KR20220074890A

KR20220074890A - Uv 살균을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20220074890A
Application number: KR1020227011517A
Authority: KR
Inventors: 마르티나 마잉케; 위르겐 라데만; 악셀 크라머; 미하엘 크나이슬; 팀 베르니케; 울리케 빈테르베르버; 스벤 아인펠트
Original assignee: 위니페르지테츠메디친 그라이프스발트; 샤리떼 우니베지테츠메디친 베를린; 테크니쉐 유니베르시타트 베를린; 페르디난드-브라운-인스티튜트 게게엠바하, 라이브니츠-인스티튜트 푸어 훼스트후리퀀즈테크닉
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2022-06-03
Also published as: EP4025297A1; DE102019124017A1; US20220339467A1; WO2021043554A1; CA3153610A1; JP2022548535A

Abstract

본 발명은 UV 살균, 특히 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA) 및 표피 포도상구균(MRSE)과 같은 다내성 병원체(MRP)가 콜로니화(colonization) 된 경우에 인체 및 동물 몸체에 대한 생체내 UV 살균 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. UV 살균을 위한 본 발명에 따른 장치(100)는, UVC 스펙트럼 범위 내의 방사선을 방출하도록 구성된 발광 다이오드 칩(LED 칩(12))으로서, 상기 LED 칩(12)은 패키지(16)와 함께 발광 다이오드(LED(10))를 형성하는, LED 칩(12); 상기 LED 칩(12)에 의해 방출된 방사선을 실질적으로 235nm 아래의 파장들로 제한하도록 설정된 스펙트럼 필터 요소(14); 및 상기 LED(10)에 의해 방출된 방사선의 지향성 방출을 위한 광학 요소(18);를 포함한다. UV 살균을 위한 본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 장치(100)를 사용하여 탈콜로니화 될 표면(O)의 조사를 포함한다.

Description

UV 살균을 위한 장치 및 방법

본 발명은 UV 소독(antisepsis), 특히 메티실린 내성 황색 포도상구균(MRSA) 및 표피 포도상구균(MRSE)과 같은 다내성 병원체(MRP)가 콜로니화(colonization) 된 경우에 인체 및 동물 몸체에 대한 생체내 UV 소독을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

다내성 병원체(MRP: multiresistant pathogens)의 대유행 확산은 특히 집중 치료 환자들 중에서 사망률 증가와 함께 전 세계적인 감염 증가로 이어진다. 기존의 탈콜로니화(decolonization) 개념은 충분히 성공적이지 못했다. MRP의 탈콜로니화는 현재 주로 소독(antisepsis)에 의해 수행된다. 그러나, 성공률은 50% 아래이다. 더욱이, 신체의 상당한 영역들은 소독으로 접근할 수 없다.

표면 또는 의료 장비의 UV 소독(UV 살균 또는 UV 소독이라고도 함)은 일반적으로 254nm에서 또는 250nm ~ 285nm 파장 범위 내에서 방사하는 UV 수은 증기 램프 또는 UV LED로 수행된다. 파장은 UV 방사선의 효과("살균 효과")가 이 파장 범위 내에서 가장 높다는 사실에 기초하여 선택된다. 이는 특히 정의에 따라 100nm 내지 280nm 사이의 파장들이 할당된 UVC 범위로부터의 방사선이다. UV 소독에서, 가해진 방사선은 박테리아와 바이러스의 유전 정보에 비가역적인 손상을 일으켜 이들의 대사 과정의 파괴를 초래한다. UVC 방사선은 또한 (예컨대, 병원체, 특히 MRSA 및 MRSE의 살균을 위해) 인간에게 사용될 수 있지만, 이러한 파장 범위의 UVC 방사선이 피부 층들을 깊숙이 침투하여 건강한 인체 조직에 상응하는 손상을 초래한다는 문제점이 있다.

최근 발표된 연구들에 따르면 특히 230nm 이하의 파장을 가진 단파 방사선은 상부 피부층들에서의 높은 흡수로 인해 피부, 점막 또는 상처 깊숙이 침투하지 못하여 피부 장벽을 극복할 수 없다는 것이 밝혀졌다[B. Ponnaiya et al., Far-UVC light prevents MRSA infection of superficial wounds in vivo, PLOS ONE 2018, 13(2): e0192053)]. 이에 대한 하나의 이유는 피부의 흡수 계수의 파장 의존성이며, 이는 250nm 미만의 파장에서 크게 증가한다[M. Bounnano et al., 207nm UV Light - A Promising Tool for Safe Low-Cost Reduction of Surgical Site Infections. I: In Vitro Studies., PLOS ONE 2013, 8(10): e76968]. 이로부터, 피부 표면으로부터 18㎛의 깊이에서, 233nm의 UV 방사선은 254nm의 UV 방사선보다 대략 100배 더 강하게 감쇠된다는 결론을 내릴 수 있다. 여기에서 상대 강도는 표면에서의 강도와 비교하여 10^-4배로 감쇠된다. 222nm와 254nm에서 상이한 선량(dose)의 UV 방사선의 유해한 영향의 차이들은 쥐 피부 상에 cis-syn 시클로부탄-피리미딘 이량체(CPD)를 가진 기저 세포에서 이미 입증되었다[Saadati S., Study of ultraviolet C light penetration and damage in skin, Columbia Univ/Univ Gothenburg, 2016: https://radfys.gu.se/digitalAssets/1616/1616169_study-of-ultraviolet-c-light-penetration-and-damage-in-skin.pdf].

WO 2019/077817 A1은 190nm 이상 230nm 이하의 파장 범위의 방사선에 의한 UV 소독이 동물 또는 인간 세포들을 손상시키지 않으면서 탈콜로니화 될 표적 유기체에 소독 작용을 일으키는 데 적합하다고 개시하고 있다. 특히 황색 포도상구균(S. aureus)가 콜로니화 된 경우에, 살균을 위한 대응되는 장치 및 방법이 제안되어 있다. 그러나, 개시된 장치들은 가스 방전 또는 엑시머 램프를 기반으로 하므로 UV 방사선에서 요구되는 복잡한 광 안내로 인해 임상 체내 소독의 적용에 적합하지 않다. 또한, 이러한 장치들은 상당한 양의 열 복사를 발생시키며, 이는 살아있는 피부에 대한 생체 내 직접 사용도 마찬가지로 제한된 범위에서만 가능하다.

그러나, 이 외에도 230nm 이하의 파장을 가진 UVC 방사선은 원칙적으로 부작용의 어떠한 위험도 없이 신체 내부의 표면들에서도 병원체, 특히 MRP를 죽이는 데 적합하다. MRP를 죽이는 데 요구되는 방사선량은 100mJ/cm²보다 작다. 따라서, 비강, 인후 또는 상처에 콜로니화 된 MRSA를 가진 환자들에서, 소독제(antiseptics) 없이 탈콜로니화가 달성될 수 있다. 비강, 자궁, 방광 또는 장관과 같은 체강 내에 MRP, 특히 그램-음성 박테리아와 장구균에 의한 콜로니화의 경우에, 소독제의 사용은 가능하지 않다. 항생제는 오직 치료적으로만 사용될 수 있지만, 탈콜로니화에는 사용될 수 없다. 이러한 경우에는 현장(in situ) 살균 효과를 가질 수 있는 국소 처리가 바람직할 것이다. 그러나, 이는 인체 및 동물 몸체에 대해 생체내 UV 소독을 수행하는 데 적합한 장치들과 방법들을 요구한다. 특히, UV 범위 내에서 파 유도(wave guidance)의 복잡성과 체내 3차원 조직 구조에도 균일하고 넓은 면적의 국부 조사를 수행할 수 없다는 점은 지금까지 임상 적용을 방해하고 있다. 추가적인 어려움은 피부의 표면 또는 조직 사이의 최소 거리를 수반하고 이에 따라 마찬가지로 잠재적인 적용 범위를 제한하는 이전에 사용된 방사선 소스들로부터 열이 발생한다는 것이다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점들을 극복하거나 적어도 감소시키고 특히 인체 및 동물 몸체에 대한 생체내 UV 소독을 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 본질적인 목적은 상응하게 처리된 조직(피부, 점막)에 어떠한 손상도 초래함이 없이 특히 인간의 상이한 표면들 및 공동들(cavities)의 탈콜로니화(decolonization)를 가능하게 하는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 목적은 독립항 1, 6, 및 10에 따라 달성된다. 바람직한 추가적인 개발은 각각의 종속항들의 주제를 구성한다.

본 발명은 UV 소독을 위한 장치에 관한 것으로서, 이 장치는 UVC 스펙트럼 범위 내의 방사선을 방출하도록 구성된 발광 다이오드 칩(LED 칩)으로서, 상기 LED 칩은 패키지와 함께 발광 다이오드(LED)를 형성하는, LED 칩; 상기 LED 칩에 의해 방출된 방사선을 실질적으로 235nm 아래의, 바람직하게는 230nm 아래의, 더욱 바람직하게는 225nm 아래의 파장들로 제한하도록 설정된 스펙트럼 필터 요소; 및 상기 LED에 의해 방출된 방사선의 지향성 방출(directional emission)을 위한 광학 요소;를 포함한다.

