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다파장 UV 램프가 보다 더 효과적인 살균 소독법이라는 과학적 근거 연구발표!
작성자 : 관리자( )   작성일 : 2020.08.19   조회수 : 82

다파장 UV 램프가 보다 더 효과적인 살균 소독법이라는 과학적 근거 연구발표!

극히 짧은(초)보라색: 짧은 자외선 광 파장대를 이용한 식수의 유해세균 살균소독

● 주제: 박테리아, 생화학, CoVid-19, 미생물학, 국립기술표준원, 공중보건, 바이러스학

■ 발표일자: 2020년 8월 1일

■ 발표자: JENNIFER LAUREN LEE

■ 연구주체: 미국립기술표준연구원의 다파장 자외선 광원 실험

과학자가 실험하기 전에 맞춤형 플랫폼에 물 샘플을 올려놓고 있다. 각각의 물 샘플에는 기생충인 편모충(Giardia)과 아데노바이러스(호흡기 상기도를 침범하는)와 같은 미생물이 들어 있는데, 둘 다 사람에게 질병을 일으킬 수 있다. (자료제공 T. Larason/NIST)

미국립기술표준연구원(NIST)의 연구원들은, 짧은 자외선 파장이 얼마나 세균을 살균하는지 확인하기 위해 독특한 실험 시스템을 설명하고 있다.

CoVid-19에 의한 출입 통제로 연구소의 접근을 기다리는 동안, 미국립기술표준연구원(NIST) 과학자들은 자외선(UV) 빛을 이용하여, 먹는 물인 식수의 살균 소독에 대해 수행한 개척자적인 연구를 통해, 기술적으로 세부적 사항을 보고하는 드문 기회를 가졌다.

지난 2012년, 미국립기술표준연구원 과학자들과 협력자들은, 상수도를 관리하는 공기업에게 잠재적 이득을 줄수 있는 기본적인 발견에 대해 그들의 연구논문을 다수 발표했다. 그러나 연구논문에서는 살균 소독 처리를 가능하게 하는 광 조사 장비를 완벽하게 설명하지 못했다.

이제, 미국립기술표준연구원의 연구진들은, 최초로 휴대용 레이저에 의지하여, 서로 각기 다른 자외선 파장이 물 속에서 각각 다른 미생물들을 얼마나 불활성화시켰는지 실험한, 독특한 실험기구의 기술적인 세부사항을 발표하게 되었다.

이번 연구는 오늘자 Review of Scientific Instruments (RSI)에 공개했다. 미국립기술표준연구원의 Tom Larason은 "우리는 몇년전부터 공식적으로 이 연구를 발표할 수 있기를 원했습니다"고 하면서 "이제 이 기술에 대해 말할 시간이 찾아 왔습니다."라고 덧붙였다.

미국립기술표준연구원 연구진들이 이 시스템을 전체적으로 긴급히 발표한 것은, 이번 연구가 먹는 물(식수)의 살균소독을 뛰어넘어, 고체 표면과 공기 살균소독에서 새로운 실험을 수행하기 위해 이러한 UV 광 조사의 활용이 예상되기 때문이다.

잠재된 적용처는, 병실에서 보다 더 효과적인 자외선 살균소독과 심지어 햇빛이 CoVid-19 감염 원인이 되는 코로나 바이러스를 어떻게 불활성화하는지에 대한 연구까지 모두 포함될 수 있다.

Larason은 "내가 알기로는 생물학적 연구를 위해 이러한 연구를 똑같이 따라한 사람이 없었습니다"라며 "따라서 우리는 지금 이 연구논문을 처음 공개하고 있습니다."라고 말했다.

□ 마시기에 충분한 물

자외선은 사람의 눈으로 볼수 없는 매우 짧은 파장을 가지고 있다. 자외선은 약 100나노미터(nm)~400나노미터(nm)에 이르는 반면, 인간은 보라색(약 400nm)에서 적색(약 750nm)까지 무지개 색만 눈으로 볼 수 있다.

먹는 물 식수를 살균 소독하는 방법 중 하나는, 자외선을 조사하여 해로운 미생물의 DNA와 관련된 분자를 광분해하는 것이다.

원래 연구를 진행했던 시기에는, 식수용 UV 살균소독 램프 시스템에 이용한 파장은 단일 254nm 자외선을 조사했다. 하지만 수년동안, 상수도 공기업들은 "폴리크롬(다색의 광에너지 또는 다파장의 자외선 빛)"인 다른 종류의 살균소독 램프에 대한 관심을 보여왔는데, 이것은 여러 가지 다파장의 자외선을 방출한다는 것을 의미한다.

그러나 콜로라도 대학교 볼더(CU Boulder) 환경 공학자인 Karl Linden은 2012년도 연구에서 책임 연구원이다.

