WO2014123280A1 - 마이크로웨이브 플라즈마 멸균 장치 - Google Patents

마이크로웨이브 플라즈마 멸균 장치 Download PDF

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WO2014123280A1
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plasma
reaction chamber
microwave
hydrogen peroxide
generating unit
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노태협
석동찬
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Korea Basic Science Institute KBSI
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    • A61L2/20—Gaseous substances, e.g. vapours
    • A61L2/208—Hydrogen peroxide

Definitions

  • the present invention relates to a plasma sterilization apparatus, and more particularly, to a device for adding a hydrogen peroxide to generate a plasma and to generate OH radicals effective for sterilization to achieve the sterilization of the workpiece.
  • Sterilization of medical devices includes the use of ethylene oxide (ETO) gas, the use of ozone and water, and the use of high temperature steam.
  • ETO ethylene oxide
  • the ETO contact method has excellent sterilization effect, but the ETO gas is toxic, so it may cause serious harm to the user's health and is difficult to handle. And the use of ozone and water requires very long treatment times. In addition, the sterilization method using high temperature steam has a short sterilization time and excellent sterilization effect.
  • the present invention is to solve the problems described above, to provide a plasma sterilization apparatus that can be used for the low-cost and heat-sensitive material to be processed and can shorten the sterilization treatment time.
  • Plasma sterilization apparatus the reaction chamber; A vacuum forming unit connected to the reaction chamber and configured to vacuum the inside of the reaction chamber; A hydrogen peroxide supply unit providing gaseous hydrogen peroxide to the reaction chamber; It includes; and a microwave plasma generating unit for generating a plasma by using a microwave.
  • the vacuum forming unit may be to evacuate the reaction chamber through the plasma generating unit, but is not limited thereto.
  • the microwave plasma generating unit the electromagnetic wave generating source; A plasma generator; And a microwave guide configured to transfer the microwave generated from the electromagnetic wave generating source to the plasma generator.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the plasma generating unit may be a dielectric material, but is not limited thereto.
  • the plasma generating unit may be a tube or cup shape, but is not limited thereto.
  • the plasma generating unit is made of a double tube, the cooling fluid may flow between the two tubes, but is not limited thereto.
  • the microwave guide is in the form of a tube closed at both ends, the electromagnetic wave source and the plasma generating unit may be spaced apart along the longitudinal direction, but is not limited thereto.
  • the microwave plasma generating unit may be separated from the reaction chamber, but is not limited thereto.
  • the to-be-processed object may be sterilized by a radical element formed by being decomposed in the reaction chamber by the plasma generated from the hydrogen peroxide supply unit, the microwave plasma generating unit, It is not limited to this.
  • the radical element may be one containing an OH radical element, a HO 2 radical element or both, but is not limited thereto.
  • the present invention provides a sterilization apparatus that can be reused after use of a workpiece, provides a sterilization apparatus that can be used to sterilize a workpiece that is susceptible to heat deformation, and provides a relatively low-cost hydrogen peroxide plasma sterilization apparatus, and short sterilization. It provides a sterilization device having a time, provides a sterilization device of a simple structure, a simple procedure of use, and provides a sterilization device capable of sterilization even at an ambient temperature of less than 30 °C.
  • a microwave generator MicroWave
  • the plasma is mainly generated in the region other than the periphery of the workpiece to allow the generated radical elements to contact the workpiece.
  • Figure 1 is a schematic diagram showing a plasma sterilization apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram schematically showing a hydrogen peroxide supply unit.
  • FIG. 3 is a perspective view of a microwave plasma generating unit.
  • FIG. 4 is a plan view of the microwave plasma generation unit of FIG.
  • FIG. 5 is a configuration diagram schematically showing a state in which the microwave plasma generation unit of FIG. 3 is connected to the reaction chamber.
  • Figure 6 is a flow chart illustrating a sterilization method of the medical equipment to be processed by the plasma sterilization apparatus of the present invention.
  • the plasma sterilization apparatus according to the present invention has the following features.
  • a microwave can be trapped in a cavity such as a waveguide, and a standing wave can be constructed to obtain a high electric field, which can generate a plasma in a specific gas.
  • Microwave plasmas have the advantage of being able to obtain higher electron temperatures and plasma densities than conventional DC or RF plasmas and to maintain the plasma in a wider range of pressure conditions. (eg 5 to 15 eV, 108 to 1015 cm -3 , unmagnetized: 10 mtorr to 760 torr, magnetized: several ⁇ torr to 10 mtorr) Also, relatively high ionization rates can be achieved, and the sheath voltage is low, resulting in sputtering ) Has the advantage of minimizing the damage to the electrode or structure.
