KR101702402B1 - 자외선 처리 챔버 - Google Patents

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KR101702402B1
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제임스 랜달 쿠퍼
리차드 메이
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울트라바이올렛 사이언시스, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명의 액체 처리 장치는 적어도 하나의 내부 표면을 가지고 유체의 통과를 위해 적용된 챔버를 포함한다. 상기 챔버는 적어도 80%가 둘러싸인다. 또한, 상기 장치는 상기 챔버 내부에 위치하고 상기 유체 통과를 위해 적용된 선택적인 자외선 투과성 튜브를 포함한다. 상기 장치는 상기 챔버 그리고 선택적으로 상기 자외선 투과성 튜브 내부에 위치하는 자외선 램프를 더 포함한다. 반사물질이 상기 챔버와 상기 투과성 튜브 사이에 개재된다. 상기 반사물질은 상기 자외선 램프에 의해 방출된 빛의 적어도 일부분을 반사시키고 적어도 80%가 반사성이다.

Description

자외선 처리 챔버{ULTRAVIOLET LIGHT TREATMENT CHAMBER}
본 발명은 '자외선 처리 챔버' 란 명칭으로 2009년 3월 31일에 출원된 미국특허출원 제12/416,075호의 계속출원이며 참조로 여기에 포함된다.
본 발명은 자외선을 이용한 유체 처리에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 자외선을 이용한 전문적 유체 처리에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 미생물을 불활성화하기 위해 자외선을 이용한 유체의 처리에 관한 것이다.
시영(市營)의 식수공급설비, 산업용 처리 및 의약품 제조를 위한 초고순도의 급수시설과 같은 곳에서의 액체와 기체, 실험용 물과 시약, 무균실에서 사용되는 기체 등의 오염을 줄이기 위한 다양한 접근법을 이용한다. 이러한 접근법은 액체 및/또는 기체 처리 공정뿐 아니라 화학적 연무제 (chemical aerosols), 화학적 방부제(chemical preservatives), 미세여과법(microfiltration) 및 이와 유사한 물질에 대한 필요성을 줄이거나 없애는데 흔히 이용된다.
튜브형 몸체 외부의 자외선으로 매체(media)를 조사(irradiating)하는 장치가 예를 들어, 미국특허 제4,948,980호에 기재되어 있는데, 이를 참조로 여기에 포함한다. 미국특허 제4,948,980호는 조사되는 매체가 유동하는 튜브형 몸체, 및 상기 튜브형 몸체의 외부에 배치된 반사기(reflector)들을 구비하고 평행한 축들을 갖는 적어도 두 개의 자외선 광원으로 이루어진 장치를 제공한다. 미국특허 제4,948,980호에 개시된 장치는, 램프에 의하여 전달되는 광 패턴(light pattern)의 균일성을 제어하기 위하여 정반사기(specular reflector)에 의존한다. 램프 광원들은, 반사기의 광학 효과를 최소화하기 위하여 상대적으로 편평하며, 정반사기 내에서 그들의 가장자리(edge)위에 정렬된다. 유감스럽게도 미국특허 제4,948,980호에는 액체나 기체를 효과적으로 처리하기 위해 제공될 수 있는 조사량을 상당히 제한한 접근법을 개시한다. 예를 들어, 미국특허 제4,948,980호는 저흡수 단면(low absorption cross section)을 가진 기체 또는 액체를 처리하기 위한 고반사율 확산 반사기(high reflectivity diffuse reflector)의 사용을 인식하지 못하고 있으며 챔버 전체의 순반사율(net reflectivity)이 100%에 가까워짐에 따라서 목표물에 전달되는 조사량이 크게 증가할 것이라는 것을 예측하지 못하고 있다.
여기에 참조로 포함되는 미국특허출원공개 제2004/0166018호에는 확산 반사성 거동을 갖는 내부 표면들을 포함하는 자외선 공기 살균 챔버(UV air sterilization chamber)가 기재되어 있다. 살균 챔버는 공기가 챔버를 통하여 유동할 수 있게 하기 위한 유입구(inlet aperture) 및 배출구(outlet aperture), 그리고 자외선을 방출하는 광원을 포함한다. 유감스럽게도 미국특허출원공개 제2004/0166018호에 기재된 접근법에는 몇 가지 문제점이 있다. 예를 들면, 이들 접근법은 챔버의 총 체적 대비 투명 또는 반투명한 수용 체적(containment volume)을 증가시키기 위한 시도가 없기 때문에 상기 장치의 성능을 극대화하지 못한다. 또한, 반사기는 처리되는 매체로부터 분리되지 않으며 챔버를 개방하지 않고는 램프를 대체할 방법이 없기 때문에 해당 시스템을 사용하고 유지하는 데 어려움을 증가시킨다.
여기에 참조로 포함되는 미국특허 제6,228,332호에는, 미생물(microorganism)의 불활성화(deactivation)를 위하여 물을 처리하는 데 사용되는 짧은 지속시간 및 높은 강도로 펄스화된 광범위 스펙트럼 다색광(high-intensity pulsed broad-spectrum polychromatic light)이 개시되어 있다. 미국특허 제6,228,332호에 기재된 바와 같이, 물 속 미생물의 불활성화는 그 물에 광범위 스펙트럼 다색광의 적어도 하나의 짧은 지속시간 및 고강도의 펄스를 조사(illumination)하는 것과 관련된다. 그 시스템은 유동성 물을 위한 유입구(inlet port) 및 배출구(outlet port)를 갖는 방수 하우징(watertight housing)을 포함한다. 그 방수 하우징 내부에는 미생물들을 불활성화시키기 위한 튜브형 광원 및 물의 유동을 지향시키기 위한 튜브형 배플(tubular baffle)이 배치된다. 물은 유입구로 들어가고, 방수 하우징과 튜브형 배플 사이를 일 방향으로 그리고 튜브형 배플의 말단을 돌아서 유동하되, 튜브형 배플의 중심을 지나 되돌아서 배출구로 나가는 제2 방향으로 유동한다. 이 경우에는 물은 광범위 스펙트럼 다색광의 적어도 하나의 짧은 지속시간 및 높은 강도의 펄스를 제공하는 튜브형 광원을 돌며 유동한다. 그러나, 상기 미국특허 제6,228,332호에 개시된 접근법에도 몇 가지 문제가 있다. 예를 들면, 상기 미국특허에 기재된 접근법은 액체나 기체 목표물을 처리하기 위하여 반사면을 이용하지 않거나 처리 챔버를 실질적으로 밀폐(enclose)시키지 않기 때문에 해당 접근법의 효율성이 제한된다.
본 발명의 목적은 상술된 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 다양한 실시예에서 본 발명은 자외선을 이용하여 액체와 기체를 처리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 시영의 식수공급설비, 생산 가공 및 의약품 제조를 위한 초고순도의 급수시설과 같은 곳에서의 유체, 예를 들어 액체와 기체, 실험용 물과 시약, 무균실에서 사용되는 기체 등의 오염을 처리하고/하거나 줄일 수 있는 유용한 접근법이 여기에 기재된다.
본 발명의 일 실시예에서, 액체 처리 장치는 적어도 하나의 내부 표면을 갖는 챔버를 포함한다. 챔버는 적어도 80% 가 밀폐된다(enclosed). 또한, 액체 처리 장치는 챔버 내부에 위치하며 액체(또는 기체)의 흐름을 위해 적용된 자외선(UV) 투과성 튜브를 포함한다. 액체 처리 장치는 자외선 램프를 더 포함하며, 자외선 램프는 UV 투과성 튜브 내부에 위치한다. 반사물질(reflective material)이 상기 챔버와 투과성 튜브 사이에 개재되어 있으며 자외선 램프가 방출한 빛의 적어도 일부분을 반사시킨다. 일례로 반사물질은 적어도 80%를 반사한다. 혹은 유체, 예를 들어, 액체는 두 개의 UV-투과성 튜브 사이를 이동할 수 있다. 이때 하나의 UV-투과성 튜브는 다른 UV-투과성 튜브 내에 동심원으로 배치된다.
이들 실시예 대부분에서, 자외선 램프에서 나온 제1광과 반사물질에서 반사된 제2광(및 후광)이 만나 예상외로 통상적으로 균일한 배광이 액체 체적 내에서 발생한다. 다시 말해서, 본 발명의 접근법을 이용한 배광이 일반적으로 종래 기술 시스템에서 기대되는 것 보다 더 균일하다.
이들 실시예의 다른 관점에 따르면, 높은 투과성 액체나 기체를 사용하면 더 나은 반사기나 반사면에 의해 플루엔스가 증가한다. 이때 액체를 둘러싼 대부분의 표면적, 예를 들어, 80% 이상이 고도로 반사한다.
또 다른 실시예에 따르면, 균일성과 플루엔스가 증가한다. 액체의 투과율이 상당히 높다면, 균일성이 증가할 수 있으나 플루엔스가 증가한 만큼 성능에 영향을 미치지는 않는다.
반사물질은 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 일례로, 반사물질은 챔버의 내부 표면을 감싸도록 배치된다. 다른 예로, 반사물질은 투과성 튜브의 외부 표면에 배치된다. 또 다른 예에서, 반사물질이 챔버 내부 표면에 반사물질을 도포함으로써 배치된다. 또 다른 예에서, 반사물질은 투과성 튜브의 외부 표면에 배치된다. 이때, 유체가 자외선 램프 및 투과성 튜브 사이를 유동하고, 자외선 램프는 투과성 튜브 내부에 동심원으로 배치될 수 있다.
또한, 자외선 램프는 많은 여러 가지 구성과 위치로 배치될 수 있다. 일례로, 자외선 램프는 투과성 보호 슬리브(protective sleeve) 내부에 배치되며, 투과성 보호 슬리브는 UV 투과성 튜브 내부에 동심원으로 선택적으로 배치된다. 본 발명에서 자외선 램프의 다른 구성과 배치, 예를 들면 중심을 벗어난 배치가 가능하다.
