KR101953887B1 - 플라즈마 멸균기 - Google Patents

플라즈마 멸균기 Download PDF

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Abstract

플라즈마 멸균기는 챔버와 다단 트레이 및 플라즈마 발생부를 포함한다. 챔버는 멸균 증기가 유입되는 유입 포트와, 진공 펌프와 연결된 배기 포트를 포함한다. 다단 트레이는 챔버의 내부에서 수직 방향으로 적층된 복수의 트레이를 포함하며, 멸균 대상물을 지지한다. 플라즈마 발생부는 챔버의 내부에서 다단 트레이의 수평 방향 외측에 위치하며, 용량성 결합 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 발생부는 챔버의 측벽에 고정된 고전압 전극과, 고전압 전극을 덮는 절연체와, 다단 트레이와 절연체 사이에서 방전 공간을 사이에 두고 절연체와 마주하는 접지 전극을 포함한다. 접지 전극은 다공판으로 이루어진다.

Description

플라즈마 멸균기 {PLASMA STERLIZER}
본 발명은 플라즈마 멸균기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 위치에 따른 멸균 기능의 편차를 줄일 수 있는 플라즈마 멸균기에 관한 것이다.
의료용 기구와 같이 세균이나 미생물 등에 의해 오염되기 쉽고, 오염 시 문제를 일으키는 기구들은 사용 후 멸균 처리를 거쳐야 한다. 멸균이 필요한 각종 의료 시설이나 산업 시설 등에 플라즈마 멸균기가 사용되고 있다.
멸균 대상물은 포장된 상태로 챔버 내부의 트레이에 배치된다. 챔버는 진공 펌프에 의해 배기되고, 챔버 내부에 멸균 증기가 투입되면서 트레이 주위에 플라즈마가 발생하거나, 챔버의 일측에 리모트 플라즈마가 발생한다. 멸균 증기와 플라즈마의 작용으로 멸균이 이루어진다.
챔버에 보다 많은 양의 멸균 대상물이 위치할 수 있도록 트레이는 다단 트레이로 구성되는 것이 일반적이다. 이때 플라즈마는 복수의 트레이 중 어느 한 트레이, 예를 들어 최상측 트레이 근처에서 발생하고, 위에서 아래를 향하는 방향으로 복수의 멸균 대상물에 플라즈마 방전에 따른 자외선과 라디칼이 공급된다.
플라즈마 발생 영역에서 멀어질수록 중성 기체와의 충돌에 의해 자외선과 라디칼의 양이 감소하므로, 플라즈마 멸균기 내에서 플라즈마 발생 영역과의 거리에 따라 멸균 기능에 편차가 발생하게 된다. 또한, 통상의 플라즈마 멸균기는 고주파 전원부와 임피던스 정합기를 구비하는데, 이들은 고가의 장비이므로 플라즈마 멸균기의 대중화를 어렵게 하고 있다.
본 발명은 챔버 내부에 위치하는 복수의 멸균 대상물에 대하여 위치에 따른 멸균 기능의 편차를 최소화할 수 있고, 장치 가격을 낮출 수 있는 플라즈마 멸균기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 멸균기는 챔버와 다단 트레이 및 플라즈마 발생부를 포함한다. 챔버는 멸균 증기가 유입되는 유입 포트와, 진공 펌프와 연결된 배기 포트를 포함한다. 다단 트레이는 챔버의 내부에서 수직 방향으로 적층된 복수의 트레이를 포함하며, 멸균 대상물을 지지한다. 플라즈마 발생부는 챔버의 내부에서 다단 트레이의 수평 방향 외측에 위치하며, 용량성 결합 플라즈마를 발생시킨다. 플라즈마 발생부는 챔버의 측벽에 고정된 고전압 전극과, 고전압 전극을 덮는 절연체와, 다단 트레이와 절연체 사이에서 방전 공간을 사이에 두고 절연체와 마주하는 접지 전극을 포함한다. 접지 전극은 다공판으로 이루어진다.
복수의 트레이 사이 공간은 플라즈마 발생부를 향해 개방될 수 있고, 복수의 트레이 각각은 수평 방향을 따라 플라즈마 발생부와 이격될 수 있다.
