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KR-20260061608-A - Flexible plasma generator and method for manufacturing flexible plasma generator

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Abstract

유연 플라즈마 발생원이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 유연 플라즈마 발생원은, 탄성 변형이 가능한 유전체 기판, 상기 유전체 기판의 일면에 형성되며 상기 유전체 기판의 변형을 따라 변형 및 복원이 가능한 제1 전극 및 상기 유전체 기판의 타면에 형성되며 상기 유전체 기판의 변형을 따라 변형 및 복원이 가능한 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 교류 전원 또는 펄스 전원이 인가되어 플라즈마가 발생될 수 있다.

Inventors

  • 김형수
  • 최원호
  • 편정수
  • 허성철

Assignees

  • 한국과학기술원

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (15)

  1. 탄성 변형이 가능한 유전체 기판; 상기 유전체 기판의 일면에 형성되며, 상기 유전체 기판의 변형을 따라 변형 및 복원이 가능한 제1 전극; 및 상기 유전체 기판의 타면에 형성되며, 상기 유전체 기판의 변형을 따라 변형 및 복원이 가능한 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 교류 전원 또는 펄스 전원이 인가되어 플라즈마가 발생되는, 유연 플라즈마 발생원.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 복수의 입자 형태로 소결된 액체금속; 및 상기 액체금속의 표면에 결합된 점증제를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 유전체 기판 상에 액상의 잉크 형태로 도포되고, 자가 소결되어 형성되는, 유연 플라즈마 발생원.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 상기 액체금속의 입자 사이에 상기 점증제가 개재되며, 단일층 구조로 형성되는, 유연 플라즈마 발생원.
  5. 제2항에 있어서, 상기 액체금속과 상기 점증제 사이에 폴리머가 개재된 구조로 형성된, 유연 플라즈마 발생원.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유전체 기판에 물리력을 가하여 기판 변형부를 더 포함하고, 상기 기판 변형부가 상기 유전체 기판을 변형시켜서, 플라즈마 발생량을 변화시키는, 유연 플라즈마 발생원.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기판 변형부는, 상기 유전체 기판의 일면과 타면 사이에 압력 차이를 설정하여, 상기 유전체 기판을 변형시키는 압력 챔버를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원.
  8. 탄성 변형이 가능한 유전체 기판을 배치하는 기판 배치단계; 상기 유전체 기판의 일면에, 용매가 증발되면 자발적으로 소결이 이루어지는 액체금속 슬러리 잉크로 제1 전극을 형성하는 제1 전극 형성단계; 및 상기 유전체 기판의 타면에, 상기 액체금속 슬러리 잉크로 제2 전극을 형성하는 제2 전극 형성단계를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 자가소결되는 상기 액체금속 슬러리 잉크를 제조하는 슬러리 잉크 제조단계를 더 포함하고, 상기 슬러리 잉크 제조단계는, 상기 용매에 액체금속을 혼합하여, 상기 용매에서 상기 액체금속을 분산시키는 액체금속 분산단계; 상기 용매에 점증제를 투입하여, 상기 액체금속과 상기 점증제의 합성체를 형성하는 합성체 형성단계; 및 상기 합성체를 침강시켜 슬러리를 형성하는 슬러리 형성단계를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 용매에 혼합된 상기 액체금속의 산화막을 제거하는 산화막 제거단계를 더 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 산화막 제거단계는, 상기 용매에 산을 투입하는 단계를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 용매에 혼합된 상기 액체금속의 분산을 안정화시키는 분산 안정화단계를 더 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 분산 안정화단계는, 분산된 상기 액체금속의 분산력을 조절하는 폴리머를 투입하는 단계를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 액체금속 분산단계는, 상기 용매에 초음파 처리를 하여 상기 액체금속을 분산시키는 1차 초음파 처리단계를 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 슬러리 형성단계 이전에, 상기 용매에 초음파 처리를 하는 2차 초음파 처리단계를 더 포함하는, 유연 플라즈마 발생원 제조방법.

