김종오
(Jong-Oh Kim)
1iD
천동해
(Dong-Hae Chun)
2iD
김명섭
(Myung-Sub Kim)
3iD
류우찬
(Uh-Chan Ryu)
†iD
-
(Research Professor, Department of Electrical, Electronics, and Software Engineering,
Pukyong National University, Korea)
-
(CEO, Acro Co., Ltd., Korea)
-
(Senior Research Engineer, Acro Co., Ltd., Korea)
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
Key words
Escalator handrail, Self-generation, Sterilizer, UV-C LED
1. 서 론
공공시설물에 대한 세균 유·무 검사를 비롯한 위생상태 점검은 법적 의무사항이 아닌 관계로 청소 및 관리가 소홀한 시설물에서 세균 오염이 심각하다[1,2]. 살균방법에는 물리, 화학 및 생물학적 방법들이 사용되고 있으나, 화학물질을 이용한 살균방법은 인체에 해로운 독성물질, 환경오염, 제어기술 부족
등의 문제가 있다[3,4]. 이러한 문제의 대체방법으로서 빛을 이용한 살균기술이 주목받고 있다[5,6]. 파장 제어와 광학구조 설계가 쉬운 ultraviolet(UV) LED를 이용하여, 다양한 살균연구와 이를 응용한 살균제품들이 개발되었다[7-12]. 산업의 발전과 생활상권 변화에 따라 많은 사람이 이용하는 지하철, 백화점, 대형마트 등에서 사용하는 엘리베이터 버튼, 카트의 손잡이, 에스컬레이터
핸드레일 등이 세균 증식 및 전파경로가 된다[13-16]. 고정된 물체의 살균은 쉬우나, 에스컬레이터 핸드레일과 같이 움직임이 있는 물체에 대한 살균을 위해서는 속도와 살균면적을 고려한 광분포, 세균별
살균을 위한 UV 조사에너지(이하, dose) 등의 적합한 설계가 필요하다[1,7,17].
국내에서 세계 최초로 개발한 기존 핸드레일용 자가발전형 UV-C LED 살균기를 나타낸 것이 Fig. 1이다. UV-C LED 모듈 하나에 2mW LED 4개를 실장한 후, 2개의 LED 모듈을 사용하여 광출력 16mW를 갖는 구조이다[18,19]. 대한민국 에스컬레이터 최소속도가 50cm/s이므로, UV 조사면적 100cm2, 조사거리 2cm를 가정하면, 광출력 16mW 살균기의 1회전 시
UV-dose는 0.80mJ/cm2로 예측된다. 이 값은 병원성 세균을 90% 이상 살균하기 위해 필요한 UV-dose 2.0mJ/cm2[7] 대비 40% 정도이고, 에스컬레이터 곡면의 구조를 반영하지 않은 설계이기 때문에, 조사거리가 멀어지면 광량 감소에 따른 살균효과가 감소하는 구조적인
단점이 있다. 또한 UV-C LED를 핸드레일 상부 중앙에만 위치시키면 사용자가 손끝으로 잡게 되는 핸드레일 양 측면에는 빛이 조사되지 않으므로 살균효과는
더 감소한다. 따라서 살균기가 설치되는 에스컬레이터 진행 방향의 곡면 구조, 진행 방향에 수직인 단면의 곡면 구조 등을 함께 고려하였을 때, 조사면적에서
효과적인 살균력을 확보할 수 있도록 구조 및 광량에 대한 전면적인 개선이 필요하다. 이를 위하여 저자들은 광학 설계 프로그램인 light-tools에서
에스컬레이터 핸드레일의 곡면 구조를 고려하여 UV-C LED와 반사판의 구조, 배치 위치 등에 따른 광량과 균일도를 최적화하고, 광출력 200mW급의
핸드레일 살균기 2종을 도출하여 제작하였다[20,21]. 본 논문에서는, 이전의 연구 결과를 바탕으로 에스컬레이터용 UV-C LED 살균기 샘플 2종 및 이를 동작시킬 수 있는 8W급 자가발전 시스템을
제작하고, 자가발전기의 성능 및 대표적인 세균에 대한 살균효과를 제시하고자 한다. 세균은 세포벽이 얇아 그람염색법 시험에서 적색 또는 분홍색으로 탈색되는
그람음성균과 세포벽이 두꺼워 탈색되지 않고 요오드 성분이 남아 감청색 또는 보라색으로 염색되는 그람양성균으로 분류된다[22]. 사람 손에 존재하고, 교차오염을 일으키는 일반 병원성 세균[22]인 그람음성균 대표종 1종(대장균, Escherichia coli 이하 E. coli)과 그람양성균 대표종 1종(바실러스균, Bacillus cereus,
이하 B. cereus)을 제작한 핸드레일 살균기의 조사시간을 변화시켜 살균시험 후 살균효과를 제시하였다.