  • an appropriate wave guide to an electromagnetic wave source (magnetron, etc.) that can generate microwaves, and by installing a dielectric load at one end, a plasma can be generated by forming an appropriate pd (pressure ⁇ gap) inside the dielectric load.
  • pd pressure ⁇ gap
  • Plasma can be generated at low temperature, so it is possible to sterilize heat-sensitive materials such as resin, and can be applied to medical devices with fine and complicated structure by adjusting pressure.
  • the plasma generating unit is spaced apart from the object to be processed, failure of the object to be processed by an electric shock, for example, a medical device can be prevented.
  • the plasma sterilization apparatus 100 includes a reaction chamber 110, a vacuum forming unit 120, an outside air supply unit 130, a hydrogen peroxide supply unit 140, and a microwave plasma generating unit 150. It includes.
  • the reaction chamber 110 is a reactor to be sterilized with, for example, medical equipment or cooking utensils.
  • the reaction chamber 110 includes a temperature measuring sensor 111 for measuring a temperature in the reaction chamber 110, a pressure measuring sensor 112 for measuring a pressure in the reaction chamber 110, a reaction chamber 110, and an object to be processed.
  • a heater (not shown) for controlling the temperature of the water is provided.
  • the reaction chamber 110 is provided with an openable work door, a vacuum exhaust port, an ozone supply port, a hydrogen peroxide supply port, and an external air supply port.
  • the interior of the reaction chamber 110 can guarantee a vacuum degree of less than about 100 mtorr, and the internal volume is calculated according to the needs of the intended use.
  • the vacuum forming unit 120 is connected to the reaction chamber 110, and includes a vacuum pump 121, a first connection pipe 122, and a first control valve 122.
  • the vacuum forming unit 120 makes the inside of the reaction chamber 110 in a vacuum state through the microwave plasma generating unit 150.
  • the vacuum pump 121 exhausts the gas inside the reaction chamber 110 to the outside.
  • the vacuum pump 121 preferably has durability against hydrogen peroxide.
  • the first connection pipe 122 connects between the vacuum pump 121 and the vacuum exhaust pipe (not shown) provided in the reaction chamber 110.
  • the first control valve 123 is installed on the first connection pipe 122 to open and close the first connection pipe 122.
  • the exhaust gas passing through the vacuum pump 121 passes through the oxidant removal device 124 and is finally exhausted.
  • the outside air supply unit 130 includes a second control valve 131, a second connection pipe 132, and a heater 133.
  • the outside air supply unit 130 supplies outside air to the reaction chamber 110 when necessary.
  • the second control valve 131 is installed on the second connection pipe 132 to open and close the second connection pipe 132.
  • the second connection pipe 132 is connected to an external air supply port (not shown) provided in the reaction chamber 110.
  • the heater 133 is installed adjacent to an external air supply port (not shown) on the second connection pipe 132 to control the temperature of the reaction chamber 110.
  • the hydrogen peroxide supply unit 140 includes a hydrogen peroxide vaporizer 141, a third connecting pipe 142, and a third control valve 143.
  • the hydrogen peroxide supply unit 140 supplies the vaporized hydrogen peroxide into the reaction chamber 110.
  • the hydrogen peroxide vaporizer 141 provides a storage space in which hydrogen peroxide is stored, and includes a heater 141a, a temperature controller 141b, a drain valve 141c, a water supply valve 141d, and a water level sensor 141e. It is provided.
  • the heater 141a prevents the liquid hydrogen peroxide from being cooled and frozen by excessive evaporation.
  • the temperature controller 141b controls the operation of the heater 141a.
  • the drain valve 141c is used to drain the liquid hydrogen peroxide stored in the hydrogen peroxide vaporizer 141.
  • the water supply valve 141d is used to supply liquid hydrogen peroxide in the hydrogen peroxide vaporizer 141.
  • the amount of liquid hydrogen peroxide stored in the hydrogen peroxide vaporizer 141 is measured through the water level sensor 141e.
  • the concentration of hydrogen peroxide used in the hydrogen peroxide vaporizer 141 is 1 to 100%.
  • hydrogen peroxide may be provided to the reaction chamber 110 by a method such as spraying or ozone acid.
  • the hydrogen peroxide vaporization apparatus 141 has a concentration of 3 to 100% so that the hydrogen peroxide supply amount is evaporated and supplied by an amount corresponding to less than 100% of the saturation pressure of the internal volume of the reaction chamber 110 at the set temperature of the reaction chamber 110. Liquid hydrogen peroxide can be evaporated.
  • the third connection pipe 142 connects between the hydrogen peroxide vaporizer 141 and the microwave plasma generator 150. It is preferable that the 3rd connection pipe 142 becomes temperature control or heat insulation.
