KR20170120838A

KR20170120838A - 플라즈마 제트를 이용한 복합 소독유체 분무식 멸균장치 및 방법

Info

Publication number: KR20170120838A
Application number: KR1020160049212A
Authority: KR
Inventors: 손희식
Original assignee: 주식회사 에스피텍
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-11-01
Also published as: KR101848311B1; WO2017183781A1

Abstract

본 발명은 과산화수소 등의 약품과 오존의 반응을 이용하여 OH 라디칼의 발생을 증진시켜 멸균의 효율을 높이는 멸균 장치 및 방법에 관한 것이다. 그 장치의 구성은; 플라즈마 제트를 발생시키는 운반기체 공급 수단(T1); 플라즈마 전원 공급 수단(T2); 플라즈마 제트 발생 수단(T3); 액상 소독약품의 저장 수단(T4);을 포함하되, 상기 액상 소독약품을 플라즈마에 노출시키고 액상 미립자로 만들어 상기 운반기체와 함께 분무하는 수단(T5)을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 제트를 이용한 복합 소독유체 분무식 멸균장치 및 방법 {Spraying Type Sterilization Apparatus And Method Using Complex Disinfectant Fluids and Plasma Jet}

본 발명은 멸균 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 과산화수소 등의 약품과 오존의 반응을 이용하여 OH 라디칼의 발생을 증진시켜 멸균의 효율을 높이는 멸균 장치 및 방법에 관한 것이다.

특히 소독약품을 이용함에 있어서 소독약품을 기체의 형태로 이용하지 않고, 액상(액체) 미립자의 형태로 사용하며, 필요에 따라 오존과 플라즈마를 복합적으로 적용하는 방법에 관한 것이다.

소독 또는 멸균장치는 전통적으로는 고온 스팀을 이용하는 방법이 있으며, Ethylene Oxide(ETO) 가스를 이용하는 방법, 오존과 물을 이용하는 방법, 과산화수소 증기를 이용하는 방법, 과산화수소와 플라즈마를 이용하는 방법 등이 있다. 최근에는 오존, 과산화수소, 플라즈마, 자외선(UV) 및 광촉매(TiO₂) 등을 다양하게 조합하여 멸균 효율을 높이는 노력이 진행되고 있다.

약품의 공급 방식은 크게 증기, 기체 버블러(bubbler), 액체(액상) 미립자(mist)의 형태로 공급한다.

고농도 과산화수소수는 취급상 유독 물질이고, 멸균 대상물과 플라즈마의 직접 접촉은 전기장에 의한 정전 손상과 플라즈마에 의한 표면손상이 발생할 수 있다. 오존은 한정된 유기결합의 분해과정에 만 관여하거나, 금속의 산화 반응에 소비되어 멸균 처리에 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다.

과산화수소를 이용한 멸균 방법으로는 대한민국 등록실용신안 20- 0303495의 경우가 있으며 멸균효율을 증가시키기 위해 대기압 이상의 과산화수소 증기를 이용한 바 있다.

한편, 오존의 강력한 산화력을 이용하여 멸균을 하고자 하는 여러 노력들이 있었다. 오존은 불소(F, 2.87eV), 수산화기(OH, 2.85eV) 다음으로 높은 산화 환원 준위(2.07eV)를 가지며, 과산화수소(H₂O₂, 1.77eV) 보다 더 강력한 산화제로 알려져 있다.

오존을 이용하는 문헌은 대한민국 등록특허 10-0737210, US 2004/0161361A1, JP 2005-211095A, JP 2008-104488A, JP 2005-211095A JP 2008-104488A 등이 있다. 그러나 오존은 멸균 반응시간이 느리고 유기물의 종류에 따라 분해과정에서의 속도 편차가 크다는 단점이 있다.

과산화수소, 오존, 플라즈마를 이용하는 방법에는 JP2006-204889의 문헌이 있다. 이 기술은 감압된 용기(chamber) 내부 전체를 대상으로 플라즈마를 발생시키는 방식으로 멸균 대상물이 플라즈마에 직접 영향을 받게 되는 단점이 있다.

또한, 대한민국 공개특허 10-2012-0028413은 대기압 이하의 압력에서 과산화수소를 기체상태로 하여 저온 플라즈마에 의해 과산화수소를 활성시키고 추가적으로 별도의 입구에서 오존을 투입하는 방법을 개시한 바 있다. 그러나 이 방법은 기상의 과산화수소가 플라즈마를 통과하면서 분해되어 소독 성능을 오히려 감소시킨다는 단점이 있다.

대한민국 등록특허 10-1250748의 경우, 대기압의 압력에서 밀폐된 용기의 측면에 과산화수소수를 미세입자로 분무하는 입구와 오존과 OH 라디칼을 발생시키는 플라즈마를 장치를 다른 측면에 동시에 장착하여 멸균의 효율을 높이고자 하였다. 이때 플라즈마는 용기 내부를 순환하는 기체 중 일부 만에 관여하여 오존의 발생량이 적고, 과산화수소를 활성화한 후 이동시키는 방법으로 멸균 효율에 한계가 있다.

