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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 에바포레이터의 구동에 의해 발생하는 차량용 공기조화기 내의 세균의 제거를 목적으로 자외선를 이용해 직접적인 살균이 가능한 공기조화용 살균기를 설계 개발하였으며 그 성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 차량용 공기조화기 내의 세균을 효과적으로 제거하기 위해 자외선을 이용해 직접적인 살균이 가능한 살균 기기를 설계 · 개발하였다.
- 정류회로는 전자식 안정기에 입력되는 상용전원을 DC 전원으로 변환하기 위해 사용되나 본 연구에서는 전원의 역 접속에 의한 기기의 파손 방지를 위해 적용하였다.
제안 방법
- 필라멘트 양단에 구성된 램프 구동회로에 condenser와 PTC (positive temperature coefficient)를 병렬로 적용했으며 티탄산바리움 (BaTiO3)계의 서미스터 (thermistor)를 사용해 soft start가 가능하도록 하였다. PTC에 의해 점등속도는 느려지나 soft start가 가능해 램프의 흑화현상이 줄어들게 되므로 램프의 수명연장 및 안정된 광 출력을 지속적으로 얻을 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 차량용 공기조화기 내의 세균을 효과적으로 제거하기 위해 자외선을 이용해 직접적인 살균이 가능한 살균 기기를 설계 · 개발하였다. 개발한 살균 기기는 차량용 전원을 이용해 자외선램프를 구동할 수 있도록 자려 발전 방식의 전자식 안정기를 이용해 제작했다. 자외선 살균에 사용된 살균 램프의 특성을 분석한 결과 최대 강도 파장이 253.
- 자외선은 인체와 접촉 시 화학작용에 의해 피부암과 같은 유해한 작용을 일으킬 수 있다. 따라서 차량 내에서 자외선 C 살균기 구동 시 사용자의 안전성 확보를 위해 도어 센서와 적외선 센서를 이용해 차량 내 사용자 유무를 파악한 후 동작하도록 하였다. 또한 램프의 구동 여부를 확인하기 위해 조도 (illumination) 센서를 적용했다.
- 따라서 차량 내에서 자외선 C 살균기 구동 시 사용자의 안전성 확보를 위해 도어 센서와 적외선 센서를 이용해 차량 내 사용자 유무를 파악한 후 동작하도록 하였다. 또한 램프의 구동 여부를 확인하기 위해 조도 (illumination) 센서를 적용했다. 이러한 안전장치의 제어는 C8051F353를 사용했다.
- 또한 인체에 유해한 자외선의 불필요한 영향을 최소화하기 위해 도어센서를 사용해 1차적으로 자외선 C램프의 동작 여부를 결정하도록 하고 도어가 닫혀 있고 초전센서에 인체의 적외선이 감지되지 않을 경우에만 동작하도록 하였다. 인체 감지에 사용된 초전 센서는 BPF (band pass frequency)를 이용해 약 0.
- 본 연구에서 사용된 자외선램프의 스펙트럼 분석을 시행했다. 실험은 23±2℃, 상대습도 45 ± 15%에서 진행했으며 Spectroradiometer (CAS-140)을 사용해 자외선 램프를 1 m 떨어진 곳에서 분광 복사 조도 및 복사 파장을 측정했다.
- 본 연구에서 제작한 타려 발진 방식의 전자식 안정기는 차량 내 적용을 위해 DC 12 V를 사용할 수 있도록 제작했다. 제작된 안정기의 발진 주파수는 사용한 코일의 인덕턴스 값을 설정해 70 Hz의 구동 주파수를 갖도록 하였다.
- 고주파 발진회로는 코일을 사용한 자려 (self excitation) 발진방식 [8]과 타이머 IC 및 마이크로 컨트롤러를 사용한 타려 (separate excitation) 발진 방식으로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 별도의 트랜스포머를 구성할 필요가 없는 자려 발진 방식을 이용해 전자식 안정기를 구성했다. 발진 주파수가 높을수록 효율은 높아지지만 제어회로가 복잡해지는 단점이 있어 일반적으로 20～33 kHz 또는 40～50 kHz를 사용한다.
