[비즈월드] 본 발명은 아크 방전을 이용해 오존이 발생하지 않는 글로우 방전으로 전이할 수 있는 대기압 벌크 플라즈마 장치에 대한 겻이다. 실시 예에 따른 대기압 벌크 플라즈마 장치는 전압 전극과 접지 전극을 수용하고, 모든 공가가 유입되는 1개의 공기의 유입구 및 1개의 공기 방출구를 가져 유입된 모든 공기가 벌크 플라즈마 영역을 통과하도록 하는 공기 유로를 제공하는 하우징을 포함하고, 전압 전극 및 접지 전극 중 적어도 하나는 단면상에서 소정의 곡률 반경을 갖는 원호(circular arc)의 형태를 가지며, 전압 전극과 접지 전극 사이에서 아크방전이 발생하고, 발생된 아크방전이 유입공기에 의해 전이된 글로우 방전이 최종적으로 발생되기 때문에, 유입 공기량에 관계없이 오존이 발생하지 않으며, 대기압 벌크 플라즈마에 의해 살균력이 뛰어난 OH 라디칼이 플라즈마에 의해 직접적으로 생성되는 대기압 벌크 플라즈마 장치를 이용하는 대기압 벌크 플라즈마 장치이다.

㈜코비플라텍이 2018년 6월 18일 출원(출원번호 제1020180071391호)하고 2019년 3월 12일 등록(등록번호 제101959676호)을 받은 '대기압 벌크 플라즈마 장치' 특허의 요약문이다.

최근 코로나19의 에어로졸 감염 위험성이 현실화되면서 전 세계인들의 경각심을 불러 일으키고 있으며, 공기 중 바이러스 살균은 선택이 아닌 필수가 되었다. 미국 루이지애나주 툴레인 의대와 피츠버그대 백신연구소, 미 육군 감염병연구소 등에 소속된 미국 전문가들이 최근 사전 논문 공개 사이트(medRvix)에 공개한 논문에 따르면, 코로나19 바이러스가 미세한 물방울인 에어로졸 속에서 16시간 이상 감염력을 유지하는 것으로 확인됐다.

우리 정부는 최근 국내 코로나19 확산이 주춤해지자 5월 6일부터 사회적 거리두기를 완화해 가장 낮은 단계인 '생활속 거리두기'로 방역 관련 지침을 조정했다. 생활 속 거리두기 지침은 고강도 사회적 거리두기 다음 단계인 완화된 거리두기에 이어 개개인이 일상생활에서 거리두기로 생활 방역을 실천한다는 개념이다.

변경된 정부 지침으로 종교시설, 유흥시설, 실내체육시설, 학원 등이 순차적으로 운영제한을 풀고 문을 연다는 소식이 들려오면서, 개인위생에 필요한 제품뿐 아니라 다중이용시설의 슬기로운 방역 및 감염 예방 실천을 돕는 이른바 '생활 방역 실천 필수 제품'들이 더욱 주목받고 있다.

효과적인 생활 방역을 위한 응용 기술 중 주목을 받고있는 것이 플라즈마(Plasma)이다.

플라즈마란 기체가 초고온 상태로 가열되어 전자와 양전하를 가진 이온으로 분리된 상태를 말한다. 인체 무해한 가장 강력한 살균·소독 천연물질 OH Radical(수산기/Hydroxyl Radical)이 포함되어 있기 때문이다.

플라즈마 상태에서는 OH Radical이 발생하며, OH Radical은 공기와 물 속의 각종 오염물질들과 세균, 바이러스까지 화학적으로 분해(살균)한 후 깨끗한 물과 산소로 환원 시켜준다. 사람이나 동물에게는 해가 없는 가장 강력한 천연 살균물질이며, 산업화로 인한 현대의 환경문제를 해결할 수 있는 유일한 대안이고 마술같은 존재로 각광받고 있다.

