KR20170032504A

KR20170032504A - 플라즈마를 이용한 멸균방법

Info

Publication number: KR20170032504A
Application number: KR1020150129448A
Authority: KR
Inventors: 민태기; 김태성; 안치성
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2015-09-14
Filing date: 2015-09-14
Publication date: 2017-03-23

Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 멸균방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 멸균방법은 멸균챔버를 100torr 이상의 상압(준상압)으로 형성한 다음, 비활성 가스를 이용하여 플라즈마를 발생시키고, 발생된 플라즈마에 의해 과산화수소 증기로부터 OH 라디컬을 생성시킴으로써 멸균대상을 멸균시킬 있는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 간이한 구성과 비용이 저렴한 플라즈마를 이용한 멸균방법이 제공된다.

Description

플라즈마를 이용한 멸균방법 {Sterilization Method using Plasma}

본 발명은 플라즈마를 이용한 멸균방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 OH 라디컬을 발생시킴으로써 멸균을 할 수 있는 플라즈마를 이용한 멸균방법에 관한 것이다.

과거 멸균의 역사를 살펴보면 1850년부터 고온 고압의 환경을 멸균대상물에 노출시켜 소독이라는 개념으로 멸균을 하기 시작하였다. 하지만 긴 멸균시간과 고온 고압에 취약한 대상물의 경우 변형을 일으킬 수 있으며 이로 인해 멸균대상물의 수명이 짧아진다는 단점이 있다.

이후 포름 알데히드를 이용한 스팀을 이용하였으나 독성을 지닌다는 단점 때문에 1950년 이후에는 에틸렌 옥사이드(Ethylene oxide, EO)를 이용한 화학적 저온 방식 멸균법이 개발되면서 플라스틱 및 다공성 물질 등을 손상없이 소독할 수 있었지만 독성이 강한 잔류 물질이 존재하며 발생되는 유독가스로 인해 관리가 어렵다는 단점이 있다. 이후 글루타르알데히드 플라즈마(Glutaraldehyde plasma)를 이용하여 처음으로 플라즈마 기반의 멸균 방법이 개발되었고, 아산화질소(N₂O) 또는 오존(O₃) 혼합 플라즈마를 이용한 멸균이 이루어졌다. 이후 계속된 가스 멸균법의 개발 과정에서 과산화 수소 (H₂O₂) 증기만을 이용하여 우수한 멸균 효과를 나타내는 것이 확인되었다.

최근에는 과산화수소 가스를 플라즈마 상태로 분해하여 발생 된 들뜬 에너지 상태인 활성종 OH 라디칼을 이용한 멸균이 제시되었는데, 이는 OH 라디칼이 멸균 대상의 세포벽으로 구성되어 있는 H+ 와 만나 세포벽을 파괴함으로써 매우 우수한 멸균 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 이와 같이 OH 라디칼은 강력한 멸균제 역할을 하므로 멸균시간이 짧을 뿐 아니라, OH 라디칼의 생존시간이 짧으므로 배기 시 H₂O, O₂, H₂ 등의 화합물로 즉시 환원되어 기타의 가스 멸균에 비해 인체 유해성의 위험이 비교적 적다.

이러한 과산화수소 가스와 플라즈마를 이용한 멸균방법은 대체적으로 다음 두 가지의 특징을 기초로 한다. 첫 번째 특징은 기화된 과산화수소를 직접 플라즈마로 발생시키기가 쉽지 않기 때문에 높은 수준의 진공에서 멸균 공정을 진행하게 된다. 이러한 높은 수준의 진공을 형성하기 위해서는 고성능의 진공 펌프 및 진공 챔버 등의 진공 장비를 이용해야 하므로 플라즈마 멸균장치가 대형화되고 설비의 가격이 비싸지게 된다. 두 번째 특징은 플라즈마를 발생시키기 위한 에너지원으로 RF 코일을 사용하게 되는데, 이 경우 교류의 전원을 알맞은 플라즈마 파워로 변환하기 위해 매칭 네트워크(Matching Network), RF 파워증폭기등의 고가의 장비가 필요하여 이 역시 멸균 설비의 크기가 커지고 비용이 비싸지게 된다.

