KR100592472B1

KR100592472B1 - 플라즈마를 이용한 살균장치

Info

Publication number: KR100592472B1
Application number: KR1020040116294A
Authority: KR
Inventors: 이희규
Original assignee: 이희규
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2004-12-30
Publication date: 2006-06-26

Abstract

본 발명은 살균장치에 관한 것으로서, 특히 아르곤가스가 분출되는 아르곤발생기와, 상기 아르곤발생기에 연결되어 아르곤가스의 유량을 2L/min으로 제어하는 유량제어기와, 상기 유량제어기와 연결됨과 아울러 순도 30%의 과산화수소를 분출하는 과산화수소 공급기가 연결되어 아르곤가스와 과산화수소가 혼합되며 배관 전체의 온도를 100℃로 설정하여 상기 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체를 가열하는 히터로 구성된 살균조건부; 상기 히터의 배관과 연결되어 상기 혼합기체가 유동하고 복수개의 분출구가 형성된 알루미늄튜브와, 상기 알루미늄튜브의 하측에 소정거리 이격되게 설치된 세라믹판과, 상기 세라믹판의 상면부에 부착되고 상면에 고초균포자가 도포된 필름과, 상기 알루미늄튜브와 세라믹판 및 필름을 수납하는 챔버로 구성된 반응기; 표준평판균수법에 의하여 상기 고초균포자의 콜로니수를 계산하는 계수기와, 상기 챔버 내부의 과산화수소의 잔류성과 농도를 측정하는 흡광광도계와, 상기 필름의 표면을 분석하여 살균대상의 영향을 평가하는 분광광도계로 구성된 살균평가부; 상기 알루미늄튜브와 상기 세라믹판에 20kV±2kV, 240Hz의 동작 전압을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성된 살균장치에 관한 것으로서, 상기 알루미늄튜브의 분출구를 통하여 상기 혼합기체를 상기 챔버 내부로 분출하여 1차 살균을 한 후, 상기 전원공급부를 동작시켜 상기 알루미늄튜브와 상기 세라믹판에 전압을 공급함으로써 상기 챔버 내부의 혼합기체를 플라즈마 상태로 활성화시켜 2차 살균을 하는 2단계의 살균과정을 거치기 때문에 살균효과를 높일 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 살균장치{A sterilization apparatus using plasma}

도 1은 본 발명에 따른 반응기에 동작전원을 공급하는 전원공급부의 회로도이고,

도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 전원공급부에서 측정한 고전압과 전류 파형도이고,

도 3은 본 발명에 따른 살균장치 블록도이고,

도 4는 본 발명에 따른 반응기 내부의 상세 구조도이고,

도 5a는 본 발명에 따른 과산화수소를 분사하는 것을 도시도이고,

도 5b는 본 발명에 따른 플라즈마를 분사하는 것을 도시도이고,

도 6a는 본 발명에 따른 과산화수소와 순수한 물로 실험한 시간에 따른 살균효과 결과 그래프이고,

도6b는 본 발명에 따른 2-스텝과 과산화수소만으로 실험한 시간에 따른 콜로니의 개체수 결과그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 조건부 20: 반응기

30: 평가부 40: 전원부

PM: 전력계 SD: 가변변압기

TR: 고전압 변압기 RSG: 스위치

본 발명은 플라즈마를 이용한 살균장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 흡입되는 공기 중에 포함된 먼지를 포집할 뿐만 아니라 악취를 제거하고 아울러 세균을 살균하여 실내 공기를 정화시키는 플라즈마를 이용한 살균장치에 관한 것이다.

플라즈마란 제4의 물질상태로 외부에서 가해진 전기장 등에 의해 생성된 이온, 전자, 래디칼 등과 중성입자로 구성되어 거시적으로 전기적 중성을 이루고 있는 물질상태이며, 이러한 플라즈마 내의 이온, 전자, 라디칼 등을 이용하여 재료의 표면 개질, 에칭, 코팅 또는 살균, 소독, 오존 생성, 염색, 폐수 및 수돗물 정화, 공기 정화, 고 휘도 램프 등의 분야에 널리 쓰이고 있다.

이러한 플라즈마는 발생 압력에 따라 저압(수 mmTorr 내지 수십 Torr) 플라즈마와 상압(수 십 Torr 내지 760 Torr) 플라즈마로 구분할 수 있다.

