KR20180000815A - 플라즈마 멸균장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 플라즈마를 방전을 유연한 면 형태의 플라즈마 소스와 이를 적용하여 각종 물품에 직접 플라즈마 입자들이 접촉하여 물품의 살균을 효율적으로 실시할 수 있는 멸균장치 구조를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적에 따라 본 발명은, 유연성이 있는 보자기 형태의 바탕 재에 플라즈마 발생용 전극을 넓은 면으로 설치하여 면(surface) 플라즈마 소스를 만들고, 상기 플라즈마 소스를 밀폐된 공간을 형성하는 소독장치의 벽면 및/또는 천장면에 부착하여 다량의 플라즈마와 이로 인한 활성종을 발생시킬 수 있는 플라즈마 살균 장치를 제공한다.

Description

플라즈마 멸균장치{Plasma Sterilize}

본 발명은 소정의 면(surface)상에 플라즈마를 발생하여 살균 및/또는 멸균 장치에 적용하는 기술에 관한 것이다.

플라즈마는 반도체 제조기술의 핵심기술로서 국내 산업에 오랫동안 기여해 왔다. 최근에는 플라즈마 기술을 의료산업, 미용산업, 식품산업 기술과 융합하여 적용범위를 넓히고 있다. 플라즈마를 이용한 각종 치료기기가 등장하고 있으며, 특히, 대기압 저온 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 발생장치 주변에 많은 활성 라디칼을 생성함으로써 살균작용을 발휘하도록 한 각종 바이오 응용 기술이 나타나고 있다. ROS(Reactive Oxygen Species), RNS(Reactive Nitrogen Species) 등을 이용한 살균은 UV를 추가하여 살균장치를 구성하기도 한다.

병원에서 사용되는 의료 장구 등의 경우, 감염 위험이 있어, 일 회 사용 후 살균소독하여야 할 필요가 있다. 일회용품도 살균 처리 후 폐기 처리해야 하며, 그에 따라 인력을 동원하여 지속적으로 세정/살균 작업과 방역을 실시하고 있다. 그 외에도 농수산물의 부패방지를 요하는 농수산물 보관소, 식당, 식음료 취급소에서 농수산물 또는 식기와 주방기구들을 오존 살균기, 이온 살균기, 자외선 살균기 등의 살균장치를 이용하여 살균하고 있지만 살균 효과가 충분하지 못하다. 그에 따라 의료용 살균은 고열의 증기 장치, EO(Ethylene Oxide) 가스, 과산화수소를 사용하고 있다. 이러한 살균장치는 유독성 성분의 잔류문제가 있어 식품에는 적용할 수 없고 다른 물품에 대해서도 바람직하지 못하다.

또한, 종래 플라즈마 살균 장치들의 경우, 가스 유입부나 유출부에 플라즈마 소스를 두어 플라즈마가 직접적으로 피처리물에 접근하기 어려운 구조를 지니고 있다. 플라즈마는 멸균가스의 이온화나 유독성 가스 처리에 대한 후처리 정도의 보조적인 역할에 그치는 경우라 하겠다.

이와 같이 EO-가스나 과산화수소를 사용하지 않는 대기나 산소 방전에 의한 플라즈마를 이용한 멸균장치들이 시도되었으나, 상용화되지 못하였다.

한편, 대기압 저온 플라즈마를 이용한 살균은 교류형 고전압을 이용한 유전장벽방전(DBD: Dielectric Barrier Discharge)의 방식으로 면 플라즈마를 발생한다.

상기 유전장벽방전 방식의 면 플라즈마의 원리는 수 십년 전부터 대두된 기술이다(참고문헌: E. E. Kunhart, " Generation of Large-Volume, Atmospheric-Pressure, Nonequilibrium Plasmas," IEEE Transections on Plasma Science, vol. 28, no. 1, pp. 189-200, 2000).

EO-가스나 과산화수소와 같은 멸균용 기체를 사용하지 않고 순수한 플라즈마에 의한 멸균장치는 꾸준히 시도되었다.

대한민국특허 10-0545569호는 EO-가스를 대체한 플라즈마 멸균장치를 제시하였다. 방전 방식은 DBD 방식이며, 챔버 내부에 대향하는 면전극이 설치되고, 면전극 사이는 일정한 거리가 유지되며, 챔버에 산소를 주입하여 플라즈마를 발생에 의한 주로 오존에 의한 살균장치를 제시하였다. 이장치은 구동 전압이 12-15 kV로 매우 높기 때문에, 높은 전압에 의하여 장시간 가동이 불가한 장치로서 상용화되지 못하였다.

대한민국 등록특허 10-1273888호는 유전체 장벽 플라즈마 방전 소스를 적용한 다용도 멸균소독기가 공개되었다. 상기 공보의 플라즈마 소스는 전원전극과 접지전극 사이에 절연체를 구비하고, 접지전극을 별도로 절연체를 피복하는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 평판형 전원전극과 선형 접지전극 사이에 절연판을 설치하고 있다.

상기의 전극구조는 참고문헌의 유전격벽방전 방식의 일반적인 구조의 하나이며, 전원전극과 접지전극 사이의 절연재는 유전층의 절연파괴를 피하기 위하여 상당한 두께가 불가피하며, 절연재의 두께 상승은 방전 전압의 상승을 가져오며, 결과적으로 대면적의 플라즈마 모듈에 한계를 초래한다.

또한, 상기 등록특허의 전극구조에서 전원전극의 면적이 접지전극의 면적보다 넓게 하여 플라즈마 모듈에서 공기 플라즈마가 접지전극의 표면에만 발생하는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같이 고전압이 인가되는 전원전극 면적의 증가는 누설전류의 증가로 불필요한 열의 발생을 초래한다. 따라서 상기 등록특허에서는 쿨링팬을 구비하여 전원전극의 면을 쿨링하는 것을 특징으로 한다. 이러한 쿨링은 결과적으로 방전효율의 저하에 의한 것이고, 전극구조에서 방전전압도 매우 높다. 방전 개시 전압의 상승은 대면적의 플라즈마 모듈의 경우에 플라즈마 방전의 균일도 확보가 어렵고, 높은 전압에 의한 고전류는 플라즈마의 발생량의 조절도 어렵게 된다. 따라서 이러한 전극구조는 대면적의 플라즈마 모듈의 구현이 어렵다는 단점을 가지고 있다. 즉, 이러한 소스 구조는 두 전극 사이에서 방전되는 플라즈마 자체의 방전 효율이 매우 낮다. 특히, 상기 공보는 살균 챔버 안에 피 살균체를 넣고 처리하므로 다소 효율이 낮은 소스를 구비할 수도 있으나, 살균영역이 넓은 경우에는 부적합하다.

종래의 또 다른 유전장벽방전의 면 플라즈마를 채용한 멸균장치들이 있다.

일본 공개특허(특개 2008-183025)에는 통기성 포장재를 이용한 필름형 플라즈마 장치를 이용한 포장재형 멸균장치가 개시되어 있다. 상기 특허는 고전압을 인가하는 전극의 안전성이 문제가 된다. 이로 인한 멸균대상물체가 전도성의 물이나 금속류인 경우는 사용상 제약이 있다.

