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문제 정의
- 여기서 인가전압이란 상용 단상 변압기의 출력 전압으로서 플라즈마 소자를 연결하지 않은 상태의 개방회로전압을 말한다. 그리고 발생된 플라즈마가 바이오-메디컬 분야에 응용이 가능한지 알아보기 위하여 입력전압에 따른 온도 변화를 측정하였다.
- DC를 이용하여 방전을 발생시킬 경우 인가전압에 맞는 저항과 전압원의 용량이 커야하며 그에 따라서 실험장치의 부피가 크기 때문에 실험장치를 소형화하는데 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서는 마이크로머시닝 기술을 이용하여 바이오-메디컬 분야에 적용할 수 있도록 상압에서 안정적인 글로우 방전을 발생시킬 수 있는 중공음극 형태의 소자를 제작하고 AC를 이용하여 방전실험을 하였으며 특성을 측정하였다.
- 본 논문에서는 바이오-메디컬분야에 적용할 수 있도록 상압에서 저온 플라즈마를 분사할 수 있는 소자를 제작하고 특성을 평가하였다. 소자의 전기적 특성을 알아보기 위하여 인가전압에 따른 전압/전류 특성을 측정하였다.
제안 방법
- 플라즈마가 분사되는 양극의 구멍은 모두 8개로 지름이 3 mm인 원의 원주 상에 등간격으로 배치되어 있다. 구멍의 지름은 100, 150, 200 pm 등 세 가지로 제작하였다. 양극의 제작공정은 그림 2와 같다.
- 방전실험 동안 안전을 위하여 음극을 석영 튜브 안에 넣어서 주변 환경으로부터 절연하였다. 다공성 알루미나의 옆쪽으로 가스가 새어나오는 것을 방지하기 위하여 옆면을 테플론 테이프로 감아서 외장 알루미늄 케이스에 조립하였다. 그림 4는 제작된 마이크로 플라즈마 분사소자의 사진이다.
- 플라즈마가 분사되는 2~5 1/min의 유량에서는 유량이 클수록 플라즈마 젯의 길이가 길어지는 것을 관찰하였다. 또 유량이 작을수록 소자를 냉각하는 효과가 떨어지므로 방전시간이 길어지면 소자가 가열되고 플라즈마가 불안정해지고 한 쪽 구멍으로만 플라즈마가 분사되는 현상을 관찰하였다. 따라서 입력기체의 최적 유량은 플라즈마가 안정적으로 분사되고 냉각효과가 뛰어나며 분사되는 플라즈마 길이가 가장 길게 되는 4 1/min임을 이 실험에서 알 수 있었다.
- 소자에서 분사되는 플라즈마가 글로우 방전인지 알아보기 위하여 소자로부터 1 cm 떨어진 거리에 있는 알루미늄 박막에 플라즈마를 분사하면서 온도변화를 비접촉 적외선 온도계를 사용하여 10 분 동안 온도를 측정하였다. 그림 10은 분사된 플라즈마에 의해서 변화된 알루미늄 박막의 온도를 측정한 결과이디".
- 소자의 인가전압에 따른 방전의 전기적 특성을 알아보기 위하여 입력기체의 유량을 4 1/min으로 고정하고 인가전압을 변화시키며 실험을 하였다. 소자에 인가한 전압이 3.
- 평가하였다. 소자의 전기적 특성을 알아보기 위하여 인가전압에 따른 전압/전류 특성을 측정하였다. 플라즈마 발생에 필요한 질소 가스의 최적 유량은 4 1/min임을 확인하였다.
- 소자에 인가되는 전압은 교류 전압 조정기를 통하여 조절하며 전압 조정기에서 출력되는 전압은 상용 단상 변압기를 통하여 증폭되어 소자에 인가된다. 소자의 최적 방전 조건을 알아보기 위하여 양극의 구멍크기, 기체의 유량과 인가전압에 따른 전기적 특성을 측정하였고 전기적 특성을 확인하기 위하여 표면처리 후의 친수성 정도를 측정하였다. 여기서 인가전압이란 상용 단상 변압기의 출력 전압으로서 플라즈마 소자를 연결하지 않은 상태의 개방회로전압을 말한다.