이중 저압 플라즈마는 플라즈마의 생성이 용이하나 저압의 상태를 유지하기 위한 진공 챔버, 배기 장치 등의 비용이 고가이며, 배치 타입(batch type)의 제품 투입 방식으로 인해 대량 처리에 한계가 있다. 반면에 대기압 플라즈마는 대기압 (760 Torr) 상태에서 플라즈마를 생성시키므로 고비용의 진공 시스템이 필요하지 않고, 연속 공정이 가능하여 대량 생산에 많은 이점이 있다.

또한, 식품이나 의료분야 등에 있어서 살균은 매우 중요하기 때문에 종래에는 고압증기, 에틸렌옥사이드나 과산화수소 등의 약제, 방사선등이 사용되고 있으나 처리하는 시간이 길고 약재의 잔류 등의 문제점도 있으며, 고속, 안전성, 확실성이 높은 살균법이 요구되고 있다.

본 발명은, 방전 플라즈마를 이용한 살균장치로 이미 실생활에서 사용하고 있으나 진공이 요구되기 때문에 사용범위는 제한적이다. 따라서 공기를 살균하기 위하여 과산화수소와 대기압 방전 플라즈마를 이용한 살균장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 살균함에 있어 반응기에 최적의 전압 즉, 20kV± 2kV, 240Hz의 전압을 일정하게 인가함으로써 살균의 효과를 최대화 할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기술적인 수단은 살균장치에 있어서, 아르곤가스가 분출되는 아르곤발생기와, 상기 아르곤발생기에 연결되어 아르곤가스의 유량을 2L/min으로 제어하는 유량제어기와, 상기 유량제어기와 연결됨과 아울러 순도 30%의 과산화수소를 분출하는 과산화수소 공급기가 연결되어 아르곤가스와 과산화수소가 혼합되며 배관 전체의 온도를 100℃로 설정하여 상기 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체를 가열하는 히터로 구성된 살균조건부; 상기 히터의 배관과 연결되어 상기 혼합기체가 유동하고 복수개의 분출구가 형성된 알루미늄튜브와, 상기 알루미늄튜브의 하측에 소정거리 이격되게 설치된 세라믹판과, 상기 세라믹판의 상면부에 부착되고 상면에 고초균포자가 도포된 필름과, 상기 알루미늄튜브와 세라믹판 및 필름을 수납하는 챔버로 구성된 반응기; 표준평판균수법에 의하여 상기 고초균포자의 콜로니수를 계산하는 계수기와, 상기 챔버 내부의 과산화수소의 잔류성과 농도를 측정하는 흡광광도계와, 상기 필름의 표면을 분석하여 살균대상의 영향을 평가하는 분광광도계로 구성된 살균평가부; 상기 알루미늄튜브와 상기 세라믹판에 20kV±2kV, 240Hz의 동작 전압을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성되어 있다.

본 발명에 의하면, 반응기의 동작전원으로 20kV±2kV, 240Hz를 인가함으로써 최대의 살균효과를 얻을 수 있다.

또한 과산화수소와 플라즈마를 이단계로 분사함으로써 살균 효과를 높일 수 있다. 즉, 반응기의 챔버 내부로 과산화수소를 분출하고 방전 플라즈마에 의하여 OH 래디컬을 발생시켜 멸균 처리를 하거나, 방전 플라즈마로 산소를 해리하여 만든 오존가스 또는 오존수에 의하여 멸균 처리를 함으로써 처리 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 멸균 처리후에는 OH래디컬이 산소와 물로 변환되기 때문에 환경오염에 적은 영향을 끼친다.

이하, 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하도록 한다.

도 1은 플라즈마 살균장치인 반응기에 동작 전원을 공급하는 전원 공급부로, 전원공급부(40)는 AC220V의 전원이 인가되는 전원 양단(a, b)과, 전원 양단에 연결된 전력계(PM)와, 전력계(PM)의 양단에 연결된 가변변압기(SD)와, 가변변압기(SD)와 연결된 고전압 변압기(TR)와, 고전압 변압기(TR)의 일측에 연결된 저항(R), 다이오드(D) 및 스위치(RSG: Rotary Spark Gap Switch)와, 스위치(RSG)의 일측과 고전압 변압기(TR)의 타단 사이에 연결된 캐패시터(C)로 구성되어, 캐패시터(C)와 스위치(RSG)의 타단 사이에 연결된 반응기(20)가 동작되도록 동작 전원을 공급하되, 살균작용의 효과가 최대가 되는 20kV±2kV의 고전압펄스의 일정한 전압을 반응기(20)에 공급한다.

