과학고연구과제 (R&E) 결과보고서 (Preliminary Research for Potable Water Purifier Development) 이보고서는 2012 년도정부 ( 과학기술진흥기금 / 복권기금 ) 의 재원으로한국과학창의재단의지원을받아수행된성과물입니다.
UV-LED 관련하여자외선살균작용에대하여살펴보면자외선에살균작용이있다는것은바람에쏘이거나일광소독등과같이오래전부터경험적으로해오던자연적인방법이자외선에의한것이라는것이과학적으로밝혀지면서부터알게되었다. 광합성세균을제외하고대부분의세균들은자외선조사에저해효과를나타내고있고태양광선은길거나짧은파장의광선이다포함되어있으며, 그이외에도눈에보이지않는짧은자외선도가지고있기는하지만, 태양광선에포함된자외선은파장이극히짧으므로광합성세균이아니더라도별다른저해효과를나타나지는않는다. 또한자외선살균기구에대해서는아직완전히알려있지않으나, 일반적으로자외선조사에의한세포내의핵산 (DNA) 이변화되어신진대사의장해가오고그결과증식능력을잃어사멸한다는것으로생각되어지고있다. 물이나공기를살균하는데있어서자외선을이용한살균장치가많이사용되고있다. 자외선에의한살균은염소와같은화학제를쓰지않아도되고물속에아무것도처리하지않기때문에차후에또다른부산물을제거할필요가없으며, 더구나물의물리적, 화학적성질을변화시키지않으므로 ph나색깔, 냄새, 온도, 맛등이원래대로유지될수있어조사거리, 빛의강도, 조사시간등의영향을연구해보고자한다. UV-LED 관련하여자외선살균작용에대하여살펴보면자외선에살균작용이있다는것은바람에쏘이거나일광소독등과같이오래전부터경험적으로해오던자연적인방법이자외선에의한것이라는것이과학적으로밝혀지면서부터알게되었다. 광합성세균을제외하고대부분의세균들은자외선조사에저해효과를나타내고있고태양광선은길거나짧은파장의광선이다포함되어있으며, 그이외에도눈에보이지않는짧은자외선도가지고있기는하지만, 태양광선에포함된자외선은파장이극히짧으므로광합성세균이아니더라도별다른저해효과를나타나지는않는다. 또한자외선살균기구에대해서는아직완전히알려있지않으나, 일반적으로자외선조사에의한세포내의핵산 (DNA) 이변화되어신진대사의장해가오고그결과증식능력을잃어사멸한다는것으로생각되어지고있다. 자외선의살균원리는 200 400nm 파장의범위에있는자외선흡수에의해서발생하는광화학적인변이현상은세포벽을손상시키고, 세포의투수성에변화를주며, 세포원형질의콜로이드특성에변화를주고, 효소의활성에방해를주며, 세포내의유전정보물질인 DNA나 RNA 에손상을입힌다. 자외선이 DNA에조사되면 DNA의염기중티민의분자구조가집중적으로파괴되는데자외선을흡수한티민은이웃한티민이나시토신과눌러붙게된다. 이와같이티민이중합되면 DNA의복제가제대로이루어질수없기때문에생명체로서의기능이정지가되는것이다. 세균들마다자외선에대한민감성이차이가나는것은 DNA속에포함된티민의양이다르기때문이다. 이외에도자외선은세포막을이루는인지질과단백질을산화시켜세균들의생명활동이연장되지못하도록한다. 자외선의조사 ( 照射 ) 에의해서세균과곰팡이등의세포내핵산이변화하면서신진대사에장해가오고, 증식능력을잃어사멸한다는것으로밝혀지고있다.
이러한자외선의살균력이알려지면서가장살균력이강한 250 280nm의파장을내는자외선살균등 ( 燈 ) 이식품업계에서는집단급식시설이나식품공장의기기소독, 조리대등의살균에널리사용되고있으며중환자실백혈병환자등과같이면역력이약한환자수용시설은자외선살균장치가필수로사용되고있다. 자외선의살균효율은조사거리, 빛의강도, 조사시간, 균부유액의매질, 온도, 풍속등의영향을받으며, 영양형세포및아포에도강한살균력을가진다고알려져있다. 자외선에살균이각광을받기시작한것은여러가지이유가있겠지만, 그중가장큰이유는부산물 (By-Product) 생성이없기때문일것이다. 가장보편적인살균방법인화학적살균 ( 주로염소 ) 은부산물이형성되어인체나생태계에치명적인해악을주는것은주지의사실이다. 따라서, 최근에는물이나공기를살균하는데있어서자외선을이용한살균장치가많이사용되고있다. 자외선에의한살균은염소와같은화학제를쓰지않아도되고물속에아무것도처리하지않기때문에차후에또다른부산물을제거할필요가없으며, 더구나물의물리적, 화학적성질을변화시키지않으므로 ph나색깔, 냄새, 온도, 맛등이원래대로유지될수있어하우스용양액, 농업용재순환용용수, 회집의활어용수조, 정수기의식수살균에많이이용되고있다. 그리고, 농산물저장시설내의공기는농산물자체에서발생하는호흡과미생물증식으로인해불쾌한냄새와많은부유균이존재하고있어농산물의신선도저하를촉진하고있다.
