medical care. The temperature of the atmospheric pressure plasma is very different from each other depending on the structure, supply energy, operating conditions and the like.
현재까지 여러 가지 대기압 플라즈마의 발생원들이 보고되고 있다. 직류 및 저주파 방전의 형태로 연속 작동 모드인 연필 형태의 토치와 펄스 작동 모드인 코로나 방전 장치, 유전체 장벽 방전 장치, ICP 토치, 대기압 플라즈마 젯 등이 있다. 그러나 이 발생원들을 생의학에 응용하기 위해서는 실온에 가까운 미세크기의 플라즈마가 생성되어야 하며, 감전이나 전기충격을 방지하기 위해 저 전압에서 방전이 일어나야 하며, 독성이 없으며 플라즈마의 입자종이 생물의 조직에 적용하기에 적합한 상태가 되도록 조절할 수 있어야 한다. Many sources of atmospheric plasma have been reported to date. In the form of direct current and low frequency discharge, there are a pencil-shaped torch in continuous operation mode, a corona discharge device in pulse operation mode, a dielectric barrier discharge device, an ICP torch, and an atmospheric plasma jet. However, in order to apply these sources to biomedical applications, microsized plasma close to room temperature must be generated, discharge must occur at low voltage to prevent electric shock or electric shock, and there is no toxicity. It should be able to be adjusted to be suitable for the condition.
그런데 높은 방전전압을 필요로 하는 방전가스 및 구동조건에서 플라즈마의 발생을 원한다면 고압의 전원이 필요해지면서 플라즈마의 온도도 훨씬 높아지게 되고 아크방전으로의 전이가능성으로 인해 생명과학에 응용하기에 적합하지 않게 된다.However, if you want to generate plasma in the discharge gas and driving conditions that require high discharge voltage, high voltage power is required and the temperature of plasma is much higher and it is not suitable for life science application due to the possibility of transition to arc discharge. .
현재 여러 가지 형태의 전력 원을 이용하여 대기압 플라즈마를 생성시켜 사용하고 있기는 하지만, 마이크로파 영역의 신호, 예를 들면, 주파수가 수백 킬로헤르츠 등의 신호를 이용하여 저 전력의 열적 효과가 없는 플라즈마를 만드는 방식에 대해서는 현재 연구가 진행 중이다. 플라즈마 발생기를 생명과학에 응용하기 위한 노력은 세계적으로 연구단계에 있으며 피부의 주름이나 착색 등을 치료하는 장치로서 사용하고 있는 정도이다. At present, although atmospheric pressure plasma is generated by using various types of power sources, signals in the microwave region, for example, signals having a frequency of several hundred kilohertz, are used to generate plasma without low thermal effect. The method of making is currently under study. Efforts to apply plasma generators to life sciences are in the research stage of the world and are being used as devices to treat wrinkles and pigmentation of skin.
따라서 대기압의 저온 영역에서 플라즈마 제트를 발생하여 생명과학과 의료분야에 적용이 가능한 간단한 구조의 플라즈마 제트 발생기를 필요로 하고 있는 실정이다. Therefore, there is a need for a plasma jet generator having a simple structure that can be applied to life science and medical fields by generating a plasma jet in a low temperature region of atmospheric pressure.
상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 대기압 마이크로 플라즈마의 생의학적 응용 (Bio-medical application)을 염두에 두고 넓은 구동조건 범위를 허용할 수 있도록 구조를 개선하고 각 응용에 합당한 플라즈마의 물성을 제공할 수 있는 플라즈마 제트 발생기(plasma generator)로서 활용성을 높이는 데 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention can improve the structure to allow a wide range of operating conditions in consideration of the bio-medical application of the atmospheric pressure micro-plasma and to provide the physical properties of the plasma for each application. Its purpose is to increase its utility as a plasma jet generator.
본 발명은 본체; 제1 방향을 따라 연장 형성되어 상기 본체 내에 적어도 일부가 수용되며, 구동 전원 및 산소 공급원과 연결되는 모세관 튜브; 내부에 상기 모세관 튜브의 적어도 일부가 수용되고, 양단부의 외경이 상이하도록 형성되는 석영 튜브; 상기 석영 튜브 내에 수용되며, 상기 모세관 튜브가 관통 삽입되는 테플론; 및 상기 본체의 일 측에 형성되며, 불활성 가스를 상기 석영 튜브 내로 공급하는 가스 유입구;를 포함하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기를 제공한다. The present invention body; A capillary tube extending in a first direction and accommodating at least a portion of the body and connected to a driving power source and an oxygen source; A quartz tube accommodating at least a portion of the capillary tube and formed to have an outer diameter at both ends thereof; A teflon accommodated in the quartz tube and into which the capillary tube is inserted; And a gas inlet formed on one side of the main body, and supplying an inert gas into the quartz tube.
