김범수
(Beom-Su kim)
1
이홍식
(Hong-Shik Lee)
2
김용갑
(Yong-Kab Kim)
†
-
(Wonkwang University, information and communication engineering department)
-
(Korea Institute of Lighting & ICT)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
UV-LED, Sterilization, Microbes, Nutrient Solution
1. 서 론
1.1 연구의 배경
최근 들어 스마트팜 기반의 다양한 시스템 도입에 따라 고품질의 녹색식물 생산에 대해 크게 주목받고 있다. 녹색식물 생장에는 기본적으로 빛, 온도,
습도 등의 환경조건 등과 같이 충분한 자연 환경을 제공해야 한다. 이러한 자연환경을 각 식물의 특성에 맞게 생육환경 제어가 가능한 식물공장에 대한
관심이 높아지고 있다.
살균의 종류는 화학적, 열, 자외선 살균 등이 있는데 최근에는 미국과 일본을 중심으로 기술적 가치가 높은 반도체 광원을 이용한 물의 정화를 목적으로
한 자외선 살균이 보편화되고 있다. 이러한 이유는 기존 자외선 광원으로 사용되는 램프는 환경면에서 수은을 함유하고 있어 인간 또는 환경에 해로운 영향을
줄 수 있으며 스펙트럼이 다중으로 나타나 이 중 필요한 파장만을 선택하고 나머지 파장들을 없애기 위한 필터처리를 해야 한다. 또한 효율이 나빠 열이
많이 발생하며 수명면에서도 2,000시간의 짧은 수명을 갖는 단점과 소형화 및 경량화에 어려움을 겪고 있다. UV-LED를 사용한 자외선 살균은 친환경적이면서도
단일 스펙트럼을 가지며 내구성이 우수하고 소자가 작아 유연한 디자인을 할 수 있으며, 기존 제품들과 비교해 장수명을 가지는 장점을 가지고 있다(1-2).
UV-LED는 가시광 LED에 비해 AIN 또는 AlGaN 에피 성장의 어려움으로 인해 낮은 수율 및 효율을 가진다(3). 따라서 대부분의 전기적인 에너지가 빛으로 전환되지 않고 열로 소모되며, 낮은 효율로 인해 UV-LED를 사용한 자외선 살균제품은 제작 비용이 높다.
따라서 살균 능력이 우수한 파장을 가지는 UV-LED 영역을 확인하고, 다양한 종류의 균에 대한 자외선 살균 능력 분석이 가능하다.
자외선은 UV-A(315nm∼400nm), UV-B(280nm∼315nm), UV-C(200nm∼280nm), Vacuum UV (100nm∼200nm)로
4가지 스펙트럼 영역으로 나뉜다. 이러한 자외선은 특수한 효과를 가지고 있다. UV-A는 광화학 반응을 일으키기 때문에 경화용도인 산업용으로 이용되고
있으며, UV-B는 피부질환의 치료용으로 사용되며, 대표적인 건강 자외선으로 사용되고 있다. UV-C는 큰 에너지를 가진 자외선으로서 살균선(Germicidal
Ray)이라 한다(4-5).
일반적으로 살균을 위해 사용하는 파장영역은 UV-C 영역이며, 254nm 파장은 미생물에 가장 치명적인 효과를 주는 파장으로 알려져 있다(6). 미생물의 구성 성분은 단백질과 핵산으로 이루어졌고, 자외선이 조사되면 미생물의 DNA, RNA가 파괴되어 활동을 할 수 없게 된다. DNA가 파괴되면
미생물의 증식과 재생에 큰 영향을 미치게 된다(7).
스마트팜 기반의 다양한 시스템 적용과 식물 성장에 대해 많은 연구가 진행되고 있으나, 수경재배의 경우 배양액이 전체 베드를 순환하기 때문에 피슘(Pythium)이나
푸사리움(Fusarium)과 같은 유해세균이 발생할 경우에는 순환되는 배양액을 따라 순식간에 전염되는 단점이 있다.
따라서 본 논문에서는 UV-C(270nm∼280nm) 영역의 자외선을 사용하여 수경재배에서 발생하는 유해 미생물에 대한 살균 능력을 분석하였다.
2. 이론고찰
2.1 UV-LED 모듈
UV-LED는 AIN, GaN층과 MQW구조의 에피층으로 이루어진 직접 천이형 에너지 밴드 구조를 가지는 소자이다.