또한, 반사물질은 많은 서로 다른 제제에 따라 구성될 수 있다. 예를 들면, 반사물질은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌 (expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE), 코팅된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 및 광택처리된 알루미늄(polished aluminum) 중 적어도 하나의 물질로 이루어 질 수 있다. 또한, 반사물질은 바인더 및 반사성 첨가물의 혼합물로 구성될 수 있다. 반사성 첨가물은 황산바륨(barium sulfate), 불화마그네슘 (magnesium fluoride), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화홀뮴(holmium oxide), 산화칼슘(calcium oxide), 산화란타늄(lanthanum oxide), 산화게르마늄(germanium oxide), 산화텔루륨(tellurium oxide), 산화유로퓸(europium oxide), 산화에르븀(erbium oxide), 산화네오디뮴(neodymium oxide), 산화사마륨(samarium oxide), 산화이테르븀(ytterbium oxide), 및 산화지르코늄(zirconium oxide) 중 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있다.
또한, 상기 장치는 UV-투과성 튜브를 수용하기 위한 입력포트 및 출력포트, 예를 들면, UV-투과성 튜브가 챔버에 들어가고 나오는 곳을 포함할 수 있다. 각 포트는 여러 가지 상이한 구성을 상정할 수 있다.
게다가, 본 발명의 접근법에 의해 제공되는 자외선 조도(irradiance)는 다양한 범위에 속할 수 있다. 일례로, 액체에 입사하는 자외선 조도는 대략 0.01W/cm2 내지 20W/cm2의 범위 내에 있다. 다른 예의 범위도 가능하며 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명의 접근법은 이전 접근법에 비해 용이한 경제적 실현 및 정해진 전원 입력에서 액체나 기체 목표물에 더욱 효과적인 처리 조사량을 제공한다. 해당 접근법은 생물 작용제 (biological agent)을 감소시키거나 제거하기 위해 사용된다. 또한, 화학약품을 제거하거나 활성화시키는 데 이용될 수 있다.
하기 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면상에서 동일 부호는 본 발명의 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자외선 처리 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자외선 처리 시스템의 개략도이다.
도 3은 도2의 자외선 처리 시스템의 종단면도이다.
도 4는 도2의 처리 시스템의 외부 사시도이다.
도 5는 도2의 자외선 처리 시스템의 측면도이다.
도 6 내지 8은 본 발명의 여러 가지 실시예에 따른 자외선 처리 시스템의 광흡수성을 나타내는 도표이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 챔버의 내부 표면에 위치한 반사물질을 구비한 처리 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 두 개의 자외선 투과성 튜브 사이에 위치한 유체를 나타내는 개략도이다.
하기, 본 발명을 실시하기 위하여 제시된 최적의 실시예(best mode)가 설명되나. 본 발명은 이에 제한되지 않고 본 발명의 일반적인 원리를 설명하고 그의 예를 제공하기 위한 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위를 참고하여 확인되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 장치는, 액체 또는 기체 목표물을 처리하기 위하여 필요한 총 자외선 강도(total UV power)를 특정의 조사 수준(dose level)으로 크게 저감시킨다. 이는 초고반사율(extremely high reflectivity)의 라이닝(lining) 또는 코팅(coating)을 가진 벽을 구비한 챔버 내부에 목표물과 자외선 광원을 밀폐시키고 챔버 벽의 개구와 챔버 내부의 흡수면의 크기 및 개수를 최소화시킴으로써 이루어진다. 상기와 같은 챔버 설계를 통해 광자 적층(photon deposition)을 증가시키고 결과적으로 자외선 조사 효율을 향상시킨다. 챔버 벽 반사율 및 챔버 밀폐율이 100%에 가까워짐에 따라 목표물에 전달되는 조사량이 기하급수적으로 증가하기 때문에, 상기 두 조건을 조합함으로써 시너지 효과가 발생한다. 이러한 시너지 효과는 각 조건의 개별적인 효과의 합보다 더 효율적이다. 예를 들어, 99% 의 반사율을 가진 벽으로 완전히 밀폐된(enclosed) 챔버는 90%의 반사율을 가진 벽을 구비한 동일한 챔버가 목표물에 전달하는 것보다 10 배 많은 조사량을 전달할 것이다.
챔버 벽들로부터 유체, 예를 들어 액체나 기체를 분리시키기 위한 자외선 투과성 튜브(transmissive tube) 내에서 유체를 처리하는 것이 유리하다. 상기 튜브는 전술된 챔버 안으로 도입될 수 있다. UV-투과성 튜브 안의 목표물 및 튜브 내측의 목표물을 운반하는 투과성 매체로 전달되는 조사량을 극대화하기 위하여, 자외선 투과성 튜브는 가능한 많은 챔버 체적을 밀폐시켜야 한다. 이를 통해 자외선 투과성 튜브를 통과하여 목표 영역 내로 가지 않고 벽들 사이에서 반사되는 빛의 양을 최소화시킨다.
가시광선보다 짧은 파장을 갖는 자외선은 일반적으로는 대략 7.5 x 1014 Hz 내지 3 x 1016 Hz 사이의 주파수에 대응되는 대략 10 nm 내지 400 nm 사이로 측정되는 파장을 포함하는 것으로 여겨진다. 전자기 스펙트럼상에서, 자외선은 가시 스펙트럼 내에 있는 보라색 광보다 짧은 파장을 가지고 X선 보다는 긴 파장을 갖는다. 자외선은 세 가지 범주, 즉 대략 300 nm 내지 400 nm의 파장을 가지며 가시광선에 가장 가까운 근자외선(near ultraviolet; NUV); 대략200 nm 내지 300 nm의 파장을 가지고 NUV 뒤에 위치한 원자외선(far ultraviolet; FUV); 및 대략 100 nm 내지 200 nm 의 파장을 가지고 FUV의 뒤 그리고 X선의 앞에 위치한 초자외선(extreme ultraviolet; EUV)으로 나뉜다. 또한 자외선은 생물학적 효과에 기초하여 UV-A (대략 320 nm 내지 400 nm), UV-B (대략 280 nm 내지 320 nm), 및 UV-C (대략 100 nm 내지 280 nm) 대역들로 구분되기도 하는데, 이들은 전술한 지정사항들에 직접적으로 상응하지는 않는다.
대부분의 자외선 조사 과정은 200 nm보다 긴 파장을 가진 자외선 광자들에 의하여 자극을 받을 때에 발생할 수 있지만, 많은 응용분야에서 과정 속도를 증가시키기 위하여 200 nm 미만의 광을 이용한다. 이러한 방식의 종래기술에서는 대부분의 광원 효율은 상대적으로 낮다. 이와 같은 낮은 효율은 자외선 광자들을 소정의 목표물에 전달하는 효율적인 시스템에 대한 종래기술에서 오래도록 느꼈던 필요성을 더 증대시킨다.
이하, 본 발명의 따른 자외선을 이용한 유체, 예를 들어 액체와 기체를 처리하기 위한 방법 및 장치를 설명한다. 하기 설명은 특히 유체의 처리에 관한 것이지만, 본 실시예의 장치는 현탁액이나 유제(emulsion) 내의 입자들, 식품, 외과용 기구 등과 같은 고체 물질의 처리에도 쉽게 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 처리 챔버는 상기 튜브 재료와 입출력 포트를 제거하고, 고체 물질의 배치를 위한 공동(cavity)으로 대체하여 적용될 수 있다. 이러한 배치로 상기 처리 챔버를 완전히 또는 거의 완전히 밀폐시킬 수 있다. 고체 재료 외에도, 시약병, 혈액 및 혈액성분의 파우치, 그리고 다른 미리 포장된 유체와 같이 용기 내에 둘러싸인 유체도 본 발명의 약간 변형된 장치를 이용함으로써 처리할 수 있다.
자외선은, 박테리아, 바이러스, 진균류, 곰팡이 포자, 원생동물 및 유사한 생체 시료를 포함한 미생물을 불활성화 또는 사멸시키는 데 유용하다. 불활성화는, 자외선 조사가 핵산, 즉 디옥시리보핵산(DNA) 및/또는 리보핵산(RNA)) 및 단백질, 예를 들어 효소 등의 생체 분자를 변형 또는 변이시킬 때에 야기된다. 천연의 DNA 가 충분한 수준의 자외선 조사에 노출되면, 유전 물질에 돌연변이가 일어난다. 가장 흔한 돌연변이는, 5, 6-사이클로부틸 디피리미딘(5, 6-cyclobutyl dipyrimidines), 피리미딘 이합체(pyrimidine dimers), 피리미딘 어덕트(pyrimidine adducts), 피리미딘 하이드레이트(pyrimidine hydrates), 및 DNA-단백질 교차결합(DNA-protein crosslinks)이다. 직접적인 단백질 손상은 덜 흔하지만, 290nm 보다 큰 파장을 흡수하는 단백질에 의한 다른 생체 분자의 간접적인 손상이 특히 관련이 있다. 이들 파장을 흡수하는 단백질은 일반적으로 트립토판(tryptophan) 및 티로신(tyrosine)을 포함한다. 산소가 존재하는 경우, 트립토판의 삼중항 들뜬 상태(excited triplet state)로부터 에너지가 전달되어 일중항산소(singlet oxygen)를 생성한다. 따라서, 단백질 내의 트립토판은 UVB 파장 범위 내에서 활성 산소(free-radical oxygen)를 생성시킴으로써 내생적 광감작제(endogenous photosensitizer)로서 기능하는데, 활성 산소는 단백질, 불포화 지질, 및 핵산의 염기와 반응한다. 어느 경우이든, 자외선 조사는 세포의 단백질, 지질, 및 탄수화물을 손상시킬 수 있는 일중항 산소 및 하이드록실 자유 라디칼(hydroxyl-free radicals)의 생성을 촉진한다.
