KR20100082614A - 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 살균장치에 관한 것으로, 특히 대기압 상태에서 면 형태의 플라즈마를 발생시켜 플라즈마에서 발생하는 활성산소를 이용해 짧은 시간에 대장균 및 박테리아를 살균하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치에 의하면, 기존의 자외선 살균장치에 비해 짧은 시간 내에 신속하게 살균처리가 가능하며, 대기압 상태의 저온의 플라즈마를 이용하므로 열에 의한 피해가 없다는 장점이 있다.

대기압 플라즈마, 살균장치

Description

대기압 플라즈마를 이용한 살균장치 및 그 제조방법{Sterilizer using a atmospheric pressure plasma and method of the same}

본 발명은 플라즈마를 이용한 살균장치에 관한 것으로, 특히 대기압 상태에서 면 형태의 플라즈마를 발생시켜 플라즈마에서 발생하는 활성산소를 이용해 짧은 시간에 대장균 및 박테리아를 살균하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 건강에 대한 관심이 날로 증가하면서 살균, 항균, 소독 등 세균을 없애는 기술에 대한 중요성이 더욱 커지고 있다.

종래에는 유아용 젖병이나 식기 및 의료기기 등과 같이 소독이 필요한 피처리물에 대해 열탕소독이나 스팀소독 등을 많이 사용하여 왔지만 전기나 가스와 같은 에너지를 많이 소비하게 되고 소독 시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 또한 플라스틱이나 합성수지재와 같이 고온에서 견디기 힘든 물질에 대해서는 가열소독을 할 수 없는 문제가 있었다.

한편, 보다 우수한 살균기능을 위해 자외선이나 오존을 사용하는 살균기가 사용되고 있으나, 이러한 살균장치는 식품가공업체나 식당 등에서 대량 처리를 위 해 사용되는 대형 살균기가 주를 이루고 있으며, 자외선을 사용하는 소형 살균기의 경우 살균 시간이 오래 걸린다는 문제가 있었다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적과제는, 절연체로 분리되어 있는 전극 사이에 고전압을 인가하여 저온의 대기압 상태의 플라즈마를 발생시키고 이를 이용하여 대장균 및 박테리아 등을 살균하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적과제는, 상기 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치는, 플라즈마를 이용한 살균장치에 있어서, 접지 전압에 연결되어 있는 제1전극, 상기 제1전극에 대향하여 위치하는 제2전극, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 절연체 및 상기 제2전극에 전원을 인가하는 전원공급부를 구비하고, 상기 플라즈마는 상기 제1전극의 상부에 면 형태로 발생되는 대기압 플라즈마인 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 제조하는 방법은, 제1전극, 제2전극, 절연체 및 전원공급부를 구비하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 제조하는 방법에 있어서, 상기 제1전 극, 상기 절연체 및 상기 제2전극을 순차적으로 적층하는 단계, 상기 제1전극의 상부에 제1포토레지스터를 도포하고 상기 제2전극의 상부에 제2포토레지스터를 도포하는 단계, 상기 제1포토레지스터의 상부에 제1마스크 패턴을 형성하고 상기 제2포토레지스터의 상부에 제2마스크 패턴을 형성하는 단계, 상기 제1마스크 패턴 및 상기 제2마스크 패턴의 상부에 자외선을 조사하는 단계 및 식각 용액을 이용하여 상기 제1포토레지스터 및 상기 제2포토레지스터를 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치에 의하면, 기존의 자외선 살균장치에 비해 짧은 시간 내에 신속하게 살균처리가 가능하며, 대기압 상태의 저온의 플라즈마를 이용하므로 열에 의한 피해가 없다는 장점이 있다.

또한 화학적 에칭 방법에 의해 제조가 가능하여, 종래의 플라즈마 장치에서 요구되는 불활성 가스의 용기나 진공장치 등이 불필요하게 되므로 보다 낮은 비용으로 간단하게 살균장치를 제조할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장 치는 제1전극(110), 제2전극(120), 절연체(130) 및 전원공급부(140)를 구비한다.

상기 제1전극(110)의 상부에는 면(surface) 형태의 플라즈마가 발생되며 안전을 위하여 접지 전압에 연결하여 전기적 충격에 대비하는 것이 바람직하다. 상기 제1전극(110)은 적용하고자 하는 패턴에 따라 적절한 모양을 가질 수 있으며 이로 인해 생성되는 플라즈마의 형태를 다양하게 조절할 수 있게 된다.