- 양극의 구멍크기에 따른 방전의 영향을 알아보기 위하여 구멍크기를 100, 150, 200 ㎛로 제작하여 방전의 전기적 특성을 측정하였다. 이때 유량은 4 1/min 이었고 인가전압은 9.
- 그림 10은 분사된 플라즈마에 의해서 변화된 알루미늄 박막의 온도를 측정한 결과이디". 온도 측정은 상온, 상압에서 실시하였으며 입력기체의 유량은 4 1/rnin이었다. 소자에 인가하는 전압이 증가할수록 박막의 온도 상승이 커진다.
- 위에서 측정된 전기적 특성과 함께 인가전압이 높아질수록 플라즈마의 밀도가 높아지는지 확인하기 위하여 플라즈마로 처리한 PMMA 표면의 친수화를 즉정하였다. 소자로부터 1 cm 떨어진 거리에 PMMA를 두고 각 인가전압별로 10초간 플라즈마로 표면을 처리한 후 접촉각을 측정하였으며 그 결과는 그림 9와 같다.
- 5 kVg임을 확인하였다. 인가전압별로 PMMA 표면을 처리하여 친수성의 변화로 플라즈마의 밀도를 확인하였다. 또 제작한 소자에서 분사되는 플라즈마를 박막에 조사하여 박막의 온도 상승을 측정하였으며 이는 생체에 열적 손상을 입힐 정도가 아님을 확인함으로써 바이오-메디컬 분야에 적용 가능함을 간접적으로 보여 주었다.
- 5 kVg일 때 10 분간 플라즈마를 조사한 후 박막의 온도는 각각 32, 36, 41 ℃ 로 상승했다. 일반적으로 세포는 42℃ 이상이 되면 손상되기 시작하고 47℃부터 세포사멸이 급속히 일어나기 시작하며 온도가 60℃ 이상이면 세포 내 단백질이 변성되며, 지질 이중막이 파괴되어 결국 사멸된다고 보고되었다[11], 본 논문에서는 열용량이 매우 작은 알루미늄 박막을 시편으로 사용하였고 충분한 시간동안 플라즈마를 조사하여 얻은 결과임을 감안하여 볼 때 제안한 소자로 분사되는 플라즈마를 피부와 같은 생체조직의한 곳을 계속하여 10분간 조사한다. 하더라도 온도 상승이 세포에 열적 손상을 줄 정도는 아니므로 바이오-메디컬 분야에 사용할 수 있을 것으로 생각된다.
- 플라즈마의 전기적 특성을 알아보기 위하여 방전이 일어나는 동안 소자의 전압과 전류를 측정한다. 전압은 오실로스코프(Tektronix, MSO4104)에 Tektronix의 고전압 측정 프로브인 P6015A(1000:l)> 연결하여 측정하고 전류는 교류 클램프 전류 측정기를 사용하여 측정하였다. 실험장치의 개략도는 그림 5와 같다.
- 질소 가스 유입량이 플라즈마 분사에 미치는 영향을 보기 위하여 9.5 kVm의 입가전압에서 유입량을 1 1/min부터 5 1/min까지 1 1/min씩 변화시키며 방전 전압과 전류를 측정하였다. 플라즈마의 전기적 특성을 알아보기 위하여 방전이 일어나는 동안 소자의 전압과 전류를 측정한다.
- 5 kVm의 입가전압에서 유입량을 1 1/min부터 5 1/min까지 1 1/min씩 변화시키며 방전 전압과 전류를 측정하였다. 플라즈마의 전기적 특성을 알아보기 위하여 방전이 일어나는 동안 소자의 전압과 전류를 측정한다. 전압은 오실로스코프(Tektronix, MSO4104)에 Tektronix의 고전압 측정 프로브인 P6015A(1000:l)> 연결하여 측정하고 전류는 교류 클램프 전류 측정기를 사용하여 측정하였다.
- 5 kVp-p일 때 소자에서 플라즈마가 분사되는 사진이다. 플라즈마의 전기적 특성을 알아보기 위하여 소자에 인가되는 전압이 3.5 kVp-p, 5.5 kVp-p, 7.5 kVp-p) 9.5 kVg일 때 전압과 전류를 측정하였다. 그림 8은 각 인가전압에서 측정된 전압과 전류이다.