Description

유연 플라즈마 발생원 및 유연 플라즈마 발생원 제조방법{Flexible plasma generator and method for manufacturing flexible plasma generator} 본 발명은 유연 플라즈마 발생원 및 유연 플라즈마 발생원 제조방법에 관한 것이다. 플라즈마 상태의 높은 반응성을 이용하여 대상물에 표면 처리하는 기술은 널리 이용되고 있다. 플라즈마는 진공, 대기압 또는 대기압에서 발생될 수 있으며, 그 온도에 따라 평균온도가 수만 도에 달하고 이온화 정도가 높은 고온 플라즈마와 평균온도가 상온보다 약간 높고 이온화 정도가 미약한 저온 플라즈마로 구분된다. 특히, 저온 플라즈마는, 반도체공정에서의 식각 및 증착, 금속이나 고분자의 표면처리, 신물질의 합성 등 다양한 분야에 유용하게 이용되고 있다. 그런데, 종래의 대기압 저온 플라즈마 장치는, 형상이 복잡한 표면에 적용하는데 제한적이며 단일한 장비로는 여러 곳에 활용하기가 어려운 한계가 있다. 따라서, 유연하게 변형이 가능하고 인장 및 수축이 용이한 대기압 저온 플라즈마 발생 기술에 대한 요구가 매우 크다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원을 나타낸 도면. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원에서 제1 전극을 나타낸 도면. 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원의 안정성 실험을 나타낸 도면. 도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원에서 제1 전극 및 제2 전극의 인장 시 특성을 나타낸 사진. 도 9 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원에서 제1 전극 및 제2 전극의 인장 시 특성을 나타낸 그래프. 도 14 내지 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원의 기판 변형부를 예시하는 도면. 도 20 내지 도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원 제조방법에서 슬러리 잉크 제조단계를 예시하는 도면. 도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원 제조방법의 슬러리 잉크 제조단계에서 형성된 액체금속과 점증제의 합성체를 나타낸 도면. 도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원 제조방법의 슬러리 잉크 제조단계에서 액체금속의 폴리머 캡핑을 나타낸 도면. 도 29는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원 제조방법의 슬러리 잉크 제조단계에서 제조된 액체금속 슬러리 잉크의 자가소결을 설명하는 도면. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다. 또한, 결합이라 함은, 각 구성 요소 간의 접촉 관계에 있어, 각 구성 요소 간에 물리적으로 직접 접촉되는 경우만을 뜻하는 것이 아니라, 다른 구성이 각 구성 요소 사이에 개재되어, 그 다른 구성에 구성 요소가 각각 접촉되어 있는 경우까지 포괄하는 개념으로 사용하도록 한다. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 이하, 본 발명에 따른 유연 플라즈마 발생원 및 유연 플라즈마 발생원 제조방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원은, 유전체 기판(50), 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)을 포함한다. 유전체 기판(50)은, 유전체(dielectric material) 재질로 이루어지며, 탄성 변형이 가능하다. 유전체는 절연체이므로 전하가 통과되지 않으며, 양전하에 대해서는 유전체의 음전하가 늘어서고 음전하에 대해서는 유전체의 양전하가 늘어서게 되어 극성을 지니게 된다. 이에 따라, 유전체가 갖는 고유한 유전율에 따른 유전 상수만큼 전기장의 전위차는 감소하게 되며, 유전체는 감소한 전위차에 해당하는 에너지를 저장하게 될 수 있다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 유전체 기판(50)은 평판 구조를 가지고 제1 전극(100)와 제2 전극(200) 사이에 배치되어서, 발생한 플라즈마로부터 전극으로 빠져 나가는 전하를 표면에 저항하고 이차전자를 방출하는 역할을 할 수 있다. 이 때, 유전체 기판(50)은 구성하는 유전체의 종류에 따라 적정한 두께로 형성되어 안정적인 플라즈마 방전이 이루어질 수 있다. 특히, 본 실시예의 유전체 기판(50)은 탄성 변형이 가능할 수 있다. 