위에서 설명한 기술은 근본적으로 밀폐된 용기를 사용하는 방법이며, 대다수는 대기압 이하의 감압 상태에서 멸균이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

밀폐용기가 아닌 노출된 곳을 멸균하는 방법으로는 과산화수소 또는 살균 약품을 분사하는 방식이 주로 사용되며, 이 방법은 밀폐된 용기를 제거하고 밀폐용기의 감압 공정도 필요가 없으므로 장치가 간단하다는 장점이 있다. 이와 같은 방법으로는 대표적으로 US 7008592 B2와 US 6969487 B1의 문헌이 있다. 여기서는 소독 약품을 미세입자로 분사하고 이후에 이 미세입자를 활성화 에너지에 노출시켜 소독 약품을 더욱 활성화시켜 노출된 물건 표면 또는 공간 전체를 멸균하고자 하였다.

그러나 액체의 미세입자의 전기적 교란 효과 때문에 플라즈마를 적용하기 어렵다. 따라서 현재까지 소독약품의 액체 미세입자를 라디칼 등으로 활성화시키는 방법은 뾰족한 두 전극 사이에서 고전압의 전기적 아크를 발생시켜 이 영역을 분무되는 액체 미세입자가 통과하게 하는 방법만이 실용화된 상태이다. 이 방법은 미세입자가 아크 방전을 통과할 때 OH 라디칼을 형성시키지만 OH 라디칼의 생존 수명이 짧아서 멸균 대상물의 표면에 도달하기 전에 소진되는 경향이 있다. 따라서 분사 속도가 빠르고 지속되어야 멸균효과를 발생시킬 수 있다는 단점이 있다.

또한 자외선을 이용하는 방법도 유력하나 분무되는 미세입자를 짧은 시간내에 활성화하기에는 자외선의 에너지가 부족하다고 판단되고 있다.

따라서 본 발명에서는 외부에 노출된 표면 또는 공간을 멸균하기 위하여 비교적 장치가 간단한 소독약품의 분무 또는 분사 공정을 기본공정으로 이용하고 멸균 효율을 더욱 증가시키기 위하여 소독약품과 플라즈마를 복합적으로 이용하는 방법을 제안하고자 한다. 더욱 자세하게는 소독약품의 액체 미립자와 플라즈마에 의한 오존을 동시에 사용하고, 소독유체가 멸균 대상물 표면에 도달한 후 활성화 반응을 일으키는 것을 특징으로 한다. 이때, 오존은 플라즈마 통과시 생성되는 오존에 의해 공급된다.

일본특허공보 JP2006-204889

대한민국 공개특허 10-2012-0028413

대한민국 등록특허 10-1250748

미국특허공보 US 7008592 B2

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 멸균력이 우수하고 장치가 간단한 소독 및 멸균 장치와 멸균 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은; 플라즈마 제트를 발생시키는 운반기체 공급 수단(T1);

플라즈마 전원 공급 수단(T2);

플라즈마 제트 발생 수단(T3)

액상 소독약품의 저장 수단(T4);을 포함하되,

상기 액상 소독약품을 플라즈마에 노출시키고 액상 미립자로 만들어 상기 운반기체와 함께 분무하는 수단(T5)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치에 의해 달성된다.

본 발명의 특징에 의하면,

상기 분무하는 수단(T5)은 벤츄리(20) 관으로 형성된 분사노즐(23)로 되어 있으며, 상기 소독약품의 저장 수단(T4)과 상기 분사노즐은 소독약품 유입구(21)로 연결되어 있을 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 의하면,

상기 분무하는 수단(T5)은 벤츄리 관, 분사노즐, 초음파 미립자 발생기 또는 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 운반기체는 공기, 산소, 아르곤, 질소, 헬륨 또는 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

자외선(UV) 조사 장치가 더 구비되어 액상 소독약품, 분사되는 액상 소독약품 미립자, 멸균 대상물 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 자외선(UV)이 조사되는 것일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 플라즈마 제트를 위한 전원은 펄스 또는 교류의 형태로 0.2 ~ 25 kV 범위의 전압과 0.5 ~ 50 kHz 범위의 주파수일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 액상 소독약품은 과산화수소수, 오존 함유수, 과초산, 차아염소산, 과산화탄산나트륨, 글루타르알데히드(glutaraldehyde), eth ylenediamine-tetracetate, 아이소프로필 알콜 또는 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 과산화수소수의 과산화수소 농도가 50%이하, 35%이하, 15%이하, 7.5%이하, 6%이하 또는 3%이하일 수 있다.

본 발명의 다른 목적은;

액상 소독약품을 용기에 장입하는 단계(S1);

플라즈마 제트를 발생시키는 운반기체를 공급하는 단계(S2);

플라즈마 제트를 발생시키는 단계(S3);

상기 소독약품 공급 및 유입 단계(S4);

상기 플라즈마 및 소독약품 혼합 단계(S5);

상기 액상 소독약품을 미립자로 만들어 운반기체와 함께 분무하는 단계(S6);

상기 복합 소독유체가 비행하여 멸균 대상물에 도달하는 단계(S7);

상기 복합 소독유체가 복합반응을 일으켜 멸균하는 단계(S8);를 포함하고,

최종 분무되는 복합 소독유체가 액상 소독약품 미립자, 오존(기상, 액상 또는 이들의 조합) 및 운반기체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균방법에 의해 달성된다.