막형성 미생물(membranous microorganism)은, 자외선 조사가 미생물의 막을 관통하여 그 유전 물질 그리고 상대적으로 적게는, 단백질(예를 들어, 효소)를 변형시키면 불활성화되거나 사멸한다. 미생물이 생체 분자에 심한 손상을 입는 경우에는 그 미생물이 죽을 수 있다. 유전자 및/또는 단백질이 변형되었지만 완전히 파괴되지 않은 경우에는, 미생물이 더 이상 생식할 수 없을 수 있다. 대부분의 미생물이 짧은 수명을 갖기 때문에, 생식 능력이 없으면, 자외선 조사로 처리된 물질 내의 개체군 크기가 급속히 감소할 것이다.
바이러스의 경우에는, 바이러스가 더 이상 숙주 세포를 감염시키고/감염시키거나 숙주의 세포 기구(cellular machinery)를 이용하여 숙주 생물내에서 증식할 수 없도록, 자외선 조사가 유전물질에 돌연변이를 일으킨다. 엔테로박테리아 클로아카(Enterobacteria cloacae), 클레브시엘라 뉴모니아(Klebsiella pneumoniae), 슈도모나스 애루기노사(Pseudomonas aeruginosa), 살모넬라 티피무리움 에이(Salmonella typhimurium A), 비브리오 콜레라(Vibrio cholerae), 및 에스케리시아 콜라이(Escherischia coli)와 같은 전형적인 박테리아를 99.99% 불활성화시키는 자외선 조사량은 대략 20 mJ/cm2 내지 30 mJ/cm2이다. 포자가 형성될 수 있는 상황에서 바실루스 서브틸리스(Bacillus subtilis)와 같은 포자를 형성하는 박테리아에 대하여는, 조사량이 통상적으로 적어도 대략 60 mJ/cm2정도로 높다. 폴리오(polio) 및 로타바이러스(rotavirus) 등의 바이러스의 불활성화는, 대략 30 mJ/cm2 내지 40 mJ/cm2사이의 조사량을 필요로 하지만, 다른 바이러스들은 더 높은 조사량을 필요로 할 수 있다. 크립토스포리디움 파븀(Cryptosporidium parvum) 및 지아르디아 뮤리스(Giardia muris)와 같은 원생동물(protozoa)은 대략 10 mJ/cm2정도로 낮은 조사량에 의하여 사멸되었다 (자외선 응용 핸드북(Ultraviolet Applications Handbook), 제2판, James R. Bolton, 볼튼 포토사이언스 사(Bolton Photosciences, Inc.), 2001, 37쪽).
또한 자외선은 화학물질, 특히 유기 화학물질을 더욱 안전한 성분, 또는 활성탄 여과(activated carbon filtration), 레진 베드(resin beds), 또는 역삼투(reverse osmosis)(이들 중 어느 것이라도 본 발명에 따른 장치 및 방법과 함께 이용될 수 있음)에 의하여 보다 쉽게 제거될 수 있는 성분으로 분해하는 데에도 이용된다. 이러한 분해는, 물 분자 또는 OH- 라디칼의 다른 공급원과 자외선이 상호작용하여 화학 분자의 근처에서 생성되는 OH- 라디칼에 의한 분해, 또는 양방향 직접적인 광자 흡수의 결과이다. 또한, 자외선 이용과 함께 오존이나 과산화수소 첨가 등의 진보된 산화 방법을 이용하여 상기와 같이 분해할 수 있다.
해리 파장(dissociation wavelengths) 및 유기물 내의 공통적인 화학결합을 해리할 수 있는 최대 파장에 관하여 하기 표로 나타낸다: 의약품적 물 처리에 대한 자외선 기술의 응용(The application of UV technology to pharmaceutical water treatment)", 박시사란, 에스.(Bakthisaran, S.) 비경구 과학 유럽 저널(European_Journal of Parenteral Sciences), 3(4), pp.97-102, 1998.
유기물의 원자간 결합에 대한 해리 에너지
화학결합 해리에너지(자외선조사량)(kcal/gmol) 해리 최대 파장(nm)
C-C 82.6 346.1
C=C 14.5 196.1
C≡C 199.6 143.2
C-CI 81.0 353.0
C-F 116.0 246.5
C-H 98.7 289.7
C-N 72.8 392.7
C=N 147.0 194.5
C≡N 212.6 134.5
C-O 85.5 334.4
C=O(알데히드) 176.0 162.4
C=O(케톤) 179.0 159.7
C-S 65.0 439.9
C=S 166.0 172.2
H-H 104.2 274.4
N-N 52.0 549.8
N=N 60.0 476.5
N≡N 226.0 126.6
N-H(NH) 85.0 336.4
N-H(NH3) 102.2 280.3
N-O 48.0 595.6
N=O 162.0 176.5
O-O(O2) 119.1 240.1
-O-O- 47.0 608.3
O-H(물) 117.5 243.3
S-H 83.0 344.5
S-N 115.2 248.6
S-O 119.0 240.3
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 처리 챔버의 개략도가 도시되어 있다. 챔버(100), 자외선 램프(102), 자외선 투과성 튜브(104), 유체, 예를 들어 액체(106), 광반사물질(108), 및 선택적인 투과성 튜브(또는 램프 슬리브(lamp sleeve))(110)가 도시되어 있다. 또는, 자외선 램프가 자외선 투과성 튜브 (104) 내부에 밀폐될 수 있다. 챔버(100)는 자외선 램프(102) 및 자외선 투과성 튜브(104)를 포함한다. 자외선 램프(102)는 선택적인 투과성 튜브(110)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 챔버(100)는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 광반사물질(108)로 도포(coating), 덮임(covering), 또는 라이닝(lining)될 수 있다. 자외선 램프(102)는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 자외선 투과성 튜브(104)로부터 물리적으로 분리된 위치에 배치될 수 있다. 광 투과성 튜브(104)는 챔버(100)를 관통하여 이어져 있고, 거기에서 자외선 램프(102)에서 나온 자외선에 노출된다. 상기 튜브(104)에는 예를 들어 물, 공기, 실험 시약, 혈액 성분(예를 들어, 적혈구, 백혈구, 혈장), 판매용 음료 등을 포함한 임의의 형태의 유체, 예를 들어 액체(106) 또는 기체를 운반할 수 있다. 따라서, 액체(106)가 자외선 투과성 튜브(104)를 통과함에 따라 액체(106)는 액체(106) 처리에 유용한 자외선 광자에 노출된다.
도 1의 챔버(100)는 챔버(100)를 관통하여 이어지는 자외선 투과성 튜브(104)를 위한 입출력 포트(input and output port)(미도시)를 갖는다. 그러나, 상기 입출력 포트는, 챔버(100)가 가능한 실질적으로 밀폐되도록 하는 형태를 갖는다. 예를 들어, 입력포트 및/또는 출력포트는, 챔버의 밀폐(enclosure)을 증가시키기 위하여 기체 및/또는 액체 유동을 위한 엘보우 경로(elbow path), 코일 경로(coiled path), 또는 다른 구불구불한 경로(serpentine path)를 이용할 수 있다. 밀폐를 더 증가시키기 위하여, 유동 경로가 작은 직경으로 제약될 수 있고/있거나 반사기가 광이 도입되는 영역을 넘어서는 거리로 연장될 수 있다. 또한 배플(baffles)과 같은 특정 장치를 본 발명의 장치에 결합하여 챔버(100)내 광 수용(containment)을 최적화시킬 수 있다. 어느 경우이든, 전술한 기술들 및 장치들이 임의의 개수 및 조합으로 이용되어 챔버의 밀폐를 증가시킬 수 있다. 하기에서 더 설명되는 바와 같이, 챔버(100)가 100% 밀폐율에 근접하고 반사물질(108)이 100% 반사율에 근접하면 본 발명의 장치가 최대 효율에 도달한다.
도 1 에 도시된 챔버(100)는 반사물질(108)로 도포되었지만, 임의의 형태의 반사물질(108) 또는 장치가 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 챔버(100) 내측에 도포될 수 있는 반사물질(108)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE), 및 다른 유사한 플라스틱 중의 어느 하나의 물질로 이루어 질 수 있다. 반사물질(108)은 도포된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 또는 광택처리된 알루미늄(polished aluminum)일 수 있다. 다른 예에서, 반사물질(108)은 챔버 벽에 반드시 부착하진 않지만 가까이에 확산(diffuse) 반사기 또는 정반사기(specular reflector)등의 반사기일 수 있다. 임의의 형상을 갖는 임의의 형태의 정반사기가 본 실시예와 함께 이용될 수 있다. 임의의 형태에 있어서, 반사물질(108)은 높은 수준의 반사율을 가져야 한다. 일 실시예에서, 반사물질(108)의 반사율 수준은 80% 내지 100% 의 범위 내에 있고, 보다 바람직하게는 90% 내지 100% 의 범위 내에 있다.
정확한 백분율 반사율은 장치의 특별 요구에 따라 달라질 수 있지만, 반사율이 높을수록 처리 챔버의 효율이 높아진다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 99%의 반사율을 갖는 반사물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버에 비하여, 90%의 반사율을 갖는 물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버가 목표물에 대한 더 낮은 조사량을 가질 것이다. 챔버 내에서 흡수하는 물질이 예시적인 목표물과 벽뿐이라고 상정하면, 광자는 반사물질에 의하여 흡수되기 전에 90% 반사성 챔버보다 99% 반사성 챔버 내에서 평균적으로 10배 더 많이 앞뒤로 반사될 것이다. 따라서, 챔버가 완전히 밀폐되면, 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 확률이 90% 반사성 챔버 내에서보다 99% 반사성 챔버 내에서 10배 더 높다. 그러므로, 99% 반사성 챔버는 90% 반사성 챔버에 비하여 목표물에 10배의 자외선 조사량을 전달한다.
