바이오 및 의과학 분야의 플라즈마 응용 및 전망

[사무국]

한국시니어과학기술인협회 전기·전자·정보통신분과 박 장 식

 우주는 전기장, 자기장, 빛, 천둥 등의 조건에 따라서 다양한 플라즈마 상태가 형성된다. 우리 생활 주변의 반도체, 디스플레이, 전자부품 등의 넓은 산업 분야에서 플라즈마가 응용되고 있으며 우수한 디바이스 특성을 결정하는 중요한 수단이다. 대기압 플라즈마 장치는 진공 플라즈마 장치와 달리 가격이 저렴하고 장치구성이 비교적 간단하며 화학적인 반응으로 공기 중에서 활성종 및 액체에서 활성수를 형성하여 바이오 및 의과학 분야에 사용하기에 쉽다. 화학약품으로 살균 소독하는 것과 비교해서 플라즈마 공기살균기는 살균력이 우수하며 친환경적이고 사용 비용이 저렴한 장점이 있어 병원, 양로원, 어린이집, 식품 가공공장 등의 큰 시장을 형성하고 있다. 특히 2020년 COVID-19 의 세계적 팬데믹(pandemic)으로 플라즈마 공기살균기는 호평을 받고 있다. 그리고 피부질환, 상처뿐만 아니라 세포와 구별해서 선택적으로 암 치료가 가능한 우수한 암치료 성능을 보여주어 차세대 성장 동력산업으로 주목을 받고 있다. 대기압 플라즈마 세계 시장은 2020년 약 40조~50조로 추정된다.

 대기압 플라즈마는 공기 중에서 수십 kHz, 0.1kV~ 50kV 고전압을 전극 사이에 인가하여 방전을 일으켜 UV, 활성산소(reactive oxygen species: ROS) 및 활성질소(reactive nitrogen species: RNS)를 발생 시킨다. 이러한 활성종은 높은 반응성을 가지고 있으므로 바이오 및 의과학 분야 등에 넓게 응용하여 연구 개발되고 있다. 국내에서 광운대학교 플라즈마 바이오 과학연구센터(Plasma Bioscience Research Center)는 국내 및 세계적 네트워크를 구축하여 플라즈마 과학연구와 산업화를 효율적으로 수행하고 있다.

 우리나라에서 2015년 5월 20일에 최초로 메르스의 확진 환자가 발생한 이후 11월 30일까지 186명의 환자가 발생하여 이 중 38명이 사망하였고 치명적인 사회적, 경제적인 손실이 발생하였다. 이 사건을 계기로 바이러스와 세균에 대한 감염방지를 위해서 국가적 차원의 방역시스템 구축이 요구되었다. 그러나 병원, 요양 병원 등에서 방역 방식은 알코올, 알데하이드 및 크레졸 등의 화학약품을 정기적으로 사용하는 데에 그치고 있어 살균 및 소독 비용이 많이 들고 환경이 오염되는 문제가 있다. 이에 반해서 플라즈마 공기살균기는 저렴한 비용으로 24시간 살균, 소독을 할 수 있는 장점이 있다. OH, H 2 O 2 , O, NO 등의 친환경 활성종은 세균, 바이러스의 세포 표면에 침투하여 핵산, 단백질, 지질 등을 산화하여 살균시키는 우수한 성능을 갖는다.

 상기 그림은 대기압 플라즈마의 활성종 등은 생체 표면및 내부의 물과 반응하여 OH, H 2 O 2 , NO, O 2

· - , O 3 등의 제1차 활성종을 생성한다. 여기서 생성된 자외선이 생체 조직 내의 물 분자를 분해하여 OH를 생성되고 2차 활성종인 H 2 O 2 가 형성되어 생체 및 혈액 속에서 확산하여 미생물에 대한 살균과 소독을 한다. 이것이 플라즈마-유도 자외선 광분해과정이다.

 직접 및 간접적으로 감염된 표면과 공기를 통해서 SARS-CoV-2 바이러스가 전파된다. COVID-19의 백신 개발에 상당한 시일이 걸릴 것으로 예상이 되며 대기압 플라즈마 방식으로 COVID-19 방역시스템 구축, 정부의 적극적 지원및 산학연의 연구 활성화가 요구된다.