1. 대기압 플라즈마란 물리학적으로 플라즈마는 물질의 세 가지 형태인 고체, 액체, 기체와 더불어 '제4의 물질상태'로 불리며, 이온화된 기체와 전자의 혼합 상태를 말한다.
일반적으로 물질을 고온으로 계속 가열하게되면 물질의 상태는 고체에서 액체과 기체를 거쳐 원자에서 전자가 떨어져나와 이온과 전자가 공존하는 플라즈마 상태가 된다.
이러한 상태에 도달하기 위하여서는 수천도 이상의 고온이 필요하므로 이를 고온 플라즈마라 한다.
한편 진공(대기압 보다 낮은 압력으로 일정한 양의 기체가 있는 상태)에서 전극 사이에 수 kV 이상의 전압을 걸어주게 되면 기체가 이온화될 수 있는데 이러한 상태의 플라즈마는 진공 플라즈마라고 한다.
근래에는 진공이나 초고압이 아닌 대기압하에서도 일정 조건의 전압을 인가하여 플라즈마가발생하는 현상을 대기압 플라즈마(atmosperic pressure plasma) 라 하며 이를 이용한 다양한 응용이 연구되고 있는 상태이다.
대기압 플라즈마는 플라즈마를 주로 재료 표면의 처리를 하여 친수성이나 소수성을 부여하여 코팅 밀착력을 향상시키거나 소독 들 한정된 경우에 응용이 되어 왔으나 최근에는 생체에 대한 응용이 발견되어 급격히 연구 및 응용이 확대되고 있다.
2. 대기압 플라즈마의 발생 대기압 플라즈마는 두 전극 사이에 다양한 종류의 가스를 흘려주고 DC, AC, RF, Microwave 등의 전기장을 인가함으로써 발생시킬 수 있다. 인가해주는 전압의 종류에 따른 플라즈마의 발생 장치 및 플라즈마의 특성을 요약하면 다음과 같다.(향후 플라즈마라 함은 특별히 다른 종류의 플라즈마를 언급하지 않는 한 대기압 프라즈마를 말한다.)
1.1. DC 플라즈마 두 전극 사이에 직류 전압을 걸어줌으로써 플라즈마를 발생시키는 것으로 통상 1츠 정도의 전극 간격에서 수 ~ 수십 kV 의 전압을 인가한다. DC 플라즈마는 ac나 rf, microwave 등의 플라즈마에 비하여 효율이 떨어져 약 1% 정도의 효율이 나온다. 1889년 Paschen 은 기체의 방전이 시작되는 전압(breakdown voltage or sparking voltage) 은 기체의 종류에 따라 다르고, 기체의 압력과 전극 사이의 간격의 곱에 비례한다는 것을 알아내어 이후 이를 Paschen 의 법칙이라 부른다. 가스 종류별 sparking 전압은 표 1과 같다.
표 1 여러 종류 기체들에 대한 최소 sparking voltage
1.2. AC 플라즈마 AC 플라즈마는 교류전원을 사용하는 것으로 DC 고전압 전원 장치에 비하여 전원장치가 간단하여 가장 쉽게 플라즈마를 형성 할수 있는 장점이 있다. 예를 들어 시중에서 네온사인 용 전원 장치(네온라이트, NT전자)를 이용하면 20kHz 교류의 최대 15kV 까지(입력이 220V 일 경우) 의 고전압이 발생되므로 간단하게 플라즈마 발생이 가능하다. 이때 출력 전압은 slidax 를 이용한 입력 전압을 변화시킴으로써 가능하다. Slidax 네온라이트 전극 입력 220V 출력 0 ~ 220V 플라즈마 그림 2 고전압 AC power source (네온라이트)를 이용한 플라즈마 발생도
1.3. RF 플라즈마 상용의 RF 발생 장치를 이용하면 DC 나 AC 전원보다 높은 효율로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 통상 13.56MHz 나 27.12MMHz 의 주파수를 이용한다. 그러나 RF 플라즈마는 임피던스를 매칭시키는 매칭 네트웍이 필요하고 초기 임피던스를 매칭시키기 어려우며 장비의 가격이 상승한다는 단점이 있다. 국내 RF 전원 공급 장치는 영신알에프라는 회사에서 최대 1.7kW까지 공급이 가능한 장치와 matching box가 생산되고 있다.
1.4. Microwave 플라즈마 마이크로웨이브 플라즈마는 고정된 전극과 디자인에서 사용이 가능한 단점이 있느나 자장 효율이 높다는 장점이 있다. 2.45GHz 주파수의 전파를 이용한다.표 3 에서는 각 전원 장치별 특징을 요약하였다.
방법 장점 단점 주 이용 학교/업체 Pulsed DC or AC Simple(No matching network) -High breakdown voltage(kV) -High reactive species -Easy to make long plasma fume -Laroussi(UCLA, USA) -Fridman(Drexel 대, USA) RF -Low breakdown voltage -Longer device lifetime -Efficient plasma generation -Expensive(Matching network) -Hicks(USA) -Kong(UK) -Stoffeis(Netherland) Microwave -Inexpensive(No matching network, small power source) - High efficiency -Complex device design Stonies(Germany) F.Ixa(UK) 표 3 발생 전원별 플라즈마의 특성
4.대기압 플라즈마의 응용
4.1. 의료용
4.1.1. 소독,살균 플라즈마에 의한 살균 효과는 기존의 살균 방법(물리적, 화학적)에 비하여 저비용으로 빠른 시간에 처리 할 수 있다는 장점이 있어 새롭게 부각되고 있다.
