Atmospheric pressure plasma has been used in various fields such as ozone generators, sterilizers, and dust collectors since the 1800s because of its ability to produce various active oxygen and nitrogen species (RONS). Entering the 1990s, many cases have been reported to replace conventional processing or maximize efficiency by applying atmospheric pressure plasma to green industries such as medical, agriculture, and food. Considering that RONS plays a significant role in the application of plasma technology, there is a growing interest in controlling of RONS and efficient methods of plasma application. In the food and medical field, the RONS is delivered to the treated subject through the liquid, since the plasma-treated subject is mostly in aqueous phase or surrounded by liquid. Accordingly, researches on generating plasma-treated water (PTW) that can store RONS for a long time, research of RONS controlling in PTW, and utilizing it has been actively conducted in recent years. Therefore, it is time to identify RONS generation mechanisms in PTW and how to control them, and how to apply it that can be effectively used in industrial. This paper deals with the analysis of plasma sources used in the manufacture of PTW, the identification of production mechanisms and control methods for various RONSs in PTW, and the analysis of biofilm removal for PTW. A planar patterned dielectric barrier discharge (DBD) plasma source was used to produce PTW. The operation conditions of the plasma were tested at the low power consumption of 10-15 W at low frequency (LF, 20-50 kHz), and fused silica and alumina were used as the dielectric with 1 mm of thickness. In addition, the in-situ measurement system was established by various methods such as absorption spectrum, scavenger usage, and colorimetry to accurately measure RONS. In addition to measuring methods, zero-dimensional simulations have been developed and built to track RONS which is difficult to measure. Through the experiments and simulations, the characteristics of the DBD plasma source were analyzed, and the difference of RONS generation according to the material difference was identified in terms of temperature and electric field. In order to control the produced RONS, the increase and decrease of the production were verified as by terms of UV irradiation, temperature control, power control, pH control, and dielectric material selection. In particular, the intensive control method for ozone ($O_{3}$), hydroxyl radical (OH), nitrite ($NO_{2}^{-}$), and nitrate ($NO_{3}^{-}$), which are widely used for sterilization and nitrogen fixation, etc, have been sought. Control mechanisms have also been identified. $O_{3}$ was decomposed through high temperature and UV irradiation, and it was confirmed that heat generation due to power rise was also involved in $O_{3}$ decomposition. The pH control allows you to control the rate of $NO_{2}^{-}$ reduction, which helps to extend the useful life of PTW. It was also confirmed that pH control can increase the amount of OH produced during the PTW storage period. Since each of the control methods is driven independently, this paper suggests the possibility of selectively increasing or suppressing production through the appropriate combination. In order to determine the influence of RONS in PTW, biofilm was selected as a subject. Because biofilm can be easily accessible around us, such as kitchen knives, water pipes, and food processing facilities, and it can grow very quickly and cause problems such as secondary infection or contamination. According to the results of the present study, when E. coli, Salmonella, and Listeria were formed on the surfaces of stainless steel, glass, PET, PE, and PVDC, respectively, it was confirmed that PTW shows effective removal efficiency. $H_{2}O_{2}$ (1 $mM$), $O_{3}$ (10 $\mu$M), OH (0.1 $\mu$M) and $NO_{2}^{-}$ (5 $mM$) showed 25%, 14%, 10%, and 9% biofilm removal in the order. Although $H_{2}O_{2}$ showed the best efficiency for biofilm removal, the order can be changed according to the type of treatment subject. This paper shows great scientific information about that PTW can show high efficacy if the appropriate RONS for each treatment subject is controlled through the aforementioned control method.
