Plasma jet reaction control for biomedical applications

Abstract

플라즈마 반응이 발견되고 Irving Langmuir 의해서 처음 그것에 대한 정의가 이루어진 후에 많은 플라즈마 발생 방법들이 보고되었다. 그 중에서도 대표적인 플라즈마 형태인 CCP 플라즈마는 간단한 구성과 조작의 편의성으로 인해 그 동안 전통적으로 많이 연구되었다. 이러한 CCP 플라즈마는 반도체 식각 공정이나 철강의 표면처리 등에 응용 되어 널리 사용되고 있다. 하지만 CCP 형태의 플라즈마는 특정 응용 분야에서는 제한적인 형태일 수 있다. 플라즈마의 특성을 연구하고 다양한 응용을 이끌기 위해 많은 연구자들이 노력하였고 다양한 형태의 플라즈마 들이 보고되어 왔다. 그 중에서도 제트 타입의 플라즈마는 매우 특별한 형태를 가진다. 제트 타입의 플라즈마는 보통 속이 빈 관과 두 개의 전극으로 이루어진다. 그라운드와 고전압의 두 전극은 빈 관의 가운데에 특정 거리를 가지고 위치된다. 관 속을 따라 흘러가는 소스 가스는 이 두 전극 사이에서 발생하는 강력한 전자장에 의해 이온화 되고 플라즈마를 형성하게 된다. 이 때 가스의 유속을 올려주고 관 끝부분의 면적을 줄여주면 한 그룹의 플라즈마가 끝부분을 통해 집단적인 형태를 띠며 뿜어져 나가게 되고 그것의 연속적인 형태가 플라즈마 제트를 구성하게 된다. 이것은 CCP 플라즈마와는 달리 주변 반응과 한 점에서 격렬히 반응하게 되고 다양한 활성종들을 발생시킨다. 따라서 제트 타입의 플라즈마는 처리되는 한 부분에서 강력하고 빠른 처리를 요구하는 플라즈마 아크 용접이나 생의학 응용 분야에서 특히 우수하다. 플라즈마의 생의학 응용을 위해서는 최소한 대기압과 낮은 플라즈마 가스 온도의 두 가지 조건을 만족시켜야 한다. 하지만 대기압에서 낮은 온도의 플라즈마를 만들기란 쉽지 않다. 대기압에서는 저기압 조건보다 전하들의 평균 충돌 거리가 짧기 때문에 전자와 이온들의 충돌이 자주 일어나게 된다. 충돌 횟수가 늘어남에 따라 전체 입자들의 평균 에너지가 비슷해 되는데 이 상태를 local thermal equilibrium 상태라고 한다. 이 상태에서는 플라즈마의 가스 온도가 높은 경향을 가지는데 이는 플라즈마 내부의 높은 ion 에너지가 플라즈마의 가스 온도를 높이기 때문이다. 따라서 전자와 ion의 에너지를 분리시키는 것이 필요하다. 이를 위해서 에너지 밀도가 낮은 AC나 Pulse 전원을 이용하여 전자의 에너지를 낮추고 전자의 이동 경로를 평균 충돌 거리 이하로 유지시키는 방법 등이 적용되었다. 이러한 플라즈마를 low temperature atmospheric pressure plasma jet (APPJs) 이라고 부른다. 전 세계적으로 low temperature APPJs를 이용하여 생의학 응용에 성공한 사례가 보고되고 있다. 미생물의 사멸이나 증식, 지혈, 치아 미백 등 다양한 분야에서 성공적인 실험 결과가 보고되었다. 플라즈마의 생의학 응용의 가장 중요한 열쇠는 다양한 활성종들의 발생이다. OH, O, NO등과 같이 플라즈마와 주변 gas 들의 반응으로 발생한 활성종들은 불안정한 상태로 인해 활발한 반응성을 가진다. 이들의 반응으로 인해 박테리아의 사멸이나 단백질의 분해 등이 이루어 지는 것이다. 따라서 활성종들의 발생량을 늘리기 위해 H2O2를 플라즈마와 반응 시키거나 가스 조성비를 조절하는 등의 여러 방법들이 제시되었다. 특히 산소 원자를 포함하고 있는 활성종들을 Reactive Oxygen Species (ROS) 라고 부르는데 이들은 그 종류가 다양하고 효과 역시 탁월하다. 본 연구에서는 플라즈마 제트의 발생 조건을 조절하여 활성종의 발생을 증대시키는 방법에 대해 연구 하였다. 아르곤 가스 플라즈마를 물 속에서 발생시켜 물 분자와 플라즈마의 반응을 극대화 시키는 hybrid gas-liquid 플라즈마를 제작하였고 그 물리적 특성을 연구하였다. 플라즈마로 인해 처리된 물 속에서 활성종들의 농도를 측정하고 그 반응의 종류와 연쇄 반응에 또한 연구되었다. 플라즈마 반응의 결과로 OH 와 H2O2의 발생이 확인되었고 이를 이용한 치아 미백 실험 역시 수행 되었다. 치아 미백 실험의 결과 약 10분 이내에 자연 발생한 stein들이 완전히 분해됨을 볼 수 있었으며 치아 표면에 플라즈마로 인한 손상 또한 없음이 확인 되었다. 또한 플라즈마 구동 주파수에 따라 활성종들의 발생을 제어하는 방법도 연구되었다. 여러 시뮬레이션 연구에서 고주파수로 구동되는 플라즈마가 더욱 높은 에너지의 전자를 가진다는 연구 결과가 보고되었는데 높은 에너지의 전자들은 주변과 반응하여 활성종들의 발생을 도울 수 있다. 본 연구에서는 여러 시뮬레이션에서 보고되었던 활성종들의 발생을 실험적으로 증명 하였다. 고 주파수의 저 주파수를 이용한 두 개의 플라즈마 장비들이 제작되었고, 이들의 비교 실험을 통해 활성종들의 발생 정도를 비교하였다. 연구의 결과 고주파수의 플라즈마가 시뮬레이션에서 지적된 대로 저주파수의 플라즈마 보다 더욱 효과적인 반응을 하는 것이 증명 되었다.

The physical characteristic of various plasma jet was investigated to apply it at biomedical applications. The jet shape of plasma is very special because of its focused energy at a point. This shape has advantage on applications need fast and effective treatment on specific area of treated target. Radio frequency (RF) driven hybrid gas–water plasma was developed and the plasma chemical reactions with de-ionized (DI) water were studied. Plasma operating conditions, such as RF input power and argon flow rate were correlated with plasma lengths. The operation of hybrid plasma changed both the electrical conductivity and pH concentration of the DI water. OH and H2O2 were also generated. The major chemical reaction pathways and known rate constants are given in support of the analysis of major chemical reaction pathways. Finally, we demonstrated that the hybrid configuration achieved porcine tooth whitening. The characteristics of low frequency and microwave powered plasmas were investigated. Optical emission of two plasmas indicated that more chemicals were generated by microwave plasma than LF plasma with the intensities higher by a factor of about 9, 3 and 1.6 for OH (309 nm), O (777 nm) and NO (247 nm) respectively. Application experiments were also conducted. Steel plate became hydrophilic in 45 seconds of microwave plasma. It was more than ten times faster than LF plasma, relating to reactive species (OH, O, NO and others) generation measured by OES. The NO generation was verified by blood coagulation experiment. Microwave plasma coagulation was twice faster than LF’s. Simulation results to explain the reason of chemical generation in microwave plasma were also included. High energy electron was a major factor for the high generation of reactive species by microwave plasma characteristics.