플라즈마의 물리적 특성은 다른 상태들과는 확연하게 구분되므로 물질의 4번째 상태라고도 불린다. 우주를 구성하는 물질의 99%가 플라즈마 상태로 구성되어 있으며 형광등 내부나 네온사인과 같이 일상생활에서도 쉽게 접할 수 있다. 플라즈마는 크게 온도에 따라 저온 플라즈마와 고온 플라즈마로 나뉜다.

저온 플라즈마는 주로 글로우 방전(glow discharge)으로 얻어지는데, PDP(plasma display panel), 반도체 제조, 공기청정기, 형광등 등 다양한 산업분야에서 이용되고 있다. 아크 방전(ark discharge)으로도 저온 플라즈마를 만들어 낼 수 있는데, 이 때 생성되는 플라즈마는 높은 열용량을 갖고 있기 때문에 공업 분야 등에서 열원으로 사용되고 있다.

고온 플라즈마의 예로는 태양을 들 수 있다. 태양은 고온의 플라즈마가 중력으로 묶여있는 형태의 천체이다. 태양 내부는 온도가 약 1500만 K(켈빈)인 초고온으로 가열된 플라즈마를 의미한다.

주로 수소를 원료로 핵융합을 하면서 에너지를 방출하고 있으며, 태양에서 관측되는 플레어(flare)나 코로나(corona) 등의 현상들 또한 플라즈마 대기 활동에 의해 발생한다.

고온 플라즈마 또한 상업적으로 이용될 수도 있는데 핵융합로에서 발생하는 플라즈마가 그 예이다. 핵융합 에너지는 다양한 이유로 차세대 에너지원으로 기대되고 있다.

핵융합을 위해서는 초고온의 플라즈마가 형성되어야 하는데 이런 플라즈마를 효과적으로 가두어 놓을 수 있는 장치가 바로 자기장을 이용한 토카막(tokamak) 장치이다.

대기압 플라즈마는 약 1atm의 압력에서 별도의 진공 장치와 반응 챔버 없이 기존 생산라인에 직접 적용이 가능하며, 연속적인 공정으로 처리가 가능하다.

대기압 플라즈마를 이용하는 경우 통상 DBD(유전체 배리어 방전; dielectric barrier discharge) 기술이 가장 널리 이용된다. 상세하게는 고주파 고전압 전극과 접지 전극 사이에 유전체 물질을 삽입하고, 고주파 고전압 전극에 교류 전압을 인가하면 플라즈마 형성을 위해 공급되는 가스가 두 전극 사이의 전기장 영역에서 해리와 전리라는 과정을 거친다. 이를 통해, 이온화된 안정된 플라즈마가 발생된다.

이렇게 형성된 플라즈마는 이온, 전자뿐만 아니라 고밀도의 활성화 라디칼(반응 활성종) 등으로 이뤄져 있으며, 이 반응 활성종들은 반응성이 매우 높아 다른 분자와 쉽게 반응하므로 다양한 피부 트러블의 개선(피부 처치, 제균 및 살균 등), 피부 미용, 유기 오염물의 세정 및 표면 개질 등의 공정에 유용하게 사용된다.

유전체 배리어를 이용한다면 직류 전력의 경우 유전체를 통한 전류의 흐름이 불가능하므로 고주파 교류 전력을 이용해 플라즈마를 발생시킨다. 안정적인 플라즈마 발생을 보장하기 위하여 고주파 고전압 전극과 접지 전극 사이의 간격은 제한되며, 반응 가스는 두 전극 사이로 흘러간다. 유전체 배리어 방전은 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 불꽃이 존재하지 않으므로 조용한 방전(Silent Discharge)으로 부르기도 한다. 방전은 사인함수 혹은 펄스 형의 전원으로 점화된다.

유전체 층은 반전 전류를 차단하고 아크 방전으로의 전이를 피할 수 있게 해 연속 또는 펄스 모드에서 작업이 가능하게 한다.

