[논문]유전체 장벽방전 플라즈마 방전시간에 따른 오존 발생 농도변화의 값을 통한 실내 공간 내 부유세균 살균성능에 대한 실험

이수연; 김창수; 김규리; 임종언

doi:10.15683/kosdi.2023.6.30.344

유전체 장벽방전 플라즈마 방전시간에 따른 오존 발생 농도변화의 값을 통한 실내 공간 내 부유세균 살균성능에 대한 실험
Experiment on the Sterilization Performance of Airborne Bacteria in Indoor Spaces using the Variation of Ozone Concentration Generated According to the Discharge Time of a Plasma Module with a Dielectric Barrier Discharge Technology 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.19 no.2, 2023년, pp.344 - 351

이수연 (JRTech Co., Ltd) , 김창수 (Division of Computer Engineering ans AI, Pukyong National University) , 김규리 (Research and Development Department, JRTech Co.,Ltd) , 임종언 (Strategic Planning Department, JRTech Co.,Ltd)

초록
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연구목적: 본 연구는 미생물의 비열 멸균 기술로서 실내 공간 내 유전체 장벽 방전 플라즈마 모듈의 방전시간에 따른 오존 발생 농도변화의 값을 통한 실내 공간 내 부유세균 살균 성능을 분석하였다. 연구방법: 76m³체적 공간의 공조장치의 공기배출 부분에 DBD 플라즈마 모듈을 설치하고 2m 떨어진 거리에서 DBD 플라즈마 처리 시간에 따라 공기 시료를 포집하여 미처리 대조군과 비교하여 부유세균 저감 효과를 분석하였다. 또한 DBD 플라즈마 방전에 따른 오존발생농도를 확인하였다. 연구결과: 대조군의 총 세균수는 1.83~2.00 logCFU/m³의 결과가 나왔으며, 시험군이 대조군에 비해 실내공기 중 부유세균의 최소 92.057%에서 최대 99.999%의 저감 효과를 보였다. 또한 평균 오존발생농도 0.04ppm으로 오존 발생농도 기준인 0.05ppm보다 낮은 결과를 확인하였다. 결론: 인체에 무해한 오존량과 DBD방전 플라즈마량을 조절함으로써 공기 중 부유세균, 바이러스등의 감염병 전파 방지의 수단으로 플라즈마 방전을 사용함에 기준이 될 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: This study aimed to evaluate the effectiveness of a dielectric barrier discharge (DBD) plasma module for sterilizing airborne bacteria in indoor spaces and measure the concentration of ozone generated during plasma discharge. Method: The DBD plasma module was installed in a 76m3 space, and air samples were collected under various discharge times to compare the reduction of airborne bacteria. Result: The results showed a significant decrease in airborne bacteria, ranging from 92.057% to 99.999%, with an average ozone concentration of 0.04 ppm, below the reference value. Conclusion: The study suggests that plasma discharge can be used as a means of preventing the spread of airborne bacteria and viruses, while ensuring safety for human exposure.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. An external electrode portion and a drawing of a plasma generating apparatus including the same
그림 Fig. 2. Placement of LOHP Module and Floating Bacteria Collector
그림 Fig. 3. Results of incubation of DBD plasma-treated suspended bacteria
표 Table 1. Effect of DBD plasma treatment on the reduction of floating bacteria
표 Table 2. Ozone generation concentration according to DBD plasma module application
그림 Fig. 4. Ozone generation concentration graph according to DBD plasma module application

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 미생물의 비열 멸균 기술로서 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge, DBD) 플라즈마 모듈 적용에 따른 오존 발생 농도변화의 값을 통한 실내 공간 내 부유세균 살균 성능에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.