반응기(20)의 인가전압은 20kv(240Hz, 5W)로 일정하고, 반응기의 전압과 전류치는 각각 고전압프로브와 전류프로브를 사용하여 오실로스코프를 통해 측정한 파형을 도시화 한 것으로 도 2a 내지 도2b와 같다.

아울러 도 2a는 5kV/div, 200mA/div, 2.5msec/div 이고, 도 2b는 5kV/div, 200mA/div, 250nsec/div 이다.

도 3은 살균장치 블록도로서, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 살균장치는 조건부(10), 반응기(20) 및 평가부(30)로 구성된다.
상기 조건부(10)는 아르곤가스가 분출되는 아르곤발생기(11)와, 상기 아르곤발생기(11)에 연결되어 아르곤가스의 분출유량을 2L/min로 제어하는 유량제어기(12)와, 상기 유량제어기(12)와 연결된 히터(14)로 구성되는데, 상기 히터(14)의 선단부에는 순도 30%의 과산화수소를 분출함과 아울러 과산화수소의 분출유량을 제어하는 과산화수소 공급기(13)가 추가 연결되어, 상기 히터(14)의 선단에서 아르곤가스와 과산화수소가 혼합된다. 이렇게 혼합된 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체는 배관의 온도가 100℃로 유지되도록 설정된 상기 히터(14)를 지나 후술할 반응기(20)의 챔버 내부로 유입된다.
한편, 상기 아르곤 가스와 과산화수소의 혼합기체 중 과산화수소의 농도는 600ppm이 되도록 한다.

다음 표는 살균실험의 조건을 보여준다.

살균처리	가스유량	챔버 내 온도	인가전압	과산화수소 농도
아르곤 방전처리	2L/min	20℃	20kV	--
과산화수소가스처리	2L/min	20℃	--	600ppm
과산화수소와 방전의 병용처리	2L/min	20℃	20kV	600ppm

반응기(20)는 도 4를 참조하여 자세히 설명하도록 한다.

평가부(30)는 살균평가의 3대 요소인 살균력과 약품의 잔류성 및 살균대상의 영향을 확인하기 위하여 계수기(31)와 흡광광도계(32) 및 분광광도계(33)로 구성된다.
상기 계수기(31)는 표준평판균수 측정법에 의하여 후술할 고초균포자(25)의 콜로니수를 계산함으로써 살균력을 측정하고, 상기 흡광광도계(32)는 상기 과산화수소와 플라즈마의 잔류농도를 측정하여 약품의 잔류성을 평가하며, 상기 분광광도계(33)는 후술할 필름(24)의 표면을 분석하여 살균대상의 영향을 평가한다.

삭제

도 4는 반응기 내부의 상세 구조도로, 상기 반응기(20)는 상기 히터(14)의 배관과 연결되고 상기 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체가 유동하는 알루미늄튜브(21)와, 상기 알루미늄튜브(21)의 하측에 소정거리 이격되게 설치된 세라믹판(23)과, 상기 세라믹판의 상면부에 부착된 필름(24)과, 상기 알루미늄튜브(21)와 세라믹판(23) 및 필름(24)을 수납하는 챔버로 구성된다.
상기 알루미늄튜브(21)는 상기 세라믹판(23)을 향하여 소정크기의 직경을 가진 분출구(22)가 일정간격으로 복수개 형성됨과 아울러 상기 챔버의 측면을 관통하여 상기 챔버의 바닥면과 평행하게 설치되며, 상기 세라믹판은(23)은 상기 챔버의 바닥면에 설치되고, 상기 필름(24)은 폴리프로필렌을 재료로 사용하는 것으로 상면에 살균평가지수로 이용되는 고초균포자(25)가 도포된다.
한편, 상기 알루미늄튜브(21)와 상기 세라믹판(23)에는 20kV±2kV, 240Hz의 동작 전압을 공급하는 전원공급부(40)가 연결된다.

살균과정과 플라즈마 발생과정을 상술하면, 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체를 상기 알루미늄튜브(21)에 형성된 복수개의 분출구(22)를 통하여 상기 챔버내의 필름(24)에 도포된 고초균포자(25)에 분사하여 1차 살균을 한다. 이후 상기 전원공급부(40)를 온(ON)시켜 상기 알루미늄튜브(21)와 세라믹판(23)에 방형파 펄스고전압(20kV, 240Hz)을 인가하면, 상기 알루미늄튜브(21)와 세라믹판(23) 사이의 공간에서 방전이 형성되고 상기 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체가 이온화되어 OH라디칼이 형성된다. 이렇게 형성된 OH라디칼을 이용하여 멸균처리를 행하는 것이다.