한편, 종래의 RF 방식의 플라즈마 멸균기의 단점을 극복하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2012-0135128호 의료용 플라즈마 멸균장치에서는 마이크로웨이브를 이용하여 과산화수소를 플라즈마 처리한 후 멸균하는 방법이 개시되어 있다. 하지만, 상기 대한민국 공개특허 10-2012-0135128호의 경우, 플라즈마 발생을 위해 여전히 높은 수준의 진공을 요구하고 있어 여전히 고성능의 진공 설비가 필요한테, 이를 극복하는 방안을 구체적으로 제시하지는 못하였다.

즉, 기존 플라즈마 멸균기의 경우, 과산화수소 가스를 바로 공급하여 과산화수소 플라즈마를 발생시키므로 이를 위해 높은 수준의 진공이 필요한 문제점이 있어 왔다.

대한민국 특허공개공보 10-2012-0135128

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 상압(준상압)에서 마이크로웨이브를 이용하여 기존의 플라즈마 멸균 프로세스와 차별화 된 새로운 멸균방법을 제공함에 있다.

또한, 간단한 구조의 멸균장치를 이용할 수 있는 플라즈마를 이용한 멸균방법을 제공함에 있다.

또한, 간단한 구조의 멸균장치를 이용함으로써 비용을 절감할 수 있는 플라즈마를 이용한 멸균방법을 제공함에 있다.

따라서, 본 발명에서는 고가의 RF 시스템을 대체하여 저비용의 마이크로웨이브를 사용함과 동시에 진공을 위한 고성능의 진공 장비를 대체하기 위해 상압 또는 준상압에서도 가능한 플라즈마 멸균 프로세스를 제안하여 이를 통해 궁극적으로 소형화되고 저비용의 멸균기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 멸균대상이 위치한 챔버 내부에 100torr 이상의 상압(준상압) 수준의 약한 진공을 형성하는 진공형성단계; 이렇게 형성된 상기의 상압(준상압) 챔버 내부로 비활성 가스를 주입하는 비활성 가스 주입단계; 상기 챔버 내부에 마이크로웨이브를 가하여 비활성 가스의 플라즈마를 발생시켜 챔버 내에 과산화수소 분해를 위한 충분한 에너지를 확보하는 플라즈마 발생단계; 상기 비활성 기체 플라즈마가 발생된 챔버 내부로 과산화수소 증기를 주입하여 상기 비활성 기체 플라즈마에 의해 상기 과산화수소 증기로부터 OH 라디컬을 발생시키는 라디컬 발생단계; 상기 발생된 라디컬에 의해 상기 멸균대상이 멸균되는 멸균단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 멸균단계 후에 상기 챔버 내부의 잔존 가스를 배기시키는 배기단계를 더 포함하는 것이 잔류물을 제거할 수 있어 바람직하다.

한편, 상기 라디컬 발생단계에서는 상기 비활성기체 또는 상기 과산화수소 증기 중 적어도 어느 하나의 주입과 배기가 지속적으로 이루어질 수 있으며, 상기 주입이 되는 비활성기체 또는 과산화수소 증기는 상기 챔버 내부에서 유동을 형성하는 것이 멸균대상과 OH 라디컬의 접촉을 증대시킬 수 있어 바람직하다.

또한, 상기 멸균단계와 배기단계 사이에 상기 비활성기체 또는 상기 과산화수소 증기의 주입을 차단하는 차단단계를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 과산화수소 증기는 아토마이저에 의해 생성되고, 상기 비활성가스는 상기 아토마이저로 공급되어 상기 과산화수소 증기는 상기 아토마이저로 공급되는 상기 비활성가스의 압력에 의해 생성되는 것이 간단한 방법으로 과산화수소 증기와 비활성 가스를 동시에 공급할 수 있어 바람직하다.

한편, 상기 과산화수소 증기는 에어워셔에 의해 생성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상압(준상압)의 환경에서 플라즈마가 쉽게 발생할 수 있도록 비활성가스 (Ar, Ne, He 등)을 우선 공급하여 플라즈마를 점화(ignition) 시키고 이로 인해 발생된 활성 라디칼들로 말미암아 챔버 내에 과산화수소 가스를 분해할 수 있는 물리적인 운동에너지가 확보 된 상태에서 과산화수소 가스를 공급함으로써 과산화수소 플라즈마가 효과적으로 발생할 수 있도록 하였다. 즉, 과산화수소 플라즈마가 발생하기 어려운 상압(준상압)에서 비활성 가스의 에너지를 과산화수소 가스를 분해하는 데 이용함으로써 상압(준상압) 환경에서도 안정적인 과산화수소 플라즈마 발생이 가능하고 OH 라디칼이 발생할 수 있도록 새로운 멸균 프로세스가 제공된다.