본 발명에 있어서, 상기 석영 튜브의 일 단부의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 알루미늄 호일 스트립을 더 포함할 수 있다. In the present invention, it may further include an aluminum foil strip formed to surround at least a portion of one end of the quartz tube.
본 발명에 있어서, 상기 구동 전원에는 DC 또는 RF 전원이 연결될 수 있다. In the present invention, the driving power source may be connected to a DC or RF power source.
본 발명에 있어서, 상기 모세관 튜브의 일 단부는 뾰족하게 가공되어 전기장을 국소적 영역으로 집중시킬 수 있다. In the present invention, one end of the capillary tube can be processed sharply to concentrate the electric field in the local region.
본 발명에 있어서, 상기 모세관 튜브의 일 단부에서 산소와 상기 불활성 가스가 반응하여 플라즈마 플룸(plume)이 형성될 수 있다. In the present invention, a plasma plum may be formed by reacting oxygen and the inert gas at one end of the capillary tube.
여기서, 상기 모세관 튜브에 공급되는 산소의 유량이 증가함에 따라 상기 플라즈마 플룸(plume)의 길이가 감소할 수 있다. In this case, as the flow rate of oxygen supplied to the capillary tube increases, the length of the plasma plum may decrease.
여기서, 상기 구동 전원에 인가되는 전압이 증가함에 따라 상기 플라즈마 플룸의 온도가 증가할 수 있다. Here, the temperature of the plasma plum may increase as the voltage applied to the driving power increases.
여기서, 상기 불활성 가스의 공급량이 증가함에 따라 상기 플라즈마 플룸의 온도가 감소할 수 있다. Here, the temperature of the plasma plum may decrease as the supply amount of the inert gas increases.
본 발명에 있어서, 상기 불활성 가스는 헬륨 또는 아르곤 가스를 포함할 수 있다. In the present invention, the inert gas may include helium or argon gas.
본 발명에 있어서, 상기 테플론에는 가스의 출입이 가능하도록 하나 이상의 홀(hole)이 형성될 수 있다. In the present invention, one or more holes may be formed in the teflon to allow gas to enter and exit.
본 발명에 있어서, 상기 모세관 튜브는 스테인리스 스틸 소재를 포함할 수 있다. In the present invention, the capillary tube may include a stainless steel material.
본 발명에 있어서, 상기 석영 튜브의 양단부 중 상기 본체로부터 더 멀리 배치된 단부의 외경이 상기 본체에서 더 가깝게 배치된 단부의 외경보다 작게 형성될 수 있다. In the present invention, the outer diameter of the end disposed farther from the main body of the both ends of the quartz tube may be formed smaller than the outer diameter of the end disposed closer to the main body.
본 발명에 있어서, 상기 테플론에는 상기 모세관 튜브의 외경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는 홀이 형성되고, 상기 모세관 튜브는 상기 홀에 관통 삽입될 수 있다. In the present invention, the Teflon is formed with a hole having a diameter substantially the same as the outer diameter of the capillary tube, the capillary tube may be inserted through the hole.
본 발명에 있어서, 상기 테플론은 유전체(dielectric substance)일 수 있다. In the present invention, the Teflon may be a dielectric substance.
본 발명에 따른 플라즈마 제트 발생기는, 다양한 전원 (저주파 펄스, 저주파 교류, 고주파)에서 안정적인 방전을 구현할 수 있으며, 저주파 (수 kHz - 수십 kHz) 방전에서는 생물체의 적용에 가능한 실온에 가까운 온도의 플라즈마가 발생될 수 있다. 길게 뻗어 나오는 플라즈마의 플룸(plume)과 플라즈마 내에 존재하는 입자 종들은 살균효과, 박테리아 식균 작용 유도, 암세포 자연사 유도 등의 작용을 할 수 있다. 플라즈마 형성기체와 첨가기체의 다양한 조합으로 박막 증착에의 활용이 가능하고, 대기압에서 작동하며 장치가 간편하고 이동성이 확보되어 다양하게 응용될 수 있다.The plasma jet generator according to the present invention can implement stable discharge at various power sources (low frequency pulse, low frequency alternating current, high frequency), and at low frequency (several kHz to several tens of kHz) discharge, plasma having a temperature close to room temperature that can be applied to living organisms Can be generated. The plume of the elongated plasma and the particle species present in the plasma can act as bactericidal, induce bacterial phagocytosis, and induce cancer cell natural death. Various combinations of plasma forming gas and additive gas may be utilized for thin film deposition, operate at atmospheric pressure, and the device may be easily and mobilely secured.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기를 도시하고 있다.