상기 LED 칩은 바람직하게는 실질적으로 210nm 내지 240nm의 파장 범위에서 방출하는 사파이어(Al₂O₃) 또는 AlN의 기판에 적용된 에피택셜 다층 구조를 가지는 Ⅲ족 질화물 UV LED일 수 있다. UV LED는 일반적으로 플립-칩 방법을 사용하여 구성되며, 여기서 LED 칩의 접점 층들은 금속 전극들이 제공된 서브마운트에 의해 접촉된다. 이 경우에, 발생된 방사선은 기판을 통해, 즉 LED 칩의 바닥을 통해 방출된다. LED 칩을 가진 서브마운트는 일반적으로 캡슐화에 의해 환경적 영향으로부터 보호된다. 이 캡슐화는 패키지를 형성하며, 캡슐화된 구성 요소들은 일반적으로 집합적으로 LED로 지칭된다. LED에 의해 방출된 방사선의 지향성 방출을 위해, 상기 패키지는 출구 창, 출구 렌즈, 또는 빔 형성 요소와 같은 투명 광학 요소를 포함할 수 있다. UV 영역에서 투명 재료의 선택이 매우 제한적이기 때문에, 광학 요소에 대해 고순도 실리카 유리가 일반적으로 사용된다. 특히, 광학 요소는 패키지 캡슐화의 캡을 형성할 수 있다. 방출이라는 용어는 이후에 관련되는 임의의 추가 광학 요소들 없이 탈콜로니화 될 표면으로의 직접적인 방출을 의미한다. 지향성이라는 용어는, 특히, 방출이 탈콜로니화 될 표면을 목표로 할 수 있음을 의미한다.

UV 소독을 위한 본 발명에 따른 장치는 또한 공통 LED 모듈을 형성하는 본 발명에 따른 복수의 LED를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 LED 모듈은 공통 회로 캐리어(PCB - 인쇄 회로 기판) 상에 배치될 수 있는 LED를 수용하기 위한 하우징을 가진다. 상기 패키지와 마찬가지로, 상기 하우징은 LED에 의해 방출되는 방사선의 지향성 방출을 위한 광학 요소를 가질 수 있다. 특히, 이는 실리카 유리로 만들어진 커버일 수 있다. 상기 LED 모듈은 개개의 패키지를 가지거나 또는 가지지 않은 복수의 LED 칩들을 포함할 수 있다. 넓은 의미에서, 공통 하우징 내부에 다수의 LED 칩들 또는 LED들을 배치하는 것도 패키징으로 간주될 수 있다.

가능한 애플리케이션들은 특히 MRSA 또는 다른 MRP로 콜로니화 된 환자의 임상 분야에서 찾을 수 있다. 비강, 목, 상처 및 다른 체강을 UV LED 조사에 의해 탈콜로니화함으로써, 환자의 감염 및 MRP의 추가 확산을 방지할 수 있어야 한다. 특히, 본 발명은 심각한 손상을 초래하지 않고 미생물들을 죽이기 위해 환자의 피부, 점막 또는 상처에 직접 조사하기 위한 LED로부터의 특히 단파 UVC 방사선의 사용을 설명한다. UV 소독의 작용 모드는 미생물들의 DNA를 손상시키는 데 있다. 이 모드의 내성(tolerability)은 LED 광의 작은 파장에 의해 보장되며, 그 결과 광이 피부의 각질층에 거의 완전히 흡수되고 아래의 살아있는 표피를 손상시키지 않는다.

DUV(심자외선) LED 이미터 모듈로도 지칭되는 본 발명에 따른 장치들은 생체내 소독에 특히 적합하다. 적합한 LED들은 단위 면적당 충분히 높은 출력 밀도와 넓은 UV 스펙트럼을 가지므로 잠재적으로 무해한 열의 방출과 함께 높은 조사 효율을 위해 유리하다. 그러나, DUV LED 이미터 모듈을 설계할 때의 과제는 235nm 아래의 파장 범위에서 단위 면적당 충분히 높은 출력 밀도를 달성하는 동시에 더 긴 파장의 UVC와 UVB 방사선 성분들, 즉 235nm를 초과하는 파장의 방출을 피하는 것이며, 235nm를 초과하는 파장들은 더 깊은 피부 층들에 침투하여 인체 조직을 손상시킬 수 있기 때문이다. 짧은 조사 시간으로 효율적인 소독이 가능하도록 하기 위해서는 조사 출력이 가능한 한 높도록 선택되어야 한다. 그러나, 출력 밀도가 너무 높으면, 특히 열 효과로 인해 조직 손상이 발생할 수 있다. 이러한 점에서 동작 전류가 증가(이에 따라 더 높은 출력 밀도)함에 따라 증가하는 LED 또는 LED 모듈의 자체 발열은 열 효과로 인한 조직 손상을 피하기 위해 제한되어야 한다는 점에 유의해야 한다. 따라서, (방사선 유발 조직 손상을 피하기 위해) 선택된 차단 파장과 적절한 소독을 위해 요구되는 방사선량 사이에서 최적의 지점을 찾아야 한다.

필터링된 Kr-Cl 엑시머 램프(222nm에서 방출)를 사용한 조사들(investigations)은 이 파장과 50mJ/cm²의 조사선량에서 조직 내에 손상이 전혀 발생하지 않거나 거의 발생하지 않지만 그럼에도 불구하고 표면의 탈콜로니화가 관찰된다는 것을 보여준다. 절제된 피부에 대한 주파수 배가 Ar 레이저(229nm에서 레이저 방출)를 사용한 초기 조사들에서도 최대 300mJ/cm²의 조사선량까지 조직에 손상이 없거나 거의 없는 것으로 나타났다. 엑시머 램프들의 사용은 상당한 열 방출 및 관련 피부 가열로 인해 제한되는 반면에, UV LED는 본질적으로 폐열이 피부로부터 멀리 떨어진 쪽으로 효과적으로 소산될 수 있으며 전력을 제한함으로써 제어될 수 있는 저온 이미터들이다. 이러한 점에서, UV LED의 열의 방출은 중요하지 않다. 또한, 엑시머 램프들의 튜브형 설계로 인해, UV 애플리케이션은 접근하기 어렵거나 크기가 임의적인 피부 영역의 경우 오직 제한된 범위로만 가능하며, 반면에 유연한 대면적 이미터의 기하구조는 다수의 UV LED들의 배치를 사용하여 달성될 수 있다.

UV LED의 방출 스펙트럼은 유한한 반폭(FWHM은 일반적으로 8-14 nm)을 가지며 몇몇의 경우들에서 더 긴 파장의 UV 범위에서 기생 발광(parasitic luminescence)("결함 발광")이 추가로 발생하기 때문에, UV 소독용 DUV LED 모듈에서 이러한 스펙트럼 성분들이 가능한 가장 낮은 강도를 가지거나 완전히 제거되도록 보장하기 위해 주의해야 한다. 이를 위해, 상기 장치는 스펙트럼 필터 요소를 가진다. 이를 구현하는 한 가지 방법은 광학 단파장 통과 필터(short-pass filter)(또는 대안으로서 단파장 통과 필터로서 사용될 때 대응되는 낮은 대역 에지를 가진 대역 통과 필터)를 패키지에 통합하거나 LED 칩에 직접 통합하는 것이다. 이러한 광학 단파장 통과 필터는, 예를 들어, UV-투명성 유전체 층 스택들에 의해 생성될 수 있다. 예를 들어, Ⅲ족 질화물계 UV LED에서, 이러한 단파장 통과 필터는 10개의 AlOx/SiO₂ 거울 쌍들로 구성될 수 있다. 이러한 광학 DBR(분포 브래그 반사기)은 에피택시 중에 LED 칩 내에 직접 통합될 수 있다. 그러나, DBR은, 예를 들어, LED 칩의 연마된 사파이어 기판의 배면에 거울 쌍들을 증착함으로써 LED 칩에 적용될 수도 있다. 또 다른 가능성은 거울 쌍들을 패키지의 실리카 유리 캡핑의 부분으로서 UV LED 패키지에 통합하는 것이다. LED 칩 방출의 스펙트럼 분포와 일치하는 스펙트럼 필터 요소를 설계할 때, 측파대(sideband) 반사율도 조절될 수 있으며(예컨대, 처프 DBR 거울) 또는 저지대역의 폭(예컨대, HfO₂와 같은 다른 유전체)이 영향을 받을 수 있다.