278nm UV-LED를 사용하였으며, Flat-Packge가 된 엘지이노텍 제품(LEVUVA66H70HF00)을 적용하여 70mW 광출력을 가지는
4개의 UV-LED를 PCB에 배열하였으며, 상부에는 발열로 인한 손실을 줄이기 위해 알루미늄 방열판을 설계하였다. 또한 광출력 변화에 따른 살균
능력을 시험하기 위해 광량을 조정할 수 있도록 3단계의 전류 입력값 기능을 추가하여 세균의 광출력에 따른 반응과 살균 효과를 실험 및 분석하였다.
2.2 미생물 배양 방법
본 실험에서 살균 시험을 위해 사용된 미생물인 대장균(Escherichia Coli), 토마토 궤양병 원인균(Clavibacter Michiganensis),
상추 세균썩음병 원인균(Pseudomonas Cichorii), 상추 시들음병 원인균(Fusarium Oxysporium)을 각각 한국생명공학연구원
생물자원센터(Korea Collection for Type Culture, KCTC)와 국립농업과학원 미생물 은행(Korean Agricultural
Culture Collection. KACC)로부터 제공받아 사용하였다.
그림 1은 단일 colony를 보여주고 있으며, 액체배지를 통하여 배양을 하였다. 표 1은 실험에서 사용될 4가지 종류의 미생물 균주이다.
Fig. 1. Four Kinds of Colony
Table 1. Standard Strains of Sterilization Experiment
|
No
|
Source
|
Standard Strain
|
D10값
(mJ/cm2)
|
|
1
|
KCTC2571
|
Escherichia Coli
|
5.4
|
|
2
|
KACC19524
|
Pseudomonas Cichorii
|
5.5
|
|
3
|
KACC16995
|
Clavibacter Michiganensis
|
5.4
|
|
4
|
KACC42794
|
Fusarium Oxysporium
|
5.2
|
시험에 필요한 미생물의 배양방법은 액체배지 제조 시 Luria-Bertani(LB)에 5ml와 Agar Powder(BD DIFCO, USA), Tryptic
Soy Broth(BD DIFCO, USA)를 사용하였다.
미생물을 접종 후 200RPM, 25℃의 조건으로 18시간동안 진탕배양기 LI-BS655L(LKLab, Korea)를 이용하여 배양하였다.
다음날 배양한 균주를 500ml 배지에 옮긴 후 4시간 추가 배양하였다. 포자를 수거하기 위해, 배양된 곰팡이 표면을 긁어 수확된 포자를 0.02%
Tween 80을 이용하여 포자 현탁액을 만들고, 멸균된 탈지면으로 균사를 제거한 후 Hemocytometer로 계수하여 실험에 이용하였다.
실험 시 균주의 수치를 정확히 확인하기 위해 분광 광도계 UV-VIS Spectro Photometer OPTIZEN(KL, Korea)을 이용하여
600nm 흡광도 측정하여 실험을 진행하였다. 이 파장은 UV 파장과는 달리 세균성 OD에 많이 사용되며, TSB나 LB와 같은 노란색의 매질에 흡수되지
않아 측정이 가능하다. 최종 흡광도는 O.D600=0.00001으로 맞추었다.
2.3 UV-LED 살균시험
액체 배지에 대량 배양된 균을 10×104∼10×108 희석하여 100ml씩 추출하여 고체 배지 위에 대장균(E. Coli), 토마토 궤양병 원인균(C.
Michiganensis), 상추세균썩음병 원인균(P. Cichorii), 상추시들음병 원인균(F. Oxysporium)을 도말한 후 UV-LED
광을 조사하였다.
UV-LED는 전류 350mA 인가 시 70mW 출력을 가지며 소자 4개를 정사각 배열 모듈로 제작하였고 최대 280mW 광출력을 가지고 있다.
입력 전류를 조절하여 최대 광출력의 30%, 50%, 70% 일 때의 84mW, 140mW, 196mW 조건으로 출력과 조사 시간에 따른 살균 능력을
실험하였다.
그림 2는 UV-LED를 이용한 실험방법이다. 조사 거리는 UV-LED 표면으로부터 높이 8cm 조건이고 배지 크기 10cm × 10cm 면적에 UV-LED
광이 고르게 조사 되도록 기구를 제작하여 모듈을 고정, 조사하였다.