도 2는 도 1의 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 A-A선을 따라 취한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기의 사용예를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전압과 총전류의 파형을 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 (a) 가스 유량과, (b) 산소 유량의 추가 효과로서 플룸의 길이 변화를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 (a) 인가전압과, (b) 가스 유량의 변동에 따른 플룸의 온도 변화를 도시한다. 1 illustrates a capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view schematically illustrating the capillary driving electrode type atmospheric plasma jet generator of FIG. 1.
3 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1.
4 shows an example of the use of a capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator according to an embodiment of the present invention.
5 illustrates waveforms of voltage and total current according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 shows the plume length change as a further effect of (a) gas flow rate and (b) oxygen flow rate in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates a temperature change of a plume according to (a) an applied voltage and (b) a gas flow rate according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기를 개략적으로 나타내는 결합 사시도이고, 도 2는 도 1의 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기를 개략적으로 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 A-A선을 따라 취한 단면도이다. 1 is a combined perspective view schematically showing a capillary driving electrode type atmospheric plasma jet generator according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view schematically showing a capillary driving electrode type atmospheric pressure plasma jet generator of Figure 1, 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1.
도 1, 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기(100)는 본체(110), 튜브 수용부(120), 모세관 튜브(130), 석영 튜브(140), 테플론(150), 산소 유입구(160), 가스 유입구(170) 및 전원 공급부(180)를 포함한다. 1, 2 and 3, the capillary driving electrode type atmospheric pressure
본체(110)는 속이 빈 상자 형상으로 형성되며, 일 측에는 튜브 수용부(120)가 연결되는 튜브 수용부 연결부(111)가 형성되고, 다른 일 측에는 산소 유입구(160)가 연결되는 산소 유입구 연결부(112)가 형성되고, 또 다른 일 측에는 가스 유입구(170)가 연결되는 가스 유입구 연결부(미도시)가 형성되고, 또 다른 일 측에는 전원 공급부(180)가 연결되는 전원 공급부 연결부(미도시)가 형성된다. The
튜브 수용부(120)는 속이 빈 원통 형상으로 형성되어 상술한 본체(110)의 튜브 수용부 연결부(111)에 결합되며, 그 내부에는 모세관 튜브(130) 및 석영 튜브(140)가 수용된다. The tube accommodating
여기서 도면에는 본체(110)와 튜브 수용부(120)가 각각 별도의 부재로 형성되어 결합하는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 사상은 이에 제한되지 아니하며, 본체와 튜브 수용부가 일체로 형성될 수도 있을 것이다. 이 경우, 도 1의 본체와 튜브 수용부를 통칭해 본체라 할 수도 있을 것이다. Here, although the
모세관 튜브(130)는 본체(110) 및 이와 연결된 튜브 수용부(120) 내에 수용된다. 모세관 튜브(130)는 튜브 수용부(120)의 중심축(C) 방향을 따라 연장 형성되어 있다. 이와 같은 모세관 튜브(130)의 일 단은 전원 공급부(180)를 통해 구동 전원(미도시)과 연결되어 있으며, 또한 산소 유입구(160)를 통해 산소 공급원(미도시)과도 연결되도록 배치된다. The
모세관 튜브(130)는 전기장을 국소적으로 향상시키기 위하여 모세관 튜브(130)의 일 단부(131)를 뾰족하게 가공하는 것이 바람직하다. 모세관 튜브(130)는 바람직하게는 일 단부(131)가 뾰족하게 가공됨으로써, 넓게 퍼져 있는 것보다 전기장의 집중효과가 증가되며, 이 영역에서 플라즈마 플룸(plume)이 발생된다. 모세관 튜브(130)는 여러 가지 소재가 사용가능하나, 바람직하게는 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다.