예를 들어, AlOx/SiO₂ DBR의 반사율은 233nm에서 최소로 설정되고 더 긴 UV 파장들에 대해 매우 빠르게 증가하도록 설정될 수 있다(즉, 이러한 파장들은 필터링됨). 가능한 필터 층들의 수에 대한 실제적인 제한으로 인해, 단파장 통과는 일반적으로 원하는 저지 대역 파장에서 대응되는 대역 에지를 가진 대역저지 필터(bandstop filter)가 될 것이다. 그러나, 10개의 AlOx/SiO₂ 거울 쌍들에 의해, 이미 대략 60nm의 저지 대역 폭을 달성하는 것이 가능하므로 이러한 필터 요소는 233nm 아래의 파장들에 대해 실질적으로 투명하게 만들어지고 233nm와 대략 293nm사이의 파장들에 대해 반사성(즉, 차단)이 될 수 있다. 이는, 233nm에서 최대 강도를 가지는 DUV LED의 일반적인 방출 스펙트럼이 220nm 내지 260nm 사이의 파장들로 실질적으로 제한되기 때문에, 피부 손상을 방지하기에 충분하다.

log₁₀ 탈콜로니화를 위해 요구되는 방사선량은 마찬가지로 파장에 따라 상이하다(그리고 상이한 미생물들에 대해서도 상이하다). 대장균에 대한 UV 소독에서, 작용 스펙트럼의 최대값은 265nm 내지 270nm이며, 더 짧은 파장으로 갈수록 감소한다. 대장균에 대한 log₁₀ 감소를 달성하기 위해, 265nm 파장에서 7mJ/cm²의 조사선량이 필요하고 230nm에서는 20mJ/cm²의 높은 조사선량이 필요하다. 황색포도상구균은 대장균에 비해 비활성화 상수 k가 약간 더 낮아서(대장균: k = 0.10575 m²/J, 황색포도상구균: k = 0.07132 m²/J, 둘 다 254nm의 조사 파장으로 표면 조사에 대해), 230nm에서 log₁₀ 감소의 경우 30 mJ/cm²의 약간 더 높은 조사선량을 예상해야 한다[W. Kowalski, "자외선 살균 조사 핸드북", Springer 2009].

233nm의 파장에서 최대 강도를 가지는 UV LED의 최대 출력은 현재 대략 1.5mW이며, 여기서 이는 일반적으로 100시간 동안 출력 전력의 30% 내지 50%로 감소한 다음 약간만 떨어지며, 즉, 장기간 안정적인 전력은 현재 최대 대략 0.5mW이다. 그러나, 이러한 상대적으로 낮은 출력으로도 임상 환경에서 사용할 수 있는 DUV LED 모듈을 생산하는 것이 가능하다. 1제곱센티미터의 면적에 출력이 조사될 때, 단위 면적당 출력 밀도는 0.5mW/cm²이다. 따라서, 30mJ/cm²의 조사선량을 달성하기 위해서는, 최대 60초, 즉 대략 1분의 조사 시간이 요구된다. 이는 이미 임상 UV 소독을 위한 실행 가능한 기간이다. 그러나, LED 기술의 발전으로 미래에는 훨씬 더 짧은 조사 시간이 가능할 것이라고 가정할 수 있다. 출력 전력은, 예컨대, 벌크 AlN에서 DUV LED를 성장시키는 방법에 의해, 적어도 한 자릿 수 이상 증가하며, 이는 여기에서 현실적이다. 그러면, 필요한 조사 시간이 6초 미만으로 줄어들어 수술 중에도 임상 적용이 가능하다. 수술 환경에서 수술 후 상처 감염(외과적 측면 감염, SSI)을 효과적으로 감소시킬 수 있는 방법은 아직 알려져 있지 않다. 특히 장기간 수술의 경우에, 중간 소독 처리는 일반적으로 불가능하다. 수술에 수반되는 방사선 소독은 수술을 받는 사람이 병원체로 콜로니화되는 것을 방지하는 데 효과적일 수 있다. MRSA 또는 다른 MRP에 의한 탈콜로니화가 수술 전 가능하지 않거나 성공적이지 않은 경우, 수술 환경에서 수술에 수반되는 소독이 특히 중요하다.

DUV LED의 광 출력을 증가시키는 또 다른 방법은 LED를 펄스 모드로 작동시키는 것이다. 매우 짧은 전기 펄스들(수 100ns에서 1㎲까지)로 구동시킴으로써, LED 칩 내부의 가열 효과를 피할 수 있다. 이는 LED가 더 높은 전류 또는 전류 밀도에서 작동하도록 허용하며, 높은 펄스 에너지를 초래한다. 이는 최대 평균 출력을 높이거나 비활성화 효율을 높이는 데 사용될 수 있다. 펄스 조사는 중단 없는 연속 작동과 비교하여 현재 DUV LED로 필요한 조사 시간을 감소시킬 수도 있다.

광학 필터와 UV LED를 통합할 때의 한 가지 문제는 LED로부터의 방출이 모든 입체각들에서 발생한다는 것이다. 플립-칩 방식을 사용하여 구성된 UV LED의 경우, UV 광은 일반적으로 UV-투명성 기판(예컨대, 사파이어)을 통해 모든 입체각들로 상반부 공간 내부로 방출된다. 스펙트럼 필터 소자의 평면 층 구조의 경우에 광선들은 입사각에 따라 상이한 유효 층 두께들을 통과해야 하므로, 유전체 단파장 통과 필터(또는 이에 상응하게 사용되는 대역 통과 필터)의 차단 파장은 UV 광선들의 입사각에 따라 변한다. 따라서, 최적의 필터링을 위해서는, 유전체 단파장 통과 필터 또는 대역 통과 필터의 차단 파장의 각도에 따른 이동을 피해야 한다.

바람직하게는, 스펙트럼 필터 요소의 형상은 LED의 방출 특성에 적합화될 수 있다. 특히, 이는 예를 들어 UV-투명성 실리카 유리 또는 실리콘으로 만들어진 반구형 캡(또는 커버)에 위에서 설명된 스펙트럼 필터 요소(DBR)의 개별 거울 층들을적용함으로써 달성될 수 있다. 이 경우, 방사선이 가로지르는 유효 층 두께는 모든 공간 방향에 대해 동일하다. 다수의 LED들을 어레이로 배열하는 경우에, 반원통형 캡(커버)을 대신 사용될 수도 있다. 그러면, 적어도 어레이의 선들의 방향에 수직인 축에 대해서 각도 독립성을 가져올 수 있다.

각도-독립성 필터들에 대한 다른 접근 방식은 Yi-Jun Jen et al.(Design and Fabrication of a Narrow Bandpass Filter with Low Dependence on Angle of Incidence, Coatings, 8(7):231(2018)) 및 L. Lin et al.(Angle-robust resonances in cross-shaped aperture arrays, Applied Physics Letters 97, 061109(2010))로부터 알려져 있다.

Yi-Jun Jen et al.에서, 사실상 각도-독립적 대역 통과 필터는 유리 상의 140nm 두께의 은 필름들 내의 십자형 구멍들에서 국부화된 표면 플라즈몬의 여기를 통해 얻어진다. 십자형 구멍들은 대략 240nm의 길이를 가지며 2차원에서 360nm의 주기로 배치된다. 그러나, 상기 설계는 적외선 범위(대략 1000nm 파장의 대역통과)의 필터를 위한 것이다. 바람직하게는, 이러한 디자인은 UV 파장들에 적용되고 본 발명의 목적을 위한 스펙트럼 필터 요소로 사용된다. 그러나, 교차 구조의 치수와 주기는 이 목적을 위해, 바람직하게는 3~5배 정도도, 훨씬 더 작게 설계되어야 한다. 또한, 은 대신에, 더 높은 플라즈마 주파수를 가진 다른 금속, 예를 들어 알루미늄이 바람직하게는 생산에 사용된다. 그러면, 대응되는 스펙트럼 필터 요소는, 예를 들어, UV-투명성 실리카 유리 또는 다른 UV-투명성 유전 재료에 적용될 수 있다.

L. Lin et al. 또한 사실상 각도-독립적인 대역 통과 필터를 개시한다. Fabry-Perot 필터 개념(FP 필터 개념)은 여기에서 거울 층들로서 금속 층들과 유전체들의 조합을 기반으로 한다. 공기/Ag(13nm)/실리콘(90nm)/Ag(10nm)/실리콘(97nm)/Ag(20nm)의 순서를 가진 5개 층들로 구성된 FP 필터가 유리 위에 증착되었다. 이 층 순서는 900nm 파장의 적외선 스펙트럼 범위에서 사실상 각도-독립적 대역 통과 필터를 가능하게 한다. 바람직하게는, 이 디자인은 UV 파장들에도 적용되며 본 발명의 목적을 위한 스펙트럼 필터 요소로서 사용된다. 층 두께들은 이에 따라 조정되어야 하며, 즉, 바람직하게는 3 내지 5배 감소된다. 바람직하게는, 은 대신에, 더 높은 플라즈마 주파수를 가지는 다른 금속, 예컨대 알루미늄이 생산을 위해 사용된다. 그러면, UV-투명성 유전체들(Al₂O₃ 또는 HfO₂, CaF₂)이, 예컨대, UV-투명성 실리카 유리 또는 다른 UV-투명성 유전 재료에 적용될 수 있다.

바람직하게는, 적어도 하나의 모니터 다이오드(포토다이오드)가 탈콜로니화될 표면에 조사되는 방사 출력을 모니터링하기 위한 검출기로서 상기 발광 다이오드 또는 상기 장치에 통합될 수 있다. 이는 방출 또는 방사 출력의 연속적인 모니터링을 허용하며, 특히, 상기 장치 내의 결함이나 부적절한 사용을 검출하는데 사용될 수 있다.