한국 등록 특허(10-1012442)에는 대기압 플라즈마 살균장치가 예시되어 있다. 상기 특허는 필름에 형성하는 전극형성공정이 예시되어 있다. 상기 특허의 전극공정은 마스크를 사용한 리토그라피 및 식각 등의 반도체 제조 공정을 사용하는 번거로움이 있다. 그리고, 두 전극의 형성에서 누설전력과 절연파괴 등의 문제로 제품의 실현에 어려움과 제품의 신뢰성에 문제가 된다. 또한, 장기간 사용으로 인한 내구성의 문제도 있다. 이러한 문제를 피하기 위하여 필름의 두께를 780 um로 지정하였으나, 여전히 문제를 완전히 해소하기 어렵다. 또한, 필름의 두께를 더 이상 얇게 할 수 없다. 필름 두께를 증가하는 경우는 인가 전압 상승 등으로 균일한 면 플라즈마의 대면적 형성에 한계가 있다.

한국 공개특허(공개번호 10-2016-0021477)에도 필름에 플라즈마를 형성하여 살균용 포장용도를 제안하였다. 상기 특허에서는 일반 포장재와 연계된 살균포장재를 제시하였다. 플라즈마를 발생하는 방전 방식은 상기 특허(10-1012442)와 동일내지 유사한 전극 구조이다. 두 전극층 간에 삽입된 유전층은 상당한 두께를 확보하여야 절연파괴를 방지할 수 있다. 두꺼운 유전층은 방전전압 상승과 내구성 및 신뢰성을 저하하고, 불균일 방전으로 대면적 플라즈마 발생에 한계가 있다. 고전압의 노출을 피하기 위하여 포장재 내부 안쪽에 전압인가전극을 설치하였다. 그러나 액체 및 도전성 물체와 접촉되는 경우에 방전에 심각한 불안전과 절연파괴현상을 피하기 어려우므로 사용상 결정적인 제약이 된다. 또한, 전극형성에서 패터닝 공정을 사용함으로 인해 제작상의 어려움도 있다.

한편, 대한민국특허출원 제10-2015-0067004호는 본 발명자들에 의해 발명되어 출원된 것으로, 플라즈마 방전 면적을 넓게 할 수 있고 곡면뿐만이 아니라 유연성을 갖는 물체에도 적용할 수 있는 플라즈마 패드를 제안하고 있다. 이러한 플라즈마 패드는 살균/멸균 장치에 매우 효율적으로 적용될 수 있을 것으로 기대되는 바이며, 본 출원에 상기 내용이 편입될 수 있다.

본 발명의 목적은 독성의 멸균 가스를 사용하지 않고, 플라즈마 입자들이 직접적으로 피처리물에 접촉되어 멸균하는 플라즈마 멸균장치를 제공하고자 하며, 좀 더 구체적으로는 면 형태로 방전되는 플라즈마를 이용한 각종 멸균장치 구성을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명의 목적은 플라즈마 방전을 유연한 면 형태로 일으킬 수 있는 플라즈마 소스와 이를 적용하여 각종 물품에 직접 플라즈마가 충분히 접촉되어 물품의 살균을 효율적으로 실시할 수 있는 멸균장치 구조를 제공하고자 하는 것이다.

의료기기의 멸균장치에서 플라즈마를 직접 멸균재로 사용하기 위해서는 피처리물의 주변에 플라즈마 입자들(오존 등 산소 여기종)의 농도(밀도)가 수십 ppm 이상의 고밀도 플라즈마가 형성되어야 한다. 이러한 고밀도의 플라즈마를 형성하기 위하여는 대면적의 면-플라즈마가 필요하다.

그러나 대면적의 면-플라즈마의 제작과 이를 멸균장치로 사용하기 위하여는 다음과 같이 해결되어야 할 문제들이 수반된다.

첫째, 종래의 살균가스를 사용하지 않고, 플라즈마가 피처리물과 직접 접촉하는 살균방식을 제안할 경우, 밀페된 소정의 살균공간에 플라즈마 하전입자와 여기 종들을 고밀도로 생성 및 유지되는 것이 핵심적인 기술사항이 되므로, 상기 고밀도 플라즈마 종들을 형성하기 위하여 밀폐된 살균공간 내부의 면들에 대면적의 균일한 플라즈마를 발생시켜야한다는 점이 관건이 된다.

둘째, 의료용 기구 및 장구들이 파우치 등으로 포장된 상태로 멸균을 시행하는 경우, 플라즈마 입자들이 포장재를 침투하여 피멸균체에 도달토록 하는 문제를 해결하여야 한다.

셋째, 유전 장벽 방전 방식의 플라즈마 발생에서의 전기적인 안정성을 확보해야하고, 플라즈마 발생 장치의 내구성 및 신뢰성 등을 확보해야 한다. 특히, 대면적의 면 플라즈마를 얻기 위하여 수 kV의 고전압이 인가되는 경우는 전류누설이 심각하고 이로 인하여 열의 발생과 방전 효율의 저하를 초래하므로 누설전류를 방지하는 기술이 요구된다.

상기 핵심과제들의 해결 없이는 순수한 플라즈마 멸균장치의 상용화가 불가능하다.

본 발명은 상기의 핵심과제들의 해결 수단을 다음과 같이 제시한다.

즉, 본 발명은, 유전장벽방전의 플라즈마 소스에 있어서, 다음의 두 가지 방식의 유연성이 확보된 면-플라즈마 소스와 이들 대면적의 면-플라즈마에서 안정적으로 플라즈마를 발생토록하는 전원장치를 제시한다.

상기 두 가지 방식의 유연성이 확보된 면-플라즈마는 다음과 같다.

(1) 플라즈마 발생 전극을 일반 전선인 고전압용 피복전선을 전압인가전극으로 채용하고, 일반 저전압용 전선을 접지전극으로 채용한다. 이들 고전압용 피복전선은 내구성과 신뢰성이 확보된 전극 재이고, 저비용으로 손쉽게 면-플라즈마 장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.

(2) 필름을 유전층으로 사용하는 방식으로서, 안정된 플라즈마의 발생을 위한 전극 형성 방법과 구조를 제시한다. 이 방식에서의 핵심과제는 유전층의 절연파괴방지의 문제이다. 이러한 절연파괴 현상은 소면적의 플라즈마 소스에서는 잘 나타나지 않는 경우가 있으나, 대면적 면 플라즈마에서 절연파괴 현상이 빈번하게 나타난다. 그 이유는 대면적 플라즈마에서 전체 면에 플라즈마의 균일도를 확보하여야 하고, 대면적으로 구현되기 때문에 수많은 플라즈마 발생점들을 포함하며, 그 중에서 어느 한점에서라도 절연파괴 현상이 발생하면, 플라즈마 소스로서의 기능을 상실하게 되기 때문이다. 이는 신뢰성의 문제로 상용화가 불가능하게 되는 것이다.

상기 두 가지 방식의 유연한 대면적 플라즈마 소스의 전극 형성에서, 1 kV 이상의 고전압이 인가되는 전극에서의 누설전류를 최대한 피할 수 있는 전극구조가 본 발명의 또 다른 핵심이다. 이를 위하여 전원인가 전극의 면적은 가능한 줄여야 하며, 반면에 접지전극의 면적은 오히려 제한이 없다.

본 발명의 또 다른 대면적 플라즈마 소스는 유리판 또는 석영판을 유전체층으로 하는 유연성이 없는 면 플라즈마 소스를 사용할 수 있다. 이러한 면 플라즈마는 내전압이 크고 열적 충격에 강한 석영판을 사용한다. 대기압의 방전에서 수 kV의 고전압에 대하여 절연파괴 되지 않도록 석영판의 두께는 2 mm 이하가 바람직하다.