Fig. 1. Schematic diagram and LED module of self-powered UV-C LED sterilizer formerly
developed by other group [19]
2. UV-C LED 살균기 시뮬레이션 및 제작
2.1 핸드레일용 UV-C LED 살균기의 구조 및 광학 시뮬레이션
상용 275nm UV-C LED(VF=6.5V, IF=60 mA)에 대해 UV 적분구시스템(Otsuka Electronics Korea)에서 광출력과
스펙트럼을, 이등방산란투과측정시스템(BSDF system, J&C Tech)에서 배광분포를 각각 측정하였으며 그 결과는 Fig. 2과 같다. 측정된 광학특성은 광학 프로그램(Light-tool ver. 8.4)에 적용하여 LED 패키지를 모델링하였다. Fig. 2(a)는 UV-C LED 패키지와 3D 모델이고, (b)와 (c)는 각각 측정된 스펙트럼과 배광분포이다.
Fig. 2. Specifications of UV-C LED used for simulation and fabrication [20,21]
핸드레일 조사면적에서 균제도가 확보되도록 20개의 LED 거리와 위치 및 반사판 모양과 설치 위치를 조절하여 살균기를 시뮬레이션하였다[20,21]. 상부와 측면에 UV-C LED를, 상부에 반사판을 배치한 살균기(\#1)를 시뮬레이션한 결과를 Fig. 3에 나타냈다. (a)는 모든 UV-C LED를 살균기 측면에 배치하고 반사판 없이 LED 위치에 따른 복사조도(irradiance, 단위 mW/mm2)를 최적화한 결과로서,
상부 및 측면의 최대 복사조도는 각각 1.5mW/mm2, 3.2mW/mm2이다. 측면과 상단의 최대값 비율은 213.4%로서, 핸드레일 상부 중앙의
복사조도와 균제도가 낮다. (b)는 (a)에서 핸드레일 상부와 측면의 균제도가 최적인 위치에 LED를 고정하고, 상부 반사판을 추가하여 반사판 구조와 위치에 따른 균제도 변화를 나타낸 것이다.
상부 및 측면의 최대 복사조도는 각각 4.6mW/mm2, 3.0mW/mm2이고, 그 비율은 65.4%이다. 반사판이 핸드레일 상부에 밀착될수록 복사조도와
균제도는 향상되나, 핸드레일과 충돌 위험이 있어 구조를 변경하였다. (c)는 살균기 상부에 UV-C LED를 4개, 측면에 16개를 배치하여 반사판의 구조와 위치를 변화시켜 시뮬레이션한 결과이다. 상부 및 측면의 최대 복사조도는
각각 4.54mW/mm2, 2.9mW/mm2이고, 그 비율은 63.88%이나, 상부 균제도가 낮다. (d)는 (c)의 구조에서 상부 4개 LED를 지그재그로 분산시키고, 중앙 LED 좌우에 반사판을 추가하여 최적화된 결과를 보여준다. 이때 핸드레일 상부 및 측면의
최대 복사조도는 각각 4.4mW/mm2, 2.9mW/mm2이고, 그 비율은 65.9이다[20,21].