마찬가지로, 99% 밀폐된 챔버는 90% 밀폐된 챔버에 비하여 목표물에 더 높은 자외선 조사량을 전달할 것이다. 덜 밀폐된 챔버에서는, 광자들이 챔버 외부로 반사될 가능성이 더 높게 되고, 따라서 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 가능성이 낮아진다. 이와 같이, 목표 물질에 궁극적으로 전달되는 자외선 처리의 조사량(dosage)은 흡광도(absorbance)에 반비례하고, 장치 구성요소들의 반사율과 챔버의 밀폐력(enclosability)은 흡광도에 영향을 미친다.
자외선 램프(102)는 자외선 조사를 제공하는 데에 유용한 임의의 형태의 것일 수 있다. 예를 들어, 저압력 수은 램프, 중간압력 수은 램프, 엑시머(excimer) 램프, 제논(xenon)과 다른 충전 혼합물을 포함한 플래시램프(flashlamp), 및 마이크로파-구동 램프가 있다. 자외선 램프는 생체 시료의 불활성 또는 사멸, 화학물질의 직접적인 분해, 및 H2O2 및 O3 등의 산화제를 이용한 진보된 산화작용을 통한 화학물질의 간접적인 분해를 위하여, 목표물에 대략 400 nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 자외선 램프(102)는 기술자가 메인 챔버(main chamber)를 개방하지 않고서도 램프(102)를 안전하게 교체하는 것을 가능하게 하는 선택적인 투과성 튜브(110)에 의하여 둘러싸일 수 있다. 상기 튜브(110)는 선택적인 것이고, 작업의 용이성을 위하여 본 실시예에 적용될 수 있지만; 본 실시예는 튜브(110) 없이도 제대로 기능할 수 있을 것이다.
상기 자외선 투과성 튜브(104)는 자외선에 대해 실질적으로 투과성을 갖는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 처리 챔버의 최대 효율을 달성하기 위하여, 자외선 투과성 튜브 재료는 가능한 100%에 가까운 투과율을 갖는 것이 바람직하다. 100% 투과율이 불가능한 경우에는, 용융 실리카(Heraeus Heralux, Momentive 214), 합성 석영(Heraeus Suprasil, Momentive 021 및 022), 불소 도핑된 실리카(fluorine doped silica)(Asahi Glass AQX), 및 사파이어(Saphikon의 EFG 사파이어) 등의 재료가 300 nm 미만의 파장에서 일반적으로 80%를 초과하는 투과율을 갖기 때문에 유용하다.
액체 처리 시스템 구성의 다른 실시예가 "자외선 처리 챔버" 란 명칭으로 함께 출원중인 미국특허출원번호 제11/217,772호에 기재되어 있으며 전체가 여기에 참조로 포함된다.
도 2내지 5를 참조하여 액체나 기체의 자외선 처리 시스템의 다른 실시예를 설명한다. 상기 시스템은 내부 슬리브(204) 내부에 둘러싸인 램프(202)를 포함한다. 내부 슬리브(204)는 투과성 튜브(206)(또는 보호층) 내부에 둘러싸여 있고 투과성 튜브(206)는 처리 챔버(208) 내부에 위치한다. 처리 챔버(208)는 투과성 튜브(206)와 처리 챔버(208)사이에 개재된 반사물질(210)을 갖는다. 본 실시예에서, 반사물질(210)은 반사면을 형성하는 내부 표면에 위치한다. 변형예로서, 반사물질(210)이 반사면을 형성하는 투과성 튜브(206)의 외부 표면에 위치할 수 있다. 또는 반사물질(210)은 반사면을 형성하는 투과성 튜브(206)에 부착되거나 반사면을 갖는 독립형 구조일 수 있다. 램프(202)를, 예를 들어, 80%까지 감싸는 반사면을 형성하는 반사물질(210)의 다른 배치 및 구성이 가능하다. 액체 또는 기체(212)가 투과성 튜브(206)를 통과한다. 일례로, 처리 챔버(208)는 적어도 80%가 밀폐된다.
투과성 튜브(206)가 챔버(208)를 관통하여 이어져 있고, 거기에서 자외선 램프(202)에서 나온 자외선에 노출된다. 튜브(206)는, 예를 들어 물, 공기, 실험 시약, 혈액 성분(예를 들어, 적혈구, 백혈구, 혈장), 판매용 음료 등을 포함한 임의의 형태의 액체 또는 기체(212)를 운반할 수 있다. 따라서, 액체 또는 기체(212)가 자외선 투과성 튜브(206)를 통과함에 따라서, 액체(212)(또는 기체)는 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212)내 물체)처리에 유용한 자외선 광자에 노출된다. UV 모니터(220)는 처리 챔버(208)내 UV 조사 수준을 모니터한다.
처리 챔버(208)는 자외선 투과성 튜브(206)가 챔버(208)를 관통하여 이어지도록 하는 입력포트(214)와 출력포트(216)을 갖는다. 다른 예에서, 입력포트(214)와 출력포트(216)의 역할이 바뀐다. 상기 입력포트(214)와 출력포트(216)는 챔버(208)가 가능한 실질적으로 밀폐되도록 하는 형태를 갖는다. 예를 들어, 상기 입력포트(214) 및/또는 출력포트(216)는 챔버의 밀폐(enclosure)를 증가시키기 위하여 기체 및/또는 액체 유동을 위한 엘보우 경로(elbow path), 코일 경로(coiled path), 또는 다른 구불구불한 경로(serpentine path)를 이용할 수 있다. 밀폐를 더욱 향상시키기 위하여, 유동 경로가 작은 직경으로 제약될 수 있고/있거나 반사물질(210)이 광이 도입되는 영역을 넘어서는 거리까지 연장될 수 있다. 또한 배플(baffles)과 같은 추가 구조도 본 발명의 장치에 결합하여 챔버 숨김(concealment)를 최적화시킬 수 있다. 어느 경우이든, 전술한 기술, 구조 및 장치들이 임의의 개수 및 임의의 조합으로 이용되어 챔버의 밀폐를 증가시킬 수 있다.
도 2내지 5에 도시된 챔버(208)은 반사물질(210)로 도포되지만, 임의의 형태의 반사물질(210) 또는 반사 구조가 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 챔버(208) 내부에 도포되거나 씌워질 수 있는 반사물질(210)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE) 또는 다른 유사한 플라스틱 중 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있으며, 코팅된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 또는 광택처리된 알루미늄(polished aluminum)일 수 있다. 다른 예에서, 반사물질(210)은 확산 반사기 또는 정반사기 등의 반사기일 수 있다. 임의의 형상을 가진 임의의 형태의 정반사기가 본 실시예와 함께 이용될 수 있다. 여러 가지 예에서 반사물질(210)은 높은 수준의 반사율을 갖는다. 예를 들어, 반사물질(210)의 반사율 수준은 80% 내지 100% 의 범위 내에 있고, 일부 접근법은 90% 내지 100% 의 범위 내에 있다.
상기 반사물질(210)의 정확한 백분율 반사율은 장치의 특별 요구에 따라 달라질 수 있지만, 반사율이 높을수록 처리 챔버(208)의 효율이 높아진다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 99%의 반사율을 갖는 반사물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버에 비하여, 90%의 반사율을 갖는 물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버가 목표물에 대한 더 낮은 조사량을 갖는다. 챔버 내에서 흡수하는 물질이 예시적인 목표물과 벽뿐이라고 상정하면, 광자는 반사물질에 의하여 흡수되기 전에 90% 반사성 챔버보다 99% 반사성 챔버 내에서 평균적으로 10배 더 많이 앞뒤로 반사될 것이다. 따라서, 챔버가 완전히 밀폐되면, 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 확률이 90% 반사성 챔버 내에서보다 99% 반사성 챔버 내에서 10배 더 높다. 그러므로, 99% 반사성 챔버는 90% 반사성 챔버에 비하여 목표물에 10배 더 많은 자외선 조사량을 전달한다.
마찬가지로, 99% 밀폐된 챔버는 90% 밀폐된 챔버에 비하여 목표물에 더 높은 자외선 조사량을 전달할 것이다. 덜 밀폐된 챔버에서는, 광자들이 챔버 외부로 반사될 가능성이 더 높게 되고, 따라서 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 가능성이 낮아진다. 이와 같이, 목표 물질에 궁극적으로 전달되는 자외선 처리의 조사량(dosage)은 흡광도(absorbance)에 반비례하고, 장치 구성요소들의 반사율과 챔버의 밀폐력(enclosability)은 흡광도에 영향을 미친다.
자외선 램프(202)는 자외선 조사를 제공하는 데에 유용한 임의의 형태의 것일 수 있다. 예를 들어, 저압력 수은 램프, 중간압력 수은 램프, 엑시머(excimer) 램프, 제논(xenon)과 다른 충전 혼합물을 포함한 플래시램프(flashlamp), 및 마이크로파-구동 램프가 이용될 수 있다. 램프의 다른 예가능하다. 일례로, 상기 자외선 램프(202)는 생체 시료를 불활성화하거나 사멸하기 위하여 목표물에 400nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 다른 예로서, 상기 자외선 램프(202)는 화합물의 분해를 위하여 목표물에 400nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 상기 자외선 램프(202)는 전력 케이블(224)에 연결되어 전력을 공급받는다. 또한, 말단 뚜껑(cap)(22)이 램프(202)의 말단을 가려 램프(202)를 보호할 수 있다. 더욱이, 램프 안정기(208)가, 예를 들어, 램프(202)의 전류를 제한하기 위하여 구비된다.