대상 데이터
- 씨앗층이 증착된 기판 위에 음성 후막 감광제인 JSR THB-151N을 80 의 두께 로 스핀코팅한 후 패 터 닝 하여 도금 몰드로 사용한다. 니켈 도금은 설파민산 니켈욕을 사용한다. 설파민산 니켈욕의 조성은 설파민산 니켈 [Ni(NH2SO3)2_4H2O] 450 g/L에 니켈의 응력을 줄이기 위해서 붕산 30 g/L을 첨가하고 도금된 니켈의 질을 높이기 위해서 5 g/L의 습윤제 (dodecyl sulfate sodium salt wetterX 첨가한다.
- 양극의 재질은 니켈이고 두께는 60 이다. 플라즈마가 분사되는 양극의 구멍은 모두 8개로 지름이 3 mm인 원의 원주 상에 등간격으로 배치되어 있다.
- 유전층은 양극과 음극을 절연하는 동시에 가스가 통과할 수 있는 다공성 알루미나를 사용하였다. 다공성 알루미나의 제작은 다음과 같다.
- 음극은 외경이 1.6 mm이고 내경이 1.2 mm인 스테인리스강 튜브를 사용하였다. 방전실험 동안 안전을 위하여 음극을 석영 튜브 안에 넣어서 주변 환경으로부터 절연하였다.
이론/모형
- 중공음극 효과는 파센의 법칙(Paschen's law)에 의해서 정의된다[8]. 파센의 법칙에 따르면 같은 압력에서 구멍의 지름이 작아지면 방전 개시 전압이 낮아진다.
성능/효과
- 5 kVg까지 증가하였을 때 소자의 양극의 구멍에서 대기로 플라즈마가 분사되기 시작하였다. 13.5 kVp—p까지 인가전압을 높이며 관찰한 결과 7.5 kVp-p부터 비교적 안정하게 플라즈마가 분사됨을 확인하였다. 그림 7은 소자에 인가되는 전압이 7.
- 5 kVpp였다. DC의 경우 파센의 법칙에 의하여 구멍의 크기가 작아질수록 방전 개시전압이 낮아진다고 보고되었지만 본 실험에서는 AC를 사용하여 방전을 하여 구멍크기에 따른 방전의 전기적 변화가 거의 나타나지 않음을 확인하였다. 따라서 구멍의 크기는 방전에 영향을 거의 주지 않는 것으로 판단하고 이후의 실험들은 분사된 플라즈마를 육안으로 관찰하기 쉽도록 구멍의 크기를 200 ㎛로 고정하였다.
- 유량에 따른 방전 전압과 전류측정 결과는 그림 6과 같다. 결과에서 알 수 있듯이 입력기체의 유량이 커질수록 방전 전압과 전류가 증가하다가 유량이 5 1/min로 커지면 방전 전압과 전류가 감소하는 현상을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 유량이 너무 작을 경우에 플라즈마가 형성되어 분사되기에는 기체가 부족하기 때문이고 유량이 너무 클 경우에는 이온화된 입자들이 기체와 자주 충돌하여 플라즈마가 빨리 사라지기 때문인 것으로 분석된다[10].
- 이러한 결과로부터 인가전압이 높을수록 마이크로 방전이 증가하고 분사되는 플라즈마의 밀도가 높아지는 것으로 예상된다. 그러나 9.5 kVp-p 이상의 인가전압에서는 방전시간이 길 경우 소자의 온도 상승으로 플라즈마가 모든 구멍에서 분사되다가 불안정해지면서 한쪽 구멍에서만 분사되는 현상이 나타났다. 이런 경우에는 방전 중에 양극의 구멍에서 플라즈마가 분사되면서 스퍼터링이 일어나 손상이 생겨서 한쪽 구멍이 넓어진 것을 방전이 끝난 후에 확인하였다.
- 또 유량이 작을수록 소자를 냉각하는 효과가 떨어지므로 방전시간이 길어지면 소자가 가열되고 플라즈마가 불안정해지고 한 쪽 구멍으로만 플라즈마가 분사되는 현상을 관찰하였다. 따라서 입력기체의 최적 유량은 플라즈마가 안정적으로 분사되고 냉각효과가 뛰어나며 분사되는 플라즈마 길이가 가장 길게 되는 4 1/min임을 이 실험에서 알 수 있었다.