상기 제2전극(120)은 제1전극(110)에 대향하여 위치하며 그 두께는 대략 35㎛ 정도인 것이 바람직하다. 한편 상기 제1전극(110) 및 제2전극(120)은 구리 전극을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 절연체(130)는 제1전극(110)과 제2전극(120)의 사이에 배치된다. 본 발명에서 사용된 절연체는 플라즈마의 발생에 중요한 역할을 하는 것으로 780㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

또한 상기 절연체(130)는 최대한 얇게 유지하면서 고전압에서 잘 견딜 수 있는 재질이어야 하며 본 발명에서는 이를 충족시킬 수 있는 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene:PTFE)이 사용되었으며 그 유전율은 2.2 이다.

상기 전원공급부(140)는 가정용전원(220V)을 이용하여 저주파(20kHz), 고전압(4~5kV)의 전원으로 변환하여 상기 제2전극(120)에 전원을 인가한다. 이때 상기 전원공급부(140)와 상기 제2전극(120) 사이에는 직렬로 연결된 저항(150)을 더 구비하는 것이 바람직하다.

도 2는 플라즈마가 발생하게 될 면의 마스크 패턴과 실제로 발생된 플라즈마를 나타내는 도면이다.

플라즈마가 발생하게 될 윗면은 적용하려고 하는 응용에 따라 적당한 모양이 될 수 있으며 이것은 본 발명의 다양성을 제공하는 것으로서 패턴의 모양에 따라 생성되는 플라즈마의 형태를 조절 할 수 있게 된다. 즉, 도 2의 A에서와 같은 패턴을 사용하여 공기 중에서 본 장치에 전원을 인가하면, 도 2의 B에서와 같이 구리 전극의 빈 공간에서 플라즈마가 발생하게 된다. 이는 기존에 플라즈마를 발생시키기 위해서 아르곤이나 헬륨 같은 불활성 기체를 담기 위한 챔버와 가스통 그리고 진공장치가 필요했던 방법에 비해 훨씬 간단하고 경제적인 방법이다.

도 3a는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조 과정을 나타내는 흐름도이고 도 3b는 도 3a의 흐름도에 따른 제조과정을 도식적으로 나타내는 도면이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조과정은 제1전극, 절연체 및 제2전극을 순차적으로 적층하는 단계(S310), 상기 제1전극의 상부에 제1포토레지스터를 도포하고 상기 제2전극의 상부에 제2포토레지스터를 도포하는 단계(S320), 상기 제1포토레지스터의 상부에 제1마스크 패턴을 형성하고 상기 제2포토레지스터의 상부에 제2마스크 패턴을 형성하는 단계(S330), 상기 제1마스크 패턴 및 상기 제2마스크 패턴의 상부에 자외선을 조사하는 단계(S340), 식각 용액을 이용하여 상기 제1포토레지스터 및 상기 제2포토레지스터를 식각하는 단계(S350)를 구비한다.

즉, 가운데 절연체(Dielectric)의 양면에 구리(Cu)가 도장(S310)되어 있는 기판위에 포토레지스터(Photo resistor)를 스핀 코터(Spin Coater)를 이용해 얇게 펴 바른 후(S320) 100℃에서 5분 동안 초벌로 굽는다.

그 후 도 2의 A에 도시된 것과 같은 마스크 패턴을 올린 후(S330) 자외선(UV)을 조사한다.(S340) 이때 마스트 패턴의 검은색 부분은 자외선이 조사되지 않게 된다. 자외선 조사가 끝난 기판을 다시 120℃에서 10분 동안 굽는다.

그 후 현상(Positive developer) 용액에 기판을 담가 흔들어 준다. 이때 자외선이 조사되지 않은 부분은 다음 단계에서 사용될 제2염화철(FeCl₂)과 화학 반응을 일으키지 못해 원하는 모양을 얻을 수 있는 원리이다. 최종적으로 제2염화철(FeCl₂) 용액에 여러 번 담갔다 빼면 자외선이 조사된 부분의 구리전극이 씻겨나가 패턴의 모양대로 전극의 구조가 만들어 진다.(S350)

도 4는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 동작 온도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 4의 A는 광 온도계를 이용하여 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 표면에서부터 측정한 온도를 나타낸다. 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 표면가까이에서는 45℃로 비교적 높게 나타나지만 거리에 따라 급격하게 온도가 감소하는 것을 볼 수 있다. 보다 정확한 측정을 위해서 도 2의 B에 도시된 바와 같이 플라즈마에서 발생되는 자외선을 이용해 온도를 측정한 결과를 도 4의 B에 나타내었다. 측정결과 310K으로 광 온도계를 이용한 결과와 비슷한 결과로 상온임을 알 수 있다. 본 발명의 플라즈마 장치는 동작온도가 높지 않아 플라스틱 등과 같은 고온에서 견디기 힘든 물질의 살균에 적합함을 알 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 이용하여 대장균(DH5-α)을 살균 처리한 결과를 나타내는 도면이다.