본 발명의 다른 특징에 의하면,

상기 소독약품의 분무는 벤츄리(20) 관으로 형성된 분사노즐(23)로 되어 있으며, 상기 소독약품의 저장 수단(T4)과 상기 분사노즐은 소독약품 유입구(21)로 연결되는 분무 수단에 의해 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 소독약품의 분무는 벤츄리 관, 분사노즐, 초음파 미립자 발생기 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 의해 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

자외선(UV) 조사 장치가 더 구비되어 액상 소독약품, 분사되는 액상 소독약품 미립자, 멸균 대상물 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 자외선(UV)이 조사되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 플라즈마 제트를 위한 전원은 펄스 또는 교류의 형태로 0.2 ~ 25 kV 범위의 전압과 0.5 ~ 50 kHz 범위의 주파수가 되도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상기 액상 소독약품은 과산화수소수, 오존 함유수, 과초산, 차아염소산, 과산화탄산나트륨, 글루타르알데히드(glutaraldehyde), ethy lenediamine-tetracetate, 아이소프로필 알콜 또는 이들의 조합 중 어느 하나일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 의하면,

상술한 멸균 장치 및 방법은 장치가 간단하고 소독약품과 플라즈마의 복합반응의 결과로 멸균 효율이 우수하다. 특히 멸균치리에 감압 시스템을 생략하여 장치가 간단해 질 수 있고, 활성종 생성 후 이동방식이 아닌 멸균 대상물 표면에서 활성종을 생성하는 방식을 통해 멸균 효율을 증가시킬 수 있다.

따라서 본 발명의 멸균 장치 및 방법은 실내 및 실외에 노출된 멸균 대상물에 쉽게 적용할 수 있고, 추가적으로 밀폐용기 내부에도 적용할 수 있어 의료용 기구 등의 멸균에도 용이하게 적용할 수 있다.

도 1는 본 발명에 따른 플라즈마 제트에 의한 활성화 과정을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 소독약품(과산화수소)과 오존에 의한 복합 멸균 과정을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 소독약품과 플라즈마 제트의 복합 멸균방식의 장치 구성예를 나타낸다.
도 4는 플라즈마 제트 구조도의 일 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 멸균 과정을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 플라즈마, 소독약품(과산화수소 등), 오존 및 물과의 복합반응을 효율적으로 이용하고자 하였다. 플라즈마 이용의 주 목적은 오존의 생성과 액상 미립자의 액체 활성화이다. 복합 소독유체를 구성하는 액상 소독약품, 오존 및 활성화된 액체는 비교적 수명이 길기 때문에 분무과정 이후에도 성분의 소모 없이 멸균 대상물에 도달하여 복합 반응을 일으켜 라디칼 등을 형성시킨다.

본 발명은 소독약품의 분무시 분무되는 액상 미립자와 운반가스가 플라즈마를 통과하도록 하여 운반가스 중 산소를 오존으로 전환시키고, 액상 미립자를 액체 활성화하도록 하는 방식이다. 이로인해 소독유체내에 존재하는 운반기체(산소 포함)가 플라즈마에 의해 기상 오존으로 전환되고, 액상 소독약품 미립자는 플라즈마에 의해 액체가 활성화된다. 액체의 활성화로 인해 액체내에 액상 오존, OH 라디칼 등이 형성된다.

다양한 플라즈마 장치 종류 및 그 특성과 산소의 존재시 오존과 활성산소의 생성량을 표 1에 나타내었다. 표 1에 따르면, 감압하에서 공간 방전을 발생시킬 경우(Low pressure discharge)는 주로 활성산소가 형성됨을 알 수 있다. 또한 전통적인 아크방전(Arc discharge) 또는 플라즈마 토치(Plasma torch)는 고전압을 인가하여 고온을 발생시키는 고온 플라즈마이며, 주로 활성산소가 다량으로 생성됨을 알 수 있다.

유전체 장벽 방전(DBD : Dielectric Barrier Discharge)의 경우 주로 오존이 다량으로 생성됨을 알 수 있고, 플라즈마 제트(Jet)는 오존과 활성산소가 균형있게 생성됨을 알 수 있다.

소독약품 또는 오존을 투입하고 저압 방전을 이용하여 멸균 효율을 높이고자 한 노력은 여러 문헌에서 찾아볼 수 있다. 그러나 밀폐용기의 감압 등 장치가 복잡하고 멸균 대상물이 플라즈마에 직접 접촉되는 등의 부작용이 있다.

소독약품 미스트 분사 후 미스트를 아크 방전에 노출시켜 멸균 효율을 높이고자 하는 경우는 US 7008592 B2에 개시되어 있다. 그러나 액체의 미스트를 이용하므로 액체의 전기적 교란 특성 때문에 아크 방전이외의 플라즈마 방식을 적용할 수 없다. 또한 아크 방전의 특성상 주로 활성산소, 라디칼 등이 형성되고 이 활성산소 및 라디칼은 생존 수명이 짧기 때문에 짧은 거리에서 고속분사로 지속적인 장치의 가동이 필요하다는 단점이 있다.