플라즈마를 이용한 의학 관련 기술로 피부에 대기압 플라즈마를 조사하면 대기압 에너지(자외선, 미열 및 반응 활성종)에 의해 피부 속의 혈류 속도가 증가하고, 엘라스틴과 콜라겐이 만들어진다. 이렇게 만들어진 엘라스틴과 콜라겐이 표피 조직으로 이동하면서 피부 주름을 개선시킬 수 있다고 알려져 있다.

종래에 오존 발생기를 이용해 피부를 문지르면 피부가 활성화되고, 주름이 개선되는 특허가 출원되어 있다. 이는 오존에 의해 피부 조직이 살균되고 박리(Peeling)되기 때문에, 화장품이나 영양 크림을 바르면 빠르게 흡수되어 주름이 개선되는 것으로 설명된다.

최근에는 소형의 아크 램프에 전력을 인가해 발생되는 빛 에너지를 이용해 피부 주름과 갈색 점 및 황변 부위를 치료하는 장치(Intense Pulse Light Treatment System: IPL)가 피부과에서 널리 이용되고 있다.

이 방법은 엘라스틴과 콜라겐을 생성하는 효과는 있지만 상처 부위의 혈류 속도를 증대시켜 혈액을 빨리 응고시키는 역할을 하지 못하며 인체에 영향이 있을 수 있는 자외선의 영향을 최소로 해야 한다는 단점이 있다.

이미 출원된 일부 국내외 프리즈마 관련 특허의 경우 단발성 펄스 플라즈마에 의해 접촉된 피부는 순간적인 고온 에너지에 의해 검게 탄다는 단점과 피부에 가해지는 전기적인 충격이나 피부가 탈 때 느끼는 고통을 없애기 위해 반드시 피부에 마취 크림을 발라야 했다.

이런 가운데 최신 플라즈마 신기술로 개발된 ㈜코비플라텍의 공기살균청정기 에어플라, 공기살균탈취기 엑스플라가 공기전파 감염예방 제품으로 주목을 받고 있다고 한다.

이들 제품에는 ㈜코비플라텍이 2018년 6월 18일 출원(출원번호 제1020180071391호)하고 2019년 3월 12일 등록(등록번호 제101959676호)을 받은 '대기압 벌크 플라즈마 장치' 등 3개의 등록 특허 기술이 접목됐다.

코비플라텍은 플라즈마 대표적인 전문가 김성영 대표의 '리얼 벌크 플라즈마(Real Bulk Plasma Technology)' 친환경 특허기술 개발과 김준일 락앤락 전 회장이자 창업자의 투자로 2018년 9월 7일 설립된 기술혁신 기업으로 현재 공기살균청정기와 공기살균탈취기 등 의료 및 위생 공간, 다중이용시설을 위한 살균 및 탈취, 청정 제품을 개발·제조하고 있다.

해당 특허는 대기압 벌크(Bulk) 플라즈마를 집중적이고 안정적으로 공급해 실내 공기를 살균 또는 제균하고, 오염물질과 미세먼지를 제거할 수 있는 대기압 벌크 플라즈마 장치에 관한 것이다.

공기 내의 미세먼지와 냄새 및 화학 성분(포름알데히드, 방부제, 휘발성 화학성분(VOC))들을 총체적으로 제거함과 동시에 실내 공기 내에 잔류 또는 부유하는 각종 균들(메르스, AI균, 구제역 같은 전염병균이나 고초균, 대장균, 포도상구균 같은 각종 박테리아 및 노로 바이러스 같은 바이러스 등)을 순간적인 고온을 갖는 대기압 벌크 플라즈마 내로 통과시킴으로써 고온의 에너지를 갖는 대기압 플라즈마에 의해 살균 또는 제균하는 기능과 공기 내에 포함되어 있는 수분(H2O)들과 공기 내에 있는 원소들이 플라즈마 에너지에 의해 전리되어 발생되는 OH(수산기, Hydroxyl Radical)에 의해 고온에너지에 의한 살균 또는 제균효율을 더욱 증진시킨다.