상기 모세관 튜브(130) 전극은 다양한 전원(미도시)(예를 들어, 저주파 펄스, 저주파 교류, 고주파)과 연결되어 안정적인 방전을 구현할 수 있으며, 석영 튜브(140) 내부 중앙에 위치한다. The
석영 튜브(140)는 그 내부에 모세관 튜브(130)를 수용하도록 형성된다. 상세히, 석영 튜브(140)는 원통 형상으로 형성되며, 양단부의 외경이 다르도록 형성된다. 이때 석영 튜브(140)는 외경이 더 큰 제2 단부(142)가 본체(110) 쪽에 위치하고, 외경이 더 작은 제1 단부(141) 본체(110)로부터 이격된 쪽에 위치하도록 배치된다. The
한편, 모세관 튜브(130)가 석영 튜브(140)의 중앙에 위치하여 지지될 수 있도록 테플론(150)이 구비된다. 테플론(150)은 절연체로서 기능하는 동시에 모세관 튜브(130)가 석영 튜브(140) 내부에서 일정하게 자리를 잡도록 지지하는 역할을 한다. 즉, 테플론(150)에는 상기 모세관 튜브(130)의 외경과 실질적으로 동일한 직경을 갖는 홀들이 하나 이상 형성되어 있으며, 모세관 튜브(130)가 상기 테플론(150)의 상기 홀에 관통 삽입되어, 모세관 튜브(130)가 석영 튜브(140) 내에서 고정된 위치를 유지하는 것이다. On the other hand, Teflon 150 is provided so that the
한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 상기 석영 튜브(140)의 말단 일부를 부분적으로 감싸는 알루미늄 호일 스트립(미도시)이 더 형성될 수 있다. 이와 같은 알루미늄 호일 스트립(미도시)은 석영 튜브(140)의 제1 단부(141)를 감싸도록 형성되어, 본 발명의 플라즈마 제트 발생기의 접지 전극(ground electrode)으로서 기능할 수 있다.
Although not shown in the drawings, an aluminum foil strip (not shown) may be further formed to partially surround the end portion of the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생기의 사용예를 도시하고 있다. 플라즈마 발생기의 말단에서 플룸(plume)이 발생되어 국소 영역으로 분출되는 형상을 도시하고 있으며, 본 발명의 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기(100)로부터 발생되는 플라즈마 플룸은 가늘고 날카로운 실린더형으로 형성될 수 있다.4 shows an example of the use of a plasma generator according to one embodiment of the invention. A plume is generated at the end of the plasma generator and is ejected into a local region. The plasma plume generated from the capillary driving electrode atmospheric pressure
방전영역에는 플라즈마를 생성하기 위하여 상기 산소 유입구(160)와 별도로 불활성 가스를 석영 튜브(140)의 측면에 마련된 가스 유입구(170)를 통하여 공급한다. 불활성 가스는 헬륨 또는 아르곤 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 플라즈마 형성가스인 헬륨 또는 아르곤 가스는 석영 튜브의 측면에 배치된 가스 유입구(170)를 통하여 공급된다. 반응가스인 산소는 산소 유입구(160)를 통하여 구동 전극인 모세관 튜브(130)로 공급되고, 이는 석영 튜브(140)의 내부 테플론(150)의 홀을 통하여 전달된 헬륨 또는 아르곤 가스와 방전 공간에서 혼합된다. 즉, 방전 공간인 모세관 튜브(130)의 말단에서 산소와 불활성 가스가 반응하는 것이다.An inert gas is supplied to the discharge region through the
상세히, 석영 튜브(140) 내부 중앙에 모세관 튜브(130)가 위치하고 있고, 석영 튜브(140)의 내부는 테플론(150)으로 충진되어 있으며, 이와 같은 테플론(150)에 의해서 석영 튜브(140)는 중앙에서 안정적으로 지지된다. 또한, 테플론(150)에는 다수 개의 홀들이 형성되어 있어서, 이러한 홀들을 통하여 플라즈마 형성 기체가 방전영역으로 유입되는 것이다. In detail, the
플라즈마 플룸의 길이는 공급되는 가스의 유량 및 인가 전압의 세기에 따라 조절될 수 있으므로 사용자가 투입되는 가스 유량과 인가 전압을 조절하여 사용할 수 있다. 일반적으로 공급되는 가스의 유량이 증가하거나 인가 전압의 세기가 커짐에 따라 동일조건에서 플라즈마 플룸의 길이도 길어질 수 있다.The length of the plasma plume can be adjusted according to the flow rate of the supplied gas and the intensity of the applied voltage, so that the user can adjust the applied gas flow rate and the applied voltage. In general, as the flow rate of the supplied gas increases or the intensity of the applied voltage increases, the length of the plasma plume may be longer under the same conditions.