한편, 상기 챔버의 내부에는 대기가 유입되어 상기 아르곤가스 및 과산화수소의 혼합기체와 섞이게 되고, 상기 필름(24)에는 고초균 포자를 약 10⁷/cm²으로 도포한다.

도 5a 내지 도 5b는 과산화수소와 플라즈마를 분사하는 2단계 살균과정을 도시화한 것으로, 도 5a는 알루미늄 튜브의 분출구를 통해 필름 위의 고초균 포자 위에 과산화수소를 분사하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 5b는 알루미늄 튜브의 분출구를 통해 필름 위의 고초균 포자 위에 플라즈마를 분사시킴으로써 OH래디컬을 생성하는 모습을 나타낸 도면이다.

이 과정의 화학식은 다음과 같다.

H₂O₂+ e -> OH + OH + e

도6a는 2단계에 의한 고초균 포자의 살균 효과 그래프로 과산화수소와 순수한 물로 실험한 시간에 따른 살균효과 결과이고, 도6b는 2-스텝과 과산화수소만으로 실험한 시간에 따른 콜로니의 개체수 결과이다.

조건은 과산화수소: 600ppm, 가스유량 2L/min, 펄스: 20kV, 240Hz, 5W, CFU(Coiorm Forming Units, 세균의 밀도 측정 단위): 10⁶/cc

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하 청구 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자 라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

이상에서 자세히 설명된 바와 같이, 본 발명은 반응기의 동작전원으로 20kV±2kV를 인가함으로써 최대의 살균효과를 얻을 수 있다.

또한, 과산화수소와 플라즈마를 이단계로 분사함으로써 살균 효과를 높일 수 있다. 즉, 반응기의 챔버 내부로 과산화수소를 분출하고 방전 플라즈마에 의하여 OH 래디컬을 발생시켜 멸균 처리를 하거나, 방전 플라즈마로 산소를 해리하여 만든 오존가스 또는 오존수에 의하여 멸균 처리를 함으로써 처리 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 멸균 처리후에는 OH래디컬이 산소와 물로 변환되기 때문에 환경오염에 적은 영향을 끼친다.

또한 OH 래디칼은 공기 중에 수명이 1ms정압 이하로 오존에 비교하여 극히 짧음으로써 안전성을 높일 수 있다.

Claims

아르곤가스가 분출되는 아르곤발생기와, 상기 아르곤발생기에 연결되어 아르곤가스의 유량을 2L/min으로 제어하는 유량제어기와, 상기 유량제어기와 연결됨과 아울러 순도 30%의 과산화수소를 분출하는 과산화수소 공급기가 연결되어 아르곤가스와 과산화수소가 혼합되며 배관 전체의 온도를 100℃로 설정하여 상기 아르곤가스와 과산화수소의 혼합기체를 가열하는 히터로 구성된 살균조건부;

상기 히터의 배관과 연결되어 상기 혼합기체가 유동하고 복수개의 분출구가 형성된 알루미늄튜브와, 상기 알루미늄튜브의 하측에 소정거리 이격되게 설치된 세라믹판과, 상기 세라믹판의 상면부에 부착되고 상면에 고초균포자가 도포된 필름과, 상기 알루미늄튜브와 세라믹판 및 필름을 수납하는 챔버로 구성된 반응기;

표준평판균수법에 의하여 상기 고초균포자의 콜로니수를 계산하는 계수기와, 상기 챔버 내부의 과산화수소의 잔류농도를 측정하는 흡광광도계와, 상기 필름의 표면을 분석하여 살균대상의 영향을 평가하는 분광광도계로 구성된 살균평가부;

상기 알루미늄튜브와 상기 세라믹판에 20kV± 2kV, 240Hz의 동작 전압을 공급하는 전원공급부를 포함하여 구성되어,

상기 알루미늄튜브의 분출구를 통하여 상기 혼합기체를 상기 챔버 내부로 분출하여 1차 살균을 한 후, 상기 전원공급부를 동작시켜 상기 알루미늄튜브와 상기 세라믹판에 전압을 공급함으로써 상기 챔버 내부의 혼합기체를 플라즈마 상태로 활성화시켜 2차 살균을 하는 2단계의 살균과정을 거치는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 살균장치.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 챔버의 내부에는 대기가 유입되어 상기 아르곤가스 및 과산화수소의 혼합기체와 섞이는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 살균장치.