플라즈마 발생부의 수직 방향 길이는 다단 트레이의 수직 방향 길이보다 클 수 있다. 접지 전극은 방전 공간으로 플라즈마를 가두면서 플라즈마 방전에 의해 생성된 자외선, 전자, 이온, 라디칼을 복수의 트레이 사이 공간으로 바로 공급할 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 트레이 각각은 접지 전극과 접촉하여 접지 전극에 통전될 수 있고, 방전 공간의 플라즈마는 복수의 트레이 각각의 상부 영역과 하부 영역으로 확장될 수 있다. 복수의 트레이 각각은 좌측 단부와 우측 단부에서 접지 전극과 접촉할 수 있고, 전방측 단부와 후방측 단부에서 챔버와 이격될 수 있다.
챔버는 유입 포트가 위치하는 상판과, 배기 포트가 위치하는 하판을 더 포함할 수 있다. 상판과 하판은 금속으로 제작될 수 있고, 접지될 수 있다. 상판과 하판 각각은 측벽을 향해 꺾인 플랜지를 포함할 수 있고, 접지 전극의 상측 단부와 하측 단부는 플랜지에 고정되어 상판 및 하판에 통전될 수 있다. 측벽은 절연판으로 제작될 수 있고, 고전압 전극은 측벽의 내면에 직접 고정될 수 있다.
실시예들에 따르면, 플라즈마 멸균기는 복수의 멸균 대상물로 자외선과 라디칼을 효율적으로 제공할 수 있으며, 멸균 효과를 높임과 동시에 위치별 멸균 기능의 편차를 최소화할 수 있다. 또한, 플라즈마 멸균기는 고주파(RF)가 아닌 1MHz 이하의 구동 주파수에서 운전이 가능하므로, 전원 장치의 가격을 낮추어 대중화에 유리하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 멸균기의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 멸균기의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 플라즈마 멸균기의 작동 상태를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 멸균기의 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시한 플라즈마 멸균기의 작동 상태를 도시한 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 멸균기의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 플라즈마 멸균기의 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 플라즈마 멸균기(100)는 챔버(10)와, 챔버(10)의 내부에 위치하는 다단 트레이(20)와, 다단 트레이(20)의 옆쪽에서 플라즈마 방전을 일으키는 플라즈마 발생부(30)를 포함한다. 플라즈마 발생부(30)는 용량성 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 생성을 위한 전극 구조를 가진다.
챔버(10)는 육면체 형상일 수 있으며, 챔버(10)의 정면에 멸균 대상물을 넣고 빼기 위한 도어(41)가 위치할 수 있다.
챔버(10)는 유입 포트(11)가 위치하는 상판(12)과, 배기 포트(13)가 위치하는 하판(14)을 포함한다. 유입 포트(11)는 기화기(42)와 연결되며, 챔버(10)는 기화기(42)로부터 멸균 증기, 예를 들어 과산화수소(H2O2) 증기를 공급받는다. 배기 포트(13)는 진공 펌프(43)와 연결되고, 챔버(10)는 진공 펌프(43)에 의해 배기된다.
챔버(10)는 상판(12)과 하판(14)을 연결하는 측벽(15)을 포함한다. 상판(12)과 하판(14)은 금속판일 수 있으며, 접지될 수 있다. 측벽(15)은 금속판 또는 절연판으로 제작될 수 있다. 도 1과 도 2에서는 측벽(15)인 절연판인 경우를 예로 들어 도시하였다. 절연판으로 이루어진 측벽(15)은 상판(12) 및 하판(14)과 기밀 상태를 유지하면서 기계적으로 결합된다.
다단 트레이(20)는 서로간 거리를 두고 수직 방향으로 적층된 복수의 트레이(21)를 포함하며, 포장된 멸균 대상물이 복수의 트레이(21) 위에 놓인다. 다단 트레이(20)는 금속으로 제작될 수 있다.
플라즈마 발생부(30)는 다단 트레이(20)의 옆쪽에서 다단 트레이(20)와 챔버(10)의 측벽(15) 사이에 위치한다. 복수의 트레이(21) 사이 공간은 플라즈마 발생부(30)를 향해 개방되어 있으며, 복수의 트레이(21) 각각은 수평 방향을 따라 플라즈마 발생부(30)와 일정 거리를 두고 떨어져 위치한다.