이와 함께 실내에 다양한 곳에 부착된 각종 균들도 살균 또는 제균시킨다. 또 유입되는 실내 공기 내의 큰 먼지들은 공기 유입구에 부착된 필터에 의해 포집이 되지만, 필터를 통과하는 미세먼지는 역시 고온의 에너지를 갖는 대기압 벌크 플라즈마 영역을 통과하면서 고온 에너지에 의해 버닝(Burning)되어 제거되는 기능을 갖는 대기압 벌크 플라즈마 장치에 관한 기술이다.

이런 신기술들이 접목돼 출시된 코비플라텍의 공기살균청정기 '에어플라'와 공기살균탈취기 '엑스플라'는 실내공기의 바이러스 감염 위험성을 고려해 공기 살균기능을 대폭 강화해 박테리아, 바이러스, 미생물, 악취, 유해물질의 발생 가능성이 높은 감염 예방 실천에 필수적인 살균기 제품이라 업체 측은 설명했다.

코비플라텍 관계자는 "공기 중 바이러스 살균에 최적화된 에어플라와 엑스플라는 공기 중의 슈퍼박테리아 MRSA, 폐렴균, 황색포도상구균, 대장균 등 감염병 세균을 99.9% 살균하고, 유해가스 암모니아 99.5% 이상 제거하는 탈취 기능을 공인 시험기관인 KCL(한국건설생활환경시험연구원)의 검증시험을 통해 인증받았다"면서 "또 KTL(한국산업기술시험원) 오존 발생 테스트 결과 오존 발생 0.004PPM 이하로 환경부 오존 예보 등급 좋음 단계 기준치인 0.03PPM보다 훨씬 적은 자연상태 이하 수준임을 검증받는 등 살균력 뿐 아니라 안전성에 대한 신뢰를 얻으며 큰 주목을 받고 있다"라고 강조했다.

공기살균청정기 에어플라는 공기청정과 살균, 탈취까지 동시에 원스톱으로 해결해주는 3 in 1 제품으로 해파필터, 탈취필터, 프리필터 3중 필터로 바이러스 뿐 아니라 미세먼지 및 초미세먼지와 유해가스를 제거하는 것이 특징이다.

공기살균탈취기 엑스플라는 살균기능과 탈취기능을 갖춘 2 in 1기능 제품이다. 리얼 플라즈마 기술을 통해 공기 중의 세균, 바이러스 등의 미생물을 물리적으로 파괴하고, VOCs, 생활냄새, 악취, 배설물 냄새 등의 유해가스를 탈취한다. 리얼 플라즈마 모듈로 반영구적으로 사용할 수 있어 필터 교체가 필요 없도록 설계됐다고 한다.

에어플라와 엑스플라는 최근 병원, 약국 뿐 아니라 많은 사람들이 이용해 위생, 청결에 각별히 신경 써야하는 교회, 성당, 요양시설, 콜센터, 관공서, 어린이집, 대사관, 카페 등 다중이용시설에 설치되고 있다. 러시아, 스페인, 베트남, 중국 등 코로나19방역에 집중하는 나라의 수출업자들로부터 공기살균기 수출 및 협력 요청을 받고 있다고 한다.

한 업계 관계자는 "최근 바이러스 감염과 건강을 우려하는 사람들이 증가하면서 생활 방역 실천을 위한 다중이용시설의 살균, 위생 기능 제품 도입이 급증하고 있다"면서 "개인 위생 노력 뿐 아니라 다중이용시설들이 일회성에 그치지 않고 각종 바이러스와 세균 감염 예방 차원의 선제적 방역활동과 이용객의 안전을 위한 노력을 계속해야 한다"라고 말했다.