한편, 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마의 경우 다량의 오존이 발생하므로 주로 오존 발생용으로 사용되고 있다. 멸균 분야에서는 오존 발생용, 과산화수소를 공급할 때 과산화수소의 분해 및 활성화용, 밀폐용기 내부 순환 기체의 활성화용 또는 배기시 과산화수소 및 라디칼 성분의 오염 방지를 위한 분해용 등으로 사용된다. 그러나 DBD 플라즈마에 기체이외에 액상 미립자가 통과할 경우 전기적인 교란이 발생하기 때문에 적용이 어렵다는 단점이 있다.

플라즈마 제트의 경우, 활발한 연구가 진행되고 있는 분야이며, 플라즈마를 발생부위로부터 원격인 장소로 이동시킬 수 있다는 장점이 있다.

멸균 분야에서 현재까지 플라즈마의 응용은 활성산소와 OH 라디칼을 다량으로 발생시킨 후 멸균하려는 데 초점이 있었다. 즉 활성종을 형성시킨 후 활성종을 이동시키는 방식이라고 할 수 있다. 그러나 활성종의 수명이 짧아 원거리 이동에 단점이 있고 지속적으로 활성종을 공급해야 한다는 단점이 있었다.

표 1에 따르면 플라즈마에 의한 오존을 이용하기 위해서는 DBD 방전 플라즈마 또는 플라즈마 제트가 적당함을 알 수 있다. 본 발명에서는 플라즈마 제트를 주로 사용한다.

플라즈마 제트는 오존과 활성산소를 같은 정도로 발생시키고, 플라즈마를 원격에서 발생시킬 수 있으므로 액상 미립자가 플라즈마를 통과할 때 전기적인 교란이 발생하지 않으므로 본 발명에서의 적용에 무리가 없다.

플라즈마 제트를 적용하면 표 1에서와 같이 기상 오존과 활성산소가 다량 발생되는 동시에 액상 미립자가 플라즈마를 통과할 때 액체가 활성화되어 액체 내에 오존과 OH 라디칼 등이 형성된다. 또한 발생된 기상 오존 중 일부가 액체내로 용해되기도 한다. 이와 같이 산소와 액상 미립자가 플라즈마를 통과할 때 나타나는 현상을 도 1에 개념도로서 나타내었다. 도 1에서 플라즈마의 작용에 의해 기상 오존뿐만 아니라 액상 미립자내에서도 오존과 라디칼이 더 형성된다는 것을 보여주고 있다.

기상의 과산화수소가 플라즈마에 노출되면 물, 산소, 수소로 분해되어 소멸된다. 따라서 과산화수소 증기를 플라즈마를 통과시켜 공급하는 멸균 방법은 그 효용성이 의문시 된다. 본 발명의 경우 액상 미립자의 형태로 과산화수소 등의 소독약품을 이용하므로 과산화수소의 분해를 방지할 수 있고, 액상 소독약품이 목표물까지 용이하게 도달할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명에서는 액상 소독약품 미립자와 운반기체를 플라즈마에 통과시켜 기상 오존을 발생시키고 액상 미립자를 활성화하여 복합 소독유체를 형성한다. 이 복합 소독유체는 비교적 안정한 소독약품, 오존, 라디칼 등이 혼합되어 있고 멸균 대상물에 도달 후, 복합반응에 의해 대상물을 멸균하게 된다.

본 발명에서 최종적으로 분무되는 액상 미립자와 오존의 복합 소독유체는 액체를 제외한 기체를 기준으로 오존의 농도가 15%이하가 바람직하다. 또한 복합 소독유체를 실내 또는 실외에서 멸균 대상물을 향하여 분무하여 멸균할 수도 있고, 멸균 대상물을 외부와 격리시키는 밀폐 공간을 더 구비하고, 소독유체를 밀폐 공간 안으로 분무하여 내부 대상물을 멸균할 수도 있다.

다음으로 본 발명에서의 오존의 역할에 대하여 설명한다.

소독약품으로는 과산화수소, 과초산, 차아염소산 등을 사용하는데 이는 공지되어 있는 기술이다. 그러나 이러한 소독 약품의 분사 방법도 멸균에 시간이 많이 걸리고, 특히 과산화수소의 경우 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 같은 방어효소를 갖고 있는 그람음성균에는 멸균효과가 적다.

오존의 경우, 오존 단독 멸균 방법 또는 오존과 수증기에 의한 멸균 방법 역시 공지되어 있는 기술이다. 오존은 한정된 유기결합의 분해과정에만 관여하거나, 금속의 산화 반응에 소비되어 멸균 처리사간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 따라서 본 발명은 과산화수소수 등의 소독약품, 오존 및 물의 복합반응을 유도하여 효율을 증진시킨다.

과산화수소와 오존은 퍼옥손(peroxone) 반응을 일으킨다. peroxone 반응(process)은 아래와 같은 식으로 표현되며, OH 라디칼 등을 생성시킨다.

H₂O₂ + 2O₃ -> 2OH^* + 3O₂

OH 라디칼의 경우 불소(F, 2.87eV) 다음으로 강력한 산화작용(2.85eV)을 하며, 거의 모든 유기물과 빠른 속도로 반응하여 멸균에 효율적이다. 그러나 생존수명이 짧아 잔류시간이 매우 짧은 편이다. 과산화수소의 경우 특별히 반응을 촉발시키지 않는 한 안정적인 수명을 보유하고 있다. 본 발명에서 오존의 경우는 기상 오존 또는 액상 오존일 수 있다. 오존의 반감기는 온도에 따라 차이가 발생하지만 약 20분 내지 12시간 정도로서 현실적으로 응용하기에 충분하다.