그러나 본 발명의 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기(100)에서, 불활성 가스와는 다르게 산소 가스는 투입량에 따라 플라즈마 플룸의 길이가 짧아질 수 있다. 왜냐하면, 가스상에서 라디칼을 생성하기 위해서는 산소 가스를 모세관 튜브로 투입하고 불활성 가스(예: 아르곤 또는 헬륨 가스)를 석영 튜브를 이용하여 공급하게 되는데, 산소를 직접 공급하는 것은 노즐의 내부에서 산소에 부착되는 전자로 인하여 라디칼의 생성을 감소시키는 경향이 있고, 그러므로 산소 유량이 증가하는 경우에는 오히려 플룸의 길이는 감소될 수 있다.However, in the capillary driving electrode type atmospheric
불활성 가스의 종류별로 보면, 예를 들어 아르곤 가스를 사용하는 경우 산소 투입에 따른 플룸 길이가 약간씩 감소하나, 헬륨 가스를 사용하는 경우는 산소 투입에 따른 플룸 길이는 급격하게 감소한다.By type of inert gas, for example, when argon gas is used, the plume length slightly decreases due to oxygen injection, but when helium gas is used, plume length rapidly decreases.
본 발명에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기(100)는 저주파(수 kHz - 수십 kHz) 방전에서 생물체의 적용에 가능한 실온에 가까운 온도의 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 구체적으로 플룸의 온도는 대개는 25 내지 40℃를 나타내고 있으며, 이러한 낮은 온도를 이용하여 의료분야에 다양하게 활용할 수 있는 것이다. 그러므로 이러한 플라즈마 노즐에서 발생되는 온도를 적절하게 조절함으로써 다양하게 활용이 가능하고, 그러한 플룸의 온도는 플라즈마 제트 발생기에 인가되는 전압과 유입되는 불활성 가스에 영향을 받는다. The capillary drive electrode type atmospheric
상세하게는 구동 전원에 인가되는 전압이 증가됨에 따라 플룸의 온도도 계속 증가한다. 인가 전압의 증가는 플라즈마 부피의 증가를 가져오고, 그러한 부피 증가는 즉시 가스의 가열로 나타나기 때문이다. Specifically, as the voltage applied to the driving power source increases, the temperature of the plume continues to increase. This is because an increase in the applied voltage results in an increase in the plasma volume, which is immediately manifested by the heating of the gas.
또한 투입되는 불활성 가스의 유량이 증가할 때 플룸의 온도는 감소한다. 예를 들어, 헬륨 및 아르곤 가스의 유량이 증가함에 따라 플룸의 온도는 감소된다. Also, the temperature of the plume decreases as the flow rate of the inert gas introduced increases. For example, as the flow rate of helium and argon gas increases, the temperature of the plume decreases.
본 발명에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기(100)는 다양한 전원에서 안정적인 방전을 구현할 수 있으며, 박테리아 사멸 및 암세포 사멸 등 생물 조직에 적용하기 위해서 저 전류, 실온, 생의학적 작용을 하는 라디칼의 효과적인 생성을 제공한다. Capillary driving electrode type atmospheric pressure
또한, 본 발명에 따른 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기(100)는 모세관 튜브(130)가 플라즈마 형성 기체와 별도로 첨가 기체가 주입될 수 있는 통로의 역할을 함과 동시에 전원전극의 역할을 한다. 작은 외경의 모세관 튜브(130)는 끝단을 뾰쪽하게 가공하여 전기장을 국소 향상시킴으로써 방전 항복(breakdown) 전압의 상당한 감소를 가져온다. 알루미늄 호일 스트립(미도시)은 접지 전극 역할을 하며 석영 튜브(140)의 끝단에 위치시킴으로써 석영 튜브(140) 내부에 발생된 플라즈마를 바깥으로 길게 뻗어 나올 수 있게 한다.
