[논문]유연전극을 이용한 대기압 부유전극 유전체 장벽 방전 플라즈마

김준현; 박창진; 김창구

doi:10.9713/kcer.2019.57.3.432

유연전극을 이용한 대기압 부유전극 유전체 장벽 방전 플라즈마
Atmospheric Pressure Floating Electrode-Dielectric Barrier Discharges (FE-DBDs) Having Flexible Electrodes 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.57 no.3, 2019년, pp.432 - 437

김준현 (아주대학교 나노정보기술융합연구소) , 박창진 (아주대학교 화학공학과, 에너지시스템학과) , 김창구 (아주대학교 화학공학과, 에너지시스템학과)

초록
AI-Helper

유연전극 기반의 대기압 부유전극 유전체 장벽 방전 (floating electrode-dielectric barrier discharge, FE-DBD) 시스템을 개발하여 플라즈마 특성을 분석하였다. 유연한 파워전극(powered electrode)을 구성하는 유연유전체로 polytetrafluoroethylene (PTFE), polydiemethylsiloxane (PDMS), polyethylene terephthalate (PET)를 사용하여 플라즈마를 발생하였을 때 플라즈마의 광학적 세기와 전자온도는 파워전극에 인가하는 전압이 증가할수록 증가하였고, 전압이 일정할 때는 PTFE < PDMS < PET 순으로 증가하였다. 이는 유전체의 종류와 전압에 따른 축전용량의 변화로 설명할 수 있었고, 유연전극 기반의 대기압 FE-DBD 플라즈마의 특성은 유연한 파워전극을 구성하는 유전체와 파워전극에 인가되는 전압을 변화함으로써 조절될 수 있음을 의미한다. 유연전극 대기압 FE-DBD 시스템은 피부 곡면을 따라 플라즈마가 발생될 수 있으므로 플라즈마 메디신(plasma medicine)에 유용할 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

An atmospheric pressure floating electrode-dielectric barrier discharge (FE-DBD) system having flexible electrodes was developed and its plasma characteristics was investigated. Polytetrafluoroethylene (PTFE), polydiemethylsiloxane (PDMS), and polyethylene terephthalate (PET) were used as flexible dielectrics for flexible powered-electrodes. The optical intensity and electron temperature of the atmospheric pressure FE-DBD plasma increased with the voltage applied to the powered electrode, and increased in the order of PTFE < PDMS < PET at a fixed voltage. This behavior was explained in terms of the change in the capacitance of the flexible dielectrics with the dielectric type and voltage, implying that the plasma characteristics of an atmospheric pressure FE-DBD having flexible electrodes can be controlled by modulating the flexible dielectrics for the flexible powered-electrode and the voltage applied to the powered electrode. Because an atmospheric pressure FE-DBD system can generate a plasma along the curvature of skins, it is expected to have useful applications in plasma medicine.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1. (a) Schematic of the atmospheric pressure FE-DBD system having a flexible electrode. (b) Photograph of the FE-DBD plasma operating in room air.
그림 Fig. 2. OES spectra of the atmospheric pressure FE-DBD plasmas having flexible dielectrics of (a) PTFE, (b) PDMS, and (c) PET. The voltage applied to the powered electrode was varied from 6 to 15 kV.
그림 Fig. 3. Optical intensity of the atmospheric pressure FE-DBD plasma as a function of voltage applied to the powered electrode. The flexible dielectrics for the powered electrode were PTFE, PDMS, and PET, respectively.
그림 Fig. 4. Boltzmann plots of the atmospheric pressure FE-DBD plasmas having flexible dielectrics of (a) PTFE, (b) PDMS, and (c) PET. The voltage applied to the powered electrode was varied from 6 to 15 kV.
그림 Fig. 5. Electron temperature of the atmospheric pressure FE-DBD plasma as a function of voltage applied to the powered electrode. The flexible dielectrics for the powered electrode were PTFE, PDMS, and PET, respectively.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 효과적인 살균 및 상처치료를 위해 피부 곡면을 따라 플라즈마가 발생할 수 있도록 유연전극 기반의 대기압 DBD 플라즈마 시스템을 개발였고, 유연전극을 구성하는 유전체의 종류에 따른 플라즈마 특성을 분석하였다. 대기압 DBD 시스템은 FEDBD 방식이 되도록 제작하여 플라즈마가 피부에 직접 노출되도록 하였다.
이는 FE-DBD의 파워전극을 구성하는 유연유전체의 축전용량이 클수록 메모리 전압이 더욱 크게 형성되고 전기장의 세기가 증가하여 플라즈마의 전자온도가 증가 하였기 때문이었다. 이 연구를 통하여 유연전극 기반의 대기압 FEDBD에서 파워전극을 구성하는 유연유전체와 파워전극에 인가하는 전압을 조절하여 플라즈마 특성이 변화될 수 있음이 제시되었다.