또한, 반사물질(210)을 보호하거나 압력을 유지하거나 두 가지 모두를 위하여 반사물질(210)의 외부에 추가 구조 또는 층이 구비될 수 있다. 게다가, 투과성 튜브(206)(또는 보호층)이 시스템 압력을 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이 자외선 램프(202)는 기술자가 챔버(208)를 개방하지 않고서도 램프(202)를 교체하는 것을 가능하게 하는 내부 슬리브(204)에 의하여 둘러 싸여진다. 상기 내부 슬리브(204)와 자외선 투과성 튜브(206)은 자외선에 대해 실질적으로 투과성을 갖는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 상기 처리 챔버(208)의 최대 효율을 달성하기 위하여, 일부 접근법에서, 내부 슬리브(204)와 투과성 튜브(206)의 재료는 가능한 100%에 가까운 투과율을 갖는다. 100% 투과율이 불가능한 경우에는, 용융 실리카(Heraeus Heralux, Momentive 214), 합성 석영(Heraeus Suprasil, Momentive 021 및 022), 불소 도핑된 실리카(fluorine doped silica)(Asahi Glass AQX), 및 사파이어(Saphikon의 EFG 사파이어) 등의 재료가 300 nm 미만의 파장에서 일반적으로 80%를 초과하는 투과율을 갖기 때문에 유용하다.
본 실시예의 반사물질(210)이 반사율이 높기 때문에 대부분의 자외선 광자가 챔버(208) 벽이 아닌 액체 또는 기체(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)로 적층된다. 그 결과, 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212)내 물체)이 정해진 입력 전원에 대해 더욱 효과적인 조사량을 공급받는다.
시스템의 다른 부분에서의 손실이 없기 때문에 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)에 의해 흡수되는 광자의 개수에 대한 상한치가 챔버(208) 벽 재료의 손실률과 거의 동일한 비율, 예를 들어 스테인리스강의 비율인 40%에 대해 1%로 낮은 비율이 곱해진다. 자외선 조사량의 정확한 증가량은 자외선 램프(202) 및 액체 또는 기체(212)를 포함한 체적으로 침투되는 개수 및 크기 그리고 반사물질(210) 표면의 어떤 다른 분열상태 등의 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이전의 반-반사(semi-reflective) 챔버, 예를 들어 스테인리스강 챔버에 비해 전반적으로 조사량이 현저하게 증가한다.
전술한 바와 같이, 더 높은 투과성 액체를 사용할 때 더 나은 반사기 또는 반사면에 의해 플루엔스도 증가할 수 있다. 이때, 액체를 둘러싼 대부분의 표면적, 예를 들어 80% 이상이 크게 반사한다.
또 다른 예에 따르면, 균일성과 플루엔스가 증가한다. 액체의 투과율이 상당히 높다면, 균일성이 증가할 수 있으나 플루엔스가 증가한 만큼 성능에 영향을 미치지는 않는다.
반-반사(semi-reflective) 챔버 벽을 구비한 시스템에 비하여 전술한 바와 같이 조사량이 증가하고, 이와 함께 챔버 전체적으로 조사량의 균일성이 예상 외로 증가한다. 보통, 플루엔스가 높을수록 균일성은 감소할 것으로 예상되나 목표 기체 또는 액체 내 외에 광자 손실을 최소화하는 효과를 통해 목표물 내 광자를 더욱 균일하게 적층한다. 이러한 효과는 기본적으로 기하학적 구조와는 관계가 없고 주로 챔버 벽이나 엔클로저의 총 반사율 및 관련된 구성요소의 투과율에 의존한다.
상기와 다른 이유로 발생하는 별도의 균일성-향상 효과가 상기 챔버의 특정 조건에서 발생한다. 이러한 효과는 챔버의 기하학적 구조에 의존한다. 또한 액체 또는 기체(212)의 투과율 범위를 초과한 경우에만 중요하다. 액체 또는 기체(212)의 투과율이 광원에서 챔버 벽까지의 거리에 대해 90-95%(5-10%의 감쇠)를 초과하면, 전술한 효과가 챔버 내 예상 외로 플루엔스의 균일성을 훨씬 더 많이 증대시키고 하기 설명하는 효과는 무시해도 될 정도이다. 투과율이 광원에서 챔버 벽까지의 거리에 대해 5-10% (90-95%의 감쇠)미만이라면, 미량의 빛이 챔버 벽에 도달하고 하기 설명하는 효과는 무시해도 될 정도이다. 감쇠율이 5% 및 95% 사이에 들도록 하기 위한 액체 또는 기체(212) 내 투과율의 범위에 대해서는 하기 설명하는 효과가 목표물에 더욱 균일한 플루엔스를 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
또한, 본 접근법에 의해 제공되는 자외선 조도는 다양한 범위에 속할 수 있다. 일례로, 액체에 입사하는 자외선 조도는 대략 0.01 W/cm2 내지 20 W/cm2범위에 있다. 상기 범위에 대한 다른 예도 가능하다.
도 6 내지 8을 참조하여 본 발명의 광흡수성을 설명한다. 흡수 매체를 통해 투과되는 빛의 세기는 하기 베르의 법칙(Beer's Law)에 따른다:
I=I0e-αx
여기에서, I0는 처음의 세기, x는 흡수 매체를 통과하여 이동한 거리, e는 자연로그의 밑(e = 2.718282) 및 α는 매체의 특징에 따라 결정되는 감쇠 상수(attenuation constant)이다. 매체와 그 크기가 매체 일회 통과 후 빛의 중요한 일부만이 흡수될 수 있는 정도이면, 도 6 내지 8에 도시된 효과가 발생한다.
도 6은 매체(거리=0)안으로 특정 거리 x 만큼(거리=1, 임의의 단위를 가짐) 들어온 빛의 세기를 나타낸다. 거리가 1일 때 세기는 1/e, 예를 들어, 입사광 세기의 대략 1/3이다. 만약, x에서 무반사면(non-reflecting surface)이 있다면, 남은 빛이 흡수되고 거리=0와 거리= x 간의 세기의 차이(그리고 그에 따른 조사량의 차이)는 0.72이다.
도 7은 동일한 상황을 도시하나 거리=x에서 무반사면이 아닌 100% 반사기를 구비한 상황이다. 반사광은 매체로 돌아감에 따라 입사광과 동일한 비율로 감쇠한다. 정해진 거리에서 빛의 세기는 입사광과 반사광의 합에 가깝다. 간단하게 하기 위하여 거리=0의 표면에서 반사되는 빛은 무시한다. 여러 응용분야에서 빛이 재흡수되거나 다른 곳으로 투과되어, 상기와 같이 무시하는 것은 여러 가지 상황에서 아주 비슷하다.
두 곡선의 합에 의한 세기가 도 8에 도시된다. 이때, 세기의 최고점은 더 높고(1.14 대 1.00); 거리=0과 거리=x간의 세기 차이는 1.54이다. 본 실시예를 통해, 반사물질이 존재하기 때문에 세기가 매체 전반에 걸쳐 훨씬 더 균일해짐을 알 수 있다. 세기의 균일성 개선; 따라서, 조사량이 본 실시예에서 70%이상이다. 세기 균일성 개선으로 처리 효율이 증가하고 세기 최고점이 낮아져(과잉 조사가 줄어듬) 매체에 정해진 조사량을 달성할 수 있다. 상기 개선을 통한 두 가지 결과는 종래 무반사기 시스템(reflectorless systems)에 비해 현저하게 개선된 점이다. 다시 말해서, 도 8은 본 발명이 접근법의 일반적으로 균일한 배광 특성을 보여준다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 챔버(208)의 내부 표면에 위치한 반사물질(210)을 구비한 처리 시스템을 나타내는 개략도이다. 도 9와 도 2 내지 5에 도시된 동일한 구성요소를 다시 참조하여 액체 또는 기체의 자외선(UV) 처리 시스템의 다른 실시예를 설명한다. 상기 시스템은 내부 슬리브(204)에 둘러싸인 램프(202)를 포함한다. 내부 슬리브(204)는 투과성 튜브(206)(또는 보호층)으로 둘러싸여 있고 투과성 튜브(206)는 처리 챔버(208) 내부에 위치한다. 상기 처리 챔버(208)는 내부 슬리브(204)와 처리 챔버(208)사이에 개재된 반사물질(210)을 갖는다. 본 실시예에서, 반사물질(210)은 반사면을 형성하는 챔버(208)의 내부 표면에 위치한다. 유체, 예를 들어 액체 또는 기체(212)가 처리 챔버(208)을 통과한다. 일례로, 처리 챔버(208)는 적어도 80%가 밀폐된다.
챔버(208)는, 예를 들어, 물, 공기, 실험 시약, 혈액 성분(예를 들어, 적혈구, 백혈구, 혈장), 판매용 음료 등을 포함한 임의의 형태의 액체 또는 기체(212)를 운반할 수 있다. 따라서, 액체 또는 기체(212)가 챔버(208)를 통과함에 따라 액체(212)(또는 기체)는 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212)내 물체) 처리에 유용한 자외선 광자에 노출된다. UV 모니터(220)는 처리 챔버(208)내 UV 조사 수준을 모니터한다.