In addition, the capillary driving electrode type atmospheric
<실시예>
<Examples>
플라즈마plasma 제트 발생기의 제작 Manufacture of Jet Generator
석영 튜브(6mm i.d. × 8mm o.d., 20mm L)를 유전체 배리어층으로서 형성하였다. 상기 석영 튜브의 중심에 스테인리스 스틸로 제조된 모세관 튜브(0.4mm i.d. ×1mm o.d., 20mm L)를 설치하고 산소공급 튜브뿐만 아니라 전원 전극으로 이용하였다. 모세관 튜브의 끝을 날카롭게 하고, 모세관 전극의 외경을 작게 하여 전기장을 일부 공간에 미치게 하였다. 이에 따라 항복 전압이 상당하게 감소되었다.A quartz tube (6 mm i.d. x 8 mm o.d., 20 mm L) was formed as the dielectric barrier layer. A capillary tube (0.4 mm i.d. × 1 mm o.d., 20 mm L) made of stainless steel was installed at the center of the quartz tube and used as a power supply electrode as well as an oxygen supply tube. The end of the capillary tube was sharpened and the outer diameter of the capillary electrode was made small to extend the electric field to some space. This drastically reduced the breakdown voltage.
스테인리스 스틸 모세관 튜브의 끝과 석영 튜브의 끝 사이의 거리는 약 2 mm로 하였다. 알루미늄 호일 스트립을 석영 튜브의 작은 직경의 외부에 설치하였고 호일의 길이는 11 mm로 하였고, 이는 석영 튜브 외부를 부분적으로 커버하는 접지 전극 역할을 하였다. 플라즈마 형성가스 헬륨 또는 아르곤은 석영 튜브의 측면에 배치된 가스 유입구를 통하여 공급하고, 반응가스인 산소는 전원전극을 통하여 모세관 튜브로 공급하고 이는 석영 튜브의 말단에서 헬륨 또는 아르곤 플라즈마와 혼합되었다. The distance between the end of the stainless steel capillary tube and the end of the quartz tube was about 2 mm. An aluminum foil strip was installed outside of the small diameter of the quartz tube and the length of the foil was 11 mm, which served as a ground electrode partially covering the outside of the quartz tube. The plasma forming gas helium or argon was supplied through a gas inlet disposed on the side of the quartz tube, and the reaction gas oxygen was supplied to the capillary tube through the power electrode, which was mixed with the helium or argon plasma at the end of the quartz tube.
3개의 다른 전원이 인가되었다. 펄스 전원공급(PDS4000, FTLab)을 10 내지 60 kHz의 반복률에서 최고 3 kV까지 전압 펄스를 공급하였다. 또한 수십 킬로헤르츠의 사인파 전압을 인가하였다. 13.56 MHz의 RF 전원을 인가하였다. Three different power sources were applied. The pulsed power supply (PDS4000, FTLab) supplied voltage pulses up to 3 kV at a repetition rate of 10 to 60 kHz. In addition, a sine wave voltage of several tens of kilohertz was applied. An RF power source of 13.56 MHz was applied.
전압 및 전류의 파형은 고전압 프로브(Tektronix P5100) 및 전류 프로브(Pearson 3972)를 통하여 실시간 디지털 오실로스코프(LeCroyWS44XS-A)를 이용하여 측정하였다.
Voltage and current waveforms were measured using a real-time digital oscilloscope (LeCroyWS44XS-A) through a high voltage probe (Tektronix P5100) and a current probe (Pearson 3972).
결과 및 평가Results and rating
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따라 50 kHz의 반복률에서 펄스 방전 작동에서 인가 전압의 파형과 총전류를 도시한다. 가스의 유량은 2 l/m로 일정하게 유지하였다. 인가 전압의 진폭이 2.5 kV로 하였을 때 피크 총전류는 0.26 A로 되었다. 방전 전류는 약 20 mA로 한 결과 발생되는 실린더 형상의 플라즈마 플룸이 나타났다.Figure 5 shows the waveform and total current of an applied voltage in a pulse discharge operation at a repetition rate of 50 kHz in accordance with one embodiment of the present invention. The flow rate of the gas was kept constant at 2 l / m. The peak total current became 0.26 A when the amplitude of the applied voltage was 2.5 kV. The discharge current was about 20 mA, resulting in a cylindrical plasma plume.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 (a) 헬륨과 아르곤 가스와, (b) 헬륨과 아르곤 가스에 산소 유량을 첨가한 경우의 플라즈마 플룸을 도시한다. FIG. 6 illustrates a plasma plume when oxygen flow rate is added to (a) helium and argon gas and (b) helium and argon gas according to an embodiment of the present invention.