따라서, 고성능의 진공 장비 없이 상압(준상압)에서 저 비용의 마이크로웨이브를 통해 간단한 구조의 멸균 방법이 제공된다.

또한, 상압(준상압) 조건에서 발생하기 쉬운 비활성 가스 (Ar, Ne, He) 플라즈마를 마이크로웨이브를 통해 먼저 발생시켜 플라즈마 내 물리적 운동 에너지를 활성화 시키고 이 때 과산화수소 기체를 주입함으로써 상압(준상압) 조건에서 과산화수소 플라즈마를 발생시키기 어려운 한계점을 극복하여 크기와 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 멸균방법이 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 멸균방법이 적용되는 멸균시스템을 도시한 간략도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 멸균방법을 나타낸 순서도,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 멸균방법을 나타낸 순서도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마를 이용한 멸균방법에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 설명에 앞서, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 멸균방법이 적용되는 멸균시스템에 대해서 설명한 후, 멸균방법에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 멸균방법이 적용되는 시스템에 대해 간략하게 도시한 시스템 간략도이다. 도면에 도시된 바와 같이 멸균시스템은 멸균챔버(10), 멸균챔버 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생장치(20), 멸균챔버(10) 내부를 100torr 이상의 상압(준상압)상태로 유지할 수 있는 소형 진공 펌프(30), 과산화수소 증기를 발생시킬 수 있는 과산화수소 발생장치(40), 멸균챔버(10) 내부에 비활성 가스를 주입할 수 있는 비활성 가스 주입라인(50), 멸균챔버(10) 내부에 과산화수소 증기를 주입할 수 있는 과산화수소 증기 주입라인(60), 그리고 멸균챔버(10) 내부의 잔류물을 제거하는 배기라인(70)으로 구성된다.

멸균챔버(10)는 멸균대상이 배치되고 플라즈마가 발생되어 OH 라디컬에 의해 멸균과정이 수행되는 공간이다.

플라즈마 발생장치(20)는 멸균챔버(10) 내부에 플라즈마가 발생될 수 있도록 초고주파를 발진시켜주는 장치이다. 본 발명에서는 초고주파를 발진시키기 위하여 마그네트론이 이용되나, 반드시 여기에 국한되는 것은 아니다.

소형 진공펌프(30)는 멸균챔버(10) 내부를 100torr 이상의 상압(준상압)상태로 유지할 수 있도록 마련된다. 본 발명에서의 멸균챔버(10)의 내부에서는 상압(준상압)상태에서 플라즈마가 발생하므로, 멸균챔버(10) 내부를 약한 진공 상태로 유지할 수 있는 소형 진공 펌프로 마련된다. 종래기술의 경우 플라즈마를 발생시키기 위해서 멸균챔버 또는 플라즈마 발생공간을 반드시 높은 수준의 진공으로 유지하여야 하므로 고성능의 진공장비를 사용해야 하나, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 멸균시스템의 경우에는 고성능의 진공설비를 사용할 필요가 없으므로 전체적인 시스템의 크기와 가격을 절감할 수 있다.

과산화수소 증기 발생장치(40)는 멸균챔버(10) 내부로 주입되는 과산화수소 증기를 발생시키는 장치이다. 과산화수소 증기 발생장치(40)에서는 과산화수소수에서 과산화수소 증기를 생성하며, 본 발명에서는 아토마이저 또는 에어워셔가 이용되나, 반드시 여기에 국한되는 것은 아니다.

비활성가스 주입라인(50)을 통해서는 멸균챔버(10) 내부에 플라즈마를 발생시키기 위하여 사용되는 비활성가스가 주입되며, 과산화수소 증기 주입라인(60)은 멸균챔버(10) 내부에 과산화수소 증기를 주입하게 된다. 만약, 과산화수소 증기 발생장치(40)로 아토마이저를 사용할 경우에는 비활성가스 주입라인(50)이 비활성가스 수용공간(51)으로부터 멸균챔버(10)로 직접 이어지는 라인과 과산화수소증기 발생장치(40)로 이어지는 라인으로 분기되어 마련될 수 있다.

