키리가미 구조를 적용한 신축성 플라즈마 패치의 개발과 살균 응용 = Engineering of a Kirigami-Inspired Stretchable Plasma Patch and Its Application to Antibacterial

국문 초록 (Abstract)

기존에 연구되어 온 플렉서블 CAP(Cold Atmospheric Plasma) 패치 기술이 실제 피부 부착 환경에서 의료적 응용에 한계를 갖는다. 특히, 정사각형 형태의 기존 패치는 곡률이 큰 관절부나 불규칙한 피부 표면에 순응하기 어려웠으며, 안정적인 방전 공간을 확보하기 위해 별도의 간극 형성 매개체가 필요하다는 구조적 제약을 지니고 있다. 이 연구에서는 이러한 기술의 한계를 극복하기 위해 소재 자체의 물성을 변형하는 내재적 접근이 아닌, 기하학적 구조 설계를 이용한 외재적 접근 방식을 적용하여 개선 방향을 제시하고자 한다.
구체적으로, SDBD(Surface Dielectric Barrier Discharge) 방식의 플렉서블 CAP 패치 유전체에 Straight-Line 키리가미 절개 패턴을 적용하여, 인장 시 절개 패턴이 열리면서 3차원 구조를 형성할 수 있도록 ‘키리가미 패치’를 제작하였다. 이와 같은 기하학적 변형은 피부 접촉면에서 국소적인 방전 공간을 자연스럽게 형성함으로써, 보조 간극 형성 매개체 없이도 안정적인 플라즈마 발생이 가능하도록 하였다. 본 연구에서는 설계에 따라서 최대 신장률이 각 30%, 50%, 100%으로 설정된 30_PI, 50_PI, 100_PI의 세 가지 키리가미 패치를 제작하여, 기계, 전기, 살균 성능을 체계적으로 비교 분석하였다.
기계 성능 평가 결과, 100_PI 시편은 최대 약 80% 인장률까지 안정성을 유지하며 가장 높은 순응성을 보였고, 30_PI와 50_PI 역시 각기 다른 절개 패턴 비율에 따라 뚜렷한 변형 특성을 나타냈다. 특히, 30_PI와 50_PI 시편은 100_PI 시편에 비해 슬릿(slit) 밀도가 낮아 하중 분산이 제한되면서 응력(stress)이 더 높게 나타났으나, 일정 구간까지는 인장이 지속되는 경향을 보였다.
전기적 특성 분석 결과, 모든 시편에서 안정적인 표면 방전이 구현되었으며, Q–V Lissajous 곡선을 기반으로 단위 길이당 소모 전력을 정량화하여 구조 설계에 따른 전기적 효율 차이를 평가하였다. 또한, 방전 중 생성된 오존 농도를 측정하여 향후 진행될 살균 실험의 기초 자료로 활용하였으며, 슬릿 밀도에 따라서 방전 강도 및 활성종 생성이 영향을 받는다는 사실을 확인하였다.
또한, RONS 확산 시각화 실험을 통해 생성된 활성종들이 패치 하단 전 영역으로 균일하게 분포함을 규명하였다. 살균 시험에서는 황색포도상구균(Staphylococcus aureus)을 대상으로 한 실험에서 10분 이내에 99% 이상의 살균 효율을 달성하여, 구조적, 전기적 안정성이 실제 생물학적 효능으로 이어짐을 입증하였다.
본 연구를 통해 기하학적 구조 설계를 활용한 새로운 플렉서블 CAP 패치의 개념을 제시함으로써, 향후 피부 순응형 의료용 플라즈마 기기의 개발과 다양한 임상적 활용 가능성에 중요한 기술적 기반을 제공하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study addresses the inherent limitations of existing flexible Cold Atmospheric Plasma (CAP) patch technologies when applied to real-world skin-contact conditions for medical use. Conventional CAP patches offer limited conformability to highly curved corporal regions, such as joints, or irregular skin surfaces under complex deformations. Moreover, their structural design often requires auxiliary spacers or gap-forming media to maintain stable discharge environments, critically limiting practical applicability.
To overcome these limitations, this research adopted an extrinsic design approach based on geometric structuring rather than intrinsic material modifications. Specifically, a kirigami-inspired pattern, consisting of straight-line incisions, was introduced into the dielectric layer of a flexible CAP patch based on the Surface Dielectric Barrier Discharge (SDBD) principle.
When mechanically stretched, these incisions unfold into three-dimensional configurations, thereby generating localized discharge zones at the skin interface without the need for additional spacers, and enabling stable plasma formation.
Three distinct kirigami patch designs (30_PI, 50_PI, and 100_PI) were fabricated, corresponding to maximum stretch capacities of approximately 30%, 50%, and 100%, respectively. These variants were systematically evaluated in terms of mechanical compliance, plasma discharge characteristics, and antibacterial performance.
Mechanical testing revealed that the 100_PI sample maintained structural integrity under elongation up to approximately 80%, demonstrating superior conformability. The 30_PI and 50_PI samples exhibited distinct deformation behaviors; although they had lower slit densities than the 100_PI, resulting in reduced load distribution and higher stress, they sustained elongation within a certain range.
In the plasma discharge characterization, all samples exhibited stable surface discharges. The power consumption was quantified using Q-V Lissajous curves to evaluate the discharge efficiency differences across structural designs. In addition, the concentration of generated ozone during plasma discharge was measured to support subsequent antibacterial experiments. Slit density was also confirmed to influence both discharge intensity and the generation of reactive species.
Antibacterial performance was validated through in vitro assays against Staphylococcus aureus, achieving over 99% bacterial reduction within 10 minutes and thus substantiating the correlation between the structural/electrical robustness and bactericidal efficacy.
In conclusion, this study suggests a novel design paradigm for CAP devices via geometric structural engineering and provide a foundational framework for the development of skin-conformable medical plasma systems.