처리 챔버(208)는 액체 또는 기체(212)가 챔버를 통해 유동하도록 입력포트(214)와 출력포트(216)을 갖는다. 다른 예에서, 입력포트(214)와 출력포트(216)의 역할이 바뀐다. 입력포트(214)와 출력포트(216)는 챔버(208)가 가능한 실질적으로 감싸지도록 하는 형태를 갖는다. 예를 들어, 입력포트(214) 및/또는 출력포트(216)는 챔버(208)의 밀폐(enclosure)을 증가시키기 위하여 기체 및/또는 액체 유동을 위한 엘보우 경로(elbow path), 코일 경로(coiled path), 또는 다른 구불구불한 경로(serpentine path)를 이용할 수 있다. 밀폐를 더욱 향상시키기 위하여, 유동 경로가 작은 직경으로 제약될 수 있고/있거나 반사물질(210)이 광이 도입되는 영역을 넘어서는 거리까지 연장될 수 있다. 또한 배플(baffles)과 같은 추가 구조를 본 발명의 장치에 결합하여 챔버 숨김(concealment)를 최적화시킬 수 있다. 어느 경우이든, 전술한 기술, 구조 및 장치들이 임의의 개수 및 임의의 조합으로 이용되어 챔버의 밀폐를 증가시킬 수 있다.
도 9 및 도 2내지 5에 도시된 챔버(208)는 반사물질(210)로 도포되지만, 임의의 형태의 반사물질(210) 또는 반사 구조가 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 챔버(208) 내부에 도포되거나 씌워지는 반사물질(210)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE) 또는 다른 유사한 플라스틱 중 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있고, 코팅된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 또는 광택처리된 알루미늄(polished aluminum)일 수 있다. 다른 예에서, 반사물질(210)은 확산 반사기 또는 정반사기 등의 반사기일 수 있다. 임의의 형상을 가진 임의의 형태의 정반사기가 본 실시예와 함께 이용될 수 있다. 여러 실시예에서 반사물질(210)은 높은 수준의 반사율을 갖는다. 예를 들어, 반사물질(210)의 반사율 수준은 80% 내지 100% 의 범위 내에 있고, 일부 접근법에서는 90% 내지 100% 이다.
반사물질(210)의 정확한 백분율 반사율은 장치의 특별 요구에 따라 달라질 수 있지만, 반사율이 높을수록 처리 챔버(208)의 효율이 높아진다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 99%의 반사율을 갖는 반사물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버에 비하여, 90%의 반사율을 갖는 물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버가 목표물에 대한 더 낮은 조사량을 갖는다. 챔버 내에서 흡수하는 물질이 예시적인 목표물과 벽뿐이라고 상정하면, 광자는 반사물질에 의하여 흡수되기 전에 90% 반사성 챔버보다 99% 반사성 챔버 내에서 평균적으로 10배 더 많이 앞뒤로 반사될 것이다. 따라서, 챔버가 완전히 밀폐되면, 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 확률이 90% 반사성 챔버 내에서보다 99% 반사성 챔버 내에서 10배 더 높다. 그러므로, 99% 반사성 챔버는 90% 반사성 챔버에 비하여 목표물에 10배 더 많은 자외선 조사량을 전달한다.
마찬가지로, 99% 밀폐된 챔버는 90% 밀폐된 챔버에 비하여 목표물에 더 높은 자외선 조사량을 전달할 것이다. 덜 밀폐된 챔버에서는, 광자들이 챔버 외부로 반사될 가능성이 더 높게 되고, 따라서 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 가능성이 낮아진다. 이와 같이, 목표 물질에 궁극적으로 전달되는 자외선 처리의 조사량(dosage)은 흡광도(absorbance)에 대해 반비례하고, 장치 구성요소들의 반사율과 챔버의 밀폐력(enclosability)은 흡광도에 영향을 미친다.
자외선 램프(202)는 자외선 조사를 제공하는 데에 유용한 임의의 형태의 것일 수 있다. 예를 들어, 저압력 수은 램프, 중간압력 수은 램프, 엑시머(excimer) 램프, 제논(xenon)과 다른 충전 혼합물을 포함한 플래시램프(flashlamp), 및 마이크로파-구동 램프가 이용될 수 있다. 램프에 대하여 다른 예가 가능하다. 일례로, 자외선 램프(202)는 생체 시료를 불활성화하거나 사멸하기 위하여 목표물에 400nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 다른 예로서, 자외선 램프(202)는 화합물을 분해하기 위하여 목표물에 400nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 상기 자외선 램프(202)는 전력 케이블(224)에 연결되어 전력을 공급받는다. 또한, 말단 뚜껑(cap)(22)가 램프(202)의 말단을 가려 램프(202)를 보호할 수 있다. 더욱이, 램프 안정기(208)가, 예를 들어, 램프(202)의 전류를 제한하기 위하여 구비된다.
또한, 반사물질(210)을 보호하거나 압력을 유지하거나 두 가지 모두를 위하여 반사물질(210)의 외부에 추가 구조 또는 층이 구비될 수 있다. 게다가, 투과성 튜브(206)(또는 보호층)이 시스템 압력을 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 자외선 램프(202)는 기술자가 챔버(208)를 개방하지 않고서도 램프(202)를 교체하는 것을 가능하게 하는 내부 슬리브(204)에 의하여 둘러 싸여진다. 내부 슬리브(204)는 자외선에 대해 실질적으로 투과성을 갖는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 처리 챔버(208)의 최대 효율을 달성하기 위하여, 일부 접근법에서, 내부 슬리브(204) 재료는 가능한 100%에 가까운 투과율을 갖는다. 100% 투과율이 불가능한 경우에는, 용융 실리카(Heraeus Heralux, Momentive 214), 합성 석영(Heraeus Suprasil, Momentive 021 및 022), 불소 도핑된 실리카(fluorine doped silica)(Asahi Glass AQX), 및 사파이어(Saphikon의 EFG 사파이어)와 같은 재료가 300 nm 미만의 파장에서 일반적으로 80%를 초과하는 투과율을 갖기 때문에 유용하다.
본 실시예의 반사물질(210)이 반사율이 높기 때문에 대부분의 자외선 광자가 챔버(208) 벽이 아닌 액체 또는 기체(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)로 적층된다. 그 결과, 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)이 정해진 입력 전원에 대해 더욱 효율적인 조사량을 공급받는다.
시스템의 다른 부분에서의 손실이 없기 때문에 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)에 의해 흡수되는 광자의 개수에 대한 상한치가 챔버(208) 벽 재료의 손실률과 거의 동일한 비율, 예를 들어 스테인리스강의 비율, 예를 들어 40%에 대해 1%의 낮은 비율로 곱해진다. 자외선 조사량의 정확한 증가량은 자외선 램프(202) 및 액체 또는 기체(212)를 포함한 체적으로 침투되는 개수 및 크기 그리고 반사물질(210) 표면의 어떤 다른 분열상태 등의 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이전의 반-반사(semi-reflective) 챔버, 예를 들어 스테인리스강 챔버에 비해 조사량이 전반적으로 크게 증가한다.
전술한 바와 같이, 더 높은 투과성 액체를 사용할 때 더 나은 반사기 또는 반사면에 의해 플루엔스가 증가할 수 있다. 이때, 액체를 둘러싼 대부분의 표면적, 예를 들어 80% 이상이 크게 반사한다.
또 다른 실시예에 따르면, 균일성과 플루엔스가 증가한다. 액체의 투과율이 상당히 높다면, 균일성이 증가할 수 있으나 플루엔스가 증가한 만큼 성능에 영향을 미치지는 않는다.
반-반사(semi-reflective) 챔버 벽을 구비한 시스템에 비하여, 전술한 바와 같이 조사량이 증가하고 이와 함께 챔버 전반에 걸쳐 조사량의 균일성이 예상 외로 증가한다. 보통, 플루엔스가 높을수록 균일성은 감소할 것으로 예상되나 목표 기체 또는 액체내 외에 광자 손실을 최소화하는 효과를 통해 목표물 내 광자를 더욱 균일하게 적층한다. 이러한 효과는 기본적으로 기하학적 구조와는 관계가 없고 주로 챔버 벽이나 엔클로저의 총 반사율 및 관련된 구성요소의 투과율에 의존한다.
상기와 다른 이유로 발생하는 별도의 균일성-향상 효과가 상기 챔버의 특정 조건에서 발생한다. 이러한 효과는 챔버의 기하학적 구조에 의존한다. 또한 상기 효과는 액체 또는 기체(212)의 투과율 범위를 초과한 경우에만 중요하다. 액체 또는 기체(212)의 투과율이 광원에서 챔버 벽까지의 거리에 대해 90-95%(5-10%의 감쇠)를 초과하면, 전술한 효과가 챔버 내 예상 외로 플루엔스의 균일성을 훨씬 더 많이 증대시키고 하기 설명하는 효과는 무시해도 될 정도이다. 투과율이 광원에서 챔버 벽까지의 거리에 대해 5-10% (90-95%의 감쇠)미만이라면, 미량의 빛이 챔버 벽에 도달하고 하기 설명하는 효과는 무시해도 될 정도이다. 감쇠율이 5% 및 95% 사이에 들도록 하기 위한 액체 또는 기체(212) 내 투과율의 범위에 대해서는 하기 설명하는 효과가 목표물에 더욱 균일한 플루엔스를 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
또한, 본 접근법에 의해 제공되는 자외선 조도는 다양한 범위에 속할 수 있다. 일례로, 액체에 입사하는 자외선 조도는 대략 0.01 W/cm2 내지 20 W/cm2범위에 있다. 범위에 대한 다른 예도 가능하다.