플라즈마 발생부(30)는 다단 트레이(20)의 상측에 위치하는 통상의 구조와 다르게 다단 트레이(20)의 옆쪽에 위치한다. 구체적으로, 플라즈마 발생부(30)는 다단 트레이(20)의 좌측과 우측에 위치하거나, 다단 트레이(20)의 좌측과 우측 및 후방측(도어(41)와 반대되는 측)에 위치할 수 있다.
다른 한편으로, 도시는 생략하였으나, 도어(41)는 챔버(10)의 측벽(15)이 아닌 다른 부분, 예를 들어 상판(12)에 위치할 수 있다. 이 경우 플라즈마 발생부(30)는 다단 트레이(20)의 좌측과 우측, 전방측과 후방측 모두에 위치할 수 있다.
플라즈마 발생부(30)는 챔버(10)의 측벽(15)에 고정된 고전압 전극(31)과, 고전압 전극(31)에 접속된 고전압 전원(32)과, 고전압 전극(31)을 덮는 절연체(33)와, 방전 공간을 사이에 두고 절연체(33)와 마주하는 접지 전극(34)을 포함한다. 접지 전극(34)은 고전압 전극(31)보다 다단 트레이(20)에 더 가깝게 위치하며, 복수의 개구부(341)가 형성된 다공판으로 이루어진다.
챔버(10)의 측벽(15)이 금속판으로 제작되는 경우, 고전압 전극(31)과 측벽(15) 사이에 별도의 절연체를 배치해야 하므로, 측벽(15)을 절연판으로 제작하는 경우가 챔버(10)의 구조를 간소화하는데 유리하다.
절연체(33)는 알루미나(Al2O3) 등의 유전 물질로 제작될 수 있고, 고전압 전극(31)의 수직 길이보다 큰 수직 길이로 형성되어 챔버(10) 내부로 고전압 전극(31)이 노출되지 않도록 한다.
챔버(10)의 상판(12)과 하판(14)은 측벽(15)을 향해 꺾인 플랜지(161, 162)를 포함할 수 있다. 접지 전극(34)의 수직 길이는 다단 트레이(20)의 수직 길이 및 절연체(33)의 수직 길이보다 클 수 있으며, 접지 전극(34)의 상측 단부와 하측 단부는 플랜지(161, 162)에 고정되어 챔버(10)의 상판(12) 및 하판(14)에 통전될 수 있다.
접지 전극(34)은 수평 방향으로 다단 트레이(20) 및 절연체(33)와 마주하는 영역에 복수의 개구부(341)를 형성한다. 다공판으로 구성된 접지 전극(34)은 접지 전극(34)과 절연체(33) 사이의 방전 공간에 플라즈마를 가두면서 플라즈마 방전에 의해 생성된 자외선, 전자, 이온, 라디칼을 다단 트레이(20)로 균일하게 공급한다.
고전압 전원(32)은 1MHz 이하의 주파수, 예를 들어 수십 내지 수백 kHz의 주파수와 1kV 이상의 출력을 가지는 구동 전압(Vs)을 고전압 전극(31)으로 인가한다. 이러한 고전압 전원(32)은 임피던스 정합기와 같은 부가 장치가 필요 없으며, 고주파(Radio Frequency, RF) 전원부와 임피던스 정합기를 사용하는 종래의 플라즈마 멸균기 대비 플라즈마 멸균기(100)의 장치 가격을 낮추는데 매우 유리하다.
도 3은 도 2에 도시한 플라즈마 멸균기의 작동 상태를 도시한 개략도이다.
도 3을 참고하면, 전술한 구성의 플라즈마 멸균기(100)에서, 챔버(10) 내부를 배기시킨 후 과산화수소 증기를 유입시키고, 고전압 전극(31)에 구동 전압(Vs)을 인가하면, 절연체(33)와 접지 전극(34) 사이의 방전 공간에서 플라즈마가 생성된다.
고전압 전극(31)에 인가되는 구동 전압(Vs)은 1MHz 이하의 주파수를 가지며, 양의 값(½Vs)과 음의 값(-½Vs)이 주기적으로 변하는 형태, 예를 들어 정현파 형태일 수 있다.