Fig. 3. Simulation of side and/or upper UV-C LEDs with or without upper reflectors
[20]
Fig. 4. Simulation of upper UV-C LEDs and side reflectors [20]
상부에 UV-C LED를, 측면에 반사판을 배치한 살균기(\#2)를 시뮬레이션한 결과가 Fig. 4이다. (a)는 모든 LED를 핸드레일 상부에 배치하고, LED 간 거리를 변경할 때 핸드레일 상부의 복사조도 변화를 나타낸 것이다. (b)는 반사판 없이 LED 간 거리만 조절하여 핸드레일 상부 균제도를 최적화한 결과이다. 이때, 핸드레일 상부와 측면의 최대 복사조도는 각각 6.8mW/mm2,
0.65mW/mm2이고, 그 비율은 9.5%이다. (c)는 측면에 반사판을 배치하고, 모양과 위치에 따른 측면의 복사조도 변화를 나타낸 것이다. 반사판이 핸드레일 측면에 가까워질수록 복사조도와 균제도가
증가하며, 상부와 측면의 최대 복사조도는 각각 0.15mW/mm2, 2.2mW/mm2, 그 비율은 147%이다. (d)는 핸드레일 측면의 복사조도 향상을 위해 측면에 반사판을 추가하여 반사판의 구조와 거리에 따른 복사조도 분포의 예시이다. 측면 반사판의 거리가 핸드레일에
가까울수록 측면 균제도와 복사조도가 향상되어 안전거리를 고려하여 최적화한 것이며, 상부와 측면의 최대 복사조도는 각각 6.2mW/mm2, 2.2mW/mm2이고,
그 비율은 35.8%이다[20,21].
2.2 UV-C LED 살균기의 제작
시뮬레이션으로 최적화된 UV-C LED모듈과 반사판을 조합하여 핸드레일용 UV-C LED 살균기 2종(\#1, \#2)을 제작하였다. 자가발전기를
제외한 핸드레일용 UV-C LED 살균기 2종을 나타낸 것이 Fig. 5이다[21].
Fig. 5. Two UV-C LED sterilizers without self-generators; upper and side LEDs with
side reflectors (left) and upper LEDs with side reflectors (right) [21]
2.3 자가발전기 제작
20개 UV-C LED 패키지로 구성된 LED모듈 구동에 필요한 전력(8W급)을 공급하기 위해 핸드레일과 접촉하여 핸드레일의 회전으로 전기를 생산하는
자가발전기를 설계하였다. 회전수 선정을 위해 코일의 턴수, 고정자 적층길이, 그리고 감속기 회전비에 따른 회전 속도 등을 최적화하여, UV-C LED의
정상 동작을 위한 전력이 출력되도록 살균기에 장착되는 소형 발전기를 Fig. 6과 같이 제작하였다. Fig. 6(a)는 자가발전 모듈(왼쪽 사진)과 제어용 컨트롤러(오른쪽 사진)로서, 자가발전 모듈의 상세규격은 다음과 같다. 발전기 감속비 1/10, 기어 모듈 비율
0.8, 기어허용 토크 0.2435kg/m 이상, 기어비 1.6, 롤러 회전수 329.4rpm, 발전기 회전수 5,271rpm으로서, 출력전압 25V,
전류 300mA이다. 제어용 컨트롤러는 과전류 방지 및 핸드레일 회전에 따른 자가발전기 및 살균기를 조절하기 위해 추가하였다. (b)는 UV-C LED 살균 모듈과 자가발전기 모듈을 결합하여 완성한 자가발전기형 UV-C LED 살균기(왼쪽 사진)와 실제 에스컬레이터에 설치한 모습(오른쪽
사진)이다. 실제 에스컬레이터 설치를 통해 자가발전 능력, 이상 현상 등을 확인하고 개선 작업을 수행하였다. 여기서 UV-C LED와 에스컬레이터
핸드레일 상부의 평균거리는, 약 10mm이며, 설계와 일치한다. 한국화학융합시험연구원에서 제3자 시험을 통해 제작한 자가발전기의 성능을 측정하였다.
시험은 교정된 digital phosphor oscilloscope(TDS 3052, Tektronix)와 digital multimeter(U1232A,
Keysight)를 사용하여 핸드레일 자가발전기 모듈의 전압, 전류를 측정하였다. 그 결과는 한국화학융합시험연구원에 의뢰하여 측정한 값으로 Table 1에 나타내었으며, 최소 생산전력 6.7W, 최대 생산전력 8W, 그리고 평균 생산전력은 7.1W이다.