가설 설정

1. (a) Schematic of the atmospheric pressure FE-DBD system having a flexible electrode. (b) Photograph of the FE-DBD plasma operating in room air.

제안 방법

본 연구에서는 효과적인 살균 및 상처치료를 위해 피부 곡면을 따라 플라즈마가 발생할 수 있도록 유연전극 기반의 대기압 DBD 플라즈마 시스템을 개발였고, 유연전극을 구성하는 유전체의 종류에 따른 플라즈마 특성을 분석하였다. 대기압 DBD 시스템은 FEDBD 방식이 되도록 제작하여 플라즈마가 피부에 직접 노출되도록 하였다. 플라즈마 특성으로 RNS와 ROS의 광학적 세기를 비교하였고, 이를 이용하여 전자온도(electron temperature)도 추산하여 서로 비교하였다.
08mm인 호일로서 잘 구부러질 수 있도록 하였다. 유연유전체는 플라 즈마가 발생될 때 아크(arc)로의 전이를 억제하고 분극현상을 통해 글로우 방전(glow discharge)이 되도록 사용되었고, 유연성을 유지하기 위하여 고분자를 사용하였다. 유연유전체의 종류에 따른 플라즈마 특성 차이를 파악하기 위하여 0.
유연유전체는 플라 즈마가 발생될 때 아크(arc)로의 전이를 억제하고 분극현상을 통해 글로우 방전(glow discharge)이 되도록 사용되었고, 유연성을 유지하기 위하여 고분자를 사용하였다. 유연유전체의 종류에 따른 플라즈마 특성 차이를 파악하기 위하여 0.1 mm 두께의 polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene terephthalate (PET), PDMS를 각각 유연유전 체로 사용하였고, 이를 구리 필름 상부에 부착하였다.
플라즈마는 별도의 가스를 주입하지 않고 대기 중의 공기만을 이용하여 방전하였다. 유연한 파워 전극과 피부 사이에서 발생되는 플라즈마의 광학적 세기 및 라디칼(radical)의 상대적 크기는 optical emission spectroscopy(OES, GetSpec, 2048TEC)를 사용하여 얻었다.
3가지 유연유전체(PTFE, PDMS, PET) 모두 전압이 증가할수록 OES 스펙트럼의 피크 세기가 증가하였다. 이를 조금 더 명확하게 관찰하기 위하여 여러 유연유전체를 사용했을 때 질소 라디칼이 나타나는 파장에서 전압에 따른 OES 스펙트럼의 피크 세기를 비교하였다.
대기압 DBD 시스템은 FEDBD 방식이 되도록 제작하여 플라즈마가 피부에 직접 노출되도록 하였다. 플라즈마 특성으로 RNS와 ROS의 광학적 세기를 비교하였고, 이를 이용하여 전자온도(electron temperature)도 추산하여 서로 비교하였다.
플라즈마를 발생시키기 위한 파워 제너레이터(power generator)는 금속 호일에 연결하였으며, 25 kHz의 AC 소스를 이용하여 전압을 6~15 kV까지 조절하였다. 전압은 고전압 프로브(high voltage probe)가 장착된 오실로스코프(oscilloscope, Tektronix, TDS3034)를이용하여 측정하였다.
효과적인 살균 및 상처치료를 위하여 피부 곡면을 따라서 플라즈마가 발생될 수 있는 유연전극 기반의 대기압 FE-DBD 플라즈마 시스템을 개발하였고, 유연전극을 구성하는 유전체의 종류에 따른 플라즈마 특성을 분석하였다. 기체를 따로 주입하지 않고 대기 중에서 발생된 플라즈마의 OES 스펙트럼은 질소와 산소 라디칼 피크를 나타냈으며 질소 라디칼 피크의 세기가 산소 라디칼 피크의 세기보다 컸다.