UV-LED는 파장에 따른 유효 살균 시간과 조사거리가 살균력에 많은 영향을 주며, 조사 시간은 3, 5, 10분으로 나누어 노출시킨 후 10ml
pipet을 이용하여 1ml씩 추출한 후 E-tube에 옮겨 담아 샘플링 하였다. 시간대별로 조사 광출력 실험을 끝난 시료들은 해당 고체배지에 100μl씩
골고루 도말한 후 25℃ 배양기에서 1∼2일 배양하였다. Plate에 배양된 colony를 사진 촬영하고 각각의 개수를 세어 결과를 도출하였다.
Fig. 2. Experiment Method for UV-LED Irradiation
3. 결과 및 고찰
배양된 4종의 미생물에 UV-LED를 조사한 결과를 그림 3에 나타내었다. 광출력과 조사시간에 변화를 주어 시험하였다. 제작된 모듈의 광량을 제어하여 초기광량 대비 조사광 출력이 84mW일 때 배양된 미생물의
수가 줄어드는 것을 확인하였다.
대장균(E. Coli)은 3분 조사시 colony 수 변화가 53%로 줄어들었으며, 5분이 지난 후에는 98% 정도로 colony 수가 급격히 줄어드는
것을 확인할 수 있었다.
상추세균썩음병 원인균(P. Cichorii)은 3분 조사 시 61%의 colony 수가 감소하였고, 조사시간 5분이 지난 후에는 85%의 살균력을
보였다.
토마토궤양병 원인균(C. Michiganensiss)은 3분 조사 시 46%, 5분 조사 시 colony 수가 82% 감소하였다.
상추시들음병 원인균(F. Oxysporium)은 3분 조사 시 63%, 5분 조사시 90%가 감소하였다. 4종의 미생물 모두 10분이 지난 후에는
100%의 살균력을 보였다.
그림 4는 광출력을 140mW로 증가하였을 때, 조사 시간에 따른 colony 수를 보여주는 그래프이다. 대장균(E. Coli)은 3분 조사 시 colony
수 변화가 69%로 감소하였다가 5분이 지난 후에는 98% 정도로 colony 수가 급격히 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
상추세균썩음병 원인균(P. Cichorii)은 3분 조사 시 colony 수가 74% 감소하였고, 5분 지난 후에는 90% 살균력을 보였다.
토마토궤양병 원인균(C. Michiganensiss)은 3분 조사 시 54%, 5분 조사 시 95%의 colony 수가 감소하였다.
Fig. 3. Sterilization Effect of 84mW UV-LED at Photovoltaic Power
상추시들음병 원인균(F. Oxysporium)은 3분 조사 시 79%, 5분 경과 후 colony 수가 100%의 살균력을 보였다.
Fig. 4. Sterilization Effect of 140mW UV-LED Photovoltaic Power
그림 5는 광출력을 196mW로 변경하였을 때, 조사시간에 따른 colony 수를 보여주는 그래프이다. 대장균(E.Coli)은 3분 조사 시 colony
수 변화가 88%로 감소하였다. 5분이 지난 후에는 100% colony 수가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
상추세균썩음병 원인균(P. Cichorii)는 3분 조사 시 85%로 colony 수가 감소하였고, 5분이 지난 후에는 100% 살균력을 보였다.
토마토궤양병 원인균(C. Michiganensis)는 3분 조사 시 90%, 5분 조사 시 100%의 colony 수가 감소하는 것을 보였다.
상추시들음병 원인균(F. Oxysporium)은 시험 대상 세균들보다 3분 조사 시 빠른 100% 살균 결과를 보였다.
Fig. 5. Sterilization Effect of 196mW UV-LED at Photovoltaic Power
광출력에 따른 UV- LED 조사 시 각 미생물의 colony 수 감소에 따른 살균율을
표 2에 비교하여 나타내었다. 광출력이 증가할수록 실험대상 4종의 미생물 colony 수가 빠르게 감소하며, 멸균효과가 강하다는 것을 확인하였다.
Table 2. Sterilization Effect of Optical Output Power
|
Light Power
|
Time [min]
|
Escherichia Coli
|
Clavibacter Michiganensis
|
Pseudomonas Cichorii
|
Fusarium Oxysporium
|
|
84mW
|
3
|
53%
|
46%
|
61%
|
63%
|
|
5
|
98%
|
82%
|
85%
|
90%
|
|
10
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
|
140mW
|
3
|
69%
|
54%
|
71%
|
79%
|
|
5
|
98%
|
95%
|
90%
|
100%
|
|
10
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
|
196mW
|
3
|
88%
|
90%
|
85%
|
100%
|
|
5
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
|
10
|
100%
|
100%
|
100%
|
100%
|
4. 결 론
본 연구에서는 UV-C(270nm∼280nm) LED를 사용하여 수경재배에서 발생하는 유해 미생물에 대한 살균작용을 알아보고자 하였다. 국립농업과학원에서
제공받은 식물공장에서 발생되는 미생물인 대장균(E. Coli), 토마토 궤양병(C. Michiganensis), 상추세균썩음병(P. Cichorii),
상추시들음병(F. Oxysporium)균을 실험에 사용하였다.