살균기로써의 플라즈마 장치는 실제 살균하고자 하는 대상에 대한 살균능력을 보여야한다. 기존의 고압증기멸균기(Autoclave)를 사용한 멸균을 위해서는 120℃에서 15분 이상 유지시켜야 한다. 하지만 온도를 올리고 식히는 과정을 생각하면 실제로 2~3시간이 소요된다.

그러나 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 이용하였을 경우에는 단 30초의 처리만으로도 대장균이 모두 멸균되었다. 실험 방법은 100㎕의 대장균을 87mm petri dish에 골고루 펴 바른 후 플라즈마를 조사한다. 이때 열에 의한 효과를 최소화하기 위해 살균장치와 대장균간의 거리는 5mm로 유지하였다.

플라즈마가 조사된 부분을 1000에서 10000배 희석하여 새로운 petri dish에 옮겨 담아 16시간 동안 배양하면 도 5에 도시된 바와 같이 대장균의 군체(Colony)가 자라나고, 플라즈마 처리 시간에 따른 군체의 수를 계수하여 살균 효과를 검증할 수 있다.

이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 구성을 나타내 는 도면이다.

도 2는 플라즈마가 발생하게 될 면의 마스크 패턴과 실제로 발생된 플라즈마를 나타내는 도면이다.

도 3a는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조 과정을 나타내는 순서도이다.

도 3b는 도 3a의 흐름도에 따른 제조과정을 도식적으로 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 동작 온도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 이용하여 대장균(DH5-α)을 살균 처리한 결과를 나타내는 도면이다.

Claims (16)

1. 플라즈마를 이용한 살균장치에 있어서,

   접지 전압에 연결되어 있는 제1전극;

   상기 제1전극에 대향하여 위치하는 제2전극;

   상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 절연체; 및

   상기 제2전극에 전원을 인가하는 전원공급부;를 구비하고,

   상기 플라즈마는 상기 제1전극의 상부에 면 형태로 발생되는 대기압 플라즈마인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 절연체는

   780㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 절연체는

   폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 절연체는

   유전율이 2.2인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 전원공급부는

   가정용전원(220V)을 이용하여 20kHz, 5kV의 전원으로 변환하여 상기 제2전극에 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 플라즈마 장치는

   상기 전원공급부와 상기 제2전극 사이에 직렬로 연결된 저항을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은

   구리 전극인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 대기압 플라즈마는

   45℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치.
9. 제1전극, 제2전극, 절연체 및 전원공급부를 구비하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치를 제조하는 방법에 있어서

   상기 제1전극, 상기 절연체 및 상기 제2전극을 순차적으로 적층하는 단계;

   상기 제1전극의 상부에 제1포토레지스터를 도포하고 상기 제2전극의 상부에 제2포토레지스터를 도포하는 단계;

   상기 제1포토레지스터의 상부에 제1마스크 패턴을 형성하고 상기 제2포토레지스터의 상부에 제2마스크 패턴을 형성하는 단계;

   상기 제1마스크 패턴 및 상기 제2마스크 패턴의 상부에 자외선을 조사하는 단계;

   식각 용액을 이용하여 상기 제1포토레지스터 및 상기 제2포토레지스터를 식각하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 절연체는

    780㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 절연체는

    폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 절연체는

    유전율이 2.2인 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 전원공급부는

    가정용전원(220V)을 이용하여 20kHz, 5kV의 전원으로 변환하여 상기 제2전극에 전원을 인가하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 플라즈마 장치는

    상기 전원공급부와 상기 제2전극 사이에 직렬로 연결된 저항을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 대기압 플라즈마는

    45℃ 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.
16. 제11항에 있어서, 상기 제1마스크패턴 및 상기 제2마스크패턴은

    그 패턴의 모양을 달리하는 것을 특징으로 하는 대기압 플라즈마를 이용한 살균장치의 제조방법.

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