상기 LED의 공간 방출 특성들은 바람직하게는 상기 LED 칩의 밴드 구조의 폭, 조성 및 왜곡, 상기 LED 칩의 외부 기하구조에 의해 또는 패키지 내에 통합된 반사기들과 개구들에 의해 결정된다. UV LED 및 이에 기반한 램프의 설계에서 상응하는 자유도는 정의된 방식으로 공간 방출 특성을 조절하는 것을 가능하게 한다. 이는 생체 내 조사 애플리케이션들에 특히 유용하다. 예를 들어, 피부에 대한 UVC 방사선의 손상 효과를 최소화하기 위해, 한편으로는 파장은 가능한 한 작게 유지될 수 있으며, 다른 한편으로는 조사는 피부에 수직으로 입사하는 것보다 더 비스듬하게 진행될 수 있다. 230nm 아래의 파장을 감소시키는 것은 관련된 방사 출력의 감소로 인해 문제가 되는 반면, 입사각은 LED 또는 이에 기반한 방사체(radiator)의 설계에서 방사선 기하학적 자유도에 의해 영향을 받을 수 있다.

또한, 표면을 조사할 때, 조사된 영역에 대한 방법의 효율성을 보장하기 위해 방사 출력의 공간적 균일성이 중요하다. 반면에, 신체 개구들 내부로 방사할 때, 신체 개구의 내면을 완전히 조명할 수 있도록 하기 위해 전체 입체각에 대한 방출이 가능한 한 균일해야 한다. 위상학적으로 복잡한 신체 표면에서 병원체를 박멸하기 위해서는, 차광 구조 아래에서 조사하기 위해 얕은 방출 각도가 요구된다. 따라서, 본 발명에 따른 광학 요소는 각개의 조사 상황에 적합화되거나 적합화될 수 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 체강이 광학 요소에 의해 대체로 형상-맞춤 방식으로 채워지는 방식으로 체강 내부에서 방출이 진행되고 체강 내에 위치한 전체 소자 구조를 통해 조사가 진행되는 것이 유리하다. 형상-맞춤 방식으로 최대한 채움으로써, 조사될 표면과 광학 요소 사이에 균일한 거리가 설정될 수 있다.

UV LED 및 이에 기반한 방사체의 공간 방출은 많은 방식으로 개별적으로 적합화될 수 있다. LED 칩의 공간 방출은 그 중에서도 활성 영역의 밴드 구조에 의존한다. 폭, 조성 및 왜곡은 밴드 구조(및 이에 따른 UV 광의 편광)에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 특징들 붕 하나는 공간 방출에 대한 제한 특징(예컨대, 빔 각도)을 나타내는지 여부를 결정하는 것으로 항상 고려된다. UV LED 칩의 외부 기하구조, 특히 칩의 측면들의 크기는 각도 방사 특성을 결정하고 그에 따라 조절될 수 있다. 방출에 영향을 줄 수 있는 반사기들, 개구들, 렌즈들 및/또는 상이한 기하구조의 형상화된 포팅(shaped potting)은 UV LED 패키지에 통합될 수 있다. 대면적 방사체들(radiators)의 경우에, UV LED의 유연성 배치와 방사체 내에 반사기들의 사용은 강도가 조사된 영역에 걸쳐 균질화되도록 한다.

상기 스펙트럼 필터 요소는, 바람직하게는 LED 칩 내부의 고유 브래그 반사기, 상기 LED 칩에 적용된 브래그 반사기, 또는 상기 패키지에 통합된 브래그 반사기의 형태를 가진다. 상기 LED 칩 내부에 배치된 고유 브래그 반사기의 경우, 다수의 Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN 층 쌍들(x ≠ y)은 UV LED의 에피택셜 층 구조에 통합될 수 있다. LED 칩에 적용되는 브래그 반사기는 기판상에 적용된 층 스택일 수 있다. 패키지에 통합된 브래그 반사기는 캡슐화의 투명 캡(예컨대, 실리카 캡)에 적용될 수 있다. 대안으로서, 상기 스펙트럼 필터 요소는 패키지 내부에 외부 광학 요소로서 배치될 수 있다. 공통 하우징 내에 다수의 UV LED들이 배치되는 경우에, 스펙트럼 필터 요소는 관련된 투명 커버(예컨대, 석영 커버) 상에 그리고 하우징 내부의 외부 광학 요소로서 유사하게 배치될 수 있다.

광학 요소는 바람직하게는 렌즈, 광 파이프 또는 광섬유를 포함한다. 위에서 지적한 바와 같이, 광학 요소는 단순한 출구 창(exit window), 예컨대, 패키지의 석영 캡의 형태일 수 있다. 특히, 표면의 대면적 조명에 대해, 출구 영역, 즉 방출된 방사선이 투과되는 영역은 빔 형성 또는 콜리메이션을 위한 렌즈도 포함할 수 있다. 이는, 예를 들어, 석영 캡 또는 석영 커버에 통합되거나, 또는 패키지 내부 또는 하우징 내에서 외측으로 배치될 수도 있다. 광 파이프는 인두나 비강과 같이 외부에서 직접 접근할 수 있는 신체의 구멍들 내부로 방출된 방사선을 유도하는 데 사용될 수 있다. 광섬유를 광학 요소로 사용하면, 예컨대, "최소 침습" 수술 중에, 방출된 방사선을 특히 신체의 접근하기 어려운 부분 또는 개구들, 적용할 수 있다. 광학 요소에 바람직한 재료는 실리카 유리이다.

UV LED를 광 파이프에 연결하는 것은 특히 비강 또는 인두강의 조사를 위한 것이다. UV LED에 의해 방출되는 광을 최대한 효율적으로 결합하기 위해, 광 파이프는 UV LED에 가능한 한 가깝게 배치되어야 한다. 바람직하게는 UV-투명성 접착 재료들(예컨대, Schott DUV 200)에 의해 도움을 받아서, 광 파이프와 UV LED 사이의 맞대기 결합도 가능하다. 공통 패키지 내에 조립된 UV LED 어레이와 마찬가지로 하나 이상의 LED들이 조명을 위해 사용될 수 있다. 가장 간단한 경우, 광 파이프는 내부 표면이 (예컨대, 알루미늄 코팅 덕분에) UV 범위 내에서 반사되는 도파관으로서 설계될 수 있다. 유연성, 즉 굽혀질 수 있는 재료들의 바람직한 사용은 광 파이프가 신체 개구까지 쉽게 이동되거나 또는 신체 개구들 내부에 조사될 바람직한 영역들에 쉽게 도달할 수 있도록 허용한다.

채워진 광 파이프들에서, 필링 재료는 UV-투명성이어야 하며, 바람직하게는 210nm 내지 240nm 사이의 파장 범위 내에 있어야 한다. 광 파이프 및 다른 UV-투명성 요소들에 적합한 재료들은 실리카 유리(예컨대, Suprasil, Ultrasil, Infrasil), CaF₂, MgF₂ 또는 사파이어(Al₂O₃)를 포함한다. 광 파이프의 기하구조는 비강 및 인두강 내의 환경에 인체공학적으로 적합화될 수 있다. 코나 입 외부의 방사선-전도 영역은 UV-반사 층(예컨대, 알루미늄 또는 테프론)으로 덮일 수 있으며, 이는 UV 방사선이 환경으로 빠져나가는 것을 방지한다. 하나 이상의 모니터 다이오드(포토 다이오드)는 UV 방사 출력과 그 분포를 결정하거나 모니터링하기 위해 이 영역 내에 배치될 수 있다. UV 방사선이 광 파이프의 단부에서 목표 방식으로 빠져나가도록 하기 위해, 산란 센터들(scattering centers)이 광 파이프에 국부적으로 통합될 수 있다. 석영 등으로 만들어진 광 도파관의 경우, 이러한 광 산란체들은 무엇보다도 재료 표면의 국부적 거칠기를 통해 얻을 수 있다.

유사하게, 섬유-결합형 UV LED는 인체 내에서 도달하기 어려운 위치(예컨대, 귀, 요도, 방광, 자궁 등)에 적용하기에 특히 적합하도록 설계될 수 있다. 광섬유는 UV 방사선이 이러한 위치들에서 환경으로 빠져나가는 것을 방지하는 (선택적으로 UV-반사성) 비-UV-투명성 클래딩에 의해 부분적으로 둘러싸일 수 있다. 또한, 다수의 섬유-결합형 UV LED로부터의 광은 이용 가능한 출력을 증가시키기 위해 공통 광섬유에 함께 결합될 수 있다. 또한, 모니터 다이오드(포토 다이오드)는 작동 중 UV 방사 출력을 지속적으로 결정할 수 있도록 검출기로서 통합될 수도 있다.