본 발명은 상기 세 가지 방식의 플라즈마 면재를 이용하여 다양한 형태의 살균장치를 제작한다.

면 플라즈마 소스를 적용한 의료용구의 멸균장치, 플라즈마 가방, 각종 저장고, 멸균 및 부패 방지 장치 등이 가능하다.

멸균공간의 플라즈마 밀도는 두 가지의 방식으로 용이하게 조정된다. 하나는 면-플라즈마 소스의 면상에서의 플라즈마 발생밀도의 제어이다. 다른 하나는 밀폐된 멸균공간 내부에 면-플라즈마 소스의 설치 면적의 조정이다.

상기 플라즈마 소스에 대한 전원장치는 일반 가정용 전원 (AC 60 Hz, 110/220 V)을 사용하거나 충방전할 수 있는 이차전지를 채용하여 wireless 형태로도 제작할 수도 있다.

본 발명에 따른 플라즈마 소스는 전원장치로부터 전압인가 전극에 고전압이 인가된다. 상기 고전압은 수십 Hz에서 수십 kHz 주파수의 교류형이다. 상기 고전압의 파형은 싸인파, 펄스파, 그리고 여러 형태의 변조파가 가능하다. 교류형 전원의 전압은 수 백 V에서 수 kV가 인가되며, 통상 DC-AC 인버터가 사용된다.

상기 DC-AC 인버터의 출력전압 수 kV를 상기의 면-플라즈마 모듈에 인가하는 경우에 모든 방전점에서 균일한 방전을 얻기 어렵다. 통상 유전격벽방전의 경우에는 인버터의 출력 전압을 곧바로 전원전극에 인가한다. 방전점이 많은 대면적의 경우는 수십 mA내지 수 A의 대전류가 필요하다. 그러나 이러한 대전류는 구동 과정에서 자체적인 전압 강하가 발생하여 전원전압이 자동적으로 낮아지므로 결과적으로 안정된 전력 공급이 불가능하게 된다. 따라서 대면적의 면-플라즈마 모듈의 구현을 위하여는 인버터의 출력 전압과 전류를 안정적으로 공급하는 기술이 별도로 필요하다.

상기 목적에 따라 본 발명은, 유연성이 있는 보자기 형태의 바탕재에 플라즈마 발생용 전극을 배치하여 면(surface) 플라즈마 소스를 만들고, 상기 플라즈마 소스를 밀폐된 공간을 형성하는 소독장치의 벽면 및/또는 천장면에 부착하여 다량의 플라즈마와 이로 인한 활성종을 발생시킬 수 있는 플라즈마 살균 장치를 제공한다.

본 발명은, 종래의 멸균가스를 사용하는 멸균챔버에 면 플라즈마 소스를 적용하여 멸균가스와 고밀도 플라즈마가 병합된 멸균장치를 제공할 수도 있다. 즉, 상기에서 구성한 면 플라즈마 소스를, 가스 유입구와 유출구를 구비한 밀폐 상자의 천장면, 바닥면, 및/또는 벽면에 부착시키고, 상기 밀폐 상자에 거치대를 설치하여 거치대 위에 물품을 놓고, 종래의 멸균가스로 사용하는 EO-가스나 과산화수소수(H₂O₂)를 기상으로 유입구로 공급하고, 플라즈마 소스에 전원을 인가하여 밀폐 공간의 발생되는 고밀도의 플라즈마와 멸균가스가 물품에 직접 접촉하는 플라즈마와 병합된 멸균 장치를 제공할 수 있음은 당연하다. 그러나 본 발명은 종래의 EO-가스 및 H₂O₂-가스를 사용하지 않는 순수한 플라즈마에 의한 살균장치에 국한한다.

본 발명은,

바탕재;

상기 바탕재 위에 피복전선을 배열한 전압인가 전극;

상기 전압인가 전극의 피복전선 위를 가로지르는 방향으로 배열한 접지전극; 및

전압인가 전극과 접지전극을 바탕재에 고정시키는 절연성 끈;을 포함하는 면 플라즈마 소스로서,

상기 면 플라즈마 소스를 보자기로 하여 멸균 대상체를 감싸 멸균처리할 수 있는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에서, 전압인가 전극을 구성하는 피복전선은, 홈질 또는 시침질 방식으로 바탕재에 배열되어 바탕재의 양면에 피복전선이 노출되고,

접지전극은 바탕재에 노출된 피복전선 위를 가로지르는 방향으로 홈질 또는 시침질 방식으로 바탕재에 배열되어 바탕재의 양면에서 플라즈마가 발생할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 바탕재는 베니어판, 목재, 플라스틱판, 아크릴판, 또는 세라믹을 포함하는, 비유연성 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스를 제공한다.

상기에 있어서, 상기 바탕재는 천, 폴리머 필름, 폴리이미드 필름, 비닐, 고무 필름판, 테프론 필름판, 실리콘 고무 복합 시트, 또는 가죽을 포함하는, 유연성 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스를 제공한다.

또한, 본 발명은,

유전체 필름;

유전체 필름 위(전면)에 배치되는 접지전극;

유전체 필름 아래(이면)에 배치되는 전압인가 전극; 및

상기 전압인가 전극 아래에 배치되는 덮개;를 포함하며,

상기 접지전극은 상기 전압인가전극 주변을 감싸는 형태를 특징으로 하며,

상기 접지전극과 전압전압인가전극의 경계에서 발생된 플라즈마가 확산으로 고전압전극 면위에 플라즈마가 발생하며,

전압인가 전극과 접지전극은 동일평면상에서 서로 겹치지(over-lap) 않는 것을 특징으로 하며,

상기 유전체 필름의 두께는 200 μm 이하이며, 면 플라즈마 소스 전체 두께가 300 μm 이하로 된 박형의 면 플라즈마 소스를 제공한다.

또한, 본 발명은 유리판;

유리판의 상부와 하부에 각각 전극을 설치하며,

상기 상부전극과 하부전극은 메쉬형태를 특징으로 하며,

상기 상단전극과 하단전극 사이에 전압을 인가하고,

유리판 상단과 상부전극 사이에 플라즈마가 발생하는 면 플라즈마 소스를 제공한다.

또한, 본 발명은,

도어(문)를 구비한 밀폐된 챔버; 및

상기 챔버의 천장면, 저면, 벽면 중 어느 하나 이상의 면에 상기한 면 플라즈마 소스를 설치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균장치를 제공한다.

상기에서, 챔버는 진공펌프에 연결되고, 대기 유입구와 배기구를 포함하며,

상기 배기구에는 열선관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균장치로서,

상기 멸균장치는 포장재 내부의 피살균체를 살균하기 위한 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은,

상술한 면 플라즈마 소스를 구동하는 전원 장치로서,

AC/DC 인버터 출력단과 플라즈마 소스의 전압인가 전극의 전원 접속부 사이에 밸러스트 캐패시터(ballast capacitor)를 배치한 것을 특징으로 하는 전원장치를 제공한다.