도 9와 관련된 도 6 내지 8을 참조하여 본 발명의 광흡수성을 설명한다. 흡수 매체를 통해 투과되는 빛의 세기는 하기 베르의 법칙(Beer's Law)에 따른다:
I=I0e-αx
여기에서, I0는 처음의 세기, x는 흡수 매체를 통과하여 이동한 거리, e는 자연로그의 밑(e = 2.718282) 및 α는 매체의 특징에 따라 결정되는 감쇠 상수(attenuation constant)이다. 매체와 그 크기가 매체 일회 통과 후 빛의 중요한 일부만이 흡수될 수 있는 정도이면, 도 6 내지 8에 도시된 효과가 발생한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자외선 투과성 튜브(206)의 외부 표면에 위치한 반사물질(210)을 포함하는 처리 시스템을 나타내는 개략도이다. 도 10과 도 2 내지 5에 도시된 동일한 구성요소를 다시 참조하여 액체 또는 기체의 자외선(UV) 처리 시스템의 또 다른 실시예를 설명한다. 상기 시스템은 내부 슬리브(204)에 싸인 램프(202)를 포함한다. 내부 슬리브(204)는 투과성 튜브(206)(또는 보호층)으로 둘러싸여 있고 투과성 튜브(206)는 처리 챔버(208) 내부에 위치한다. 처리 챔버(208)는 투과성 튜브(2046와 처리 챔버(208)사이에 개재된 반사물질(210)을 갖는다. 본 실시예에서, 반사물질(210)은 반사면을 형성하는 투과성 튜브(206)의 외부 표면에 위치한다. 또는 반사물질(210)은 투과성 튜브(206)에 부착되거나 독립형 구조일 수 있다. 반사물질(210)의 다른 배치 및 구성이 가능하다. 액체 또는 기체(212)가 투과성 튜브(206)를 통과한다. 일례로, 처리 챔버(208)는 적어도 80%가 밀폐된다.
투과성 튜브(206)가 챔버(208)를 관통하여 이어져 있고, 거기에서 자외선 램프(202)에서 나온 자외선에 노출된다. 튜브(206)는 예를 들어 물, 공기, 실험 시약, 혈액 성분(예를 들어, 적혈구, 백혈구, 혈장), 판매용 음료 등을 포함한 임의의 형태의 액체 또는 기체(212)를 운반할 수 있다. 따라서, 액체 또는 기체(212)가 자외선 투과성 튜브(206)를 통과함에 따라, 액체(212)(또는 기체)는 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212)내 물체)처리에 유용한 자외선 광자에 노출된다. UV 모니터(220)는 처리 챔버(208)내 UV 조사 수준을 모니터한다.
처리 챔버(208)는 자외선 투과성 튜브(206)가 챔버(208)를 관통하여 이어지도록 하는 입력포트(214)와 출력포트(216)을 갖는다. 다른 예에서는, 입력포트(214)와 출력포트(216)의 역할이 바뀐다. 입력포트(214)와 출력포트(216)는 챔버(208)가 가능한 실질적으로 감싸지도록 하는 형태를 갖는다. 예를 들어 입력포트(214) 및/또는 출력포트(216)는 챔버의 밀폐(enclosure)를 증가시키기 위하여 기체 및/또는 액체 유동을 위한 엘보우 경로(elbow path), 코일 경로(coiled path), 또는 다른 구불구불한 경로(serpentine path)를 이용할 수 있다. 밀폐를 더욱 향상시키기 위하여, 유동 경로가 작은 직경으로 제약될 수 있고/있거나 반사물질(210)이 광이 도입되는 영역을 넘어서는 거리로 연장될 수 있다. 또한 배플(baffles)과 같은 추가 구조가 본 발명의 장치에 결합하여 챔버 숨김(concealment)를 최적화시킬 수 있다. 어느 경우이든, 전술한 기술, 구조 및 장치들이 임의의 개수 및 임의의 조합으로 이용되어 챔버의 밀폐를 증가시킬 수 있다.
도 2내지 5에 도시된 챔버(208)는 반사물질(210)로 도포되지만, 임의의 형태의 반사물질(210) 또는 반사 구조가 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 챔버(208) 내부에 도포되거나 씌워지는 반사물질(210)은 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE) 또는 다른 유사한 플라스틱 중 적어도 하나의 물질로 구성될 수 있고, 코팅된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 또는 광택처리된 알루미늄(polished aluminum)일 수 있다. 다른 예에서, 반사물질(210)은 확산 반사기 또는 정반사기 등의 반사기일 수 있다. 임의의 형상을 가진 임의의 형태의 정반사기가 본 실시예와 함께 이용될 수 있다. 여러 실시예에서 반사물질(210)은 높은 수준의 반사율을 갖는다. 예를 들어, 반사물질(108)의 반사율 수준은 80% 내지 100% 의 범위 내에 있고, 일부 접근법에서는 90% 내지 100%이다.
정확한 백분율 반사율은 장치의 특별 요구에 따라 달라질 수 있지만, 반사율이 높을수록 처리 챔버(208)의 효율이 높아진다는 것이 이해되어야 할 것이다. 예를 들어, 99%의 반사율을 갖는 반사물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버에 비하여, 90%의 반사율을 갖는 물질을 포함하는 완전히 밀폐된 챔버가 목표물에 대한 더 낮은 조사량을 갖는다. 챔버 내에서 흡수하는 물질이 예시적인 목표물과 벽뿐이라고 상정하면, 광자는 반사물질에 의하여 흡수되기 전에 90% 반사성 챔버보다 99% 반사성 챔버 내에서 평균적으로 10배 더 많이 앞뒤로 반사될 것이다. 따라서, 챔버가 완전히 밀폐되면, 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 확률이 90% 반사성 챔버 내에서보다 99% 반사성 챔버 내에서 10배 더 높다. 그러므로, 99% 반사성 챔버는 90% 반사성 챔버에 비하여 목표물에 10배 더 많은 자외선 조사량을 전달한다.
마찬가지로, 99% 밀폐된 챔버는 90% 밀폐된 챔버에 비하여 목표물에 더 높은 자외선 조사량을 전달할 것이다. 덜 밀폐된 챔버에서는, 광자들이 챔버 외부로 반사될 가능성이 더 높게 되고, 따라서 광자들이 목표물에 의하여 흡수될 가능성이 낮아진다. 이와 같이, 목표 물질에 궁극적으로 전달되는 자외선 처리의 조사량(dosage)은 흡광도(absorbance)에 반비례하고, 장치 구성요소들의 반사율과 챔버의 밀폐력(enclosability)은 흡광도에 영향을 미친다.
자외선 램프(202)는 자외선 조사를 제공하는 데에 유용한 임의의 형태의 것일 수 있다. 예를 들어, 저압력 수은 램프, 중간압력 수은 램프, 엑시머(excimer) 램프, 제논(xenon)과 다른 충전 혼합물을 가진 플래시램프(flashlamp), 및 마이크로파-구동 램프가 이용될 수 있다. 램프에 대한 다른 예가 가능하다. 일례로, 자외선 램프(202)는 생체 시료를 불활성화하거나 사멸하기 위하여 목표물에 400nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 다른 예로서, 자외선 램프(202)는 화합물을 분해하기 위하여 목표물에 400nm 보다 짧은 적어도 하나의 파장을 제공한다. 자외선 램프(202)는 전력 케이블(224)에 연결되어 전력을 공급받는다. 또한, 말단 뚜껑(cap)(22)가 램프(202)의 말단을 가려 램프(202)를 보호할 수 있다. 더욱이, 램프 안정기(208)가 예를 들어 램프(202)의 전류를 제한하기 위하여 구비된다.
또한, 반사물질(210)을 보호하거나 압력을 유지하거나 두 가지 모두를 위하여 반사물질(210)의 외부에 추가 구조 또는 층이 구비될 수 있다. 게다가, 투과성 튜브(206)(또는 보호층)이 시스템 압력을 유지할 수 있다.
전술한 바와 같이 자외선 램프(202)는 기술자가 챔버(208)를 개방하지 않고서도 램프(202)를 교체하는 것을 가능하게 하는 내부 슬리브(204)에 의하여 둘러 싸여진다. 내부 슬리브(204)와 자외선 투과성 튜브(206)은 자외선에 대해 실질적으로 투과성을 갖는 임의의 재료로 만들어질 수 있다. 처리 챔버(208)의 최대 효율을 달성하기 위하여, 일부 접근법에서, 내부 슬리브(204)와 투과성 튜브(206) 재료는 가능한 100%에 가까운 투과율을 갖는다. 100% 투과율이 불가능한 경우에는, 용융 실리카(Heraeus Heralux, Momentive 214), 합성 석영(Heraeus Suprasil, Momentive 021 및 022), 불소 도핑된 실리카(fluorine doped silica)(Asahi Glass AQX), 및 사파이어(Saphikon의 EFG 사파이어)와 같은 재료가 300 nm 미만의 파장에서 일반적으로 80%를 초과하는 투과율을 갖기 때문에 유용하다.
본 실시예의 반사물질(210)이 반사율이 높기 때문에 대부분의 자외선 광자가 챔버(208) 벽이 아닌 액체 또는 기체(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)로 적층된다. 그 결과, 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)이 정해진 입력 전원에 대해 더 높고 효율적인 조사 광량을 공급받는다.
시스템의 다른 부분에서의 손실이 없기 때문에 액체 또는 기체(212)(및/또는 액체 또는 기체(212) 내 물체)에 의해 흡수되는 광자의 개수에 대한 상한치가 챔버(208)의 벽 재료의 손실률과 거의 동일한 비율, 예를 들어 스테인리스강의 비율, 예를 들어 40%에 대해 1%의 낮은 비율로 곱해진다. 자외선 조사량의 정확한 증가량은 자외선 램프(202) 및 액체 또는 기체(212)를 포함한 체적으로 침투되는 개수 및 크기 그리고 반사물질(210) 표면의 어떤 다른 분열상태 등의 다양한 요인에 의해 영향을 받는다. 이전의 반-반사(semi-reflective) 챔버, 예를 들어 스테인리스강 챔버에 비해 조사량이 전반적으로 크게 증가한다.
전술한 바와 같이, 더 높은 투과성 액체를 사용할 때 더 나은 반사기 또는 반사면에 의해 플루엔스가 증가할 수 있다. 이때, 액체를 둘러싼 대부분의 표면적, 예를 들어 80% 이상이 크게 반사한다.