플라즈마는 다양한 활성 산소 및 질소종 (RONS)을 생성한다는 특성때문에 1800년대부터 오존 발생기, 살균기, 집진기 등 다양한 분야에서 사용되었다. 1990년대 들어서면서 대기압에서 방전된 플라즈마가 의료, 농업, 식품 등 녹색산업 분야에서 기존의 공법을 대체하거나 새로운 공법을 야기하는 사례들이 본격적으로 보고되기 시작했다. 플라즈마 기술의 적용시 RONS가 중요한 역할을 한다는 것에 착안하여 이에 대한 제어와 효율적인 처리방법에 대한 관심이 높아지고 있다. 식품 및 의료 분야에서 플라즈마 처리 대상체가 액체형태이거나 액체에 둘러 쌓여져 있는 환경이 대부분이기에, RONS는 액체를 통해 처리 대상체에 전달된다. 이에따라 효율적인 처리를 위해 RONS를 오랜 기간 저장할 수 있는 플라즈마 처리수(PTW)를 생성하고, 내부 RONS를 제어하며, PTW의 활용 방안에 대한 연구들이 최근들어 활발히 진행되고 있다. 따라서 PTW에 내부의 RONS 생성 기작에 대한 규명과, 이를 제어할 수 있는 방법에 대한 기초적인 연구부터, 이를 효율적으로 보관하면서 활용할 수 있는 응용 연구까지 필요한 시점이다. 본 논문에서는 PTW 제조에 사용된 플라즈마 발생원 분석, PTW 내 존재하는 다양한 RONS에 생성 기작 규명 및 제어 방법 분석, 그리고 PTW 적용 대상인 바이오필름 제거 분석에 대한 연구를 다룬다. PTW를 제조하기 위하여 평면 격자형 유전체 장벽 방전 (DBD) 플라즈마 소스가 사용되었다. 플라즈마의 운전 조건은 저주파 (LF, 20-50 kHz)에서 10-15 W의 소모전력에서 실험이 진행되었으며, 석영과 알루미나가 유전체로 사용되었고, 두께는 1 mm로 고정되었다. 더불어 RONS의 정확한 측정을 위해 흡수광 스펙트럼, scavenger 사용법, 색광도법 등 다양한 방법으로 실시간 측정 시스템을 구축하였다. 측정방법 뿐 아니라 측정하기 어려운 조건이나 활성종에 대해서도 추적하기 위하여 0차원 시뮬레이션이 개발되어 구축되었다. 실험과 시뮬레이션을 통하여 DBD 플라즈마 소스의 특성을 분석하였고, 재료의 차이에 따른 RONS 생성의 차이점을 온도 및 전기장 측면으로 파악하였다.생성된 RONS를 제어하기 위하여 UV조사, 온도 제어, 전력 제어, pH 제어, 유전체 재료 선택 등의 변수에 대하여 생성 증감을 확인하였다. 특히 살균 및 질소고정 등으로 많이 사용되고 있는 오존($O_{3}$), 수산화라디컬 (OH), 아질산이온 ($NO_{2}^{-}$), 질산 이온 ($NO_{3}^{-}$), 4가지 종에 대하여 집중적으로 제어 방법에 대해 탐색되었고, 제어 기작이 규명되었다. 고온과 UV 조사를 통해 $O_{3}$가 분해되며, 전력 상승으로 인한 발열 또한 $O_{3}$ 분해에 관여함이 확인되었다. pH 제어를 통해 $NO_{2}^{-}$의 감소 속도를 조절할 수 있으며, 이는 PTW의 효용 기간 연장에 도움이 된다. 또한 pH 제어를 통해 PTW 보관 기간 동안 OH의 생성량을 증가시킬 수 있음이 확인되었다. 각각의 제어방법들의 독립적으로 구동되기 때문에, 적절한 조합을 통해 선별적으로 생성을 늘리거나 억제시킬 수 있는 가능성을 시사한다.앞서 언급된 방식으로 생성되고 제어된 RONS의 영향력을 파악하기 위하여 바이오필름을 처리 대상체로 두어 그 생물학적 영향력을 확인하였다. 바이오필름은 부엌의 칼, 수도관, 식품 공정 시설 내부 등 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 표면이라면 굉장히 빨리 번식을 하여 2차 감염이나 오염 등의 문제를 야기할 수 있기 때문에 본 연구에서 PTW의 영향력을 파악하는데 좋은 대상체가 되었다. 본 연구 결과에 따르면, 대장균, 살모넬라, 리스테리아 균이 각각 스테인리스, 유리, PET, PE 및 PVDC의 표면에서 형성되었을 때, PTW가 효과적인 제거 효율을 보인다는 것을 확인되었고, 특히 스테인리스 표면에 형성된 대장균은 $H_{2}O_{2}$ (1 $mM$), $O_{3}$ (10 $\mu$M), OH (0.1 $\mu$M), $NO_{2}^{-}$ (5 $mM$)가 각각 25%, 14%, 10%, 9% 의 순으로 바이오필름 제거 능력을 보였다. 본 논문을 통해서 바이오필름 제거에는 $H_{2}O_{2}$ 가 가장 좋은 효율을 보였지만, 처리 대상체의 종류에 따라서 이 순서는 충분히 바뀔 수 있기 때문에, 각 처리 대상체에 맞는 RONS를 앞서 언급한 제어 방법을 통해 제어한다면, 가장 효율적인 방법을 제시할 수 있다.