상기에 있어서,

상기 인버터 출력 전압이 1 내지 10 kV일 때, 이에 따른 구동 전류는 10 mA 내지 10 A이고,

전압과 전류의 출력파는,

주파수가 60 Hz 내지 100 kHz이며, 일정한 주기의 휴지기를 갖는 변조파를 포함하며,

상기 밸러스트 캐패시터는 인버터 출력전압의 강하를 방지하고, 면 플라즈마 소스 면적에 균일한 면-플라즈마를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전원장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 플라즈마 소스가 피처리 물품에 근접하게 배치되어 플라즈마의 확산에 의하여 직접적으로 물품에 플라즈마를 처리하여 강력한 멸균효과를 얻을 수 있다. 즉, 플라즈마 입자들을 살균용 물체와 직접 접촉할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 플라즈마 멸균장치는, 밀폐공간에 발생 된 대기압의 저온 플라즈마로부터 ROS(O, O₂, O₃, OH의 여기종 및 음양의 이온), RNS(N, N₂의 여기종 및 음양이온), UV(200-400 nm) 등이 다량 발생 되어 이들에 의한 살균 소독 작용이 매우 뛰어나다. 또한, 플라즈마 멸균장치에 의한 활성종의 발생량은 플라즈마 방전 전압의 조절 및 방전 시간 등을 제어하여 임의 조정이 가능하다.

종래 의료기 살균장치는 유독성 가스를 사용하기 때문에 잔류가스 문제가 있어 농식품이나 식기, 주방기구 등에 적용하기 어려웠지만, 본 발명은 유독성 가스를 사용하지 않고 플라즈마를 직접 처리할 수있기 때문에 밀폐된 공간에서 제한 없이 널리 적용될 수 있다.

즉, 본 발명은 독성의 멸균 가스를 사용하지 않으므로 자연 친화적인 살균 방식이다. 따라서 음식물의 재료로 사용되는 농수산물의 저장고에 플라즈마 소스를 설치하여 살균과 부패 방지의 목적으로도 적용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서 플라즈마 소스만으로 살균하는 챔버형 플라즈마 멸균장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예로서 포장재 내부의 피살균체를 살균하기 위한 목적으로 설치된 진공펌프를 포함한 챔버형 플라즈마 멸균장치의 단면도이다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 중소형 멸균장치의 개념도 및 단면도를 보여주는 사시도이다.
도 3(b)는 본 발명에 따른 중대형 멸균장치의 개념도 및 단면도를 보여주는 사시도이다.
도 4(a)는 고전압 피복전선을 사용한 면-플라즈마 소스로서 플라즈마 보자기(plasma cloth-wrapper)의 구성 개념도이다.
도 4(b)는 바탕면에 전선의 배치 방법의 개념도이다.
도 4(c)는 바탕면의 양쪽에 전선을 배치한 양면 면-플라즈마 보자기의 구성 개념도이다.
도 4(d)는 실험적으로 얻어진 방전 사진이다.
도 4(e)는 실험적으로 얻어진 고밀도의 면 플라즈마의 방전 사진의 예시이다.
도 5는 박형의 필름을 유전층으로 사용한 면-플라즈마 소스로서 유연한 박막-필름의 플라즈마 시트(Flexible thin-film plasma sheet)의 구성 개념도이다.
도 5(a)는 줄 무늬형(stripe-type) 플라즈마 시트의 전극배치 단면도 및 실험적으로 얻어진 하나의 줄무늬 방전 플라즈마의 확대 사진이다.
도 5(b)는 실험적을 얻어진 줄무늬 플라즈마 시트의 방전 사진이다.
도 5(c)는 줄무늬 전극 플라즈마 시트의 유연성을 보여주는 사진이다.
도 5(d)는 실험적으로 얻어진 하나의 원형-무늬 방전 플라즈마의 확대 사진이다.
도 6은 유리판의 상단과 하단에 각각 메쉬형 전극을 배치하여 유리판 상단면에 플라즈마를 발생하는 면 플라즈마 소스 구성을 보인 분해도 및 결합된 단면도이다.
도 7(a)은 전원장치인 DC-AC 인버터와 플라즈마 모듈의 결선 방식의 개념도.
도 7(b)는 실험적으로 얻어진 전류-전압 특성 곡선이다.
도 8(a)는 전원장치인 DC-AC 인버터에서 하나의 트랜스포머의 양단의 출력단에 각각 다른 극성의 전압을 플라즈마 소스 모듈의 두 전극에 결선하는 방식을 도시한 개념도이다.
도 8(b)는 전원장치인 DC-AC 인버터에서 두 개의 트랜스포머를 직렬연결하여 양단의 출력단에 각각 다른 극성의 전압을 플라즈마 소스 모듈의 두 전극에 결선하는 방식을 도시한 개념도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 좀 더 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서 밀폐된 공간에 면 플라즈마 소스(100)를 설치한 챔버형 플라즈마 멸균장치의 단면도이다. 밀폐 챔버 내부의 적어도 어느 한 면 이상의 면에 면 플라즈마 소스(100)를 설치한다. 멸균 대상의 의료기기와 같은 물체는 소정의 트레이(250)에 적재하여 투입한다. 트레이(250)는 플라즈마의 확산이 용이하도록 철선 혹은 비철재의 선형 재를 사용하여 그물로 구성하고 충분한 확산공간을 확보한다.

본 발명의 대기압 저온 플라즈마는 멸균 용기(챔버) 내부에 대기(N₂ 및 O₂)의 방전에 의한 플라즈마 입자들을 포함한다. 멸균장치 챔버 내부의 넓은 면적에서 플라즈마가 발생하므로 고밀도의 플라즈마가 내부 공간에 형성된다.

대기압의 중성 기체입자의 밀도는 10²⁵/m³이다. 플라즈마의 여기종들의 밀도는 방전 면상에서 (10²¹ 내지 10²²)/m³이며, 이는 수백 내지 수천 ppm에 해당한다. 방전 면으로부터 10 내지 20 cm 위치의 플라즈마 입자들의 밀도는 수십 ppm이다. 따라서 멸균 공간의 고밀도 플라즈마 입자가 피멸균체에 직접 접촉하는 경우, 멸균 시간은 수 분 이내로 완료될 수 있게 된다. 멸균 시간과 멸균 효과를 높이기 위하여 플라즈마 발생 면과 물체 사이의 거리를 가능한 한 짧게 하는 것이 중요하다.

본 발명의 상기 도 1의 플라즈마 챔버는 멸균 대상 물체가 파우치 등으로 포장된 경우나, 실린더형의 튜브의 내부를 살균하거나, 그리고 두터운 의류와 접혀진 의류 내부 전체를 살균하고자 하는 경우들은 장시간의 살균시간이 요구된다. 이러한 경우들은 플라즈마 입자들이 포장재 및 튜브 내와 의류 내부에 까지 플라즈마의 침투에 의한 멸균을 시행하여야 한다. 따라서 초기에 챔버 내부의 공기와 포장재 내부의 공기를 최대한 제거하고, 점차적으로 공기를 주입하여 압력 상승에 따라서 발생된 플라즈마가 포장재 내부로 용이하게 침투토록 하여 살균시간을 단축한다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예로서 포장된 피살균체, 튜브관, 그리고 의류 등과 같이 플라즈마의 침투가 어려운 물체의 살균을 위한 멸균장치이다. 도 1과 마찬가지로 멸균 챔버 내부면에 면 플라즈마 소스를 설치하는 것을 동일하다.