방전 공간에 생성되는 플라즈마는 용량성 결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP)이고, 절연체(33)로 덮인 고전압 전극(31)은 아크 발생이 없는 안정된 글로우 방전 영역을 확장시킨다. 플라즈마 방전에 의해 생성된 자외선, 전자, 이온, 및 라디칼이 접지 전극(34)의 개구부(341)를 통해 다단 트레이(20)의 내부 공간으로 유입되며, 이들과 과산화수소 증기에 의한 멸균이 동시에 이루어진다.
구체적으로, 과산화수소(H2O2)는 플라즈마에 의해 분해되어 O, H, OH 등의 라디칼로 변환되는데, 이 라디칼들은 효율적인 식각종(Etchant)으로서 멸균 대상물의 표면에 붙어 있는 세균들을 박멸할 수 있으며, 세균들을 효과적으로 비활성화(Inactivation) 시킬 수 있다. 전자와 이온 및 자외선은 멸균 대상물 표면에서의 라디칼-세균 간의 화학반응 속도를 높이며, 라디칼들이 멸균 대상물의 표면 깊숙이 침투할 수 있도록 하여 멸균력을 높이는데 기여한다.
플라즈마 발생 영역에서 멀어질수록 중성 기체와의 충돌에 의해 자외선과 라디칼의 양이 감소하는데, 제1 실시예에서는 플라즈마 발생부(30)가 다단 트레이(20)의 옆쪽에 위치함에 따라, 플라즈마 방전에 의한 자외선과 라디칼이 복수의 트레이(21) 사이 공간으로 곧장 유입되며, 또한 복수의 트레이(21) 사이 공간으로 균일하게 유입된다.
따라서 제1 실시예에서는 복수의 트레이(21) 각각에 놓인 복수의 멸균 대상물에 많은 양의 자외선과 라디칼을 공급할 수 있으므로, 복수의 멸균 대상물 각각의 멸균력을 높일 수 있다. 이와 동시에 트레이(21) 위치에 관계없이 복수의 멸균 대상물에 실질적으로 균일한 양의 자외선과 라디칼을 공급할 수 있으므로, 멸균 기능의 편차를 최소화할 수 있다.
플라즈마 발생부가 다단 트레이의 상측에 위치하는 경우를 가정하면, 플라즈마 방전에 의해 생성된 자외선과 라디칼은 최상측 트레이에 부딪힌 후 트레이의 옆쪽으로 밀려나고, 최상측 트레이의 아래에 위치하는 다른 트레이의 내부 공간으로 우회하여 유입된다.
이 경우, 아래측 트레이를 향할수록 자외선과 라디칼의 이동 경로가 길어지는 것에 의해 그 양이 지속적으로 감소한다. 그 결과, 아래측 트레이에 놓인 멸균 대상물일수록 멸균 기능이 저하되며, 트레이의 위치에 따라 멸균 기능에 큰 편차가 발생하게 된다.
제1 실시예의 플라즈마 멸균기(100)는 전술한 플라즈마 발생부(30) 구성에 의해 복수의 멸균 대상물로 자외선과 라디칼을 효율적으로 제공할 수 있으며, 멸균 효과를 높임과 동시에 위치별 멸균 기능의 편차를 최소화할 수 있다. 더욱이 제1 실시예의 플라즈마 멸균기(100)는 고주파(RF)가 아닌 1MHz 이하의 구동 주파수에서 운전이 가능하므로, 전원 장치의 가격을 낮추어 대중화에 유리하다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 플라즈마 멸균기의 단면도이고, 도 5는 도 4에 도시한 플라즈마 멸균기의 작동 상태를 도시한 개략도이다.
도 4와 도 5를 참고하면, 제2 실시예의 플라즈마 멸균기(200)에서 다단 트레이(20)는 접지 전극(34)과 접촉하고, 금속으로 제작된 다단 트레이(20)는 접지 전극(34)과 통전된다.
구체적으로, 복수의 트레이(21) 각각은 어느 하나의 접지 전극(34)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 복수의 트레이(21) 각각의 좌측 단부와 우측 단부는 수평 방향으로 마주하는 두 개의 접지 전극(34)과 접촉할 수 있다. 이를 위해 복수의 트레이(21) 각각의 수평 길이는 수평 방향으로 마주하는 두 개의 접지 전극(34)간 거리와 같을 수 있다.