이에 따라, 여러 방향으로 인장(引張) 또는 수축될 수 있으며, 다양한 형상으로 변형도 가능할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 유전체 기판(50)은, 실리콘 고무(Silicone rubber), 니트릴 고무(Nitrile rubber), 염화비닐수지(Polyvinyl Chloride, PVC), PET(Polyethylene terephthalate), 수성 폴리우레탄(Waterborne polyurethane, WPU), PDMS(Polydimethylsiloxane), 천연고무(Natural rubber, Latex) 중 적어도 어느 하나의 재질을 포함할 수 있다. 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은 유전체 기판(50)에 서로 마주하여 형성되고, 플라즈마 방전에 필요한 전위차를 형성한다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 제1 전극(100)은 유전체 기판(50)의 일면에 형성되고, 제2 전극(200)은 유전체 기판(50)의 타면에 형성될 수 있다. 이에 따라, 유전체 장벽 방전 방식(Dielectric barrier discharge, DBD)의 플라즈마 방전 구조가 형성되며, 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)에 교류 전원(300) 또는 펄스 전원이 인가되어 플라즈마가 발생될 수 있다. 유전체 장벽 방전 방식의 플라즈마 방전 구조에서 전극들에 교류(alternating current, AC) 또는 펄스(pulse) 형태의 파워를 인가하면, 전극을 감싸고 있는 유전체 표면에 전하(charge)가 축적되고 이 후 전극의 극성이 바뀌면 유전체 표면에 축적되었던 전하가 방출되면서 전극 사이에 플라즈마가 형성될 수 있다. 이 때, 대기압 정도의 압력에서도 쉽게 플라즈마 방전을 얻을 수 있다. 특히, 본 실시예의 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 유전체 기판(50)의 변형을 따라 변형 및 복원이 가능할 수 있다. 예를 들어, 유전체 기판(50)이 늘어날 때에 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은 인장(引張)되고, 유전체 기판(50)이 원래 형태로 돌아올 때에 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)도 원래 형태의 복원이 가능할 수 있다. 또한, 유전체 기판(50)의 변형을 따라 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)이 압축되고, 압축된 후에 원래 형태로 복원도 가능할 수 있다. 구체적으로, 본 실시예의 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 복수의 입자 형태로 소결된 액체금속 및 액체금속의 표면에 결합된 점증제를 포함하여 구성됨으로써, 인장(引張) 또는 압축되며 형태의 복원이 가능할 수 있다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원에서 제1 전극(100)을 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 플라즈마 발생원의 제1 전극(100)에 대한 주사전자현미경(SEM) 이미지로 촬영된 정면도 및 측면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 복수의 입자 형태로 소결된 액체금속(120) 및 액체금속(120)의 표면에 결합된 점증제(135)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 본 실시예의 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)은, 유전체 기판(50) 상에 액상의 잉크 형태로 도포된 후에 자가 소결되어 형성될 수 있다. 특히, 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)에서, 액체금속(120)의 입자 사이에 점증제(135)가 개재되며, 단일층 구조로 형성될 수 있다. 액체금속(120)은 갈륨계 금속을 포함할 수 있다. 갈륨계 금속은 녹는점이 낮아 상온에서도 액상을 유지할 수 있다. 액체금속(120)도 갈륨계 금속으로 한정되지 않으며, 액체처럼 흐르는 성질을 가지며 전도성이 있는 모든 금속을 포함할 수 있다. 점증제(130)는, 폴리사카라이드 계열(잔탄검, 히알루론산, 카라기난 등), 폴리아크릴산(PAA), 수용성 폴리아크릴레이트(소듐 폴리아크릴레이트, 포타슘 폴리아크릴레이트 등) 및 수용성 합성 층상 점토 광물류(라포나이트, 헥토라이트 등)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 실시예의 제1 전극(100) 및 제2 전극(200)에서, 액체금속(120)이 서로 연결된 구조와 더불어 점증제(130)인 라포나이트(135) 입자로 액체금속(120)이 연결된 구조가 형성될 수 있다. 이 때, 액체금속(120)은 복수의 입자 형태로 소결될 수 있다. 이에 따라, 액체금속(120)의 입자 들이 직접 서로 연결된 구조가 형성될 수 있으며, 더불어 액체금속(120)의 표면에 결합된 점증제(130)를 통하여 액체금속(120)의 입자들이 연결된 구조(즉, 액체금속(120)의 입자 사이에 점증제(130)가 개재된 구조)도 형성될 수 있다. 액체금속(120