도 2에 도시한 플라즈마 멸균장치는 챔버(200)에 초기 진공을 위한 진공배기구(270)와 대기 혹은 산소를 주입하는 기체 주입구(220)와 멸균완료 이후의 배기를 위한 배기구(230)를 구비하고, 천장과 벽면 및 바닥면에 모두 면 플라즈마 소스(100)를 부착설치한다. 초기 진공도는 수 Torr이하로서 고진공이 요구되지 않으므로, 진공배기구(270)는 진공펌프에 연결되며, 진공은 일반 컴프레서의 사용으로도 충분하지만, 로터리 펌프를 사용할 수도 있다. 초기 진공 이후에 기체 주입구(220)을 통하여 대기 혹은 산소를 서서히 주입함과 동시에 플라즈마 발생 전원을 인가하여 플라즈마가 발생토록 한다. 주입되는 공기가 대기압에 도달하는 시간에 이르도록 플라즈마 발생 전압을 상승 조정하여 플라즈마가 발생한다. 이와 같이 저압에서 대기압에 이르는 동안 발생된 플라즈마가 포장재의 내부까지 충분히 확산되어 침투되는 시간과 침투된 플라즈마에 의한 멸균 시간을 고려한다. 따라서 챔버 공간의 플라즈마 여기종은 수 십 ppm 이상의 고밀도가 요구되며, 포장재 내부에 침투된 플라즈마 입자들의 밀도는 더 낮게 되므로 충분한 멸균시간이 요구된다.

상기 기체 주입구(220)를 통하여 순수한 산소를 주입할 수도 있다. 산소를 주입하는 경우는 대기를 주입하는 경우보다 오존을 포함한 산소 여기종의 밀도가 10배 이상 증가하므로 멸균시간을 상당히 단축할 수 있다. 이와 같이 포장재 내부의 피멸균체의 멸균을 위하여 고밀도의 플라즈마가 발생하는 경우는 오존의 밀도도 증가한다. 이러한 고밀도의 오존이 산소로 완전 분해 되는데 상당한 시간이 소요된다. 따라서 멸균완료 이후에 오존의 밀도가 환경 기준치인 0.08 ppm 이하가 될 때까지 수 십 분의 시간이 요구되므로 챔버의 도어 개방도 상당 시간 지체된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 배기구(230)에는 코일 형태의 열선이 설치된 열선관(파이렉스관)(231)을 설치하고, 배기구(230)를 통하여 배기되는 오존이 산소로 완전분해되어 배출되도록 한다.

도 1과 도 2에서 멸균 챔버에 피살균체를 넣고 꺼내는 개폐용 문(도어)을 표시하지 않았다. 그리고 살균 시간을 조정하는 기능과 살균 완료 시에 자동으로 전원이 차단되고, 개폐할 수 있는 표시 등은 본 출원에서는 나타내지 않았으나, 이는 살균장치의 통상적인 사항이다. 다만, 본 장치의 살균 시간은 피살균체의 종류와 양에 따라서 달라진다. 살균이 완료되는 경우에 자동으로 전원전극에 인가되는 전원이 차단되면, 플라즈마가 더 이상 발생하지 않고, 챔버 내부에서 플라즈마가 완전히 소멸한다. 특히, 전원이 차단된 이후에 챔버 문의 개폐는 잔존 오존량을 고려하여야 한다. 도 1의 멸균챔버와 같이 플라즈마의 밀도가 낮은 경우는 전원 차단 이후에 1분 이내에 잔존 오존량이 기준치 이하가 되므로 크게 문제되지 않는다. 그러나 고농도의 플라즈마가 요구되는 도 2의 경우는 잔존오존을 열선관(231)을 통하여 산소로 분해하여 배기한다.

도 3(a)는 본 발명에 따른 중소형 멸균장치의 개념도 이다. 이 장치는 의료기관 및 일반 가정용으로 제시한다. 의료 기구를 간편하게 소독 및 멸균할 수 있는 장치이다. 가정에서는 유아용 기구나 식기 등의 소독과 멸균을 위한 장치이다.

도 3(b)는 본 발명에 따른 중대형 멸균장치의 개념도로서, 의료기관이나 요식업소에서 멸균 및 부패 방지용 장치이다. 상단은 멸균 기능이며, 하단은 부패 방지 보관고이다. 부패 방지 보관고는 일정 시간의 주기와 일정 시간 플라즈마가 발생하도록 디자인된다. 필요에 따라서 보관고는 일정 온도가 유지되도록 냉장기능을 병행한다.

본 발명은 식기세척기에도 플라즈마 소스를 설치하여 세척 이후에 멸균기능을 갖는 멸균 세척장치로도 제작될 수 있다.

본 발명은 여러 형태의 상자나 휴대가 가능한 가방(또는 트렁크 등 개인이 소지 운반하는 형태의 총칭) 등으로 제작할 수 있다. 이때 상자의 내부 면에 면 플라즈마 소스(100)가 설치된다. 플라즈마 가방의 경우는 가방면 자체가 유연성을 지닐 수 있으며, 그에 맞추어 플라즈마 소스를 구성함에 있어서도, 유연성 플라즈마 시트의 형태를 사용하는 것이 바람직하다.

다수의 칸막이가 설치된 멸균 창고도 구성할 수 있으며, 대용량의 물체 및 농수산물의 멸균 및 부패 방지에 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 플라즈마 멸균 장치의 경우, 독성의 멸균 가스를 사용하지 않고 대기압 플라즈마로 살균하기 때문에 각종 농수산물을 비롯한 식품에도 적용될 수 있다. 컨테이너 형 멸균장치를 구성하고 칸막이를 설치하면 더욱 많은 벽면이 생기므로 여기에 모두 면 플라즈마 소스를 설치하여 고밀도 플라즈마로 멸균처리 할 수 있다.

도 4는 일반 피복전선을 사용한 대면적 플라즈마 소스의 구현이다.

도 4(a)는 일반전선을 채용한 면-플라즈마 소스의 제1 실시예로서 유연성이 있는 플라즈마 보자기의 사시도이다. 유연한 재질의 바탕(101) 위에 고전압용 피복전선으로 구성된 전압인가전극(103)과 일반 저전압용 도선으로 된 접지전극(102)의 사용 예로서 유연성이 확보된 플라즈마 보자기(plasma cloth-wrap)이다.

도 4(b) 도면과 같이 유연한 바닥재(천, 비닐, 합성수지, 테프론재, 가죽재 등) 위에 고전압 피복전선을 소정의 간격으로 배치하여 바탕(101)에 부착한다. 한 가닥의 피복전선을 왕복시켜가며 소정 간격을 두고 나란히 배열되게 할 수 있다.

부착방법은 비전도성 실이나 가는 고정끈(112)을 사용하여 바탕(101)에 꿰매거나 묶는다. 혹은 바탕재의 상하면을 통하여 꿰매는 방식으로 부착할 수도 있다.

피복전선을 가로지르는 방향으로 접지전극(102)을 설치한다. 두 전선의 교차점에서 고정끈(112)으로 고전압 피복전선과 같이 바탕(101)에 고정한다. 고정끈은 크로스 형태로 엮일 수 있다. 상기 두 전선 사이의 교차점 부근에서 유전장벽방전 방식으로 플라즈마가 발생한다. 교차점의 수를 제어(a, b)하거나 인가되는 전압을 조정하여 발생되는 플라즈마의 면밀도를 용이하게 조정할 수 있다.

도 4(c)는 양면 플라즈마 소스이다. 바탕재의 상부면과 하부면을 전선을 꽤매는 방식으로 양면으로 전선을 배치한다. 두 전극 전선을 교차하는 방식으로 상하면에 배치한 양면 플라즈마 소스이다.