자체 제작한 UV모듈을 사용하여 광출력 84mW로 조사 시 3분 조사 시 평균 56%, 5분 조사 시 89%의 살균력을 얻었다. 광출력 140mW일
때는 3분 조사 시 68%, 5분 조사 시 96%이며, 196mW 광출력을 조절하였을 때, 3분 조사 시 91%, 5분 조사 시 100%의 결과를
보였으며, 광출력이 높아질수록 우수한 살균 효과가 있는 것을 확인하였다.
세포의 핵산이 270nm∼280nm대 파장을 잘 흡수하여, 미생물의 DNA, RNA가 파괴되어 증식을 억제하는 역할을 한 것으로 보인다. 따라서 본
연구를 통해 UV-C LED 영역대에 실제적인 살균 광원으로 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다.
미생물의 실험에서는 270nm∼280nm의 UV-C LED 파장에서는 빠른 시간 내에 완전 살균되었다. 하지만, 수경 재배 시 배양액이 순환하기 때문에
배양액 순환에 사용되는 배관 사이즈에 따른 유속, 유압에 따라 추가적인 살균 실험이 필요하다고 판단된다. 또한 배관 사이즈에 따른 UV-C LED를
적용한 모듈 디자인 개발과 장시간 사용에 미치는 발광광도, 발열에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것이다.
Acknowledgements
이 논문은 한국조명.전기설비학회 2019년 춘계학술대회에서 발표하고 우수추천 논문으로 선정된 논문임. 또한 본 연구는 중소벤처기업부와 한국산업기술진흥원의
“지역특화산업육성사업(R&D, No. P0003007)”으로 수행된 연구결과 입니다.
References
R.Z Chen, S.A Craik, J.R Bolton, 2009, Comparison of the actionspectra and relative
DNA absorbance spectra of microorganisms:Infomation important for the determination
of germicidal fluence in an ultraviolet disinfection of water, Water Res. pp.5087-5096
Mori M., Hamamoto A., Takahashi A., Nakano M., Wakikawa N., Tachibana S., Ikehara
T., Nakaya Y., Aukugagawa M., Kinouchi Y., 2007, Development of a new water sterilization
device with a 365nm UV-LED, Med Bio Eng. Comput, pp. 1237-1241
Yan J., Wang J., Cong P., Sun L., Liu N., Liu Z., 2011, Improved performance of UV-LED
by p-AlGaN with graded composition, Phys, pp. 461-463
U.S. EPA , 2003, Ultraviolet Disinfection Guidance Maunal, United States Environmental
Protection Agency, Washington DC
Lopez M A., Paulo E., 2005, Ultraviolen tlight and food preservation, Novel Food Frocessing
Tech, pp. 405-421
Lee S. W., 1989, Using and Problems with Ultraviolet Sterilization Lamps, Journal
of the Korea Illuminating and Electrical Installation Engineers, pp. 227-284
Enest R. B., Bruce A. Hunt, 1994, Bioassay for full-Scale UV disinfection systems,
Water Sci, pp. 115-123
Biography
He received the B.S. degree from Wonkwang University's business school in February
2015 and M.S degree in the information and communication engineering from Wonkwang
University, Iksan, korea in 2017.
Since March 2019, he is a Ph.D candidate in information and communication engineering
at Wonkwang University, Iksan, korea.
Also he is a CEO of Songbaek E&S.
He received the B.S. degree in the electronic engineering from Semyung University,
Jecheon, Korea in 2006 and the M.S. and Ph.D. degrees in the electronic engineering
from Kwangwoon University, Seoul, Korea, in 2008 and 2013, respectively.
Since November 2012, he is a senior research engineer from Korea Institute of Lighting
& ICT, Korea.
He received the B.S. degree in the electronic engineering from Ajou University, Suwon,
Korea and the M.S. degree in the electrical & computer engineering from University
of Alabama in Huntsville, USA.
He received Ph.D. degree in the electrical & computer engineering in North Carolina
State University, USA.
He is currently in Professor at school of information and communication engineering,
Wonkwang University, Korea.