그는 당시에는, 이러한 다파장의 새로운 램프의 효과를 충분히 정의하지 못했다고 말했다.

Karl Linden은 "2000년대 중반에 다파장 자외선이 바이러스 불활성화에 더 효과적이라는 사실을 발견했습니다."고 말했다. "그러나 이 메커니즘이 얼마나 더 효과적이고, 어느 정도인지 정량화하기 어려웠습니다."라고 덧붙였다.

2012년, 콜로라도 대학교 볼더(CU Boulder)가 주도하는 미생물학과 및 환경공학과 연구그룹은 UV 살균 소독과 관련해 상수도 공기업들이 가지고 있던 지식 기반을 추가하는 데 관심을 가졌다.

비영리 사회단체인 물 연구재단으로부터 연구자금을 지원을 받은 과학자들은, 다양한 세균이 각각 다른 자외선에 얼마나 민감한지 체계적으로 실험하기 위해 시도했다.

일반적으로, 이러한 실험을 위한 광원은 넓은 범위의 UV 파장을 발생시키는 램프여야 한다. 가능한 한 주파수 대역을 좁히기 위해, 연구자들의 계획은 필터를 통해 빛을 비추는 것이었다. 그러나 이렇게 되면, 여전히 비교적 넓은 10nm의 빛의 주파수 대역이 생성되고, 원치 않는 주파수가 필터를 통해 흐르게 되어, 각각의 미생물을 불활성화하는 파장을 정확히 판단하기 어렵다.

미생물학자들과 공학자들은 보다 더 완벽하고, 제어가 가능한 자외선 광원이 필요했다. 그래서 그들은 미국립기술표준연구원에게 도움을 요청했다. 미국립기술표준연구원은 각각의 미생물을 샘플로 하여 완벽하게 제어되는 UV 빔(광선) 전달 실험 시스템을 개발하고 작동되도록 구축했다.

실험기구는 특정 농도로 물을 채운 1개의 페트리 배양접시(petri dish)시료를 밀폐된 장치 속에 집어넣도록 되어 있었다. 이 실험을 독특하게 만든 것은, 미국립기술표준연구원이 UV 빔을 조정이 가능한 레이저에 의해 광이 전달되도록 설계했다는 점이다.

"조정이 가능"하다는 것은, 광범위한 파장에 걸쳐 있는 자외선 파장을 1나노미터 (nm) 미만의 극도로 짧은 대역의 빛으로 빔을 만들어 조사할 수 있다는 것을 의미한다. 이 경우 빔의 대역은 210nm~300nm이다. 레이저는 또한 휴대가 가능해서 과학자들이 레이저 작업을 진행하는 연구실로 가져갈 수 있었다.

연구자들은 또한 미국립기술표준연구원에서 보정한 UV 검출기를 사용하여, 각각의 측정 전후에 페트리 배양 접시에 충격하는 빛을 측정하여, 각각의 샘플에 얼마나 많은 빛이 실제 충돌하고 있는지 알고자 했다.

시스템을 작동시키기 위해 수많은 도전들이 있었다. 연구진들은 일종의 거울을 시리즈로 하여, 자외선 빛을 페트리 배양 접시로 실어 보냈다.

그러나, UV 파장마다 각각 다른 반사물질이 필요하기 때문에, 미국립기술표준연구원 연구원들은 다양한 반사 코팅이 있는 거울을 사용하여, 실험을 진행하는 사이에 수시로 교환할 수 있도록 시스템을 설계했다.

연구원들은 또한 중심 부근에서 가장 강도가 높은 레이저 빔을, 전체 물 샘플에 균일하게 조사하기 위해 광-분산기를 구해야만 했다.

최종적인 결과는, 서로 각기 다른 파장의 자외선에서, 서로 다른 세균들이 어떻게 반응하는지를 보여주는 일련의 그래프이며, 미생물에 대한 첫 번째 데이터는, 그 어느 때보다 정밀하게 측정되었다. 그리고 연구팀은 예상치 못한 결과를 발견했다.

예를 들어, 바이러스는 파장이 240nm 이하로 감소함에 따라 민감도가 증가하였다. 그러나 편모충(Giardia)과 같은 다른 병원체의 경우, 파장이 낮아져도 자외선 민감도는 거의 같았다.

2012년 실험으로 발행된 3편의 연구논문에서 제1의 연구저자인 콜로라도 대학교 CU 볼더 환경공학과 Sara Beck은 "이 연구 결과는 상수도 공기업에서 꽤 자주 활용되고 있으며, 정부기관과 또 다른 자외선 영역에서 물과 공기 살균소독에 직접적으로 연구하고 있습니다."라고 말했다.

"어떤 빛 파장이 각각 다른 병원균을 불활성화 할 수 있는지를 이해하면 살균 소독을 보다 더 정밀하고 효율적으로 실행할 수 있습니다."라고 그녀는 말했다.