목차 (Table of Contents)

• 그림 차례
• 표 차례
• 초록
• 제1장 서론
• 1.1 연구 배경
• 1.2 논문 구성
• 제2장 기술 배경
• 2.1 플라즈마 개요 및 생성 원리
• 2.1.1 플라즈마의 정의 및 물리적 특성
• 2.1.2 대기압 환경에서의 콜드 플라즈마 구현 가능성
• 2.1.3 대기압 콜드 플라즈마 구현을 위한 SDBD 방식
• 2.2 플렉서블 CAP 패치 기술
• 2.2.1 플렉서블 CAP 패치 구조 및 구동 원리
• 2.2.2 플렉서블 CAP 패치의 항균 효능 및 생체 적합성 평가
• 2.2.3 플렉서블 CAP 패치의 한계와 기술적 진화 방향
• 2.3 키리가미(Kirigami) 기법 도입
• 2.3.1 키리가미 구조의 정의
• 2.3.2 키리가미 기법의 플렉서블 패치에의 적용 가능성
• 2.3.3 Straight-Line 키리가미 패턴의 도입
• 2.3.4 키리가미 구조의 자발적 방전 공간 형성 메커니즘
• 제3장 연구 목적
• 제4장 실험 방법
• 4.1 Straight-Line 키리가미 패턴 비율 설계
• 4.2 키리가미 패치 제작 공정
• 4.2.1 사용 재료 및 공정 장비
• 4.2.2 전극 제작 및 키리가미 구조화 단계
• 4.3 기계적 특성 평가
• 4.3.1 키리가미 구조의 기계적 특성
• 4.3.2 키리가미 전극의 기계·전기적 특성
• 4.4 기계적 변형 조건에서의 방전 형상 촬영
• 4.5 기계적 변형 아래 플라즈마의 실시간 전류 응답 분석
• 4.6 기하학적 구조 변형 전후의 방전 특성 평가
• 4.7 플라즈마 방전 특성 분석
• 4.7.1 Q–V 다이어그램 기반 방전 에너지 분석
• 4.7.2 오존 농도 정량 분석
• 4.8 RONS 생성 및 확산 시각화 실험
• 4.8.1 실험 재료
• 4.8.2 시각화 실험 조건 및 구성
• 4.9 키리가미 패치의 살균 효능 평가
• 4.9.1 균주 준비 및 실험 재료
• 4.9.2 방전 조건 설정 및 살균 실험 설계
• 제5장 실험 결과 및 해석
• 5.1 키리가미 패턴에 따른 기계적 특성 변화
• 5.1.1 인장 시험 기반 Stress-Strain 관계 분석
• 5.1.2 인장에 따른 전기 저항 변화 특성 분석 및 파단 거동 평가
• 5.1.3 전극 손상에 따른 Fracture point 구분 체계의 재정의
• 5.1.4 반복 인장-이완 실험 결과 및 내구성 평가
• 5.2 인장 조건 아래 플라즈마 방전 특성
• 5.2.1 방전 형상 변화 분석
• 5.2.2 실시간 방전 전류 및 전하 응답 특성 비교
• 5.3 인장 기반 방전 공간 형성 메커니즘 검증
• 5.4 방전 강도 및 오존 생성량 분석
• 5.5 RONS 시각화 생성 및 확산
• 5.6 키리가미 패치의 살균 효능
• 제6장 결론 및 종합 고찰
• 6.1 연구 요약
• 6.2 통합 해석
• 6.3 연구 의의 및 한계, 그리고 향후 연구 방향
• 6.4 종합 결론
• 참고문헌
• Abstract