  • the third control valve 143 is installed on the third connection pipe 142 to open and close the third connection pipe 142.
  • FIG. 3 is a perspective view of the microwave plasma generating unit
  • FIG. 4 is a plan view of the microwave plasma generating unit
  • FIG. 5 is a configuration diagram schematically showing a state in which the microwave plasma generating unit of FIG. 3 is connected to the reaction chamber.
  • the microwave plasma generating unit 150 is separated from the reaction chamber 110, the microwave generating source 153, the plasma generating unit 151, the microwave generated from the electromagnetic wave generating source. It is provided with a microwave guide 152 and the power supply 159 for transmitting to the plasma generating unit.
  • the electromagnetic wave generator 153 generates a microwave.
  • Microwave is a frequency of 0.3 to 300 kHz, which is used in military radar, home cooker, wireless communication, etc., and has the same band as rotational frequency of water atom to absorb water and heat water molecules. Have In addition, the possibility of long distance power transmission has been reported.
  • the magnetron is used as the electromagnetic wave generator 153, but the present invention is not limited thereto.
  • the electromagnetic wave generation source 153 includes an antenna 153a.
  • the electromagnetic wave generator 153 operates by receiving power from the power supply 159.
  • the microwave guide 152 is in the form of a tube of square cross-section with both ends closed.
  • the microwave source 153 and the microwave plasma generator 154 are spaced apart from each other in the microwave guide 152 along the longitudinal direction.
  • the antenna 153a of the electromagnetic wave generator 153 is located in the inner space of the microwave guide 152.
  • the microwave guide 152 transmits the microwaves generated from the electromagnetic wave generator 153 to the plasma generator 154.
  • the microwave guide 152 has an electromagnetic wave source installation hole 152a formed corresponding to the position where the electromagnetic wave source 153 is installed, and a plasma generation unit installation hole 152b formed corresponding to the position where the plasma generator 154 is installed. ) Is provided.
  • a plurality of tuner mounting holes 152c are provided between the electromagnetic wave source mounting hole 152a and the plasma generating unit mounting hole 152b, which are sequentially located along the longitudinal direction of the microwave guide 152.
  • the plasma generating unit 154 may be made of a dielectric material and is installed in the plasma generating unit installation hole 152b to pass through the inner space of the microwave guide 152 as a tube or cup shape.
  • One end of the plasma generating unit 154 is connected to the reaction chamber 110 and the other end is connected to the third connection pipe 142 of the hydrogen peroxide supply unit 140 so that the hydrogen peroxide gas passes through the plasma generating unit 154 and the reaction chamber 110. Is provided.
  • the plasma is generated by the microwave of the plasma generating unit 154, and the object to be processed is formed by decomposing the hydrogen peroxide supplied from the hydrogen peroxide supply unit 140 in the reaction chamber by the plasma supplied from the microwave plasma generating unit. Sterilized by a radical element.
  • the radical element may be one containing OH radicals, HO 2 radicals, or both, and high oxidizing chemicals are produced to accelerate the sterilization reaction.
  • the plasma generator 154 may be configured as a double tube to allow a cooling fluid (oil, compressed air, etc.) to flow between the tube and the tube.
  • the tuner unit 155 includes a plurality of tuning members 155a.
  • the tuning member 155a is coupled to the tuner installation hole 152c formed in the microwave guide 152 in a rod-like manner in the same manner as the screwing.
  • Tuning member 155a is adjusted in length protruding into the inner space of the microwave guide 152, respectively. In the present embodiment, it will be described that three tuning members 155a are provided.
  • the air outside the reaction chamber 110 may be opened by opening the first control valve 131. Condition by purging. In this case, the heated air may be supplied using the heater 133.
  • the sterilization method of the object for example medical equipment by the plasma sterilization apparatus of the present invention.
  • the to-be-processed object of the present invention is not limited to medical equipment, and various devices requiring sterilization or sterilization such as cooking utensils may be applied.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating a sterilization method of a target object by the plasma sterilization apparatus of the present invention.
  • the sterilization method of the workpiece the workpiece loading step (S10), temperature control step (S20), vacuum exhaust step (S30), plasma generation step (S40), hydrogen peroxide injection step (S50), sterilization step (S60), the ventilation step (S70), the vacuum release step (S80), and the workpiece recovery step (S90).
  • the medical equipment which is the processing object, is loaded in the reaction chamber (110 of FIG. 1) while the plasma sterilization apparatus shown in FIG. 1 does not operate.
  • the temperature of the reaction chamber is properly maintained so that vaporized hydrogen peroxide supplied from the hydrogen peroxide supply unit (140 in FIG. 1) does not condense in the reaction chamber (110 in FIG. 1).