배기라인(70)은 멸균공정이 완료되고 나면 멸균챔버(10) 내부의 잔류물을 제거하기 위한 라인이다. 일반적으로 플라즈마를 이용한 멸균방법의 경우 플라즈마에 의해 유해물질이 제거되기 때문에 별도의 유독성 문제가 발생되지 않으나, 배기라인(70)을 둠으로써 보다 확실하게 유해물질이 제거된다.

다음으로, 상술한 시스템을 이용하여 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마를 이용한 멸균방법을 설명한다. 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 멸균방법의 흐름을 나타낸 순서도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 플라즈마를 이용한 멸균방법은 크게 멸균챔버(10) 내부를 100torr 이상의 상압(준상압)으로 형성하는 진공형성단계(S1), 멸균챔버(10) 내부로 비활성 가스를 주입하는 비활성 가스 주입단계(S2), 멸균챔버(10) 내부에 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생단계(S3), 플라즈마가 발생된 멸균챔버(10) 내부로 과산화수소 증기를 주입함으로써 OH 라디컬을 발생시키는 라디컬 발생단계(S4), OH 라디컬에 의해 멸균대상이 멸균되는 멸균단계(S5), 멸균이 완료되면 멸균챔버(10) 내부의 가스를 배기시키는 배기단계(S6)로 이루어진다.

진공형성단계(S1)에서는 멸균챔버(10) 내부의 공기를 배출시켜 플라즈마의 생성이 원할하도록 멸균챔버(10) 내부를 약한 진공의 조건으로 만든다. 이때, 멸균챔버(10) 내부의 진공도는 높은 수준의 진공을 필요로 하지 않으며 100 torr 이상의 상압(준상압)으로 마련한다. 따라서, 기존의 고진공 환경에서 플라즈마를 형성하는 종래기술에 비해 높은 사양의 고진공 펌프를 사용할 필요가 없어 소용량의 저진공 펌프를 이용할 수 있어 비용을 절감할 수 있게 된다.

다음으로 멸균챔버(10) 내부에 비활성 가스를 하는 비활성 가스 주입단계(S2)가 마련된다. 비활성 가스 주입단계(S2)에서는 상압(준상압) 상태에서도 플라즈마가 원활히 생성될 수 있는 비활성 가스를 주입하게 되는데, 주입되는 비활성 가스는 헬륨, 아르곤 또는 헬륨과 아르곤의 혼합기체로 마련될 수 있으나, 반드시 여기에 국한되는 것은 아니다.

플라즈마 발생단계(S3)에서는 비활성 가스가 주입된 상압(준상압) 상태의 멸균챔버(10) 내부로 초고주파를 발생시켜 비활성 가스에 에너지를 가하게 된다. 초고주파는 마그네트론을 이용하여 발생시킨다. 멸균챔버(10) 내부가 상압(준상압), 비활성 가스 분위기이므로 초고주파를 발생시키면 전기적 에너지가 비활성 가스에 가해짐으로써 플라즈마 상태가 활성화 된다.

이어, 물리적인 운동 에너지를 지니고 있는 비활성 가스 플라즈마가 활성화된 멸균챔버(10) 내로 과산화수소 증기를 주입하여 플라즈마에 의해 과산화수소 증기로부터 OH 라디컬이 발생되는 라디컬 발생단계(S4)가 진행된다. 증기 상태의 과산화수소로부터 플라즈마에 의해 OH 라디컬이 발생된다. 과산화수소 증기는 과산화수소 증기 발생장치(40)에 의해 생성되며, 과산화수소 증기 발생장치(40)로는 앞서 설명한 바와 같이 아토마이저나 에어워셔를 이용할 수 있다. 발생된 과산화수소 증기는 과산화수소 증기 주입라인(60)을 통하여 멸균챔버(10) 내부로 주입될 수도 있으며, 과산화수소 증기 발생장치(40)로 아토마이저를 이용할 경우 비활성 가스와 함께 주입될 수도 있다.