□ 자외선(UV) 로봇

물 샘플에서 짧은 UV 광선을 제어하고 전달하기 위해, 미국립기술표준연구원이 설계한 동일한 시스템은 잠재된 또 다른 용도를 위해, 미래에 실험에 활용될 수 있을 것이다.

예를 들어, 연구원들은 자외선이 병실에서 흔히 발견되는 단단한 물체의 표면에 기생하는 세균과 그리고 심지어 공기 중에 떠다니는 세균까지 얼마나 잘 죽이는지 알아내기를 바라고 있다.

병원 내 감염을 줄이기 위한 노력으로, 일부 의료센터들은 로봇으로 운반되는 자외선 살균 빔으로 룸을 방역하고 있다. 그러나 이러한 로봇의 활용에 대한 실질적인 표준은 아직 없기 때문에, 비록 효과적일 수는 있지만, 얼마나 효과적인지 알 수가 없거나, 또 다른 모델과의 장점을 비교하는 것은 어렵다고 연구원들은 말했다.

"표면에 광선을 쪼이는 장치의 경우 변수가 많고, 그것들이 제대로 작동하고 있는지 어떻게 알수 있을까요?"라고 Larason은 말했다.

미국립기술표준연구원과 같은 시스템은 또 다른 살균 소독 로봇 모델을 시험 평가하는 표준법을 개발하는 데 유용할 수 있다.

Larason 박사는 또 다른 잠재된 프로젝트는, 태양 빛이 공기 중과 표면 모두에서 신종 코로나바이러스에 미치는 영향을 조사할 수 있다고 말했다. 그리고 본래의 공동 협력자들은 이 레이저 시스템을 향후 물 살균소독과 관련된 프로젝트에 활용될 수 있기를 희망한다고 말했다.

Sara Beck 박사는 "각각 다른 UV 파장에 대한 미생물과 바이러스의 민감도는 현재 물 및 공기 살균소독 관행과 여전히 깊은 관련이 있다."면서 "특히 신기술 개발 뿐만아니라 CoVid-19나 병원체 감염과 같은 새로운 살균소독 과제를 감안할 때 더욱 그렇습니다." 라고 말했다.

※ 참고문헌: "국립기술표준연구원(National Institute of Standards and Technology)의 물속에 기생하는 병원체 불활성화를 위한 조정이 가능한 형식의 자외선 레이저 방사 조도시설"을 참조할 것.

Thomas C. Larason, 21 July 2020, Review of Scientific Instruments.

※ DOI: 10.1063/5.

2012년 연구로 발표한 3편의 연구논문의 제1 연구저자인 콜로라도 대학교 CU 볼더 환경공학자인 Sara Beck은 "이번 연구 결과는 수자원공사, 규제기관 및 UV 분야의 다른 기관들이 직접 물과 공기를 살균 소독을 하는 데 꽤 자주 활용하고 있다."고 말했다. "어떤 빛의 파장이 각각 다른 병원균을 불활성화하는지를 이해하면 살균소독을 더 정밀하고 효율적으로 할 수 있다."고 그녀는 말했다.


※ 첨언: NIST가 가장 최근 발표한 연구는, 물이나 공기 중에 유해세균을 살균하기 위해 통상적으로 활용하고 있는 UVC 253.7나노미터(nm) 파장이 살균소독에 상당히 제한적이라는 사실을 보여주고 있습니다.

각각의 세균마다, 자외선 광에 대한 민감도가 다르며, 따라서 253.7 나노미터 UVC 파장이 마치 무소불위의 살균소독력을 가진 것처럼 통용되어서는 안된다는 뜻입니다.

일반 UVC 자외선으로 불활성화하지 못해 살균소독에 실패할 우려가 있다는 점입니다. 따라서 다파장을 일으키는 것이 그나마 다양한 세균을 살균소독할 가능성이 더 높아 지므로, 자외선을 이용한 살균 소독법에는 더 많은 연구가 필요하다고 하겠습니다.

미환경보호청이 과거에 기술하고 발표한 것처럼, 다양한 자외선 파장의 광을 이용하고, 공기 중에 산소(O2) 또는 인위적으로 높은 순도의 과산화수소(H2O2)를 광분해하여 플라즈마화하지 못하면, 사실상 물이나 공기 살균소독은 어렵다고 발표했습니다.

고체 표면 또는 필터 표면에 부착된 살균에만 집중하는 단순 UVC 자외선 공기살균법은 코로나-19 외에도 곰팡이나 박테리아 등의 살균이 쉽지 않다는 반증입니다.

자외선은 UVA, UVB, UVC를 모두 이용하는 다파장 기술이 그나마 가장 유효한 살균소독법이며, 과학적 근거로서 규명되었으므로, 관련업계는 이점을 귀담아 들어야 합니다.

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