제안 방법

06ppm으로 기준치 보다 수치를 보였다. 1차 오존발생농도 결과를 바탕으로 평균 오존발생농도가 기준에 부합하며, 비교적 낮은 5분, 7분을 기준으로 DBD 플라즈마 방출시간 및 정지시간을 상세 설정하여 2차로 진행하였다. 2차 7분30초/2분30초, 7분15초/2분45초, 5분30초/4분30초, 5분 15초/4분45초 및 2분30초/2분30초시험군에서 오존발생농도 기준에 준하는 결과가 나타났으며, Fig.
2와 같이 76m³체적 공간의 공조장치(난방 및 냉방 장치)의 공기배출 부분에 DBD 플라즈마 발생장치를 설치하고 공중 부유 미생물 측정을 위해 2m 떨어진 거리에 부유세균 포집기(KAS-110, KEMIK)를 위치한다. DBD 플라즈마 발생장치를 설치 후 DBD 플라즈마 처리를 1시간동안 1차 4분~8분 및 25분, 1차 결과를 바탕으로 세부 설정에 따른 2차 7분30초, 7분 15초, 5분 30초, 5분15초, 3분 및 2분30초의 간헐적 플라즈마 방전 시간에 따라 적용하였다.
SPS-KOA AS 01-1889 공기살균기(한국자외선오존협회)규격에 준하도록 30m³이상의 76m³공간에서 공조장치(난방 및 냉방장치)의 공기방출부분에 LOHP-P01 모듈을설치하고 시료와 0.5m 떨어진 지점에 오존측정기를 설치하여 행하였다
이를 35±1°C에서 48±1시간의 조건에서 배양하여 플라즈마 처리된 부유세균이 배지에서 자라 형성하는 집락(colony) 수를 세어 미설치 대조군과 비교하여 부유세균 저감 효과를 분석하였다
세계적으로 감염병에 대한 관심이 고조되면서 감염원인 미생물 살균 및 저감에 대한 대책이 요구되고 있다. 이에 따라 본 연구에서 실내 공간 내 유전체 장벽 방전 플라즈마 모듈의 방전시간에 따른 오존 발생 농도변화의 값을 통한 공기 중 부유세균 저감 성능에 대해 분석하였다.

대상 데이터

2와 같이 76m³체적 공간의 공조장치(난방 및 냉방 장치)의 공기배출 부분에 DBD 플라즈마 발생장치를 설치하고 공중 부유 미생물 측정을 위해 2m 떨어진 거리에 부유세균 포집기(KAS-110, KEMIK)를 위치한다
본 연구에서 유연한 코일스프링 형상의 외부전극을 갖는 전극부 및 이를 구비한 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge, DBD) 플라즈마 발생장치인 LOHP-P01 모듈(Jeongrok Co., Ltd., Ulsan, Korea)을 사용하였다. LOHP-P01 모듈은 Fig.
사용 배지는 표준한천배지(Plate Count Agar, KisanBio)로 페트리디시(Petri dish)에 조제 후 부유세균 포집기 내에 삽입하여 공기 중의 부유세균이 부착될 수 있도록 한다. 공기시료는 25L/min의 유량으로 10분간 포집하여 총 250L의 공기를 채취하였다.

데이터처리

DBD 플라즈마 처리시간에 따른 실내 공기 내 부유세균 저감 효과는 log reduction (LR)은 log(A)- log(B)에 따라 계산하였다. A는 대조군 생균수의 로그값, B는 시험군 생균수의 로그값으로 Log 값은 소수점 셋째 자리까지 표기하였다.
ppm 값은 소수점셋째 자리까지 표기하였다. 같은 오존발생농도 측정 조건으로 최소 3회 이상 반복하였으나, 측정 농도 차이가 크지 않아 산술평균으로 평가하였다.

이론/모형

총 부유세균의 측정은 공기시료를 일정량 흡입하여 배지에 충돌시켜 공기 중의 부유세균을 포집하는 충돌법을 이용하였다. Fig.