도 6의 (a)를 참조하면, 아르곤 가스는 유량이 증가하는 경우 2 l/min에서 4 l/min까지는 플룸이 증가하다가 약간 감소하는 결과를 나타내었다. 그러나 헬륨 가스를 사용하는 경우에는 가스의 유량을 증가시키는 경우 지속적으로 플룸의 길이가 증가하는 결과를 나타내었다. 또한 인가 전압의 증가에 따른 실험에서도 동일 조건인 경우 인가 전압을 증가시킨 경우 플룸의 길이가 더 길게 나타났다. Referring to (a) of FIG. 6, the argon gas showed a decrease in plume from 2 l / min to 4 l / min when the flow rate increased, and then decreased slightly. However, when helium gas is used, the plume length increases continuously when the gas flow rate is increased. In addition, in the experiments with increasing applied voltage, the length of the plume was longer when the applied voltage was increased under the same conditions.
도 6의 (b)를 참조하면, 모세관 튜브에 유입되는 산소의 유량이 증가함에 따라 플룸의 길이가 감소되는 결과를 확인할 수 있다. 아르곤 가스를 사용하는 경우 산소 투입에 따른 플룸 길이 감소의 폭이 작았으나, 헬륨 가스를 사용하는 경우는 산소 투입에 따른 플룸 길이 감소의 폭이 아르곤 가스보다 더욱 급격하게 나타났다. 또한 인가 전압의 증가에 따른 실험에서도 동일 조건인 경우 인가 전압을 증가시킨 경우 플룸의 길이가 더 길게 나타났다. Referring to Figure 6 (b), as the flow rate of oxygen flowing into the capillary tube can be seen that the length of the plume decreases. In the case of using argon gas, the plume length reduction due to the oxygen input was small, but in the case of using helium gas, the plume length reduction due to the oxygen input was more rapid than that of the argon gas. In addition, in the experiments with increasing applied voltage, the length of the plume was longer when the applied voltage was increased under the same conditions.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 실시된 헬륨과 아르곤 가스 제트의 (a) 인가 전압과, (b) 가스 유량에 따른 플라즈마 플룸의 온도를 도시한다. FIG. 7 shows the temperature of the plasma plume according to (a) applied voltage and (b) gas flow rate of helium and argon gas jets carried out according to an embodiment of the present invention.
도 7의 (a)를 참조하면, 인가 전압이 증가됨에 따라 플룸의 온도도 계속적으로 증가한 결과를 나타낸다. 이는 헬륨 및 아르곤 가스에서 모두 동일하게 나타나고 있다. 인가 전압의 증가는 플라즈마 부피의 증가를 가져오고, 그러한 부피 증가는 즉시 가스의 가열로 나타나기 때문이다. Referring to FIG. 7A, as the applied voltage increases, the temperature of the plume also increases continuously. This is the same for both helium and argon gas. This is because an increase in the applied voltage results in an increase in the plasma volume, which is immediately manifested by the heating of the gas.
도 7의 (b)를 참조하면, 가스의 유량이 증가할 때 플룸의 온도는 감소한다는 결과를 나타낸다. 헬륨 및 아르곤 가스에서 모두 유량이 증가함에 따라 플룸의 온도는 감소되는 것을 나타내고, 인가 전압이 높은 경우에는 플룸의 온도도 약간 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 7B, the temperature of the plume decreases as the flow rate of gas increases. In both helium and argon gas, the temperature of the plume decreases as the flow rate increases, and when the applied voltage is high, the temperature of the plume also appears to be slightly higher.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
100: 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기
110: 본체 120: 튜브 수용부
130: 모세관 튜브 140: 석영 튜브
150: 테플론 160: 산소 유입구
170: 가스 유입구 180: 전원 공급부100: capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator
110: main body 120: tube receiving portion
130: capillary tube 140: quartz tube
150: teflon 160: oxygen inlet
170: gas inlet 180: power supply
Claims (14)
제1 방향을 따라 연장 형성되어 상기 본체 내에 적어도 일부가 수용되며, 상기 전원 공급부를 통하여 구동 전원과 연결되고, 상기 산소 유입구를 통하여 산소 공급원과 연결되는 모세관 튜브;
내부에 상기 모세관 튜브의 적어도 일부가 수용되고, 양단부의 외경이 상이하도록 형성되는 석영 튜브;
상기 석영 튜브 내에 수용되며, 상기 모세관 튜브가 관통 삽입되는 테플론; 및
상기 본체의 일 측에 형성되며, 불활성 가스를 상기 석영 튜브 내로 공급하는 가스 유입구;를 포함하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.A body having a hollow box shape and having a tube accommodating part, an oxygen inlet, a gas inlet, and a power supply on each side;
A capillary tube extending in a first direction, the capillary tube being at least partially accommodated in the main body, connected to a driving power source through the power supply unit, and connected to an oxygen source through the oxygen inlet port;
A quartz tube accommodating at least a portion of the capillary tube and formed to have an outer diameter at both ends thereof;
A teflon accommodated in the quartz tube and into which the capillary tube is inserted; And
And a gas inlet formed on one side of the main body and supplying an inert gas into the quartz tube.