4.1.2. 지혈 수년전 우연히 Drexel 대학에서 혈액에 플라즈마를 쪼이면 응고한다는 사실이 발견된 이후 현재에는 아르곤 플라즈마를 이용한 지혈 장치가 상용화되어 있다. 대기압 플라즈마가 지혈 작용을 보이는 것은 플라즈마내 이온, 전기장, 자외선뿐만 아니라 RNS(Reactive Nitrogen Species) 가 지혈에 큰 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 실험에 따르면 플라즈마를 이용한 지혈 방법이 항생제만을 사용한 경우보다 치료 기간이 2.5 ~ 4배 정도 단축되는 것으로 보고되었다.
4.1.3. 피부재생(Plasma Skin Regeneration) 피부 재생용 장치는 이미 실용화 되어 있다. Portrait 의 PSR3 라는 제품은 국내 피부과에도 설치되어 있는 장치로 피부 재생효과가 있으며, 주름, 여드름 상처, 기미, 주근깨 잡터 등 제거에 효과가 있다고 알려져있다. 미국 Rhytec 사에서는 Portrait PSR3 라는 상품명으로 플라즈마 피부 재생 장치를 상업화 시판하고 있다.
4.1.4. 암치료 암세포에 플라즈마를 쪼였을 때 치료가 된다는 사실이 포항공대 이재구 교수 실험실에서 확인 된 바 있다.
4.1.5. 치아미백 치아 미백의 원리는 오존에 의한 것이다. 현재 치아에 약품을 바른 후 빛를 쪼여 미백시키는 제품이 약 70 달러에 팔리고 있다.
상품명은 플라즈마 whitening kit 라고 하지만 실재로 플라즈마를 사용하는 것은 아니다. 플라즈마를 이용 할 경우에도 플라즈마 내 오존이 치아 미백에 효과가 있음이 밝혀져 있느나 아직 상용화된 플라즈마 이용 치아 미백 장치는 없는 것으로 판단된다. 또한 오존 흡입에 대한 부작용이나 지속 효과 등에 대한 임상 데이터가 부족 한 실정이다.
4.2. 표면 처리 4.2.1. 친수성,소수성 재료 표면에 플라즈마처리를 함으로써 친수성이나 소수성을 부여하는 기능은 오래전부터 알려져 있어 주로 유기 피박 코팅전 밀착력 향상을 위한 응용이 많이 되고 있다. http://www.europlasma.be/pageview.aspx?id=181&mid=17 4.2.2. 세척 플라즈마 처리가 재료 표면의 세척효과가 있다는 것도 잘 알려져 있는 사실이다.
5. 국내외 연구 현황 5.1. 국외 연구 동향 5.1.1. Drexel 대학 Fridman 그룹 미국 Drexel 대학의 Fridman 교수 그룹이 세계적으로 가장 앞선 연구를 수행하는 그룹으로 판단된다. 플라즈마가 지혈에 효과가 있다는 것을 처음 발견하였으며 플라즈마 발생 기술은 Plasma Technologies Inc. 회사에 이전한 바 있다. 홈페이지 : http://plasma.mem.drexel.edu www.gregfridman.com 5.1.2. ODU Laroussi 그룹 미국 Old Dominion University 의 Applied Plasma Technology Lab(APTL) Lasoussi 그룹에서는 펜슬형 플라즈마 발생 장치를 개발하였다. 플라즈마의 살균효과에 대한 연구가 주로 진행되고 있다. Ref : Plasma Processes and Ploymers, Vol2, No5. 139 (플라즈마 살균 효과에 대한 리부 논문) 5.2. 발생 장치 메이커 5.2.1. ERBE(독일) 다국적 회사인 ERBE 에서는 Ar 플라즈마를 이용한 지혈 장치를 상품으로 제공하고 있다. 최대 40W 출력을 가지며, pulse 형태의 플라즈마를 발생시키는 잇점이 있다. Ref : www.erbe-usa.com 5.2.2. Surfx UCLA(University of California at Los Angels) 의 기술을 받아 대기압 플라즈마 장치 사업화하여 다양한 종류의 plasma source 를 생산하고 있으며 대기압용으로는 Atomflo 라는 모델명으로 판매되고 있다.
5.3.2. 서울대 신소재공학과 Hyoun-Ee Kim 마이크로아크를 이용한 티타늄 임플란트 연구
5.3.3. 고려대학교 신소재공학과 Yun-Mo Sung, 의대 Jae-Jun Ryu마이크로아크를 이용한 티타늄에의 hydroxyapatite 코팅 연구
6. References
6.1. 관련 학회 Plasma Med : 2nd International Conference on Plasma Medicine(ICPM-2)
6.2. Books Plasma physics and Engineering by Alexander Fridman Plasma chemistry by Alexander Fridman Industrial Plasma Engineering by Roth J. R.
6.3. 관련 잡지 Plasma Process and Polumers IEEE Transactions on Plasma Science Journal of Physics D : Applied Physics Plasma Chemistry, Plasma Processes
[출처] 대기압 플라즈마의 생의학 응용|작성자 드랙스타[출처] 대기압 플라즈마의 이용|