또 다른 예에 따르면, 균일성과 플루엔스가 증가한다. 액체의 투과율이 상당히 높다면, 균일성이 증가할 수 있으나 플루엔스가 증가한 만큼 성능에 영향을 미치지는 않는다.
반-반사(semi-reflective) 챔버 벽을 구비한 시스템에 비하여 전술한 바와 같이 조사량이 증가하고 이와 함께 챔버 전반적으로 조사량의 균일성이 예상 외로 증가한다. 보통, 플루엔스가 높을수록 균일성은 감소할 것으로 예상되나 목표 기체 또는 액체내 외에 광자 손실을 최소화하는 효과를 통해 목표물 내 광자를 더욱 균일하게 적층한다. 이러한 효과는 기본적으로 기하학적 구조와는 관계가 없고 주로 챔버 벽이나 엔클로저의 총 반사율 및 관련된 구성요소의 투과율에 의존한다.
상기와 다른 이유로 발생하는 별도의 균일성-향상 효과가 상기 챔버의 특정 조건에서 발생한다. 이러한 효과는 챔버의 기하학적 구조에 의존한다. 또한 상기 효과는 액체 또는 기체(212)의 투과율 범위를 초과한 경우에만 중요하다. 액체 또는 기체(212)의 투과율이 광원에서 챔버 벽까지의 거리에 대해 90-95%(5-10%의 감쇠)를 초과하면, 전술한 효과가 챔버 내 예상 외로 플루엔스의 균일성을 훨씬 더 많이 증대시키고 하기 설명하는 효과는 무시해도 될 정도이다. 투과율이 광원에서 챔버 벽까지의 거리에 대해 5-10% (90-95%의 감쇠)미만이라면, 미량의 빛이 챔버 벽에 도달하고 하기 설명하는 효과는 무시해도 될 정도이다. 감쇠율이 5% 및 95% 사이에 들도록 하기 위한 액체 또는 기체(212) 내 투과율의 범위에 대해서는 하기 설명하는 효과가 목표물에 더욱 균일한 플루엔스를 제공하는 데 중요한 역할을 한다.
또한, 본 접근법에 의해 제공되는 자외선 조도는 다양한 범위에 속할 수 있다. 일례로, 액체에 입사하는 자외선 조도는 대략 0.01 W/cm2 내지 20 W/cm2범위에 있다. 범위에 대한 다른 예도 가능하다.
도 10에 관련된 도 6 내지 8을 참조하여 본 발명의 광흡수성을 설명한다. 흡수 매체를 통해 투과되는 빛의 세기는 하기 베르의 법칙(Beer's Law)에 따른다:
I=I0e-αx
여기에서, I0는 처음의 세기, x는 흡수 매체를 통과하여 이동한 거리, e는 자연로그의 밑(e = 2.718282) 및 α는 매체의 특징에 따라 결정되는 감쇠 상수(attenuation constant)이다. 매체와 그 크기가 매체 일회 통과 후 빛의 중요한 일부만이 흡수될 수 있는 정도이면, 도 6 내지 8에 도시된 효과가 발생한다.
여기에서 상세하게 도시되고 설명된 정보는 상기 본 발명의 목적 및 바람직한 실시예를 충분히 달성할 수 있으므로 본 발명이 의도하는 요지를 대표한다. 본 발명의 범위는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 다른 실시예를 포함하며 첨부된 청구범위에 의해서 제한된다. 여기에서, 단수형의 구성요소는 명확하게 "하나 및 오직 하나" 라고 기재하지 않는 다면 "하나 및 오직 하나" 를 의미하는 것이 아니라 "하나 이상" 을 의미하는 것이다. 전술한 바람직한 실시예와 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 추가 실시예의 구성요소와 구조적이고 기능적으로 대등한 모든 것이 여기에 참조로 포함되며 본 청구범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
더욱이, 본 발명이 해결하고자 하는 모든 각각의 문제를 해결하는 본 청구범위에 포함되는 장치 또는 방법에 대한 요건이 존재하지 않는다. 게다가, 본 발명의 어떠한 구성요소, 부품이나 방법 절차도 청구범위에 구성요소, 부품이나 방법 절차의 명확한 기재 여부와 관계없이 일반인이 전용하도록 의도된 것은 아니다. 그러나 첨부된 청구범위에서 기술된 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 형태, 재료, 및 제조 물질의 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 본 발명의 어떠한 청구항도, 구성요소가 "를 위한 수단" 이란 구절을 특별히 기재하지 않는다면 35 USC §112, 제6절의 규정에 따르는 것으로 해석되지 않는다.
본 발명은 자외선을 이용한 유체 처리에 산업상 이용된다. 더욱 상세하게는 본 발명은 자외선을 이용한 유체 처리에 이용된다. 더욱 상세하게는 본 발명은 미생물을 불활성화시키기 위하여 자외선을 이용한 유체 처리에 산업상 이용된다.

Claims (25)

  1. 액체 처리 장치에 있어서,
    적어도 하나의 내부 표면을 가지는 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되고 유체 통과를 위해 적용된 자외선 투과성 튜브;
    상기 자외선 투과성 튜브 내부에 위치한 투과성 보호 슬리브 내부에 배치되는 자외선 램프; 및
    적어도 80%까지 상기 자외선 램프를 둘러싸며, 상기 자외선 램프에 의해 방출된 빛의 적어도 일부분을 반사시키도록 적용된 반사면을 포함하고,
    상기 반사면은 적어도 80%가 반사성인 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 자외선 램프에서 나온 제1 광과 상기 반사면에서 반사된 제2 광 및 후속 광이 만나 통상적으로 균일한 배광이 상기 유체 체적 내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 유체는 투과성이 높고, 상기 유체 내에서 플루엔스가 증가하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 상기 챔버의 상기 적어도 하나의 내부 표면을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 상기 챔버의 상기 적어도 하나의 내부 표면에 반사 물질을 도포함으로써 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 상기 자외선 투과성 튜브의 적어도 하나의 외부 표면에 반사 물질을 도포함으로써 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 기본적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌 (expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE), 코팅된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 및 광택처리된 알루미늄(polished aluminum)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 반사 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 반사면은 바인더 및 반사성 첨가물로 구성된 혼합물로 이루어진 반사 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 반사성 첨가물은 기본적으로 황산바륨(barium sulfate), 불화마그네슘 (magnesium fluoride), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화홀뮴(holmium oxide), 산화칼슘(calcium oxide), 산화란타늄(lanthanum oxide), 산화게르마늄(germanium oxide), 산화텔루륨(tellurium oxide), 산화유로퓸(europium oxide), 산화에르븀(erbium oxide), 산화네오디뮴(neodymium oxide), 산화사마륨(samarium oxide), 산화이테르븀(ytterbium oxide), 및 산화지르코늄(zirconium oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 자외선 투과성 튜브가 상기 챔버에 들어가고 나오는 입력 포트 및 출력 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 유체에 입사하는 자외선 조도(irradiance)는 0.01W/cm2 내지 20W/cm2의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  14. 액체 처리 장치에 있어서,
    적어도 하나의 내부 표면을 가지며, 적어도 80%가 반사 물질에 의해 둘러싸이고, 유체 통과를 위해 적용된 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되고 상기 유체 통과를 위해 적용된 자외선 투과성 튜브;
    상기 자외선 투과성 튜브 내부에 배치된 투과성 보호 슬리브 내부에 배치되는 자외선 램프;
    적어도 80%까지 상기 자외선 램프를 둘러싸고, 상기 자외선 램프에 의해 방출된 빛의 적어도 일부분을 반사시키도록 적용되며, 적어도 80%가 반사성인 반사면을 포함하고,
    상기 자외선 램프에서 나온 제1 광과 상기 반사면에서 반사된 제2 광 및 후속 광이 만나 통상적으로 균일한 배광이 상기 유체 체적 내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서, 상기 액체의 투과율은 그 감쇠율이 5% 내지 95% 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  17. 제14항에 있어서, 상기 반사면은 상기 챔버의 상기 적어도 하나의 내부 표면을 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  18. 제14항에 있어서, 상기 반사면은 상기 자외선 투과성 튜브의 적어도 하나의 외부 표면에 반사 물질을 도포함으로써 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  19. 제14항에 있어서, 상기 반사면은 상기 챔버의 상기 적어도 하나의 내부 표면에 반사 물질을 도포함으로써 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  20. 삭제
  21. 제14항에 있어서, 상기 반사면은 기본적으로 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE), 익스팬디드 폴리테트라플루오로에틸렌 (expanded polytetrafluoroethylene; ePTFE), 코팅된 알루미늄, 양극처리된 알루미늄(anodized aluminum), 및 광택처리된 알루미늄(polished aluminum)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어진 반사 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  22. 제14항에 있어서, 상기 반사 물질은 바인더 및 반사성 첨가물로 구성된 혼합물로 이루어진 반사 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 반사성 첨가물은 기본적으로 황산바륨(barium sulfate), 불화마그네슘 (magnesium fluoride), 산화마그네슘(magnesium oxide), 산화알루미늄(aluminum oxide), 산화티타늄(titanium oxide), 산화홀뮴(holmium oxide), 산화칼슘(calcium oxide), 산화란타늄(lanthanum oxide), 산화게르마늄(germanium oxide), 산화텔루륨(tellurium oxide), 산화유로퓸(europium oxide), 산화에르븀(erbium oxide), 산화네오디뮴(neodymium oxide), 산화사마륨(samarium oxide), 산화이테르븀(ytterbium oxide), 및 산화지르코늄(zirconium oxide)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  24. 제14항에 있어서, 상기 자외선 투과성 튜브가 상기 챔버에 들어가고 나오는 입력 포트 및 출력 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
  25. 제14항에 있어서, 상기 유체에 입사하는 자외선 조도(irradiance)는 0.01W/cm2 내지 20W/cm2의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 액체 처리 장치.
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