도시는 생략하였으나, 다단 트레이(20)의 전방측 단부와 도어(41) 사이에 소정의 공간이 존재하고, 다단 트레이(20)의 후방측 단부와 측벽(15) 사이에 소정의 공간이 존재할 수 있다. 따라서 다단 트레이(20)의 좌, 우측 단부가 접지 전극(34)까지 확장되어도 챔버(10) 내부의 배기와 멸균 증기의 확산에 장애가 발생하지 않는다.
제2 실시예의 플라즈마 멸균기(200)에서, 챔버(10) 내부를 배기시킨 후 과산화수소 증기를 유입시키고, 고전압 전극(31)에 구동 전압을 인가하면, 절연체(33)와 접지 전극(34) 사이의 방전 공간에 플라즈마 생성된다. 이때 전자는 금속 표면(다단 트레이(20)의 표면)을 따라 빠르게 이동하므로 플라즈마 발생 영역이 복수의 트레이(21) 각각의 상부 영역과 하부 영역으로 확장된다.
이와 같이 제2 실시예에서는 다단 트레이(20)의 내부까지 플라즈마 영역을 확장시킬 수 있으므로, 복수의 트레이(21) 전체 영역에 걸쳐 복수의 멸균 대상물을 향해 동일한 양의 자외선, 이온, 전자, 라디칼을 공급할 수 있다.
그 결과, 각 트레이(21)의 가장자리에 놓인 멸균 대상물과 각 트레이(21)의 중앙에 놓인 멸균 대상물 사이에 멸균력 차이가 발생하지 않으며, 실질적으로 다단 트레이(20)에 놓인 모든 멸균 대상물에 균일한 멸균 효과를 발휘할 수 있다.
다만, 다단 트레이(20)에 놓인 멸균 대상물이 뾰족한 형상의 금속일 경우, 아킹이 발생할 가능성이 있으므로, 멸균 대상물 선정에 주의가 요구된다.
제2 실시예의 플라즈마 멸균기(200)는 다단 트레이(20)가 접지 전극(34)에 연결되어 통전되는 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 플라즈마 멸균기와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 플라즈마 멸균기 10: 챔버
12: 상판 14: 하판
15: 측벽 20: 다단 트레이
21: 트레이 30: 플라즈마 발생부
31: 고전압 전극 32: 고전압 전원
33: 절연체 34: 접지 전극
41: 도어 42: 기화기
43: 진공 펌프

Claims (8)

  1. 멸균 증기가 유입되는 유입 포트가 형성된 상판과, 진공 펌프와 연결되는 배기 포트가 형성된 하판과, 상판과 하판을 연결하는 절연 재질의 측벽을 포함하는 챔버;
    상기 측벽의 내면에 고정된 고전압 전극과, 고전압 전극을 덮는 절연체와, 방전 공간을 사이에 두고 절연체와 마주하며 다공판으로 이루어진 접지 전극을 포함하는 플라즈마 발생부; 및
    상기 챔버의 내부에서 수평하게 위치하고, 수직 방향으로 적층되며, 양측 가장자리가 상기 접지 전극과 접촉하여 상기 접지 전극에 통전되는 복수의 트레이로 구성되고, 멸균 대상물을 지지하는 다단 트레이를 포함하며,
    플라즈마는 상기 방전 공간과 상기 복수의 트레이 각각의 상부 영역 및 하부 영역에 생성되는 플라즈마 멸균기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1에 있어서,
    상기 복수의 트레이 각각은 좌측 단부와 우측 단부에서 상기 접지 전극과 접촉하고, 전방측 단부와 후방측 단부에서 상기 챔버와 이격되는 플라즈마 멸균기.
  6. 삭제
  7. 제1에 있어서,
    상기 상판과 상기 하판 각각은 금속으로 제작되고, 접지되며, 상기 측벽을 향해 꺾인 플랜지를 포함하고,
    상기 접지 전극의 상측 단부와 하측 단부는 상기 플랜지에 고정되어 상기 상판 및 상기 하판에 통전되는 플라즈마 멸균기.
  8. 삭제
KR1020170090227A 2017-07-17 2017-07-17 플라즈마 멸균기 KR101953887B1 (ko)

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