비활성 가스와 함께 멸균챔버(10) 내부로 과산화수소 증기를 주입시킬 경우에는 과산화수소수를 담고 있는 아토마이저에 압력을 가하는 수단으로 상술한 비활성 가스를 이용한다. 즉, 비활성 가스의 주입라인(50)과 아토마이저를 연결시켜, 과산화수소수로부터 과산화수소 증기를 생성시키는 압력원으로 비활성 가스를 활용하고, 멸균챔버(10) 내부로 비활성 가스와 과산화수소 증기를 동시에 주입할 수도 있다. 이럴 경우 멸균시스템이 간이하게 구성될 수 있는 장점이 있다.

멸균단계(S5)에서는 멸균챔버(10) 내부에서 발생된 OH 라디컬에 의해 멸균대상이 멸균되는 단계이다. 멸균챔버(10) 내부에서 OH 라디컬에 의해 멸균대상이 멸균된 이후에는 멸균챔버(10) 내부의 잔류물을 배기시키는 배기단계(S6)가 진행됨으로써 멸균방법이 종료된다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마를 이용한 멸균방법에 대하여 설명한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예는 플라즈마가 생성된 멸균챔버(10) 내부로 멸균단계(S5)가 진행될 때 지속적으로 비활성 가스와 과산화수소 증기를 주입시키는 점에서 제1실시예와 다르며, 나머지 단계는 동일하다. 즉, 제1실시예의 경우, 비활성가스가 주입된 후 플라즈마가 발생되고, 소정량의 과산화수소 증기를 주입한 후 멸균단계(S5)가 진행되며, 멸균단계(S5)에서는 추가적인 과산화수소 증기 또는 비활성 가스가 주입되지 않으나, 제2실시예의 경우에는 멸균단계(S5)가 진행되는 과정에서도 계속해서 비활성 가스와 과산화수소증기를 주입함으로써, 플라즈마의 안정적인 발생과 OH 라디컬의 추가적인 발생을 도모함으로써 멸균성능을 향상시킨 것이 특징이다. 이럴 경우에는 멸균단계(S5) 이후에 비활성 가스와 과산화수소 증기의 주입을 차단하는 차단단계(S51)가 더 포함된다.

한편, 주입되는 비활성 가스와 과산화수소 증기를 멸균챔버(10) 내부에서 유동시킬 수도 있는데, 이럴 경우에는 멸균대상과 OH 라디컬의 접촉을 향상시킬 수 있어 보다 좋은 멸균 성능을 구현할 수 있게 된다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

10: 멸균챔버
20: 플라즈마 발생장치
30: 진공펌프
40: 과산화수소 증기 발생장치
50: 비활성 가스 주입라인
60: 과산화수소 증기 주입라인
70: 배기라인

Claims

멸균대상이 위치한 멸균챔버 내부에 약한 진공을 형성하는 진공형성단계;
약한 진공이 형성된 상압 또는 준상압 상태의 상기 멸균챔버 내부로 비활성 가스 를 주입하는 비활성 가스 주입단계;
상기 멸균챔버 내부에 초고주파를 가하여 비활성 가스 플라즈마를 발생시켜 과산화수소 가스의 분해를 하기 위한 물리적 운동에너지를 확보할 수 있는 비활성 가스 플라즈마발생단계;
플라즈마가 발생된 상기 멸균챔버 내부로 과산화수소 증기를 주입하여 상기 플라즈마에 의해 상기 과산화수소 증기로부터 상압 또는 준상압 상태에서 OH 라디컬을 발생시키는 라디컬 발생단계 및;
상기 OH 라디컬에 의해 상기 멸균대상이 멸균되는 멸균단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.
제1항에 있어서,
상기 멸균단계 후에 상기 멸균챔버 내부의 잔존 가스를 배기시키는 배기단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.
제1항에 있어서,
상기 라디컬 발생단계에서는 상기 비활성 가스 또는 상기 과산화수소 증기 중 적어도 어느 하나의 주입과 배기가 지속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.
제3항에 있어서,
상기 주입이 되는 비활성기체 또는 과산화수소 증기는 상기 멸균챔버 내부에서 유동을 형성하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법
제3항에 있어서,
상기 멸균단계와 상기 배기단계 사이에 상기 비활성 가스 또는 상기 과산화수소 증기의 주입을 차단하는 차단단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 과산화수소 증기는 아토마이저에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.
제6항에 있어서,
상기 비활성 가스는 상기 아토마이저로 공급되어 상기 과산화수소 증기는 상기 아토마이저로 공급되는 상기 비활성가스의 압력에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 과산화수소 증기는 에어워셔에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 멸균방법.