상기 광학 요소는 바람직하게는 교체 가능하다. 이는 또한 본 발명에 따른 장치가 추가적인 방사선 소스에 대한 필요 없이 다른 과업들에 적합화될 있다는 이점을 가진다. 따라서, 동일한 방사선 소스로 대면적 및 스폿 조사에 모두 사용할 수 있다. 특히, 이는 또한 사람의 피부에 대한 외부적 적용과 사람의 신체 내부에 체내 적용 사이를 전환할 수 있게 한다. 또 다른 이점은, 종래의 방법을 사용한 처리 후에, 광학 요소가 세척 및 탈콜로니화 될 수 있다는 것이다. 특히 광 파이프 및 광섬유의 경우, 신속한 전환 또는 간단한 준비를 통해 상기 장치의 사용을 위해 높은 이용 가능성이 보장될 수 있다. 광학 요소의 교체 가능성도 대응되는 커플링을 통해 보장될 수 있다. 일회용에만 적합한 광학 요소들도 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은 어레이를 형성하도록 배열된 본 발명에 따른 복수의 장치들을 포함하는 UV 소독을 위한 의료용 패드에 관한 것으로, 여기서 상기 장치들은 장치는 유연성 또는 강성 지지 요소 상에 배치된다. 이러한 패드는, 예를 들어, 일종의 드레싱으로서 외부 피부 영역에 직접 적용될 수 있으며 조사된 영역의 광범위한 UV 소독을 위해 사용될 수 있다. 강성 지지 요소의 경우에 패드가 신체의 형상에 적합화되지 않지만, (예컨대, 플라스틱 또는 직조 필름으로 만들어진)유연성 지지 요소는 이에 따라 패드의 형상을 적합화시키기 위해 사용될 수 있다. 상응하는 패드 크기에 의해, 예를 들어, 다리 또는 아암이 패드에 의해 사실상 형상-맞춤으로 둘러싸일 수 있다. 그러나, 강성 지지 요소는 본 발명에 따른 패드의 용이한 적용을 가능하게 하는 이점을 가진다.

상기 지지 요소 바람직하게는 탈콜로니화(decolonized) 될 표면 상에 배치된 때 상기 표면과 어레이를 형성하도록 배치된 상기 장치들 사이에 거리를 설정하도록 구성된 유연성 또는 강성 강성 스페이서 요소를 포함하며, 상기 스페이서 요소는 상기 장치들에 의해 방출된 방사선으로 상기 표면의 조사(irradiation)를 허용한다. 조사된 표면과 패드 내의 LED 사이의 고정된 거리는 스페이서 요소에 의해 설정될 수 있다. 이는 상기 거리가 사용자에 의존하지 않고 상기 표면에 정확하게 정의된 선량의 방사선을 조사할 수 있음을 의미한다. 또한, 피부 접촉은 스페이서 요소를 통해서만 발생하기 때문에, LED의 오염을 피할 수 있다. 특히, 이는 또한 광학 요소의 오염을 방지할 수 있게 한다.

상기 스페이서 요소는 바람직하게는 지지 요소에 교체 가능하게 연결된다. 이는 상기 스페이서 요소가 종래의 방법을 사용하여 탈콜로니화 또는 살균될 수 있다는 이점을 가진다. 이는 감염원들에 의해 오염될 수 있는 스페이서 요소의 부분들, 즉, 특히 치료받는 사람의 피부와 접촉하게 된 패드의 지점들이 패드의 추가 사용 전에 세척되는 것을 허용한다. 몇몇의 스페이서 요소들은 번갈아 사용되거나 일회용으로 사용될 수 있다. 이는 패드의 사용과 관련하여 높은 이용 가능성을 보장한다.

적어도 하나의 모니터 다이오드는 바람직하게는 탈콜로니화 될 표면에 조사되는 방사 출력을 모니터링하기 위한 검출기로서 상기 패드에 통합된다. 패드에 의해 방사된 출력은 모니터 다이오드(포토 다이오드)를 통해 모니터링될 수 있다. 패드에 분포된 다수의 모니터 다이오드를 통해 균일한 표면 밝기가 존재하는지 여부도 확인될 수 있다.

바람직하게는, UV 방사선 분포는 패드의 외피(envelope)에 내측에 UV-반사 층(예컨대, 알루미늄, 테플론)을 제공함으로써 균질화될 수 있다. 외부를 향해, 상기 외피는 UV 방사선으로부터 환경을 보호하기 위해 비-UV-투과성이어야 한다.

본 발명의 추가 측면은 인간 피부의 생체내 소독 방법에 관한 것으로서, 상기 피부의 표면은 UVC 범위 내의 UV LED에 의해 방출된 방사선에 의해 조사되고, 상기 방사선의 스펙트럼은 스펙트럼 필터 요소에 의해 235nm 아래의 파장, 바람직하게는 230nm 아래의 파장, 더욱 바람직하게는 225nm 아래의 파장으로 실질적으로 제한된다. 상기 LED 칩의 방출된 방사선의 최대 강도는 235nm 아래의 파장, 바람직하게는 230nm 아래의 파장, 더욱 바람직하게는 225nm 아래의 파장에 있다.

상기 장치에 대해 언급된 추가 특징들 및 바람직한 추가 개발은 본 발명에 따른 방법에 필요한 수정을 가하여 적용된다. 이러한 방법은 만성 상처를 치료하는 데에도 사용할 수 있다. 만성 상처는 MRSA가 선호하는 피난처이며 지금까지 방사선 요법으로 치료할 수 없었다. 이는 특히 만성 상처의 경우 조직이 각개의 캐리어 기관(예컨대, 피부)의 염증을 동반함으로 인해 외부 영향에 매우 민감하게 반응하고, 예를 들어, 치료로 인한 추가적인 열 입력(예컨대, 엑시머 램프로부터의 폐열)은 치료받을 사람에게 감당할 수 없는 부담이 될 것이라는 사실에 기인한다.

본 발명의 추가적인 측면에서, 본 발명에 따른 장치(또는 본 발명에 따른 패드)에 의해 탈콜로니화 될 표면을 조사하는 것을 포함하는 UV 소독을 위한 방법이 개시된다. 상기 장치 또는 패드에 대해 언급된 추가 특징들 및 바람직한 추가 개발은 본 발명에 따른 방법에 필요한 수정을 가하여 적용된다.

본 발명의 추가적인 바람직한 구성들은 종속항들에 언급된 나머지 특징들에 의해 드러난다.

본 출원에서 언급된 본 발명의 다양한 실시예들은 개별적인 경우와 관련하여 달리 언급되지 않는 한 유리하게 함께 결합될 수 있다.

본 발명은 아래에서 예시적인 실시예들을 참조하고 첨부된 도면들에 기초하여 설명된다.
도 1은 서브마운트 상의 Ⅲ족 질화물계 UV LED 칩의 일반적인 층 구조의 개략도를 보여주며,
도 2는 10개의 거울 층들을 가진 AlO_x/SiO₂ DBR의 반사 스펙트럼(좌측 다이어그램)과 이러한 스펙트럼 필터 요소를 가진 일반적인 UV LED의 방출 스펙트럼(우측 다이어그램)을 보여주며,
도 3은 스펙트럼 필터 요소를 통합하기 위한 상이한 실시예들의 개략도들을 보여주며,
도 4는 본 발명에 따른 장치들의 상이한 실시예들의 개략도들을 보여주며,
도 5는 본 발명에 따른 패드의 제1 실시예의 개략도를 보여주며,
도 6은 본 발명에 따른 패드의 제2 실시예의 개략도를 보여주며,
도 7은 방출 각도와 무관한 스펙트럼 필터 요소의 통합을 위한 실시예의 개략도를 보여준다.

도 1은 서브마운트(submount) 상의 Ⅲ족 질화물계 UV LED 칩의 일반적인 층 구조의 개략도이다. 보통, 층 구조를 형성하기 위한 기판으로서 사파이어(Al₂O₃) 또는 AlN이 사용된다. 두 기판 재료들은 원칙적으로 UV-투명성이므로, 종래의 Al_XGa₁ _- _XN 양자 필름들(quantum films)에서 발생하는 UV 방사선이 기판을 통해 효율적으로 추출(coupled out)될 수 있다. UV LED의 방출 파장은 Al_XGa₁ _- _XN 양자 필름들과 일반적으로 주변 Al_yGa₁ _- _yN 양자 장벽들의 알루미늄 함량과 Al_xGa₁ _- _xN 양자 필름들의 폭을 선택함으로써 조절될 수 있다. 210nm 내지 240nm 범위 내의 방출 파장들에 대해, 양자 필름들 내의 알루미늄 함량은 x = 0.99 내지 x = 0.6 사이이고 장벽들의 조성은 y = 1 내지 y = 0.65 사이이다. 양자 필름들의 폭은 통상적으로 0.5nm 내지 20nm 사이에서 변하며, 여기서 약 1nm의 양자 필름 두께가 일반적으로 사용된다. 양자 필름들의 수는 N = 1 내지 N = 20 사이이며 일반적으로 N = 3이다. 기판을 통한 광의 추출을 허용하기 위해서는, Al_zGa₁ _- _zN 전류 확산층도 UV-투명성이어야 한다. 따라서, Al_zGa₁ _- _zN 전류 확산층의 알루미늄 함량은 이 층이 UV 방사선의 광자 에너지보다 큰 밴드 갭(band gap)을 가지도록 선택되어야 하며, 즉, 조성은 바람직하게는 z = 1 내지 z = 0.65의 범위 내이다.