상기 석영 튜브의 일 단부의 적어도 일부를 둘러싸도록 형성되는 알루미늄 호일 스트립을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
Capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator, characterized in that it further comprises a strip of aluminum foil formed to surround at least a portion of one end of the quartz tube.
상기 구동 전원에는 DC 또는 RF 전원이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
Capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator, characterized in that the drive power source is connected to a DC or RF power source.
상기 모세관 튜브의 일 단부는 뾰족하게 가공되어 전기장을 국소적 영역으로 집중시키는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기. The method of claim 1,
One end of the capillary tube is sharpened to focus the electric field in a local region capillary drive electrode type atmospheric plasma jet generator.
상기 모세관 튜브의 일 단부에서 산소와 상기 불활성 가스가 반응하여 플라즈마 플룸(plume)이 형성되는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
Capillary-driven electrode type atmospheric plasma jet generator, characterized in that the plasma plume is formed by the reaction of oxygen and the inert gas at one end of the capillary tube.
상기 모세관 튜브에 공급되는 산소의 유량이 증가함에 따라 상기 플라즈마 플룸(plume)의 길이가 감소하는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 5, wherein
Capillary drive electrode type atmospheric pressure plasma jet generator, characterized in that the length of the plasma plume decreases as the flow rate of oxygen supplied to the capillary tube increases.
상기 구동 전원에 인가되는 전압이 증가함에 따라 상기 플라즈마 플룸의 온도가 증가하는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 5, wherein
Capillary drive electrode type atmospheric pressure plasma jet generator, characterized in that the temperature of the plasma plume increases as the voltage applied to the drive power is increased.
상기 불활성 가스의 공급량이 증가함에 따라 상기 플라즈마 플룸의 온도가 감소하는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 5, wherein
Capillary drive electrode type atmospheric pressure plasma jet generator, characterized in that the temperature of the plasma plume decreases as the supply amount of the inert gas increases.
상기 불활성 가스는 헬륨 또는 아르곤 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
Wherein said inert gas comprises a helium or argon gas.
상기 테플론에는 가스의 출입이 가능하도록 하나 이상의 홀(hole)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기. The method of claim 1,
Capillary drive electrode type atmospheric pressure plasma jet generator, characterized in that the teflon is formed with one or more holes (hole) to allow gas to enter.
상기 모세관 튜브는 스테인리스 스틸 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
The capillary tube capillary drive electrode-type atmospheric plasma jet generator, characterized in that it comprises a stainless steel material.
상기 석영 튜브의 양단부 중 상기 본체로부터 더 멀리 배치된 단부의 외경이 상기 본체에서 더 가깝게 배치된 단부의 외경보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
Capillary drive electrode-type atmospheric pressure plasma jet generator, characterized in that the outer diameter of the end portion disposed further away from the main body of the both ends of the quartz tube is smaller than the outer diameter of the end disposed closer to the body.
상기 테플론에는 상기 모세관 튜브의 외경과 동일한 직경을 갖는 홀이 형성되고, 상기 모세관 튜브는 상기 홀에 관통 삽입되는 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
The Teflon is formed with a hole having a diameter equal to the outer diameter of the capillary tube, the capillary tube capillary drive electrode-type atmospheric pressure plasma jet generator, characterized in that inserted through the hole.
상기 테플론은 유전체(dielectric substance)인 것을 특징으로 하는 모세관 구동 전극형 대기압 플라즈마 제트 발생기.The method of claim 1,
And the teflon is a dielectric substance.
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- 2010-07-09 KR KR1020100066555A patent/KR101150387B1/en active IP Right Grant
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