또한 본 발명은 과산화수소수 등을 이용하므로 소독약품에 이미 물을 포함하고 있다. 오존이 물과 공존할 경우, 오존의 가수분해 반응이 여러 반응 경로를 통해 일어나게 되어, HO₂ 라디칼을 개시제로 하여 OH 라디칼과 과산화수소 등을 생성한다.

본 발명에서 오존은 기상 또는 액상이고 물 역시 액상으로 존재하므로 대상물에서 기화하여 지속적으로 성분을 공급하므로 분무시간 이후에도 멸균 반응이 지속되어 멸균에 효율적이다.

본 발명에서는 멸균을 위해 소독약품(과산화수소수 등)의 액상 미립자를 소독유체의 주성분으로 하고 플라즈마 제트를 이용하여 오존(기상 또는 액상)을 포함하는 복합 소독유체를 형성하고 멸균 대상품에서 복합 반응을 일으켜 멸균 효율을 증가시킨다. 이러한 과정의 개념도를 도 2에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와 같이 오존은 플라즈마에 의한 기체일 수 있으며, 물에 용해된 오존일 수도 있다. 분무되는 액상 및 기상의 혼합 소독유체는 오존(기체 또는 액상 미립자), 과산화수소(액상 미립자), 물(액상 미립자), 공기 및 운반기체 공존하는 상태로서 대기압인 외부 공간을 비행한다. 복합 소독유체의 비행도중에도 위에서 기술한 오존과 과산화수소, 오존과 수증기의 반응이 일부 일어나게 되지만, 대부분의 소독유체는 멸균 대상물의 표면에 도달하게 된다. 따라서 멸균 대상물 표면에서 과산화수소, 오존, 물이 복합반응을 일으켜 OH 라디칼 등을 활발하게 생성하며, 결과적으로 멸균 반응을 일으키게 된다.

또한 본 발명에서 과산화수소가 소독약품으로 사용된 경우, 멸균이 끝난 후에 과산화수소와 오존은 물과 산소로 전환되어 소독물질이 남지 않게 되는 장점이 있다.

한편, 소독약품으로는 편의상 과산화수소를 예로서 설명하였으나, 이외에도 과산화수소, 오존 함유수, 과초산(peracetic acid), 차아염소산 (hypochlorous acid), 과산화탄산나트륨(sodiumperoxocarbonate), 글루 타르알데히드(glutaraldehyde), ethylenediaminetetraacetate, isopropyl alcohol, 구연산(citric acid), 젖산((lactic acid), 수산(oxalic acid) 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 사용하여도 무방하다.

또한 과산화수소수를 소독약품으로 사용할 경우, 과산화수소수의 농도는 용도와 목적에 따라 50%이하, 35%이하, 15%이하, 7.5%이하, 6%이하 또는 3%이하로 세분하여 사용하는 것이 바람직하다.

분무시 사용되는 운반기체 및 플라즈마 발생시 사용되는 운반기체는 공기, 산소, 아르곤, 질소, 헬륨 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

액상 소독약품을 액상 미립자로 만들어 운반가스와 분무하기 위한 수단은 벤츄리 관, 분사노즐, 초음파 미립자 발생기 등을 이용할 수 있으며, 분무되는 미립자의 크기는 1 ~ 50 미크론인 것이 바람직하다.

마지막으로 본 발명의 차별성을 위해 본 발명과 유사한 선행기술과 본 발명을 비교해 보도록 한다.

먼저, 과산화수소, 오존, 플라즈마를 이용하여 멸균 효율을 높이고자 한 문헌으로는 대한민국 공개특허 10-2012-0028413가 있다. 이 특허의 경우 밀폐 감압된 용기를 대상으로 하고, 과산화수소(20-60%)를 기체로 만들고 이 기체를 플라즈마에 통과시켜 용기내로 유입시킨다. 동시에 별도의 오존 발생기에서 오존을 생성시키고 오존을 가열 활성화하여 용기내로 유입시킨다. 이러한 장치에서는 플라즈마가 기체 과산화수소를 원료로 하여 이를 소모하고 분해 및 활성화킨다. 오존 역시 가열을 통해 소모하여 분해 및 활성화시킨다. 따라서 고농도의 과산화수소와 다량의 오존이 소요된다.

본 발명에서는 밀폐 감압 상태를 필요로 하지 않다는 점, 소독약품으로 액상의 미립자를 사용한다는 점, 플라즈마가 기상 및 액상 오존의 발생과 액체를 활성화하는 두 가지 기능을 동시에 하여 효율적이라는 점, 액상의 미립자이므로 플라즈마가 기체 과산화수소를 분해하지 않는다는 점, 액상 소독약품 미립자와 오존이 멸균 대상물 표면으로 직진 분사되어 대상물 표면에 도달 후 과산화수소와 오존의 반응 및 오존과 물과의 반응 등으로 OH 라디칼을 발생시킨다는 점이 이 특허와 큰 차이점이다.