  • the inside of the reaction chamber (110 of FIG. 1) is evacuated to 10 torr or less by using the vacuum forming unit 120 so that the sterilant can be evenly penetrated to the inside of the microstructure of the workpiece. .
  • the microwave plasma generation unit (150 in FIG. 1) is operated to generate plasma in the plasma generation unit (154 in FIG. 3).
  • Plasma generation can then continue within a time range of up to 60 minutes after hydrogen peroxide injection. Plasma generation is terminated before venting to the reaction chamber, or after continuing to the venting procedure for the reaction chamber if the vacuum evacuation proceeds through the plasma generator.
  • hydrogen peroxide injection step (S50) hydrogen peroxide vaporized by the hydrogen peroxide supply unit (FIG. 140) is injected into the reaction chamber (110 in FIG. 1) through the plasma generation unit (154 in FIG. 3).
  • vacuum evacuation to less than 10torr for the reaction chamber (110 in FIG. 1) is performed.
  • the vacuum exhaust may proceed to pass through the plasma generating unit 154 of FIG. 3, in which case the unreacted hydrogen peroxide may be changed into water and oxygen to prevent the residual hydrogen peroxide from being discharged to the outside.
  • the vacuum state formed inside the reaction chamber (110 of FIG. 1) is released through the ventilation step S70.
  • the sterilized treatment object is recovered.
  • the plasma generating step S40 to the ventilation step S70 may be repeated two or more times.

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Abstract

본 발명은 플라즈마 멸균 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 플라즈마 멸균 장치는, 반응 챔버; 상기 반응 챔버와 연결되고, 상기 반응 챔버 내부를 진공 상태로 만드는 진공 형성부; 상기 반응 챔버에 기체 상태의 과산화수소를 제공하는 과산화수소 공급부; 및 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브 플라즈마 발생부;를 포함한다.

Description

마이크로웨이브 플라즈마 멸균 장치
본 발명은 플라즈마 멸균 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 과산화수소를 투입하여 플라즈마를 발생시키고 멸균에 효과적인 OH 라디칼을 생성하여 피처리물의 멸균을 달성하기 위한 장치에 관한 것이다.
의료장치의 멸균은 에틸렌 옥사이드(Ethylene Oxide; ETO) 가스를 이용하는 방법, 오존과 물을 이용하는 방법 그리고 고전적으로는 고온 스팀을 이용하는 방법 등이 사용되고 있다.
ETO 접촉방식은 멸균효과는 우수하나 ETO 가스가 독성이 강하기 때문에 사용자의 건강에 큰 위해를 줄 수 있으며 다루기가 어려운 단점이 있다. 그리고 오존과 물을 이용하는 방법은 매우 긴 처리시간을 필요로 한다. 그리고 고온스팀을 이용한 멸균방식은 멸균시간도 짧고 멸균효과도 우수하지만, 열에 약한 처리물은 사용이 불가능하다는 단점이 있다.
최근에 플라즈마와 과산화수소를 이용한 멸균 장치가 개발되었으며 만족할 만한 멸균성능을 보이고 있다. 하지만 고가의 전원장치를 사용하여 장치가격이 비싸다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제조비용이 낮으며 열에 약한 재질의 피처리물에 대한 사용이 가능하고 멸균 처리시간을 단축시킬 수 있는 플라즈마 멸균 장치를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면에 따른 플라즈마 멸균 장치는, 반응 챔버; 상기 반응 챔버와 연결되고, 상기 반응 챔버 내부를 진공 상태로 만드는 진공 형성부; 상기 반응 챔버에 기체 상태의 과산화수소를 제공하는 과산화수소 공급부; 및 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브 플라즈마 발생부;를 포함한다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 진공 형성부는 상기 플라즈마 발생부를 통해 상기 반응 챔버를 진공 배기시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는, 전자파 발생원; 플라즈마 발생부; 및 상기 전자파 발생원으로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 플라즈마 발생부로 전달하는 마이크로웨이브 가이드;를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 플라즈마 발생부는 유전체 재질인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 플라즈마 발생부는 튜브 또는 컵 형상인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 플라즈마 발생부는 이중관으로 이루어지며, 두 관 사이에 냉각용 유체가 흐르는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 마이크로웨이브 가이드는 양단이 폐쇄된 관 형태이며, 그 길이 방향을 따라 상기 전자파 발생원과 상기 플라즈마 발생부가 이격되어 위치하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는 상기 반응 챔버와 분리되어 있는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 피처리물은 상기 과산화수소 공급부에서 공급되는 과산화수소가 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부에서 발생되는 플라즈마에 의하여 상기 반응 챔버 내에서 분해되어 형성되는 라디칼 원소에 의하여 멸균되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측에 따르면, 상기 라디칼 원소는 OH 라디칼 원소, HO2 라디칼 원소 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 의하면, 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 피처리물의 사용 후 재사용이 가능한 멸균 장치를 제공하며, 열에 변형되기 쉬운 재질의 피처리물 멸균에도 사용 가능한 멸균 장치를 제공하고, 비교적 저가의 과산화수소 플라즈마 멸균 장치를 제공하며, 짧은 멸균시간을 갖는 멸균 장치를 제공하고, 간단한 구조, 간단한 사용절차의 멸균 장치를 제공하며, 외기온도 30℃ 미만에서도 멸균이 가능한 멸균 장치를 제공한다. 또한, 마이크로웨이브(MicroWave) 발생기를 이용하며 플라즈마를 발생시켜서, 피처리물의 주위가 아닌 영역에서 주로 플라즈마가 발생하여 피처리물로 발생 라디칼 원소가 접촉할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 멸균 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 과산화수소 공급부를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 사시도이다.