대상 데이터

1(a)는 본 연구에서 사용한 유연전극 기반의 대기압 FEDBD 시스템의 개략도이다. FE-DBD는 파워가 인가되는 파워전극 (powered electrode)과 피부로 대체된 부유전극(floating electrode)으로 구성되었다. 이 때 피부는 인체 피부와 매우 흡사한 돼지 피부가 사용되었다.
유연 커버는 파워 전극에 외부 전원이 공급될 때 플라즈마가 부유전극 쪽으로 발생하지 않고 반대방향으로 발생하는 것을 억제하기 위하여 사용되었는데, 5 mm 두께의 유연한 polydiemethylsiloxane (PDMS)를 사용하였다. 금속은 전도성이 우수한 구리(Cu)를 사용하였으며 두께가 0.08mm인 호일로서 잘 구부러질 수 있도록 하였다. 유연유전체는 플라 즈마가 발생될 때 아크(arc)로의 전이를 억제하고 분극현상을 통해 글로우 방전(glow discharge)이 되도록 사용되었고, 유연성을 유지하기 위하여 고분자를 사용하였다.
파워전극은 부유전극의 모양에 따라 구부러질 수 있는 유연전극(flexible electrode)이 되도록 유연커버(flexible cover), 금속 포일(foil), 유연유전체(flexible dielectric) 순서로 적층된 구조로 되어 있으며, 이 전극의 면적은 50 × 50 mm²였다. 유연 커버는 파워 전극에 외부 전원이 공급될 때 플라즈마가 부유전극 쪽으로 발생하지 않고 반대방향으로 발생하는 것을 억제하기 위하여 사용되었는데, 5 mm 두께의 유연한 polydiemethylsiloxane (PDMS)를 사용하였다. 금속은 전도성이 우수한 구리(Cu)를 사용하였으며 두께가 0.

이론/모형

OES 스펙트럼을 이용하여 Boltzmann plot 방법으로 플라즈마의 전자온도를 계산하였고 이 역시 PTFE < PDMS < PET 순으로 증가하였다.