성능/효과

Fig. 3, Table 1에 따르면 DBD 플라즈마 미처리 대조군(Control)에 비해 시험군에서 최소 92.057%에서 최대 99.999%의 실내공기 중 부유세균 저감 효과를 보였으며, 1시간동안 간헐적 DBD 플라즈마 처리 시간에 따라 실내 공기 중 부유세균 평균 저감율은 1차 4분~8분 및 25분 시험군 각각 99.999%, 94.846%, 92.057%, 98.550%, 99.999% 및 99.814%로 유의적으로 나타났다. 오존발생농도와 상관관계를 고려하여 설정한 2차 7분30초/2분30초, 7분15초/2분45초, 5분30초/4분30초, 5분15초/4분45초, 2분30초/2분30초(Discharge/Stop) 시험군에서의 평균 공기 중 부유세균 저감율은 98.
2차 7분30초/2분30초, 7분15초/2분45초, 5분30초/4분30초, 5분 15초/4분45초 및 2분30초/2분30초시험군에서 오존발생농도 기준에 준하는 결과가 나타났으며, Fig. 4와 같이 DBD 플라즈마 방출 시간이 길어짐에 따라 비례하여 오존발출농도가 증가함을 확인하였다. 결과에서 보듯1차 5분, 7분/3분 시험군 및 2차 2분30초/2분30초 시험군에서 0.
4와 같이 DBD 플라즈마 방출 시간이 길어짐에 따라 비례하여 오존발출농도가 증가함을 확인하였다. 결과에서 보듯1차 5분, 7분/3분 시험군 및 2차 2분30초/2분30초 시험군에서 0.024~0.029ppm으로 낮은 오존발생농도를 유지하였다.
999%으로 1차 시험군 보다 높은 저감율의 결과를 보였다. 또한 4분/1분, 8분/2분, 5분30초/4분30초 및 2분30초/2분30초 DBD 플라즈마 처리한 시험군에서 99.999%의 가장 높은 저감 효과를 확인하였다. 위의 결과에서 보듯DBD 플라즈마에 노출되는 시간이 증가할수록 공기 중 부유세균 저감율이 비례하여 증가함을 확인 할 수 있었으나, 같은 DBD 플라즈마 처리 시간이라도 5분/5분 시험군과 2분30초/2분30초 시험군과 같이 간헐적 방전시간을 나눠 처리하는 것이 저감 효과가 높은 결과가 나타났다.
본 연구에서 대조군 총 부유세균은 1.83~2.00logCFU/m³이며, 실내 공간에 대해 상시 공조시스템, 환기 및 매일 1회 청소를 진행하는 관계로 2.00logCFU/m³이하의 결과가 나왔다
본 연구에서 평균 오존 발생 농도는 최소 0.024ppm, 최대 0.06ppm로 나타났으며, 1차 4분~8분 조건에서 SPS-KOA AS 01-1889(공기살균기, 한국오존자외선협회) 및 KS C 9314:2019(공기청정기, 산업표준심의회) 의 오존발생농도 기준인 0.05ppm 보다 낮을 결과를 확인했으나, 1차 25분 DBD 플라즈마 처리 조건에서 0.06ppm으로 기준치 보다 수치를 보였다. 1차 오존발생농도 결과를 바탕으로 평균 오존발생농도가 기준에 부합하며, 비교적 낮은 5분, 7분을 기준으로 DBD 플라즈마 방출시간 및 정지시간을 상세 설정하여 2차로 진행하였다.
부유세균 저감율로는 최소 92.057%, 최대 99.999%으로 4분/1분, 8분/2분, 5분30초/4분30초 및 2분30초/2분30초 시험군에서 99.999% 저감효과를 확인했으며, 평균 오존발생농도 최소 0.024ppm, 최대 0.06ppm으로 5분/5분, 7분/3분 및 2분30초/2분30초 시험군에서 오존발생농도 기준 보다 낮은 0.024~0.029ppm의 결과를 얻었다. 이를 통합한 결과 2분30초/ 2분30초 시험군일 때 높은 실내공기 중 부유세균 저감 효과와 낮은 오존발생농도로 가장 효과적인 조건으로 이는 인체에 무해한 오존량을 조절함으로써 공기 중 부유세균, 바이러스 등의 감염병 전파 방지의 수단으로 플라즈마 방전을 사용함에 기준이 될 것으로 사료된다.