도 4는 도 3의 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 평면도이다.
도 5는 도 3의 마이크로웨이브 플라즈마 발생부가 반응 챔버와 연결된 상태를 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 6은 본 발명의 플라즈마 멸균 장치에 의한 피처리물인 의료용 장비의 멸균 방법을 도시한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 플라즈마 멸균 장치는 다음과 같은 특징을 갖는다.
마이크로웨이브를 웨이브가이드와 같은 캐비티(Cavity)에 가두어 놓고 스탠딩웨이브(standing Wave)를 구성하여 높은 전기장을 얻을 수 있으며 이를 이용하여 특정 기체에 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 마이크로웨이브 플라즈마는 일반적인 DC 또는 RF 플라즈마에 비하여 높은 전자온도와 플라즈마 밀도를 얻을 수 있으며 보다 폭넓은 범위의 압력조건에서 플라즈마를 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다. (e.g. 5~15 eV, 108 ~ 1015 cm-3, unmagnetized : 10 mtorr ~ 760 torr, magnetized : 수 μtorr~10 mtorr) 또한 비교적 높은 이온화율 달성할 수 있고, 시스(sheath) 전압이 낮아 스퍼터링(sputtering)에 의한 전극 또는 구조물의 손상을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서는 마이크로웨이브를 발생시킬 수 있는 전자파원(마그네트론 등)에 적절한 웨이브가이드를 설치하고 한쪽 끝에 유전체 부하를 설치하여 유전체 부하의 내부를 적절한 pd (압력×간극)을 조성하여 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 이때 과산화수소가 존재하면 발생된 플라즈마와의 전자충돌, UV 흡수, 분자-원자 충돌 등에 의하여 OH 라디칼 원소 등의 멸균에 필요한 물질들이 만들어진다.
과산화수소가 있는 조건에서 플라즈마가 발생되는 경우 발생되는 UV에 의하여 박테리아 등의 세포나 포자가 멸균될 수도 있으며, 고에너지의 전자 및 기체입자가 직접 충돌하여 사멸시킬 수도 있다. 그리고 가장 중요한 역할은 과산화수소의 분해에 따라 OH 라디칼 원소 또는 HO2 라디칼 원소 등의 고산화성 화학물질들이 생성되어 멸균반응을 가속하는 것이다.
저온조건에서 플라즈마를 발생시킬 수 있기 때문에 수지 등의 열에 약한 재질에 대해서도 멸균이 가능하며 압력의 조정에 따라 미세하고 복잡한 구조의 의료 장치에도 적용이 가능하다.
또한 플라즈마 발생부가 피처리물과 이격되어 있어 전기적인 충격에 의한 피처리물, 예를 들어 의료 장치 등의 고장도 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 더욱 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과산화수소와 마이크로웨이브로를 이용한 플라즈마 멸균 장치를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 플라즈마 멸균 장치(100)는 반응 챔버(110)와, 진공 형성부(120)와, 외기 공급부(130)와, 과산화수소 공급부(140)와, 마이크로웨이브 플라즈마 발생부(150)를 포함한다.
반응 챔버(110)는 피처리물로서, 예를 들어, 의료용 장비 또는 조리 기구 등에 대한 멸균처리가 수행되는 반응기이다. 반응 챔버(110)에는 반응 챔버(110) 내의 온도를 측정하는 온도측정 센서(111)와, 반응 챔버(110) 내의 압력을 측정하는 압력측정 센서(112)와, 반응 챔버(110) 및 피처리물의 온도를 제어하기 위한 히터(미도시)가 구비된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 반응 챔버(110)에는 개폐가능한 작업 도어와, 진공배기구와, 오존공급구와, 과산화수소 공급구와, 외기 공급구가 마련된다. 반응 챔버(110)의 내부는 약 100 mtorr 미만의 진공도를 보증할 수 있도록 하며, 사용용도의 필요에 따라 내부 부피가 산정된다.