한편, 액상 소독 미세입자와 플라즈마에 의한 오존을 이용하여 멸균효율을 높이고자 한 선행기술로는 대한민국 등록특허 10-1250748가 있다. 이 특허의 경우, 액상의 과산화수소(5%)를 미세입자로 분사하고 용기내의 측면 일부에 메쉬 DBD 플라즈마 장치를 노출시켜 오존과 OH 라디칼을 발생시킨다. 이는 오존과 과산화수소의 액상 미세입자를 활용한다는 점에서 본 발명과 유사성을 보이고 있다. 그러나 이 문헌에서는 플라즈마가 용기내에서 순환되는 기체 중 일부를 수동적이고 지속적으로 활성화시키나, 내부 기체 중의 산소 일부를 오존으로 전환시키므로 오존의 발생량이 작아 충분하지 않고, 멸균작용은 플라즈마가 과산화수소를 분해 및 활성화한 후 멸균작용은 이 활성종의 확산 및 이동에 의존한다.

본 발명은 유입 공기 또는 산소를 능동적으로 오존으로 변환시킨다는 점, 플라즈마는 DBD 방식이 아닌 원격 플라즈마인 플라즈마 제트를 사용한다는 점, 액상 미립자를 사용하여 플라즈마가 과산화수소를 분해 및 활성화하지 않는다는 점, 액상 소독약품 미립자와 오존이 멸균 대상물 표면으로 직진 분사되어 대상물 표면에 도달 후 과산화수소와 오존의 반응 및 오존과 물과의 반응 등으로 OH 라디칼을 발생시킨다는 점이 이 특허와 큰 차이점이다.

한편, 분사되는 액상 과산화수소 미세입자를 아크 방전을 이용하여 활성화하는 선행기술이 있다. US 7008592 B2의 경우 분사되는 액상의 소독약품 미립자를 분사한 후, 전기에너지 또는 광에너지로 활성화시켜 멸균효율을 높이고자 하였다. 그러나 활성화 방법으로는 교류, 교류아크, 직류, 펄스 직류, 직류아크, 전자 빔, 이온 빔, 마이크로웨이브 빔, RF 빔, 자외선 빔을 청구하고 있으나, 그 구체적인 방법은 고전압의 교류아크 또는 직류아크로 인한 방법만을 제시한 바 있다. 이 특허의 경우 플라즈마를 다루고 있지 않고 있으며, 그 이유로는 액체의 미세입자가 플라즈마 영역을 통과하면 전기적인 교란을 발생시키기 때문이다.

따라서 현재까지 소독약품의 액체 미세입자를 라디칼 등으로 활성화시키는 방법은 뾰족한 두 전극 사이에서 고전압의 전기적 아크를 발생시켜 이 영역을 분무되는 액체 미세입자가 통과하게 하는 방법만이 실용화된 상태이다.

그러나 표 1에 나타나 있듯이, 아크 방전의 경우 오존은 발생되지 않고 활성산소만이 발생되므로 오존의 기능을 활용하기 어렵고, 생성된 활성종의 수명이 짧다는 단점이 있다. 또한 자외선을 이용하는 방법도 유력해 보이나 분무되는 미세입자를 짧은 시간 내에 활성화하기에는 자외선의 에너지가 부족하다고 판단되고 있다.

본 발명에서는 플라즈마의 전극으로부터의 원격 발생이 가능한 플라즈마 제트를 활용하여 액상 미립자의 전기적 교란이 방지되어 액상 미립자의 플라즈마 통과가 가능하다는 점, 플라즈마 제트에 의해 오존과 활성산소종의 동시 발생으로 복합 소독유체의 균형을 유지할 수 있다는 점이 벤츄리 관 등을 이용하여 분사장치가 간단하다는 점 등이 본 발명의 차별성이다.

본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명은 화학적으로 안정하여 반감기가 긴 오존을 멸균 대상물까지 도달하게 하고 그와 동시에 액상 소독약품 미립자를 동시에 도달하게 한다. 그 후 멸균 대상물 표면에서 활발한 복합 라디칼 형성 반응을 유도하여 멸균 효율을 극대화 할 수 있다. 즉, 본 발명은 통상적인 방법인 활성종 생성 후 이동 방식이 아니고, 도 2에 나타낸 바와 같이 대상물로 소독성분이 이동한 후 멸균 대상물에서 활성종을 생성시키는 방식에 속한다.

또한 액상 미립자를 플라즈마에 통과시키는 경우, 원격 플라즈마를 도입하여 플라즈마를 전기적으로 안정화시켰다. 이를 통해 복합 소독유체가 플라즈마를 통과할 때, 기상 오존과 활성산소가 다량으로 발생하고, 발생된 오존의 일부는 액상 미립자내에 용해된다. 또한 플라즈마 작용에 의해 액상 미립자의 액체 활성화가 일어나 미립자내에 액상의 오존이 발생하여 멸균 효율이 더욱 증가된다.

본 발명은 멸균 과정에 대한 깊숙한 이해를 통해 선행기술과 원리적인 차별성을 가지고 있으며, 원격 플라즈마인 플라즈마 제트의 적용이라는 기술적인 진보성을 갖추고 있다고 판단된다. 즉, 본 발명에서의 원리적 차별성은 OH 라디칼 등 활성종의 생성 후 이동 방식이 아니라, 소독약품과 오존이 멸균 대상물에 도달 한 후, 복합반응에 의한 활성화를 유도하여 OH 라디칼을 생성하는 방식, 즉 이동 후 활성종 생성방식이라는 점이다. 또한 기술적 차별성은 액상 미립자에 직접 플라즈마를 적용하였다는 점이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 장치 구성예를 상세히 설명한다.