1. UV LED 광원실험용모듈의설계및제작 - 380nm, 390nm, 400nm, 410nm, 420nm, 430nm 영역에서실험을위한모듈설계및제작 - 자외선 LED 모듈의광학적설계 2. LED 광학 array 기술및배광분포기술지원 - 가격대비효율적이고살균력이우수한자외선의파장선정 - 380nm ~ 430nm의 UV LED에대한광세기를조절하여살균력시험 data 분석및시장성분석 - 살균력이우수한 UV LED를선정하고그파장대에대한 Array 제작 - 제작된살균 Kit의성능극대화를위한배광분포분포최적설계지원 3. 개발목표 - UV LED 의파장대별살균력이우수한파장선정 - 380nm ~ 400nm 의 UV LED 에대한파장대별살균력실험 4. 개발내용및범위 - 소독은정수및폐수 ( 하수 ) 처리영역에서매우중요한공정중하나로 2차오염에대한위험없이병원성미생물을효과적으로제거, 사멸, 불활성화시키는공정을의미함. 대표적인소독제로는유리염소, 결합염소, 오존, 이산화염소, UV 등이있다. 이중가장흔하게사용되는염소계열의소독제는높은잔류성을지니고있지만염소에내성을지니는크립토스포리디움과같은강한병원성미생물의처리에한계를지니고있고, 염소와오존의경우트리할로메탄 (THMs) 이나브로메이트 (Bromate) 같은소독부산물을발생시킬수있다는단점을지니고있음. - 현재다양한병원성미생물을가장효과적으로제어할수있는기술은 UV 소독과오존소독을들수있다. 오존의경우강한산화력을가지고있기때문에미생물제어뿐만아니라, 난분해성유기화학물등을효과적으로제어할수있다는장점을가지고있다. 하지만낮은온도에서미생물소독능력이급격히떨어진다는한계를가지고있다. - UV의경우온도영향이거의없는것으로알려져있어하수및정수의처리에서그사용이증가하고있다. UV의경우잔류성이없고, 소독부산물을발생시키지않는다는장점을가지고있어서 UV 소독에대한관심과연구가급증하고있음. - 자외선은가시영역대의파장보다짧은전자기파파장으로서, X-ray 선보다는길며, 파장에따라 UVA, UVB 그리고 UVC로나뉘게된다. 병원성미생물의불활성화에사용되
는빛의파장은 200~280nm (UVC) 로이파장의빛은살균선이라고불리우며, DNA와단백질이잘흡수하는파장이다. 특히 253.7nm의경우 DNA가가장잘흡수하는파장이므로자외선소독램프의대부분은 253.7nm의파장을주로내보내는램프를사용하고있음. - UV에의한미생물의불활성화는미생물내부의 RNA나 DNA들이 UV 빛을흡수하는광반응에의한손상때문임. DNA 흡수가최대로일어나는파장은 250~270nm이며, DNA에 UV가조사되면티민이서로이중결합을형성하게되며, 이이중결합이형성되면 DNA 복제가이루어질수없기때문에증식과같은생명체로의기능이정지되고따라서미생물의불활성화가이루어짐. - 일반 UV소독에의한미생물의불활성화메커니즘에대한연구는많이되어있으나, 특정파장에대한메커니즘에대한연구가많이되어있지않은실정이다. 또한 260 nm 의 UV LED은살균력이좋으나가격이비싸다는단점이있다. 그래서가격이낮고, 살균력이좋은파장을가진 UV LED를찾고자한다. - 미생물 screening ⅰ) Escherichia coli (overnight culture 의10-2 ) (gram, 간균 ) ; 동물과사람의장관에상주하는대장균은비병원성이다. 그러나, 특정균주는병원성을나타내고식품위생상으로중요한식중독균 ( 병원성대장균 ) 으로다른대장균과구별된다. - 파장별 UV LED 살균력 test ; LED에따른 micro-organisms의민감도실험 - 파장 ; 380nm/390nm/415nm ⅰ) LB 배지에각각의미생물을도말한후파장별의 LED를조사한후배양함 ⅱ) 각각의 UV LED 파장별로다양한광량에대한살균력 test iii) 미생물이도말된배지와 UV LED의간격에따른살균력 test - 선택된 UV LED 파장에서 LED 농도별, 시간그리고간격에따른살균력 test 5. 연구결과 LED를이용한살균에 30분이상의시간이필요하지않다는것을알수있으므로, LED 살균기를실용적으로사용하기용이할것으로예측된다. 또한가격이자외선영역의 LED들에비해매우싼 415nm파장의 LED가 380nm 파장의 LED와비슷한수준의살균효과를보이므로, 이파장대의 LED를사용하면매우저렴한살균기를개발할수있을것이다. 하지만이과정에서지나치게강한빛은오히려주변을가열해세균이증식하기좋은환경을만들수도있다는점을염두에둘필요가있을것같다. 이실험에는 3종류의파장을방출하는 LED만사용했지만, 단순히파장이낮아질수록살균효과가커지지않는다는것을알수있다. 좀더많은파장의빛에대한실험으로 415nm 부근의어떤파장에서살균효과가최대가되며, 그파장대에서대장균의성장이특이적으로잘억제되는이유는무엇인지에대한추가적인연구가필요하다.
< 빛의파장에따른살균효과의예상그래프 > 250nm~260nm 이상부터는파장이길어질수록살균효과가감소하는경향이있고, 450nm이상에서는살균효과가미미하다고알려져있다. 하지만실험결과를보면 415nm근처에서대장균에대한살균효과가두번째로극대가되는지점이있을것이라예상된다. UV LED의살균능력의특성을조사하여가장경제적인살균파장과조사시간을알아보고자하였던당초연구목표에따라 415nm에서 30분정도의조사를통해세균의박멸이효과적이었으며이를통해물을정수하여식수나기타가공식품에서사용하는세균박멸등다양한장치에이용가능하다하겠다. LED는비교적단가가낮고효율이좋아장기간사용가능하며거의반영구적으로사용가능하여현행 UV Lamp를교체하여사용한다면경제적인이득이매우클것으로사료된다.
휴대용정수기개발을위한선험연구 -UV LED 의살균능력을중심으로 -