진공 형성부(120)는 반응 챔버(110)와 연결되고, 진공 펌프(121)와, 제1 연결 배관(122)과, 제1 조절 밸브(122)를 구비한다. 진공 형성부(120)는 마이크로웨이브 플라즈마 발생부(150)를 통해 반응 챔버(110)의 내부를 진공 상태로 만든다. 진공 펌프(121)는 반응 챔버(110) 내부의 기체를 외부로 배기한다. 진공 펌프(121)는 과산화수소에 대한 내구성을 갖는 것이 바람직하다. 제1 연결 배관(122)은 진공 펌프(121)와 반응 챔버(110)에 마련된 진공배기구(미도시) 사이를 연결한다. 제1 조절 밸브(123)는 제1 연결 배관(122) 상에 설치되어서 제1 연결 배관(122)을 개폐한다. 진공 펌프(121)를 통과한 배기 가스는 옥시던트(oxidant) 제거 장치(124)를 거친 후 최종적으로 배기된다.
외기 공급부(130)는 제2 조절 밸브(131)와, 제2 연결 배관(132)와, 히터(133)를 구비한다. 외기 공급부(130)는 외기를 반응 챔버(110)로 필요 시에 공급한다. 제2 조절 밸브(131)는 제2 연결 배관(132) 상에 설치되어서 제2 연결 배관(132)을 개폐한다. 제2 연결 배관(132)은 반응 챔버(110)에 마련된 외기 공급구(미도시)와 연결된다. 히터(133)는 제2 연결 배관(132) 상에 외기 공급구(미도시)에 인접하여 설치되어서, 반응 챔버(110)의 온도를 제어한다.
도 2는 과산화수소 공급부를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 1과 도 2를 참조하면, 과산화수소 공급부(140)는 과산화수소 기화장치(141)와, 제3 연결 배관(142)과, 제3 조절 밸브(143)를 구비한다. 과산화수소 공급부(140)는 반응 챔버(110) 내부에 기화된 과산화수소를 공급한다. 과산화수소 기화장치(141)는 내부에 과산화수소가 저장되는 저장 공간을 제공하며, 히터(141a)와, 온도조절기(141b)와, 배수 밸브(141c)와, 급수 밸브(141d)와 수위 센서(141e)를 구비한다. 히터(141a)는 과도한 증발에 의하여 액체상태인 과산화수소가 냉각되어 결빙되는 것을 방지한다. 온도조절기(141b)는 히터(141a)의 작동을 제어한다. 배수 밸브(141c)는 과산화수소 기화장치(141) 내에 저장된 액체 과산화수소를 배수할 때 사용된다. 급수 밸브(141d)는 과산화수소 기화장치(141) 내에 액체 과산화수소를 공급할 때 사용된다. 수위 센서(141e)를 통해 과산화수소 기화장치(141) 내에 저장된 액체 과산화수소의 양이 측정된다. 과산화수소 기화장치(141)에서 사용되는 과산화수소의 농도는 1 내지 100%이다. 이와는 달리 분무, 오존 산기 등의 방법에 의하여 과산화수소가 반응 챔버(110)로 제공될 수도 있다. 과산화수소 기화장치(141)는 과산화수소의 공급량이 반응 챔버(110)의 설정온도에서 반응 챔버(110) 내부부피의 포화압력 100% 미만에 해당하는 양 만큼 증발되어 공급될 수 있도록 3 내지 100% 농도의 액체상 과산화수소를 증발시킬 수 있다.
제3 연결 배관(142)은 과산화수소 기화장치(141)와 마이크로웨이브 플라즈마 발생부(150) 사이를 연결한다. 제3 연결 배관(142)은 온도 조절 또는 보온이 되는 것이 바람직하다. 제3 조절 밸브(143)는 제3 연결 배관(142) 상에 설치되어서 제3 연결 배관(142)을 개폐한다.
도 3은 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 사시도이고, 도 4는 마이크로웨이브 플라즈마 발생부의 평면도이고, 도 5는 도 3의 마이크로웨이브 플라즈마 발생부가 반응 챔버와 연결된 상태를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 3 내지 도 5를 참조하면, 마이크로웨이브 플라즈마 발생부(150)는 반응 챔버(110)와 분리되어 있으며, 전자파 발생원(153), 플라즈마 발생부(151), 전자파 발생원으로부터 발생한 마이크로웨이브를 플라즈마 발생부로 전달하는 마이크로웨이브 가이드(152)와 전원공급기(159)를 구비한다.