(장치 구성예)

본 발명에 따른 장치 구성예을 도 3에 나타내었다. 먼저 운반기체 공급장치(T1)를 구비한다. 이 장치는 기체 압축기(compressor) 일 수 있다. 또한 플라즈마 전원(T2)에 연결된 플라즈마 제트 장치(T3)를 적어도 하나 이상 구비한다. 도 4는 플라즈마 제트 구조의 일 실시예를 나타낸다. 플라즈마 제트는 플라즈마 발생 전극에 전기를 인하가여 플라즈마를 발생시키고, 플라즈마 발생 영역에 운반기체를 통과시켜 플라즈마가 발생부위로부터 플라즈마 토출구(5)룰 통해 자유공간(외부공간)으로 분출되는 플라즈마 발생 장치이다. 플라즈마 제트의 구조와 발생원리는 공지된 기술이며, 플라즈마 발생 방식으로는 피뢰침 전극 방식과 DBD 전극 방식이 있다. 본 발명에서 플라즈마 제트를 구동하기 위한 전원은 펄스 또는 교류의 형태로 0.2~25 kV 범위의 전압과 0.5~50 kHz 범위의 주파수를 사용하였다.

그 다음으로 소독약품 저장용기(T4)를 구비하고, 소독약품 저장용기(T4)로부터 액상의 소독약품 (과산화수소수 등)을 공급받아 액상 소독약품을 분사하는 미립자 발생 및 분무장치(T5)를 구비한다. 본 장치 구성예에서는 벤츄리(venturi) 관(T5)을 이용하였으나, 분사노즐 또는 초음파를 이용한 미립자 발생기를 이용 할 수도 있으며, 이를 조합하여 이용할 수 도 있다.

벤츄리 관은(T5, 20)은 유체의 속도 차이에 의해 압력의 변화가 일어나는 현상을 이용하는 것으로 벤츄리 관 안에서 기체를 고속으로 이동시키면 압력차이가 발생하여 액상의 소독약품(T4)이 벤츄리 관(20) 안으로 끌려 들어오게 된다. 벤츄리 관 안에서 고속의 기체는 운반기체 공급장치(T1)에 의해 공급된다. 소독약품 유입구(21)을 통해 벤츄리 관 내부로 유입된 소독약품은 플라즈마 제트 영역(10)으로 진입하고, 최종적으로 벤츄리 관의 분사노즐(23)를 통해 분사된다. 분사되는 소독약품(30)의 분사량과 액상 미립자(40)의 크기는 운반기체의 공급압력, 벤츄리 관의 유입 직경, 벤츄리관 내부의 직경 변화, 벤츄리관의 토출 직경, 소독약품의 유입구 직경의 변화 등에 의해 제어될 수 있다.

본 발명에서 플라즈마 제트의 기능은 복합 소독유체가 플라즈마를 통과할 때 다량의 기상 오존과 활성산소를 발생시키고 액상 미립자를 액체 활성화시키는 것이다. 결국 벤츄리 관을 통해 최종적으로 분사되는 복합 소독유체는 액상 소독약품 미립자, 기상 오존, 액상 오존, 활성산소 그리고 운반가스로 구성된다. 이때 액상 미립자의 크기는 1 미크론 ~ 50 미크론의 범위가 바람직하여, 미립자의 분무 속도와 양은 응용처에 따라 조정될 수 있다.

(실시예)

멸균 장치는 상기 장치구성예에 따라 구성하였고, 이때 사용된 공정변수는 아래와 같다.

소독약품으로는 과산화수소 10%의 수용액을 사용하였고 분무되는 액상 미립자의 크기는 5~25μm 범위였으며, 분무량은 500cm³/hr로 하였다. 플라즈마 제트는 10kV, 30kHz의 교류 전원을 인가하였으며, 플라즈마가 플라즈마 토출구로부터 1.5cm 까지 확장되도록 운반기체의 압력을 조정하였다. 플라즈마 토출구, 벤츄리 관의 토출구 및 소독약품의 유입구 직경은 각각 2mm 로 하였다.

멸균시험에 사용된 미생물 샘플은 BI(Biological Indicator)를 이용하였으며, BI는 상업적으로 판매되는 것으로 스테인리스 스틸에 Geobacillus Stearothermophillus 균이 10⁶ 접종된 것을 소독약품의 분사 토출구로부터 30cm 거리에 위치시켰다. 그 후 상기 멸균장치를 가동시키고 1초 단위로 20초까지 분무하는 멸균 시험을 수행하였다. 분무 후 1시간의 경과시간을 두고 BI를 배양하여 반응이 없을 때의 분무시간을 표2에 나타내었다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1은 장치 구성예의 경우로서 과산화수소와 플라즈마 제트를 적용한 경우이고, 실시예 2는 플라즈마 제트의 작동을 중지하고 과산화수소수만 분사한 경우이다.

표 2에 따르면, 실시예 1이 실시예 2에 비하여 약 3배의 멸균효율을 보이고 있다.