UV LED의 방출 스펙트럼의 폭은 마찬가지로 헤테로 구조(heterostructure) 설계뿐만 아니라 재료 조성 및 개별 층 두께들의 변화에 의해 영향을 받을 수 있다. UV LED의 방출 파장의 조절 가능성은 UV LED의 방출 스펙트럼을 각개의 애플리케이션에 최적으로 적합화할 수 있게 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 예를 들어, UV LED의 방출 출력, 달성된 소독 효과 및 조사된 조직에 대한 손상의 방지 사이에서 최상으로 가능한 절충안이 확립될 수 있다. 파장이 감소함에 따라 UV LED의 출력 및 효율도 일반적으로 감소하며, 즉, 동일한 선량을 달성하기 위해서는 소독 효과가 감소하거나 또는 조사 시간이 증가하여야 한다. 그러나, 더 짧은 파장에서, UV 방사선은 조직 표면으로 깊숙이 침투하지 않으며, 즉, 손상이 더 적다. UV LED의 출력과 효율은 파장이 증가함에 따라 현저하게 증가하며, 즉, 소독 효과가 더 강해진다. 그러나, UV 방사선은 더 긴 UV 파장들에서 조직 표면 깊숙이 침투하며, 이는 손상이 더 커진다는 것을 의미한다. 추가적으로, UV LED의 일반적인 방출 스펙트럼은 조사된 조직에 대해 해로운 영향을 잠재적으로 가질 수 있는 더 긴 파장 성분들, 특히 피부층으로 더 깊게 침투할 수 있는 240nm 초과 범위의 파장 성분들을 포함한다.

도 2는 10개의 거울 층들(mirror layers)을 가진 AlO_x/SiO₂ DBR의 반사 스펙트럼(좌측 다이어그램)과 이러한 스펙트럼 필터 요소를 가진 일반적인 UV LED의 방출 스펙트럼(우측 다이어그램)을 보여준다.

좌측에 도시된 반사 스펙트럼은 수직 입사에 대한 전달 행렬 방법을 사용하여 계산되었다. 스펙트럼 필터 요소는 DBR(분포 브래그 반사기)을 형성하는 10개의 AlO_x/SiO₂거울 쌍들로 구성된다. 균일한 층들에 대한 대응되는 굴절률들과 두께들에 대해, 다음의 값들이 가정되었다; AlO_x에 대해 n = 1.85 및 d = 35.16nm, SiO₂에 대해 n = 1.46 및 d = 44.52nm. AlO_x/SiO₂-DBR의 반사율은 233nm에서 최소(R = 0.7%)이며, 더 긴 UV 파장들에서 매우 빠르게 증가한다(즉, 이러한 파장들은 필터링됨). 240nm의 파장에서, 반사율은 이미 R = 82%이고, 250nm에서 R = 97%이다.

저지대역(stopband)(DBR)의 기울기는 거울 쌍들의 수에 의해 조절될 수 있으며, 즉, 더 많은 거울 쌍들을 사용하는 것은 더 가파른 저지대역을 초래한다. 또한, 저지대역(DBR)의 폭은 개개의 유전체들의 선택에 의해 제어될 수 있다. 유전체들의 굴절률 차이가 클수록 저지대역(DBR)이 넓어진다.

우측 다이어그램은 위에서 설명한 스펙트럼 필터를 가진 그리고 가지지 않은 일반적인 UV LED의 방출 스펙트럼을 대수 표현으로 보여준다. 필터를 가지지 않은 UV LED(점선 곡선)의 경우, 이 예에서 중심 파장(peak wavelength)은 231.8nm이고 반치폭(half-value width)은 11.9nm이다. 상술한 바와 같이 필터 요소를 통합함으로써, 단파장 UV 범위에서 스펙트럼 출력을 현저히 감소시키지 않으면서 방출 스펙트럼의 장파장 UV 성분을 상당히 감소될 수 있다. 필터를 가진 UV LED의 중심 파장(실선 곡선)은 232.2nm로 약간 이동하고, 반치폭은 7.7nm로 크게 감소한다. 특히, 파장이 240nm를 초과하는 장파장 UV 성분은 크게 감소된다.

UV LED 방출 스펙트럼의 폭은 헤테로 구조 설계뿐만 아니라 재료 조성 및 개별 층 두께들의 변화에도 영향을 받을 수 있다.

도 3은 스펙트럼 필터 요소(14)를 통합하기 위한 상이한 실시예들의 개략도들을 보여준다.

도 3의 a)는 서브마운트(submount)(36) 상의 UV LED 칩(12)의 전형적인 구조를 보여준다. 상기 LED 칩(12)의 활성층(active layer)(32)은 접점들(contacts)(34)을 통해 서브마운트(36)에 전기 전도성으로 연결된다. 연결은 일반적으로 플립-칩(flip-chip) 방법을 사용하여 달성되며, 즉, 대응되는 반도체 층 구조가 성장한 LED 칩(12)의 기판(30)은 활성층(32) 위에 위치하며 방사선 분리를 위해 그 바닥으로부터 방사된다. 스펙트럼 필터 요소(14)를 통합하기 위해 도시된 실시예에서, 스펙트럼 필터 요소는 기판(30)의 자유로운 상부 측에 적용되었다. 따라서, 상기 스펙트럼 필터 요소(14)와 활성층(32)은 기판(30)의 상이한 측면들에서 서로 대면한다. 대안으로서, 상기 스펙트럼 필터 요소(14)는 활성층(32) 측에, 즉 활성층(32) 내부에 또는 활성층(32)에 인접하게 배치될 수 있다.

도 3의 b)는 패키지(package)(16)를 가진 서브마운트(36) 상의 상술한 LED 칩(12)(스펙트럼 필터 요소가 적용되지 않음)을 보여준다. 상기 패키지(16)는 LED 칩(12)을 오염 및 손상으로부터 보호한다. 상기 패키지의 상부는 UV 방사선에 대해 투명한 캡(예컨대, 실리카 유리로 만들어진 출구 창)을 가질 수 있다. 상기 스펙트럼 필터 요소(14)는 이 캡에 적용될 수 있다. 이는 도 a)에 따른 기판(30)에 대한 적용에 대응된다. 도시된 도면에서, 상기 캡은 또한 방출된 방사선의 지향성 방출을 위해 제공되고 이에 따라 동시에 본 발명에 따른 광학 요소(18)이다. 따라서, 도시된 본 발명에 따른 장치(100)는 국부적 UV 소독을 위해 직접 사용될 수 있다.

도 3의 c)에서, 다수의 UV LED(10)(또는 LED 칩들(12))는 모듈을 형성하기 위해 연결된다. 이러한 맥락에서, LED(10)는 본 발명에 따른 스펙트럼 필터 요소(14) 또는 광학 요소(18)를 필요로 하지 않는 패키지(16)를 가진 LED 칩(12)인 것으로 이해된다(여기서 개별 패키지들의 커버는 단지 내부 구성 요소이며 방출 목적으로 사용되지 않음). 개개의 LED들(10)은 하우징(40) 내의 공통 회로 캐리어(42)(예컨대, PCB - 인쇄 회로 기판) 상에 배치될 수 있다. 도 b)의 패키지와 같이, 하우징(40)은 UV 방사선에 대해 투명성인 커버(예컨대, 실리카 유리로 만들어진 출구 창)를 가질 수 있다. 상기 커버를 통해 직접 방출이 발생하는 경우, 이는 본 발명에 따른 광학 요소(18)이다. 상기 스펙트럼 필터 요소(14)는 상기 커버에 적용될 수 있다. 따라서, 설명된 모듈은 오직 다중-LED 패키지만을 나타내며, 기본 원리는 도 b)와 동일하다. 따라서, 이 실시예는 다수의 LED들(10) 또는 LED 칩들(12)을 가진 패키지의 확장된 형태일 뿐이다.