전자파 발생원(153)은 마이크로웨이브를 발생시킨다. 마이크로웨이브란 0.3 내지 300 ㎓의 주파수의 전자기파로 군용 레이더, 가정용 조리기, 무선통신 등의 분야에 사용되며 물원자의 회전 진동수(Rotational Frequency)와 대역이 같아 물에 흡수되어 물 분자를 가열하는 특징을 갖는다. 또한 원거리 전력수송의 가능성도 보고되고 있다. 전자파 발생원(153)으로 본 실시예에서는 마그네트론을 사용하는 것으로 설명하는데, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 전자파 발생원(153)은 안테나(153a)를 구비한다. 전자파 발생원(153)은 전원공급기(159)로부터 전원을 공급받아 작동한다.
마이크로웨이브 가이드(152)는 양단이 폐쇄된 사각 단면의 관 형태이다. 마이크로웨이브 가이드(152)에는 그 길이방향을 따라 전자파 발생원(153)과 마이크로웨이브 플라즈마 발생부(154)가 이격되어 위치한다. 마이크로웨이브 가이드(152)의 내부 공간에 전자파 발생원(153)의 안테나(153a)가 위치한다. 마이크로웨이브 가이드(152)는 전자파 발생원(153)에서 발생한 마이크로웨이브를 플라즈마 발생부(154)로 전달한다. 마이크로웨이브 가이드(152)에는 전자파 발생원(153)이 설치되는 위치에 대응하여 형성된 전자파 발생원 설치구멍(152a)과, 플라즈마 발생부(154)가 설치되는 위치에 대응하여 형성된 플라즈마 발생부 설치구멍(152b)이 마련된다. 전자파 발생원설치구멍(152a)과 플라즈마 발생부 설치구멍(152b)의 사이에는 마이크로웨이브 가이드(152)의 길이방향을 따라 차례대로 위치하는 다수의 튜너 설치구멍(152c)가 마련된다.
플라즈마 발생부(154)는 유전체 재질일 수 있으며, 튜브 또는 컵 형상으로서 마이크로웨이브 가이드(152)의 내부공간을 관통하여 지나가도록 플라즈마 발생부 설치구멍(152b)에 설치된다. 플라즈마 발생부(154)의 일단은 반응 챔버(110)와 연결되고 타단은 과산화수소 공급부(140)의 제3 연결 배관(142)과 연결되어 과산화수소 가스가 플라즈마 발생부(154)를 지나서 반응 챔버(110)로 제공된다.
플라즈마 발생부(154)의 마이크로웨이브에 의해 플라즈마가 발생하며, 피처리물은 과산화수소 공급부(140)에서 공급된 과산화수소가, 마이크로웨이브 플라즈마 발생부로부터 공급된 플라즈마에 의하여 상기 반응 챔버 내에서 분해되어 형성되는 라디칼 원소에 의하여 멸균된다. 라디칼 원소는 OH 라디칼, HO2 라디칼 또는 이 둘을 포함하는 것일 수 있으며, 멸균반응을 가속시키는 고산화성 화학물질들이 생성된다. 플라즈마 발생부(154)는 이중관으로 이루어져서 관과 관 사이에 냉각용 유체(오일, 압축 공기 등)가 흐르도록 구성될 수 있다.
튜너부(155)는 다수의 튜닝부재(155a)를 구비한다. 튜닝부재(155a)는 막대형상으로서 마이크로웨이브 가이드(152)에 형성된 튜너 설치구멍(152c)에 각각 나사결합과 같은 방식으로 결합된다. 튜닝부재(155a)는 마이크로웨이브 가이드(152)의 내부공간으로 돌출된 길이가 각각 조절된다. 본 실시예에서는 튜닝부재(155a)가 3개 구비되는 것으로 설명한다.
피처리물에 습기가 남아 있거나 온도차이가 심한 경우 피처리물 및 피처리물 주위의 온도를 동일하게 유지하는 것이 필요할 수 있으며 이때 제1 조절 밸브(131)를 열어서 반응 챔버(110) 외부의 공기를 퍼지(Purge)하여 Conditioning 한다. 이때 히터(133)를 이용하여 가열된 공기를 공급할 수도 있다.