Fig. 6. Final UV-C LED sterilizer with self-generation module before and after installation
in a real escalator
Table 1. Self-generator power test result
|
항목
|
시험 기준
|
시험 결과
|
평균 생산전력
|
|
자가발전기
발전전력
|
측정된 전력값이
10W 이하
|
1회
|
7.2W
|
7.1W
|
|
2회
|
6.8W
|
|
3회
|
6.8W
|
|
4회
|
6.7W
|
|
5회
|
8.0W
|
살균시험에서, 실제 에스컬레이터에 살균기를 설치하는 제약과 발전 중 세균 전파의 위험이 있어 최종제품을 사용한 살균시험이 불가하므로, 자가발전 시스템은
제거하고 동일한 전력의 외부전원장치로서 8W 전원을 공급하여 살균시험을 진행하였다[21].
3. 살균시험 결과
3.1 살균시험 순서 및 조건
UV-C LED 살균기의 살균력을 시험하기 위하여, 그람음성균(E. coli)과 그람양성균(B. cereus)에 대한 살균시험을 실제 조사거리인 10mm에서
실시하였으며 그 순서는 다음과 같고, Fig. 7에 사진으로 나타내었다[21].
① 4개의 핸드레일 샘플에 균 접종구역(가로 100mm × 세로100mm)을 표시한다. 여기서 가로 100mm는 상부 80mm와 측면 10mm이다.
② 핸드레일과 UV-C LED 살균기를 70% 알코올과 UV램프로 초기 살균처리한다.
③ 증균 배양액(E. coli와 B. cereus)을 균 접종구역에 300µL 분주한다.
④ 멸균된 마른 면봉으로 30초간 균액을 균일하게 도포한다(순서 : 상부에서 아래 측면 10s, 상부에서 위 측면 10s, 좌에서 우 10s).
⑤ UV-C LED 살균기를 동작시켜, 살균시험을 진행한다(UV-C LED 조사시간 : 0.2s, 5s, 15s).
⑥ 멸균된 마른 면봉으로 30초간 균을 채취한다(순서 : 위 측면에서 아래 측면 20s, 좌에서 우 10s).
⑦ 균 채취 후 10mL PBS 용액에 면봉을 넣고, 1분동안 vortexing한 용액으로 생균수시험을 진행한다.
⑧ Nutrient agar 평판배지에 희석액을 100µL 분주 후, spreading하여 생균수시험을 진행한다.
Fig. 7. Sterilization test procedures
살균율 계산식은 식 (1)이며, Control(미처리군)은 ⑤의 과정을 생략하고 채취시간을 동일하게 한다[21].
3.2 살균시험 결과
균주별로 4개의 핸드레일 샘플에 각 1회씩, 총 4회 살균시험을 진행하여 평균을 산출하였으며, 살균시험 중 이상증식이 발생한 경우 대조군(Control)을
다시 배양하여 시험을 진행하였다. Fig. 8은 상부 및 측면 UV-C LED와 상부 반사판 구조의 살균기(\#1)와 상부 UV-C LED와 측면 반사판 구조의 살균기(\#2)를 사용하여 균주별
노출시간에 따른 살균결과이다. 살균기(\#1)의 E. coli에 대한 살균력은 0.2s에서 64.02%, 5s 99.28%, 15 s 99.99%이고,
B. cereus에 대한 살균력은 0.2s에서 2.46%, 5s 94.37%, 15s 99.97%이다. 살균기(\#2)의 E. coli에 대한 살균력은
0.2s에서 77.63%, 5s 99.20%, 15s 99.98%이고, B. cereus에 대한 살균력은 0.2s에서 10.63%, 5s 89.44%,
15s 99.64%이다[21].
Fig. 8. Pasteurization results against E. coli and B. cereus according to exposure
time of escalator sterilizers [21].