- 실험은 멸균한 Petri dish에 식중독 및 화농성 질환을 일으키는 원인균으로 알려진 황색포도상구균 (staptrylococcus aureus ATCC 6538)을 1 ml 접종해 2개의 배양 샘플을 제작했다. 살균 효과검증을 위해 하나의 샘플은 30분 동안 실온에서 방치했으며 또 다른 시료는 30 cm 거리에서 제작된 기기를 이용해 30분 간 살균하였다. 이후 10 ml의 중화 용액을 이용하여 균을 추출하고 TSA배지에 접종한 후 세포 배양용 인큐베이터에서 24시간 배양해 결과를 확인했다.
- 사용자가 조정한 볼륨값을 마이컴 내부의 A/D converter가 인식한 후 타이머 함수에 설정된 값에 따라 점등신호가 인가되면 일정시간 동안만 출력을 내보내게 된다. 시스템은 최소 20분에서 최대 3시간까지 동작이 가능하도록 설계하였으며 micro-controller에서 출력된 TTL레벨의 전압은 트랜지스터를 통하여 출력을 직접 구동하거나 차단할 수 있도록 하였다.
- 실험은 23±2℃, 상대습도 45 ± 15%에서 진행했으며 Spectroradiometer (CAS-140)을 사용해 자외선 램프를 1 m 떨어진 곳에서 분광 복사 조도 및 복사 파장을 측정했다.
- 안정기의 살균 효과를 확인하기 위해 배양 실험을 진행하였다. 실험은 멸균한 Petri dish에 식중독 및 화농성 질환을 일으키는 원인균으로 알려진 황색포도상구균 (staptrylococcus aureus ATCC 6538)을 1 ml 접종해 2개의 배양 샘플을 제작했다.
- 3 Hz～7 Hz까지 신호만을 증폭해 인체 및 동물에서 발생하는 적외선만을 검출해 정확한 동작이 가능하도록 제작했다. 이렇게 제작된 기기를 바탕으로 배양실험을 통해 세균의 살균기기의 효과를 확인했다. 30분 동안 조사했을 때 보다 배양된 포도상구균이 약 99%이상 제거되어 살균효과가 매우 우수한 것을 확인하였다.
- 살균 효과검증을 위해 하나의 샘플은 30분 동안 실온에서 방치했으며 또 다른 시료는 30 cm 거리에서 제작된 기기를 이용해 30분 간 살균하였다. 이후 10 ml의 중화 용액을 이용하여 균을 추출하고 TSA배지에 접종한 후 세포 배양용 인큐베이터에서 24시간 배양해 결과를 확인했다. 그림 7에 살균실험 결과를 나타냈다.
- 인체 감지에 따라 램프의 구동을 조절하기 위해 초전 센서를 적용했다. 초전 센서는 여러 파장의 적외선이 센서에 입사하게 되면 적외선에 의해 초전체의 표면 온도가 증가해 초전효과가 발생하게 된다.
- 또한 인체에 유해한 자외선의 불필요한 영향을 최소화하기 위해 도어센서를 사용해 1차적으로 자외선 C램프의 동작 여부를 결정하도록 하고 도어가 닫혀 있고 초전센서에 인체의 적외선이 감지되지 않을 경우에만 동작하도록 하였다. 인체 감지에 사용된 초전 센서는 BPF (band pass frequency)를 이용해 약 0.3 Hz～7 Hz까지 신호만을 증폭해 인체 및 동물에서 발생하는 적외선만을 검출해 정확한 동작이 가능하도록 제작했다. 이렇게 제작된 기기를 바탕으로 배양실험을 통해 세균의 살균기기의 효과를 확인했다.
- 자외선 램프 구동을 위한 전자식 안정기의 발진 및 기동 회로는 Roidal (ring core)형의 코일을 사용한 자려 발진방식으로 제작하였다. 초기 전원 인가 시 자동 발진을 위해 커패시터를 서서히 충전하게 된다.
- 본 연구에서 제작한 타려 발진 방식의 전자식 안정기는 차량 내 적용을 위해 DC 12 V를 사용할 수 있도록 제작했다. 제작된 안정기의 발진 주파수는 사용한 코일의 인덕턴스 값을 설정해 70 Hz의 구동 주파수를 갖도록 하였다. 그림 5에 제작된 자외선 안정기의 구동 파형을 나타냈다.