멸균 능력
구 분	No	과산화수소	플라즈마	멸균부무시간(초)	비 고
실시예	1	O	플라즈마 제트	6	장치구성예
	2	O	X	18

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형의 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

T1 ...... 운반기체 공급 장치 T2 ...... 플라즈마 전원장치
T3 ...... 플라즈마 제트 발생 장치 T4 ...... 소독약품 저장용기
T5 ...... 액상 미립자 발생 및 분무장치
5 ...... 플라즈마 토출구 10 ...... 플라즈마
20 ...... 벤츄리 관 21 ...... 소독약품 유입구
23 ...... 분사노즐 30 ...... 복합 소독유체
40 ...... 액상 미립자
S1 ...... 소독약품 장입 단계
S2 ...... 운반기체 공급 단계
S3 ...... 플라즈마 제트 발생 단계
S4 ...... 소독약품 공급 및 유입 단계
S5 ...... 플라즈마 및 소독약품 혼합 단계
S6 ...... 소독약품 미립화 및 분무 단계
S7 ...... 비행 및 도달 단계
S8 ...... 복합반응 및 멸균 단계

Claims

플라즈마 제트를 발생시키는 운반기체 공급 수단(T1);
플라즈마 전원 공급 수단(T2);
플라즈마 제트 발생 수단(T3)
액상 소독약품의 저장 수단(T4);을 포함하되,
상기 액상 소독약품을 플라즈마에 노출시키고 액상 미립자로 만들어 상기 운반기체와 함께 분무하는 수단(T5)을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제1항에 있어서,
상기 분무하는 수단(T5)은 벤츄리(20) 관으로 형성된 분사노즐(23)로 되어 있으며, 상기 소독약품의 저장 수단(T4)과 상기 분사노즐은 소독약품 유입구(21)로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제1항에 있어서,
상기 분무하는 수단(T5)은 벤츄리 관, 분사노즐, 초음파 미립자 발생기 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 멸균장치.
제1항에 있어서,
상기 운반기체는 공기, 산소, 아르곤, 질소, 헬륨 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제1항에 있어서,
자외선(UV) 조사 장치가 더 구비되어 액상 소독약품, 분사되는 액상 소독약품 미립자, 멸균 대상물 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 자외선(UV)이 조사되는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제1항에 있어서,
상기 플라즈마 제트를 위한 전원은 펄스 또는 교류의 형태로 0.2 ~ 25 kV 범위의 전압과 0.5 ~ 50 kHz 범위의 주파수인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제1항에 있어서,
상기 액상 소독약품은 과산화수소수, 오존 함유수, 과초산, 차아염소산, 과산화탄산나트륨, 글루타르알데히드(glutaraldehyde), ethyl enediamine-tetracetate, 아이소프로필 알콜 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제7항에 있어서,
상기 과산화수소수의 과산화수소 농도가 50%이하, 35%이하, 15%이하, 7.5%이하, 6%이하 또는 3%이하인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
액상 소독약품을 용기에 장입하는 단계(S1);
플라즈마 제트를 발생시키는 운반기체를 공급하는 단계(S2);
플라즈마 제트를 발생시키는 단계(S3);
상기 소독약품 공급 및 유입 단계(S4);
상기 플라즈마 및 소독약품 혼합 단계(S5);
상기 액상 소독약품을 미립자로 만들어 운반기체와 함께 분무하는 단계(S6);
상기 복합 소독유체가 비행하여 멸균 대상물에 도달하는 단계(S7);
상기 복합 소독유체가 복합반응을 일으켜 멸균하는 단계(S8);를 포함하고,
최종 분무되는 복합 소독유체가 액상 소독약품 미립자, 오존(기상, 액상 또는 이들의 조합) 및 운반기체를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균방법.
제9항에 있어서,
상기 소독약품의 분무는 벤츄리(20) 관으로 형성된 분사노즐(23)로 되어 있으며, 상기 소독약품의 저장 수단(T4)과 상기 분사노즐은 소독약품 유입구(21)로 연결되는 분무 수단에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균방법.
제9항에 있어서,
상기 소독약품의 분무는 벤츄리 관, 분사노즐, 초음파 미립자 발생기 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 멸균방법.
제9항에 있어서,
상기 운반기체는 공기, 산소, 아르곤, 질소, 헬륨 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 복합 소독유체 분무식 멸균방법.
제9항에 있어서,
자외선(UV) 조사 장치가 더 구비되어 액상 소독약품, 분사되는 액상 소독약품 미립자, 멸균 대상물 또는 이들의 조합 중 어느 하나에 자외선(UV)이 조사되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균방법.
제9항에 있어서,
상기 플라즈마 제트를 위한 전원은 펄스 또는 교류의 형태로 0.2 ~ 25 kV 범위의 전압과 0.5 ~ 50 kHz 범위의 주파수인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균방법.
제9항에 있어서,
상기 액상 소독약품은 과산화수소수, 오존 함유수, 과초산, 차아염소산, 과산화탄산나트륨, 글루타르알데히드(glutaraldehyde), ethyl enediamine-tetracetate, 아이소프로필 알콜 또는 이들의 조합 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균장치.
제15항에 있어서,
상기 과산화수소수의 과산화수소 농도가 50%이하, 35%이하, 15%이하, 7.5%이하, 6%이하 또는 3%이하인 것을 특징으로 하는 복합 소독유체 분무식 멸균방법.