전압인가전극(103)을 구성하는 피복전선은 상용화되어 검증된 제품을 사용한다. 상용 고전압전선으로 흔히 사용하는 실리콘 고무 전선은 내부에 몇 가닥의 전선으로 되어있다. 허용온도가 -90℃에서 200℃로서 내열성, 내한성, 내후성, 그리고 전기절연성이 우수하다. 피복전선의 굵기(0.5 mm 내지 수 mm)와 절연층의 두께가 다양하여 내전압의 범위가 넓고(1kV 내지 20kV) 다양한 종류가 있다. 이들 전선들은 모두가 국제 인증을 획득한 표준규격으로 상용화되어 있다. 전압인가 전극의 피복선 내부 전선은 다수의 가닥으로 된 전선을 사용하는 것이 바람직하며, 실리콘 고무의 피복 두께는 방전전압을 감안하여 선택한다. 피복선 내부의 전선의 직경이 클수록 누설전류가 커지므로 내전압의 범위내에서 전선의 직경이 작은 것이 누설전류를 최소화하는 방법이다. 반면에 몇 가닥으로 구성된 일반 저전압용을 전선을 사용하는 접지전선의 직경은 오히려 클수록 방전효율에 유리하다. 고전압전선과 접지전선은 모두 상용화된 전선을 사용하여 플라즈마 소스를 구성하므로, 면 플라즈마 소스의 신뢰성을 확보할 수 있다.

접지전극(102)은 일반 저전압용 전선으로서 산화 방지용 코팅전선(코팅 두께는 수 미크론에서 수 십 미크론)을 사용하는 것이 바람직하다. 코팅되지 않은 일반 전선을 사용하는 경우는 방전전압이 낮아지는 효과가 있으나, 코팅 두께가 10 미크론 정도인 경우는 큰 차이가 없다. 반면에 접지전극을 일반 고전압용 피복전선을 사용하는 경우는 방전전압이 상당히 높아지므로 대면적의 면-플라즈마에는 불리하다.

발생되는 플라즈마는 가시적으로 청색의 빛을 띤다. 분광분석에 의하면, 파장이 200 내지 300 nm인 다량의 자외선과 ROS 계열의 OH, O, O₂, O₃ 및 RNS 계열의 플라즈마 입자들이 발생한다. 플라즈마 면상의 플라즈마 여기종의 밀도는 수백 ppm 이상이다. 밀폐된 멸균 공간이 면-플라즈마로부터 20 cm 이내 인 경우, 전원인가 몇 초 이내에 플라즈마 여기종의 밀도가 수 10 ppm의 농도로 발생하여 멸균작용이 용이하다.

도 4(d)는 실험적으로 얻어진 방전 사진이다. 고전압전극과 접지전극의 교차점 부근에 플라즈마가 발생하며, 플라즈마가 고전압전극의 방향으로 퍼져서 나타나는 것을 특징으로 한다. 이는 상기 등록특허 10-1273888호와 같이 접지전극의 표면에 플라즈마가 나타나는 것과 다른 특징을 보인다. 그리고 상기 등록특허에서 쿨링팬을 설치하는 것과 달리 본 발명의 면-플라즈마는 누설전류 문제가 거의 없어 별도로 쿨링팬을 설치할 필요가 없다.

도 4(e)는 실험적으로 얻어진 방전 사진으로서, 고밀도 면 플라즈마를 얻기위한 전극의 배치이다. 전극선들의 간격을 조정하여 플라즈마 발생량의 조정이 가능함을 나타낸다.

도 4와 같은 전극배치로 대면적 플라즈마를 생성하며, 실험적으로 면적 1m x 1m의 대면적에서도 균일한 플라즈마를 얻었다.

도 5는 면-플라즈마 소스구성의 제 2 실시예로서 필름형 플라즈마 시트를 도시한다.

유전체 필름(104)은 내열성, 절연성, 그리고 내전압성이 우수한 폴리머(polymer)를 사용한다. 가장 바람직한 재질은 FPCB (Flexible Printed Circuit Board)에 사용하는 polyimide (PI) film (일명 상용 Kapton Film) 또는 PET 필름이며, 특성이 검증된 필름을 채용하는 것이 바람직하다. 이들 필름에 전압인가전극(103)과 접지전극(102)을 설치하여, 유연성이 확보된 전체 두께 300 미크론 이하의 박형의 플라즈마 보자기(plasma flim-wrap)를 구성할 수 있다.

도 5는 전압인가 전극(103)과 접지전극(102)의 설치 예를 보여준다.

본 발명은 대면적 플라즈마의 안정성과 안전성이 확보된 전극의 배치방식을 제시한다. 핵심사항은 전압인가전극에 의한 필름의 절연파괴를 방지하는 것이다. 종래의 출원된 특허들이 제시한 전극배치를 채용한 방식에서는 10 cm X 10 cm의 정도의 면적에서도 장시간 방전으로 필름의 절연이 파괴되어 손상된다. 면적이 넓을수록 어느 하나의 방전점에서 절연파괴될 확률이 높아지므로 신뢰성과 내구성을 확보하기 어렵다. 필름의 두께(한국등록특허 10-1012442에서 제시된 필름두께 780 μm)를 충분한 크기로 확보하여도 장시간 방전 테스트에서 여전히 절연파괴의 문제를 피하기 어렵다. 뿐만이 아니라 필름의 두께를 두껍게 하는 경우는 방전전압이 상승하므로 박형의 대면적 플라즈마를 안정되게 얻기 어렵다.

본 발명에 따르면, 유전체 필름(104)의 전면과 이면에 형성되는 두 전극이 상호 중첩적인 위치에 대향되지 않는 전극구조가 제안된다. 두 전극이 중첩적인 위치에 대향되면 절연파괴의 문제를 유발하고 동시에 누설전류(leakage current)에 의한 전력손실이 발생되어 열의 발생을 피할 수 없다. 결과적으로 전체 두께 300 μm(미크론) 이하의 대면적의 면-플라즈마 소스를 제작하기 어렵다.

본 발명이 제안하는 전체 두께 300 미크론 이하의 박형의 면-플라즈마 소스를 위한 최적의 전극구조는 다음과 같다.

유전체 필름(104) 위(전면)에 접지전극(102)을 배치한다.

전압인가 전극(103)은 유전체 필름(104)의 이면이나 하부 덮개필름(105) 위에 형성한다.

상기 접지전극(102)은 전압인가 전극(103)의 경계선을 따라서 감싸는 형태로 하되, 중첩되지 않토록 배치하는 것이 특징이다.

상기 전압인가 전극(103)과 접지전극(102)의 경계선에서 플라즈마가 발생하여 전압인가 전극(103)면 위에 플라즈마가 발생한다.

즉, 상기 전압인가 전극(103)은 고전압에 의하여 누설전류가 발생하므로, 이를 최소화 하기 위하여 전압인가 전극(103)의 전극 폭은 접지전극(102)의 폭보다 작은 것이 본 발명의 또 다른 특징이다.

상기 전극들은 줄무늬형(stripe-type) 또는 원형이나 다각형의 방전 점이 전극 선(line) 중간 중간 간격을 두고 배열된 것 등, 다양한 형태로 제작 가능하다. 즉, 전압인가 전극을 유전체 필름 배면에 배열하며, 선을 나열한 줄무늬형, 원형이나 다각형의 방전점들을 소정 간격으로 배열하고 선으로 연결한 것을 다수 나란히 배열한 것 등으로 면을 형성하게 하고, 유전체 필름 상면에는 전압인가 전극을 중심으로 그 좌우에 약간의 간격을 두고 전압인가 전극을 에워싸는 형태로 형성하여 전극 사이 간격에서 방전을 얻는다. 전압인가전극과 접지전극은 단면상에서 보면 서로 중첩이 일어나지 않는다. 줄무늬 형에 대해 도 5(a)에서 그림으로 도시하며, 다른 변형 형태의 전극에 대해서도 적용된다.