- 이러한 안전장치의 제어는 C8051F353를 사용했다. 차량 에바포레이터 살균 시 발생하는 자외선의 유해한 영향을 받지 않도록 도어센서를 통해 1차적으로 동작 여부가 결정되도록 하였다. 도어가 닫힌 상태에서 인체 적외선이 초전센서에 검출되지 않을 경우 램프가 구동될 수 있도록 제작하였다.
- 제작된 인체 감지 회로의 경우 비반전 앰프와 반전 앰프의 2단 OP AMP를 이용했다. 특히 인체 및 동물만을 감지하기 위해 foL (low cut-off frequency)와 foH (high cut-off frequency) 사이의 주파수만 통과하도록 저항과 커패시터를 이용해 BPF (band pass frequency)를 제작했으며 약 0.3 Hz에서 7 Hz까지의 주파수 신호만을 증폭하도록 하였다. 그림 6에 인체 감지 회로의 출력 결과를 나타냈다.
- 램프의 직접적인 구동에 사용되는 램프 구동은 soft start가 이뤄지도록 흑화방지회로를 구성했다. 필라멘트 양단에 구성된 램프 구동회로에 condenser와 PTC (positive temperature coefficient)를 병렬로 적용했으며 티탄산바리움 (BaTiO3)계의 서미스터 (thermistor)를 사용해 soft start가 가능하도록 하였다. PTC에 의해 점등속도는 느려지나 soft start가 가능해 램프의 흑화현상이 줄어들게 되므로 램프의 수명연장 및 안정된 광 출력을 지속적으로 얻을 수 있도록 하였다.
- 발진 주파수가 높을수록 효율은 높아지지만 제어회로가 복잡해지는 단점이 있어 일반적으로 20～33 kHz 또는 40～50 kHz를 사용한다. 하지만 본 연구에서는 배터리 전압을 사용하고 있으므로 효율을 높이기 위해 70 kHz에서 동작하도록 FET를 이용해 출력 회로를 구성하였다. 그림 1에 제작된 자외선 안정기의 구성도를 나타냈으며 그림 2에 회로도를 나타냈다.
대상 데이터
- 안정기의 살균 효과를 확인하기 위해 배양 실험을 진행하였다. 실험은 멸균한 Petri dish에 식중독 및 화농성 질환을 일으키는 원인균으로 알려진 황색포도상구균 (staptrylococcus aureus ATCC 6538)을 1 ml 접종해 2개의 배양 샘플을 제작했다. 살균 효과검증을 위해 하나의 샘플은 30분 동안 실온에서 방치했으며 또 다른 시료는 30 cm 거리에서 제작된 기기를 이용해 30분 간 살균하였다.
- 또한 램프의 구동 여부를 확인하기 위해 조도 (illumination) 센서를 적용했다. 이러한 안전장치의 제어는 C8051F353를 사용했다. 차량 에바포레이터 살균 시 발생하는 자외선의 유해한 영향을 받지 않도록 도어센서를 통해 1차적으로 동작 여부가 결정되도록 하였다.
- 이때 발생한 표면 전하가 FET로 흘러 들어가 신호를 발생한다. 제작된 인체 감지 회로의 경우 비반전 앰프와 반전 앰프의 2단 OP AMP를 이용했다. 특히 인체 및 동물만을 감지하기 위해 foL (low cut-off frequency)와 foH (high cut-off frequency) 사이의 주파수만 통과하도록 저항과 커패시터를 이용해 BPF (band pass frequency)를 제작했으며 약 0.
성능/효과
- 이렇게 제작된 기기를 바탕으로 배양실험을 통해 세균의 살균기기의 효과를 확인했다. 30분 동안 조사했을 때 보다 배양된 포도상구균이 약 99%이상 제거되어 살균효과가 매우 우수한 것을 확인하였다.
- 그 결과 최대 강도를 가지는 파장이 253.7 nm 였으며 복사 조도는 1.348×10-7(W/cm2)임을 알 수 있었다.
- 배양 실험 결과 제작된 기기를 이용해 30분 동안 살균을 시행 했을 때 포도상구균이 제거되는 것을 확인할 수 있었으며 배지상의 균수를 비교한 결과 살균 감소율이 99%로 나타났다.
- 자외선 살균에 사용된 살균 램프의 특성을 분석한 결과 최대 강도 파장이 253.7 nm였으며 복사 조도는 1.348×10-7(W/cm2)가 발생하는 것을 확인하였다.
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