- 인가전압별로 PMMA 표면을 처리하여 친수성의 변화로 플라즈마의 밀도를 확인하였다. 또 제작한 소자에서 분사되는 플라즈마를 박막에 조사하여 박막의 온도 상승을 측정하였으며 이는 생체에 열적 손상을 입힐 정도가 아님을 확인함으로써 바이오-메디컬 분야에 적용 가능함을 간접적으로 보여 주었다. 향후 혈액응고, 피부의 재생, 살균 및 소독, 암 세포의 세포사멸(apoptosis) 유도와 같은 바이오-메디컬 분야의 연구에 적용하는 연구를 수행할 예정이다.
- 변화시키며 실험을 하였다. 소자에 인가한 전압이 3.5 kVp—p일 때 방전이 시작되었지만 플라즈마가 소자의 양극의 구멍에서 대기로 분사되지 않고 방전이 불안정함을 관찰할 수 있었다. 인가전압을 5.
- 5 kVp-p일 때는 주기적으로 안정한 방전이 일어남을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 인가전압이 높을수록 마이크로 방전이 증가하고 분사되는 플라즈마의 밀도가 높아지는 것으로 예상된다. 그러나 9.
- 플라즈마 발생에 필요한 질소 가스의 최적 유량은 4 1/min임을 확인하였다. 인가전압이 높아질수록 마이크로 방전이 일어나는 횟수가 증가하여 분사되는 플라즈마의 밀도가 높아짐을 알 수 있었으며 소자의 적정 인가전압 범위는 5.5 kVg부터 9.5 kVg임을 확인하였다. 인가전압별로 PMMA 표면을 처리하여 친수성의 변화로 플라즈마의 밀도를 확인하였다.
- 소자의 전기적 특성을 알아보기 위하여 인가전압에 따른 전압/전류 특성을 측정하였다. 플라즈마 발생에 필요한 질소 가스의 최적 유량은 4 1/min임을 확인하였다. 인가전압이 높아질수록 마이크로 방전이 일어나는 횟수가 증가하여 분사되는 플라즈마의 밀도가 높아짐을 알 수 있었으며 소자의 적정 인가전압 범위는 5.
- 유량이 2 1/min 미만이거나 5 1/min 초과일 때는 플라즈마가 분사되지 않음을 육안으로 확인하였다. 플라즈마가 분사되는 2~5 1/min의 유량에서는 유량이 클수록 플라즈마 젯의 길이가 길어지는 것을 관찰하였다. 또 유량이 작을수록 소자를 냉각하는 효과가 떨어지므로 방전시간이 길어지면 소자가 가열되고 플라즈마가 불안정해지고 한 쪽 구멍으로만 플라즈마가 분사되는 현상을 관찰하였다.
후속연구
- 일반적으로 세포는 42℃ 이상이 되면 손상되기 시작하고 47℃부터 세포사멸이 급속히 일어나기 시작하며 온도가 60℃ 이상이면 세포 내 단백질이 변성되며, 지질 이중막이 파괴되어 결국 사멸된다고 보고되었다[11], 본 논문에서는 열용량이 매우 작은 알루미늄 박막을 시편으로 사용하였고 충분한 시간동안 플라즈마를 조사하여 얻은 결과임을 감안하여 볼 때 제안한 소자로 분사되는 플라즈마를 피부와 같은 생체조직의한 곳을 계속하여 10분간 조사한다. 하더라도 온도 상승이 세포에 열적 손상을 줄 정도는 아니므로 바이오-메디컬 분야에 사용할 수 있을 것으로 생각된다.
- 또 제작한 소자에서 분사되는 플라즈마를 박막에 조사하여 박막의 온도 상승을 측정하였으며 이는 생체에 열적 손상을 입힐 정도가 아님을 확인함으로써 바이오-메디컬 분야에 적용 가능함을 간접적으로 보여 주었다. 향후 혈액응고, 피부의 재생, 살균 및 소독, 암 세포의 세포사멸(apoptosis) 유도와 같은 바이오-메디컬 분야의 연구에 적용하는 연구를 수행할 예정이다.
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