도 5(a)는 줄무늬 형의 전극구조의 단면도와 실험적으로 얻어진 확대된 방전 사진이다. 전압인가 전극(103)을 유전체 필름(104)의 하부에 전극 폭(w1)으로 설치하고, 유전층 필름 상단면에 전극 폭(w2)를 전압인가 전극(103)의 양쪽에 접지전극(102) 배치한다. 두 전극간의 간격 g는 1 mm 이하로 한다.

도 5(a) 내지 도 5(c)는 줄무늬 전극 필름의 방전 사진이다. 고전압 전극의 폭 w1 = 5 mm이고, 접지전극의 폭 w2 = 10 mm, 그리고 전극 간격 g = 0 mm이다. 유전층 필름(104)의 두께는 75 μm이다. 접지전극(102)과 경계의 고전압 전극(103)의 면 위에 플라즈마가 발생한다.

도 5(c)는 줄무늬 전극구조의 플라즈마 시트의 유연성을 보여주는 사진이다.

도 5(d)는 원형 전극구조의 방전 사진이다. 직경 5 mm의 원형의 고전압전극(103) 가장자리 경계에 폭이 5 mm인 접지전극(102)이 감싸는 형태로 배치되어 있다. 플라즈마가 두 전극의 경계선을 따라서 고전압전극(103)면 위에 발생한다.

상기 유전체 필름(104)의 두께는 방전전압에 크게 영향을 미친다. 폴리이미드 필름(일면 capton film)을 기준으로, 필름의 두께를 수십 미크론(μm)을 사용하면, 방전 전압이 1 kV 내외로 매우 낮아진다. 그러나 대면적의 경우에는 균일한 방전을 위하여 수십 마이크로 이상 200 미크론(μm) 이하의 얇은 필름을 사용하는 것이 바람직하다. 필름의 두께가 100 미크론(μm)인 경우는 방전전압이 2 kV 내외로 여전히 낮다.

본 발명의 상기 유전층 필름을 사용한 면-플라즈마의 전체 두께는 300 미크론 이하의 박형이 가능하다. 유전체 필름(104)의 두께와 하부 덮개필름(105)는 각각 100 미크론이 바람직하며, 상부 덮개필름(106)은 수십 미크론으로서, 전체 플라즈마 시트의 두께가 300 미크론 이하인 박형의 면-플라즈마 소스를 특징으로 한다.

도 5에서 제시한 전극배치에서 전극의 형성 방법을 제시한다.

종래의 출원특허들에서는 진공증착 및 에칭 등의 패터닝 공정이 소개되었으나, 제작공정에 고비용이 요구된다. 본 발명은 필름에 도전성 페이스트(Ag-paste)로 프린팅하는 방식을 채용한다.

또 다른 방법은 시중에서 손쉽게 구입이 가능한 도선성 면(surface)-테이프(구리 혹은 알루미늄 소재일 수 있다)를 상술한 소정의 전극구조로 재단하여 필름에 부착한다.

도 6은 면-플라즈마 소스구성의 제 3 실시예로서 유리판의 상단과 하단에 각각 전극이 설치된 플라즈마 패널의 도시이다. 도 6는 각 부품의 분리도 및 결합된 단면도이다.

본 발명의 유리판(300)은 두께 2 mm 이하의 석영판을 채용한다. 그 외 다른 소재의 유전체 판을 적용할 수 있다.

유리판 위의 상단전극(302)와 하단전극(303)은 메쉬형 전극을 특징으로 한다. 유천층에 배치하는 하단전극(303)은 가능한 전극의 면적이 하단 전극면보다 작을수록 누설전류가 줄어든다. 따라서 전극간의 전극용량을 작게 하고, 누설전류를 최소화하기 위하여 두 전극을 모두 메쉬형으로 형성하는 것을 특징으로 한다. 또한, 하단전극(303)은 상단전극(302)보다 금속면이 작도록 한다.

유리판(300) 위의 상단전극(302)은 금속메쉬를 유리판 위에 접촉하도록 설치하며, 일반 도전성 금속메쉬로 구성할 수 있고, 산화를 방지하기 위하여 스테인레스 스틸을 소재로 하는 것이 바람직하다. 하단전극(303)은 면전극이나 메쉬형태의 전극을 유리판(300) 하부에 도포하여 부착한다. 메쉬형 상단전극(302)의 단면은 직경이 1 mm 정도인 원형 메쉬가 바람직하다(도 6에는 사각 메쉬 만이 도시됨). 유리판 하부의 하단전극(303)은 메쉬 형 필름으로 구성되며 선폭은 상기 상단전극(302)의 직경보다 작게 형성한다. 메쉬 선의 간격은 플라즈마의 발생 밀도를 감안하여 설치한다. 하단전극(303)의 형성 방식은 프린팅, 진공증착, 혹은 접착방식 등이다. 상단전극(302)은 방전공간에 노출되고, 하단전극(303)은 하부에 절연체(304)를 도포하여 커버 한다. 상단전극(302)과 하단전극(303) 사이에 전압을 인가한다. 이때 상단전극(302)은 접지할 수도 있다. 전압인가에 따라 유리판의 상단면에 플라즈마가 발생한다.

전원장치는 일반 전원(교류 60 Hz, 전압 110 V 혹은 220 V)을 사용하는 것을 기본으로 한다. 전원장치에는 일반전원을 DC 전압으로 전환하는 DC-AC 인버터(inverter)가 내장된다.

도 7(a)은 전원장치인 DC-AC 인버터와 플라즈마 소스 모듈의 결선 방식의 개념도이다. 통상 유전장벽방전의 경우에는 도 7(a)에서 인버터 출력단에 캐패시터(C_B)를 부착하지 않는다. 즉, 통상의 인버터 구동에서는 전원전극이 플라즈마 발생 공간에 노출되어 직류형 전류가 발생하는 경우에만 안전 캐패시터(ballast capacitor)를 부착하여 순간적인 전류 폭증 현상을 예방한다. 그러나 대면적의 면-플라즈마의 경우는 전압의 증가로 전류가 증가하는 경우에 자체 전압 감소 현상이 나타나므로 전체 면에 균일한 방전을 얻기 어렵다.

도 7(b)는 면-플라즈마 소스에 대한 전류-전압 특성이다. 그림에서 캐패시터(C_B)를 부착하지 않는 경우와 부착한 경우를 비교하였다. 캐패시터를 부착하지 않은 경우에는 전압 상승에 대하여 어떤 전류 이상에서 자체 인가 전압이 하강한다. 이러한 현상은 네거티브 저항성을 갖는다. 이는 유전격벽방전과 같은 교류형 방전에서는 나타나지 않는 현상이며, 직류형 방전에서만 보고된 전류-전압 특성이다. 이러한 네거티브 저항의 문제를 해결하기 위하여 도 7(a)와 같이 인버터 출력단과 전원전극 입력단 사이에 적당 크기의 캐패시터(C_B)를 부착한다. 도 7(b)에서 캐패시터를 부착한 경우에 자체 전압의 감소가 방지되어 전압 증가에 대하여 전류가 지속적으로 증가하는 특성을 나타낸다. 이때의 캐패시터는 인가 전압 감소를 방지하는 안정 캐패시터의 기능을 하며, 종래의 전류 급증 방지 기능과는 다르다. 이때의 캐패시터(C_B)의 크기는 실험적으로 정해져야 한다. 대개 전원전압 수 kV에 대하여 전류가 수 백 mA에서 수 A의 경우에 50 pF 이상의 캐패시터를 부착한다.