상기 스펙트럼 필터 요소와 관련하여, UV LED의 방출 스펙트럼의 FWHM 반치 폭(FWHM = 반치전폭)은 일반적으로 5nm 내지 25nm 사이, 일반적으로 10-12nm 사이의 범위라는 점에 유의해야 한다. 210nm 내지 235nm 사이의 통합 방출 출력은 300μW 아래이고, 모든 파장들에 대한 총 출력은 대략 475μW이다. 깊게 침투하는 UV 광으로부터 조직 손상을 방지하기 위해, 더 긴 파장 성분들(> 235nm)은 스펙트럼으로부터 가능한 한 제거되어야 한다. 위에서 설명한 바와 같이, 이는 특히 스펙트럼 필터 요소를 광학 단파장 통과 필터(short-pass filter)(파장에 대한 단파장 통과 필터)로서 모듈에 통합하거나 UV LED 칩에(예컨대, 자유로운 기판 측에) 또는 패키지에 직접 통합함으로써 수행될 수 있다. 그러나, 스펙트럼 필터 요소는 추가 요소로서 LED 모듈 내에 통합될 수도 있다. 이러한 광학 단파장 통과 필터는, 예를 들어, 상이한 굴절률들을 가진 UV-투명 층들의 스택을 사용하는 DBR(분포 브래그 반사기)로서 얻을 수 있다. 이를 위해, 특히, 복수의 Al_xGa_1-xN/Al_yGa_1-yN 층 쌍들(x ≠ y)이 UV LED의 에피택셜 층 구조에 통합될 수 있다. 또한, 상이한 굴절률들을 가진 유전체들의 층 쌍들이 기판의 배면에 또는 패키지에(예컨대, 석영 캡 상에) 통합될 수 있다. DBR 필터의 제조에 적합한 다른 유전체들은 예를 들어 HfO₂, Ta₂O₅, CaF₂, MgF₂, Ga₂O₃ 또는 AlN을 포함한다. 단파장 통과 필터의 스펙트럼 특성들은, 특히 DBR 거울 층들의 적합한 재료들과 두께 및 수를 선택함으로써 각개의 애플리케이션에 최적화될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 장치들(100)의 다양한 실시예들의 개략도들을 보여준다. 모든 실시예들은 방사 출력(radiant power)을 모니터링하기 위한 하나 이상의 모니터 다이오드들(52)을 선택적으로 포함할 수 있다. 이들 실시예의 기본적인 사상은 본 발명에 따른 광학 요소(18)의 특정 설계에 의해 탈콜리니화 될 영역들에 가능한 한 최적으로 방출을 적합화시키는 것이다. 특히, 이를 위해 신체 적합형(body-adapted) 광 파이프들(50)과 광섬유들(54)이 사용된다. 도면은 개별 방출기의 사용 측면에서의 제한으로서 해석되어서는 안된다. 예를 들어, 도시된 LED(10)와 스펙트럼 필터 요소(14)의 조합 대신에, 도 3에 도시된 실시예들 중 임의의 것이 스펙트럼 필터 요소(14)를 통합하는 데 사용될 수 있다.

도 4의 a)는 비강 내에 적용하기 위한 UV 소독용 장치(100)의 예시적인 도면을 보여준다. 본 발명에 따른 광학 요소(18)는 광 파이프(50)를 포함하며, 이는 UV LED(10)에 의해 발생되고 스펙트럼 필터 요소(14)를 사용하여 필터링된 방사선을 치료될 사람의 비강 내로 타겟 방식(targeted manner)으로 지향시키도록 구성된 광 파이프(50)를 포함한다. 특히, 상기 광 파이프(50)는 고체 실리카 유리 막대 또는 도파관 형태의 실리카 유리 막대일 수 있다. 상기 광 파이프(50)는 UV-투명성 필러(filler) 재료를 포함할 수 있다. 상기 광 파이프(50)의 형상은 바람직하게는 크기 및 형상이 치료될 신체 개구, 이 경우 비강에 적합화된다. 비강의 경우, 광 파이프의 형상은 비공(nostril) 내에 삽입하기 위한 직선 부분과 비강을 채우기 위해 직선 부분에 대해 경사진 구형 부분에 대응된다. 비강의 국소적 조사만을 제공하기 위해, 방사선의 출구 영역이 제한될 수 있다. 또한, 광 파이프(50)는 상이한 크기들과 형상들의 다른 광 파이프들(50)로 교체될 수 있는 것이 유리하다. 이는 특정 사용자에 대한 조사의 최적의 적합화를 허용한다.

도 4의 b)는 인두강 내에 적용하기 위한 UV 소독용 장치(100)의 예시적인 도면을 보여준다. 이 도면은 도 4의 a)에 도시된 것과 대체로 상응하며; 참조 부호들은 필요한 수정을 가하여 적용된다. 그러나, 도 4의 a)의 도면과 대조적으로, 광 파이프(50)의 형상은 상이하다. 특히, 광 파이프(50)는, 일반적인 인간의 인두강의 구조에 대응하여, 평면도(직선 부분과 풍선-형상 부분이 직접 인접함)와 측면도(직선 부분과 주걱-형상 부분이 직접 인접함)에서 상이한 구성을 가진다. 여기서도, 광 파이프(50)의 크기와 형상은 교환에 의해 적합화될 수 있는 것이 유리하다.

도 4의 c)는 도달하기 어려운 위치들 또는 좁은 덕트들 내에 적용하기 위한 UV 소독용 장치(100)의 예시적인 도면을 보여준다. 이 도면은 다시 도 4의 a)에 도시된 것과 대체로 상응하며; 참조 부호들은 필요한 수정을 가하여 적용된다. 그러나, 도 4의 a)의 도면과 대조적으로, 광학 요소(18)는 광 파이프(50)가 아니라 UV-투명성 광섬유(54)(예컨대, 실리카 유리로 만들어짐)이다. 이러한 섬유들은 유연하고 굽혀질 수 있다는 점에서 이점을 가진다. 따라서, 상기 섬유들은 일반적으로 외부로 개방되지 않은 체강과 같이 접근하기 어려운 장소에 삽입될 수 있다. 이 경우, 상기 섬유의 팁(tip)은 조사를 위해 바람직한 형상, 예컨대, 평평하거나, 구형이거나, 또는 뾰족한 형상을 가질 수 있다. UV 방사선이 공급 라인만큼 일찍 섬유를 떠나는 것을 방지하기 위해, UV 방사선에 대해 불투명한 클래딩(56)이 LED(10)와 대면하는 섬유의 부분 둘레에 제공될 수 있다.

도 5는 어레이(array)를 형성하도록 배치된 본 발명에 따른 복수의 장치들(100)을 포함하는, 본 발명에 따른 패드(200)의 제1 실시예의 개략도를 보여주며, 여기서 상기 장치들(100)은 유연성 또는 강성 지지 요소(110) 상에 배치된다. 상기 지지 요소(110)는 특히 유연성(예컨대, 직조된 직물)일 수 있다. 직조된 직물의 경우에, 개별 장치들(100)은 교직된(interwoven) 유연성 공급 라인들을 사용하여 전기적으로 접촉될 수 있다. 상기 지지 요소(110)는 탈콜로니화 될 표면(O) 상에 배치된 때 상기 표면(O)과 어레이를 형성하도록 배치된 장치들(100) 사이에 거리(A)를 설정하도록 구성된 유연성 또는 강성 스페이서 요소(112)를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 스페이서 요소(112)는 상기 장치들(100)에 의해 방출된 방사선으로 표면(O)의 조사를 허용한다. 상기 스페이서 요소(112)는 특히 위생상의 이유로 상기 지지 요소(110)에 교체 가능하게 연결될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 모니터 다이오드(114)는 탈콜로니화 될 표면(O)에 조사되는 방사 출력을 모니터링하기 위한 검출기로서 상기 패드(200) 내에 통합될 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 패드(200)의 제2 실시예의 개략도를 보여한다. 이 도면은 도 5에 도시된 것과 대체로 상응하며, 참조 부호들은 필요한 부분만 수정하여 적용된다. 그러나, 도 5의 도면과 대조적으로, 복수의 추가 반사기들(116)을 가지는 본 발명에 따른 패드(200)의 측면도가 여기에 도시된다. 특히, 이 패드는 강성 지지 요소(110)(예컨대, (플라스틱) 프레임)를 가지는 패드일 수 있다. 상기 스페이서 요소(112)는 만곡된 지지 표면을 가지는 예로서 여기에 도시되어 있다. 이는 스페이서 요소가 예를 들어 대응되게 만곡된 표면 상에 직접 놓일 수 있도록 한다. 그러나, 상기 반사기들(116) 및 스페이서 요소(112)의 지지 표면의 자유로운 구성도 유연성 지지 요소(110)에 의해 구현될 수 있다.

도 7은 방출 각도와 관계없이 스펙트럼 필터 요소의 통합을 위한 실시예의 개략도를 보여준다. 이 도면은 도 3의 b)에 표시된 것과 대체로 상응하며, 참조 부호들은 필요한 수정을 가하여 적용된다. 그러나, 도 3의 b)의 도면과 대조적으로, 광학 요소(18)로서 사용되는 투명 캡의 형상은 상이하다. 특히, 투명 캡은 여기에서 돔-형상이고 패키지(16) 위에 위치한다. 도시된 도면에서, 상기 캡은 동시에 본 발명에 따른 광학 요소(18)이다. 그러나, 상기 캡은 대안으로서 본 발명에 따른 장치의 내부 광학 요소(창 또는 렌즈)일 수 있다.