성능/효과

이로 인하여 OES 스펙트럼에서 질소 피크의 세기가 산소 피크의 세기보다 컸다. 3가지 유연유전체(PTFE, PDMS, PET) 모두 전압이 증가할수록 OES 스펙트럼의 피크 세기가 증가하였다. 이를 조금 더 명확하게 관찰하기 위하여 여러 유연유전체를 사용했을 때 질소 라디칼이 나타나는 파장에서 전압에 따른 OES 스펙트럼의 피크 세기를 비교하였다.
5는 대기압 FE-DBD 파워전극의 유연유전체를 달리 하였을 때 파워전극에 인가하는 전압에 따른 플라즈마의 전자온도를 나타낸다. 3가지 유연유전체(PTFE, PET, PDMS) 모두 전압이 6 kV에서 15 kV까지 증가함에 따라 전자온도가 1 eV 부근에서 3~5% 정도 미세하게 증가하였다. 이는 전극의 구조와 공정조건에서 다소 차이가 있기는 하지만 DBD 시스템에서 6~12 kV 전압으로 질소 플라즈마를 방전 시 전자온도가 1~2 eV 정도이고 전압에 따른 전자온도의 변화가 미미하다는 보고와 비슷하다[30-32].
1 mm였다. PTFE, PDMS, PET의 유전상수는 각각 2.1, 2.5, 3.3 이며, 이를 통해 계산된 PTFE, PDMS, PET의 축전용량은 각각 465, 553, 730 pF 이었다. 따라서 전압이 일정할 때 FE-DBD 플라즈마의 OES 스펙트럼 피크 세기는 파워전극을 구성하는 유연유전체의 축전용량이 클수록 강했으며, 축전용량이 가장 큰 PET에서 피크의 세기가 가장 컸다.
효과적인 살균 및 상처치료를 위하여 피부 곡면을 따라서 플라즈마가 발생될 수 있는 유연전극 기반의 대기압 FE-DBD 플라즈마 시스템을 개발하였고, 유연전극을 구성하는 유전체의 종류에 따른 플라즈마 특성을 분석하였다. 기체를 따로 주입하지 않고 대기 중에서 발생된 플라즈마의 OES 스펙트럼은 질소와 산소 라디칼 피크를 나타냈으며 질소 라디칼 피크의 세기가 산소 라디칼 피크의 세기보다 컸다. 파워전극에 인가하는 전압이 증가할수록 유전체로 PTFE, PDMS, PET를 사용했을 때 모두 OES 스펙트럼의 피크 세기가 증가하였다.
3 이며, 이를 통해 계산된 PTFE, PDMS, PET의 축전용량은 각각 465, 553, 730 pF 이었다. 따라서 전압이 일정할 때 FE-DBD 플라즈마의 OES 스펙트럼 피크 세기는 파워전극을 구성하는 유연유전체의 축전용량이 클수록 강했으며, 축전용량이 가장 큰 PET에서 피크의 세기가 가장 컸다.
축전용량이 커질수록 메모리 전압이 더욱 크게 형성되어 전기장의 세기가 증가하는 것으로 알려져 있다[31,33]. 따라서 파워 전극을 구성하는 유연유전체의 축전용량이 클수록 플라즈마의 전자온도가 증가하였다. 이는 유연전극 기반의 대기압 FE-DBD에서 파워전극을 구성하는 유연유전체와 파워전극에 인가하는 전압을 조절함으로써 플라즈마 특성을 변화할 수 있음을 의미한다.
본 연구에서 사용된 유연전극 기반의 대기압 FE-DBD에서 발생된 플라즈마는 파워전극을 구성하는 유연유전체의 종류와 파워전극에 인가되는 전압에 따라 플라즈마 세기가 달라졌고 이는 각 경우에서 전자 에너지 차이가 있음을 의미한다. 일반적으로 전자의 에너지는 전자온도(electron temperature)로 나타내며, 전자온도가 클수록 기체 분자 혹은 원자에 전달되는 에너지가 크기 때문에 기체의 해리도가 증가하고 그로 인해 활성종의 생성이 많아진다고 알려져 있다[25,26].
3에서 나타낸 OES 스펙트럼의 질소 피크(359 nm)의 세기 변화 순서와 같다. 즉, 일정 전압에서 대기압 FE-DBD 플라즈마의 전자온도는 파워전극을 구성하는 유연유전체의 축전용량이 클수록 증가하였다. 축전용량이 커질수록 메모리 전압이 더욱 크게 형성되어 전기장의 세기가 증가하는 것으로 알려져 있다[31,33].
기체를 따로 주입하지 않고 대기 중에서 발생된 플라즈마의 OES 스펙트럼은 질소와 산소 라디칼 피크를 나타냈으며 질소 라디칼 피크의 세기가 산소 라디칼 피크의 세기보다 컸다. 파워전극에 인가하는 전압이 증가할수록 유전체로 PTFE, PDMS, PET를 사용했을 때 모두 OES 스펙트럼의 피크 세기가 증가하였다. 전압이 일정할 대 피크 세기는 PTFE < PDMS < PET 순으로 커졌는데 이는 유전체의 축전용량이 PTFE < PDMS < PET 순으로 커졌기 때문이었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플라즈마란?	플라즈마(plasma)는 부분적으로 이온화된 기체로 정의되며 전자(electron), 이온(ion), 아직 이온화되지 않은 중성입자로 구성된다. 플라즈마는 발생되는 압력에 따라 저압 플라즈마와 대기압 플라즈마로 나뉘어진다.
	활성산소종의 특징은?	최근에 대기압 플라즈마에서 발생되는 활성 종인 활성산소종 (reactive oxygen species, ROS)과 활성질소종(reactive nitrogen species, RNS)을 지혈, 살균, 상처치료 등에 적용하는 시도가 보고되면서 대기압 플라즈마를 생물학 또는 의학에 이용하는 소위 플라즈마 메디신(plasma medicine) 분야에 많은 관심이 모아지고 있다[7-11]. ROS는 매우 불안정하기 때문에 주위 물질들과 쉽게 반응하여 안정된 상태를 이루려는 특징이 있어 세포의 지질, 아미노산과 같은 유기 분자를 손상 및 파괴하여 살균과 소독에 효과적이다[10]. RNS는상처 치유에 도움이 되는 사이토카인(cytokine)의 합성과 섬유아세포(fibrioblast)의 증식을 촉진하여 상처 치유를 유도하는 역할을 하는 것으로 알려져 있다[10].
	플라즈마는 발생되는 압력에 따라 어떻게 나뉘어지는가?	플라즈마(plasma)는 부분적으로 이온화된 기체로 정의되며 전자(electron), 이온(ion), 아직 이온화되지 않은 중성입자로 구성된다. 플라즈마는 발생되는 압력에 따라 저압 플라즈마와 대기압 플라즈마로 나뉘어진다. 저압 플라즈마는 반도체소자, MEMS (microelectromechanical systems) 소자, 광소자와 같은 다양한 소자제조공정에서 고종횡비 (high aspect ratio) 구조물을 얻기 위해 많이 사용되고 있다[1-6].

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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