4. 결 론
본 논문에서는 UV-C LED 위치와 간격, 반사판의 구조와 위치에 따른 복사조도 시뮬레이션을 통해 핸드레일용 UV-C LED 살균기를 최적화하여,
복사선속 200mW인 자가발전형 UV-C LED 살균기 2종을 제작하였다. 살균시험에는 에스컬에이터의 회전에 따라 LED 소비전력(25V, 300mA)을
공급하는 자가발전기를 대신하여 외부전원을 사용하였으며, E. coli와 B. cereus에 대한 UV-C 노출 시간에 따른 살균율을 시험하였다. 상부와
측면 UV-C LED 및 상부 반사판 구조의 살균기(\#1)는 5s, 15s 조사 시 E. coli는 99.28%, 99.99%, B. cereus는
94.37%, 99.97%의 살균효과를 보였다. 상부 UV-C LED 및 측면 반사판 구조의 살균기(\#2)는 5s, 15s 조사 시 E. coli는
99.2%, 99.98%, B. cereus는 89.44%, 99.64%의 살균효과를 보였다[21]. 살균시간 0.2s에서 2종의 살균기 모두, 세포벽이 얇은 그람음성균인 E. coli에 대해 64.02%, 77.63%의 높은 살균율을 보였으나,
세포벽이 두꺼운 그람양성균인 B. cereus에 대해 2.46%, 10.63%의 낮은 살균율을 보였다. 0.2s 조사시간으로 살균율이 부족하고 99%
이상 살균을 위해서는 5s 이상 필요하다. 에스컬레이터 전반적인 살균을 위해서는 상부 UV-C LED와 측면 반사판 구조의 살균기(\#2) 구조가
효과적이다. 살균시험과 발전기 모듈의 성능 테스트를 통해 자가발전형 8W급 UV-C LED 살균기는 현장에 설치하여 사용 가능한 수준임을 확인하였다.
제작한 자가발전기 모듈은 발전전력 8W를 목표로 제작하였으나, 에스컬레이터 핸드레일 표면 상태에 따라 평균 7.1W, 최대 8W까지 변화하였다. 이에
따라 롤러의 혼합물성, 재질 등의 최적화를 통해 안정적으로 동작하도록 성능 개선을 진행하고 있다. 추후 개발된 제품에 대해서 실제 에스컬레이터에서
살균력을 진행할 예정이다.
Acknowledgement
이 논문은 한국조명․전기설비학회 2021년도 춘계학술대회에서 발표하고 우수추천논문으로 선정된 논문이며, 2020년 중소벤처기업부 지역특화산업육성사업에
의해 ㈜아크로(과제 : S2904945) 주관으로 수행된 과제 및 2020년 교육부, 한국연구재단의 지역대학우수과학자지원사업(과제 : NRF-2020R1I1A3A0
4037827) 과제의 지원을 받아 수행되었음.
References
Wilson B., 1992, Coliphage MS2 as a UV Water Disinfection Efficacy Test Surrogate
for Bacterial and Viral Pathogens, Proc. of the AWWA Water Quality Technology Conference,
Toronto, pp. 219-235
Newsfreezone , Vice Speaker Joo Seung-Yong; Severe Bacterial Contamination of Escalator
Handles in Public Facilities such as Incheon Airport and Seoul Station, http://www.newsfreezone.co.kr/news/articleView.html?idxno=203092
(Accessed 18. Oct. 2019).
Kim Y. S., Shin D. H., 2003, Researches on the Volatile Antimicrobial Compounds from
Edible Plants and their Food Application, Korean Journal of Food Science and Technology,
Vol. 35, No. 2, pp. 159-165
Kim Y. S., Park I. S., Ha S. D., 2009, Application Sanitizer for the Control of Microorganisms
in Food, Food Science and Industry, Vol. 42, No. 2, pp. 26-51
Shin J. K., Kim B. R., Kim A. J., 2010, Nonthermal Food Processing Technology Using
Electric Power, Food Science and Industry, Vol. 43, No. 1, pp. 21-34
Do J. S., Bang W. S., 2013, Bactericidal Effect of 461nm Blue Light Emitting Diode
on Pathogenic Bacteria, Korean Journal of Food Preservation, Vol. 20, No. 3, pp. 419-423
Gabriel C., et al., 2006, UV Dose Required to Achieve Incremental Log Inactivation
of Bacteria Protozoa and Viruses, IVUVA News, Vol. 8, No. 1, pp. 38-45
Yagi N., et al., 2007, Sterilization Using 365 nm UV-LED, Proceedings of the 29th
Annual International Conference of the IEEE EMBS
Michael S. S., Gaska R., 2009, Deep-Ultraviolet Light-Emitting Diodes, IEEE Transactions
on Electron Devices, Vol. 57, No. 1, pp. 12-25
Choi E. J., Jung J. J., Lee J. W., Kang S. T., 2010, Effect of UV Sterilization on
Quality of Centrifuged Takju During Storage, Journal of the Korean Society of Food
Science and Nutrition, Vol. 39, No. 3, pp. 461-466
Lee Y. W., Yoon H. D., Park J. H., Ryu U.-C., 2018, Application of 265-nm UVC LED
Lighting to Sterilization of Typical Gram Negative and Positive Bacteria, Journal
of the Korean Physical Society, Vol. 72, No. 10, pp. 1174-1178
Park S. K., et al., 2021, Bactericidal Effect of Ultraviolet C Light-Emmiting Diodes:
Optimization of Efficacy Toward Foodborne Pathogens in Water, Journal of Photochemistry
and Photobiology B: Biologys, Vol. 222, pp. 112277
Schultz M., et al., 2003, Bacterial Contamination of Computer Keyboards in a Teaching
Hospital, Infection Control & Hospital Epidemiology, Vol. 24, No. 4, pp. 302-303
Au T., et al., 2008, Folkbiology Meets Microbiology: A Study of Conceptual and Behavioral
Change, Cognitive Psychology, Vol. 57, No. 1, pp. 1-19
Ahmed A. G., et al., 2011, Bacterial Contamination of Computer Keyboards and Mice,
Elevator Buttons and Shopping Carts, African Journal of Microbiology Research, Vol.
5, No. 23, pp. 3998-4003
Khatib S. I., 2013, A Preliminary Study of Bacterial Contamination from Elevators,
Microbiology, Vol. 2, No. 10
Kim H. S., Bak J. G., Lee K. H., Cho J. S., 2014, A Study on CFD Methodology of the
Performance Predictionfor the UV Disinfection Reactor, The KSFM Journal of Fluid Machinery,
Vol. 17, No. 6, pp. 44-51
Digitaldoday , LG Innotek Launches the World's First Handrail UV LED Sterilizer, http://www.digitaltoday.co.kr
/news/articleView.html?idxno=109160 (Accessed 16. July. 2017)
LG, Innotek , 2018, LG Innotek Promotion Meterial UV Rev. 6 General
Kim J. O., et al., 2021, A Study on the Optical Structure Simulation of UV-C Sterilizer
for Escalator Handrail, Proceedings of the Optical Society of Korea Conference, WP-II-19
Kim J. O., et al., 2021, A Study on the Optical Structure and Sterilization Evaluation
of UV C LED Sterilizer of Escalator Handrail, Proceedings of KIIEE Annual Conference,
1-A-2
Assefa T., Tasew H., Wondafrash B., Beker J., 2015, Assessment of Bacterial Hand Contamination
and Associated Factors Among Food Handlers Working in the Student Cafeteras of Jimma
Main Campus, Jimma, South West Ethiopia, Journal of Comunity Medicine & Health Education,
Vol. 5, No. 2, pp. 1000345
Biography
He received the B.S. degree in the health service management from Daegu Haany University,
Gyeongsan, Korea in 2010 and the M.S. degree in the specialized graduate school of
science and technology convergence and the Ph.D. degree in the interdisciplinary program
of LED and solid state lighting engineering from Pukyong National University, Busan,
Korea, in 2017 and 2021, respectively. Since January 2022, he is a research professor
in the department of electrical, electronics, and software engineering from Pukyong
National University, Busan, Korea.
He received the B.S. degree in the department of Electrical Engineering, Pukyong
National University, Busan, Korea in 2019. Since March 2014, he is a CEO from Acro
Co., Ltd., Busan, Korea.
He received the B.S. degree in the department of optoelectronics laboratory from
Changwon National University, Changwon, Korea in 2009. He has designed refrigerator
Display H/W and 3D modeling for 10 years. Since 2019, he is a Senior Research Engineer
in Corporate R&D Center from Acro Co., Ltd., Busan, Korea.
He received the B.S. and M.S. degrees in the electrical engineering from Seoul
National University, Seoul, Korea, in 1997 and 1999, respectively, and the Ph.D. degree
in the school of information and communications from Gwangju Institute of Science
and Technology, Gwangju, Korea. Since September 2013, he is an Associate Professor
in the department of electrical, electronics, and software engineering from Pukyong
National University, Busan, Korea.