상기 캡은 바람직하게는 예컨대, UV-투명성 실리카 유리 또는 실리콘으로 만들어진 반구 형태를 취할 수 있다. 스펙트럼 필터 요소(14)의 개별 층들은 상기 캡의 만곡된 표면에 직접 적용될 수 있다. 이는 LED 칩(12)으로부터의 UV 광선들이 DBR 거울 층들에 대해 대부분 수직이고, 스펙트럼 필터 요소(14)의 차단 파장이 방출 각도에 따라 변하지 않는다는 것을 보장한다. 또 다른 이점은 이러한 구성이 UV LED로부터의 광 추출을 개선하여 효율성과 출력을 향상시킨다는 것이다. 반구형 캡의 균일한 코팅은, 특히, 코팅 설비 내의 적합한 홀더에 의해 또는 코팅 공정 중에 캡을 회전시킴으로써 달성 될 수 있다.

도 3의 c)에 대응되는 복수의 UV LED들(10)(또는 LED 칩들(12))이 함께 연결되어 하나의 모듈을 형성하는 경우, 스펙트럼 필터 요소(14)는 예를 들어 UV-투명성 실리카 유리 또는 실리콘의 반원통 형상으로 구성된 캡(또는 커버)에 적용될 수 있다. 도 7에 도시된 도면은 스펙트럼 필터 요소(14)의 층들의 순서가 그 깊이에 걸쳐 변하지 않는 상태로 도면의 평면 내부로 연장될 것이다. 이러한 원통형 배치의 단점은 방출된 UV 방사선의 일부가 스펙트럼 필터 요소에 비스듬히 계속 충돌한다는 것이다. 그러나, 이점은 LED 라인 어레이들이 방출 특성들에 적합화된 스펙트럼 필터 요소(14)를 장착할 수 있으며, (예컨대, 코팅 중에 반원통을 회전시킴으로써) 유전체에 의한 반원통의 균질한 코팅이 비교적 구현하기 쉽다는 것이다.

절제된 피부 샘플들에 대한 UV 소독의 방사선 및 선량 의존성에 대한 조사(investigation) 결과는 아래에 추가로 나타낸다.

조사는 229nm의 파장에서 주파수 배가된 아르곤 이온 레이저(LEXEL 레이저, 95-SHG)를 사용하여 수행되었다. 이를 위해, 흉터 제거 후 절제된 인간 피부가 이용 가능했다. 샘플은 실험을 수행하기 하루 전에 채취되었다. 피부는 5분과 30분 e동안 0.2mW/cm²로 조사되었다. 출력은 전력계를 사용하여 측정되었다. 대응되는 방사선량은 60mJ/cm²과 300mJ/cm²이었다. 또한, 5분의 조사시간 동안 300mJ/cm²가 1mW/cm²로 인가되었다. 동일한 선량의 UVB 방사선이 양성 대조군(positive control)으로서 사용되었다. 조사되지 않은 샘플은 음성 대조군으로 사용되었다.

각각의 샘플로부터 하나의 4mm 펀치가 채취되어 임베딩 카세트(embedding cassette)로 전달되었다. 조직은 4% 포름알데히드 용액을 사용하여 고정되었다. 샘플은 같은 날 분석을 위해 실험실로 가져갔다. 고정 조직 샘플로부터 파라핀 절편(두께 1-2μm)가 준비되어 상이한 조직 구조들 사이의 구별을 위해 헤마톡실린과 에오신으로 염색되었다. 그 다음에, 적합한 항체들을 사용하여, 사이클로부탄-피리미딘 이량체(CPD) 및 6-4 광생성물(6-4PP)로 알려진, UV 방사선으로 인한 일반적인 DNA 손상이 검출되었다. CPD는 UV로 인한 DNA 손상의 대략 70% 내지 80%를 구성하며, 나머지는 6~4 PP 및 이의 이성질체 형태 또는 Dewar 광생성물이다. 특히 기저 멤브레인에서, UVC 및 UVB 조사에 의해 초래되는 DNA 변형은 방지되어야 한다. 실제 샘플과 비교하여 양성 대조군의 현저한 염색은, UVB 방사선과 달리, 229nm의 방사선이 세포들에서 없거나 적은 수의 CPD를 생성한다는 것을 분명히 보여주었다. 확대하면, "CPD 세포들"은 300mJ/㎠에서 상피 내에 발견될 수 있다. 300mJ/㎠의 두 번째 조사는 이러한 세포들을 보여주지 않는다. 다른 한편, UVB 조사에서는 CPD 손상이 진피의 상부층들까지 매우 명확하고 집중적으로 발생한다. 더욱이, 방사선량에 관계없이 229nm에서 UV 조사에서 6-4 PP 손상이 발견되지 않았다. 대조적으로, 이러한 손상은 UVB 조사에서 매우 두드러진다.

따라서, 이러한 조사들(investigations)에 의해, 229nm의 UV 조사(irradiation)에서 절제된 피부 샘플에 대한 DNA 손상이 거의 또는 전혀 발생하지 않으며, 300 mJ/㎠의 높은 선량에서도 살아있는 표피들에 매우 피상적인 손상만 초래한다는 것을 성공적으로 입증할 수 있었다.

또한, 돼지 귀에 대해 미생물 감소 조사들이 수행되었다. 돼지 귀의 마킹된 영역들에 대해 다음과 같은 소독제 노출들이 비교되었다.

- 에탄올계 피부 소독(AHD 2000), 노출시간 1분,

- UVC 60mJ/㎠, (0.2mW/㎠, 5분),

- UVC 300mJ/㎠ (0.2mW/㎠, 30분),

- UVC 300mJ/㎠ (1mW/㎠, 2.5분) 및

- 처리되지 않은 대조군.

처리되지 않은 대조군에서, 낮은 콜로니화 밀도로 인해 1㎖의 샘플 부피 내에서 15개의 콜로니-형성 유닛들만 검출될 수 있었다. 모든 소독제 처리 모드들은 명백한 조직 손상 없이 피부 상재균이 완전히 제거되었다. 이는 의도한 방사선 범위의 살균 효과를 입증하였다.

10 LED
12 LED 칩
14 스펙트럼 필터 요소
16 패키지
18 광학 요소
30 기판
32 활성층
34 접점
36 서브마운트
40 하우징
42 회로 캐리어
50 광 파이프
52 모니터 다이오드
54 유리 섬유
56 클래딩
100 장치
110 지지 요소
112 스페이서 요소
114 모니터 다이오드
116 반사기
200 패드
A 거리
O 표면

Claims

특히 피부, 점막, 상처, 체강 및 외과적으로 노출된 조직들 및 기관들에 대한 UV 소독(antisepsis)을 위한 장치(100)로서:
UVC 스펙트럼 범위 내의 방사선을 방출하도록 구성된 발광 다이오드 칩(LED 칩(12))으로서, 상기 LED 칩(12)은 패키지(16)와 함께 발광 다이오드(LED(10))를 형성하는, LED 칩(12);
상기 LED 칩(12)에 의해 방출된 방사선을 실질적으로 235nm 아래의 파장들로 제한하도록 설정된 스펙트럼 필터 요소(14); 및
상기 LED(10)에 의해 방출된 방사선의 지향성 방출(directional emission)을 위한 광학 요소(18);를 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 LED(10)의 공간 방출 특성들은 상기 LED 칩(12)의 밴드 구조의 폭, 조성 및 왜곡, 상기 LED 칩(12)의 외부 기하구조에 의해 또는 상기 패키지(16) 내에 통합된 반사기들, 개구들, 렌즈들 및/또는 형상화된 포팅(shaped potting)에 의해 결정되는, 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스펙트럼 필터 요소(14)는, 상기 LED 칩(12) 내부의 고유 브래그 반사기, 상기 LED 칩(12)에 적용된 브래그 반사기, 또는 상기 패키지(16)에 통합된 브래그 반사기의 형태를 가지는, 장치.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 요소(18)는 렌즈, 광 파이프(50) 또는 광섬유(54)를 포함하는, 장치.
전기한 항들 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 요소(18)는 교체 가능한, 장치.
어레이를 형성하도록 배치된 전기한 항들 중 어느 한 항에 따른 복수의 장치들(100)을 포함하는 UV 소독을 위한 의료용 패드(200)로서,
상기 장치들(100)은 유연성 또는 강성 지지 요소(110) 상에 배치되는, 의료용 패드.
제6항에 있어서,
상기 지지 요소(110)는 탈콜로니화(decolonized) 될 표면(O) 상에 배치된 때 상기 표면(O)과 어레이를 형성하도록 배치된 상기 장치들(100) 사이에 거리(A)를 설정하도록 구성된 유연성 또는 강성 강성 스페이서 요소(112)를 포함하며, 상기 스페이서 요소(112)는 상기 장치들(100)에 의해 방출된 방사선으로 상기 표면(O)의 조사(irradiation)를 허용하는, 의료용 패드.
제7항에 있어서,
상기 스페이서 요소(112)는 상기 지지 요소(110)에 교체 가능하게 연결되는, 의료용 패드.
제6항 내지 제8항에 있어서,
적어도 하나의 모니터 다이오드(114)가 탈콜로니화 될 표면(O) 상에 조사되는 방사 출력을 모니터링하기 위한 검출기로서 상기 패드(200)에 통합되는, 의료용 패드.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 장치(100)를 사용하여 탈콜로니화 될 표면(O)을 조사(irradiating)하는 것을 포함하는 UV 소독 방법.