대기압 아르곤 플라즈마 제트의 전기방전 특성과 Bacillus subtilis endospore 제거의 응용

Abstract

최근 대기압 플라즈마 방전은 저압 플라즈마에서 사용하는 진공장치와 같은 고가의 장비와 일부 공정조건의 제약을 벗어나기 위하여 방전 현상과 플라즈마 발생장치의 연구가 진행되어 왔다. 특히 화학물질 제거, 살균 및 세정 등에 있어서 대기압 플라즈마는 많은 잠재력을 가지기 때문이다. 기존의 저온의 대기압 플라즈마 발생장치중, 헬륨가스를 주원료로 13.56 MHz 주파수의 파워 공급장치를 이용하여 발생하는 대기압 플라즈마 제트 (APPJ)는 효율면과 조작의 용이함 때문에 다양한 산업 분야에 응용 가능성이 크다. 반면, 헬륨가스를 사용하는 다른 대기압 플라즈마 방전과 같이 상대적으로 낮은 처리효과와 에너지 효율, 대량의 가스 소비 등의 문제점을 가지고 있다. 이러한 이유로 아르곤 및 기타 가스를 이용한 저온의 대기압 방전이 요구된다. 본 논문에서는 O₂, N₂, CF₄, SF_(6)와 같은 가스가 첨가되었을 경우에도 안정하고 균일한 아르곤 플라즈마를 발생시키는 대기압 플라즈마 젯트의 연구를 실행하였다. 이번 연구에서 사용된 계단식 전극(stepped-electrode)은 아르곤과 산소 등의 혼합가스를 이온화하기 충분한 전기장을 생성하여 단계별 이온화 과정 (e.g., preionization - ionization, excitation → ionization)을 통해 보다 넓은 영역에서 균일하고 안정한 대기압 아르곤 플라즈마를 발생시킨다. 계단식 전극 반응기를 이용한 아르곤 제트의 응용 가치를 높이기 위해 아르곤 방전에 대한 물리적 이해가 요구된다. 따라서, 헬륨 플라즈마와 비교하여 아르곤 플라즈마의 전기적 특성을 연구하였다. 아르곤과 헬륨 플라즈마의 전압(V), 전류(I), 전력(P)을 측정하고 등가 회로 모델(equivalent circuit model)과 전력 균등 방정식(powerbalance equation)을 이용하여 전자온도(T_(e))와 전자밀도(n_(e))를 산출하였다. 아르곤과 헬륨 플라즈마의 전기적 특성을 비교하여 볼 때, 구별되는 전기적 특성(즉, I-V와 I-P)을 실험적으로 확인하였다. 그것은 아르곤과 헬륨의 일차 여기 에너지, 이온화 에너지, 전체 충돌면적(total cross-section), 원자질량과 관련되어 있다. 산출된 아르곤의 전자밀도는 약 2~3×10^(11) cm^(-3) 이고 헬륨의 전자밀도보다 약 2배 가량 높은 반면 전자온도는 헬륨보다 대체적으로 낮은 1.4 eV의 값을 갖는다. 생물학무기 물질제거 장치로서 저온의 대기압 아르곤 플라즈마 제트를 사용할 경우, 그 가능성을 알아보기 위하여 탄저균의 대체세균인 Bacillus atrophaeus (ATCC9372) 포자를 이용하여 모의 실험하였다. 헬륨 플라즈마보다 약 2배 이상의 전자밀도를 갖는 아르곤 플라즈마는 산소가스를 첨가할 경우 반응성 강한 산소화학종 (즉, 산소 라디칼, 준안정성 산소종)을 많이 생성할 수 있다. 따라서 적은 가스(분당 10 리터)와 전력(150 W 이하)을 소비하며, 낮은 전력소비는 플라즈마의 가스온도를 낮추게 하여 보다 효율적인 살균효과를 얻을 수 있다. 살균실험에서 플라즈마의 주원료 가스에 따라 산소원자 라디칼의 농도의 차이가 있으며 제트로부터 생성된 라디칼은 Bacillus subtilis 포자 살균에 있어서 주된 요인임을 확인하였다. 평균 2×10^(7)개의 Bacillus subtilis 포자를 갖는 샘플을 각각 Ar/O₂ 와 He/O₂ 플라즈마 제트에 노출 시켰을 때 D value (처음 세균수의 90%가 살균되는 시간)는 동일한 실험조건에서 각각 5초 와 120초 이였다.