이제, 도 6을 참조하여 본 발명의 플라즈마 멸균 장치에 의한 피처리물, 예를 들어 의료용 장비의 멸균 방법을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 처리 대상인 피처리물은 의료 장비에 한정되는 것은 아니고 조리 기구 등 멸균 또는 살균이 필요한 다양한 장치가 적용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 플라즈마 멸균 장치에 의한 피처리물의 멸균 방법을 도시한 순서도이다. 도 6을 참조하면, 피처리물의 멸균 방법은, 피처리물 적재 단계(S10)와, 온도조절 단계(S20)와, 진공배기 단계(S30)와, 플라즈마 발생 단계(S40)와, 과산화수소 주입 단계(S50)와, 멸균처리 단계(S60)와, 환기 단계(S70)와, 진공해제 단계(S80)와, 피처리물 회수 단계(S90)를 포함한다.
피처리물 적재 단계(S10)에서는, 도 1에 도시된 플라즈마 멸균 장치가 작동하지 않는 상태에서 피처리물인 의료용 장비가 반응 챔버(도 1의 110) 내에 적재된다.
온도조절 단계(S20)에서는, 과산화수소 공급부(도 1의 140)로부터 공급된 기화된 과산화수소가 반응 챔버(도 1의 110) 내에서 응축되지 않도록 반응 챔버의 온도가 적절히 유지된다.
진공배기 단계(S30)에서는, 피처리물의 미세구조 내부까지 골고루 멸균제들이 침투할 수 있도록 진공 형성부(120)를 이용하여 반응 챔버(도 1의 110)의 내부가 10 torr 이하까지 진공배기된다.
플라즈마 발생 단계(S40)에서는, 마이크로웨이브 플라즈마 발생부(도 1의 150)가 작동하여 플라즈마 발생부(도 3의 154)에 플라즈마가 발생한다. 플라즈마 발생은 이후 과산화수소 주입 후 60분 이하의 시간범위 내에서 지속될 수 있다. 플라즈마 발생은 반응 챔버에 대한 환기 이전에 종료되거나, 진공배기를 플라즈마 발생부를 통과하도록 진행되는 경우 반응 챔버에 대한 환기 절차까지 지속한 후에 종료된다.
과산화수소 주입 단계(S50)에서는, 과산화수소 공급부(도 140)에 의해 기화된 과산화수소가 플라즈마 발생부(도 3의 154)를 거쳐 반응 챔버(도 1의 110) 내로 주입된다.
멸균처리 단계(S60)에서는 반응 챔버(도 1의 110) 내에서 의료용 장비에 대한 멸균처리가 이루어진다.
환기 단계(S70)에서는, 반응 챔버(도 1의 110)에 대한 10torr 미만까지의 진공배기가 수행된다. 진공배기는 플라즈마 발생부(도 3의 154)를 통과하도록 진행될 수 있는데 이 경우 미반응 과산화수소를 물과 산소로 변화시켜서 잔류 과산화수소가 외부 배출되는 것이 방지될 수 있다.
진공해제 단계(S80)에서는, 환기 단계(S70)를 통해 반응 챔버(도 1의 110)의 내부에 형성된 진공 상태가 해제된다.
피처리물 회수 단계(S90)에서는, 멸균 처리된 피처리물이 회수된다.
경우에 따라서는, 플라즈마 발생 단계(S40) 내지 환기 단계(S70)가 2회 이상 반복될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버와 연결되고, 상기 반응 챔버 내부를 진공 상태로 만드는 진공 형성부;
    상기 반응 챔버에 기체 상태의 과산화수소를 제공하는 과산화수소 공급부; 및
    마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 마이크로웨이브 플라즈마 발생부;를 포함하는,
    플라즈마 멸균 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공 형성부는 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부를 통해 상기 반응 챔버를 진공 배기시키는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는,
    전자파 발생원;
    플라즈마 발생부; 및
    상기 전자파 발생원으로부터 발생한 마이크로웨이브를 상기 플라즈마 발생부로 전달하는 마이크로웨이브 가이드;를 포함하는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 유전체 재질인 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 튜브 또는 컵 형상인 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는 이중관으로 이루어지며, 두 관 사이에 냉각용 유체가 흐르는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 가이드는 양단이 폐쇄된 관 형태이며, 그 길이 방향을 따라 상기 전자파 발생원과 상기 플라즈마 발생부가 이격되어 위치하는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부는 상기 반응 챔버와 분리되어 있는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    피처리물은, 상기 과산화수소 공급부에서 공급되는 과산화수소가 상기 마이크로웨이브 플라즈마 발생부에서 발생되는 플라즈마에 의하여 분해되어 상기 반응 챔버 내에서 형성되는 라디칼 원소에 의하여 멸균되는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 라디칼 원소는 OH 라디칼 원소, HO2 라디칼 원소 또는 이 둘을 포함하는 것인, 플라즈마 멸균 장치.
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