이와 같이 부유세균 저감 효과가 극대화시키는 결과를 얻고자 방전 시간을 늘리는 방법은 부유세균의 저감율에는 좋을 수 있으나, 같은 DBD 플라즈마 처리 시간이라도 간헐적으로 방전 시간을 나눠 처리하는 것이 저감 효과가 높은 결과가 나타났다. 오존발생농도 또한 DBD 플라즈마 방전시간에 비례하여 오존발생농도 기준치인 0.05ppm을 초과시키는 결과를 야기하므로 DBD 플라즈마 방전을 간헐적으로 나눠 처리할 경우 이러한 문제를 방지하는 결과를 확인하였다.
814%로 유의적으로 나타났다. 오존발생농도와 상관관계를 고려하여 설정한 2차 7분30초/2분30초, 7분15초/2분45초, 5분30초/4분30초, 5분15초/4분45초, 2분30초/2분30초(Discharge/Stop) 시험군에서의 평균 공기 중 부유세균 저감율은 98.666%, 96.912%, 99.999%, 98.666% 및 99.999%으로 1차 시험군 보다 높은 저감율의 결과를 보였다. 또한 4분/1분, 8분/2분, 5분30초/4분30초 및 2분30초/2분30초 DBD 플라즈마 처리한 시험군에서 99.
999%의 가장 높은 저감 효과를 확인하였다. 위의 결과에서 보듯DBD 플라즈마에 노출되는 시간이 증가할수록 공기 중 부유세균 저감율이 비례하여 증가함을 확인 할 수 있었으나, 같은 DBD 플라즈마 처리 시간이라도 5분/5분 시험군과 2분30초/2분30초 시험군과 같이 간헐적 방전시간을 나눠 처리하는 것이 저감 효과가 높은 결과가 나타났다.
029ppm의 결과를 얻었다. 이를 통합한 결과 2분30초/ 2분30초 시험군일 때 높은 실내공기 중 부유세균 저감 효과와 낮은 오존발생농도로 가장 효과적인 조건으로 이는 인체에 무해한 오존량을 조절함으로써 공기 중 부유세균, 바이러스 등의 감염병 전파 방지의 수단으로 플라즈마 방전을 사용함에 기준이 될 것으로 사료된다.
플라즈마를 처리하지 않는 대조군과 비교하여 DBD 플라즈마 처리 시간에 따라 형성된 부유세균 집락 수를 계수하여 확인한 결과 플라즈마 방전 시간이 길어질수록 집락 수가 감소함을 확인하였다. 이와 같이 부유세균 저감 효과가 극대화시키는 결과를 얻고자 방전 시간을 늘리는 방법은 부유세균의 저감율에는 좋을 수 있으나, 같은 DBD 플라즈마 처리 시간이라도 간헐적으로 방전 시간을 나눠 처리하는 것이 저감 효과가 높은 결과가 나타났다. 오존발생농도 또한 DBD 플라즈마 방전시간에 비례하여 오존발생농도 기준치인 0.
DBD 플라즈마 모듈을 이용하여 실내 공기 중 부유세균 저감 효과를 확인하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 플라즈마를 처리하지 않는 대조군과 비교하여 DBD 플라즈마 처리 시간에 따라 형성된 부유세균 집락 수를 계수하여 확인한 결과 플라즈마 방전 시간이 길어질수록 집락 수가 감소함을 확인하였다. 이와 같이 부유세균 저감 효과가 극대화시키는 결과를 얻고자 방전 시간을 늘리는 방법은 부유세균의 저감율에는 좋을 수 있으나, 같은 DBD 플라즈마 처리 시간이라도 간헐적으로 방전 시간을 나눠 처리하는 것이 저감 효과가 높은 결과가 나타났다.

후속연구

본 연구 자료를 바탕으로 공기 유입과 체적, 유동인구가 많거나 불특정 다수 실내공간에서의 DBD 플라즈마 방전 시간에 따른 오존수치 안정화 및 부유세균 저감 효과가 다름에 따라 이를 알아보기 위한 후속 연구가 진행되어야 할 것이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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