도 8은 전원장치인 DC-AC 인버터의 두 개의 출력단에 각각 다른 극성의 전압을 플라즈마 소스 모듈의 두 전극에 결선하는 방식을 도시한 개념도이다. 이러한 경우에는 본 발명의 플라즈마 소스 모튤의 접지전극(102)는 전원인가전극(103)과 마찬가지로 전원전극이 된다. 이때의 접지전극(102)는 절연층이 없거나 혹은 절연층이 있는 전원전극일 수 있다.

도 8(a)는 하나의 트랜스포머의 2차측 코일의 중앙을 접지하고, 2차측 코일 양단에 극성이 다른 전압이 출력된다.

도 8(b)는 두 개의 트랜스포머를 직렬로 연결하고 중앙을 접지하고, 두 개의 트랜스포머 2차측 코일 양단에 극성이 다른 전압이 출력된다.

상기 도 8(a)와 도 8(b)의 인버터의 출력단을 플라즈마 소스의 전원전극에 연결하여 구동할 수도 있다.

본 발명에서 상기 대면적 플라즈마 소스는 전원인가전극의 면적을 최소화하여 누설전류를 피하므로 열의 발생을 우려할 필요는 없으며, 면 플라즈마 패널의 온도는 최대 섭씨 60도 이내로 조정할 수 있다. 이를 위하여 인버터의 구동 방식에서 전원의 출력 파형이 일정한 시간의 휴지기를 갖는 변조파의 형태로 구동하여 패널의 온도를 제어한다.

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.

면 플라즈마 소스(100)
바탕(101)
접지전극(102)
전압인가 전극(103)
유전체 필름(104)
상부 덮개필름(106)
하부 덮개필름(105)
고정끈(112)
챔버(200)
진공배기구(270)
기체 주입구(220)
배출구(230)
열선관(231)
트레이(250)
거치대(210)
유리판(300)
상단전극(302)
하단전극(303)
하부절연체(304)

Claims (11)

1. 바탕재;
   상기 바탕재 위에 피복전선을 배열한 전압인가 전극;
   상기 전압인가 전극의 피복전선 위를 가로지르는 방향으로 배열한 접지전극; 및
   전압인가 전극과 접지전극을 바탕재에 고정시키는 절연성 끈;을 포함하는 면 플라즈마 소스로서,
   상기 면 플라즈마 소스를 보자기로 하여 멸균 대상체를 감싸 멸균처리할 수 있는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스.
2. 제1항에 있어서, 전압인가 전극을 구성하는 피복전선은, 홈질 또는 시침질 방식으로 바탕재에 배열되어 바탕재의 양면에 피복전선이 노출되고,
   접지전극은 바탕재에 노출된 피복전선 위를 가로지르는 방향으로 홈질 또는 시침질 방식으로 바탕재에 배열되어 바탕재의 양면에서 플라즈마가 발생할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스.
3. 제1항에 있어서, 상기 바탕재는 베니어판, 목재, 플라스틱판, 아크릴판, 또는 세라믹을 포함하는, 비유연성 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스.
4. 제1항에 있어서, 상기 바탕재는 천, 폴리머 필름, 폴리이미드 필름, 비닐, 고무 필름판, 테프론 필름판, 또는 가죽을 포함하는, 유연성 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스.
5. 유전체 필름;
   유전체 필름 위(전면)에 배치되는 접지전극;
   유전체 필름 아래(이면)에 배치되는 전압인가 전극; 및
   상기 전압인가 전극 아래에 배치되는 덮개;를 포함하며,
   상기 접지전극이 전압인가 전극의 경계선을 따라서 전압인가 전극을 감싸는 형태로 배치되고,
   전압인가 전극과 접지전극은 단면상에서 서로 겹치지(over-lap) 않는 것을 특징으로 하며,
   상기 전압인가전극은 줄무늬 형, 원형 또는 다각형의 방전점이 소정 간격으로 배열된 선이 다수 배열된 것을 포함하며,
   상기 유전체 필름의 두께는 200 μm 이하이며, 면 플라즈마 소스 전체 두께가 300 μm 이하로 된 박형의 면 플라즈마 소스.
6. 유전체 판;
   유전체 판 위에 접촉되어 배치된 메쉬형 상단전극;
   유전체 판 하부에 도포되어 부착된 메쉬형 하단전극; 및
   상기 하단전극의 메쉬 선폭은 상기 상단전극의 메쉬 선 폭보다 작게 하며,
   상기 하단전극 아래에 하부 절연재;를 포함하며,
   상기 상단전극과 하단전극 사이에 교류 전압을 인가하고,
   상기 유전체 판의 두께가 2 mm 이하이며,
   상기 유전체 판 위와 하단전극 사이에 플라즈마가 발생하는 것을 특징으로 하는 면 플라즈마 소스.
7. 도어(문)을 구비한 밀폐된 챔버(용기); 및
   상기 챔버의 천장면, 저면, 벽면, 칸막이 선반, 중 어느 하나 이상의 면에 청구항 1, 청구항 2 또는 청구항 5의 면 플라즈마 소스를 설치한 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균장치.
8. 제7항에 있어서, 챔버는 진공배기구와 기체 주입구 및 배출구를 더 포함하고,
   상기 기체 주입구에는 대기 혹은 산소를 일정 시간 동안 저압력에서 대기압에 이르기 까지 기체를 주입하고,
   상기 주입된 기체의 압력과 연동하여 상기 면 플라즈마 소스의 두 전극 사이의 전압을 상승하여 인가하며,
   상기 배출구에는 열선관이 설치되어 오존을 분해하여 배출하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 멸균장치.
9. 청구항 1 내지 청구항 5중 어느 한 항의 플라즈마 소스를 구동하는 전원 장치로서,
   AC/DC 인버터 출력단과 플라즈마 소스의 전압인가 전극의 전원 접속부 사이에 밸러스트 캐패시터(ballast capacitor)를 배치한 것을 특징으로 하는 전원장치.
10. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 플라즈마 소스를 구동하는 전원 장치로서,
    하나 이상의 AC/DC 인버터를 사용하고,
    상기 인버터의 두 개의 출력단의 출력 전압은 극성을 달리하고,
    상기 극성이 다른 출력 전압을 각각의 두 전극에 연결하고,
    상기 각각의 출력단과 전원 접속부 사이에 밸러스트 캐패시터(ballast capacitor)를 배치한 것을 특징으로 하는 전원장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 인버터 출력 전압이 1 내지 10 kV일 때, 이에 따른 구동 전류는 10 mA 내지 10 A이고,
    전압과 전류의 출력파는,
    주파수가 60 Hz 내지 100 kHz이며, 일정한 주기의 휴지기를 갖는 변조파를 포함하며,
    상기 변조파에 의하여 면 플라즈마 소스의 플라즈마 밀도와 면 플라즈마 소스 패널의 열을 조정하는 하는 것을 특징으로 하는 전원장치.
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    
    

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