대기압 아르곤 플라즈마 제트의 전기방전 특성과 Bacillus subtilis endospore 제거의 응용
ELECTRICAL DISCHARGE CHARACTERISTICS OF ATMOSPHERIC-PRESSURE ARGON PLASMA JET AND ITS APPLICATION FOR DECONTAMINATION OF BACILLUS SUBTITLIS ENDOSPORES
- 주제(키워드) Atmospheric-pressure plasma , Argon plasma jet , Stepped-electrode , Decontamination , BACILLUS SUBTILIS ENDOSPORES
- 주제(KDC) 570
- 주제(DDC) 660
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 엄환섭
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 2007. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 본문언어 영어
초록/요약
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.
more초록/요약
In this study, the Atmospheric-Pressure Plasma Jet(APPJ) with capacitively coupled and operated by 13.56 MHz radio-frequency(rf) power was improved by a stepped-electrode, which enables the argon gas adding electronegative gas such as oxygen, carbon tetra-fluoride, and sulfur hexafluoride to generate a stable glow plasma at atmospheric pressure. In this reactor, the stepped-electrode used to make a strong electric field, which makes to pre-ionize electro-negative gases. Due to the pre-ionization process, argon plasmas mixed with electronegative gases are generated stable glow discharges. First, the electrical discharge characteristics of capacitively coupled plasmas(CCP) generated in the reactor configured with the stepped-electrode at atmospheric pressure were investigated with respect to helium and argon gases. The electrical discharge parameters, voltage(V), current(I), and power(P), were measured for both helium and argon plasmas, and the electron temperatures(T_(e)) and the electron densities(n_(e)) for helium and argon plasmas were evaluated by means of a equivalent circuit model and a power balance equation. By comparison of the discharge characteristics of helium and argon plasmas, it is found that the discrepant macroscopic characteristics of helium and argon plasmas, viz., current and voltage(I-V) characteristics and current and power(I-P) characteristics, owed to their own intrinsic microscopic parameters of the helium and argon atoms, such as first excited energy, the ionization energy, the total cross section, and the atomic mass. Furthermore, the influences of electronegative gas, oxygen gas, on the electric discharge characteristics are also investigated in the helium and argon plasmas, which are closely related to the electron temperature(T_(e)) of plasmas. Second, we also investigated the atmospheric-pressure argon mixed with oxygen(Ar／O₂) plasma jet as a potential biological decontamination device. In our investigation of electrical discharge characteristics, the electron density(n_(e)) of argon plasma has about 2 times higher than that of helium plasma. The argon plasma with high electron density(n_(e)) may produce highly reactive chemical species and required not only a small amount of gas volume but also less power in comparison with the typical APPJ using helium gas. Therefore the Ar／O₂ plasma jet sterilized Bacillus subtilis spores effectively. In our result, the carrier gas played a significant role in enhancing the sterilization efficiency due to the fact that concentration of the atomic oxygen radicals is closely related to the plasma density and the electron temperature. The simulated samples of Bacillus atrophaeus(B. subtilis var. niger, ATCC9372) endospore, which have ~2×10^(7) spores, were exposed by the flames of Ar／O2 and He／O2 plasmas. The decimal reduction time(D value) of each Ar／O₂ and He／O₂ plasma jet was about 5 seconds and 120 seconds, respectively, in same experiment conditions.
more목차
CHAPTER 1 INTRODUCTION = 1
Ⅰ. Weakly Ionized Plasma = 1
Ⅱ. Research Backgrounds = 4
A. Atmospheric-Pressure Glow Discharge (APGD) = 5
1. Cold plasma torch = 6
2. Dielectric barrier discharge (DBD) = 6
3. One-atmosphere uniform glow discharge plasma (OAUGDP) = 7
4. Atmospheric-pressure plasma jet (APPJ) = 8
B. Comparison of Atmospheric-Pressure Glow Discharge (APGD) Sources = 11
C. Limits of Atmospheric-Pressure Glow Discharge (APGD) Source = 13
D. Sterilization of Surface and Material using Plasma = 14
1. Recent advances of low-temperature sterilization = 14
2. History of plasma sterilization = 15
3. Threat of chemical and biological warfare (CBW) agents = 16
Ⅲ. Motivation = 17
Ⅳ. Outline of Text = 19
CHAPTER 2 ATMOSPHERIC-PRESSURE ARGON PLASMA JET = 21
Ⅰ. Atmospheric-Pressure Argon/Oxygen(Ar/O₂) Plasma-Discharge Source with a Stepped-Electrode = 21
A. Configuration of a Stepped-Electrode Reactor and Experimental Setup = 21
B. Steady-State Radio-Frequency (rf) Discharge Controlled by Attachment = 23
C. Advantages of Stepped-Electrode Reactor = 30
Ⅱ. Atmospheric-Pressure Ar/O₂ Plasma Jet (Coaxial Cylinder Type) = 31
CHAPTER 3 ELECTRICAL DISCHARGE CHARATERISTICS OF ATMOSPHERIC PRESSURE Ar/O₂ AND He/O₂ PLASMA JETS = 34
Ⅰ. Experimental Methods = 35
Ⅱ. Discharge Characteristics in Ar/O₂ and He/O₂ Plasma Jets = 36
Ⅲ. Plasma Discharge Model and Plasma Parameters = 37
A. Equivalent Circuit Model = 37
B. Power Balance Equation and Rate Coefficients = 41
Ⅳ. Results and Discussion = 43
CHAPTER 4 DECONTAMINATION OF BIOLIGICAL WARFARE AGENTS BY ATMOSPHERIC-PRESSURE Ar/O₂ PLASMA JET : STERILIZATION
EFFECTS OF PLASMA JETS OF Bacillus Subtilis ENDOSPORES = 51
Ⅰ. Experimental Methods = 51
A. Plasma Treatment = 51
B. Optical Emission Measurement = 52
Ⅱ. Results and Discussion = 53
A. Bactericidal Tests = 53
B. Effects of Oxygen Radicals in the Ar/O₂ Plasma Jet on Sterilization = 58
CHAPTER 5 SUMMARY AND CONCLUSIONS = 62
요약문 = 65
REFERENCES = 67
PUBLICATIONS = 73
